方慧平，王東斌

中型載貨汽車車架系統(tǒng)設計

方慧平，王東斌

（陜西汽車集團有限責任公司，陜西 西安 710200）

通過某中型載貨汽車車架系統(tǒng)方案設計、有限元分析優(yōu)化、試驗驗證，開發(fā)滿足各項需求的車架系統(tǒng)，完善了分析方法，積累了模擬分析、試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)車架的設計、改進提供理論依據(jù)。

載貨汽車；車架；方案設計；試驗

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-34-03

引言

載貨汽車車架作為整車中的主要的承載部件，支撐著貨箱、駕駛室、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等所有簧上質(zhì)量，應具有足夠的強度滿足各種載荷需求；同時，車架也是轉(zhuǎn)向、懸架等各系統(tǒng)安裝、連接的基體，其剛度、模態(tài)等性能直接影響到整車等操縱穩(wěn)定性、NVH性能。本文結(jié)合某新型載貨車開發(fā)過程中，從車架系統(tǒng)概念方案、仿真分析、臺架試驗進行研究、分析，使車架的各項性能滿足整車性能的要求。

1 方案設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)型式

車架主要有變寬變截面、變寬等截面以及等寬等截面等結(jié)構(gòu)形式。變寬車架不利于多樣化的上裝改裝需求，變截面車架加工復雜，成本較高。結(jié)合中型載貨車需求特點，采用等寬等截面結(jié)構(gòu)形式；但是隨著排放等不斷升級和發(fā)動機功率的不到增大，對冷卻能力要求更高，所以為了適應更大的冷卻模塊匹配需求，通過車架前端連接前接梁，實現(xiàn)局部加寬，滿足寬冷卻模塊布置需求（如圖1所示）。

圖1 局部加寬車架結(jié)構(gòu)

1.2 橫梁結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)車架的初步受力分析可知，縱梁主要承受車架的彎曲變形力，而因路面不平引起的車架扭轉(zhuǎn)變形力多為橫梁承擔。

對幾種常見橫梁結(jié)構(gòu)對比分析，“工”型(圖2-a)、“幾”型(圖2-b)斷面的橫梁抗彎能力較強；“幾”型斷面梁、圓管梁(圖2-d)的抗扭轉(zhuǎn)能力較強，圓管梁重量最輕；鴨嘴型橫梁(圖2-c)因Z向高度最小，且平面區(qū)域大，利于傳動軸吊架及管、線布置安裝；結(jié)合中型載貨車輕量化、長軸距需求，最終選用圓管橫梁方案。

圖2 常用橫梁結(jié)構(gòu)

1.3 材料選擇

商用車車架材料熱軋鋼板，為了降低重量，材料強度有越來越高的趨勢，國外少數(shù)廠家進行了鋁合金材料車架的應用，減重效果明顯，但是成本較高，不適宜國內(nèi)載貨車用戶需求。通過對不用材料強度性能、加工公益性、成本的對比分析，最終確定采用600L高強度鋼材料，既能滿足整車輕量化需求，成本目標也達標。不同材料對比見表1。

表1 不同材料對比

1.4 橫梁與縱梁連接方式

車架橫梁與縱梁的連接方式主要有鉚接、螺栓連接、焊接、拉鉚等方式。

壓鉚(圖3-a)主要是靠鉚釘?shù)目辜羟辛_到連接作用，主要優(yōu)勢是不易脫落、裝配效率高、成本低；但存在的問題是因為徑向力小，不適用于高強度鋼或多層板的連接，無法抵消高強度鋼板的不平面度及局部變形。

螺栓(圖3-b)連接預緊力大，便于拆卸和上裝改裝，但成本較高，一般是鉚接成本的3～4倍。

拉鉚(圖3-c)在壓緊力，抗剪切能力，抗疲勞能力均優(yōu)于現(xiàn)在采用的壓鉚和螺栓連接，缺點是不便于拆卸，成本高。

結(jié)合不用種連接方式的優(yōu)點，在車架不同位置采用不用的連接方式(圖3-d)，體現(xiàn)各自的優(yōu)勢，效果最佳。

圖3 連接方式

2 有限元分析

2.1 仿真模型的建立

以HyperMesh為前處理工具，建立以殼單元為主，多種單元形式相結(jié)合的有限元分析模型。求解器采用Radioss進行計算，后處理工具采用HyperView進行分析判斷。

