基于有限元的某輕卡車架剛度分析

阮君 張代勝 王海朔

摘要：建立汽車車架的CAE模型，利用有限元方法對汽車車架進行彎曲剛度計算、扭轉剛度計算與校核。通過4點約束進行彎曲剛度計算。在計算扭轉剛度時，對后輪和右前輪約束、左前輪施加力。在校核扭轉剛度時，對車架前、中、后三部分分別算出對應扭轉剛度。通過分析計算，驗證該汽車車架的彎曲剛度和扭轉剛度是否符合設計要求。

關鍵詞：有限元法；彎曲剛度；扭轉剛度

中圖分類號：U463.32 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0023-04

Stiffness Analysis of Light Trucks Frame Based on the FEA

RUAN Jun1，ZHANG Dai-sheng2，WANG Hai-shuo1

（1.School of Transportation Engineering，HeFei University of Technology，Hefei 230009，China；

2.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，HeFei 230009，China）

Abstract: CAE model was utilized to calculate bending stiffness and torsion stiffness and validate torsion stiffness by the FEA. Bending stiffness was calculated by 4 locations constrained. Torsion stiffness was calculated by Rear wheels and front-right wheel constrained and front-left wheel forced. Torsion stiffness of the front， middle and rear frame were calculated and validated.

Key words: FEA；bending stiffness；torsion stiffness

車架是汽車的骨架，大多數零部件都直接安裝其上，承受的載荷比較復雜。車架的強度、剛度以及動態特性直接影響整車的使用壽命、舒適性、車內噪聲、操縱穩定性等基本性能。車架要有足夠的靜剛度來保證其裝配和使用要求［1］。車架剛度對整車剛度的影響很大。整車剛度一般包括車身剛度和車架剛度。因此，驗證車架在一定載荷條件下是否滿足設計要求，對于整車剛度和車架結構的優化設計都是非常重要和必要的。

本文以國內某輕卡的車架為研究對象（見圖1），在利用CAD技術完成三維實體建模的前提下，應用有限元方法對該車車架結構進行扭轉剛度和彎曲剛度分析。此外，由于車架的縱梁不是等截面的，橫梁也非等距離布置，并且車架的不同部位承受的載荷不同，因而車架的扭轉剛度沿車架長度不是一個常數［2］，以及車架不同部位對扭轉剛度的要求也有所不同。因此，還對車架的前部、中部、后部分別進行了扭轉剛度校核［3］。在通過以上分析之后，驗證車架是否滿足設計要求，并提出合理的建議。

1 汽車車架剛度理論

1.1 汽車車架彎曲剛度

車架的彎曲剛度是指為使汽車車架產生單位撓度所需的載荷，或載荷與所引起的車架最大撓度值之比。實際彎曲工況通常是指貨車滿載在良好路面上勻速行駛，車架承受的載荷包括自身載荷和有效載荷。自身載荷主要是車架自身質量、發動機、變速器、離合器等集中載荷；有效載荷指額定裝載時乘員、貨物等的質量，它們以集中或分布載荷的形式作用在適當位置上。

為了計算方便，可以把車架整體簡化成一根具有均勻彎曲剛度的簡支梁，在梁的中間加集中力，就可以得到近似車架簡支梁的彎曲剛度的計算式（1）［4］，如圖2所示。

2 剛度計算

2.1 彎曲剛度計算

計算彎曲剛度時，采用的邊界條件是約束前懸架與車架連接點的3個平動自由度，以及后懸架與車架的連接點，即第六橫梁與縱梁連接處的3個平動自由度，見圖4。載荷條件是在兩根縱梁的中點上分別施加一對對稱的鉛垂方向的集中力，大小分別為1 000 N，見圖5。

通過軟件hyperworks進行有限元計算，車架在彎曲工況下的變形圖見圖6。

載荷作用點處的撓度是0.953 mm，軸距L=4.3 m，帶入公式（2），計算得出彎曲剛度EJ=3.48×106 N?m2。

2.2 扭轉剛度計算

計算彎曲剛度，約束后懸架與車架連接點，即第六橫梁與縱梁連接處的3個平動自由度，以及前懸架與車架右邊連接點的3個平動自由度，然后最前懸架與車架左邊連接點上加載一鉛垂方向的集中力，大小為1000 N，見圖7。

通過有限元計算，車架的扭轉工況下的變形圖見圖8。載荷作用點處的位移是30.57 mm，力臂b=0.69 m，帶入公式（5），計算得出扭轉剛度Cp=280 N?m/°。

2.3 扭轉剛度校核

從汽車整個結構來看，車架前后部分的扭轉剛度應該大一些，而中間部分小一些［5］ 。車架前部是指駕駛室后圍以前，它應有較大剛性，這樣有益于發動機和駕駛室的懸置。如果前部相對較柔，當車架變形時會影響轉向的幾何特性，導致車架發飄，嚴重時會失控。因此車架前部剛度必須足夠。

車架中部應允許有一定量的撓性。車架中部受到的彎曲和扭轉載荷較大，車架的變形大多在這部分發生，因此駕駛室后圍到后懸架以前這段車架的扭轉剛度應小些，以起到緩沖作用，避免載荷集中，減小車架和懸架系統的載荷，防止局部損壞，并改善汽車在不同路面上的接地性。

后懸架之后這段懸架應有較大的剛性，因為懸架對汽車的操縱穩定性和行駛平順性影響比較大。如果汽車車架后段部分的撓性過大，汽車的側傾穩定性、后軸的軸轉向特性可能發生變化。

分別對汽車車架前、中、后三部分進行扭轉剛度計算。分析前段時，約束汽車車架前部和駕駛室后圍一邊，另一邊施加1 000 N的力；分析中部時，需要約束駕駛室后圍處和后懸架一邊，在后懸架另一邊端處施加1 000 N的力；分析后部時，約束后鋼板彈簧前端和車架后部一邊，在另一邊施加1 000 N的力，如圖9。得到各部分扭轉剛度數據見表1。

3 分析與討論

將被研究車架的彎、扭剛度與兩同類型車車架進行對比，如表2所示。

從表2中可知，被研究車架的扭轉剛度值處在兩參考車架的扭轉剛度之間，因此我們可以認為該車架的扭轉剛度適中，符合輕卡車架的一般要求。并且在上面的扭轉剛度校核中可知，該車架的前部扭轉剛度大于后部，后部大于中部，滿足車架在扭轉工況下各部位的剛度要求。

通過與兩參考車架對比，發現被研究車架的彎曲剛度遠遠大于兩參考車架，但由于目前對車架結構的彎曲剛度沒有一個統一的規定，該輕卡車架結構的整體彎曲剛度足夠且偏大，原因可能是該車架是在普通邊梁式車架基礎上焊接空間框架結構使其剛度明顯提高，并為以后的優化設計留出很大的空間。

參考文獻：

［1］ 張鐵山，胡建立，唐云.輕型汽車車架動態有限元分析［J］.南京理工大學學報，2001，25（6）：588-591.

［2］ 李峻，于學兵，張昆.汽車車架的優化設計方法［J］.機械設計與研究，2005，22（11）：26-28.

［3］ 蘇慶，孫凌玉，劉福保.運用CAE技術進行微型客車車架結構的分析與優化設計［J］.農業裝備與車輛，2005，173（4）：26-3.

［4］ 馬迅，過學迅．工程分析在車身結構設計中的應用與前景［J］．汽車技術，2001，4：4-6.

［5］ 劉新田，黃虎，劉長虹，等. 基于有限元的汽車車架靜態分析［J］. 上海工程技術大學學報，2007，21（2）：112-116.