吳成平，鄧正維，洪章仁，蔣云鵬，楊希志

(浙江吉利新能源商用車發(fā)展有限公司,浙江杭州 311200)

0 引言

車架是商用載貨車輛的承載主體，不僅要承受裝載于其上的零部件質(zhì)量，而且還要承受行駛過程中復(fù)雜工況下的慣性、沖擊及扭轉(zhuǎn)等交變載荷作用，被稱為載貨車輛的“脊梁”當(dāng)之無愧。車架一旦受到破壞甚至斷裂，其后果是不堪設(shè)想的重大安全事故，而模態(tài)、剛強(qiáng)度等性能是衡量車架及整車平順性、安全性、可靠性及壽命的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。

車架縱梁是載貨車輛的主要功能件，且一經(jīng)投產(chǎn)，就很難更改。因此，在主機(jī)廠家全新開發(fā)車架過程中，需要對標(biāo)分析國內(nèi)外主流主機(jī)廠現(xiàn)在及未來發(fā)展趨勢，并綜合分析不同市場需求，在保證性能足夠的基礎(chǔ)上盡量做到輕量化。本文作者以某新能源輕卡車架模型為基礎(chǔ)，針對當(dāng)前主流主機(jī)廠典型縱梁斷面車架性能進(jìn)行了分析，并對某廠家正在開發(fā)的YC系列縱梁斷面車架性能進(jìn)行了研究與評估，為工程實(shí)踐提供參考。

1 某新能源輕卡車架性能分析

模態(tài)為振動(dòng)系統(tǒng)特性的一種表征，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，已成為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲問題的最主要工具[2]。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)就是求解有限多個(gè)自由度的無阻尼線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，其矩陣表達(dá)式[3]為

MX(t)″+KX(t)=0

(1)

其解的形式為

X(t)=X0ejωt

(2)

將式(2)代入式(1)，可得：

K-ω2MX0=0

(3)

式中：M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；X(t)、X(t)″分別為時(shí)間t的位移及加速度向量；ω2為特征值，ω=2πf；X0為對應(yīng)特征值的特征向量。

通過求解方程得到的特征值及其向量體現(xiàn)為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的模態(tài)頻率和振型，為振動(dòng)動(dòng)態(tài)分析、設(shè)計(jì)及故障診斷提供依據(jù)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析及譜分析等都是以模態(tài)分析為基礎(chǔ)。本文作者對該新能源車型從試驗(yàn)和仿真進(jìn)行了模態(tài)分析，得到其基本動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)也為后續(xù)分析奠定基礎(chǔ)。

1.1 該新能源車架模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可獲得系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性(包括頻率和振型等)，用來評價(jià)及全面了解結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性?？梢詫④嚰芸闯梢粋€(gè)多自由度彈性振動(dòng)系統(tǒng)，對其進(jìn)行模態(tài)分析。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中應(yīng)用模態(tài)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估，主要采用有限元理論的方法[4-5]。本文作者通過試驗(yàn)與仿真兩種方式來對某新能源載貨車車架進(jìn)行模態(tài)分析，證明分析結(jié)果具有可信度及準(zhǔn)確性。

圖1(a)、(b)分別為模態(tài)分析試驗(yàn)的實(shí)車與仿真模型，由圖2—圖4及表1試驗(yàn)與仿真模態(tài)分析結(jié)果對比可知，車架一階扭轉(zhuǎn)頻率為9.8 Hz(與試驗(yàn)誤差4.3%)，一階側(cè)向彎曲頻率為24 Hz(與試驗(yàn)誤差2.1%)，一階垂向彎曲頻率為31 Hz(與試驗(yàn)誤差1.6%)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果相近，即有限元仿真模型準(zhǔn)確有效。

圖1 車架模態(tài)分析模型

圖2 車架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)

圖3 車架一階側(cè)向彎曲模態(tài)

圖4 車架一階垂向彎曲模態(tài)

項(xiàng)目試驗(yàn)頻率/Hz仿真頻率/Hz相對誤差/%一階扭轉(zhuǎn)9.49.84.3側(cè)向一階彎曲23.5242.1垂向一階彎曲30.5311.6

1.2 該新能源車架抗彎、抗扭分析

由于載貨車輛實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜，常見較為惡劣的工況是極度彎曲或者極度扭轉(zhuǎn)。而車架正是車輛在極度彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的承受主體，其剛度、強(qiáng)度及可靠耐久對整車舒適性、壽命等起至關(guān)重要的作用。通常，對車架本體的剛度分析無需相關(guān)安裝及連接件的質(zhì)量、質(zhì)心及其余物性參數(shù)，所以方案設(shè)計(jì)階段通常將車架(不含其承載件)的剛度(彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)模量)作為考察及優(yōu)化車架性能的主要指標(biāo)[6]。本文作者針對該新能源商用載貨車車架設(shè)定剛度分析工況如表2所示，仿真模型如圖5、圖6所示。

