李進(jìn)寧，雒 琦，楊小康，王 相，羅高峰，許存賽

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，汽車在我們的生活中已經(jīng)占有很重要的地位，繼而汽車的安全性能就被人們廣泛關(guān)注。一輛好的汽車應(yīng)該具有較強(qiáng)的載重能力，并且整車質(zhì)量也要盡量的輕便，最主要的是汽車要具有一定的可靠度以及足夠長的壽命。然而車架作為其中重要的構(gòu)件很大程度的影響著整車的各種性能。為了增強(qiáng)車架的承載能力，并且能夠滿足不同行駛條件下的復(fù)雜載荷作用，除了要滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度準(zhǔn)則，而且在動態(tài)過程中還考慮到發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)的振動以及來自路面的隨機(jī)激勵對汽車車架的一定影響。

車架是承受整車所受載荷的基礎(chǔ)構(gòu)件[1]，其作為一部汽車重要的組成部分，通常由幾根橫梁和兩根縱梁組成，通過懸架裝置與前后橋支承在汽車的車輪上。汽車上很大一部分的部件都是通過車架來固定它們的相對位置。當(dāng)前，汽車的車架有三種基本的形式，分別是脊梁式與平臺式以及邊梁式。其中邊梁式車架應(yīng)用最為廣泛，平臺式車架適用于貨車或小型轎車，脊梁式車架適用于獨立懸架的轎車或貨車。

為了在保證汽車車架滿足基本的工作性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，又能保證汽車車架達(dá)到輕量化設(shè)計的目的，筆者對于不同工況下汽車的行駛狀態(tài)做了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性分析。這樣不僅解決了由于工況的復(fù)雜性而不能僅僅利用應(yīng)力分析計算進(jìn)行初步優(yōu)化的方案，而且提供了更加科學(xué)有效的設(shè)計方法。

1 汽車車架的三維建模以及設(shè)計參數(shù)

1.1 汽車車架的總體設(shè)計方案

(1) 合理地選擇橫梁與縱梁的結(jié)構(gòu)域連接方式以及車體和軸的支承方式。

(2) 為了滿足汽車在各種工況下所需要的條件。對車架的強(qiáng)度、剛度等進(jìn)行初步校核。

(3) 為了使汽車零部件組裝滿足要求，從而應(yīng)該充分考慮汽車車架的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)。

(4) 考慮汽車車架的加工工藝。

(5) 充分考慮結(jié)構(gòu)工藝性，合理選擇構(gòu)架的類型。

1.2 汽車車架的主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)如表1、2所列。

表1 汽車車架主要技術(shù)參數(shù)

表2 汽車車架斷面尺寸 /mm

運用SolidWorks三維軟件[2]對汽車車架進(jìn)行三維模型的建立，如圖1～3所示。該車架的主要構(gòu)成部分有一個橫梁、前后兩個保險杠、板簧和兩個縱梁以及一些附屬的掛鉤和鎖扣等。該構(gòu)架主要是一個焊接件，且要承受較大的力或轉(zhuǎn)矩，所以對焊接所需技術(shù)的要求是很高的。橫梁和縱梁是一種封閉的結(jié)構(gòu)，為了使構(gòu)件具有更高的強(qiáng)度和安全性，焊接時，錯開主要受力點的焊縫，避免應(yīng)力集中，橫梁強(qiáng)度的增加方法是加強(qiáng)板筋。縱梁在制造過程中，采用低合金鋼鋼板，再經(jīng)過沖壓成型，形成槽型斷面。

圖1 車架簡圖 圖2 車架側(cè)視圖

圖3 其它零部件及連接部分

截面形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化是我們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的主要途徑[3]。

(1) 形狀優(yōu)化 不僅要能達(dá)到理想的效果，還要節(jié)省材料，是材料利用率最高，更要達(dá)到最高的性能，以此為方向來改造車架。

(2) 尺寸優(yōu)化 在保證原有結(jié)構(gòu)性能的前提下，設(shè)計變量包括截面形狀和板材厚度。將零件尺寸的參數(shù)作為變量，以最佳設(shè)計進(jìn)行配合。

(3) 拓?fù)鋬?yōu)化 在優(yōu)化改良的過程中，從總成和零部件兩部分進(jìn)行優(yōu)化，使其配合，能夠保證性能，同時也要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定牢固。

據(jù)上述過程對車架結(jié)構(gòu)的分析，本文章對與車架的優(yōu)化改進(jìn)方面提出下面幾條建議： ①使用力學(xué)性能良好的材料；②車架輕量化是很重要的途徑，不但可以增強(qiáng)汽車輕便性，降低車輛使用成本，還可以減少因車架過重和不平衡而引起的壽命降低；③根據(jù)實驗，采用結(jié)構(gòu)簡單的鉚釘連接的汽車車架穩(wěn)定效果較好；④為使汽車具有一定的性能，要盡量的降低車輛的重心，所以車架也得降低。

