張超，胡葳（.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院 國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 40；.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 3006）

客車(chē)底盤(pán)車(chē)架結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析與優(yōu)化

張超1，胡葳2
（1.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院 國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300162）

以某6112型客車(chē)底盤(pán)車(chē)架為研究對(duì)象，采用仿真軟件相結(jié)合的方式建模、求解，分析車(chē)架在水平彎曲、極限彎扭、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等四種典型工況下的剛度和強(qiáng)度，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明，該客車(chē)底盤(pán)車(chē)架的綜合力學(xué)特性得到顯著提高，為進(jìn)一步優(yōu)化提供理論參考。

車(chē)架；剛度；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.015

CLC NO.: U461.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-40-03

引言

底盤(pán)車(chē)架作為客車(chē)承載的重要基體，支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器等簧上質(zhì)量的有關(guān)部件，并由懸架裝置、前橋、后橋支承位于車(chē)輪之上。其結(jié)構(gòu)承受著各種力和力矩，受力非常復(fù)雜。車(chē)架結(jié)構(gòu)的好壞及載荷分配是否合理直接決定客車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否。因此，客車(chē)底盤(pán)車(chē)架結(jié)構(gòu)分析具有重要研究?jī)r(jià)值。

本文以某6112型客車(chē)為研究對(duì)象，采用三維與有限元軟件建模，通過(guò)NASTRAN求解器，分析車(chē)架在水平彎曲、極限彎扭、緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎等四種典型工況下的剛度和強(qiáng)度，并對(duì)該客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。得出車(chē)身不同工況的受力情況，分析并提出改進(jìn)建議，為進(jìn)一步優(yōu)化提供理論參考。

1、基礎(chǔ)理論

從結(jié)構(gòu)力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，車(chē)架結(jié)構(gòu)是一個(gè)高次超靜定的復(fù)雜空間殼系結(jié)構(gòu)。作為承載式車(chē)架結(jié)構(gòu)的主要承載件的汽車(chē)車(chē)架不僅要承受發(fā)動(dòng)機(jī)、乘員的重量，而且還要承受汽車(chē)行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩的作用。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)水平彎曲、極限彎扭、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等各種路面工況。

（1）水平彎曲

勻速直線(xiàn)行駛時(shí)車(chē)身受載與靜彎曲工況相同，靜彎曲工況計(jì)算主要是對(duì)客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下，四輪著地時(shí)的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，主要模擬客車(chē)在良好路面下勻速直線(xiàn)行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況。滿(mǎn)載靜彎曲分析是車(chē)身結(jié)構(gòu)處于正常靜態(tài)受力狀態(tài)時(shí)的工作狀況，在整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中最常見(jiàn)、最基礎(chǔ)的分析部分，可以比較全面地反映出車(chē)輛在一般工況下的應(yīng)變與應(yīng)力狀態(tài)。

靜態(tài)完全工況，主要進(jìn)行客車(chē)在靜態(tài)滿(mǎn)載時(shí)底盤(pán)車(chē)架的抗彎剛度和強(qiáng)度分析（車(chē)身自重和載荷乘以 2-2.5倍的動(dòng)載荷系數(shù)，模擬客車(chē)在水平路面以較高車(chē)速行駛時(shí)的動(dòng)載荷）。

（2）極限彎扭

客車(chē)行駛的路況較為復(fù)雜多變，而其中扭曲路面對(duì)剛度與強(qiáng)度的要求最高。研究這類(lèi)工況對(duì)客車(chē)剛度和強(qiáng)度的影響對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性的意義。當(dāng)客車(chē)在扭曲路面行駛或一輪跳坑的時(shí)候，車(chē)速很低，所以在這樣的工況下，底架受到的動(dòng)載荷隨時(shí)間變化比較緩慢，慣性載荷相對(duì)很小。因此，這樣的工況下，客車(chē)的彎、扭特性可以視同靜態(tài)。

靜態(tài)扭轉(zhuǎn)的分析結(jié)果可以反映出底架的實(shí)際強(qiáng)度。為了說(shuō)明問(wèn)題，選擇極端的工況——滿(mǎn)載情況下一輪懸空來(lái)分析車(chē)輛的抗扭強(qiáng)度與剛度。通過(guò)左右懸空工況，研究客車(chē)以相對(duì)低速通過(guò)凹凸不平路面時(shí)的抗彎扭強(qiáng)度和剛度，其反應(yīng)了車(chē)身結(jié)構(gòu)的實(shí)際最大靜態(tài)強(qiáng)度問(wèn)題（車(chē)身自重和載荷乘以1.2倍的動(dòng)載荷系數(shù)）。

（3）緊急制動(dòng)

客車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)，由于客車(chē)的自重與載重較大，地面制動(dòng)力對(duì)車(chē)身會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，車(chē)身在慣性力的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，必須加以計(jì)算。

設(shè)定客車(chē)行駛時(shí)速為40km/h，制動(dòng)距離為8m，則最大制動(dòng)加速度為-7.72×103m/s2，按此加速度在模型上施加整體所受的載荷及在制動(dòng)方向上的作用力（慣性力）。即除了集中載荷同彎曲工況外，在x方向上還要附加-0.7g的慣性力。

（4）緊急轉(zhuǎn)彎

急轉(zhuǎn)彎工況主要考慮當(dāng)客車(chē)以最大轉(zhuǎn)向加速度0.4g轉(zhuǎn)彎時(shí)，慣性力對(duì)車(chē)身的影響。除了集中載荷同彎曲工況外，在y方向上還要附加0.4g的離心力，該工況下放松一側(cè)y方向的位移約束作為約束條件。

