輕型載貨汽車車架總成設計及驗證方法

楊希志，袁劉凱

(1.南京依維柯汽車有限公司，江蘇南京211103;2.南京理工大學機械學院，江蘇南京210094)

0 引言

車架總成是載貨車輛的最重要承載件，它承載了車輛約85%以上的質(zhì)量，包括駕駛員、乘員、貨物、車廂、駕駛室、發(fā)動機等。車架性能的好壞很大程度上決定了整車性能的好壞［1－2］，如車輛的可靠性、承載能力、NVH性能、平順性、操縱穩(wěn)定性。一般來說，車架總成需要有合適的剛度和足夠的強度以及良好的動態(tài)特性，才能使車架總成具有良好的可靠性和合適的變形量，確保整車操縱穩(wěn)定性能和乘坐舒適性。

1 車架分析有限元模型建立

車架縱梁為薄壁結構，車架橫梁為沖壓件或無縫鋼管，其寬度和高度方向的尺寸遠大于材料的厚度，采用殼單元模擬。網(wǎng)格的尺寸為10 mm，焊縫處采用節(jié)點融合或節(jié)點對齊的RBE2單元模擬，橫梁和縱梁的連接鉚釘采用RBE2和BEAM梁單元來模擬［3］。

實際板簧的建模是很復雜的，板簧既存在幾何非線性，又存在片與片之間的接觸，所以有必要對板簧懸架進行簡化。假板簧采用BEAM梁單元模擬 (見圖1)，梁單元的參數(shù)和臺架試驗采用的工字梁一致，懸架的各硬點采用CBUSH單元模擬。這種模擬方法保證力的傳遞路徑是一致的，且保證簡化后的懸架對車架總成的剛度影響很小。

貨箱和車架通過接觸來傳遞載荷，接觸模擬是非常復雜的 過程，在整車模型中添加接觸的計算很難保證計算過程收斂，為了保證計算效率，車架與貨箱接觸的部分采用點對點方式的 CGAP單元來模擬 (見圖2)。

2 車架總成的性能分析

車架總成的性能包括各階模態(tài)值和振型、彎曲剛度、扭轉剛度、車架強度、車架疲勞強度。按照整車VTS指標，分解為車架設計指標，性能指標的設定考慮了技術發(fā)展方向、法規(guī)及發(fā)展趨勢、競品數(shù)據(jù)、客戶需求等因素。性能指標的設定是整車性能的核心技術之一，需要有大量的數(shù)據(jù)。

2.1 車架總成扭轉剛度分析

車架的扭轉剛度分析是計算車架在受到外力作用發(fā)生扭轉時，車架抵抗扭轉變形的能力。對于同類車型，通常選擇短軸距的車架進行扭轉剛度的分析 (見表1)。如某車型系列產(chǎn)品中，GVW為5 t的整車軸距有2 800、3 308和3 600 mm 3種，選擇2 800 mm軸距車架進行車架扭轉剛度的分析。

表1 車架扭轉剛度計算說明

光車架扭轉分析采用的模型僅包括車架主要部件，車架+貨箱扭轉分析采用的車架模型還包含貨箱，車架+貨箱+駕駛室扭轉分析采用的車架模型還包含貨箱和駕駛室質(zhì)量載荷及其支架。

繪制扭轉變形示意圖，曲線上橫坐標為車架相對于后軸的位置，縱坐標為車架相對于后軸的轉角，剛度曲線要求平滑，沒有顯著突變，圖3、圖4為車架總成扭轉剛度的分析結果。

在計算扭轉剛度的同時，查看車架上的扭轉應力，扭轉應力不能超過車架材料的應用應力，一般取材料0.8倍的屈服強度。

2.2 車架總成強度分析

2.2.1 車架總成彎曲強度分析

對于同類車型，選擇長軸距的車架分析彎曲強度。比如某系列產(chǎn)品中，GVW為6 t的整車軸距有2 800、3 308和3 600 mm 3種，選擇3 600 mm軸距的車架進行車架彎曲強度分析。

彎曲強度分析是在整車模型上進行，考慮用戶在實際裝載貨物時可能會出現(xiàn)各種不同的擺放情況，如載荷均布在貨箱上，載荷放置在車輛的前部、后部;甚至需要考慮更為極端的工況，如用戶把載荷放置在貨箱的最前端，并且前橋已超過前橋設計最大載荷。載荷的獲取，需要調(diào)研各種用戶的使用情況，車架設計盡可能滿足可能碰到的惡劣工況。表2詳細列出了車架總成彎曲強度計算說明。

表2 車架總成彎曲強度分析表

2.2.2 車架總成整車工況強度分析

整車工況是描述整車在極限工況下車架的強度情況，整車工況分析包括以下6個工況:(1)2.5g的垂直動載;(2)3.5g的垂直動載;(3)整車制動極限工況 (0.8g);(4)整車極限制動工況 (1g);(5)整車極限轉彎工況 (0.66g);(6)整車極限加速工況，X方向的極限加速值可根據(jù)整車的動力性能計算獲得。

2.2.3 車架總成強度安全系數(shù)評價

不同的汽車生產(chǎn)制造商對安全系數(shù)的取值和評價方法都不相同，沒有統(tǒng)一的標準答案。一般情況每個工況都有相應的不同的安全系數(shù)要求，安全系數(shù)的取值需要參考競品車型和已有車型的安全系數(shù)、車輛交付客戶后在實際使用過程中的超載情況、極限載荷可能發(fā)生的概率、零部件供應商制造水平具體部位 (如焊接部位存在較大的應力)等因素進行確定，安全系數(shù)需要企業(yè)大量的技術積累才能選取到最為合適的數(shù)值。

