某高端輕型卡車車架前段結構優化設計

湯建新

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

某高端輕型卡車車架前段結構優化設計

湯建新

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

文章為了解決新車型的開發過程中遇到的車架與駕駛室以及轉向機構的布置空間干涉問題，設計一種車架前段結構，并通過有限元分析以及加工工藝探討，對設計的前段結構進行優化，以使車架與駕駛室以及轉向機構的布置相互間不存在干涉，最終選定優化設計方案，為同類車架匹配設計開發提供借鑒。

車架；輕型卡車；縱梁前段；優化設計；有限元

1 問題描述

在某高端輕型卡車開發中，駕駛室總成需要總體升級換代，這使得駕駛室前翻轉支撐固定點在x方向相對原款駕駛室翻轉支撐位置前移35mm，在y方向外移17.5mm。由于駕駛室安裝位置前移，超過原車車架前懸部分，導致翻轉支撐無法固定，如圖1a所示；同時，因駕駛室翻轉支撐外移而導致與轉向器布置出現干涉，如圖1b所示。

2 車架前段結構設計

2.1 匹配設計方案

圖1 改進前部件圖

為同時滿足新駕駛室總成前翻轉支撐前移35mm、側移17.5mm及轉向器與轉向直拉桿布置需要，提出一種車架前段外包梁結構，并調整一橫梁布置位置，結構如圖2a所示。

縱梁前段 外包梁材 料為 510L－4.5（GB／T 3273），通過外包邊將車架前寬單側外延20.5mm，同時將前端前伸，并加長車架前懸至1 035mm，使車架總成與該系列其他車型前懸尺寸保持一致。

駕駛室翻轉支撐與轉向器布置校核如圖2b所示，經校核此結構設計能保證轉向器與前翻轉支撐布置空間不干涉。

縱梁為滿足駕駛室前翻轉支撐的固定，采用加長縱梁前懸35mm設計方案，使之與縱梁前段外包梁前端距保持為85mm，如圖2c所示。第1橫梁總成在原基礎上前移35mm，并在橫梁內側新增駕駛室翻轉支撐管柱，如圖2d所示，以保證駕駛室前翻轉支撐處連接強度。

圖2 改進后部件圖

2.2 有限元分析

2.2.1 有限元模型建立

將上述匹配方案中，車架總成各零部件UG數模保存為IGES格式，利用有限元前處理軟件Hypermesh中BatchMesher，對IGES文件進行抽中面和網格劃分，對導入的車架模型進行幾何質量分析與修正［1－2］。

車架縱梁和橫梁與連接板之間的鉚釘選用Cbeam連接，其他焊接連接部位采用Rbe2連接，前后懸架部位采用Cbush連接。

2.2.2 邊界條件

車架總成受力包括駕駛室總成5 500N、動力總成5 000N、油箱1 200N、蓄電池200N、貨箱及載重均布載荷20 000N、拖鉤牽引力20 000N、轉向器處直拉桿推力8 150N。

計算時，通過剛性單元將載荷加到相應單元節點上。在正常行駛狀態下，由于車架總成處于扭轉工況時整體受力大于純彎曲工況時的受力，故對扭轉工況下車架總成進行受力分析［3］。

建立車架總成有限元模型如圖3所示，通過改變右后板簧剛度，將其減少至原剛度的1／3來模擬扭轉工況［4－5］。

圖3 車架有限元模型

本文主要基于強度有限元分析，反映極限工況下整車受力分布情況。

2.2.3 結果分析

由 Nastran處理器進行計算［6－8］，左、右縱梁前段，左、右縱梁與第1橫梁總成應力分布，如圖4所示。扭轉工況下，左縱梁前段、右縱梁前段、第1橫梁總成、左縱梁、右縱梁的最大應力值分別為139.9、212.9、110.2、241.3、248.8MPa。可以看出，各部件最大應力值均小于材料的許用應力355MPa，左縱梁前段安全系數為2.54，右縱梁前段安全系數為1.67，第1橫梁總成安全系數為3.22，滿足設計要求。

圖4 扭轉工況應力云圖

3 優化設計與改進

3.1 優化設計方案

3.1.1 縱梁

在上述匹配設計方案中，縱梁采用加長前懸35mm的設計結構，但受現有模具限制，若需加長需重新開發縱梁落料沖孔模與成型模，同時在生產中，需要對原有套模進行更換，造成較長的生產準備周期。基于縮減開發成本，縮短開發周期與生產準備周期，縱梁不采用加長的設計方案，如圖5所示。

圖5 縱梁優化設計

3.1.2 縱梁前段

由原方案有限元分析結果可知，縱梁前段外包梁結構在前部邊緣處應力分布較小，存在優化空間，可以將原有應力較小處多余材料切除，并在應力分布較大處布置加強筋結構，如圖6所示。

