某載貨汽車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)及仿真分析

趙娟妮　王青春　陳佳

摘要：對(duì)某載貨汽車車架現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與工藝的特點(diǎn)進(jìn)行說明，并在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的運(yùn)用，對(duì)車架整體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)；使用NX Nastran軟件，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)前、后的車架進(jìn)行仿真分析，得出車輛正常行駛時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分布情況，并詳細(xì)分析了輕量化設(shè)計(jì)前、后車架的強(qiáng)度、剛度的變化情況，從而驗(yàn)證車架設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：車架；輕量化；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)：U463.32+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）02-0005-07

Structural Improvement and Simulation Analysis of a Truck Frame

ZHAO Juanni， WANG Qingchun， CHEN Jia

（Department of Automotive Engineering， Chengdu Aeronautic Polytechnic， Chengdu 610100， China）

Abstract：

The existing structure and process characteristics of a truck frame was described in this paper. Firstly， based on this structure， the whole truck frame was optimized through using new material， new structure and new technology. Then， The unoptimized and optimized truck frame were simulated using NX Nastran software， and the distribution of stress and strain was obtained when the vehicles is traveling normally. Finally， the changes of strength and stiffness of unoptimized and optimized truck frame were analyzed in detail to verify the rationality of the lightweight design.

Keywords：

truck；frame；lightweight design；Finite Element Analysis （FEA）

隨著信息化的快速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)和能源問題成為制約國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，也是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要理念[1]。汽車運(yùn)輸作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，成為節(jié)能降耗的重點(diǎn)管控行業(yè)。工信部2012年數(shù)據(jù)表明[2]：我國汽車油耗占石油年消耗總量的50%左右，而汽車油耗的49.2%是被僅占汽車總量13.9%的中、重型載貨類汽車（>3.5 t）消耗掉的，也就是說，雖然我國中、重型載貨類汽車數(shù)量比乘用車少得多，但其消耗的燃油卻與乘用車相當(dāng)。如果重型自卸車油耗降低10%，即使按2012年底的重型自卸車保有量1 400多萬輛來測算，每年至少可節(jié)約900多萬t汽柴油，相當(dāng)于900多萬輛家用轎車的燃油用量，節(jié)油效果巨大。因此，對(duì)于汽車，特別是自卸車來說，如何做到節(jié)能減排尤為重要。

有研究表明，汽車自身重量約消耗油耗的70%，整車質(zhì)量每減少100 kg，則百公里油耗可降低0.3～0.6 L[3]。因此，降低車身自重是汽車節(jié)能減排的首要選擇。對(duì)于自卸車，汽車車架是其重要組成部分，約占其車身自重的1/4，因此，對(duì)汽車車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)十分必要。

本文以某商用車車架為例，通過新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的集成運(yùn)用，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使用NX.Nastran軟件對(duì)改進(jìn)前、后的車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出車輛在正常行駛時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分布情況。

1 優(yōu)化前車架特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

優(yōu)化前車架采用“主車架+副車架”結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。主車架由2根縱梁和6根橫梁鉚接組成梯形結(jié)構(gòu)，第4、5、6橫梁是貨箱承載區(qū)域，因此，此3處的橫梁和縱梁之間增加加強(qiáng)連接板連接[4-5]；縱梁采用了攀鋼集團(tuán)生產(chǎn)的10 mm厚的P560L大梁鋼，其屈服強(qiáng)度為450 MPa，抗拉強(qiáng)度為560 MPa；橫梁及加強(qiáng)連接板則采用攀鋼集團(tuán)生產(chǎn)的P510L鋼材（屈服強(qiáng)度為355 MPa，抗拉強(qiáng)度為

500 MPa）。

副車架也是由縱梁與舉升結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。副車架縱梁采用了6 mm的P560L鋼材（屈服強(qiáng)度為450 MPa，抗拉強(qiáng)度為560 MPa）。由于該車架舉升結(jié)構(gòu)為雙杠舉升，所以，此車架由2根舉升橫梁及加強(qiáng)板組成主體結(jié)構(gòu)，再在舉升橫梁上布置4根舉升支座，而貨箱翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)則設(shè)置在副車架的尾端，由一根橫梁及貨箱翻轉(zhuǎn)支座組成。所有舉升結(jié)構(gòu)都采用Q345鋼材。

車架整體重量達(dá)680 kg，占整車自重的20%左右，因此應(yīng)對(duì)該車架進(jìn)行減重輕量化設(shè)計(jì)。

1.2 工藝特點(diǎn)

