基于“最少量連接”的車架設(shè)計方法的探究

寧磊 梁乾

摘.要：車架結(jié)構(gòu)需要多處焊接，降低了車架的承載能力與使用性能，影響車輛行駛的動力性能、平穩(wěn)性以及安全性。文中提出“最少量連接”車架設(shè)計方法，設(shè)計階段基于逆向設(shè)計思想在保證強度和剛度的的同時實現(xiàn)輕量化設(shè)計，在不影響整體車架性能又切合制造工藝的情況下實現(xiàn)最少量連接，避免過多連接帶來的誤差累積，從而改善車架的綜合性能。

關(guān)鍵詞：轟鳴聲;滑摩;排氣;傳遞路徑;聲固耦合

中圖分類號：U270.2

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0038-04.

Research on the Design Method of Frame Based on“Minimum

Connection”

NING Lei， LIANG Gan

（ Hanzhong Vocational and Technical College， Hanzhong 723000 China ）

Abstract： The frame structure needs multiple weldings， which reduces the carrying capacity?and performance of the frame， and affects the dynamic performance， stability， and?safety of the vehicle. The design method of "minimal connection" frame is proposed in this?paper. During the design stage， it is based on the idea of reverse design to achieve lightweight design?while ensuring strength and stiffness.light weight design is achieved while ensuring ，strength and stiffness. The minimum connection is achieved without affecting the overall frame?performance and meeting the manufacturing process. The error accumulation caused?by excessive connection is avoided to improving the overall performance of the frame.

Key Words： Frame design; Strength and stiffness; Lightweight design; Minimum number?of connections

寧磊

畢業(yè)于西安建筑科技大學碩士研究生，就職于漢中.職業(yè)技術(shù)學院汽車與機電工程學院;主要研究方向：車輛底盤的CAD與CAE、優(yōu)化設(shè)計、新能源汽車。

1車架概述

車架是將車身、發(fā)動機和底盤等組成有機整體的基礎(chǔ)，承受各種靜、動載荷及行駛中的扭曲、沖擊、慣性力等載荷作用。汽車行駛的平穩(wěn)性和安全性都與車架好壞直接相關(guān)。

滿足強度和扭轉(zhuǎn)剛度的前提下實現(xiàn)輕量化是車架設(shè)計的基本目標。足夠的彎曲強度避免了車架上各總成因為車架的變形而損壞甚至失去工作能力;足夠的疲勞強度避免了車架在各種受力的情況下出現(xiàn)嚴重的疲勞損傷。剛度不足引起車架變形，會導致轉(zhuǎn)向時間差，降低輪胎抓地力和循跡性能。合適的扭轉(zhuǎn)剛度可保證汽車行使的平順性和通過能力，從而實現(xiàn)汽車對路面不平度的適應性。輕量化設(shè)計提高了燃油經(jīng)濟性，降低了碰撞時需要被吸收轉(zhuǎn)移的能量，制動效果好。

2現(xiàn)有車架成型方法

大梁式車架通過激光焊接將主縱梁和許多尺寸不同的副橫梁連接起來形成了非承載式車身，個別區(qū)域還會加上斜梁作鞏固[1]285。

一體式車架由壓制的板金件和折疊槽鋼梁焊接成整體剛性的車身，車身充當車架來承受所有的載荷【2】1。局部增粗補焊是加強一體式車架抗扭剛度的主要方法。

鋼管式車架是采用鋼管焊接成一個框架，再將零部件裝在這個框架上，局部加焊鋼管就能實現(xiàn)強度加強。

3現(xiàn)有車架結(jié)構(gòu)存在的缺陷

歸納車架成型方法得出：所有車架都需要進行大量的焊接。殘余應力和變形導致焊件在形狀與尺寸改變，降低焊后機加精度，甚至產(chǎn)生裂紋，影響行駛平穩(wěn)性和安全性。不均勻的焊接接頭強度受損，直接影響車架的承重性能和使用性能。

