黃勤 何帆影 宋磊 曾憲波

摘 要：為驗(yàn)證某輕型貨車車架的各項(xiàng)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，文章基于有限元方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，其前四階模態(tài)頻率均有效地避開(kāi)了車架下結(jié)構(gòu)的固有頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率，有效避免其發(fā)生共振問(wèn)題?；谡噭?dòng)力學(xué)模型，分解了車架十工況的強(qiáng)度載荷，采用慣性釋放方法和動(dòng)態(tài)輸出載荷進(jìn)行強(qiáng)度分析，各個(gè)工況下的車架均能滿足強(qiáng)度要求，綜上分析結(jié)果表明該輕卡車架的各項(xiàng)特性均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：輕卡車架;模態(tài);強(qiáng)度

Abstract： Aiming at verifying the various characteristics of a light truck frame meet the design requirements. The frame modal analyzed based on the finite elements， the result showed that the first four free modes effectively avoid the excitation frequency of the frame structure of the natural frequency and the frequency of engine idle speed， so the resonance will be effectively avoided. The frame strength analysis base on inertia relief method and dynamic loading， the frame meets the strength requirements under various working conditions. The analysis results show that the characteristics of the frame meet the design requirements.

1 引言

車架是底盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)各總成件的安裝基體，這些總成的質(zhì)量及其傳給車架的力和力矩，可能造成車架強(qiáng)度和疲勞破壞[1-3]。其可靠性不僅關(guān)系到整車能否正常運(yùn)行，而且還關(guān)系到整車安全性，車架強(qiáng)度對(duì)整車的性能尤為關(guān)鍵，所以深入研究車架的性能特性顯得至關(guān)重要。為研究某輕卡車架的動(dòng)靜態(tài)性能，并驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文基于有限元方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，以及基于動(dòng)態(tài)載荷的強(qiáng)度分析。

2 車架模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有模態(tài)頻率及其模態(tài)振型是分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的基礎(chǔ)，通過(guò)模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性[4-5]。

車架的振動(dòng)方程為[6]：

式（1）中，[M]為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;[K]為總剛度矩陣; 為加速度向量;{q}為位移向量。對(duì)應(yīng)的特征值方程為：

式（2）中ω為結(jié)構(gòu)固有頻率，當(dāng)車架固有頻率和工作頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生較大振幅，從而降低其使用壽命。由于低階頻率對(duì)振動(dòng)特性的影響較大，高階頻率對(duì)其影響較小，因此僅求解該車架前四階的固有頻率及其陣型。

2.2 車架有限元模型

（1） 車架構(gòu)成均為鈑金件，采用單元類型為QUAD4 及少量板殼單元來(lái)劃分;

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)支架、鋼板彈簧安裝支架受力情況復(fù)雜，采用體單元來(lái)劃分;

（3）結(jié)構(gòu)焊接處用RBE2 剛體單元來(lái)模擬，鉚釘及螺栓通過(guò)BAR+RBE2模擬連接。

（4）車架有限元網(wǎng)格大小按照8mm 進(jìn)行劃分。

其中縱梁、第一橫梁、第三橫梁和發(fā)動(dòng)機(jī)支座的材料為B510L，其他橫梁及部分支架的材料為SAPH440，駕駛室安裝座、駕駛室中座、后座材料為Q235，前鋼板彈簧支座和后鋼板彈簧前支座材料為SAPH400，后鋼板彈簧后支座為QT400，圖1為車架有限元模型。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

車架作為輕卡主要承載件，對(duì)于車架各階模態(tài)自身的特點(diǎn)如下：

（1） 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)：主要反映了車架抵抗扭轉(zhuǎn)的性能，對(duì)于輕卡車架，應(yīng)避免車架產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和局部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力;

（2）垂直彎曲模態(tài)：反映了車架抵抗垂直彎曲的性能，車架的垂直彎曲頻率應(yīng)避開(kāi)路面不平度激勵(lì)頻率、簧下懸架的固有頻率、傳動(dòng)軸的激振頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率;

