汽車車架是車輛支承連結(jié)各種零部件的基體，在使用條件下，車架的主要受力件縱梁在自重及載荷的作用下會(huì)發(fā)生變形呈下?lián)馅厔?shì)，對(duì)軸距較長(zhǎng)的車架或承受載荷較大時(shí)縱梁下?lián)蠌澢冃斡葹槊黠@; 因此，具有足夠的強(qiáng)度和彎曲剛度是對(duì)車架縱梁的基本要求。為提高車架縱梁的強(qiáng)度和彎曲剛度，通常的解決辦法是增加縱梁截面的抗彎模量或采用更好的材料; 即提高所用材料的強(qiáng)度、增大縱梁截面的面積或尺寸，但這無(wú)疑會(huì)增加車輛的成本、重量或占用較多空間，因而這些方法有其局限性。
本人在橋梁建筑行業(yè)干過(guò)幾年，故想就如何提高梁的承載力、減少梁的下?lián)献冃闻c從事車架設(shè)計(jì)的人員交流交流。
其實(shí)，使用狀態(tài)下的車架縱梁與大多數(shù)橋梁一樣可近似為簡(jiǎn)支梁，工況也類似（交變載荷），為提高橋梁的剛度和承載力，從前的橋梁設(shè)計(jì)也是采用增加梁截面的抗彎模量或改換材料的辦法，自從將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，橋梁結(jié)構(gòu)明顯輕量化；
往簡(jiǎn)單說(shuō)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)就是利用預(yù)應(yīng)力筋來(lái)承受梁中最易發(fā)生破壞的受拉部位的負(fù)荷，盡可能的利用梁中各部分構(gòu)成材料的性能，對(duì)預(yù)應(yīng)力技術(shù)有興趣的朋友可去查閱相關(guān)書籍。
本文只準(zhǔn)備通過(guò)對(duì)一組具體的槽型梁在施加預(yù)應(yīng)力前后在不同荷載下的撓度進(jìn)行對(duì)比來(lái)說(shuō)明槽型梁施加預(yù)應(yīng)力前后的效果。
在載重車車架中，槽型斷面的縱梁是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)有如圖1所示的簡(jiǎn)支梁A，受均布載荷q作用在梁上，梁的長(zhǎng)度L=5000mm，其材料彈性模量E=2.1×105 Mpa，梁A截面尺寸如圖2所示
圖1：梁A 圖2：P11 —P12 截面
梁A截面積 S1 =B1× H1－b1× h1=2562mm2
梁A慣性矩 Jx1 =（B1× H13－b1× h13）/12=18936806（mm4）
梁A抗彎截面模數(shù) Wx1 =（B1× H13－ b1× h13）/6H1=164668（mm3）
梁A在承受均布載荷q后
梁A最大彎矩 Mmax1 =q× L2 /8
梁A上側(cè)P11 點(diǎn)最大壓應(yīng)力 σP11max =－Mmax1 / Wx1
梁A下側(cè)P12點(diǎn)最大拉應(yīng)力 σP12max = Mmax1 / Wx1
梁A最大撓度 fmax1 = 5q× L4 /（384E×Jx1 ）
圖3：梁B 圖4：P21 —P22 截面
在圖3所示的梁B中，梁下部通過(guò)張緊的拉索施以預(yù)緊力F=5.5×104N，預(yù)緊力F偏心e=95mm（預(yù)緊力F作用位置可進(jìn)一步優(yōu)化），梁B的長(zhǎng)度L=5000mm，材料彈性模量E=2.1×105 Mpa，梁B截面尺寸如圖4所示，則
梁B截面積:S2 = S1 =2562mm2
梁B慣性矩:Jx2 = Jx1 =18936806（mm4）
梁B抗彎截面模數(shù):Wx2 = Wx1 =164668（mm3）
梁B未承受均布載荷q時(shí)，僅施加有偏心預(yù)緊力F的梁B可視為受彎矩 M2=F?e的壓桿，梁B因F及M2所產(chǎn)生的負(fù)荷為：
彎 矩: M2 =F?e=5.225×106N?mm
梁B上側(cè)P21點(diǎn)的預(yù)拉應(yīng)力:σP21 = M2/ Wx2－F/S2=10.3 Mpa
梁B下側(cè)P22點(diǎn)的預(yù)壓應(yīng)力:σP22 = －M2 / Wx2 －F/S2= －53.2 Mpa
