鄭莉, 周瓊
(江西交通職業技術學院 汽車工程系, 江西 南昌 330013)
自卸汽車車廂縱梁不僅承載著車廂自重和載質量,在車廂傾卸時,還受到來自舉升機構的舉升力作用,此時車廂縱梁的負荷較大。因此,在車廂設計前,需根據整車布置對車廂縱梁強度進行校核計算,據此選擇合適的車廂縱梁截面和材料。
自卸汽車車廂縱梁多為平直且截面形狀不變,截面形狀一般有匚形(見圖1)和口形(見圖2)兩種。匚形截面可由普通鋼板機械加工而成,也可以是槽鋼;口形截面為矩形鋼管或方形鋼管,也可由槽鋼對接焊接而成??v梁截面的形狀和尺寸決定其截面系數,而縱梁材料決定其許用應力??箯澖孛嫦禂翟酱?,縱梁的抗彎性能越好;許用應力越大,則縱梁的安全性越高。因此,縱梁的結構和材料極為重要。
h為高度;b為腿寬度;t為腰厚度。
以某公司自卸汽車為例,對車廂強度進行校核計算。
該車型設計載質量為855 kg,考慮到實際使用中存在的超載現象,以2 000 kg的載質量進行校核。車廂未進行舉升時,等同于非自卸車廂,車廂不受垂直方向的彎曲應力,車廂縱梁強度能滿足使用要求。車廂舉升過程中,車廂受到載荷G、舉升機構舉升力F和后翻轉處的力N的作用。隨著舉升角度的增大,載荷G相對于后翻轉點的力臂逐漸減小,而舉升力F相對于后翻轉點的力臂逐漸增大。根據力矩平衡原理,舉升力F將隨著舉升角度的增大而減小。因此,車廂剛舉升時,舉升力F最大,車廂縱梁負荷最大,故只需對這種情況下的車廂進行強度校核計算。下面根據整車總體布置確定的舉升機構方式及安裝點,在載重2 000 kg(不含車廂自重200 kg)舉升時對車廂縱梁強度進行分析。
圖2 自卸汽車車廂縱梁的截面形狀(口形截面)
車廂縱梁受力見圖3。假設車廂受貨物及自身重力G作用,且均勻分布,O點為載荷質心;車廂縱梁長度L=2 510 mm,點A、B為縱梁兩端點;點C為舉升桿與車廂鉸接點,點D為車廂后翻轉點;舉升桿產生舉升力F,D點處對車廂形成壓力N;點E為重力G與舉升力F的延長線交點,ED為力N的作用方向;車廂為均勻舉升。
以D點為旋轉點,根據力矩平衡,有:
G×1 134.669=F×740.216
圖3 車廂縱梁受力示意圖(單位:mm)
F=G×1 134.669/740.216≈1.533G
以C點為旋轉點,根據力矩平衡,有:
G×332.972=N×534.254
N=G×332.972/534.254≈0.623G
力F在Y方向的分力為:
FY=Fsin75°≈1.481G
力N在Y方向的分力為:
NY=FY-G=0.481G
按G=(2 000 kg+200 kg)×9.8 N/kg=21 560 N計算。AC段長度a=1 629.661 mm,CD段長度b=801.697 mm?,F以截面法求距離A點x距離的縱梁截面的內力Q和彎矩M,并分為AC、CD和DB段來計算。車廂縱梁數量為2。
在AC段,以截面左端計算,合力為零,力矩平衡,則內力為:
Q=xG/L/2=4.294 8x(0 彎矩為: M=xG/L/2×x/2=2.147 4x2(0 在CD段,以截面左端計算,合力為零,力矩平衡,則內力為: Q=-(FY-Gx/L)/2=4.294 8x-15 961.484 (a 彎矩為: M=-[FY(x-a)-Gxx/2L]/2=2.147 4x2- 15 961.484x+26 011 807.976 9 (a 在DB段,以截面右端計算,合力為零,力矩平衡,則內力為: Q=-0.5G(L-x)/L=4.298 4x-10 780 (a+b 彎矩為: M=-0.5G(L-x)(L-x)/2L=-2.147 4x2+ 10 780x-13 528 900 (a+b 根據以上計算結果,車廂縱梁所受內力及彎矩分別見圖4、圖5。 圖4 車廂縱梁所受內力 圖5 車廂縱梁所受彎矩 由圖4、圖5可知:在C點處,車廂縱梁所受內力及彎矩均最大。 縱梁所受最大彎曲應力δmax=Mmax/WZ(WZ為車廂縱梁的抗彎截面系數)。對于由普通鋼板機械加工而成的匚形截面,WZ為: WZ=(h+6b)th/6 以2 400 mm軸距平板車廂縱梁尺寸計算: WZ=(h+6b)th/6=(50+6×55)×2× 50/6=38 000/6 mm3 Mmax=5 703 081.639 35 N·mm,則: δmax=Mmax/WZ=900.486 6 N/mm2 該縱梁材料為Q235薄鋼板,屈服強度δs=235 MPa<δmax,該縱梁用于自卸汽車車廂,在舉升時會斷裂。若仍使用該結構,在h和b不變的情況下,厚度t至少需增至t=2δmax/δs=900.486 6×2/235≈7.7 mm,從成本上考慮該結構不適用。 如果縱梁材料換為Q235的8#槽鋼,根據GB/T 707-1988《熱軋槽鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》,其截面模量Wx=25 300 mm3,則: δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/25 300= 225.418 N/mm2<δs=235 MPa 8#槽鋼能滿足使用要求。但考慮到δmax較接近δs,且實際舉升過程并非均勻舉升,δmax的實際值比計算值大,出于安全考慮,不宜采用8#槽鋼制作該自卸汽車車廂縱梁。 如果縱梁材料換為Q235的10#槽鋼,根據GB/T 707-1988,Wx=39 700 mm3,則: δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/39 700= 143.654 4 N/mm2<δs=235 MPa 10#槽鋼能滿足使用要求,可用作該自卸汽車車廂縱梁。 若縱梁材料換為Q235的(80×60×4) mm矩形鋼管,根據GB/T 3094-2000《冷拔異型鋼管》,其截面模量Wy=23 190 mm3,則: δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/23 190= 245.928 5 N/mm2>δs=235 MPa (80×60×4) mm矩形鋼管不能滿足使用要求,在車廂舉升時縱梁會斷裂。 若縱梁材料換為Q235的(80×60×5) mm矩形鋼管,查GB/T 3094-2000,Wy=27 680 mm3,則: δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/27 680= 206.036 N/mm2<δs=235 MPa (80×60×4) mm矩形鋼管能滿足使用要求,可用作該自卸汽車車廂縱梁。 根據以上計算分析結果,10#槽鋼和(80×60×5) mm矩形鋼管都能滿足使用要求。在實際生產制造過程中,從材料成本及備料方面考慮,該車型車廂縱梁最終采用10#槽鋼來制作。 上述車廂縱梁校核計算方法是最基本的一種,其他不同結構、材料的自卸汽車車廂縱梁可參照該方法進行校核計算。該車型已通過兩輪試裝驗證及可靠性試驗,結果表明,車廂的強度能滿足整車承載要求,與校核計算結論吻合。2.3 車廂縱梁強度校核
3 結語