輕型載貨汽車車架總成設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法

楊希志，袁劉凱

(1.南京依維柯汽車有限公司，江蘇南京211103;2.南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇南京210094)

0 引言

車架總成是載貨車輛的最重要承載件，它承載了車輛約85%以上的質(zhì)量，包括駕駛員、乘員、貨物、車廂、駕駛室、發(fā)動機(jī)等。車架性能的好壞很大程度上決定了整車性能的好壞［1－2］，如車輛的可靠性、承載能力、NVH性能、平順性、操縱穩(wěn)定性。一般來說，車架總成需要有合適的剛度和足夠的強(qiáng)度以及良好的動態(tài)特性，才能使車架總成具有良好的可靠性和合適的變形量，確保整車操縱穩(wěn)定性能和乘坐舒適性。

1 車架分析有限元模型建立

車架縱梁為薄壁結(jié)構(gòu)，車架橫梁為沖壓件或無縫鋼管，其寬度和高度方向的尺寸遠(yuǎn)大于材料的厚度，采用殼單元模擬。網(wǎng)格的尺寸為10 mm，焊縫處采用節(jié)點(diǎn)融合或節(jié)點(diǎn)對齊的RBE2單元模擬，橫梁和縱梁的連接鉚釘采用RBE2和BEAM梁單元來模擬［3］。

實(shí)際板簧的建模是很復(fù)雜的，板簧既存在幾何非線性，又存在片與片之間的接觸，所以有必要對板簧懸架進(jìn)行簡化。假板簧采用BEAM梁單元模擬 (見圖1)，梁單元的參數(shù)和臺架試驗(yàn)采用的工字梁一致，懸架的各硬點(diǎn)采用CBUSH單元模擬。這種模擬方法保證力的傳遞路徑是一致的，且保證簡化后的懸架對車架總成的剛度影響很小。

貨箱和車架通過接觸來傳遞載荷，接觸模擬是非常復(fù)雜的 過程，在整車模型中添加接觸的計(jì)算很難保證計(jì)算過程收斂，為了保證計(jì)算效率，車架與貨箱接觸的部分采用點(diǎn)對點(diǎn)方式的 CGAP單元來模擬 (見圖2)。

2 車架總成的性能分析

車架總成的性能包括各階模態(tài)值和振型、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、車架強(qiáng)度、車架疲勞強(qiáng)度。按照整車VTS指標(biāo)，分解為車架設(shè)計(jì)指標(biāo)，性能指標(biāo)的設(shè)定考慮了技術(shù)發(fā)展方向、法規(guī)及發(fā)展趨勢、競品數(shù)據(jù)、客戶需求等因素。性能指標(biāo)的設(shè)定是整車性能的核心技術(shù)之一，需要有大量的數(shù)據(jù)。

2.1 車架總成扭轉(zhuǎn)剛度分析

車架的扭轉(zhuǎn)剛度分析是計(jì)算車架在受到外力作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，車架抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。對于同類車型，通常選擇短軸距的車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的分析 (見表1)。如某車型系列產(chǎn)品中，GVW為5 t的整車軸距有2 800、3 308和3 600 mm 3種，選擇2 800 mm軸距車架進(jìn)行車架扭轉(zhuǎn)剛度的分析。

表1 車架扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算說明

光車架扭轉(zhuǎn)分析采用的模型僅包括車架主要部件，車架+貨箱扭轉(zhuǎn)分析采用的車架模型還包含貨箱，車架+貨箱+駕駛室扭轉(zhuǎn)分析采用的車架模型還包含貨箱和駕駛室質(zhì)量載荷及其支架。

繪制扭轉(zhuǎn)變形示意圖，曲線上橫坐標(biāo)為車架相對于后軸的位置，縱坐標(biāo)為車架相對于后軸的轉(zhuǎn)角，剛度曲線要求平滑，沒有顯著突變，圖3、圖4為車架總成扭轉(zhuǎn)剛度的分析結(jié)果。

