某载货汽车车架结构改进及仿真分析

赵娟妮　王青春　陈佳

摘要：对某载货汽车车架现有结构与工艺的特点进行说明，并在此结构基础上，通过新材料、新结构和新工艺的运用，对车架整体进行了轻量化设计；使用NX Nastran软件，对轻量化设计前、后的车架进行仿真分析，得出车辆正常行驶时应力应变分布情况，并详细分析了轻量化设计前、后车架的强度、刚度的变化情况，从而验证车架设计的合理性。

关键词：车架；轻量化；优化设计；有限元分析

中图分类号：U463.32+1 文献标志码：A

文章编号：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）

隨着信息化的快速发展，环境保护和能源问题成为制约国家经济发展的重要因素，也是国民经济可持续发展战略的重要理念[1]。汽车运输作为国民经济的重要基础产业，成为节能降耗的重点管控行业。工信部2012年数据表明[2]：我国汽车油耗占石油年消耗总量的50%左右，而汽车油耗的49.2%是被仅占汽车总量13.9%的中、重型载货类汽车（>3.5 t）消耗掉的，也就是说，虽然我国中、重型载货类汽车数量比乘用车少得多，但其消耗的燃油却与乘用车相当。如果重型自卸车油耗降低10%，即使按2012年底的重型自卸车保有量1 400多万辆来测算，每年至少可节约900多万t汽柴油，相当于900多万辆家用轿车的燃油用量，节油效果巨大。因此，对于汽车，特别是自卸车来说，如何做到节能减排尤为重要。

有研究表明，汽车自身重量约消耗油耗的70%，整车质量每减少100 kg，则百公里油耗可降低0.3～0.6 L[3]。因此，降低车身自重是汽车节能减排的首要选择。对于自卸车，汽车车架是其重要组成部分，约占其车身自重的1/4，因此，对汽车车架进行轻量化设计十分必要。

本文以某商用车车架为例，通过新材料、新结构和新工艺的集成运用，对其结构进行优化设计，并使用NX.Nastran软件对改进前、后的车架进行强度分析，得出车辆在正常行驶时应力应变分布情况。

1 优化前车架特点

1.1 结构特点

优化前车架采用“主车架+副车架”结构形式，如图1所示。主车架由2根纵梁和6根横梁铆接组成梯形结构，第4、5、6横梁是货箱承载区域，因此，此3处的横梁和纵梁之间增加加强连接板连接[4-5]；纵梁采用了攀钢集团生产的10 mm厚的P560L大梁钢，其屈服强度为450 MPa，抗拉强度为560 MPa；横梁及加强连接板则采用攀钢集团生产的P510L钢材（屈服强度为355 MPa，抗拉强度为

500 MPa）。

副车架也是由纵梁与举升结构组成，如图2所示。副车架纵梁采用了6 mm的P560L钢材（屈服强度为450 MPa，抗拉强度为560 MPa）。由于该车架举升结构为双杠举升，所以，此车架由2根举升横梁及加强板组成主体结构，再在举升横梁上布置4根举升支座，而货箱翻转结构则设置在副车架的尾端，由一根横梁及货箱翻转支座组成。所有举升结构都采用Q345钢材。

车架整体重量达680 kg，占整车自重的20%左右，因此应对该车架进行减重轻量化设计。

1.2 工艺特点

优化前车架制造工艺的主要特点是：1）制造工艺较为复杂。本车架纵梁采用钢板先数控冲孔，再用高吨位的压力机对板料进行压弯处理而成形，工艺步骤较为复杂，制造成本居高不下。2）制造精度较低。由于车架制造工艺是先冲孔再压弯，这就容易在压弯成形过程中造成某些孔位发生偏移或变形，导致车架的制造精度降低，影响后期的装配，甚至造成安全隐患。3）生产效率较低。由于车架工艺步骤较多，生产工序间的转换也较多，因此，生产效率也较低。4）工人劳动强度大。在车架生产过程中，剪板、冲孔、切割等工序上下料时需要6～7名员工操作，劳动强度大，劳动条件也较差。

2 车架的轻量化设计

自卸车的底盘车架部分是整个车辆的承载构件，关系整车的安全性及舒适性，因此，在对车架进行轻量化设计时，车架必须具有足够的强度，以克服各种外力条件下对车架的破坏；其次要保证车架具有足够的弯曲刚度及扭转刚度，以确保对各种行驶路面的适应性[6]。

