某商用輕卡車架輕量化性能優(yōu)化研究

余娟，李匯誠(chéng)，黃勤，鄔艷飛

某商用輕卡車架輕量化性能優(yōu)化研究

余娟，李匯誠(chéng)，黃勤，鄔艷飛

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

文章基于有限元法，采用NASTRAN軟件，對(duì)某輕卡輕量化車架進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)開展了基礎(chǔ)車架與輕量化車架CAE模態(tài)對(duì)比分析及強(qiáng)度對(duì)比分析，CAE分析結(jié)果顯示，輕量化車架模態(tài)和強(qiáng)度性能與基礎(chǔ)車架性能相當(dāng)。輕量化車架剛度試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)完成后，車架縱梁和橫梁未出現(xiàn)裂紋損失。

輕卡；車架；輕量化

引言

隨著國(guó)家物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，城區(qū)內(nèi)以及短途的貨物配送變得越來(lái)越頻繁，同時(shí)農(nóng)村城市化進(jìn)程加快，政府加強(qiáng)對(duì)農(nóng)用車的管制，汽車下鄉(xiāng)、以舊換新等多項(xiàng)扶持政策的實(shí)施，使農(nóng)村輕卡市場(chǎng)需求也受到極大刺激。城市物流市場(chǎng)和農(nóng)村運(yùn)輸市場(chǎng)蓬勃發(fā)展為輕型卡車市場(chǎng)帶來(lái)了巨大機(jī)遇[1]。

因“521”事件的出現(xiàn)，國(guó)家相關(guān)部門提出了2022年基本消除大噸小標(biāo)問題，輕卡藍(lán)牌合規(guī)，已經(jīng)成為各大輕卡主機(jī)廠面臨的重大挑戰(zhàn)，而在此背景下，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為全行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)高地和重要發(fā)展方向[2-3]。

車架是底盤、動(dòng)力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)各總成件的安裝基體，其質(zhì)量約占整車整備質(zhì)量1.2%，開展輕卡車架輕量化研究具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值[4-5]。

本文基于數(shù)值分析理論，采用NASTRAN軟件，對(duì)某輕卡輕量化車架進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)開展了基礎(chǔ)車架與輕量化車架CAE模態(tài)對(duì)比分析及強(qiáng)度對(duì)比分析，CAE分析結(jié)果顯示，輕量化車架模態(tài)和強(qiáng)度性能與基礎(chǔ)車架性能相當(dāng)。輕量化車架剛度試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)完成后，車架縱梁和橫梁未出現(xiàn)裂紋損失，實(shí)現(xiàn)減重35 kg，效果顯著。

1 輕量化車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架是輕卡的裝配基體，其將各零部件總成連接成一個(gè)整體，車架的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)首先滿足總布置要求，輕卡車架屬于邊梁式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接法或焊接法形成剛性構(gòu)件。本文開展的輕量化車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是在基礎(chǔ)車架基礎(chǔ)上，將縱梁材料由現(xiàn)有的WL440提升至B510L，減薄料厚，橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)，車架減重量35 kg，效果顯著。

圖1 輕量化車架結(jié)構(gòu)

2 CAE輕量化對(duì)比分析

2.1 CAE模態(tài)對(duì)比分析

本文基于有限元法，首先開展了基礎(chǔ)車架和輕量化車架模態(tài)對(duì)比分析，提取頻率范圍為0～60 Hz，得到如圖2的模態(tài)對(duì)比分析結(jié)果，基礎(chǔ)方案一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為7.09 Hz，輕量化方案一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為7.03 Hz，基礎(chǔ)方案二階擺動(dòng)模態(tài)為22.3 Hz，輕量化方案二階擺動(dòng)模態(tài)為21.8 Hz，基礎(chǔ)方案三階彎曲模態(tài)為24.6 Hz，輕量化車架三階彎曲模態(tài)為23.2 Hz，基礎(chǔ)車架四階扭擺模態(tài)為32.5 Hz，輕量化車架四階扭擺模態(tài)為31.4 Hz，匯總結(jié)果如表1，可以得出，輕量化車架NVH模態(tài)性能與基礎(chǔ)車架變化較小，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 基礎(chǔ)車架與輕量化車架模態(tài)分析結(jié)果匯總表 單位：Hz

