輕型載貨車用全鋁車架的設計及驗證

陳 琳，譚喜峰，陳 龍，任 升，田 方

（陜西汽車集團有限責任公司 技術中心，陜西 西安 710043）

1 研究背景

隨著國家標準對營運貨車載質量利用系統要求逐年提高，特別是“521事件”后國家加強了對貨物運輸車輛超限超載現象的治理，導致各商用車企業均在加快輕型載貨車的輕量化工作。車架作為整車重要的組成系統，對整車整備質量影響較大，本文從新材料及新型車架結構角度出發，尋求車架輕量化解決方案。

隨著鋁合金材料性能的提升[1]，其已廣泛應用于航天、高鐵、深海探測等領域，其中7系鋁合金材料強度已高于部分高強度剛。本文采用鋁合金材料，為輕型載貨車設計一款全鋁車架，以支撐整車輕量化。

2 車架設計

2.1 設計原則

車架作為整車骨架，支撐連接各類零部件，并承受著來自車輛內外的各種載荷，因此車架設計時應滿足如下設計要求[2]：

（1）在各種路況下，車架應具有足夠的強度，車架上的最大應力應小于材料的屈服強度。

（2）在各種路況下，固定在車架上的總成不會因為車架的損壞或嚴重變形失去正常工作的能力，車架要具有足夠的剛度。

（3）在整車狀態下，車架應避開路面激勵及關鍵總成的固有頻率。

（4）車架設計應滿足整車總布置提出的車架尺寸要求。

（5）車架設計需滿足所在系列各車的標準化、通用化、系列化要求。

（6）在保證強度的前提下，應盡量減輕車架重量。

2.2 材料選擇

鋁合金密度約為鋼材的三分之一，且在常溫自然條件下，表面可產生一層致密的氧化膜，其可阻止鋁合金基體進一步和空氣中的氧氣發生反應，因此耐蝕性、耐氧化性都大大高于鋼鐵材料[3]；7系鋁合金材料強度已高于部分高強度鋼，如鋁合金7050的屈服極限可達560 MPa，高于載貨車車架常用的510L鋼材和610L鋼材；因此本文所設計的全鋁車架采用7系鋁合金材料7050。

2.3 結構設計

綜合考慮鋁合金材料焊接接頭弱化，熱影響區強度低，容易出現應力集中而導致開裂[3]。車架總成采用等寬直通型結構，由左、右縱梁和若干橫梁組成，用鉚接法將縱梁與橫梁連接成封閉的剛性架構，如圖1所示。二、三橫梁布置于前懸架前后支座處，五、六橫梁布置于后懸架前后支座處，且三、四、五橫梁等間距布置。

圖1 車架總成

車架縱梁應用等應力設計原則，采用等截面的槽型結構、單層梁；上下翼面及腹面采用不等厚設計，腹面厚度L1大于翼面厚度L2，如圖2所示，車架比強度、比剛度水平更高。縱梁的加工應用先進的變厚板技術，一次擠壓成型[4]。

圖2 縱梁截面示意圖

首橫梁采用非對稱式“工”字梁結構，以增加首橫梁強度，上下翼面及腹面等厚度，即L3=L4，如圖3(a)所示。其他橫梁采用對稱式“工”字梁結構，以提高車架的抗扭性能；上下翼面及腹面采用不等厚設計，腹面厚度L5大于翼面厚度L6，如圖3(b)所示。

圖3 橫梁截面示意圖

3 虛擬驗證

對設計完成的全鋁車架采用有限元方法進行虛擬驗證，主要對不同工況下的強度、模態以及疲勞進行建模分析。

3.1 強度分析

為模擬車輛在真實運輸過程中的受力狀態，分別在垂直沖擊、轉彎、制動及扭轉四種工況下分析車架總成的應力狀態，具體分析結果如下表1所示。車架總成在垂直沖擊、轉彎、扭轉、制動工況下最小靜態安全因子均大于1，滿足輕型載貨車車架設計要求。

表1 車架總成強度分析結果

3.2 模態分析

車架總成是由多個自由度組成的振動系統，為避免與其他系統共振，對其進行模態分析，具體分析結果如下圖4及表2所示。

圖4 1-6階自由模態（放大5倍）

表2 全鋁車架模態

輕型載貨車前、后懸架頻率范圍為2 Hz～4 Hz，該全鋁車架的一階模態為6.13 Hz，高于懸架系統固有頻率。車身部分固有頻率一般為10 Hz～15 Hz，該全鋁車架的一階扭轉和一階橫彎模態頻率分別為6.16 Hz和18.4 Hz，能夠避開該頻率段，不會引起車身系統的較大振動。一階垂向彎曲模態為21.9 Hz，在垂直方向避開路面激勵，路面不平引起的激勵頻率一般為1 Hz～20 Hz。發動機怠速運轉時，對應的運轉頻率為27 Hz～30 Hz，一階垂向彎曲模態為21.9 Hz，低于發動機怠速運轉頻率。該全鋁車架設計合理、橫梁位置合適，能夠很好地避開動力總成、車身、路面激勵等，避免共振現象的產生。

3.3 疲勞分析

建立與企業車架扭轉臺架試驗相一致的有限元模型進行疲勞分析，利于仿真結果與實驗結果相互校驗。圖5為企業臺架試驗的有限元模型，臺架前旋轉中心約束自由度123456；前臺架左側加載點約束自由度3，后臺架接地點約束自 由度123。按表6中企業輕型載貨車疲勞試驗條件進行加載。疲勞分析結果如圖6所示，最小疲勞周次節點位于第二橫梁右側連接板與縱梁下翼面連接螺栓孔邊緣，疲勞周次為303550次，滿足≥30萬次的指標要求。

圖5 疲勞分析模型

表3 疲勞試驗條件

圖6 疲勞分析結果

4 臺架驗證

根據企業車架扭轉疲勞臺架試驗規范，對車架進行臺架扭轉疲勞試驗，約束方式與建立的有限元模型保持一致，如圖7所示。在前軸扭轉處通過做動器施加位移使車架產生扭轉角度，采用等幅值正旋循環加載，扭轉疲勞工況見表4。從表中的試驗結果可以看出，30萬疲勞周次內，該車架狀態完好，未出現開裂等現象，與虛擬驗證結果一致，滿足輕型載貨車車架設計要求，可以在實車上進行路試驗證。

圖7 車架扭轉疲勞試驗安裝約束方式

表4 扭轉疲勞試驗結果

5 結束語

綜合考慮鋁合金材料的特性及成型工藝，設計輕型載貨車用等寬直通型全鋁車架，并通過有限元仿真及臺架試驗相結合的方法進行驗證，結果顯示仿真結果與臺架試驗結果保持一致，設計方案滿足要求，可以進行路試驗證，為整車輕量化設計提供新的解決方案。