將車架CATIA三維模型轉(zhuǎn)換為stp格式，導入HyperMesh進行前處理工作。建立車架有限元分析模型時，鈑金件用殼單元模擬，單元平均尺寸10mm，以四邊形為主，含少數(shù)三角形單元；鑄造件用四面體單元模擬，單元平均尺寸5mm。對于螺栓連接和鉚釘連接，采用剛性單元rbe2與梁單元cbar相結(jié)合的形式，避免出現(xiàn)局部剛度突變，提供較好的局部剛度效果。前軸、后橋則簡化為beam梁單元。

通過HyperMesh前處理，共劃分單元數(shù)量671314，結(jié)點數(shù)量320680。有限元模型如圖1。

圖4 有限元模型

2.2 邊界條件和載荷

根據(jù)載貨車車架的實際受力情況，將貨物質(zhì)量以均布載荷的形式加載到副車架上；隨車附件質(zhì)量按實際安裝和固定位置，在幾何重心位置模擬質(zhì)心單元；其它結(jié)構(gòu)件的自重通過軟件定義密度即可。

同時，以車架強度分析數(shù)據(jù)準備單為依據(jù)對邊界條件和載荷進行編輯，見表2。

表2 車架強度分析數(shù)據(jù)準備單

2.3 強度分析

圖5 不同工況強度分析

在進行強度分析時，需要在四個軸端對有限元分析模型進行約束，1、2、3、4、5、6六個阿拉伯數(shù)字分別代表約束X方向平動、Y方向平動、Z方向平動、X方向轉(zhuǎn)動、Y方向轉(zhuǎn)動、Z方向轉(zhuǎn)動。

通過對車架垂向沖擊工況(沖擊加速度1.5g)、轉(zhuǎn)彎（側(cè)向加速度0.5g）、扭轉(zhuǎn)、制動（制動減速度0.5g）四種工況靜態(tài)垂向受力工況分析，車架應力分布情況如圖5所示，四種工況下的各部件應力分布情況均滿足強度要求，安全系數(shù)全部大于1，表明該車架強度滿足要求。

3 試驗驗證

圖6 臺架測試

將帶模擬副車架及駕駛室的車架安裝在試驗臺上（見圖6），在貨箱中心對應位置，加載器通過2000mm×1000mm× 50mm的鋼板對模擬副車架施加等幅正弦載荷。第一階段載荷為（57～107）kN，加載頻率為0.4-0.8Hz,循環(huán)次數(shù)為200000次；第二階段載荷為（72～137）kN，加載頻率為0.4-0.6Hz,循環(huán)次數(shù)為300000次。通過循環(huán)測試驗證，過程中車架未出現(xiàn)斷裂、開裂問題，通過測試驗證。

4 結(jié)論

通過對中型載貨汽車車架系統(tǒng)方案設計、不同工況虛擬仿真計算、臺架試驗驗證，表明該車架承載能力及強度要求，能夠保證汽車的行駛和安全性能。

[1] 陳家瑞,汽車構(gòu)造（下冊）[M],機械工業(yè)出版社,2001.

[2] 呂品,汽車車架拓撲優(yōu)化設計[D],吉林大學碩士學位論文,2008.

[3] 陳啟亮,王朋波等.Hypermorph工具在某型卡車車架扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化設計中的應用,長安汽車北京研究院.

Designing of Frame System In Medium Duty Truck

Fang Huiping, Wang Dongbin
( Shaanxi Automobile Group Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Through the designing, optimization through finite element analysis and experimental verification, the frame system meet the performance requirements. Improving the analysis method, accumulated calculation and test data, It will provide theoretical basis for the design or improvement of the frame in the future.

Truck; Frame; Design; Test

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-34-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.013

方慧平，就職于陜西汽車集團有限責任公司。