車架柔性對載貨汽車平順性的影響分析

莫榮博

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0　引言

車輛平順性是指車輛在一般行駛速度范圍內行駛時，因車輛在行駛過程中所產生的振動和沖擊，使人感到不舒服、疲勞，甚至損害健康，或者使貨物損壞的性能。車輛在行駛過程中產生的振動會降低車輛的使用壽命，增加車輛維護成本，也會影響人的身體健康和運輸貨物的完整性，還會影響車輛的操縱穩定性以及經濟性[1-2]。因此，車輛的平順性已經成為現代運輸車輛的重要評價指標之一。近年來，隨著生產技術的發展以及人們生活水平的提高，對車輛乘坐舒適性的要求越來越高，因此，高品質的載貨汽車已成為一種發展趨勢，使得車輛的平順性成為汽車制造廠商重點關注的主要性能指標之一。所以，提高載貨汽車的平順性，提升其乘坐舒適性和整車性能，對增強其市場競爭力具有重要意義[3-4]。

本文針對某型號載貨汽車在特定路面上行駛時平順性不達標問題進行研究，建立了車架有限元模型，并對其進行模態分析，提出了通過改變車架振動模態的方法來解決該型號載貨汽車平順性問題的方案，并對提出的方法進行應用驗證，有效改善了該型號載貨汽車的平順性。

1　車架有限元建模與分析

1.1　問題分析

某型號載貨汽車在水泥路面上行駛時，其平順性不達標，不能滿足客戶需求。通過采取底盤懸架和駕駛室懸置剛度、阻尼優化等措施，該車型在水泥路面上行駛時，平順性改善不明顯，仍難以滿足客戶需求。通過對測試數據進一步分析發現，駕駛室前懸置處的加速度明顯大于駕駛室后懸置處的加速度，由此認為，很可能是由于車架的柔性導致的車架彎曲變形導致這一結果，因此，決定對車架的振動模態進行分析。

1.2車架有限元建模

車架是載貨汽車主要承載部件，其主要用于連接整車的各個子系統。載貨汽車車架一般比較長，在實際運動中承受較大的扭轉和彎曲作用力，由于車架柔性較大，因此，容易產生比較明顯的變形，從而影響整車的動力學特性以及平順性，所以對于分析車架柔性對載貨汽車行駛平順性的影響具有十分重要的意義[5-6]。

該載貨汽車的車架采用邊梁式車架，邊梁式車架是由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁通過鉚接或焊接而連成的構架[7]。首先將車架三維實體模型導入有限元分析前處理軟件hyper mesh中，進行車架的網格劃分以及各構件的離散化處理，模型一共離散成3 401 406個單元，1 080 154個節點，生成車架有限元模型如圖1所示。車架的材料選用QStE420TM，力學屬性如表1示。

表1　車架材料特性參數

圖1　車架柔性體模型

考慮到載貨汽車在行駛時，各部件與車架之間相互作用，因此，在hyper mesh有限元軟件中將駕駛室、動力總成、發動機、變速箱、離合器、油箱、等以集中載荷的形式施加在其相對車架的重心位置上。模擬載貨汽車在行駛時，各部件對車架的作用力。車架所承載整車各零部件的重量如表2所示。

表2　載貨汽車各部件的基本參數

1.3　車架模態分析

利用hyper mesh對車架進行模態分析，考慮到汽車平順性分析頻率的范圍主要是0.5～25 Hz[8]，取車架結構的模態分析前16階固有頻率和振型進行研究。表3為車架結構前16階的振型與固有頻率結果。

表3　車架結構振型與固有頻率

車架的第3階彎曲模態振型如圖2所示。

圖2　第3階車架結構模態振型（頻率=3.388Hz）

對車架的各階模態頻率及模態振型進行分析，應該是由于車架的第3階彎曲模態導致駕駛室平順性不理想。經過對實驗數據進行進一步分析發現，該型號載貨汽車在水泥上行駛時，存在一個接近其3階彎曲模態頻率的激勵頻率。因此，該車型的平順性問題應該是由于車架模態振動導致的。

2　車架優化方案

針對車架有限元模態分析，載貨汽車平順性差的原因主要是車架的彎曲模態頻率與路面激勵頻率接近導致的。因此，絕定對車架結構進行優化，改變其第3階彎曲模態頻率。經過分析，決定采用通過改變車架材料彈性模量的方法直接改變車架結構剛度來改變其模態振型及模態頻率。在hyper mesh中將原車架普通鋼材改為高強度鋼，材料的彈性模量由E=210 GPa提高為E=800 GPa進行分析，其他結構屬性不做修改，這樣可以分析車架結構的剛度變化對車架的固有頻率的影響。

經過實施以上優化方案后，載貨汽車車架的固有頻率比較合理，避開激勵頻率范圍，能夠有效改善該載貨汽車平順性。

3　結束語

車架的柔性對載貨汽車平順性影響非常大，本文采用hyper mesh有限元軟件對載貨汽車車架結構進行了模態分析。通過分析發現，車架結構振型存在彎曲和扭轉變形以及車架固有頻率與激勵頻率非常接近導致載貨汽車平順性差的原因之一。針對這一問題，采取改變車架材料彈性模量的方法直接改變車架剛度；提高了車架結構低階固有頻率，成功解決了載貨汽車平順性問題。

參考文獻：

[1]曹 源，徐 賢，魏 超，等.車架柔性對載貨汽車平順性的影響分析[C]//2015中國汽車工程學會年會論文集，2015.

[2]雷印南.淺談車架彈性對重型載貨汽車行駛平順性的影響[J].企業導報，2012（19）：79，279.

[3]張立軍，趙 亮.考慮車架柔性的剛柔耦合汽車平順性分析[J].噪聲與振動控制，2013，33（06）：96-99.

[4]鐘佩思，辛紀光，劉鳳景，等.基于Hypermesh的中型貨車車架有限元分析與優化[J].煤礦機械，2009，30（04）：6-8.

[5]梁明智.大型貨車車架有限元靜態特性分析及試驗研究[J].科技創新導報，2010（34）：20-22.

[6]尹安東，龔來智，王 歡，等.基于HyperWorks的電動汽車車架有限元分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2014，37（01）：6-9，77.

[7]黃玉亭.基于ANSYS的載貨汽車車架靜動態性能研究與分析[C]//第十屆動力學與控制學術會議摘要集，中國力學學會動力學與控制專業委員會，2016：2.

[8]徐志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.