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某重卡车架尾横梁轻量化结构设计与分析

来源：九壹网

总567期第7期2015年7月河南科技

JournalofHenanScienceandTechnologyVol.567，No.7Jul，2015某重卡车架尾横梁轻量化结构设计与分析段智芳（北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京100000）摘要：因“排放法规”、燃料消耗量限值等法规的出台以及“燃油税”实施等的影响，我国公路物流卡车市场发

生了巨大的变化，加之排放要求日益严格，节油、轻量化要求已迫在眉睫。针对目前现状，分析我们的产品结构和以往使用经验，对车架尾横梁进行轻量化设计，并通过有限元手段进行分析，以保证其使用性能。关键词：轻量化；结构；尾横梁；有限元中图分类号：U463

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2015）07-0056-3

DesignandAnalysisofaHeavyTruckFrameTailBeamLightweight

Structure

（BeijingFukudaDaimlerAutoCo.,Ltd.,Beijing100000）

DuanZhifang

Abstract：Duetotheeffectsof“emissionregulations”,fuelconsumptionlimitsandotherpromulgatedregulationsandtheimplementationof\"fueltax\ourcountryhighwaylogisticstruckmarketoccurredwithgreatchanges,cou⁃pledwiththeincreasinglystringentemissionrequirements,fuel-savingandlightweightrequirementsbecomeimmi⁃theframetailbeamisdesignedwithlightweight,andthefiniteelementmethodisusedforanalysistoensuretheper⁃formanceoftheframe.

Keywords:lightweight;structure;tailbeam;finiteelement随着“排放法规”、T719-2008《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》等法规的出台以及“燃油税”的实施，重卡市场的需求发生了巨大变化，对车辆节油、自重轻的要求越来越高。为顺应市场需求的变化，使我们的车辆在市场上更有竞争力，必须对车辆进行轻量化结构优化设计。

通过以往车辆的使用经验，车架尾横梁在二十多年的市场考验中未发生过一次强度问题，而对以往一些车架（牵引车、自卸车、货箱车）结构刚强度有限元分析的结果也表明，车架尾横梁在弯、扭工况的应力值均很低，故在保证尾横梁主要使用性能—拖挂能力的前提下，对尾横梁进行轻量化结构设计。

尾横梁原结构和轻量化结构、重量对比

1.2

图1牵引车尾横梁原结构

nent.Inviewofthepresentsituation,thispaperanalyzedthestructureofourproductsandtheexperienceofthepast,

况下，通过有限元分析，消除结构冗余，进行了轻量化结构设计，具体说明如下。

1.1

牵引车尾横梁原结构

牵引车尾横梁原结构如图1所示，其中二桥牵引车尾横梁材料为QstE380TM，厚度8mm，三桥牵引车尾横梁材料为St44-2，厚度10mm。

重卡车共分牵引、自卸、货箱等几大类车。本文首先对牵引车、自卸车尾横梁，在保证零件装配尺寸不变的情

收稿日期：2015-6-28

牵引车尾横梁轻量化结构如图2所示，在保证装配

牵引车尾横梁轻量化结构

作者简介：段智芳（1969.10-）女，本科，高级工程师,研究方向：商用车车架平台开发，结构件设计与开发、整车匹配设计等。

QstE500TM，厚度7mm。

某重卡车架尾横梁轻量化结构设计与分析

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尺寸的前提下，将零件厚度减薄，立面宽度减小，材料

图2牵引车尾横梁轻量化结构

1.3

自卸车尾横梁原结构如图3所示，材料SAPH400，厚度12mm。

自卸车尾横梁原结构

图5自卸车尾横梁有限元分析模型（厚度12mm）

图6牵引车尾横梁有限元分析模型（厚度7mm）

图3自卸车尾横梁原结构

2.2.2载荷和边界条件施加情况

1.4

QstE500TM，厚度8mm。

自卸车尾横梁轻量化结构如图4所示，材料

自卸车尾横梁轻量化结构

约束尾横梁上与纵梁连接处的X，Y，Z方向的平移自由度，在尾横梁与拖钩连接处的中心施加10000N的作用力，见图5、图6。

2.2.3有限元分析计算结果

施加边界条件后求解，经过后处理得到尾横梁受力和变形结果。自卸车尾横梁的应力分布情况见图7。自卸车尾横梁应力较高处位于尾横梁与拖钩螺栓连接附近的区域，最大应力为60MPa，其余部分的应力较小。

