多工況下皮卡車架的結(jié)構(gòu)分析及輕量化

田志俊,成昌晶,王彬花

1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽馬鞍山243000；2.中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122

0 引言

隨著皮卡高端化、乘用化、智能化趨勢的增強(qiáng)，以及皮卡城市限行政策的放開，皮卡車市場將有百萬級的增長空間，對汽車消費的促進(jìn)作用顯著。同時，皮卡作為多用途車型，對上下游相關(guān)行業(yè)，比如改裝、越野、自駕游等消費的帶動作用也相當(dāng)可觀。另外，由于皮卡自重大且對動力性有較高需求，在節(jié)能環(huán)保、污染物排放、燃料經(jīng)濟(jì)性等方面與乘用車相比還有一定的差距，需要進(jìn)一步提高皮卡的輕量化水平。

車架是皮卡的關(guān)鍵零部件，不僅承載發(fā)動機(jī)、車身等零部件和人員的質(zhì)量，還要承受來自路面的各種載荷。車架性能直接影響乘員的乘坐舒適性、整車可靠性以及安全性，要求其具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及較低的質(zhì)量。

本文以某皮卡車型車架為研究對象，對皮卡車架進(jìn)行彎扭剛度、自由模態(tài)、多工況下車架的位移及應(yīng)力等性能分析?；诜治鼋Y(jié)果，優(yōu)化車架零件厚度、用材等，在保證車架性能不降低的基礎(chǔ)上，降低車架的質(zhì)量。

1 皮卡車架的有限元模型

沖壓零件采用殼單元PSHELL離散，焊接采用RBE2單元模擬，發(fā)動機(jī)、車身、油箱、貨箱、備胎等總成的質(zhì)量通過RBE3單元分配到車架相應(yīng)的安裝點，后懸用梁單元CBEAM模擬。車架總成質(zhì)量見表1，車架有限元模型如圖1所示。

表1 車架總成質(zhì)量 單位:kg

圖1 車架有限元模型

該皮卡車架主要采用QstE340TM、SAPH440、SAPH400等材料，前懸安裝支架、發(fā)動機(jī)懸置支架蓋板、第四橫梁上板、第一橫梁等采用QstE340TM、縱梁前部、部分橫梁等采用SAPH440，縱梁中后部、油箱支架等采用SAPH400。皮卡車架主要材料性能見表2。

表2 皮卡車架主要材料性能 單位:MPa

2 車架剛度仿真計算

2.1 車架彎曲剛度的計算

滿載車輛在平整路面勻速行駛或靜止時，車架處于彎曲工況，車架的最大垂直變形量可用于評價其彎曲剛度。把車架簡化為一根簡支梁，在中間施加集中力，可以得到車架的最大垂直變形量。

彎曲剛度計算公式：

(1)

式中：為彎曲剛度(N/mm)；為載荷(N)；為車架縱梁上測量點補(bǔ)償后的向變形量(mm);為車架縱梁上測量點向變形量平均值(mm);為車架縱梁上測量點的向誤差補(bǔ)償量(mm)；為前懸左右測量點向變形量的平均值(mm)；為后懸左右測量點向變形量的平均值(mm)；為車架縱梁上測量點距前懸的向距離(mm)；為前懸、后懸之間的向距離(mm)。

車架彎曲剛度示意如圖2所示。

圖2 車架彎曲剛度示意

2.1.1 車架彎曲剛度計算的邊界條件

約束：約束車架前懸安裝點的、平動自由度；約束后懸鋼板彈簧安裝點的、、平動自由度。

載荷：在前懸、后懸中間位置對應(yīng)的車架縱梁上表面處施加1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 N的載荷，測量點在施力點對應(yīng)的縱梁下表面。經(jīng)初步分析，測量點距前懸的向距離為1 683.34 mm；因后懸為鋼板彈簧，選鋼板彈簧兩個安裝點的中點位置為后懸測點，前懸、后懸向距離為3 426.81 mm。車架彎曲剛度的有限元計算模型(2 000 N )如圖3所示。

圖3 車架彎曲剛度的有限元計算模型(2 000 N)

2.1.2 車架彎曲剛度的計算結(jié)果

提取不同載荷作用下各測量點的向位移，代入計算公式(1)得到不同載荷作用下車架的變形情況及彎曲剛度。加載5 000 N時車架的向變形如圖4所示。不同載荷作用下車架彎曲剛度的主要參數(shù)及計算結(jié)果見表3。

圖4 加載5 000 N時車架的Z向變形

表3 不同載荷作用下車架彎曲剛度的主要參數(shù)及計算結(jié)果

利用測量點的向變形量和加載力的關(guān)系，通過線性回歸，得到車架彎曲剛度=2 037.30 N/mm，相關(guān)系數(shù)的平方=1。車架彎曲剛度曲線如圖5所示。

