張超，胡葳（.重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 40；.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 3006）

客車底盤車架結(jié)構(gòu)力學特性分析與優(yōu)化

張超1，胡葳2
（1.重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162）

以某6112型客車底盤車架為研究對象，采用仿真軟件相結(jié)合的方式建模、求解，分析車架在水平彎曲、極限彎扭、緊急制動、急轉(zhuǎn)彎等四種典型工況下的剛度和強度，并對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。結(jié)果表明，該客車底盤車架的綜合力學特性得到顯著提高，為進一步優(yōu)化提供理論參考。

車架；剛度；強度；結(jié)構(gòu)分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.015

CLC NO.: U461.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-40-03

引言

底盤車架作為客車承載的重要基體，支撐著發(fā)動機、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器等簧上質(zhì)量的有關部件，并由懸架裝置、前橋、后橋支承位于車輪之上。其結(jié)構(gòu)承受著各種力和力矩，受力非常復雜。車架結(jié)構(gòu)的好壞及載荷分配是否合理直接決定客車結(jié)構(gòu)設計成功與否。因此，客車底盤車架結(jié)構(gòu)分析具有重要研究價值。

本文以某6112型客車為研究對象，采用三維與有限元軟件建模，通過NASTRAN求解器，分析車架在水平彎曲、極限彎扭、緊急制動、緊急轉(zhuǎn)彎等四種典型工況下的剛度和強度，并對該客車車身骨架結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析。得出車身不同工況的受力情況，分析并提出改進建議，為進一步優(yōu)化提供理論參考。

1、基礎理論

從結(jié)構(gòu)力學的觀點看，車架結(jié)構(gòu)是一個高次超靜定的復雜空間殼系結(jié)構(gòu)。作為承載式車架結(jié)構(gòu)的主要承載件的汽車車架不僅要承受發(fā)動機、乘員的重量，而且還要承受汽車行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩的作用。汽車在行駛過程中，要經(jīng)過水平彎曲、極限彎扭、緊急制動、急轉(zhuǎn)彎等各種路面工況。

（1）水平彎曲

勻速直線行駛時車身受載與靜彎曲工況相同，靜彎曲工況計算主要是對客車滿載狀態(tài)下，四輪著地時的結(jié)構(gòu)靜強度進行校核，主要模擬客車在良好路面下勻速直線行駛時的應力分布和變形情況。滿載靜彎曲分析是車身結(jié)構(gòu)處于正常靜態(tài)受力狀態(tài)時的工作狀況，在整體結(jié)構(gòu)強度分析中最常見、最基礎的分析部分，可以比較全面地反映出車輛在一般工況下的應變與應力狀態(tài)。

靜態(tài)完全工況，主要進行客車在靜態(tài)滿載時底盤車架的抗彎剛度和強度分析（車身自重和載荷乘以 2-2.5倍的動載荷系數(shù)，模擬客車在水平路面以較高車速行駛時的動載荷）。

（2）極限彎扭

客車行駛的路況較為復雜多變，而其中扭曲路面對剛度與強度的要求最高。研究這類工況對客車剛度和強度的影響對于結(jié)構(gòu)設計具有指導性的意義。當客車在扭曲路面行駛或一輪跳坑的時候，車速很低，所以在這樣的工況下，底架受到的動載荷隨時間變化比較緩慢，慣性載荷相對很小。因此，這樣的工況下，客車的彎、扭特性可以視同靜態(tài)。

靜態(tài)扭轉(zhuǎn)的分析結(jié)果可以反映出底架的實際強度。為了說明問題，選擇極端的工況——滿載情況下一輪懸空來分析車輛的抗扭強度與剛度。通過左右懸空工況，研究客車以相對低速通過凹凸不平路面時的抗彎扭強度和剛度，其反應了車身結(jié)構(gòu)的實際最大靜態(tài)強度問題（車身自重和載荷乘以1.2倍的動載荷系數(shù)）。

（3）緊急制動

客車緊急制動時，由于客車的自重與載重較大，地面制動力對車身會產(chǎn)生較大的慣性力，車身在慣性力的作用下會產(chǎn)生較大的變形，必須加以計算。

設定客車行駛時速為40km/h，制動距離為8m，則最大制動加速度為-7.72×103m/s2，按此加速度在模型上施加整體所受的載荷及在制動方向上的作用力（慣性力）。即除了集中載荷同彎曲工況外，在x方向上還要附加-0.7g的慣性力。

（4）緊急轉(zhuǎn)彎

急轉(zhuǎn)彎工況主要考慮當客車以最大轉(zhuǎn)向加速度0.4g轉(zhuǎn)彎時，慣性力對車身的影響。除了集中載荷同彎曲工況外，在y方向上還要附加0.4g的離心力，該工況下放松一側(cè)y方向的位移約束作為約束條件。

2、研究實例

2.1模型建立

利用UG軟件進行車架零部件的CAD建模，采用構(gòu)件裝配方法建立車架三維模型；通過UG輸出接口，將三維模型轉(zhuǎn)化為igs格式，結(jié)合前處理工具建立某6112型客車底盤車架的有限元模型。由于底盤車架的縱梁、加強梁、橫梁和橫梁連接板均由薄板沖壓成型，為板殼結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時，由殼體厚度中點構(gòu)成的中曲面構(gòu)成模型，即采用殼單元來模擬。車架材料的楊氏模量為 2.Lx105MPa，泊松比0.3，密度為7.85x103kg/m3。