振型基礎(chǔ)方案輕量化方案 一階扭轉(zhuǎn)7.097.03 二階擺動(dòng)22.321.8 三階彎曲24.623.2 四階扭擺32.531.4

2.2 CAE強(qiáng)度對(duì)比分析

車架是輕卡車型關(guān)鍵底盤承載系統(tǒng)部件，其強(qiáng)度性能對(duì)輕卡整車性能起著舉足輕重的影響，故在開展車架輕量化設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)校核車架強(qiáng)度。本文采用數(shù)值分析理論中的慣性釋放法，輸入激勵(lì)載荷為經(jīng)過ADAMS計(jì)算的載荷，工況為轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況及上抬工況及制動(dòng)工況，強(qiáng)度分析模型如圖3。

圖3 輕量化車架強(qiáng)度分析邊界示意圖

本文按照上述邊界條件，得到如圖4的輕量化車架強(qiáng)度分析結(jié)果，可以判斷，轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下，車架最大應(yīng)力為568 MPa，強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果匯總?cè)绫?，可以得出輕量化車架強(qiáng)度性能較基礎(chǔ)車架安全系數(shù)變化較小，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2 輕量化車架強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果表

車型結(jié)果縱梁前段縱梁中段縱梁后段四橫梁六橫梁七橫梁 基礎(chǔ)車架最大應(yīng)力/MPa3552842415515823 安全系數(shù)0.91.21.45.72.013.5 輕量化車架最大應(yīng)力/MPa5684554065515723 安全系數(shù)1.01.31.65.72.013.5

3 輕量化車架剛度試驗(yàn)分析

本文在完成了輕量化車架CAE模態(tài)和強(qiáng)度對(duì)比分析后，進(jìn)行了輕量化車架剛度試驗(yàn)分析，試驗(yàn)工裝條件如圖5。

試驗(yàn)過程中，詳細(xì)記錄輕量化車架扭矩和扭轉(zhuǎn)角度，并檢測(cè)車架是否存在損傷裂紋，結(jié)果如圖6，試驗(yàn)完成后，輕量化車架縱梁和橫梁無(wú)裂紋，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 輕量化車架剛度試驗(yàn)

圖6 輕量化車架剛度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于數(shù)值分析理論，采用NASTRAN軟件，對(duì)某輕卡輕量化車架進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)開展了基礎(chǔ)車架與輕量化車架CAE模態(tài)對(duì)比分析及強(qiáng)度對(duì)比分析，CAE分析結(jié)果顯示，輕量化車架模態(tài)和強(qiáng)度性能與基礎(chǔ)車架性能相當(dāng)。輕量化車架剛度試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)完成后，車架縱梁和橫梁未出現(xiàn)裂紋損失，綜上，輕量化車架滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)減重35 kg，效果顯著。

[1] 周冬龍.基于虛擬迭代的某輕卡后橋疲勞分析研究[D].太原:中北大學(xué),2019.

[2] 黃勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某輕卡車架性能研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020(07):89-91.

[3] 史文庫(kù).汽車構(gòu)造(第六版下冊(cè))[M].北京:人民交通出版社,2016.

[4] Mitschke M,Wallentowitz H.Dynamik der kraftfahrzeuge[M].Berlin: Springer-Verlag,2004.

[5] 吳靜.基于Nastran的客戶關(guān)聯(lián)場(chǎng)景下某輕卡車架強(qiáng)度性能研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020(20):92-94.

Study on Lightweight Performance Optimization of a Light Truck Frame

YU Juan, LI Huicheng, HUANG Qin, WU Yanfei

( Jiangxi-Isuzu Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330010 )

In this paper, based on the finite element method and NASTRAN software, the topology optimization design of a light weight truck frame is carried out. And the CAE modal and strength comparative analysis between the basic frame and the light weight frame are carried out. The results show that the modal and strength performance of the light weight frame are equivalent to that of the basic frame.The results of lightweight frame stiffness test show that there is no crack loss in the longitudinal beam and cross beam of the frame after test.

Light truck;Frame;Weight reduce

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.027

U463.32

A

1671-7988(2021)21-107-03

U463.32

A

1671-7988(2021)21-107-03

余娟，就職于江西五十鈴汽車有限公司。