撓 度:f2=－M2×L2/（8E×Jx2 ）= －4.1mm
梁B在M2作用下略呈反拱狀，從上式可看出，調(diào)整M2可改變f2的大?。涣?/SPAN>B承受均布載荷q后，梁中產(chǎn)生的負(fù)荷為：
彎 矩: M max2 = q× L2 /8
梁B上側(cè)P21點(diǎn)最大應(yīng)力:σP21max = －M max2 / Wx2+σP21
梁B下側(cè)P22 點(diǎn)最大應(yīng)力:σP22max = M max2 / Wx2+σP22
撓 度:fmax2 = 5q× L4 /（384E×Jx2 ）+ f2
圖5：梁C
圖6：P31 —P32 截面
圖5所示的梁C與梁B受荷載情況相同，但梁C截面尺寸如圖6所示
梁C截面積:S3 =B3× H3－b3× h3=1850mm2
梁C慣性矩:Jx3=（B3× H33－b3× h33）/12=13930417（mm4）
梁C抗彎截面模數(shù):Wx3 =（B3× H33－ b3× h33）/6H3=121134（mm3）
梁C未承受均布載荷q時(shí)，僅施加有偏心預(yù)緊力F（預(yù)緊力F作用位置可進(jìn)一步優(yōu)化）的梁C亦可視為受彎矩 M3=F?e的壓桿，梁C因F及M3所產(chǎn)生的負(fù)荷為：
彎 矩: M3 =F?e=5.225×106N?mm
梁C梁上側(cè)P31點(diǎn)的預(yù)拉應(yīng)力:σP31 = M3/ Wx3 － F/S3=13.4 Mpa
梁C梁下側(cè)P32點(diǎn)的預(yù)壓應(yīng)力:σP32 = －M3 / Wx3 － F/S3= －72.9 Mpa
撓 度:f3=－M3×L2/（8E×Jx3 ）= －5.6mm
梁C承受均布載荷q后，梁中產(chǎn)生的負(fù)荷為：
彎 矩:M max3 = q× L2 /8
梁C上側(cè)P31點(diǎn)最大應(yīng)力:σP31max = －M max3 / Wx3+σP31
梁C下側(cè)P32 點(diǎn)最大應(yīng)力:σP32max = M max3 / Wx3+σP32
撓 度: fmax3 = 5q× L4 /（384E×Jx3 ）+ f3
分別取不同的均布載荷q值代入上述各式，算得結(jié)果如下表：
從上表中的計(jì)算結(jié)果可看出：梁B與梁A雖然具有相同的橫截面積，但梁B承載后下?lián)献冃伪攘?/SPAN>A小，且梁B內(nèi)的應(yīng)力幅也較?。欢?/SPAN>C盡管與梁A承受同等的載荷，但橫截面積比梁A減少了27.8％，且梁C承載后的下?lián)献冃我廊恍∮诹?/SPAN>A。
這是由于在拉索張力作用下使梁B和梁C內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力抵消了部分因受載而產(chǎn)生的應(yīng)力，從而減小了梁的變形，以及梁B和梁C在預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的反拱補(bǔ)償了部分承載后的下?lián)献冃蔚木壒省?/SPAN>
通過(guò)上述槽型梁在施加預(yù)應(yīng)力前后在不同荷載下的對(duì)比說(shuō)明：對(duì)槽型梁施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力可獲得以下幾個(gè)效果：
1.可有效減小槽型梁的下?lián)献冃危欣谔岣卟坌土旱膭偠群统休d能力；
2.可有效降低槽型梁內(nèi)的應(yīng)力幅，有利于提高槽型梁的抗疲勞性能；
3.對(duì)于承受同等的載荷，槽型梁可以采用更小的構(gòu)件截面從而可減輕結(jié)構(gòu)自重，有利于節(jié)能降耗。
當(dāng)今，預(yù)應(yīng)力技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)且卓有成效，建議汽車設(shè)計(jì)師考慮將這一技術(shù)結(jié)合到車架設(shè)計(jì)中，以拓展車架結(jié)構(gòu)輕量化的新途徑。