在計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度的同時，查看車架上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不能超過車架材料的應(yīng)用應(yīng)力，一般取材料0.8倍的屈服強(qiáng)度。

2.2 車架總成強(qiáng)度分析

2.2.1 車架總成彎曲強(qiáng)度分析

對于同類車型，選擇長軸距的車架分析彎曲強(qiáng)度。比如某系列產(chǎn)品中，GVW為6 t的整車軸距有2 800、3 308和3 600 mm 3種，選擇3 600 mm軸距的車架進(jìn)行車架彎曲強(qiáng)度分析。

彎曲強(qiáng)度分析是在整車模型上進(jìn)行，考慮用戶在實(shí)際裝載貨物時可能會出現(xiàn)各種不同的擺放情況，如載荷均布在貨箱上，載荷放置在車輛的前部、后部;甚至需要考慮更為極端的工況，如用戶把載荷放置在貨箱的最前端，并且前橋已超過前橋設(shè)計(jì)最大載荷。載荷的獲取，需要調(diào)研各種用戶的使用情況，車架設(shè)計(jì)盡可能滿足可能碰到的惡劣工況。表2詳細(xì)列出了車架總成彎曲強(qiáng)度計(jì)算說明。

表2 車架總成彎曲強(qiáng)度分析表

2.2.2 車架總成整車工況強(qiáng)度分析

整車工況是描述整車在極限工況下車架的強(qiáng)度情況，整車工況分析包括以下6個工況:(1)2.5g的垂直動載;(2)3.5g的垂直動載;(3)整車制動極限工況 (0.8g);(4)整車極限制動工況 (1g);(5)整車極限轉(zhuǎn)彎工況 (0.66g);(6)整車極限加速工況，X方向的極限加速值可根據(jù)整車的動力性能計(jì)算獲得。

2.2.3 車架總成強(qiáng)度安全系數(shù)評價

不同的汽車生產(chǎn)制造商對安全系數(shù)的取值和評價方法都不相同，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案。一般情況每個工況都有相應(yīng)的不同的安全系數(shù)要求，安全系數(shù)的取值需要參考競品車型和已有車型的安全系數(shù)、車輛交付客戶后在實(shí)際使用過程中的超載情況、極限載荷可能發(fā)生的概率、零部件供應(yīng)商制造水平具體部位 (如焊接部位存在較大的應(yīng)力)等因素進(jìn)行確定，安全系數(shù)需要企業(yè)大量的技術(shù)積累才能選取到最為合適的數(shù)值。

2.3 車架總成自由模態(tài)分析

車架總成自由模態(tài)值和振型是反映車架動態(tài)特性的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)時，通常會對整車各系統(tǒng)的模態(tài)進(jìn)行合理的規(guī)劃，并設(shè)計(jì)整車模態(tài)規(guī)劃表，避免系統(tǒng)和外部的激勵耦合，如路面的激勵、發(fā)動機(jī)的激勵。同時還應(yīng)避免系統(tǒng)和系統(tǒng)之間耦合共振，如非簧載質(zhì)量的頻率、發(fā)動機(jī)的六階剛體頻率等。對車架系統(tǒng)，要求第一階的模態(tài)值低于發(fā)動機(jī)的怠速抖動頻率，整車為四沖程四缸的柴油發(fā)動機(jī)，車架的第一階模態(tài)需要小于n/30(n為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速)，同時車架各階模態(tài)的振型盡量光滑平順，沒有突變［4］。同時在進(jìn)行整車總體布置時，一些重要的附件，盡量布置在振型較小的位置，避免附件振動過大導(dǎo)致NVH不好或零件損壞。

結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)反映了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的大小，車輛在凹凸不平的路面上行駛時，車架受扭轉(zhuǎn)載荷，這些扭轉(zhuǎn)載荷通過縱梁傳遞給橫梁，所以橫梁和縱梁之間的連接需要設(shè)計(jì)得合理些，盡量提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度，同時這些連接部位需要仔細(xì)對待，避免應(yīng)力集中而導(dǎo)致?lián)p壞。

