采用有限元分析的方法對sx 360 型自卸車疲勞裂紋的成因進(jìn)行了分析, 建立了以板單元為基本單元的車架有限元模型, 在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限元靜態(tài)、模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)分析, 根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果找出了車架過早出現(xiàn)疲勞裂紋的原因, 并針對已發(fā)生疲勞裂紋和尚未產(chǎn)生裂紋的自卸車提出了改進(jìn)方案和思路。
關(guān)鍵詞: 自卸車; 車架; 裂紋; 壽命
sx 360 型自卸車主要用于卸載貨物。其駕駛室有兩排座, 可承載4 名工作人員; 貨箱為全鋼結(jié)構(gòu); 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在車架的前部, 即駕駛室下面; 液壓舉升機(jī)構(gòu)安裝在車架的中后部, 最大可舉升20 t 的貨物; 共有10 個(gè)輪胎, 前胎2 個(gè), 后胎8 個(gè), 每個(gè)輪胎所能承受的最大載荷為2920 kg。該車具有牽引力大、載重量大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn), 適用于礦山、港口、鐵路或野外作業(yè)等場所的運(yùn)輸。從結(jié)構(gòu)組成來看, sx 360 型自卸車主要部件有車架、駕駛室、貨箱、液壓舉升機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)等, 各個(gè)部件對于汽車的品質(zhì)、質(zhì)量、壽命都有重要的影響。但就目前的情況來看, 影響該車使用壽命的主要因素是車架。該車在正常行駛3～5 個(gè)月時(shí), 車架縱梁上三橫梁與縱梁交接處便出現(xiàn)了裂紋, 在路面較堅(jiān)硬, 路況較差的寧夏、青海等地, 該處出現(xiàn)裂紋的情況就更加嚴(yán)重, 有時(shí)甚至發(fā)生斷裂。鑒于以上情況需對sx 360 自卸車裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析, 以得到較好的解決方法。
1 裂紋產(chǎn)生的原因
應(yīng)用有關(guān)軟件對sx 360 自卸車進(jìn)行靜應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn): 在靜工況下車架上各測點(diǎn)的最大應(yīng)力值為148.2 mpa, 小于車架材料的許用應(yīng)力211 ～238
mpa, 故可以排除車架在行駛過程中突然斷裂的可能。該車車架上的裂紋是在汽車正常行駛3～5 個(gè)月后產(chǎn)生的, 并且同批出廠的汽車在此期間絕大多數(shù)都在相同的部位不同程度的產(chǎn)生了裂紋, 因而可以確定裂紋的產(chǎn)生屬于疲勞破壞。
車架在彎扭聯(lián)合工況下, 三橫梁與縱梁接頭處的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為顯著;發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率與車架的第二階固有頻率發(fā)生藕合產(chǎn)生共振, 而且車架的第二階固有振型為豎直面內(nèi)一階扭轉(zhuǎn), 其振型特點(diǎn)與靜應(yīng)力分析中的彎扭聯(lián)合工況極為相似, 故該振型會(huì)在三橫梁與縱梁接頭處產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在路面的激勵(lì)下三橫梁與縱梁接頭處的應(yīng)力均方值是附近其他處應(yīng)力均方值的6倍左右, 也就是講, 在汽車正常行駛過程中, 該處應(yīng)力峰值始終處于較高的狀態(tài)。因此, 三橫梁與縱梁接頭處的應(yīng)力集中是造成該處疲勞破壞的主要原因。車架裂紋的產(chǎn)生是在汽車行駛較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的, 而發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速狀態(tài)在汽車正常工作時(shí)發(fā)生的概率不是很高, 因此, 單純因?yàn)榈∷俨豢赡茉诙虝r(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生車架的疲勞裂紋, 而汽車在行駛時(shí)隨時(shí)都要受到路面的激勵(lì)作用, 并且此時(shí)車架上裂紋產(chǎn)生處的應(yīng)力集中十分嚴(yán)重, 故路面的激勵(lì)是影響車架正常使用壽命的主要因素, 但由發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率所引起的車架的共振也是不容忽視的重要因素。
