自卸汽车车厢纵梁强度校核分析

郑莉， 周琼

(江西交通职业技术学院 汽车工程系， 江西 南昌 330013)

自卸汽车车厢纵梁不仅承载着车厢自重和载质量，在车厢倾卸时，还受到来自举升机构的举升力作用，此时车厢纵梁的负荷较大。因此,在车厢设计前，需根据整车布置对车厢纵梁强度进行校核计算，据此选择合适的车厢纵梁截面和材料。

1 自卸汽车车厢纵梁的结构和材料

自卸汽车车厢纵梁多为平直且截面形状不变，截面形状一般有匚形(见图1)和口形(见图2)两种。匚形截面可由普通钢板机械加工而成，也可以是槽钢；口形截面为矩形钢管或方形钢管，也可由槽钢对接焊接而成。纵梁截面的形状和尺寸决定其截面系数，而纵梁材料决定其许用应力。抗弯截面系数越大，纵梁的抗弯性能越好；许用应力越大，则纵梁的安全性越高。因此，纵梁的结构和材料极为重要。

h为高度；b为腿宽度；t为腰厚度。

2 自卸汽车车厢纵梁强度的校核计算

以某公司自卸汽车为例，对车厢强度进行校核计算。

2.1 自卸车概况

该车型设计载质量为855 kg，考虑到实际使用中存在的超载现象，以2 000 kg的载质量进行校核。车厢未进行举升时，等同于非自卸车厢，车厢不受垂直方向的弯曲应力，车厢纵梁强度能满足使用要求。车厢举升过程中，车厢受到载荷G、举升机构举升力F和后翻转处的力N的作用。随着举升角度的增大，载荷G相对于后翻转点的力臂逐渐减小，而举升力F相对于后翻转点的力臂逐渐增大。根据力矩平衡原理，举升力F将随着举升角度的增大而减小。因此,车厢刚举升时，举升力F最大，车厢纵梁负荷最大，故只需对这种情况下的车厢进行强度校核计算。下面根据整车总体布置确定的举升机构方式及安装点，在载重2 000 kg(不含车厢自重200 kg)举升时对车厢纵梁强度进行分析。

图2 自卸汽车车厢纵梁的截面形状(口形截面)

车厢纵梁受力见图3。假设车厢受货物及自身重力G作用,且均匀分布，O点为载荷质心；车厢纵梁长度L=2 510 mm，点A、B为纵梁两端点；点C为举升杆与车厢铰接点，点D为车厢后翻转点；举升杆产生举升力F，D点处对车厢形成压力N；点E为重力G与举升力F的延长线交点，ED为力N的作用方向；车厢为均匀举升。

以D点为旋转点，根据力矩平衡，有：

G×1 134.669=F×740.216

图3 车厢纵梁受力示意图(单位：mm)

F=G×1 134.669/740.216≈1.533G

以C点为旋转点，根据力矩平衡，有：

G×332.972=N×534.254

N=G×332.972/534.254≈0.623G

力F在Y方向的分力为：

FY=Fsin75°≈1.481G

力N在Y方向的分力为：

NY=FY-G=0.481G

2.2 车厢纵梁所受内力及弯矩

按G=(2 000 kg+200 kg)×9.8 N/kg=21 560 N计算。AC段长度a=1 629.661 mm，CD段长度b=801.697 mm。现以截面法求距离A点x距离的纵梁截面的内力Q和弯矩M,并分为AC、CD和DB段来计算。车厢纵梁数量为2。

在AC段，以截面左端计算，合力为零，力矩平衡，则内力为：

Q=xG/L/2=4.294 8x(0

弯矩为：

M=xG/L/2×x/2=2.147 4x2(0

在CD段，以截面左端计算，合力为零，力矩平衡，则内力为：

Q=-(FY-Gx/L)/2=4.294 8x-15 961.484

(a

弯矩为：

M=-[FY(x-a)-Gxx/2L]/2=2.147 4x2-

15 961.484x+26 011 807.976 9

(a

在DB段，以截面右端计算，合力为零，力矩平衡，则内力为：

Q=-0.5G(L-x)/L=4.298 4x-10 780

(a+b

弯矩为：

M=-0.5G(L-x)(L-x)/2L=-2.147 4x2+

10 780x-13 528 900 (a+b

根据以上计算结果，车厢纵梁所受内力及弯矩分别见图4、图5。

图4 车厢纵梁所受内力

图5 车厢纵梁所受弯矩

由图4、图5可知：在C点处，车厢纵梁所受内力及弯矩均最大。

2.3 车厢纵梁强度校核

纵梁所受最大弯曲应力δmax=Mmax/WZ(WZ为车厢纵梁的抗弯截面系数)。对于由普通钢板机械加工而成的匚形截面，WZ为：

WZ=(h+6b)th/6

以2 400 mm轴距平板车厢纵梁尺寸计算：

WZ=(h+6b)th/6=(50+6×55)×2×

50/6=38 000/6 mm3

Mmax=5 703 081.639 35 N·mm，则：

δmax=Mmax/WZ=900.486 6 N/mm2

该纵梁材料为Q235薄钢板，屈服强度δs=235 MPa<δmax，该纵梁用于自卸汽车车厢，在举升时会断裂。若仍使用该结构，在h和b不变的情况下，厚度t至少需增至t=2δmax/δs=900.486 6×2/235≈7.7 mm,从成本上考虑该结构不适用。

如果纵梁材料换为Q235的8#槽钢，根据GB/T 707-1988《热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差》，其截面模量Wx=25 300 mm3,则:

δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/25 300=

225.418 N/mm2<δs=235 MPa

8#槽钢能满足使用要求。但考虑到δmax较接近δs，且实际举升过程并非均匀举升，δmax的实际值比计算值大，出于安全考虑，不宜采用8#槽钢制作该自卸汽车车厢纵梁。

如果纵梁材料换为Q235的10#槽钢，根据GB/T 707-1988，Wx=39 700 mm3，则：

δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/39 700=

143.654 4 N/mm2<δs=235 MPa

10#槽钢能满足使用要求，可用作该自卸汽车车厢纵梁。

若纵梁材料换为Q235的(80×60×4) mm矩形钢管，根据GB/T 3094-2000《冷拔异型钢管》，其截面模量Wy=23 190 mm3，则：

δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/23 190=

245.928 5 N/mm2>δs=235 MPa

(80×60×4) mm矩形钢管不能满足使用要求，在车厢举升时纵梁会断裂。

若纵梁材料换为Q235的(80×60×5) mm矩形钢管，查GB/T 3094-2000，Wy=27 680 mm3，则：

δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/27 680=

206.036 N/mm2<δs=235 MPa

(80×60×4) mm矩形钢管能满足使用要求，可用作该自卸汽车车厢纵梁。

根据以上计算分析结果，10#槽钢和(80×60×5) mm矩形钢管都能满足使用要求。在实际生产制造过程中，从材料成本及备料方面考虑，该车型车厢纵梁最终采用10#槽钢来制作。

3 结语

上述车厢纵梁校核计算方法是最基本的一种，其他不同结构、材料的自卸汽车车厢纵梁可参照该方法进行校核计算。该车型已通过两轮试装验证及可靠性试验，结果表明，车厢的强度能满足整车承载要求，与校核计算结论吻合。