基于轻量化的重型卡车车架结构优化设计

摘要：车架支撑着变速器、发动机、转向器、离合器货箱等各类部件，是重型车辆核心组成部件，承受来自于部件的力矩和各种力。基于此，系统性探究重型卡车车架结构存在的问题和车架优化设计流程，并利用有限元分析法综合网格划分和车架模型、荷载和边界条件、有限元分析计算及结果探究车架断裂形成的原因，深度分析基于有限元分析法的整体车架轻量化设计方案并提出优化措施。通过研究，旨在为实现重型卡车车架轻量化设计提供支持，并获取良好经济效益。

关键词：轻量化；重型卡车；车架结构

中图分类号：U469 收稿日期：2024-03-01

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.009

1 前言

在部分产业建设和行业发展中，重型卡车作为重要运输工具，可为提高生产效力和生产进度发挥积极作用。高效设计与使用重型卡车，可在一定程度上保障生产经济效益，维护环境可持续发展能力。调查与分析国内重型卡车数据得知，在其生产期间多牺牲车辆稳定的性能和成本，通过加厚其车辆整体，以保证车辆运行稳定，进一步加强车辆使用耐久性。但是，这种处理方式的弊端是较为显著的，重型卡车在行驶期间，其成本增加、油耗偏高，增加驾驶员负担[1]。所以，基于重型卡车整体车架结构采取优化措施，使其轻量化，可在一定程度上降低能源资源消耗，缓解轮胎磨损。

2 重型卡车车架存在的问题

综合式车架、中梁式车架、边梁式车架是重型卡车三种常见的结构类型，一般情况下，车辆多使用边梁式结构，旨在保证横梁和纵梁良好地承担起纵向荷载、扭转刚度和承载能力。重型卡车车架作为车辆的核心承载部件，其结构的稳定性和耐久性对于车辆的整体性能和使用寿命具有决定性的影响。

在我国，双层大梁车架结构在重型卡车中得到了广泛的应用，但实际应用中，这种结构也暴露出了一些问题。由于建筑行业的施工环境多变和路况的复杂性，重型卡车经常面临各种严峻的挑战[2]。在这样的工作环境下，传统的双层大梁车架往往在使用四个月左右就开始出现裂纹，严重时甚至发生断裂，威胁司机和周边工作人员的人身安全构，增加企业的维修和更换成本，影响了经济效益。

导致这一问题的主要原因之一是热轧钢板成型的双层大梁表面不够光滑，而且铆接内外层大梁折边圆角处存在缝隙。在载荷作用下，如果内外大梁的贴合不够紧密，很容易出现滑移现象。这样一来，铆接孔位置将承受超出其设计承受能力的应力，长期下来必然引发安全隐患。

3 重型卡车车架优化设计流程

在启动重型卡车的轻量化设计项目之前，首先清晰设定设计目标，聚焦于降低车架重量、提升燃油经济性，以保障车架强度不受损害。为了实现目标，必须全面而深入地收集技术资料，包括对车架现有结构的详细了解、掌握可用的先进材料及其性能特点，以及熟悉当前和潜在的制造工艺。仅仅有了明确的目标和充分的数据支持还不够，还必须组建跨专业的设计团队，汇集结构工程师、材料工程师和制造工艺师等多领域的专家，有效推进轻量化设计工作在各个层面展开。团队整合各方的专业知识和经验，共同探索创新的设计方案，从而在保持车架强度的前提下，实现重量的降低和燃油经济性的提升[3]。

在重型卡车轻量化车架的设计过程中，结构拓扑优化是一项关键技术，综合运用拓扑优化技术，初步优车架结构化，明确车架的基本形状和主要承载路径，为后续的设计工作提供重要的基础。同时，材料的选择也是轻量化设计中不可忽视的一环，根据设计要求选择高强度钢和铝合金等高强度、轻量化的材料，基于其优异的力学性能，满足车架的承载要求，降低车架的重量。在选择材料时，还需综合考虑材料的可加工性和成本因素，通过规划合适的制造工艺，如激光切割、焊接、热处理等，提升车架的制造精度和质量，同时加强生产效率和降低成本。因此，在重型卡车轻量化车架的设计中，结构拓扑优化、材料选择和制造工艺规划是相互关联、不可或缺的关键步骤[4]。

4 基于有限元分析法探索车架断裂原因

4.1 网格划分与车架模型构建

严格按照计算工况结果，在构建完成的模型上增加荷载和约束，为保证有限元模型设计与应用效果，可使用ANSYS软件展开静态分析，模拟出车架的基本情况。比如，在设计承载能力为30 t的车架期间，模拟的弯曲工况和弯扭组合工况如图1和图2所示。