優(yōu)化前車架制造工藝的主要特點(diǎn)是：1）制造工藝較為復(fù)雜。本車架縱梁采用鋼板先數(shù)控沖孔，再用高噸位的壓力機(jī)對(duì)板料進(jìn)行壓彎處理而成形，工藝步驟較為復(fù)雜，制造成本居高不下。2）制造精度較低。由于車架制造工藝是先沖孔再壓彎，這就容易在壓彎成形過程中造成某些孔位發(fā)生偏移或變形，導(dǎo)致車架的制造精度降低，影響后期的裝配，甚至造成安全隱患。3）生產(chǎn)效率較低。由于車架工藝步驟較多，生產(chǎn)工序間的轉(zhuǎn)換也較多，因此，生產(chǎn)效率也較低。4）工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。在車架生產(chǎn)過程中，剪板、沖孔、切割等工序上下料時(shí)需要6～7名員工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)條件也較差。

2 車架的輕量化設(shè)計(jì)

自卸車的底盤車架部分是整個(gè)車輛的承載構(gòu)件，關(guān)系整車的安全性及舒適性，因此，在對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，車架必須具有足夠的強(qiáng)度，以克服各種外力條件下對(duì)車架的破壞；其次要保證車架具有足夠的彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度，以確保對(duì)各種行駛路面的適應(yīng)性[6]。

近年來，高強(qiáng)度鋼材在汽車底盤上的應(yīng)用越來越廣泛，本設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度鋼材和結(jié)構(gòu)輕量化的集成應(yīng)用來降低優(yōu)化前車架的自重。

為保證車輛承載能力不變，經(jīng)過合理改進(jìn)，輕量化后的車架依然采用“主車架+副車架”結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示，其中：1）縱梁材料采用P700L，厚度減薄為8 mm，P700L鋼材是攀鋼集團(tuán)針對(duì)自卸車研發(fā)的新型超高強(qiáng)度大梁鋼，其屈服強(qiáng)度達(dá)680 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到750 MPa以上，可大幅度提高車架的安全性能及承載能力；2） 橫梁材料采用P560L，橫梁及加強(qiáng)連接板的厚度適當(dāng)減薄1～2 mm；3） 副車架縱梁“[”截面尺寸由140 mm×58 mm×6 mm變?yōu)?00 mm×55 mm×5 mm，車架高度降低40 mm；4） 舉升結(jié)構(gòu)的橫梁、加強(qiáng)板及尾部翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)都有較大變化，如圖4所示，選用的“匚”型材截面尺寸也從128 mm×60 mm×8 mm變?yōu)?8 mm×60 mm×8 mm，材質(zhì)由P510代替Q345鋼材。

經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)，車架自重降低為560 kg，自重降低120 kg，降幅達(dá)17.6%；同時(shí)，由于副車架縱梁高度降低40 mm，因此車架整體重心高度降低40 mm，車輛在行駛過程中更加平穩(wěn)，安全性及舒適性將明顯提高。

3 輕量化前后車架的仿真分析

3.1 有限元建模型

合理的車架有限元模型是進(jìn)行精確仿真模擬的基礎(chǔ)。首先，要建立車架幾何模型，然后根據(jù)研究的問題情況選擇合適的有限元單元，對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對(duì)劃分好網(wǎng)格的模型定義材料屬性及邊界條件，經(jīng)多次重復(fù)調(diào)整后，就可以得到一個(gè)具有可靠精度的車架有限元模型[7-9]。本文采用Solidworks軟件建立車架的幾何模型，再通過.x-t格式將此模型導(dǎo)入NX Nastran仿真軟件，創(chuàng)建有限元模型。

3.1.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，其數(shù)量及疏密程度會(huì)直接影響仿真結(jié)果的精度?？紤]到車架的力學(xué)特征，將車架模型的縱梁和橫梁采用四節(jié)點(diǎn)的直邊（QUAD4）板殼單元?jiǎng)澐?，同時(shí)選取少量三節(jié)點(diǎn)直邊（TRIA3）板殼單位進(jìn)行網(wǎng)格過渡，以確保模型網(wǎng)格質(zhì)量的合理性。

車架板簧支座、舉升支座、貨箱翻轉(zhuǎn)支座等零部件則采用三維四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