表2 剛度分析工況定義

圖5 彎曲剛度有限元模型

圖6 扭轉(zhuǎn)模量有限元模型

彎曲剛度結(jié)果如下：

(4)

式中：KB為彎曲剛度，N·mm2；L為前軸軸距，mm；F為加載力，N；dmax為加載點(diǎn)最大變形量，mm。

扭轉(zhuǎn)模量結(jié)果如下：

(5)

式中：I為扭轉(zhuǎn)模量，mm4；M為前橋施加的扭矩，N·mm；L為前后橋軸距，mm；G為車架材料剪切模量，MPa；θ為扭轉(zhuǎn)角度，rad。

由結(jié)果可知，該新能源車型車架本身抗彎、抗扭性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

2 典型縱梁斷面車架性能分析

以上述有限元分析的新能源商用載貨車車架為原型，為增強(qiáng)模型的相對準(zhǔn)確性及可比性，通過對其縱梁與橫梁在相應(yīng)尺寸(主要為Y向、Z向)上進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整(不改變各橫梁、板簧支座等相對位置)，可得到目前主流輕型載貨車輛典型縱梁斷面的車架模型。

由表3所示的國內(nèi)外主流主機(jī)廠典型縱梁斷面車架模態(tài)分析結(jié)果可知，各車架一階扭轉(zhuǎn)頻率均在9.5 Hz左右，其中Gs為最大(達(dá)10.9 Hz)；一階側(cè)向彎曲頻率均在24～26 Hz之間；一階垂向彎曲頻率差別相對較大，其中F最小(25.5 Hz)，IS為最大(達(dá)32 Hz)；雙層Gs相對Gd在一階扭轉(zhuǎn)及一階側(cè)向頻率上略有優(yōu)勢，在一階垂向彎曲頻率上基本相當(dāng)；其中F、j及J一階側(cè)向頻率與一階垂向頻率值太過接近，在外界激勵(lì)作用下易同時(shí)激起，不可取，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上重新設(shè)計(jì)使其相差1.5 Hz以上[3]。

表3 典型縱梁斷面車架模態(tài)結(jié)果

為了評估不同典型縱梁斷面車架的抗彎、抗扭性能，定義比彎曲剛度K′B=KB/m及比扭轉(zhuǎn)模量I′=I/m，比彎曲剛度值越大表明相同質(zhì)量下彎曲剛度越大，比扭轉(zhuǎn)模量的值越大表明相同質(zhì)量下扭轉(zhuǎn)模量越大，同時(shí)也可初步從剛度角度判斷車架的輕量化效果越好。表4為典型縱梁斷面車架剛度結(jié)果，典型縱梁斷面比彎曲剛度對比和比扭轉(zhuǎn)模量對比分別如圖7、圖8所示。

表4 典型縱梁斷面車架剛度結(jié)果

由表4、圖7及圖8可以得出：

(1)典型縱梁斷面車架抗彎性能(比彎曲剛度K′B)輕量化效果由好至壞排列順序?yàn)镮S>Gd>Gs>is>g ≈f>FM≈J>j>F，其中翼面高度起主導(dǎo)作用。

(2)典型縱梁斷面車架抗扭性能(比扭轉(zhuǎn)模量I′)輕量化效果由好至壞排列順序?yàn)镚s>IS>Gd>J>j>is>f>F ≈g>FM，其中板材料厚起主導(dǎo)作用。

(3)對相同翼面高度及上下翼面寬度的斷面如g、Gd及Gs而言：局部加強(qiáng)Gd相比單層g彎曲剛度值KB值提升了60.8%，扭轉(zhuǎn)模量I值提升了41.2%，比彎曲剛度K′B值提升了26.3%，比扭轉(zhuǎn)模量I′提升了11.8%；雙層梁Gs相比單層g彎曲剛度值K′B值提升了76%，扭轉(zhuǎn)模量I值提升了77.8%，比彎曲剛度K′B值提升了20.1%，比扭轉(zhuǎn)模量I′提升了21.3%。

綜上，有如下結(jié)論：

裴主事賠笑。峋四爺這才有空將目光投向店內(nèi)正中，紫檀小案上的一座紅里泛金的香爐，淡淡問：“燒的是什么香？古董香？倒也不俗?！边@才是厲害的玩家，如果一進(jìn)門，看見那紅里泛金的香爐就兩眼發(fā)光，盯住不放，豈不是把軟肋亮給店家看——這寶貝，我要定了，管它什么價(jià)，老子吃定。買主主動(dòng)伸出脖子待宰，店家的刀子豈能不快，下手豈能不狠？

