商用車車架彎曲剛度研究

郝麗麗 張作功 崔震 王乾勛 劉威峰 秦國亮

摘 要：商用車由于使用用途、承載等設計參數的不同，再考慮到成本、重量等因素，車架的彎曲剛度要與設計目的匹配在一定的合理范圍內，文章針對這一“合理范圍”進行研究討論。從梁的彎曲理論，到實際車架的彎曲剛度理論推導及有限元方法邊界條件的驗證，最后討論了“軸距-彎曲剛度”及“整備質量-彎曲剛度”統計圖的應用。結果表明，目前應用的車架有限元彎曲剛度計算的邊界條件是合理的，通過對不同車型的車架彎曲剛度進行有限元分析結果的數據統計形成“軸距-彎曲剛度”及“整備質量-彎曲剛度”圖，能夠形成整車設計指標數據，為車架前期設計提供數據支持。

關鍵詞：商用車;車架;彎曲剛度;軸距;整備質量

中圖分類號：U463.32 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-68-04

Abstract： Because of the difference of commercial vehicles design parameters such as uses and load capacity etc.， also considering other factors such as the cost and weight etc.， the bending stiffness of frame should match the design purpose within a certain reasonable range. This paper is focused on “the reasonable range”. Based on the beam bending stiffness theory， research work has been done on the bending stiffness theoretical derivation of actual frame and verification of boundary conditions of finite element analysis method. At last the application of statistical chart about “wheelbase - bending stiffness” and “curb weight - bending stiffness” are discussed. The result shows that current boundary conditions of bending stiffness calculation using finite element method are reasonable. Statistical data about frame bending stiffness is very important. The charts discussed before can guide the vehicle design performance data， also can provide support on frame innovation design.

Keywords： Commercial vehicle; Frame; Bending stiffness; Wheelbase; Curb weight

CLC NO.： U463.32 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-68-04

前言

商用車車架連接著駕駛室、發動機、變速器等總成，并承受著所載貨箱的全部載荷質量[1-2]，同時傳遞來自復雜路面和發動機的激勵，所以商用車的車架是商用車的“脊梁”[3-4]。因此，車架設計在商用車總體設計中非常重要。車架要有足夠的強度和剛度滿足使用要求[5-6]，其中車架要有足夠的彎曲剛度以保證商用車在各個復雜的工況下的整車工作。因此很多學者對商用車車架進行了一系列的研究。Kim. H. S 等人[7]對車架在極限靜態載荷下的失效表現形式進行了詳細的討論。Ao K，Niiyama J等人[8]對利用有限元靜態強度分析結果指導車架設計過程進行了詳細的介紹。萬國睿等人[9]對多功能電動車車底架進行工況下靜力和模態分析。包中良[10]對商用車車架結構彎曲、扭轉兩種典型工況的車架靜態強度、剛度進行了計算和分析。以上學者對車架進行了大量的研究，但是缺乏對車架彎曲剛度邊界條件驗證和車架軸距與彎曲剛度匹配關系的研究。

本文首先討論了梁的彎曲理論，利用有限元分析驗證了邊界條件簡化的合理性，并將邊界條件簡化的經驗應用到實際商用車車架的有限元分析中，最后討論了“軸距-彎曲剛度”統計圖的應用。結果表明，目前應用的車架有限元彎曲剛度計算的邊界條件是合理的，通過對不同車型的車架彎曲剛度進行有限元分析結果的數據統計形成“軸距-彎曲剛度”圖，能夠形成整車設計指標數據，為車架前期設計提供數據支持。

1 梁的彎曲剛度理論

車架是左右對稱結構，從縱向看，可以將車架簡化為一個等截面的梁，由于梁是簡單結構，其剛度很容易得到[11-12]。圖1所示為均布自重下的梁一階彎曲模型。其一階彎曲頻率和它的長度、抗彎剛度、整備質量有關。

3 商用車車架彎曲剛度建模

將商用車車架三維模型導入有限元分析軟件，對商用車車架進行有限元建模，網格尺寸為10mm×10mm。

車架的主體材料為510L，且為線性分析，因此材料的屬性定義為鋼材，材料的彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.9×10-9t/mm3，泊松比為0.3。

邊界條件：在縱梁腹面的前軸處左側約束側向、垂向平動自由度DOF（2，3），右側約束垂向的平動自由度DOF（3）。縱梁腹面的后軸處左側約束三個方向的平動自由度DOF（1，2，3），右側約束垂向平動自由度DOF（3）。

車架縱梁左側的邊界條件與簡支梁的邊界條件一致，前邊約束了側向、垂向平動自由度DOF（2，3），后邊約束了三個方向的平動自由度DOF（1，2，3），車架右縱梁前后均約束了垂向平動自由度。因此車架的邊界條件符合理論驗證的邊界條件。

載荷根據實際情況，車架所承受的載荷主要來自載重和貨廂的自重，并且是均布在車架的中后部，所以以墊木長度為載荷施加的區域，將載重和貨廂自重均布在車架上。如圖8所示。

從左前方投影得到整備質量與彎曲剛度的散點圖，如圖12所示，并對其進行線性擬合得到趨勢線，同理，若上下浮動10000N/mm得到相對比較寬泛的范圍區間，其中83.4%的車架剛度在此范圍區間，若上下浮動5000N/mm得到彎曲剛度的范圍區間，其中有55%的車架剛度在此范圍區間。同樣，設計人員在具有整車質量的情況下可先預測彎曲剛度的范圍區間。車架軸距、整備質量與彎曲剛度的統計圖可以為后續新車型開發時車架設計提供參考。

通過以上圖表統計數據，可以發現商用車車架的彎曲剛度與軸距與整備質量之間存在一定的關系，需要結合可靠性、耐久性試驗數據，得到不斷優化的車架質量、彎曲剛度，即在保證彎曲剛度的條件下，得到最優的車架設計質量。這些圖表需要長期的經驗數據積累和不斷完善，才能保證設計的車架自重不過剩，又能滿足各項性能的要求。為保密起見，上述數據點經過了些許修正，該方法提供一種有效的設計參數經驗總結思路。

5 結論

以簡化車架為研究對象，通過理論推導與有限元相互驗證確定了約束條件的合理性，并將其約束條件應用到實際商用車車架彎曲剛度計算中。將60多個車架的彎曲剛度數據積累并建立數據庫，通過線性擬合得到車架軸距、整備質量與彎曲剛度的統計圖，可為設計人員在新車型開發時確定合理目標值提供數據參考。

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