公交車車架有限元分析與靜力試驗

□王 濤

長安大學 汽車學院 西安 710064

1 車架概述

車架是汽車的基體，一般由兩根縱梁和多根橫梁組成，經懸掛裝置、前橋、后橋支承在車輪上。車架必須具有足夠的強度和剛度，以承受汽車的載荷和從車輪傳來的振動沖擊。

2 車架有限元分析

2.1 車架模型

在CATIA軟件中建立公交車車架模型，并將其導入Hypermesh軟件，進行六面體網格劃分，得到車架有限元模型，如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2.2 載荷與材料

公交車車架的最大加載質量按最大乘員82人、每人65 kg計算。乘員載荷為53.3 kN，電池組等其它組成結構載荷約13 kN，總載荷為66.3 kN。考慮一定的試驗安全因數，試驗載荷為60 kN。

車架材料選擇7075鋁，彈性模量為71 GPa，布氏硬度（HB）為 150，密度為 2 820 kg/m3。

2.3 工況應力分析

彎曲工況主要是考慮汽車滿載狀態下，模擬汽車在良好路面上勻速行駛的應力分布和變形情況[1-4]。在分析過程中，采用約束車架和懸架連接點的位移自由度來模擬整車的實際約束狀況，主要約束車架八個橫梁連接處的Z向平移和X、Y軸轉動自由度。經有限元分析，得到應力分布和位移分布，如圖2所示，可知：彎曲工況最大應力為67.47 MPa，主要集中在車架的中部橫梁上；最大變形為1.742mm，主要集中在車架前端和后端的縱梁上。

圖2 彎曲工況車架應力和位移分布

扭轉工況主要是考慮車架一側懸空時，車架的應力和變形狀態，對汽車的定位精度和操縱穩定性有十分重要的影響[5-6]。考慮到車架的安全，變形不能過大，防止車架觸地，因此只對車架加載到330 kN。扭轉的約束狀況與彎曲類似，只是將左前端連接處的約束釋放。經有限元分析，得到應力和位移分布，如圖3所示。車架的最大應力集中在車架懸空端的對側，以及車架的中部橫梁上，最大應力為87.95 MPa。最大變形集中在車架懸空的一端，最大變形量為7.373 mm。

圖3 扭轉工況車架應力和位移分布

2.4 分析結果

由應力應變關系，結合所用材料7075鋁的彈性模量約為7.2 GPa，可推算出在彎曲工況及扭轉工況時，最大應力分別為67.47 MPa、87.95 MPa，遠遠低于所用材料的屈服極限（500 MPa）。可見，在滿載工況下，車架的剛度是足夠的。

3 靜力試驗驗證

3.1 試驗設備

靜力試驗所需設備為電阻應變片、位移計和TDS303數據采集儀等。

3.2 試驗過程

在車架上布置71個應變測點，包括3個典型焊縫區域。并選取橫、縱梁交叉節點作為車架結構撓度曲線控制測點，布置10個位移測點，測點布置如圖4所示。對于此次測點的選取原則為有限元分析的高應力區、經驗估計的高應力區、焊縫以及其它需要對比了解的應力區。

圖4 車架位移測點分布

對于彎曲工況，支撐方式為在車架8個端口各用一個橡膠塊支撐固定。對于扭轉工況，支撐狀態去掉了右前懸架的兩個支撐點。加載方式為均布，且逐級加載，加載總載荷為66.3kN，如圖5所示。

圖5 靜力試驗加載

3.3 試驗結果

經過試驗可知，對于彎曲工況，應力主要分布在車架縱梁上，最大應力為65.808 MPa，最大位移為4.23mm。彎曲工況加載前后各測點位移值見表1。

表1 彎曲工況各測點位移值mm

對于扭轉工況，應力主要集中在車架懸空的對側，最大應力為112.18 MPa，最大位移為18.37 mm。扭轉工況加載前后各測點位移值見表2。

表2 扭轉工況各測點位移值mm

4 誤差分析

經對比試驗與仿真結果，可知兩者之間存在一定誤差。由于車架的某些位置存在焊縫，導致某些測點的應力變化很大，而且試驗載荷難以如計算機載荷那樣分布均勻。除此之外，試驗中采用的是橡膠支座支撐，具有一定的彈性，并不能完全限制相應的自由度約束。綜合以上因素，去除應力突變點，可知試驗與仿真結果基本吻合。可見，今后若要對此類車架進行剛度試驗，就要對車架每一個位置的焊縫進行細致分析，在建立有限元模型時，要進行特殊處理[7-11]，以盡量減小仿真誤差。

5 結論

經有限元分析和靜力試驗驗證，基于應力應變的關系，結合所用材料7075鋁的彈性模量約為7.2 GPa，得出在彎曲工況及扭轉工況時，公交車車架所受到的應力遠遠低于所用材料的屈服極限。因此，在滿載工況下，公交車車架的剛度是足夠的。