3 車架總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

在滿足上述性能要求的前提下，對車架總成進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減輕車架總成質(zhì)量，主要優(yōu)化思路:采用高強(qiáng)度板，提高車架的強(qiáng)度;零部件的厚度可適當(dāng)減薄甚至取消該件，如縱梁加固板的優(yōu)化;對于橫梁來說，封閉截面橫梁的抗扭剛度明顯好于開口截面，因此選擇閉口截面的梁可顯著降低橫梁的質(zhì)量。另外，也可以采用有限元技術(shù)對車架總成進(jìn)行剛度和模態(tài)靈敏度分析［5］，找到影響模態(tài)和剛度的關(guān)鍵部件和不敏感部件，對關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可顯著提升其性能，對不敏感的部件可適當(dāng)減薄;對一些鑄造件 (如鋼板彈簧支架)，可采用拓?fù)鋬?yōu)化達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。

車架總成設(shè)計(jì)完成后，試制車架并對總成進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證［6］。一般分為幾個步驟:

(1)對車架總成進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn) (圖5)，通過試驗(yàn)確定車架總成的基本動態(tài)特性，同時和有限元結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)，驗(yàn)證有限元結(jié)果的準(zhǔn)確性 (表3)，驗(yàn)證的有限元模型可作為結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重要支撐。

表3 車架模態(tài)試驗(yàn)值與計(jì)算值的振型對比

(2)對車架總成進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度測試 (圖6)，確定扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。

(3)對車架總成進(jìn)行彎曲疲勞測試和扭轉(zhuǎn)疲勞測試。首先按規(guī)定的試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)，判斷車架總成是否滿足臺架疲勞試驗(yàn)的要求。如果在試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)損壞，則加大試驗(yàn)載荷，直至車架總成出現(xiàn)破壞，找到車架最薄弱的位置。對于這些薄弱的部位進(jìn)行充分的風(fēng)險評估，如有可能，在滿足工藝、成本、項(xiàng)目進(jìn)度要求的前提下，對薄弱的位置進(jìn)行優(yōu)化。

(4)將車架總成裝在整車上，按照相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行整車42 000 km的耐久性試驗(yàn)。如出現(xiàn)開裂等問題，則需對開裂部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)論

介紹了車架總成的性能設(shè)計(jì)方法和流程，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到試驗(yàn)驗(yàn)證作了相應(yīng)的介紹。著重講述了車架總成設(shè)計(jì)時幾個關(guān)鍵的性能指標(biāo)和評價方法，以及評價車架需要考慮的因素。車架設(shè)計(jì)時不僅僅考慮車架的強(qiáng)度，還要考慮車架的剛度、模態(tài)特性。車架良好的剛度和模態(tài)特性可提升車輛的操縱穩(wěn)定性和平順性，在設(shè)計(jì)時要著重考慮。通過試驗(yàn)驗(yàn)證來確認(rèn)車架的關(guān)鍵指標(biāo)是否滿足車輛設(shè)計(jì)要求，通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，通過CAE對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升車架各方面的性能，實(shí)現(xiàn)車架的輕量化。

【1】高云凱.汽車車身結(jié)構(gòu)分析［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

【2】劉新田，黃虎.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，21(2):112 －115.

【3】鄧祖平，谷玉川，陳晶艷.基于有限元分析的輕卡車架優(yōu)化設(shè)計(jì)及其臺架試驗(yàn)［J］.客車技術(shù)與研究，2014(2):54－57.

【4】吳海波，李晉，石磊磊.輕型貨車車架的有限元建模及模態(tài)分析［J］.公路與汽運(yùn)，2012(4):17 －18.

【5】單峰，朱俊虎，王浩.基于靈敏度分析的載貨汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.汽車技術(shù)，2013(1):20 －26.

【6】王祥.小型卡車車架設(shè)計(jì)方法淺析［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2014(5):65－69.