图4自卸车尾横梁轻量化结构

尾横梁（简称新尾横梁）重量对比

1.5原结构尾横梁（简称原尾横梁）与轻量化结构

原尾横梁与新尾横梁重量对比见表1。

表1原、新结构尾横梁重量对比表重量车型二桥牵引车三桥牵引车自卸车

原结构重量（kg）新结构重量（kg）减重（kg）

1843.722

141423420.78

图7自卸车尾横梁应力云图

牵引车尾横梁应力分布情况见图8。牵引车尾横梁应力较高处位于尾横梁与拖钩螺栓连接附近的区域，最大应力为43MPa，其余部分的应力较小。

22.12.2

原新尾横梁有限元对比分析计算采用的计算方法和说明计算过程及结果

建立尾横梁的有限元模型，利用有限元方法对尾横梁的主要承载能力—拖挂能力进行CAE模拟。

2.2.1建立尾横梁有限元模型模型如图5、6所示。

图8牵引车尾横梁应力云图

采用壳单元建立自卸车、牵引车尾横梁有限元分析

2.2.4原、新尾横梁材料的屈服极限材料的屈服极限列于下表2。

原、新尾横梁所用材料在前边已进行表述，现将各种

某重卡车架尾横梁轻量化结构设计与分析

表2尾横梁所用材料屈服强度一览表

第7期

材料牌号E380TMSAPH400E500TMSt44-2σs（MPa）≥275≥380≥500≥235

备注

三桥牵引车原尾横梁二桥牵引车原尾横梁

新尾横梁自卸车原尾横梁

表4尾横梁可承受拖钩的作用力和可拖动后面车辆的最大质量

尾横梁可承受可拖动后面车

车辆类型尾横梁的厚度

拖钩的作用力辆的最大质量

8mm（新）5.56t37t自卸车

12mm（原）3.92t26t7mm（新）11.6t77.3t

牵引车8mm（原）7.74t51.6t

10mm（原）4.5t30t2.2.5计算结果分析

通过上述计算，可以看出，在尾横梁轻量化后，由于

将尾横梁的材料更换为具有较高屈服强度的QstE500TM，轻量化后的尾横梁拖挂能力较原尾横梁有所提高。

结论

以上有限元分析施加的载荷都是1t的作用力，按照尾横梁的材料屈服极限计算[1]，自卸车原尾横梁可承受的拖钩作用力为拖钩作用力为

1×235=3.92（t），牵引车尾横梁可承受的60[2]

数，取充气轮胎在泥土路上的最大摩擦系数0.15计算，则自卸车和牵引车尾横梁可承受的拖动后面车辆的最大质量分别为26t、77.3t。

滚动摩擦系数0.02-0.040.15-0.250.12-0.57.5-12.50.010.050.03-0.040.1-0.150.10.050.08摩擦系数

径向载荷轴向载荷径向载荷轴向载荷径向载荷轴向载荷

0.0020.0040.0030.0050.0080.020.002-0.005（cm）

1×500=11.6（t）。按照表3所列的摩擦系43从以上分析计算可以看出，通过材料减薄和去除部分结构冗余，轻量化尾横梁重量最少可减轻22%，而在更换零件材料后，成本并未增加，零件材料种类减少，尾横梁拖挂能力也有所增加。

表3常见情况下的摩擦系数

滚轮材料

滚道材料

钢

木碎石路软土路

淬火钢铸铁木材充气轮胎实心橡胶轮胎

铁梨木榆木

轴承类别

单列向心球轴承单列角接触球轴承圆锥滚子轴承轧辊用圆锥滚动

轴承

淬火钢铸铁钢优质路泥土路优质路泥土路柞木

滚轮材料

滚道材料硬钢软钢黄铜

钢球（d=1.6mm）

铜铝锡铅玻璃

滚动摩擦系数（无

0.000020.000120.00120.0000140.00140.001量钢）

0.00004-0.00010.0000450.05-0.0550.22-0.28滚动轴承的摩擦系数

轴承类别短圆柱滚子轴承长圆柱滚子或螺旋滚子轴承

滚针轴承推力轴承双列向心球面球轴承双列向心球面滚子轴承

摩擦系数0.0020.0060.0080.00150.0040.003由于该模型是按照线弹性计算的，因此相应其他厚度的尾横梁可承受拖钩的作用力和可拖动后面车辆的最大质量见表4。

参考文献：

［1］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2012.［2］机械工程师手册［M］.成都：机械工业出版社，2007.

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