車架各個(gè)零部件之間是通過螺栓或鉚釘連接的，所以對(duì)車架中的各種連接方式的模擬將直接影響其計(jì)算結(jié)果的可信性。本文對(duì)于這些連接關(guān)系選用RBE2剛性單元來模擬。RBE2單元是由一組通過使用拉格朗日算法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)上的約束的多點(diǎn)約束單元組成，可用于模擬兩個(gè)變形體之間的剛性約束或常在工程實(shí)際應(yīng)用中被用來作為傳遞力和力矩的剛性組件，如圖5所示。

3.1.2 材料屬性的定義

對(duì)完成網(wǎng)格劃分的有限元模型定義材料屬性，具體材料常數(shù)如表1所示。

車架有限元模型如圖6所示。

3.2 仿真分析結(jié)果

根據(jù)靜力等效原則，本研究將貨箱及載貨量載荷以均布載荷的方式施加在貨箱與車架實(shí)際接觸面積上；將駕駛室（含人）的載荷施加在車架前端四個(gè)駕駛室支座安裝點(diǎn)上；發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱等其他零部件載荷以集中載荷的形式施加在相關(guān)安裝位置，具體載荷情況如表2所示。

彎曲工況是計(jì)算汽車在滿載、四輪著地時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的變化情況。一般模擬汽車在平整路面上，且保持高速、勻速行駛時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，由于車速較高，慣性較大，因此載荷要乘以動(dòng)載系數(shù)Kd=3[5]。

在此工況下，左前輪約束XYZ方向的移動(dòng)，右前輪約束XY方向的移動(dòng)，左后輪約束YZ方向的移動(dòng)，右后輪約束Y方向的移動(dòng)，釋放四輪各方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度[5]。

彎曲工況仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出，車架整體受力均勻，沒有突變現(xiàn)象，中后部應(yīng)力較大，為貨箱載荷較大所致，與現(xiàn)實(shí)相符。輕量化前、后車架最大應(yīng)力均位于副車架縱梁與前橫梁連接處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)注意干涉問題。另外，優(yōu)化前車架最大應(yīng)力293.8 MPa，遠(yuǎn)小于P560L的屈服極限450 MPa，安全系數(shù)為1.53；輕量化后車架最大應(yīng)力450.4 MPa，也遠(yuǎn)小于P700L的屈服極限680 MPa，安全系數(shù)為1.51。因此，輕量化前、后車架在彎曲工況下，均滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖8可以看出，優(yōu)化前車架和輕量化后車架的變形均集中在副車架的縱梁上，最大總變形量分別為4.36 mm及5.252 mm。

2）扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況是計(jì)算汽車在滿載狀態(tài)下，一個(gè)車輪騎障或懸空時(shí)，車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變變化情況[5]，主要模擬路面狀態(tài)崎嶇不平時(shí)車輛行駛狀況，車速較低。本研究將強(qiáng)制左前輪升高100 mm，動(dòng)載系數(shù)Kd=1.5[5]。

在此工況下，左前輪強(qiáng)制在Y方向升高100 mm，右前輪約束YZ方向的移動(dòng)，左后輪約束XY方向的移動(dòng)，右后輪約束XYZ方向的移動(dòng)，釋放四輪各方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

扭轉(zhuǎn)工況仿真結(jié)果如圖9～10所示。

從圖9可以看出，車架左縱梁受力較大，輕量化前、后車架最大應(yīng)力均位于主車架后輪前板簧支座處。 優(yōu)化前車架最大應(yīng)力313.4 MPa，小于P560L的屈服極限450 MPa，安全系數(shù)為1.44；輕量化后車架最大應(yīng)力358.2 MPa，也遠(yuǎn)小于P700L的屈服極限680 MPa，安全系數(shù)為1.90。因此，輕量化前、后車架在扭轉(zhuǎn)工況下，均滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖10可以看出，由于左前輪被抬起100 mm，車架扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重，主車架的左縱梁的變形較右縱梁更為明顯。而主車架左縱梁的變形量從前向后逐漸減小，到后軸處變形量趨近于0。3）舉升工況

舉升工況主要計(jì)算汽車靜止?fàn)顟B(tài)下，舉升滿載貨箱時(shí)車架的受力情況[10-11]，此時(shí)副車架及舉升結(jié)構(gòu)是主要受力構(gòu)件。

經(jīng)計(jì)算，在貨箱舉升7°時(shí)，舉升力最大，此時(shí)，各部件所受分情況為：油缸舉升力F1=320 293 N，與水平夾角36.4°；貨箱翻轉(zhuǎn)支座力F2=258 823 N，與水平夾角7.36°，將以上各力分別施加在油缸舉升支座及貨箱翻轉(zhuǎn)支座處，通過有限元計(jì)算得出結(jié)果如圖11、圖12所示。