圖5 車架彎曲剛度曲線

2.2 車架扭轉(zhuǎn)剛度的計算

汽車在凸凹路面行駛時，由于車輪不在同一平面，引起車架扭轉(zhuǎn)，同時，汽車在較差路面行駛速度較慢，通常用靜態(tài)極限扭轉(zhuǎn)評價車架的扭轉(zhuǎn)剛度。車架在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角的大小，可用于評價車架的扭轉(zhuǎn)剛度。車架扭轉(zhuǎn)角示意如圖6所示。

圖6 車架扭轉(zhuǎn)角示意

通過位移間接計算法獲得車架的扭轉(zhuǎn)角，具體方式為：測量車架在扭轉(zhuǎn)載荷作用下測點向變形量和測點向之間的距離，計算出前后懸的相對扭轉(zhuǎn)角，然后通過加載力矩和前后懸的相對扭轉(zhuǎn)角計算出車架的扭轉(zhuǎn)剛度值。

車架扭轉(zhuǎn)剛度計算公式為：

(2)

式中：為扭轉(zhuǎn)剛度(N·m/rad)；為扭矩(N·m)；為扭轉(zhuǎn)角(rad)；為前懸扭轉(zhuǎn)角(rad)；為后懸扭轉(zhuǎn)角(rad)；為前懸左側(cè)向位移(mm)；為前懸右側(cè)向位移(mm)；為前懸左右測點向間距(mm)；為后懸左側(cè)向位移(mm)；為后懸右側(cè)向位移(mm)；為后懸左右測點向間距(mm)。

2.2.1 車架扭轉(zhuǎn)剛度計算的邊界條件

約束：約束前端臺架加載梁中心平動自由度；約束后懸鋼板彈簧安裝點的、、平動自由度。

載荷：在前懸兩個安裝點施加等值反向力，形成力矩。按照500、1 000、 2 000、3 000 N·m的載荷，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)加載。前懸左右測點向間距為916 mm，后懸左右測點向間距為1 069.67 mm。車架扭轉(zhuǎn)剛度的有限元計算模型(2 000 N·m)如圖7所示。

圖7 車架扭轉(zhuǎn)剛度的有限元計算模型(2 000 N·m)

2.2.2 車架扭轉(zhuǎn)剛度的計算結(jié)果

提取不同載荷作用下各測量點的向位移，代入計算公式(2)得到不同載荷作用下車架的變形情況及彎曲剛度。在3 000 N·m扭轉(zhuǎn)力矩作用下車架的向變形如圖8所示。不同載荷作用下車架扭轉(zhuǎn)剛度的主要參數(shù)及計算結(jié)果見表4。

圖8 在3 000 N·m扭轉(zhuǎn)力矩作用下車架的Z向變形

表4 不同載荷作用下車架扭轉(zhuǎn)剛度的主要參數(shù)及計算結(jié)果

利用車架扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系，通過線性回歸，得到車架扭轉(zhuǎn)剛度=2 906.8 N·m/rad，相關(guān)系數(shù)的平方=1。車架扭轉(zhuǎn)剛度曲線如圖9所示。

圖9 車架扭轉(zhuǎn)剛度曲線

3 多工況下車架強(qiáng)度仿真計算

對垂直沖擊、緊急轉(zhuǎn)彎、緊急制動、扭轉(zhuǎn)(單輪懸空)等極限工況開展研究，具體如下：

(1)垂直沖擊：汽車行駛時遇到不平路面出現(xiàn)上下跳動，車架受到向的垂直沖擊。

(2)緊急轉(zhuǎn)彎：汽車緊急轉(zhuǎn)彎時在離心力作用下，會對車架產(chǎn)生一個側(cè)向慣性力，另外，緊急轉(zhuǎn)向時通常會減速。

(3)緊急制動：汽車制動時，車輪抱死，車架承受慣性力的作用。

(4)右前輪懸空：在凸凹路面行駛時，會出現(xiàn)車輪懸空的情況，此時車架會受到較大的扭轉(zhuǎn)。

具體工況及邊界條件見表5。

表5 具體工況及邊界條件

3.1 緊急制動工況

車架在緊急制動工況下的應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖可知，車架的最大應(yīng)力發(fā)生在發(fā)動機(jī)左懸置支架蓋板，應(yīng)力值為204.49 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.88。車架在緊急制動工況下的向位移云圖(變形放大50倍)如圖11所示，車架在制動時向的最大位移為4.54 mm。

圖10 車架在緊急制動工況下的應(yīng)力云圖

圖11 車架在緊急制動工況下的Z向位移云圖(變形放大50倍)

3.2 緊急左轉(zhuǎn)彎工況

車架在緊急左轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12 車架在緊急左轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖

由圖12可知，車架的最大應(yīng)力在左前減振器支架外板側(cè)面，應(yīng)力值為378.98 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.02。

車架在緊急左轉(zhuǎn)彎工況下的向位移云圖(變形放大10倍)如圖13所示。由圖可以看出，車架在緊急轉(zhuǎn)彎時向的最大位移為61.35 mm，有輕微的甩尾現(xiàn)象。

圖13 車架在緊急左轉(zhuǎn)彎工況下的Y向位移云圖(變形放大10倍)