2 車架的修改原則及具體修改方案
通過以上的分析可以清楚地看到, 三橫梁與縱梁接頭處較高的扭轉(zhuǎn)剛度與車架的變寬結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致三橫梁與縱梁接頭處應(yīng)力集中的主要原因, 因此, 車架結(jié)構(gòu)的修改原則應(yīng)是:
1) 減小由于車架的振動(dòng)(主要是路面激勵(lì)下的位移響應(yīng)) 而引起的車架變寬處的附加扭矩;
2) 降低三橫梁與縱梁的接頭對扭轉(zhuǎn)變形的阻礙作用。
車架是汽車的主要承載部件, 汽車的許多部件( 如發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、貨箱等) 都安裝在車架上, 如果車架的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化, 勢必會(huì)影響到其上安裝件的結(jié)構(gòu)與安裝。因此我們提出了兩種修改方案, 一種是在盡量不影響車架上各安裝件的結(jié)構(gòu)和裝配的前提下, 對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行較小的修改, 使車架的使用壽命較之以前大為提高, 這主要是針對于那些在使用過程中已有裂紋發(fā)生的或尚未產(chǎn)生裂紋的車;另一種是對車架結(jié)構(gòu)做較大的修改, 從源頭徹底消除過早產(chǎn)生裂紋的各種隱患。本文將把重點(diǎn)放在第一種方案上, 對第二種方案只作思路上的介紹。
由于車架裂紋產(chǎn)生的主要原因之一是三橫梁與縱梁采用了扭轉(zhuǎn)剛度較大的翼板連接方式, 致使車架上該段的扭轉(zhuǎn)剛度過大, 阻礙了車架扭轉(zhuǎn)變形沿縱梁的傳遞, 從而在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此就以改變?nèi)龣M梁與縱梁的連接方式作為解決問題的突破口。首先, 將三橫梁與縱梁的連接方式由翼板連接變?yōu)楦拱暹B接, 而該橫梁的基本形狀保持不變。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是它的扭轉(zhuǎn)剛度相對于翼板連接來講大為降低, 因此會(huì)降低車架該段的整體扭轉(zhuǎn)剛度。其次, 是在縱梁上由二橫梁到車架末端焊“l(fā)” 板, 它的作用是增加車架的抗彎剛度, 減小車架在路面激勵(lì)下的位移響應(yīng), 從而減小在車架變寬處產(chǎn)生的附加扭矩的值。
為了便于與原車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較, 將修改后結(jié)構(gòu)的各測點(diǎn)的應(yīng)力值與原結(jié)構(gòu)相應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力值繪制成表( 見表1) 。從表1 可以看出, 結(jié)構(gòu)修改后車架縱梁上各測點(diǎn)處的應(yīng)力值均有明顯的下降。在純彎曲工況下各測點(diǎn)的應(yīng)力值變化不是非常的顯著, 而在彎扭聯(lián)合工況下這種下降卻極為明顯, 尤以測點(diǎn)5 處最為顯著, 而且修改后車架結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)之間的應(yīng)力值變化比較平緩, 沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域, 從而證明了應(yīng)力集中的確是由于三橫梁處的扭轉(zhuǎn)剛度過大所致。但值得注意的是雖然在縱梁上該處的應(yīng)力集中區(qū)域消失了, 但在三橫梁上與縱梁腹板連接的接頭處卻出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域, 其應(yīng)力值在130 mpa 左右, 比原車架縱梁上應(yīng)力集中時(shí)的應(yīng)力值160 mpa 是小了許多, 但由于修改后的三橫梁與縱梁的連接剛度降低了, 因此, 三橫梁上的應(yīng)力集中也是不容掉以輕心的?？梢酝ㄟ^改變?nèi)龣M梁與縱梁腹板連接的接頭形狀、增加三橫梁的鋼板厚度以及在滿足車架性能的前提條件下修改三橫梁的幾何形狀, 用降低其自身扭轉(zhuǎn)剛度等方法來解決這個(gè)問題。
3 結(jié)論與展望
sx 360 型自卸車車架尺寸較大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 在實(shí)際使用中受力復(fù)雜多變, 因此增加了研究的難度。對sx 360 型自卸車裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析, 指出影響該車使用壽命的主要因素是車架, 提出了車架的修改原則及具體方案, 以期使該車能夠安全行駛30 萬km 以上。