2.3 車架總成自由模態(tài)分析

車架總成自由模態(tài)值和振型是反映車架動態(tài)特性的重要參數(shù)，設計時，通常會對整車各系統(tǒng)的模態(tài)進行合理的規(guī)劃，并設計整車模態(tài)規(guī)劃表，避免系統(tǒng)和外部的激勵耦合，如路面的激勵、發(fā)動機的激勵。同時還應避免系統(tǒng)和系統(tǒng)之間耦合共振，如非簧載質(zhì)量的頻率、發(fā)動機的六階剛體頻率等。對車架系統(tǒng)，要求第一階的模態(tài)值低于發(fā)動機的怠速抖動頻率，整車為四沖程四缸的柴油發(fā)動機，車架的第一階模態(tài)需要小于n/30(n為發(fā)動機的轉速)，同時車架各階模態(tài)的振型盡量光滑平順，沒有突變［4］。同時在進行整車總體布置時，一些重要的附件，盡量布置在振型較小的位置，避免附件振動過大導致NVH不好或零件損壞。

結構的扭轉模態(tài)反映了結構扭轉剛度的大小，車輛在凹凸不平的路面上行駛時，車架受扭轉載荷，這些扭轉載荷通過縱梁傳遞給橫梁，所以橫梁和縱梁之間的連接需要設計得合理些，盡量提高車架的扭轉剛度，同時這些連接部位需要仔細對待，避免應力集中而導致?lián)p壞。

3 車架總成的優(yōu)化設計和試驗驗證

在滿足上述性能要求的前提下，對車架總成進行優(yōu)化，盡可能減輕車架總成質(zhì)量，主要優(yōu)化思路:采用高強度板，提高車架的強度;零部件的厚度可適當減薄甚至取消該件，如縱梁加固板的優(yōu)化;對于橫梁來說，封閉截面橫梁的抗扭剛度明顯好于開口截面，因此選擇閉口截面的梁可顯著降低橫梁的質(zhì)量。另外，也可以采用有限元技術對車架總成進行剛度和模態(tài)靈敏度分析［5］，找到影響模態(tài)和剛度的關鍵部件和不敏感部件，對關鍵部件進行結構優(yōu)化可顯著提升其性能，對不敏感的部件可適當減薄;對一些鑄造件 (如鋼板彈簧支架)，可采用拓撲優(yōu)化達到輕量化設計的目的。

車架總成設計完成后，試制車架并對總成進行試驗驗證［6］。一般分為幾個步驟:

(1)對車架總成進行模態(tài)試驗 (圖5)，通過試驗確定車架總成的基本動態(tài)特性，同時和有限元結果進行對標，驗證有限元結果的準確性 (表3)，驗證的有限元模型可作為結構改進的重要支撐。

表3 車架模態(tài)試驗值與計算值的振型對比

(2)對車架總成進行彎曲剛度和扭轉剛度測試 (圖6)，確定扭轉剛度和彎曲剛度。

(3)對車架總成進行彎曲疲勞測試和扭轉疲勞測試。首先按規(guī)定的試驗程序進行試驗，判斷車架總成是否滿足臺架疲勞試驗的要求。如果在試驗中沒有出現(xiàn)損壞，則加大試驗載荷，直至車架總成出現(xiàn)破壞，找到車架最薄弱的位置。對于這些薄弱的部位進行充分的風險評估，如有可能，在滿足工藝、成本、項目進度要求的前提下，對薄弱的位置進行優(yōu)化。

(4)將車架總成裝在整車上，按照相應的規(guī)范進行整車42 000 km的耐久性試驗。如出現(xiàn)開裂等問題，則需對開裂部位進行結構優(yōu)化。

4 結論

介紹了車架總成的性能設計方法和流程，從產(chǎn)品設計到試驗驗證作了相應的介紹。著重講述了車架總成設計時幾個關鍵的性能指標和評價方法，以及評價車架需要考慮的因素。車架設計時不僅僅考慮車架的強度，還要考慮車架的剛度、模態(tài)特性。車架良好的剛度和模態(tài)特性可提升車輛的操縱穩(wěn)定性和平順性，在設計時要著重考慮。通過試驗驗證來確認車架的關鍵指標是否滿足車輛設計要求，通過仿真和試驗進行對比，驗證模型的準確性，通過CAE對車架結構進行優(yōu)化，提升車架各方面的性能，實現(xiàn)車架的輕量化。

【1】高云凱.汽車車身結構分析［M］.北京:北京理工大學出版社，2006.

【2】劉新田，黃虎.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析［J］.上海工程技術大學學報，2007，21(2):112 －115.

【3】鄧祖平，谷玉川，陳晶艷.基于有限元分析的輕卡車架優(yōu)化設計及其臺架試驗［J］.客車技術與研究，2014(2):54－57.

【4】吳海波，李晉，石磊磊.輕型貨車車架的有限元建模及模態(tài)分析［J］.公路與汽運，2012(4):17 －18.

【5】單峰，朱俊虎，王浩.基于靈敏度分析的載貨汽車車架結構優(yōu)化［J］.汽車技術，2013(1):20 －26.

【6】王祥.小型卡車車架設計方法淺析［J］.汽車實用技術，2014(5):65－69.