2、研究實(shí)例

2.1模型建立

利用UG軟件進(jìn)行車(chē)架零部件的CAD建模，采用構(gòu)件裝配方法建立車(chē)架三維模型；通過(guò)UG輸出接口，將三維模型轉(zhuǎn)化為igs格式，結(jié)合前處理工具建立某6112型客車(chē)底盤(pán)車(chē)架的有限元模型。由于底盤(pán)車(chē)架的縱梁、加強(qiáng)梁、橫梁和橫梁連接板均由薄板沖壓成型，為板殼結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時(shí)，由殼體厚度中點(diǎn)構(gòu)成的中曲面構(gòu)成模型，即采用殼單元來(lái)模擬。車(chē)架材料的楊氏模量為 2.Lx105MPa，泊松比0.3，密度為7.85x103kg/m3。

發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、散熱器與中冷器、油箱、蓄電池、空氣濾清器、消聲器及排氣管、方向機(jī)、儲(chǔ)氣筒等部件在車(chē)架強(qiáng)度分析中視為剛體，簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，用 Mass單元來(lái)模擬，質(zhì)量點(diǎn)與支架的連接采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。對(duì)于縱梁、加強(qiáng)梁、橫梁之間的連接件鉚釘，采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，因?yàn)殂T釘在車(chē)架的變形中承受著剪切和拉壓變形，而梁?jiǎn)卧梢哉鎸?shí)地反映出鉚釘?shù)睦瓑汉图羟凶冃?。?duì)焊接位置，可采用節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)耦合或主從耦合方式建立。

有限元分析過(guò)程中，必須保證有足夠的約束條件，以消除車(chē)輛整體的剛性位移及求解車(chē)架上各點(diǎn)的位移和應(yīng)力。

圖1　車(chē)架模型

2.2力學(xué)特性分析

客車(chē)行駛工況比較復(fù)雜，與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有直接關(guān)系的主要是彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況，“汽車(chē)產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)程”規(guī)定：樣車(chē)必須以一定車(chē)速，在各種道路上行駛一定里程。典型路面主要包括高速道路、一般道路、彎道行駛，行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)靜彎曲、彎扭聯(lián)合、緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎等情況。計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種工況均予以考慮，這樣才可能確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，以進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（1）水平彎曲

最大應(yīng)力出現(xiàn)在客車(chē)后空氣彈簧支撐外伸粱與后段車(chē)架橫梁連接處，最大應(yīng)力值為192.9Mpa。

（2）極限彎扭

彎扭極限工況下，客車(chē)后空氣彈簧支撐外伸粱與后段車(chē)架橫梁連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力值為195.2Mpa。

（3）緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)工況下，客車(chē)后空氣彈簧支撐外伸粱與后段車(chē)架橫梁連接處，最大應(yīng)力值為206.1Mpa。

圖2　水平彎曲工況

圖3　極限彎扭工況

（4）緊急轉(zhuǎn)彎

緊急轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在外伸梁總成根部最大應(yīng)力值為221.8Mpa。

圖4　緊急制動(dòng)工況

圖5　緊急轉(zhuǎn)彎工況

2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6　結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后

表1　優(yōu)化前后

在彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)及轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在后懸架外伸梁總成根部，最大應(yīng)力值分別為 192.9Mpa、195.2Mpa、206.1Mpa、221.8Mpa。上述四種工況分別考慮2、1.5、1.5、1.5的安全系數(shù)，此區(qū)域結(jié)構(gòu)所用材料為510L，屈服大于 355Mpa，其中彎曲工況下不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。因此根據(jù)四種工況下外伸梁根部均出現(xiàn)較大應(yīng)力集中的問(wèn)題，應(yīng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。綜合上訴分析結(jié)果考慮到客車(chē)動(dòng)力總成后置，后橋負(fù)荷較大，選擇在客車(chē)車(chē)架兩側(cè)外伸兩處分別增加兩塊U型肋板用焊接的形式連接在外伸梁與后端車(chē)架的連接處以減少應(yīng)力集中。

優(yōu)化方案結(jié)果滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，除外伸梁總成根部外，其余部分應(yīng)力值較小，均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3、結(jié)論

以某6112型客車(chē)底盤(pán)車(chē)架為研究對(duì)象，分析車(chē)架在水平彎曲、極限彎扭、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等四種典型工況下的剛度和強(qiáng)度特性分析。

對(duì)客車(chē)底盤(pán)車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果表明：該客車(chē)底盤(pán)車(chē)架的綜合力學(xué)特性得到顯著提高，為進(jìn)一步優(yōu)化提供理論參考。

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Analysis and Optimization of the Mechanics characteristics of the Bus Chassis Frame

Zhang Chao1, Hu Wei2
( 1.Chongqing Vehicle Test & Research Institute, National Coach Quality Supervision and Testing Center, Chongqing 401122; 2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300162 )

Taking a 6112 type bus chassis frame as the research object, to model and solve in combination with simulation soft ware, to analyze frame stiffness and strength in such four kinds of typical operating condition ashorizontal bending,limit torsion, emergency braking, swerve and to opitimize the frame structure. The result shows that the comprehensive mechanic characteristic of bus chassis frame has been significantly improved,providing the theory reference for further optimization.

frame; rigidity; intensity; structural analysis

U461.1

A

1671-7988（2015）12-40-03

張超，就職于重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司。