(1)各典型縱梁斷面車架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值相差較小，其中雙層梁厚度對一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值影響明顯(增大)；一階側(cè)向頻率受寬度尺寸影響(寬度大值相對大)；一階垂向彎曲受高度方向影響最大(高度大值相對大)，它也是車輛承載主要方向。

(2)翼面高度增大能顯著提升車架抗彎性能，增加板材料厚能顯著提高車架抗扭性能；雙層梁與局部加強(qiáng)梁相比，對抗彎性能提升不大，輕量化效果明顯較差。

(3)綜合對比，前3種性能最優(yōu)的斷面為IS、Gd及Gs。

3 YC系列車架性能研究

參照典型縱梁斷面車架，針對某主機(jī)廠現(xiàn)有或規(guī)劃中的YC系列縱梁斷面車架進(jìn)行了性能分析，結(jié)果如表5、表6、圖9及圖10所示。

表5 YC系列縱梁斷面車架模態(tài)結(jié)果

表6 YC系列縱梁斷面車架剛度結(jié)果

圖9 比彎曲剛度K′B對比

圖10 比扭轉(zhuǎn)模量I′對比

根據(jù)YC系列縱梁斷面車架性能分析結(jié)果，結(jié)論如下：

(1)典型縱梁斷面車架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值相差較小，其中雙層梁厚度對一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值影響明顯(增大)；一階側(cè)向頻率受寬度尺寸影響(寬度大，值相對大)；一階垂向彎曲(車輛主要承載方向)受高度方向影響最大(高度大，值相對大)。

(2)YC系列斷面縱梁車架抗彎性能(比彎曲剛度K′B)輕量化效果由好至壞排列順序?yàn)閅C07(IS)>YC06-1>YC03-2(Gd)>YC05-2>YC06-2>YC03-3(Gs)>YC05-1>YC02-2>YC02-1>YC03-1(g)>YC04>YC01，其中翼面高度起主導(dǎo)作用。

(3)典型縱梁斷面車架抗扭性能(比扭轉(zhuǎn)模量I′)輕量化效果由好至壞排列順序?yàn)閅C06-2>YC03-3(Gs)>YC05-1>YC07(IS)>YC02-1>YC03-2(Gd)>YC04>YC03-1(g)>YC06-1>YC05-2>YC01>YC02-2，其中板材料厚起主導(dǎo)作用。

(4)其中以YC01(165 mm×60 mm×5 mm)抗彎、抗扭效能最差，動(dòng)態(tài)性能最差，同時(shí)輕量化效果也最差，這也正好解釋了該車架售后出現(xiàn)故障的原因。通過加雙層梁的方式進(jìn)行改進(jìn)，其本質(zhì)就是在無法改變縱梁截面的狀態(tài)下提升抗彎、抗扭性能的辦法，但質(zhì)量大大提高(約增重10%)。

(5)如要以提升抗彎性能為主要目標(biāo)，可通過增大翼面高度或局部加強(qiáng)的方式。

(6)如要以提升抗扭性能為主要目標(biāo)，可通過增大翼面或者在主要受扭區(qū)域用雙層梁或局部加強(qiáng)。

(7)YC系列輕卡根據(jù)不同承載，推薦采用YC07、YC06、YC03、YC05縱梁斷面局部加強(qiáng)形式，主要是為了考慮承載能力(抗彎)且保證其抗扭性能的前提下，同時(shí)考慮輕量化。相同斷面高度的YC06、YC05及YC03，抗彎性能YC06>YC03(Gd)>YC05、抗扭效能YC03(Gd)>YC06>YC05、車架總質(zhì)量YC05比YC03輕21 kg(8.2%)。

4 結(jié)論

本文作者對輕卡車架性能進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1)典型縱梁斷面車架縱梁翼面高度165、170 mm高度的單層車架因一階側(cè)向彎曲與一階垂向彎曲頻率差距過小不可取，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

(2)縱梁翼面高度對車架抗彎性能起主導(dǎo)作用，板材料厚對抗扭性能起主導(dǎo)作用。

(3)提出了評價(jià)車架輕量化效能的指標(biāo)比彎曲剛度和比扭轉(zhuǎn)模量。若要以提升抗彎性能為主要目標(biāo)，可通過增大翼面高度或局部加強(qiáng)的方式；以提升抗扭性能為主要目標(biāo)，可通過增大翼面或者在主要受扭區(qū)域用雙層梁或局部加強(qiáng)。

(4)比較了YC系列典型縱梁斷面及車架性能，推薦了縱梁斷面YC07(IS)、YC06、YC03及YC05的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式。