石磊　戈宏偉　羅輯

摘 要：車架作為車輛的主要支撐部分，對車輛的使用性能以及乘客的舒適性有著極大的影響。本文主要是通過對客車常見的三段式車架進行有限元分析，建立了一個三維模型，主要是分析了三段式車架在彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下的位移應(yīng)力分布及其位移關(guān)系。通過分析，找到應(yīng)力最大點和位移最大點，對其周圍結(jié)構(gòu)和零件進行分析。發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力過大和位移較大的原因是零件的形狀設(shè)計不合理，以及結(jié)構(gòu)的不合理。通過將零件的截面由原來的槽鋼改變?yōu)榫哂需旒芙Y(jié)構(gòu)的零件，這樣，不僅減小了車架的重量，還優(yōu)化了零件的性能。對于車身結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)化為在行李架處添加一個支撐件。通過以上兩個改進，降低了車身的最大應(yīng)力以及最大位移量。對車架結(jié)構(gòu)的性能已經(jīng)乘客的乘坐舒適性都有極大的改善。

關(guān)鍵詞：車架 減重 優(yōu)化

Analysis and Optimization of Weight Loss of Passenger Car Frame

Shi Lei Ge Hongwei Luo Ji

Abstract：As the main support part of the vehicle， the frame has a great impact on the performance of the vehicle and the comfort of passengers. In this paper， through the finite element analysis of the common three-segment frame of passenger cars， a three-dimensional model is established， which mainly analyzes the displacement stress distribution and the displacement relationship of the three-segment frame under bending and torsion conditions. Through analysis， the article finds the maximum stress point and the maximum displacement point， and analyzes the surrounding structure and parts. It is found that the reason for the excessive stress and large displacement is the unreasonable shape design of the parts and the unreasonable structure. Changing the section of the part from the original channel steel to a part with a truss structure， not only reduces the weight of the frame， but also optimizes the performance of the part. For the body structure， the main optimization is to add a support at the luggage rack. Through the above two improvements， the maximum stress and maximum displacement of the car body are reduced. The performance of the frame structure has greatly improved the ride comfort of passengers.

Key words：frame， weight reduction， optimization

1前言

車架是車的主要載體。車架承受著很大的載荷和復(fù)雜的應(yīng)力條件。是實際情況中應(yīng)力集中最嚴重的結(jié)構(gòu)[1]。車架的強度，剛度和結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響車輛的使用壽命和性能。同時，它也影響了乘客的舒適度。同時，汽車的燃料消耗主要是由于車身而引起的，所以輕量化的車身設(shè)計是提高汽車燃油和經(jīng)濟性的重要關(guān)鍵[2]。在完全滿足車體安全的使用要求前提下，減輕了車體框架的重量，降低了車身振動和噪音，并提高了汽車的使用壽命[3]。

當(dāng)今大型客車多采用三段式車架[4-5]，車架的前部，中部和后部與連接板焊接在一起，在車架的前部和后部形成槽形的垂直橫梁結(jié)構(gòu)。在本文中，我們將結(jié)合客車的三個框架進行cae分析，并進行輕巧的設(shè)計。前后框架上的所有垂直橫梁結(jié)構(gòu)都設(shè)為空心的或轉(zhuǎn)換為桁架結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，使三段式車架的側(cè)向結(jié)構(gòu)更加合理，并改善了受力狀況，達到了降低乘用型車輛重量的目標。

2 車架模型的建立

基于catia軟件建造的客車車架cad模型能夠使汽車零部件之間的裝配關(guān)系更加清晰、直觀。按照模型示意圖，我們就能夠非常清晰地認識到每一個零部件的整體結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能。所建立的汽車車架三維仿真模型如下圖1所示。