4車架設(shè)計方法的探究

針對現(xiàn)有車架大量連接之問題，提出“最少量連接”的設(shè)計理念---在不影響整體車架性能的前提下，根據(jù)制造工藝和裝配要求實現(xiàn)最少量連接，減少大量連接帶來強度和剛度不足及誤差累積，從而改善車架的綜合性能【3】。

“最小量連接”車架設(shè)計采取逆向設(shè)計思想。利用ANSYS對方形車架材料在制動，不對稱和轉(zhuǎn)彎工況下進行受力分析，切除應力較小的區(qū)域，保留應力較大的區(qū)域，再次驗證受力分析，繼續(xù)切小留大，依照此方法迭代切除，多次驗證，實現(xiàn)滿足強度剛度的輕量化設(shè)計。最后根據(jù).制造與裝配條件在應力較小區(qū)域進行最少量切割，從而實現(xiàn)“最少量連接”。

車輛在各種工況下，主要的受力區(qū)域在底部簧上結(jié)構(gòu)，故不論是承載式車身或是大梁式車架，都需要著重分析底部受力區(qū)域。因此，承載式車身可以參考大梁式車架的分析方法進行設(shè)計。而大梁式車架主要用于商用車和越野車，兩者由于用途差異導致自身重量、車橋數(shù)量、承載能力和動力性能等不同，但是受力及工況類似，設(shè)計方法可以互相借鑒。故本文就以大梁式車架中的商用車車架為例進行設(shè)計方法的說明，具體流程如下。

4.1模型的建立與多工況下力學分析。

方形尺寸為，前橋之間，前中橋軸距，中后橋之間，后橋之后。車架在靜止時產(chǎn)生彎曲變形，制動時受到瞬間較大的沖擊載荷發(fā)生沖擊變形，車輪不在同一個平面時車架受力不對稱產(chǎn)生較大變形，車輛轉(zhuǎn)彎時由于離心力作用產(chǎn)生側(cè)傾變形。靜態(tài)彎曲變形同時出現(xiàn)在后邊三種工況下，后邊三種工況受力較大且比較危險，故本文以制動工況、不對稱工況和轉(zhuǎn)彎工況進行典型分析。方形車架建模數(shù)據(jù)、材料屬性及施加載荷及約束方式如表1所示[4]。

三種工況下應力云圖與位移云圖如圖1所示，由圖1分析知：

（1）工況a中，車架后橋處出現(xiàn)最大應力27.8Mpa;工況b中，車架中橋處懸空輪對側(cè)出現(xiàn)最大應力40.8Mpa;工況c中，車架后橋處出現(xiàn)最大應力27.9Mpa。車橋及其附近出現(xiàn)應力較大區(qū)域，剩余區(qū)域應力較小。各工況下最大變形位移均出現(xiàn)在沿縱梁方向處于中后橋的正中間位置，工況a，b，c中，最大變形位移分別為0.742mm，0.916mm，0.742mm，且前橋之前、前中橋之間、后橋之后也出現(xiàn)相對較大的變形位移。

（2）各工況下前橋之前區(qū)域距離前橋500mm附近出現(xiàn)大應力區(qū)域;各工況下前中橋之間區(qū)域距離前橋1400mm附近出現(xiàn)大應力區(qū)域;中后橋之間區(qū)域在制動工況下，中后橋之間距離中橋1000mm附近出現(xiàn)大應力區(qū)域，不對稱工況與轉(zhuǎn)彎工況下距離中橋1500mm附近出現(xiàn)大應力區(qū)域，且大應力區(qū)域較大;各工況下后橋后段距離后橋400mm附近出現(xiàn)大應力區(qū)域。

4.2初次切除應力較小區(qū)域形成大梁式車架。

根據(jù)4.1中受力及變形分析結(jié)果，提出如下切除較小應，力區(qū)域形成如圖2所示的車架，

從左往右三角形位置依次為前橋、中橋、后橋。各車橋處切割出一根寬100mm軸梁，前橋之前和前中橋間分別切割出一根寬100mm橫梁，中后橋間以及后橋之后分別切割出兩根寬100mm橫梁，具體分布尺寸如圖2所示：

