客车底盘车架有限元分析

2020-06-23梁洪明王靖岳

机械工程与自动化 2020年3期

梁洪明,王靖岳,徐磊

(1.中国质量认证中心沈阳分中心,辽宁沈阳 110013;2.沈阳理工大学汽车与交通学院,辽宁沈阳 110159;3.宁波华翔特雷姆汽车饰件有限公司,浙江宁波 315722)

0 引言

客车底盘车架是底盘中关键的承载部件，不仅承受各个总成的质量和有效载荷，还要承担汽车行驶时产生的各种力和力矩[1]。客车设计研发部门必需具备快速开发响应能力以满足不同客户的要求，不断进行设计创新[2]，因此，现代CAD/CAE设计方法对于设计工程师来说十分重要。孙斌等对某款纯电动客车底架进行了两轮拓扑优化，根据优化结果进行底架拓扑结构设计，并对比了底架拓扑优化设计前、后的刚度性能和轻量化情况[3]。任可美等对12 m纯电动城市客车的底盘车架进行了有限元分析并进行了参数优化，可减重9.55%[4]。赵东伟等将组合近似模型用于车架轻量化设计，以提高车架的强度并实现车架轻量化目标[5]。

本文以三维参数化CAD设计软件CATIA为平台建立了某三段式客车底盘车架的三维模型，再导入ANSYS Workbench系统中，计算了底盘车架的前6阶固有频率，分析了其在弯曲、扭转、紧急制动、急转弯4种工况下的应力和变形，结果可为底盘车架结构优化和轻量化设计提供参考。

1 底盘车架三维模型的建立

为了建立精确的车身骨架模型，必须对模型进行相应简化。底盘车架总体建模原则[6-8]如下：

(1) 对于某些为方便使用和辅助承载而设置的构件，如侧围、走道、底架等小连接件，由于对整车的变形和应力分布影响较小，可忽略不计。

(2) 将客车骨架中部分的弯曲梁直化处理。

(3) 不考虑铆钉的预应力及焊接应力等。

(4) 忽略对车架刚度和强度影响不大的孔和倒角。

(5) 对于两根同向焊接梁，将其视为一根梁来简化。

将建好的三维模型保存为*.stp格式。

2 有限元分析

2.1 模态分析

将已建立的底盘车架三维模型导入，选择model分析模块。车架采用B510L1汽车大梁专用钢，其弹性模量为2×105MPa、泊松比为0.3、密度为7 830 kg/m3、屈服强度为355 MPa、抗拉强度为510 MPa～610 MPa。然后选择Mesh，激活网格尺寸命令Siting，选择整个车架实体，并指定网格尺寸为20 mm，进行网格划分。由于低阶振型对结构的动态特性影响程度比高阶振型大，高阶频率对结构的动力性影响很小[9]，因此只取前6阶振型，如图1所示。由图1可知，前5阶主要是底盘中段的弯曲和扭转振动，第6阶主要是底盘后段的弯曲振动。底盘车架的前6阶固有频率如表1所示。

由表1可以看出，该车架前6阶固有频率分布在26 Hz～55 Hz。由于车架的激振源一般来源于路面与发动机，路面的激振频率一般为1 Hz～20 Hz，非簧载质量的固有频率一般为6 Hz～15 Hz。该车装配上海日野J08E-US发动机，怠速为550 r/min时引起的激振频率为18.3 Hz，此激励分量较大；城市中车速一般控制在50 km/h～80 km/h，此时传动轴不平衡引起的振动频率范围为33 Hz～68 Hz[10]，此激励分量较小[11]。底盘车架的动态优化设计要求底盘车架的固有频率错开激振频率。为防止第1阶弯曲模态和第1阶扭转模态的耦合效应，该底盘车架的第1阶固有频率应控制在13 Hz～33 Hz之间，而该底盘车架的第1阶固有频率为26.883 Hz，因此该车架符合设计要求。

表1 底盘车架的前6阶固有频率

2.2 应力和变形分析

选择Static structural分析模块，导入已建立的底盘车架三维模型。材料选择如2.1中所述。选择mesh，激活网格尺寸命令Siting，选择整个车架实体，并指定网格尺寸为20 mm，进行网格划分，得到125 911个节点、57 115个单元。底盘骨架承受的载荷主要来自发动机、变速器、油箱、乘客质量、行李质量、空调质量等。该客车满载时的载荷质量如表2所示。车架结构上的集中质量根据其质心位置以及与车架之间的连接部分分别加载在相应的节点上，乘客质量和行李载荷等均匀分布到车架相应的梁上。

表2 客车满载质量

现分别选取弯曲、扭转、紧急制动、急转弯4种工况对车架结构进行有限元分析。

2.2.1 弯曲工况

根据GB/T 6792—2009《客车车身骨架应力、变形测量方法》，弯曲工况主要是对客车满载状态下、在良好路面上匀速直线行驶时或静态下的应力分布和变形情况进行分析。根据以上规则将悬架弹簧与车架连接点6个方向自由度全部约束，得出的应力和位移云图如图2和图3所示。

2.2.2 扭转工况

扭转工况主要考虑一个车轮悬空，这是最严重的一种工况。此种扭转工况下的动载在时间上变化得较缓慢，其扭转特性可以近似地看作是静态的。根据以上规则去掉左前轮的约束，得出的应力和位移云图如图4和图5所示。

2.2.3 紧急制动工况

紧急制动工况主要考虑当客车以最大制动减速度0.8g制动时，地面制动力对车架的影响。由于该客车采用的是空气悬架，空气弹簧仅能承受垂向力，而纵向力和横向力必须通过拉杆传递到车架上，因此拉杆及拉杆座将承受较大的拉压载荷，必须有足够的强度。根据以上规则将4个车轮的6个方向自由度全部约束，在Z轴方向上附加-0.8g的惯性力，得出的应力和位移云图如图6和图7所示。

2.2.4急转弯工况

急转弯工况主要考虑当客车以最大转向加速度0.4g转弯时惯性力对车架的影响，与紧急制动工况类似。根据以上规则去掉底架一侧X方向位移约束，在Y轴方向上附加0.4g的离心力，得出的应力和位移云图如图8和图9所示。

为了便于观察底盘车架各部分的应力和位移，将底盘车架分为七大部分：前纵梁、中纵梁、后纵梁、行李架、前横梁、中横梁和后横梁。4种工况下车身各个部分的最大应力和位移如表3所示。在4种工况下底盘车架的最大应力出现在后纵梁处，最大应力值为351.22 MPa，小于许用屈服应力355 MPa。由于计算时使用的是极限工况，所以计算结果满足设计要求。