某商用车车架轻量化设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.072

某商用车车架轻量化设计

王超，苗永，康孝峰，樊于朝，冶金鑫

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

摘 要：论文基于用户对重卡轻量化的需求，介绍了一种在不影响安全性能情况下的轻量化悬架的设计分析优选方法，确保轻量化悬架在自重轻的情况下满足使用强度满足要求。 关键词：重卡；轻量化车架

中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)21-214-04

A commercial vehicle frame lightweight design

Wang Chao, Miao Yong, Kang Xiaofeng, Fan Yuchao, Ye Jinxin

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract: Based on the user's demand for light weight, this paper introduces a method of design analysis and optimization for light weight suspension without affecting the overall performance, so as to ensure that the strength of one suspension can meet the requirements in the case of light weight. Keywords: heavy-duty truck; Lightweightframe

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)21-214-04

车架一般由左纵梁、右纵梁、首横梁、中间横梁、尾梁

引言

对于商用重型卡车，车架是汽车的载体，承载着动力系统、驾驶室、传动系统、转向系统、上装载货物等。使在保证强度和刚度需求的基础上，降低车架总成的重量，不仅可以减少材料用量降低成本，同时可以提高用户收益，创造经济价值。商用车车架均为钢材，占整车质量比重较大，传统设计为保证承载能力，过于保守导致重量过大。本文基于有限元分析，通过三种设计方案的比对选优的方式，将轻量化作为一个考量指标，综合考虑承载能力可靠性，达到轻量化的目标，同时实现车架的优化设计。

等组成。本文主要从横梁结构形式和连接形式多样性，分析不同结构形式在同等条件下结构强度。

图1 横梁方案说明附图

本为设计三种对比方案，其中纵梁总成首横梁、尾梁、变速器盆梁设计方案一致，盆梁后第一、第二、第三、第四横梁设计方案不同，横梁结构形式、规格、材质等参数见图1。

车架总成由不同结构形式的横梁在同等位置布置，布置方案可见图2。

方案一：采用四根横梁一（法兰管梁焊接）结构； 方案二：采用两根横梁一+两根槽型横梁结构； 方案三：采用四根槽型横梁结构。

1 车架总成轻量化设计CAE分析

1.1 设计方案说明

作者简介：王超，毕业于吉林大学车辆工程专业，本科生学历，现就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，从事产品设计与技术管理工作。

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王超 等：某商用车车架轻量化设计

图2 车架总成方案说明附图

1.2 数据准备

车架各部件材质、性能参数、不同受力状态下的强度见表1和2，整车载荷质量、重心位置见表3。

表1 车架各部位材质及性能参数

表2 材质力学性能参数

1.3 分析工况定义

车架对汽车的各个构件起着重要的承载作用，它对汽车整体的安全重要性尤为关键，作为重要的承载体，这就需要车架不仅有足够大的强度，还需要有足够大刚度。在行驶时汽车所受的工况比较复杂，车架在汽车行驶过程中承受复杂载荷，主要分为弯曲载荷、扭转载荷、侧向载荷和纵向载荷，根据载荷条件我们设定四种工况，垂直冲击工况、转弯工况、车架扭转工况、制动工况。

对于本文中的车架类型，动力总成及满载时的总质量为18吨，将这部分总质量以集中载荷的方式加到0-7000mm范围内，这样就完成了对整个车架的全部加载，具体工况定义

和载荷条件见表4。根据车辆运行工况、台架性能试验数据、路谱数据采集，以及综合市场各部件质量反馈情况。

表3 车架各总成质量及质心

表4 工况定义和载荷条件

1.4 静强度分析

对三种方案在四种不同工况下加载对比分析，对总成结构进行比对校核。

1.4.1 垂直冲击载荷下的有限元分析

汽车满载状态下在良好的路面行驶，所有车轮着地。车架承受路面反作用力，车架在保证足够承载条件下，还应保证变形不会太大，否则易造成车架的扭曲。为消除刚体位移的影响，不同的工况设定不同自由度。

垂直冲击工况加载方式和载荷分布见图3，在Z向重力加载3.5g。

约束条件：

1轮左端自由度DOF(13) = 0mm，2轮左端自由度DOF(3) = 0mm。

1轮右端自由度DOF(123)= 0mm，2轮右端自由度DOF(3)= 0mm。

图3 垂直冲击加载方式和载荷分布

三种方案车架总成分析对比结果见图4，方案一在第一

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汽车实用技术

横梁、第三横梁和第四横梁处出现明显的应力较大区域，静态安全因子1.28.方案二在第一横梁和第四横梁出现应力较大区域，静态安全因子1.46。方案三在第四横梁处应力较大，静态安全因子1.52。均满足设计运行条件。垂直冲击加载工况下，车架各部位应力较大区域主要在纵梁与横梁连接部位、车辆在行驶过程中由于路面不平整，在遇到凸包或凹坑路面时，会产生一侧轮胎处于抬起状态，而另一侧处于悬空状态，从而对车架造成剧烈的扭转。

