商用车车架弯曲刚度研究

郝丽丽 张作功 崔震 王乾勋 刘威峰 秦国亮

摘 要：商用车由于使用用途、承载等设计参数的不同，再考虑到成本、重量等因素，车架的弯曲刚度要与设计目的匹配在一定的合理范围内，文章针对这一“合理范围”进行研究讨论。从梁的弯曲理论，到实际车架的弯曲刚度理论推导及有限元方法边界条件的验证，最后讨论了“轴距-弯曲刚度”及“整备质量-弯曲刚度”统计图的应用。结果表明，目前应用的车架有限元弯曲刚度计算的边界条件是合理的，通过对不同车型的车架弯曲刚度进行有限元分析结果的数据统计形成“轴距-弯曲刚度”及“整备质量-弯曲刚度”图，能够形成整车设计指标数据，为车架前期设计提供数据支持。

关键词：商用车;车架;弯曲刚度;轴距;整备质量

中图分类号：U463.32  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-68-04

Abstract： Because of the difference of commercial vehicles design parameters such as uses and load capacity etc.， also considering other factors such as the cost and weight etc.， the bending stiffness of frame should match the design purpose within a certain reasonable range. This paper is focused on “the reasonable range”. Based on the beam bending stiffness theory， research work has been done on the bending stiffness theoretical derivation of actual frame and verification of boundary conditions of finite element analysis method. At last the application of statistical chart about “wheelbase - bending stiffness” and “curb weight - bending stiffness” are discussed. The result shows that current boundary conditions of bending stiffness calculation using finite element method are reasonable. Statistical data about frame bending stiffness is very important. The charts discussed before can guide the vehicle design performance data， also can provide support on frame innovation design.

Keywords： Commercial vehicle; Frame; Bending stiffness; Wheelbase; Curb weight

CLC NO.： U463.32  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-68-04

前言

商用車车架连接着驾驶室、发动机、变速器等总成，并承受着所载货箱的全部载荷质量[1-2]，同时传递来自复杂路面和发动机的激励，所以商用车的车架是商用车的“脊梁”[3-4]。因此，车架设计在商用车总体设计中非常重要。车架要有足够的强度和刚度满足使用要求[5-6]，其中车架要有足够的弯曲刚度以保证商用车在各个复杂的工况下的整车工作。因此很多学者对商用车车架进行了一系列的研究。Kim. H. S 等人[7]对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论。Ao K，Niiyama J等人[8]对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍。万国睿等人[9]对多功能电动车车底架进行工况下静力和模态分析。包中良[10]对商用车车架结构弯曲、扭转两种典型工况的车架静态强度、刚度进行了计算和分析。以上学者对车架进行了大量的研究，但是缺乏对车架弯曲刚度边界条件验证和车架轴距与弯曲刚度匹配关系的研究。

本文首先讨论了梁的弯曲理论，利用有限元分析验证了边界条件简化的合理性，并将边界条件简化的经验应用到实际商用车车架的有限元分析中，最后讨论了“轴距-弯曲刚度”统计图的应用。结果表明，目前应用的车架有限元弯曲刚度计算的边界条件是合理的，通过对不同车型的车架弯曲刚度进行有限元分析结果的数据统计形成“轴距-弯曲刚度”图，能够形成整车设计指标数据，为车架前期设计提供数据支持。

1 梁的弯曲刚度理论

车架是左右对称结构，从纵向看，可以将车架简化为一个等截面的梁，由于梁是简单结构，其刚度很容易得到[11-12]。图1所示为均布自重下的梁一阶弯曲模型。其一阶弯曲频率和它的长度、抗弯刚度、整备质量有关。