在建立車架的三維模型時，由于車架的零件都有規(guī)則的截面，因此，首先建立車架零件截面后，通過拉伸完成零件建模，然后將其組裝。

3 車架有限元分析

3.1 車架強度分析

為了了解車架的性能以及結(jié)構(gòu)的合理性，通過有限元軟件來分析其在不同工況下的力學(xué)性能。主要是對車架強度的分析。強度是零件抵抗變形或斷裂的能力，分為靜態(tài)強度和動態(tài)強度[8-9]。材料破壞有兩種類型：屈服和斷裂。在外力的作用下，部件會發(fā)生一定程度的塑性變形;當(dāng)外力太大時，組件會破裂和斷裂。第一第二強度理論被廣泛應(yīng)用并后來用于描述斷裂。第三和第四強度受力理論被廣泛地應(yīng)用來用于描述兩種強度具有同樣的物體屈服受力強度極限和類似壓縮式物體屈服受力強度極限的彈性物體[10]。在任何外力作用下，不可能使框架的任何一個部分發(fā)生可塑性變形;因此，本文選擇第四段強度理論作為三段框架的強度評價的依據(jù)。

3.1.1 彎曲工況

車架橫向縱梁多采用槽鋼，結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞的形式通常是塑性屈服[11]。因此，在強度分析中首先使用第四強度理論。在整體結(jié)構(gòu)剛度和抗拉強度的分析中，靜態(tài)彎曲條件分析是一個最常見、基本的分析組成部分。它使得我們能夠更全面地準確反映汽車在一種靜態(tài)和彎曲條件下的各種應(yīng)變及其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài);約束汽車車架彎曲運行狀態(tài)的邊界處理措施是在前懸架左右氣囊彈簧支撐中心孔限制兩個平移的自由度y和z，如圖2所示。

約束后，將懸架左側(cè)和右側(cè)約束定義為在x，y和z兩個方向上分別具有三個平移的自由度，如圖3所示。簡化了彎曲條件下的載荷，將總共40km的均布力力分別施加到車架的前，中和后縱梁，如圖4所示。

約束后的彎曲工況下應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

通過觀測后如圖5中所示為車架整體車架左側(cè)應(yīng)力強度分布的云圖，車架左側(cè)和右側(cè)的車輛整體車架應(yīng)力強度分布基本上幾乎是對稱的，并且大多數(shù)區(qū)域的應(yīng)力水平有限。最大的車架應(yīng)力強度平均值大約為84.57mpa。最小屈服應(yīng)力極限值可以設(shè)定為19.95mpa，在該值內(nèi)材料的使用可靠性處于屈服應(yīng)力極限內(nèi)。

3.1.2 扭轉(zhuǎn)工況

對扭轉(zhuǎn)時的機構(gòu)車架進行強度計算分析時，采用第四強度理論[14]，把客車的彎、扭特性可以視同靜態(tài)[15]。

純橫向扭轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下實現(xiàn)車架運動邊界化的壓力處理控制技術(shù)如圖6所示：在車輛前懸架上的左右兩側(cè)均由安全氣囊制動彈簧的壓力中心向其兩側(cè)相反角度方向分別施加3000n的邊界壓力，以有效限制左側(cè)、右側(cè)所有車架平移軸的運動以及車架旋轉(zhuǎn)的一定自由度。

根據(jù)上述的邊界條件，通過cae對車架的結(jié)構(gòu)進行了分析，得到了車架在一定扭轉(zhuǎn)時間內(nèi)的整個應(yīng)力分布，如圖7所示。在扭轉(zhuǎn)的條件下，車架的最高應(yīng)力平均值約為84.13mpa，大的應(yīng)力區(qū)域基本上集中在中間梁上，特別是在與車架頂部的連接處。前框架焊接時的應(yīng)力相對較小，后框架的應(yīng)力較大。

在橫向扭轉(zhuǎn)的這種情況下，由于中段和橫梁的縱向車架運動產(chǎn)生的應(yīng)力最大，如圖8所示，最大的車架應(yīng)力強度平均值大約為84.1mpa。

3.2 車架剛度分析

3.2.1 彎曲工況

由于結(jié)構(gòu)的變形也可以反映其剛度，因此使用前，中和后車架導(dǎo)軌的Z方向位移來評估車架的彎曲剛度。車架在彎曲條件下的Z方向位移云圖如圖9所示（變形倍率100倍）。如圖9所示。

由圖9可知，車架前部縱梁的前懸掛受到了支點彎折和變形的限制，整體上變形小?？蚣艿闹虚g部分是向下彎曲，位移性很大，屬于比較弱的地方。車架的后懸掛約束點如果是一個支點，會使其發(fā)生彎曲或者變形，并且它會圍繞著后懸掛的約束點逆時針方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致車輛尾部存在有較大的朝下位移