板簧支架螺栓连接部位。车架两侧应力集中区相近，说明加载在车架的分布较理想。

图4 垂直冲击整体分析

1.4.2 转弯工况载荷下的有限元分析

车辆在行驶过程中急转弯时遇到障碍物或者路面凹凸不平的工况时，会使车轮并不在同一平面上，由于载荷力的分布不均，在非对称支撑条件下，车辆会收到扭转载荷的影响，这种工况容易使得车架结构收到破坏，因此该类型工况对车架刚度相对于其他工况下刚度的要求要高很多，本章通过加速度的方式施加载荷模拟转弯工况。

转弯工况加载方式见图5，Z向重力加速度1g；Y向0.6g加速度。

约束条件：

1轮左端自由度DOF(13) = 0 mm ，2轮左端自由度DOF(3) = 0 mm； 1轮右端自由度DOF(3) = 0 mm ，2轮右端自由度DOF(3) = 0 mm；

连接左、右侧车轮的弹簧另一端自由度（2）=0 mm。

图5 转弯工况加载和载荷分布

三种方案车架总成分析对比结果见图6，方案一在第一横梁、第三横梁和第四横梁处出现明显的应力较大区域，静态安全因子1.44.方案二在第一横梁和第四横梁出现应力较大区域，静态安全因子1.79。方案三在第四横梁处应力较大，静态安全因子1.72。

1.4.3 扭转工况载荷下的有限元分析

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图6 转弯工况整体分析

扭转工况加载方式见图7，Z向重力加速度1g，对角太高300mm。

约束条件：

1轮左端自由度DOF(13)=300mm，3轮左端自由度DOF

(3)=0mm；

1轮右端自由度DOF(123)=0mm，3轮右端自由度DOF(3) = 300mm。

图7 扭转工况加载和载荷分布

三种方案车架总成分析对比结果见图8，车架由于非对称性支撑产生扭转，应力较大区域主要集中在盆梁区域。主要原因在于整车布置条件的限制，在车架前端承载抗扭载荷只有首横梁和盆梁，两个部件之间距离较大，且此区域承载

动力总成发动机、变速器运转产生的震动载荷和驾驶室抖动冲击载荷。扭转工况下此区域受力复杂，重点在于如何设计首横梁和盆梁的结构和相对位置关系。三种方案总体应力分布一致，安全因子均在1.22左右，均能满足承载要求。

图8 扭转工况整体分析

1.4.4 制动工况载荷下的有限元分析

车辆在正常行驶过程中通常会出现加速或者减速的情况，由于车架在加减速的一瞬间仍然保持原有的速度在前进，这种情况下就会出现一个惯性力，从而使车辆在运行的方向

王超 等：某商用车车架轻量化设计

上收到一个纵向的载荷影响。制动工况主要考虑的车辆制动瞬间冲击载荷对车架结构产生的影响，通过载荷和约束条件转化为静力结构模拟动态工况。

制动工况加载方式和载荷分布见图9，加载载荷X方向1g，Z方向1g。

约束条件：

1,2轮左端自由度DOF(123 ) =0mm， 1,2轮右端自由度DOF(13) =0mm 。

图9 制动工况加载条件和载荷分布

图10 制动工况整体分析

三种方案车架总成分析对比结果见图10，方案一在第一横梁和第三横梁之间纵梁处出现明显的应力较大区域，静态

安全因子1.42以上。在X方向加载1g的制动力，车架主要承载由地面摩擦传递至板簧支架扭转力矩。在横梁与纵梁连接处对产生位移，在各部件分析时重点关注此区域。

对三种方案纵梁对比分析见图4.43，应力较大区域均在第一横梁与第三横梁之间纵梁下平面区域，静态应力安全因子均在1.4以上。

通过四种工况对三个方案进行比对分析可知均满足使用要求，对比轻量化指标，方案一较方案二轻15kg，较方案三轻30kg，从而可得出方案一为轻量化优选方案。

2 总结

本文重点对车架总成轻量化优选设计方法进行论述，并

通过有限元法对不同满足设计强度需求的方案进行不同工况条件下的校核分析，从而优选出最优的轻量化设计方案，达到很好的降重效果。

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