由于縱梁設計方案優化之后不采用加長前懸設計，第1橫梁總成布置位置隨之后移，而駕駛室前翻轉支撐位置保持不變，故將原第1橫梁內部的支撐管柱調整至縱梁前段內側焊接。

圖6 縱梁前段優化設計

3.1.3 第1橫梁總成

原方案中第1橫梁總成下翼面處設計有連接板結構，該連接板的作用是加強橫梁下部受力，但考慮到通過外包梁結構形式，已對其加強，故取消此結構。

第1橫梁總成優化設計后的形狀如圖7所示。在橫梁腹面采取輕量化設計原則，增加減重孔結構設計，取消橫梁內側前翻轉前支撐管柱結構，增加前翻轉后支撐管柱結構。

圖7 第1橫梁總成優化設計

因受限于駕駛室前翻轉后支撐位置，支撐管柱與橫梁采用U型槽內焊接聯結形式，以保證橫梁加工工藝。

按上述方案優化設計組合后，建立有限元模型，如圖8所示。

圖8 車架有限元模型（前部分示意圖）

3.2 計算結果與分析

3.2.1 有限元分析結果

經優化設計之后，對車架總成進行計算，左、右縱梁前段，左、右縱梁與第1橫梁總成應力分布如圖9所示。

圖9 優化方案應力云圖

優化方案后，左縱梁前段、右縱梁前段、第1橫梁總成、左縱梁、右縱梁的最大應力值分別為165.9、241.2、49.81、277.4、249.7MPa，可看出經優化后扭轉工況各部件最大應力值均小于材料許用應力355MPa。左縱梁前段安全系數為2.14，右縱梁前段安全系數為1.47，第1橫梁總成安全系數為7.13，滿足設計要求。

3.2.2 對比分析

優化后的方案與最初方案計算的最大應力值見表1所列。

通過表1數據對比，發現優化之后左、右縱梁以及左、右縱梁前端的應力比初始方案均有一定提升，說明縱梁縮減加長前懸的設計方案對車架結構的受力帶來一定的影響，證明前懸加長部分能起到減小縱梁局部應力的作用。

比較第1橫梁總成應力情況，優化后的橫梁應力有較大的降幅，說明該橫梁設計的結構在原有基礎上得到優化，滿足優化設計要求。

表1 優化后最大應力對比 MPa

3.3 優化方案的改進

3.3.1 改進方案與分析

針對車架縱梁前懸縮短給車架總成帶來應力增幅現象，考慮通過加強縱梁前段外包梁結構設計，降低車架前部應力水平消除該現象。將原縱梁前段的厚度由4.5mm調整到5mm，通過改變料厚加強縱梁前段的設計強度，以使車架總成整體受力狀態得到改善。

按新方案對車架進行有限元分析，分析結果如圖10所示。

圖10 優化改進方案應力云圖

優化改進后，左縱梁前段、右縱梁前段、第1橫梁總成、左縱梁、右縱梁的扭轉最大應力值分別為135.4、198.6、47.28、275.8、247.5MPa。

可看出經過改進設計后，在扭轉工況下，各部件最大應力值均小于材料許用應力355MPa。左縱梁前端安全系數為2.62，右縱梁前端安全系數為1.79，第1橫梁總成安全系數為7.51，滿足設計要求。

3.3.2 對比分析

改進之后方案的分析結果與改進前以及初始方案最大應力值見表2所列。

表2 優化方案改進后最大應力對比 MPa

由表2數據可以看出，經改進設計之后的方案與改進之前的優化方案相比，車架左、右縱梁以及左、右縱梁前段所受最大應力值均有所下降，其中縱梁前段的應力降幅較大，說明增加縱梁前段材料厚度對其結構強度提升有促進作用。

比較改進之后方案與初始方案的分析結果，可以看到改進之后，左、右縱梁前段、右縱梁以及第1橫梁總成比初始設計方案有不同程度的降低，僅左縱梁的受力有所增加。第1橫梁總成的應力在扭轉工況下降低了57.10%，在翻轉工況下降低了18.85%，證明第1橫梁的設計方案遠優于初始方案的結構。在改進設計方案中，通過對左、右縱梁前段的加強設計，抵消了由于縱梁前端縮短前懸加長部分的應力影響，而對車架整體受力起到加強作用。通過比較，證明了改進后方案的整體受力狀況優于初始方案。

故采用優化改進后的方案作為該車型車架匹配設計的最優方案。

4 結 論

（1）將上述最優方案進行實車道路可靠性試驗驗證，經整車3×104km強化路試驗，該車架總成無開裂、裂紋等現象產生，車架強度可靠，滿足使用要求。

（2）通過對該車型車架的優化匹配設計，尋求了一種最優化、最合理的設計結構組合，在充分利用現有資源的前提下，完成了設計開發任務，節約了模具開發成本與生產準備周期。

（3）在該車架的優化匹配設計過程中，充分發揮了CAE分析作用，基于對極限工況下的強度有限元分析，對比了不同方案中部件的應力分布狀況，并通過對結構加工工藝的分析，選取了最優化設計方案。

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Structure optimization design for front section of the frame of an advanced light truck

TANG Jian－xin
（Commercial Vehicle Research Institute，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

New problems about the arrangement of frame，cab assembly and steering device appear in the process of developing new truck model.In order to solve these problems，a kind of front section of the longitudinal beam is designed.And then the optimization design for the frame is done through the finite element method and process analysis to ensure there is no interference between the arrangement of frame，cab assembly and steering device.The final design proposal is confirmed，which provides a reference to the similar frame matching design and development.

truck frame；light truck；front section of longitudinal beam；optimization design；finite element

U463.32

A

1003－5060（2012）11－1469－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.008

2012－03－23

湯建新（1985－），男，江蘇南通人，安徽江淮汽車股份有限公司助理工程師.

（責任編輯 呂 杰）