基于輕卡某重載版車型車架系統(tǒng)有限元分析

鞠 光

（安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型商用車研究院，安徽 合肥 230000）

引言

車架是整個汽車的基體，汽車絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架來固定其位置的，如發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、駕駛室、貨箱和有關(guān)操縱機構(gòu)。車架的功用是支承連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。

車架的結(jié)構(gòu)形式首先應(yīng)滿足汽車總布置的要求。汽車在復(fù)雜多變的行駛過程中，固定在車架上的各總成和部件之間不應(yīng)發(fā)生干涉。汽車在崎嶇不平的道路上行駛時，車架在載荷作用下可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形以及在縱向平面內(nèi)的彎曲變形；當一邊車輪遇到障礙時，還可能是整個車架扭曲成菱形。因此車架還應(yīng)具有足夠的強度和適當?shù)膭偠?。本文將針對輕卡某重載版車型進行有限元分析。

1 車架系統(tǒng)的主要零部件

此次所設(shè)計分析的車架的結(jié)構(gòu)形式為應(yīng)用最為廣泛的邊梁式車架，邊梁式車架由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅固的剛性架構(gòu)。

圖1 車架總成結(jié)構(gòu)

1.1 縱梁

車架縱梁根據(jù)截面形狀分有工字梁、Z字梁、□形梁、 U形梁，由于U 形梁具有較高強度，工藝簡單等特點，因此車架縱梁常采用 U形梁結(jié)構(gòu)，目前輕型卡車的縱梁大多采用先落料, 后沖孔,最后沖壓成型的制造工藝以保證加工精度,提高制造效率。

1.2 橫梁

橫梁常采用的結(jié)構(gòu)有圓管形，工字形、□形、U 字形四種。□形具有較高的扭轉(zhuǎn)剛度，但增加了車架的自身重量，成本高，工藝復(fù)雜。而圓管形、U字形雖扭轉(zhuǎn)剛度較□形差，但制造工藝簡單，成本低，故采用管形和 U形相結(jié)合的方案。

1.3 縱梁與橫梁的連接

在車架設(shè)計中，常見的縱梁、橫梁連接形式有如下幾種：①橫梁和縱梁上下翼面連接；②橫梁和縱梁的腹面相連；③橫梁同時和縱梁的翼面及連接板連接。常采用第二種和第三種形式，這種形式既保證車架的抗扭剛度，同時不會使縱梁出現(xiàn)較大應(yīng)力，保證了整體強度。

2 車架總成有限元分析

2.1 分析流程

圖2

2.2 車架有限元模態(tài)分析

在有限元分析軟件Hypermesh中，以基本單元尺寸5mm劃分網(wǎng)格，零部件連接采用RBE2剛性連接，創(chuàng)建模態(tài)環(huán)境進行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖3所示。

2.3 車架模態(tài)結(jié)果分析

通過模態(tài)分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）在0-60Hz頻帶內(nèi)，車架具有6階模態(tài)，車架模態(tài)較為分散，同時從頻率與階次的遞增中可以看出，車架模態(tài)頻率變化平緩，沒有突變現(xiàn)象產(chǎn)生。

（2）一般由路面不平引起的激勵頻率為1～20Hz的垂直振動，該輕型載貨車車架的一階垂向彎曲模態(tài)頻率30.69Hz，在垂直方向避開了這個范圍，避免由路面而引起的較大幅度的車架共振現(xiàn)象產(chǎn)生。

（3）載貨車前、后懸架偏頻一般為 2～4.5Hz，而該車架的一階彈性模態(tài)頻率為7.73Hz，表明該車架結(jié)構(gòu)能夠避開懸架系統(tǒng)的固有頻率。

（4）車身部分固有頻率一般為 10～15Hz，而該車架的一階扭轉(zhuǎn)和一階橫向彎曲模態(tài)正好避開了該頻段，不會引起車身較大幅度的振動。

（5）該載貨車發(fā)動機怠速時轉(zhuǎn)速在800r/min左右，怠速頻率在13Hz左右，一、二階垂向、彎曲均能夠避開該頻段，不會引起車身較大幅度的振動。

（6）車架第6階的頻率值遠離振源，即對車架結(jié)構(gòu)的實際振動影響很小。

2.4 車架彎曲、扭轉(zhuǎn)工況分析

圖4 車架在彎曲狀態(tài)下的位移、應(yīng)力云圖

圖5 車架在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的位移、應(yīng)力云圖

建立模擬板簧，SPRING連接選用CUBSH形式，約束完成后對車架進行載荷添加，分別進行彎曲、扭轉(zhuǎn)工況分析如圖4、5所示。

對比車架在彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下的應(yīng)力及位移情況，實現(xiàn)對現(xiàn)有車架的局部優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文通過UG、CAE等設(shè)計輔助工具對當前某重載版輕型卡車車架進行了設(shè)計分析，結(jié)合CAE分析準確地計算出危險點的位置，以此來掌握車架總成的強度，對強度需加強的地方通過局部加強來優(yōu)化；對應(yīng)力位移均較小的部位可以進行降成本優(yōu)化工作。在設(shè)計過程中通過CAE分析的輔助，可以有效的對車架的力學(xué)性能進行準確的預(yù)測與分析，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，也為今后的產(chǎn)品設(shè)計提供了有力的設(shè)計依據(jù)。

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