3 商用车车架弯曲刚度建模

将商用车车架三维模型导入有限元分析软件，对商用车车架进行有限元建模，网格尺寸为10mm×10mm。

车架的主体材料为510L，且为线性分析，因此材料的属性定义为钢材，材料的弹性模量为2.1×105MPa，密度为7.9×10-9t/mm3，泊松比为0.3。

边界条件：在纵梁腹面的前轴处左侧约束侧向、垂向平动自由度DOF（2，3），右侧约束垂向的平动自由度DOF（3）。纵梁腹面的后轴处左侧约束三个方向的平动自由度DOF（1，2，3），右侧约束垂向平动自由度DOF（3）。

车架纵梁左侧的边界条件与简支梁的边界条件一致，前边约束了侧向、垂向平动自由度DOF（2，3），后边约束了三个方向的平动自由度DOF（1，2，3），车架右纵梁前后均约束了垂向平动自由度。因此车架的边界条件符合理论验证的边界条件。

载荷根据实际情况，车架所承受的载荷主要来自载重和货厢的自重，并且是均布在车架的中后部，所以以垫木长度为载荷施加的区域，将载重和货厢自重均布在车架上。如图8所示。

从左前方投影得到整备质量与弯曲刚度的散点图，如图12所示，并对其进行线性拟合得到趋势线，同理，若上下浮动10000N/mm得到相对比较宽泛的范围区间，其中83.4%的车架刚度在此范围区间，若上下浮动5000N/mm得到弯曲刚度的范围区间，其中有55%的车架刚度在此范围区间。同样，设计人员在具有整车质量的情况下可先预测弯曲刚度的范围区间。车架轴距、整备质量与弯曲刚度的统计图可以为后续新车型开发时车架设计提供参考。

通过以上图表统计数据，可以发现商用车车架的弯曲刚度与轴距与整备质量之间存在一定的关系，需要结合可靠性、耐久性试验数据，得到不断优化的车架质量、弯曲刚度，即在保证弯曲刚度的条件下，得到最优的车架设计质量。这些图表需要长期的经验数据积累和不断完善，才能保证设计的车架自重不过剩，又能满足各项性能的要求。为保密起见，上述数据点经过了些许修正，该方法提供一种有效的设计参数经验总结思路。

5 结论

以简化车架为研究对象，通过理论推导与有限元相互验证确定了约束条件的合理性，并将其约束条件应用到实际商用车车架弯曲刚度计算中。将60多个车架的弯曲刚度数据积累并建立数据库，通过线性拟合得到车架轴距、整备质量与弯曲刚度的统计图，可为设计人员在新车型开发时确定合理目标值提供数据参考。

参考文献

[1] 陈家瑞，马天飞.汽车构造 [M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 王超，苗永，康孝峰， et al.某商用车车架轻量化设计[J].汽车实用技术， 2018， 276（21）： 222-225.

[3] Jian-Min S， Biao X U. Frame of Commercial Vehicle Standardization Development and Application[J].Auto Mobile Science & Technol -ogy， 2009.

[4] 凯墨尔.现代汽车结构分析[M].北京：人民交通出版社，1987.

[5] 张德伟，孔雪，唐强，et al.铝合金车架性能分析[J].热处理技术与装备， 2018， 39（05）： 68-72.

[6] Da Silva M M， Costa Neto A.Handling analysis of a light com -mercial vehicle considering the frame flexibility[J]. International Review of Mechanical Engineering， 2007.

[7] Kim H S， Huh H. Vehicle structural collapse analysis using a finite element limit method[J]. International Journal of Vehicle Design， 1999，21（4/5）： 436.

[8] Ao K， Niiyama J， Matsui T. Analysis of torsional stiffness share rate of truck frame[J].Technical Paper Series， 1991： 18-21.

[9] 萬国睿，琚立颖，龙海洋.多功能电动车车架静态及模态分析[J].机械工程与自动化（4期）： 90-91.

[10] 包中良.某商用车车架结构有限元分析及试验研究[D].重庆：重庆大学， 2016.

[11] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京：机械工业出版社，2015.

[12] 钟明辉.变截面梁单元开发及其在客车骨架轻量化中的应用[D]. 吉林：吉林大学，2017.