3.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

車架的扭轉(zhuǎn)剛度通常是指在汽車的前后軸之間的那截車架的扭轉(zhuǎn)剛度?，F(xiàn)在把整個車架被視為具有均勻扭轉(zhuǎn)剛度的梁。根據(jù)給定邊界約束，計算出在扭轉(zhuǎn)作用情況下整體汽車車架的變形圖，如圖10所示（比例放大100倍）。

圖10車架在橫向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用的嚴重工況下的車架整體結(jié)構(gòu)變形圖由以上所示，在這個圖中我們可以清楚地明顯看出，中段支撐縱梁車架會自身發(fā)生嚴重的橫向扭曲，從而直接地就導(dǎo)致了前支撐縱梁的車架整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重扭轉(zhuǎn)。

4 車架減重優(yōu)化

考慮到車架中梁，前梁和后梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和不合理性，設(shè)計了一種新型的結(jié)構(gòu)，并將原來的槽鋼截面改為空心桁架結(jié)構(gòu)。在整體框架中，將應(yīng)力小，變形小的部分減薄或挖空，加強應(yīng)力大，變形大的部分。在壓力較大的地方進行了改進，使整個框架承受的壓力更大。改進后的結(jié)構(gòu)為由矩形鋼材料制成的桁架狀建筑結(jié)構(gòu)，比原始結(jié)構(gòu)輕。圖11為框架前部和后部縱向梁結(jié)構(gòu)改進設(shè)計示意圖。

在檢查改進后的框架模型的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度后，發(fā)現(xiàn)車的弱點導(dǎo)致整個框架的抗扭性較弱。因此，如圖12所示，改進了行李架的中間部分，并增加了支撐肋。

5 優(yōu)化結(jié)果對

優(yōu)化改進后，對比整體車架的剛度與強度，在扭轉(zhuǎn)工況下改進后的車架的應(yīng)力分布與位移如圖所示。

通過以上兩種改進，將實心的槽鋼換做具有行架結(jié)構(gòu)的零件，極大的減小了車架的重量，在行李架處增加一個支撐結(jié)構(gòu)，增加了車架的性能。

6 結(jié)語

通過對比圖7和圖14的應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力和最大變形量均有所減小，所以通過有限元分析，對車架進行改進，改善了車架的性能，不僅減小了車身重量，還可以增加乘客的乘坐舒適性。

參考文獻：

[1]曾景波.SLK6109純電動公交客車車架設(shè)計[J].傳動技術(shù)，2020，34（02）：29-32.

[2]梁洪明，王靖岳，徐磊.客車底盤車架有限元分析[J].機械工程與自動化，2020（03）：48-50.

[3]Tautvydas Pravilonis， Edgar Sokolovskij， Artūras Kilikevi?ius， et al. The Usage of Alternative Materials to Optimize Bus Frame Structure. 2020，12（6）.

[4]趙東偉，尹懷仙，張洪信，趙清海，付磊.基于組合近似模型的城市客車車架輕量化研究[J].公路與汽運，2020（01）：1-5+10.

[5]黃妮. 氫燃料電池客車車架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].青島大學(xué)，2019.

[6]毛敏捷，郭經(jīng)峰，張宇，李鑫源.基于有限元的客車車架輕量化設(shè)計[J].汽車與駕駛維修（維修版），2019（04）：72-73.

[7]Thanh Cong Nguyen. Research to Evaluate the Quality of Passenger Bus Body Frame， Assuring the Passive Safety in the Design Process. 2019， 4714：440-447.

[8]吳軍座.客車車架開裂原因分析[J].時代汽車，2018（12）：136-137.

[9]湯周平，黃俊朝.電動客車車架設(shè)計及優(yōu)化[J].機械工程與自動化，2018（03）：72-74.

[10]田國富，趙慶斌.客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].機械工程師，2018（05）：41-44.

[11]王凱，何勇靈，孟廣威.客車鋁合金車架設(shè)計與典型工況分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2018，44（08）：1780-1786.