發(fā)動機、變速箱、散熱器與中冷器、油箱、蓄電池、空氣濾清器、消聲器及排氣管、方向機、儲氣筒等部件在車架強度分析中視為剛體，簡化為一個質(zhì)量點，用 Mass單元來模擬，質(zhì)量點與支架的連接采用梁單元來模擬。對于縱梁、加強梁、橫梁之間的連接件鉚釘，采用梁單元來模擬，因為鉚釘在車架的變形中承受著剪切和拉壓變形，而梁單元可以真實地反映出鉚釘?shù)睦瓑汉图羟凶冃?。對焊接位置，可采用?jié)點對應耦合或主從耦合方式建立。

有限元分析過程中，必須保證有足夠的約束條件，以消除車輛整體的剛性位移及求解車架上各點的位移和應力。

圖1　車架模型

2.2力學特性分析

客車行駛工況比較復雜，與結(jié)構(gòu)強度有直接關系的主要是彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況，“汽車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗規(guī)程”規(guī)定：樣車必須以一定車速，在各種道路上行駛一定里程。典型路面主要包括高速道路、一般道路、彎道行駛，行駛時會出現(xiàn)靜彎曲、彎扭聯(lián)合、緊急制動、緊急轉(zhuǎn)彎等情況。計算分析時，應對可能出現(xiàn)的各種工況均予以考慮，這樣才可能確定結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求，以進一步進行改進設計。

（1）水平彎曲

最大應力出現(xiàn)在客車后空氣彈簧支撐外伸粱與后段車架橫梁連接處，最大應力值為192.9Mpa。

（2）極限彎扭

彎扭極限工況下，客車后空氣彈簧支撐外伸粱與后段車架橫梁連接處出現(xiàn)最大應力值為195.2Mpa。

（3）緊急制動

緊急制動工況下，客車后空氣彈簧支撐外伸粱與后段車架橫梁連接處，最大應力值為206.1Mpa。

圖2　水平彎曲工況

圖3　極限彎扭工況

（4）緊急轉(zhuǎn)彎

緊急轉(zhuǎn)彎工況下，最大應力出現(xiàn)在外伸梁總成根部最大應力值為221.8Mpa。

圖4　緊急制動工況

圖5　緊急轉(zhuǎn)彎工況

2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6　結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后

表1　優(yōu)化前后

在彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動及轉(zhuǎn)彎工況下，最大應力均出現(xiàn)在后懸架外伸梁總成根部，最大應力值分別為 192.9Mpa、195.2Mpa、206.1Mpa、221.8Mpa。上述四種工況分別考慮2、1.5、1.5、1.5的安全系數(shù)，此區(qū)域結(jié)構(gòu)所用材料為510L，屈服大于 355Mpa，其中彎曲工況下不滿足強度要求。因此根據(jù)四種工況下外伸梁根部均出現(xiàn)較大應力集中的問題，應對此區(qū)域進行加強。綜合上訴分析結(jié)果考慮到客車動力總成后置，后橋負荷較大，選擇在客車車架兩側(cè)外伸兩處分別增加兩塊U型肋板用焊接的形式連接在外伸梁與后端車架的連接處以減少應力集中。

優(yōu)化方案結(jié)果滿足強度要求，除外伸梁總成根部外，其余部分應力值較小，均滿足強度要求。

3、結(jié)論

以某6112型客車底盤車架為研究對象，分析車架在水平彎曲、極限彎扭、緊急制動、急轉(zhuǎn)彎等四種典型工況下的剛度和強度特性分析。

對客車底盤車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，結(jié)果表明：該客車底盤車架的綜合力學特性得到顯著提高，為進一步優(yōu)化提供理論參考。

[1] 譚繼錦.汽車有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 高云凱,姜欣,張榮榮.電動改裝轎車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計分析[J].汽車工程,2005(01).

[3] 吳誥珪,吳湘燕.客車車身有限元強度分析載荷條件的確定[J].機械工程學報,1997(05).

[4] 薛大維,趙雨旸.客車車架有限元靜力分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2006，38(07):1075-1078.

[5] 高衛(wèi)民,王宏雁.汽車結(jié)構(gòu)分析有限元法[J].汽車研究與開發(fā),2000,(06):302-321.

[6] 周建興,馬力.大客車車身骨架有限元建模方法分析[J].客車技術(shù),2004,(02):23-27.

[7] 石琴,張代勝.大客車車身骨架結(jié)構(gòu)強度分析及其改進設計[J].汽車工程,2007,(01):87-92.

[8] GB/T12428—1990客車裝載質(zhì)量計算方法.

[9] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981:14-17.

[10] Peter Eriksson. Ride com for to ptimization of buses [PhD Dis sertation]. Germany: University of Stuttgart, 2002.

Analysis and Optimization of the Mechanics characteristics of the Bus Chassis Frame

Zhang Chao1, Hu Wei2
( 1.Chongqing Vehicle Test & Research Institute, National Coach Quality Supervision and Testing Center, Chongqing 401122; 2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300162 )

Taking a 6112 type bus chassis frame as the research object, to model and solve in combination with simulation soft ware, to analyze frame stiffness and strength in such four kinds of typical operating condition ashorizontal bending,limit torsion, emergency braking, swerve and to opitimize the frame structure. The result shows that the comprehensive mechanic characteristic of bus chassis frame has been significantly improved,providing the theory reference for further optimization.

frame; rigidity; intensity; structural analysis

U461.1

A

1671-7988（2015）12-40-03

張超，就職于重慶車輛檢測研究院有限公司。