2 汽車車架的工況分析

一般情況下，為了滿足要求，車架通常采用鋼材，以及各種塑性材料。那么，就可以根據(jù)塑性材料的變形情況來判斷車架的失效情況，再根據(jù)第四強(qiáng)度理論對車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度的校核。公式如下：

強(qiáng)度條件表示為：

σr≤[σ]

式中：[σ]為許用應(yīng)力。

不同工況條件下運行的汽車，車架受到不同載荷的共同作用，主要受到彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)載荷、縱向和橫向上的循環(huán)應(yīng)力的影響。而彎曲載荷則是由車身及各種車載設(shè)備重力作用下得來，在這種工況下四個車輪和路面都有有效接觸。

(1) 彎曲工況(滿載)

汽車在滿載行駛過程中，汽車處于平衡狀態(tài)，車輪與地面完全接觸時車架承受滿載時的靜載荷,并且汽車處于平衡狀態(tài)，汽車車架所受力為3 000 N。一端為1500 N，車架縱梁截面的最大彎曲應(yīng)力的計算公式：

計算分析得到以下數(shù)據(jù)：變形量在數(shù)值上最大可達(dá)4.34 mm，彎曲應(yīng)力的峰值可以達(dá)到171.4 MPa，分析汽車的縱向受力和橫向受力都滿足各自方向上約束力條件。

(2) 起動工況(滿載)

汽車在滿載狀態(tài)下起動，不可避免的將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，嚴(yán)重影響安全性能。由于慣性力的存在，車架會產(chǎn)生不同方向上的變形，經(jīng)檢測，滿載起動工況下汽車車架后端受到極限力為3 800 N，則一端為1 900 N。

最大變形量在數(shù)值上最高可達(dá)5.23 mm，測得縱梁所受的最大應(yīng)力達(dá)到了217.14 MPa，應(yīng)力強(qiáng)度滿足材料屈服極限290～385 MPa。

(3) 緊急制動工況(滿載)

在緊急制動時，分析滿載時汽車車架的情況，因為汽車滿載時質(zhì)量大，導(dǎo)致慣性大，從而控制汽車工況的改變。制動時，由于慣性讓汽車車架受到縱向載荷作用，而且和行駛方向不一樣。由于慣性力的存在，車架會產(chǎn)生不同方向上的變形，經(jīng)檢測，此時汽車車架主要是前端受力，極限力為4 000 N，則一端為2 000 N。

最大變形量在數(shù)值上最高可達(dá)5.75 mm，其中，縱梁方向上的應(yīng)力最大值可達(dá)到228.5 MPa，而此時材料的屈服極限是290～385 MPa。

3 汽車車架構(gòu)架強(qiáng)度的有限元分析

3.1 汽車車架強(qiáng)度有限元分析模型的建立

汽車車架為T型橫梁結(jié)構(gòu)，有限元計算模型可按照設(shè)計圖紙上的實際尺寸來建模，在SolidWorks三維軟件中根據(jù)不同工況下車架受載荷情況分析生成有限元模型[4-6]，如圖4～5所示。

圖4 車架在工況一時的變形圖 圖5 車架在工況二時的變形圖

3.2 工況加載及結(jié)果分析

3.2.1 組合載荷工況

(1) 工況一，起動工況。在極限狀態(tài)下，起動時汽車車架前端不受力，后端受到極限應(yīng)力。見表3所列。

(2) 工況二，緊急制動工況。在極限狀態(tài)下，緊急制動時汽車車架后端不受力，前端受到極限應(yīng)力。

表3 各工況下最大應(yīng)力值及其出現(xiàn)區(qū)域

3.2.2 結(jié)果分析

起動工況和緊急制動工況是汽車運行中的兩種常見工況，主要檢查所設(shè)計汽車構(gòu)架是否滿足強(qiáng)度要求。構(gòu)架采用材料的屈服極限是290～385 MPa，根據(jù)計算及有限元分析可知，起動工況下構(gòu)架最大應(yīng)力為232.7 MPa，緊急制動工況下構(gòu)架最大應(yīng)力為244.9 MPa，均小于最大屈服極限值，最大變形量也符合要求，所設(shè)計汽車構(gòu)架滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 語

對某型汽車車架在承載情況下出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，采用SolidWorks三維軟件建立車架結(jié)構(gòu)的三維模型，并進(jìn)行應(yīng)力計算，分析致使車架最易損壞的部位，并使用已有的條件，對汽車車架的結(jié)構(gòu)以及制造工藝進(jìn)一步的優(yōu)化。

通過計算及有限元分析結(jié)果表明，文中所設(shè)計汽車車架很好地滿足了車架結(jié)構(gòu)簡單、輕量化及加工方便的要求，并符合汽車運行的強(qiáng)度要求，為后期汽車車架的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及工藝制造提供嚴(yán)格的理論技術(shù)參考與支持。