自卸车裂纹产生的原因及结构改进
 采用有限元分析的方法对SX 360 型自卸车疲劳裂纹的成因进行了分析, 建立了以板单元为基本单元的车架有限元模型, 在该模型的基础上进行了有限元静态、模态及随机振动分析, 根据有限元的计算结果找出了车架过早出现疲劳裂纹的原因, 并针对已发生疲劳裂纹和尚未产生裂纹的自卸车提出了改进方案和思路。</DIV>
<DIV>关键词: 自卸车; 车架; 裂纹; 寿命</DIV>
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<DIV>SX 360 型自卸车主要用于卸载货物。其驾驶室有两排座, 可承载4 名工作人员; 货箱为全钢结构; 柴油发动机驱动, 发动机安装在车架的前部, 即驾驶室下面; 液压举升机构安装在车架的中后部, 大可举升20 t 的货物; 共有10 个轮胎, 前胎2 个, 后胎8 个, 每个轮胎所能承受的大载荷为2920 kg。该车具有牵引力大、载重量大、价格低等优点, 适用于矿山、港口、铁路或野外作业等场所的运输。从结构组成来看, SX 360 型自卸车主要部件有车架、驾驶室、货箱、液压举升机构、发动机等, 各个部件对于汽车的品质、质量、寿命都有重要的影响。但就目前的情况来看, 影响该车使用寿命的主要因素是车架。该车在正常行驶3～5 个月时, 车架纵梁上三横梁与纵梁交接处便出现了裂纹, 在路面较坚硬, 路况较差的宁夏、青海等地, 该处出现裂纹的情况就更加严重, 有时甚至发生断裂。鉴于以上情况需对SX 360 自卸车裂纹产生的原因进行分析, 以得到较好的解决方法。</DIV>
<DIV>1 裂纹产生的原因</DIV>
<DIV>应用有关软件对SX 360 自卸车进行静应力分析发现: 在静工况下车架上各测点的大应力值为148.2 MPa, 小于车架材料的许用应力211 ～238 </DIV>
<DIV>MPa, 故可以排除车架在行驶过程中突然断裂的可能。该车车架上的裂纹是在汽车正常行驶3～5 个月后产生的, 并且同批出厂的汽车在此期间绝大多数都在相同的部位不同程度的产生了裂纹, 因而可以确定裂纹的产生属于疲劳破坏。</DIV>
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<DIV>车架在弯扭联合工况下, 三横梁与纵梁接头处的应力集中现象为显著;发现发动机的怠速激励频率与车架的第二阶固有频率发生藕合产生共振, 而且车架的第二阶固有振型为竖直面内一阶扭转, 其振型特点与静应力分析中的弯扭联合工况极为相似, 故该振型会在三横梁与纵梁接头处产生较大的动应力集中现象。在路面的激励下三横梁与纵梁接头处的应力均方值是附近其他处应力均方值的6倍左右, 也就是讲, 在汽车正常行驶过程中, 该处应力峰值始终处于较高的状态。因此, 三横梁与纵梁接头处的应力集中是造成该处疲劳破坏的主要原因。车架裂纹的产生是在汽车行驶较短的时间内发生的, 而发动机的怠速状态在汽车正常工作时发生的概率不是很高, 因此, 单纯因为怠速不可能在短时间内就产生车架的疲劳裂纹, 而汽车在行驶时随时都要受到路面的激励作用, 并且此时车架上裂纹产生处的应力集中十分严重, 故路面的激励是影响车架正常使用寿命的主要因素, 但由发动机的怠速激励频率所引起的车架的共振也是不容忽视的重要因素。</DIV>
<DIV>2 车架的修改原则及具体修改方案</DIV>
<DIV>通过以上的分析可以清楚地看到, 三横梁与纵梁接头处较高的扭转刚度与车架的变宽结构是导致三横梁与纵梁接头处应力集中的主要原因, 因此, 车架结构的修改原则应是: </DIV>
<DIV>1) 减小由于车架的振动(主要是路面激励下的位移响应) 而引起的车架变宽处的附加扭矩; </DIV>
<DIV>2) 降低三横梁与纵梁的接头对扭转变形的阻碍作用。</DIV>
<DIV>车架是汽车的主要承载部件, 汽车的许多部件( 如发动机、驾驶室、货箱等) 都安装在车架上, 如果车架的结构发生较大的变化, 势必会影响到其上安装件的结构与安装。因此我们提出了两种修改方案, 一种是在尽量不影响车架上各安装件的结构和装配的前提下, 对车架结构进行较小的修改, 使车架的使用寿命较之以前大为提高, 这主要是针对于那些在使用过程中已有裂纹发生的或尚未产生裂纹的车;另一种是对车架结构做较大的修改, 从源头彻底消除过早产生裂纹的各种隐患。本文将把重点放在种方案上, 对第二种方案只作思路上的介绍。</DIV>
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<DIV>由于车架裂纹产生的主要原因之一是三横梁与纵梁采用了扭转刚度较大的翼板连接方式, 致使车架上该段的扭转刚度过大, 阻碍了车架扭转变形沿纵梁的传递, 从而在该处产生应力集中。因此就以改变三横梁与纵梁的连接方式作为解决问题的突破口。首先, 将三横梁与纵梁的连接方式由翼板连接变为腹板连接, 而该横梁的基本形状保持不变。这种连接方式的优点是它的扭转刚度相对于翼板连接来讲大为降低, 因此会降低车架该段的整体扭转刚度。其次, 是在纵梁上由二横梁到车架末端焊“L” 板, 它的作用是增加车架的抗弯刚度, 减小车架在路面激励下的位移响应, 从而减小在车架变宽处产生的附加扭矩的值。</DIV>
<DIV>为了便于与原车架结构进行比较, 将修改后结构的各测点的应力值与原结构相应测点的应力值绘制成表( 见表1) 。从表1 可以看出, 结构修改后车架纵梁上各测点处的应力值均有明显的下降。在纯弯曲工况下各测点的应力值变化不是非常的显著, 而在弯扭联合工况下这种下降却极为明显, 尤以测点5 处为显著, 而且修改后车架结构各测点之间的应力值变化比较平缓, 没有出现明显的应力集中区域, 从而证明了应力集中的确是由于三横梁处的扭转刚度过大所致。但值得注意的是虽然在纵梁上该处的应力集中区域消失了, 但在三横梁上与纵梁腹板连接的接头处却出现了应力集中区域, 其应力值在130 MPa 左右, 比原车架纵梁上应力集中时的应力值160 MPa 是小了许多, 但由于修改后的三横梁与纵梁的连接刚度降低了, 因此, 三横梁上的应力集中也是不容掉以轻心的。可以通过改变三横梁与纵梁腹板连接的接头形状、增加三横梁的钢板厚度以及在满足车架性能的前提条件下修改三横梁的几何形状, 用降低其自身扭转刚度等方法来解决这个问题。</DIV>
<DIV>3 结论与展望</DIV>
<DIV>SX 360 型自卸车车架尺寸较大、空间结构复杂, 在实际使用中受力复杂多变, 因此增加了研究的难度。对SX 360 型自卸车裂纹产生的原因进行了分析, 指出影响该车使用寿命的主要因素是车架, 提出了车架的修改原则及具体方案, 以期使该车能够安全行驶30 万km 以上。