4.3驗證車架強度和剛度。

按照第一步施加載荷及約束方式驗證一次切割后車架在三種工況時的受力變形結(jié)果如圖3所示。

由圖3分析知：

（1）工況a前軸之前出現(xiàn)最大應力151Mpa。工況b懸空輪對側(cè)出現(xiàn)最大應力135Mpa。工況c后橋之后區(qū)域出現(xiàn)最大應力94.6Mpa，也就是說前軸之前區(qū)域出現(xiàn)最大應力，可考慮在此處增加橫梁加強強度。

（2）各工況下，前橋和后橋處的應力區(qū)域最小，可考慮減小兩橋處橫梁尺寸進行優(yōu)化。

（3）各工況最大位移不足6mm，即三種工況

下的最大位移均很很小，車架剛度足夠。

4.4再次切除應力較小區(qū)域形成大梁式輕量化設(shè)計。

根據(jù)4.3分析，應力最小區(qū)域出現(xiàn)在前后橋處，故將前后橋處橫梁寬度減為5mm。前橋之前區(qū)域應力相對較大，故加一根l0mm寬度的橫梁，如圖4所示：

4.5驗證車架強度和剛度。

按照4.3中的施加載荷及約束方式驗證二次切割后車架在三種工況下的受力變形情況，如圖5所示。最大應力為142MPa，不到材料最大屈服強度的一半，最大位移不到6.3mm，車架的強度剛度足夠，說明，上一步的加強和優(yōu)化尺寸合理。當然可以根據(jù)圖5繼續(xù)全面分析車架的應力和形變位移的分布情況，對車架再次進行切割或增補，方法同4.3與4.4，此處不再贅述。

4.6多次切割與驗證迭代的輕量化設(shè)計。

由于經(jīng)過兩次切割后的車架的輕度和剛度都很足夠，故可以再次切除應力較小區(qū)域達到輕量化設(shè)計，再次驗證保證足夠的剛度強度，循環(huán)切割與驗證，直到滿足剛度強度的質(zhì)量最小化。

4.7最少量分割與連接。

分析多次驗證的應力與形變情況，應力較小區(qū)域始終出現(xiàn)在前后橋處。再者，車橋處有懸架和加強件，故此處切割幾乎對車架強度無影響。如圖6所示，四處分割產(chǎn)生四次連接。采用之前橫縱梁直接焊接方法需要二十處連接，而且部分焊

5總結(jié)

針對通過焊接成型的車架的缺點，提出了基于“最少量連接”方法的車架設(shè)計方法，實現(xiàn)了在不影響整體車架性能又切合制造工藝的情況下的最少量連接，避免過多連接帶來強度和剛度不足及誤差累積，以提高車輛的整體性能。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].機械工業(yè)出版社，2018.11.

[2]林程.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社，2016.5.

[3]寧磊.基于“最小量分割”方法的車架設(shè)[D].西安建筑科技大學，2014，1-9，86-91.

[4]寧磊，張曉鐘.基于多工況模式拓撲優(yōu)化的車架設(shè)計[J]機械設(shè)計，2014.9（31）：58-62.

[5]寧磊，張曉鐘.基于“小應力區(qū)域減法”的鋼骨車架設(shè)計[J].機械科學與技術(shù)，2014.2（33）：276-281.

專家推薦

曾斌：

論文針對現(xiàn)有車架結(jié)構(gòu)需要多處焊接，影響車輛性能的問題，提出了“最少量連接”車架設(shè)計方法，就是在設(shè)計階段，對車架不同工況進行受力分析，切除應力較小的區(qū)域，保留應力較大的區(qū)域，多次迭代，反復驗證，既要保證車架強度和剛度，又要在滿足制造工藝情況下實現(xiàn)車架的最少量連接，以此減少誤差累積，實現(xiàn)輕量化，最終達到改善車架的綜合性能的目的。

文章思路有清晰，文字較為流暢，對非承載式車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是車架總成的設(shè)計有一定借鑒意義。