3.3 右前輪懸空工況

車架在右前輪懸空工況下的應(yīng)力云圖如圖14所示。由圖可知，車架的最大應(yīng)力發(fā)生在左前懸安裝點附近，應(yīng)力值為358.29 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.07。車架在右前輪懸空工況下的向位移云圖(變形放大10倍)如圖15所示，車架在右前輪懸空時向的最大位移為39.27 mm。

圖14 車架在右前輪懸空工況下的應(yīng)力云圖

圖15 車架在右前輪懸空工況下的Z向位移云圖(變形放大10倍)

3.4 垂直沖擊工況

車架在垂直沖擊工況下的應(yīng)力云圖如圖16所示。由圖可知，車架的最大應(yīng)力在發(fā)動機(jī)左懸置支架蓋板，應(yīng)力值為381.67 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.01。如圖17所示，車架在垂直沖擊工況下向的最大位移為8.03 mm。

圖16 車架在垂直沖擊工況下的應(yīng)力云圖

圖17 車架在垂直沖擊工況下的Z向位移云圖(變形放大50倍)

從4種工況下皮卡車架的性能評估來看，車架沒有出現(xiàn)大變形和高應(yīng)力區(qū)域，有一定的優(yōu)化空間。

4 車架輕量化設(shè)計

在不改變車架零件結(jié)構(gòu)的前提下，將車架零件的板厚作為設(shè)計變量，約束條件為車架剛度不降低、零件的安全系數(shù)不小于1，力求車架整體達(dá)到最輕。車架輕量化設(shè)計方案(部分)見表6。

表6 車架輕量化設(shè)計方案(部分)

將圓整后的零件厚度代入車架模型，對車架輕量化方案進(jìn)行載荷工況和彎扭剛度的驗證。緊急制動工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖和向位移云圖(變形放大50倍)如圖18和圖19所示。輕量化車架的最大應(yīng)力發(fā)生在發(fā)動機(jī)左懸置支架蓋板，應(yīng)力值為207.37 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.87。輕量化車架在制動時向的最大位移為4.43 mm。

圖18 緊急制動工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖

圖19 緊急制動工況下輕量化車架的Z向位移云圖(變形放大50倍)

緊急轉(zhuǎn)彎工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖和向位移云圖(變形放大10倍)如圖20和圖21所示。輕量化車架的最大應(yīng)力在右前減振器支架外板側(cè)面，應(yīng)力值為367.29 Pa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.05。輕量化車架在緊急轉(zhuǎn)彎時向的最大位移為60.76 mm，有輕微的甩尾現(xiàn)象。

圖20 緊急左轉(zhuǎn)彎工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖

圖21 緊急左轉(zhuǎn)彎工況下輕量化車架的Y向位移云圖(變形放大10倍)

右前輪懸空工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖和向位移云圖(變形放大10倍)如圖22和圖23所示。輕量化車架的最大應(yīng)力發(fā)生在左前懸安裝點附近，應(yīng)力值為340.02 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.13。如圖10所示，車架在右前輪懸空時向的最大位移為38.99 mm。

圖22 右前輪懸空工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖

圖23 右前輪懸空工況下輕量化車架的Z向位移云圖(變形放大10倍)

垂直沖擊工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖和向位移云圖(變形放大50倍)如圖24和圖25所示。輕量化車架的最大應(yīng)力在發(fā)動機(jī)左懸置支架蓋板，應(yīng)力值為382.52 MPa，采用QstE340TM，安全系數(shù)為1.01。輕量化車架在垂直沖擊時向的最大位移為7.95 mm。

圖24 垂直沖擊工況下輕量化車架的應(yīng)力云圖

圖25 垂直沖擊工況下輕量化車架的Z向位移云圖(變形放大50倍)

優(yōu)化前后車架質(zhì)量及主要性能參數(shù)對比見表7。

表7 優(yōu)化前后車架質(zhì)量及主要性能參數(shù)對比

從4種工況下輕量化車架的計算結(jié)果來看，優(yōu)化后車架的變形量略有降低，最大應(yīng)力水平相當(dāng)。同時，相同條件下，計算了輕量化車架的彎扭剛度，結(jié)果顯示，優(yōu)化后車架彎扭剛度分別提升2.21%和4.70%。

5 結(jié)論

(1)對原設(shè)計進(jìn)行了彎扭剛度及多工況下的分析，車架的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分別為2 037.30 N/mm、2 906.80 N·m/rad；右前輪懸空工況下向變形61.55 mm，有輕微甩尾現(xiàn)象；垂直沖擊工況下最大應(yīng)力為381.67 MPa，位于發(fā)動機(jī)左懸置支架蓋板，安全系數(shù)為1.01。

(2)以車架質(zhì)量最小為目標(biāo)，零件厚度為優(yōu)化變量，多工況下車架變形不增大、零件安全系數(shù)不小于1為約束條件，對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后車架在4種工況下的變形量減小，最大應(yīng)力水平與原設(shè)計相當(dāng)；輕量化車架的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分別提升2.21%和4.70%；輕量化車架質(zhì)量減少6.30 kg，減重2.96%。