從圖11、12可以看出，貨箱舉升時(shí)，副車架縱梁及舉升結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力變化最大，優(yōu)化前車架最大應(yīng)力位于舉升橫梁與副車架縱梁下翼面連接處，為278.8 MPa，小于Q345鋼材的屈服應(yīng)力345 Mpa，安全系數(shù)1.24；輕量化車架最大應(yīng)力位于舉升橫梁加強(qiáng)板上，為327.5 MPa，小于P510 L材料的屈服強(qiáng)度355 Mpa，安全系數(shù)1.10。因此，貨箱在舉升22 t 時(shí)，輕量化前后車架舉升結(jié)構(gòu)均不會(huì)發(fā)生破壞，滿足使用要求。

將以上分析結(jié)果繪制成表3，可以看出，在彎曲工況下，輕量化車架的安全系數(shù)1.51較優(yōu)化前車架的1.53略有降低，但相差不大，可以忽略，也就是說輕量化車架抗彎性能與優(yōu)化前車架基本相同；在扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，輕量化車架的安全系數(shù)高達(dá)1.90，比優(yōu)化前車架的1.44有大幅提升，因此，扭轉(zhuǎn)工況下輕量化車架的抗扭性能優(yōu)于優(yōu)化前車架；在舉升工況下，輕量化車架的安全系數(shù)為1.10，略低于優(yōu)化前車架的1.24，舉升機(jī)構(gòu)的安全性能略有降低，這是由于舉升橫梁的“匚”型材截面尺寸從128 mm×60 mm×8 mm變?yōu)?8 mm×60 mm×8 mm，材料的抗彎性能降低所致。另外，車架的降重效果也較明顯，從680 kg降至560 kg，降幅達(dá)17.6%；整體車架重心高度也降低40 mm，行駛更加平穩(wěn)。

綜合考慮以上因素，輕量化后車架的綜合性能要優(yōu)于優(yōu)化前車架。

4 新工藝的應(yīng)用

優(yōu)化前車架的生產(chǎn)占地面積大、使用大型剪板機(jī)、數(shù)控平板沖壓生產(chǎn)線、大噸位油壓機(jī)、噴丸機(jī)等大型設(shè)備多，生產(chǎn)工序多，如縱梁的生產(chǎn)工藝主要有：剪板機(jī)下料→校平→平板沖孔→板料修形→油壓機(jī)成形→氣割修形→噴丸處理等，工序之間周轉(zhuǎn)時(shí)間也較長，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品尺寸精度也較差。

本研究運(yùn)用新的成形技術(shù)，如輥壓技術(shù)、三面數(shù)控沖孔技術(shù)（簡稱“三面沖技術(shù)”）及等離子切割技術(shù)等，對(duì)車架的生產(chǎn)工藝進(jìn)行輕量化，提高了車架的生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的專業(yè)化及自動(dòng)化。

新工藝采用輥壓成形制作U型梁毛坯再用“三面沖技術(shù)”在毛坯上沖孔，完成后自動(dòng)轉(zhuǎn)入等離子切割工序，最后轉(zhuǎn)入噴丸處理工序。其中，輥壓成形技術(shù)變形均勻，可以保證車架縱梁腹面和翼面的垂直精度，是沖孔工序良好的前提；三面沖技術(shù)可以保證車架孔位的位置精度及形狀精度，為車架裝配及使用提供良好基礎(chǔ)；等離子切割技術(shù)則可以根據(jù)不同車架設(shè)計(jì)要求，在不同位置對(duì)車架進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，同時(shí)還可保證切割斷面質(zhì)量，減少打磨工序。四道工序在一條生產(chǎn)流水線上完成，上下料均采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作，中間工序的周轉(zhuǎn)也是機(jī)器自動(dòng)轉(zhuǎn)入。

5 結(jié)論

本文以某自卸車為例，對(duì)優(yōu)化前車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，并通過NX Nastran軟件對(duì)輕量化前、后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：1）輕量化前、后的車架在彎曲、扭轉(zhuǎn)、舉升工況下，均滿足使用要求；2）輕量化前、后的車架的各階振型均符合模態(tài)分析的一般規(guī)律，車架可靠性較高；3）新成形技術(shù)的運(yùn)用，使得車架的尺寸精度、生產(chǎn)效率大幅提升，實(shí)現(xiàn)車架生產(chǎn)的專業(yè)化及自動(dòng)化。

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