某牵引车车架开裂的原因分析及整改措施

2014-07-25周友明梁建福

汽车零部件 2014年7期

周友明，梁建福

（东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005）

0 引言

车架是汽车的基体，商用车车架一般由两根纵梁和若干根横梁组成，横梁通过连接板与纵梁连接，或直接铆接在纵梁上。车架需要有足够的强度和刚度以承受汽车内外的各种载荷和从车轮传来的冲击。因此，车架的可靠性极为重要，不仅关系到车辆是否能正常运行，还关系到整车的安全性。文中针对某牵引车车架开裂的故障问题，利用有限元计算及电测试验进行分析对比并提出改进方案。相比传统的经验设计方法，利用有限元方法分析得出的改进方案更为有效，质量及成本控制得更为合理。

1 问题描述

某牵引车车架是2013年初投放市场，在2013年7月的市场调研中发现，部分车辆在行驶到5万公里左右时，出现了尾梁连接板开裂，如图1所示。

该车型用户主要是用于拉煤炭、铁粉、石材等，车辆满载时总质量在50 t左右，行驶的路面主要有高等级公路、国道和矿区公路。高等级公路和国道路况较好，矿区公路部分路段存在凹凸不平的情况。

2 原因分析

2.1 结构分析

该车型为单后桥牵引车，尾梁连接板与纵梁及板簧支座固定在一起，该部位所受冲击较大。连接板开裂位置一处从连接板边缘开裂至板簧支座安装螺栓处，初步怀疑为因该处受力较大，局部强度不足从而导致开裂。而连接板开裂位置二处存在着突变结构，在受较大的冲击载荷或扭转时容易导致撕裂，初步认为是结构不合理所导致。

2.2 有限元分析

在有限元分析中，通常采用二维板壳单元对薄板件进行模拟。由于车架是由一系列板件组成的结构，宜用板壳单元进行模拟，这种模型可以使分析结果更为准确。该车架的整个分析过程均是采用Hypermesh进行前后处理工作，包括网格的划分、载荷及约束、工况的定义、计算及结果显示等。

划分好的有限元模型如图2所示，共包括319 981个节点、948 549个单元。为使模拟计算的结果更贴近实际情况，共模拟计算了弯曲工况、左前轮扭转工况、左前中轮扭转工况、左后轮扭转工况、右前轮扭转工况、右前中轮扭转工况、右后轮扭转工况共7个工况。7个工况的应力云图见图3（为清晰看到连接板的应力分布情况，故只截取尾梁及尾梁连接板部分的应力云图）。

从应力云图上可以看出:开裂位置一在所有工况下应力均较大，开裂位置二在前中轮扭转和后轮扭转工况下应力较大。故障位置的有限元分析应力值见表1（因尾梁及尾梁连接板为对称结构，故取值时选择了该工况下应力最大一侧的应力值）。

表1 各工况下故障位置的有限元分析结果 MPa

该连接板所采用的材料屈服强度为700 MPa，疲劳强度为375 MPa，因弯曲工况为常见工况，用疲劳强度计算安全系数，其他工况为极限工况，用屈服强度计算安全系数。根据有限元分析的结果，位置一的应力有3个工况已经超过该材料的许用应力范围，其他工况也接近材料极限，因此该处确定存在较大的开裂风险。位置二在弯曲工况时安全系数为375/236=1.59，其他工况的最小安全系数为700/465=1.51。因计算模拟的为静态极限工况，考虑到动载冲击，对于车架较为可靠的最小安全系数为1.5×1.3=1.95（1.5为动载系数）。因此位置二也存在一定的开裂风险。