近年来，高强度钢材在汽车底盘上的应用越来越广泛，本设计采用高强度钢材和结构轻量化的集成应用来降低优化前车架的自重。

为保证车辆承载能力不变，经过合理改进，轻量化后的车架依然采用“主车架+副车架”结构形式，如图3所示，其中：1）纵梁材料采用P700L，厚度减薄为8 mm，P700L钢材是攀钢集团针对自卸车研发的新型超高强度大梁钢，其屈服强度达680 MPa，抗拉强度达到750 MPa以上，可大幅度提高车架的安全性能及承载能力；2） 横梁材料采用P560L，横梁及加强连接板的厚度适当减薄1～2 mm；3） 副车架纵梁“[”截面尺寸由140 mm×58 mm×6 mm变为100 mm×55 mm×5 mm，车架高度降低40 mm；4） 举升结构的横梁、加强板及尾部翻转结构都有较大变化，如图4所示，选用的“匚”型材截面尺寸也从128 mm×60 mm×8 mm变为88 mm×60 mm×8 mm，材质由P510代替Q345钢材。

经轻量化设计，车架自重降低为560 kg，自重降低120 kg，降幅达17.6%；同时，由于副车架纵梁高度降低40 mm，因此车架整体重心高度降低40 mm，车辆在行驶过程中更加平稳，安全性及舒适性将明显提高。

3 轻量化前后车架的仿真分析

3.1 有限元建模型

合理的车架有限元模型是进行精确仿真模拟的基础。首先，要建立车架几何模型，然后根据研究的问题情况选择合适的有限元单元，对车架进行网格划分，再对划分好网格的模型定义材料属性及边界条件，经多次重复调整后，就可以得到一个具有可靠精度的车架有限元模型[7-9]。本文采用Solidworks软件建立车架的几何模型，再通过.x-t格式将此模型导入NX Nastran仿真软件，创建有限元模型。

3.1.1 网格划分

网格划分是有限元分析的重要环节，其数量及疏密程度会直接影响仿真結果的精度。考虑到车架的力学特征，将车架模型的纵梁和横梁采用四节点的直边（QUAD4）板壳单元划分，同时选取少量三节点直边（TRIA3）板壳单位进行网格过渡，以确保模型网格质量的合理性。

车架板簧支座、举升支座、货箱翻转支座等零部件则采用三维四面体单元划分网格。

车架各个零部件之间是通过螺栓或铆钉连接的，所以对车架中的各种连接方式的模拟将直接影响其计算结果的可信性。本文对于这些连接关系选用RBE2刚性单元来模拟。RBE2单元是由一组通过使用拉格朗日算法来实现运动学上的约束的多点约束单元组成，可用于模拟两个变形体之间的刚性约束或常在工程实际应用中被用来作为传递力和力矩的刚性组件，如图5所示。

3.1.2 材料属性的定义

对完成网格划分的有限元模型定义材料属性，具体材料常数如表1所示。

车架有限元模型如图6所示。

3.2 仿真分析结果

根据静力等效原则，本研究将货箱及载货量载荷以均布载荷的方式施加在货箱与车架实际接触面积上；将驾驶室（含人）的载荷施加在车架前端四个驾驶室支座安装点上；发动机、油箱等其他零部件载荷以集中载荷的形式施加在相关安装位置，具体载荷情况如表2所示。

弯曲工况是计算汽车在满载、四轮着地时结构强度及刚度的变化情况。一般模拟汽车在平整路面上，且保持高速、匀速行驶时的应力应变变化情况，由于车速较高，惯性较大，因此载荷要乘以动载系数Kd=3[5]。

在此工况下，左前轮约束XYZ方向的移动，右前轮约束XY方向的移动，左后轮约束YZ方向的移动，右后轮约束Y方向的移动，释放四轮各方向上的转动自由度[5]。

弯曲工况仿真结果如图7、图8所示。

从图7可以看出，车架整体受力均匀，没有突变现象，中后部应力较大，为货箱载荷较大所致，与现实相符。轻量化前、后车架最大应力均位于副车架纵梁与前横梁连接处，存在应力集中现象，应注意干涉问题。另外，优化前车架最大应力293.8 MPa，远小于P560L的屈服极限450 MPa，安全系数为1.53；轻量化后车架最大应力450.4 MPa，也远小于P700L的屈服极限680 MPa，安全系数为1.51。因此，轻量化前、后车架在弯曲工况下，均满足设计要求。

从图8可以看出，优化前车架和轻量化后车架的变形均集中在副车架的纵梁上，最大总变形量分别为4.36 mm及5.252 mm。

2）扭转工况

扭转工况是计算汽车在满载状态下，一个车轮骑障或悬空时，车架发生扭转时应力应变变化情况[5]，主要模拟路面状态崎岖不平时车辆行驶状况，车速较低。本研究将强制左前轮升高100 mm，动载系数Kd=1.5[5]。