（3）橫向彎曲模態(tài)：體現(xiàn)的是抵抗車架平面內(nèi)橫向彎曲的性能，和垂直彎曲模態(tài)相似，車架橫向彎曲的頻率值不應(yīng)太小，但需避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率;

（4）二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)：主要反映了汽車的操縱穩(wěn)定性，二階扭轉(zhuǎn)卻對(duì)汽車擺頭問(wèn)題有較大影響，所以車架的二階扭轉(zhuǎn)頻率應(yīng)相對(duì)較高。

通過(guò)對(duì)某輕卡車架進(jìn)行自由模態(tài)分析，計(jì)算出其各階固有頻率及模態(tài)振型，獲取該輕卡車型車架的振動(dòng)特性。表 1是其前四階固有頻率及其陣型描述，圖2所示是其前四階振型。

某輕卡的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的激勵(lì)頻率為20Hz，傳動(dòng)軸不平衡的彎曲振動(dòng)頻率為43Hz，由表1可知，該輕卡車架的模態(tài)有效避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率，滿足要求，有效避免其發(fā)生共振風(fēng)險(xiǎn)。

3 車架靜強(qiáng)度分析

3.1 載荷分解

相比傳統(tǒng)建立簡(jiǎn)化整車有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，本文運(yùn)用的是基于多體動(dòng)力學(xué)搭建整車Adams模型，進(jìn)行載荷分解。其中車架各硬點(diǎn)處載荷的準(zhǔn)確性取決于ADAMS動(dòng)力學(xué)模型精度。圖3是建立載荷計(jì)算整車動(dòng)力學(xué)模型，為提升精度，其中橫向穩(wěn)定桿和輕卡車架采用柔性體模型。

車架的強(qiáng)度考核工況，分別由單輪上抬高150mm工況、對(duì)角線車輪同時(shí)抬高100mm工況，整車制動(dòng)1g、轉(zhuǎn)彎0.6g、整車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)（0.4g和0.7g），再將各工況動(dòng)態(tài)載荷輸出。表2是左前輪上抬150mm工況載荷（示例）。

3.2 強(qiáng)度結(jié)果

基于上述輕卡車架十工況輸出的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，模型無(wú)約束。圖4～圖7是該輕卡車架強(qiáng)度分析結(jié)果，由圖可知，車架縱梁上應(yīng)力值均小于材料屈服極限，無(wú)塑性應(yīng)變，滿足強(qiáng)度要求。車架橫梁最大應(yīng)力為456MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況中第三橫梁處，產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，其值為0.39%，滿足極限工況下零部件塑性應(yīng)變小于1%目標(biāo)要求。故該輕型貨車車架在10個(gè)工況下，滿足輕卡車架強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文采用有限元法對(duì)某商用輕卡車架進(jìn)行了模態(tài)分析，得到其前四階固有頻率及振型，均避開(kāi)了車架下結(jié)構(gòu)的固有頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的激勵(lì)頻率，可避免其發(fā)生共振風(fēng)險(xiǎn)?；谡噭?dòng)力學(xué)模型輸出十工況載荷，采用慣性釋放方法進(jìn)行強(qiáng)度分析，各個(gè)工況下，車架滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此該輕卡車架各項(xiàng)靜動(dòng)態(tài)特性（模態(tài)、強(qiáng)度）均滿足開(kāi)發(fā)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王霄鋒.汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] MITSCHKE M，WALLENTOWITZ H.Dynamik der kraftfahrzeuge [M].Berlin： Springer-Verlag，2004.

[3] 陳軍.Adams 技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[4] 木標(biāo).某客車車架結(jié)構(gòu)性能分析及優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2013.

[5] 黃超群，來(lái)飛，胡玉梅.重型貨車車架縱梁靜東強(qiáng)度分析[J].煤礦機(jī)械，2010，38（4）：152-157.

[6] 王銳，蘇小平.汽車副車架強(qiáng)度模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，35（4）：46-58.