關于CAE 技術在汽車車架設計中的應用

楊強，王文磊，張琦，王宏斌，王珊珊

（陜汽集團商用車有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 概述

商用車是在設計和技術特征上用于運送人員和貨物的汽車，分為貨車和客車。而商用貨車根據用途不同，分為自卸車和牽引車。車架是商用貨車的重要組成部分，是支撐和連接汽車的總成。并承受來自車內外的各種載荷。因此，車架在滿足汽車總布置的情況下，必須具有足夠的強度和適當的剛度，以使其正常工作。本文通過應用有限元分析軟件對某商用貨車牽引車車架進行力學分析。以此了解車架的力學特性，校核車架強度是否滿足要求。

2 車架構成及分析方法的確定

2.1 車架構成

某牽引車車架，車架主體結構形式為邊梁式。由兩根縱梁及若干橫梁組成。縱梁斷面為箱型結構；第一橫梁采用管狀結構，橫梁兩端與縱梁通過螺栓連接；中間兩根橫梁分別是壓型槽鋼，結構兩端與縱梁螺栓連接；平衡軸處的橫梁是壓型槽鋼結構，與縱梁連接處用加強板加強。平衡軸連接座與縱梁下翼面通過螺栓連接；尾梁是整體式箱型結構，并與縱梁鉚接；變速箱下方的盆梁與縱梁下翼板螺栓連接。

2.2 分析方法的確定

目前，CAE 技術已經成為支持工程行業和制造企業的主要技術，在提高設計質量、降低研發成本、縮短開發周期等方面，發揮重要作用。本文主要通過應用有限元分析軟件進行分析研究。

3 有限元分析

3.1 建立車架有限元模型

利用CATIA 軟件對車架及主要附件進行三維實體設計。在建立車架模型時，為反映實車結構，對車架縱梁、橫梁及主要承載零件進行模型搭建，對車架及附件承受的質量，簡化為質心，通過質心位置進行模擬。簡化后的有限元模型如圖1 所示。

圖1 車架有限元模型

對車架-輪胎-路面邊界，用剛性單元模擬輪胎，確定對輪胎的約束，鋼板彈簧用兩根剛度不同的彈簧單元模擬，用截面不同的梁單元連接，使之相互作用形成一個整體。[1]

3.2 施加載荷和約束

汽車在復雜的行駛過程中，會受到各種載荷，例如側向載荷及縱向載荷。車架在載荷的作用下會產生扭轉變形、彎曲變形等因此，在車架上分別施加側向載荷和縱向載荷。

約束主要考慮地面通過前后懸給車架傳來的力和不同工況下所帶來的特定限制。在本文中，主要通過約束前后懸與車架的連接處，對車架進行約束。

3.3 工況選取

進行靜載荷分析的四個工況如下：工況1：汽車滿載靜止，垂向加速度3.5g；工況2：汽車滿載轉彎（向右），因牽引車在轉彎時，側向加速度在大于0.6g 時，會發生側翻，因此，這里取側向加速度0.6g；工況3：汽車扭轉工況，即滿載，左前輪抬高0.150m，右后輪抬高0.150m。工況4：汽車滿載靜止，在制動時，汽車受到的最大制動減速度為0.8g，因此，這里取制動減速度0.8g，垂向加速度1g。

表1 工況

3.4 各工況計算結果及分析

該車架使用610L 材料，綜合考慮該牽引車的行駛工況，安全系數取值n=1。

3.4.1 工況1

汽車在受到垂向沖擊時，在壓力作用下，車架會發生一定的彎曲，該工況下車架的靜態安全因子值如圖2 所示。從圖中可以看出，縱梁的最小靜態安全因子為1.007，大于材料的安全系數，因此車架在垂向沖擊狀態下是安全可靠的。

圖2 垂向沖擊

3.4.2 工況2

車架滿載轉彎時，考慮側向加速度對車架受力的影響。該工況車架上的靜態安全因子值如圖3 所示。從圖中可以看出，縱梁的最小靜態安全因子為2.135，大于材料的安全系數，因此車架在轉彎狀態下是安全可靠的。

圖3 轉彎

3.4.3 工況3

車架滿載扭轉工況，汽車的左前輪和右后輪各抬高0.15m。此工況下，車架承受較大的扭轉應力和彎曲應力，該工況車架的靜態安全因子值如圖4 所示，從圖中可以看出，縱梁的最小靜態安全因子為0.444，小于材料的安全系數，因此車架在扭轉狀態下是不可靠的。

圖4 扭轉

3.4.4 工況4

車架滿載轉彎時，受制動減速度對車架的影響。該工況車架的靜態安全因子值如圖4 所示，從圖中可以看出，縱梁的最小靜態安全因子為1.091，大于材料的安全系數，因此車架在扭轉狀態下是安全可靠的。

圖5 制動

4 結論

通過對以上4 種工況的車架的應力分析，得到了相應工況下的車架靜態安全因子。根據計算結果，在垂向沖擊、轉 彎和制動工況下，滿足強度設計要求和使用要求；扭轉工況下不滿足強度設計要求和使用要求。建議增加橫梁剛度，減小縱梁在扭轉工況下的變形。采用同樣的方法還可以對汽車車架在其他工況下進行強度和剛度分析。