基于图1和图2的显示结果得知，处于弯曲工况状态的车架，其大应力区基本为下联接板和车架联接处以及车架与平衡轴联接过渡位置。在弯扭组合工况下，重型车的车架应力在分布的时候呈现出不均匀状态，测量得到其多分布在下联接板与车架联接位置、车架和平衡轴联接的过渡位置、横梁下片和下翼面联接位置。上述几处大应力区位置，基本与重型车运行环节中的车架破坏位置相符合[5]。

在重型车辆行驶过程中，弯扭组合工况是危险性相对较高的工况，在表1中，简单罗列出此工况下四个大应力区域范围内的最大等效应力值。

基于表1数据分析结果，部分位置的应力已经比材料屈服极限值超出很多，车架的强度不足。

4.2 荷载和边界条件

载荷施加是模拟车架实际受力情况的关键步骤，基于合理的载荷施加，较为准确地预测车架在不同工况下的应力分布和变形情况，进而评估其结构强度和刚度是否满足设计要求，同时也是优化车架结构和提高材料利用率的重要依据。

为了提高重型卡车车架设计的准确性和安全性，必须深入分析其在实际工作中的受力情况，并在模型中精确施加相应的载荷和约束。首先，自重载荷的施加是不可或缺的，通过相关软件，根据车架的实际自重定义材料的密度，从而自动计算并施加自重载荷，模拟了车架在静止状态下的受力情况，为后续分析提供了基础。除了自重载荷，重型卡车出厂时附带油箱、备胎等各种附件，也会对车架产生额外载荷，附件的重量和固定位置需要被准确测量，并在车架模型上相应位置施加等效载荷，真实反映实际工况下车架的受力情况。

在实际运输过程中，货物的分布对车架受力也有显著影响，根据实际运输需求，按照均匀分布的原则，将货物重量合理分布在车架纵梁，考虑车厢在车架上的具体位置和货物的实际分布情况，保证模型能够准确模拟实际运输过程中的受力情况。参照板簧固定的实际位置，对车架模型的相应节点进行约束，并且在不同实验条件下，节点释放的自由程度会有所区别，按照具体情况作出灵活调整。

4.3 有限元分析计算及结果

重型车辆的车架几何结构总体上较为复杂，在分析构建的模型环节中，设计人员可适当性地忽略过渡圆角和装配用孔，减少设计与分析难度，且不会对结构分析的结果产生显著影响。在模拟分析期间，为保证效果，设计人员可选择使用壳单元SHELL 63，定义单元的尺寸值为25 mm。功能划分期间，需使用ANSYS自适应网路完成，并对划分最终结果的稳定性予以判断，局部细化处理潜在的畸形单元。使用Merge功能将重合位置的节点消除干净，在完成处理后得到的车架有限元模型总节点数为45 832个，单元总数是44 632个。

悬架位置的有限元模拟综合MPC184和COMBIN 14实现，使用耦合自由度办法对后悬架平衡轴结构予以模拟连接，得到的有限元模型如图3所示。

5 基于有限元分析的整体车架轻量化设计与优化

5.1 横梁优化设计

重型卡车车型的四至八横梁在设计与制作期间，均采用对接箱型横梁完成，具有相同的结构，所以在优化横梁期间，可将其自身的重量适当性的降低，进而降低整个车辆的重量。按照有限元模型筛选出7个变量值，构建第四横梁优化模型。通过迭代处理得到设计变量的结果并圆整处理，重新分析。

5.2 改进后的车架有限元分析

设计变量的选择和制定是以模型为依据而展开的，不同方案的质量降低的百分比获得相对较好的方案并圆整处理，如表3所示。

6 结语

基于轻量化角度对重型卡车车架结构进行优化设计，是汽车工业持续追求的目标。通过先进的材料选择，如高强度钢和铝合金，结合拓扑优化技术，可在确保车架刚度和强度的同时，显著降低其重量，提升卡车的燃油经济性和减少排放，改善车辆的操控性和动力性能。在实现轻量化的过程中，利用先进的仿真技术和实验验证手段有利于设计的可靠性和安全性，随着新材料、新工艺和智能制造技术的不断发展，重型卡车车架的轻量化设计将迎来更多创新突破，为推动汽车产业的绿色、可持续发展贡献力量。

参考文献：

[1]王硕，付凯强，冯磊，等.重卡车架制造工艺发展趋势解析[J].汽车实用技术，2023，48（14）：144-148.

[2]凡次永，王希武，张洪，等.节能与新能源驱动下商用车车架纵梁结构和工艺分析[J].锻压装备与制造技术，2023，58（2）：58-63.

[3]赵毫杰.基于灵敏度分析的纯电动无人集运车车架轻量化研究[D].盐城：盐城工学院，2023.

[4]杨锐淇.基于多目标优化的无人观光车车架轻量化研究[D].盐城：盐城工学院，2023.

[5]夏悦祥.9.6米厢式货车铝合金车厢轻量化设计及优化[D].兰州：兰州理工大学，2023.

作者简介：

韦黎刚，男，1986年生，工程师，研究方向为商用车整车设计、商用车动力匹配设计、整车轻量化应用等。