在此工况下，左前轮强制在Y方向升高100 mm，右前轮约束YZ方向的移动，左后轮约束XY方向的移动，右后轮约束XYZ方向的移动，释放四轮各方向上的转动自由度。

扭转工况仿真结果如图9～10所示。

从图9可以看出，车架左纵梁受力较大，轻量化前、后车架最大应力均位于主车架后轮前板簧支座处。 优化前车架最大应力313.4 MPa，小于P560L的屈服极限450 MPa，安全系数为1.44；轻量化后车架最大应力358.2 MPa，也远小于P700L的屈服极限680 MPa，安全系数为1.90。因此，轻量化前、后车架在扭转工况下，均满足设计要求。

从图10可以看出，由于左前轮被抬起100 mm，车架扭转变形严重，主车架的左纵梁的变形较右纵梁更为明显。而主车架左纵梁的变形量从前向后逐渐减小，到后轴处变形量趋近于0。3）举升工况

举升工况主要计算汽车静止状态下，举升满载货箱时车架的受力情况[10-11]，此时副车架及举升结构是主要受力构件。

经计算，在货箱举升7°时，举升力最大，此时，各部件所受分情况为：油缸举升力F1=320 293 N，与水平夹角36.4°；货箱翻转支座力F2=258 823 N，与水平夹角7.36°，将以上各力分别施加在油缸举升支座及货箱翻转支座处，通过有限元计算得出结果如图11、图12所示。

从图11、12可以看出，货箱举升时，副车架纵梁及举升结构处的应力变化最大，优化前车架最大应力位于举升横梁与副车架纵梁下翼面连接处，为278.8 MPa，小于Q345钢材的屈服应力345 Mpa，安全系数1.24；轻量化车架最大应力位于举升横梁加强板上，为327.5 MPa，小于P510 L材料的屈服强度355 Mpa，安全系数1.10。因此，货箱在举升22 t 时，轻量化前后车架举升结构均不会发生破坏，满足使用要求。

将以上分析结果绘制成表3，可以看出，在弯曲工况下，轻量化车架的安全系数1.51较优化前车架的1.53略有降低，但相差不大，可以忽略，也就是说轻量化车架抗弯性能与优化前车架基本相同；在扭转工况时，轻量化车架的安全系数高达1.90，比优化前车架的1.44有大幅提升，因此，扭转工况下轻量化车架的抗扭性能优于优化前车架；在举升工况下，轻量化车架的安全系数为1.10，略低于优化前车架的1.24，举升机构的安全性能略有降低，这是由于举升横梁的“匚”型材截面尺寸从128 mm×60 mm×8 mm变为88 mm×60 mm×8 mm，材料的抗弯性能降低所致。另外，车架的降重效果也较明显，从680 kg降至560 kg，降幅达17.6%；整体车架重心高度也降低40 mm，行驶更加平稳。

综合考虑以上因素，轻量化后车架的综合性能要优于优化前车架。

4 新工艺的应用

优化前車架的生产占地面积大、使用大型剪板机、数控平板冲压生产线、大吨位油压机、喷丸机等大型设备多，生产工序多，如纵梁的生产工艺主要有：剪板机下料→校平→平板冲孔→板料修形→油压机成形→气割修形→喷丸处理等，工序之间周转时间也较长，生产效率低下，产品尺寸精度也较差。

本研究运用新的成形技术，如辊压技术、三面数控冲孔技术（简称“三面冲技术”）及等离子切割技术等，对车架的生产工艺进行轻量化，提高了车架的生产质量及生产效率，实现了生产的专业化及自动化。

新工艺采用辊压成形制作U型梁毛坯再用“三面冲技术”在毛坯上冲孔，完成后自动转入等离子切割工序，最后转入喷丸处理工序。其中，辊压成形技术变形均匀，可以保证车架纵梁腹面和翼面的垂直精度，是冲孔工序良好的前提；三面冲技术可以保证车架孔位的位置精度及形状精度，为车架装配及使用提供良好基础；等离子切割技术则可以根据不同车架设计要求，在不同位置对车架进行切割，实现柔性生产，同时还可保证切割断面质量，减少打磨工序。四道工序在一条生产流水线上完成，上下料均采用工业机器人进行操作，中间工序的周转也是机器自动转入。

5 结论

本文以某自卸车为例，对优化前车架进行了结构轻量化设计，并通过NX Nastran软件对轻量化前、后的结构进行了仿真分析，结果表明：1）轻量化前、后的车架在弯曲、扭转、举升工况下，均满足使用要求；2）轻量化前、后的车架的各阶振型均符合模态分析的一般规律，车架可靠性较高；3）新成形技术的运用，使得车架的尺寸精度、生产效率大幅提升，实现车架生产的专业化及自动化。

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