新能源商用車車架設計

方亮，徐論意，范平麗

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

車架是輕型載貨汽車的骨架，是汽車的承載基體，支承著發動機、變速器、轉向器、貨箱等所有簧上質量的有關部件，承受著傳給它的各種力和力矩。車架設計目前主要采用有限元分析方法，再反復優化分析，對于同類平臺變型變動產品，基本可以滿足要求。對于新開發新能源商用車車架，部件布置與傳統車存在很大差異，且出于輕量化考慮，需要盡可能減輕車架設計質量，如果按照目前方法進行設計，需要建立和修改多次數學模型，大量網格處理任務，效率低下。通過建立簡化計算模型，確定車架縱梁截面尺寸和變截面拐點，再基于確定的截面進行數學模型建立，大大減少反復修改模型時間，提高了開發效率。

1 計算模型建立

1.1 車架應力構成

首先是由載荷引起的車架上下彎曲，由行駛路面引起的車輪的垂直振動使車架產生跳動、俯仰、抖動（整體振動）等的各種振動模型引起的車架上下彎曲應力。高速行駛時的前軸左右輪胎的上下方向的力，使車架左右搖動引起的彎曲應力，在壞路上上下跳動沖擊力使車架產生的彎曲應力。

在高速轉彎時輪胎的側偏力和離心力引起的車架的橫向彎曲應力。在極低車速下轉彎時由于沒有離心力的作用，所以對雙軸汽車不產生車架橫向彎曲應力。但是，對前一軸后雙軸的汽車，由于后雙軸不進行轉向，則產生側偏力，對此，前軸也產生側偏力，從而產生車架的橫向彎曲應力。上面雖然對車架受力進行了簡單說明，但足以證明車架上作用著復雜的應力。作為初步確定車架縱梁主截面尺寸和變截面拐點坐標，重點考慮安全性設計，首先明確材料的強度和作用在其材料上的應力，彎曲載荷是很重要的。求車架彎矩時因為支點以及載荷作用點很復雜，計算復雜，對理論模型進行簡化，支點為前后軸中心線處作為支撐，駕駛室、動力總成、油箱等簡化為集中載荷Wi，車架、貨箱及貨物簡化為均布載荷Wi，繞R1、R2點的力矩平衡求支點反力，簡化模型如圖1 所示。

圖1 車架受力簡圖

表1 燃油車主要垂向構件輸入力

除去鋼板彈簧、前后橋、車輪總成等車架以下支撐部件，燃油車車架主要輸入力見表1，主要構件質量總和占整備質量的90%以上，加上貨物重量，加載之后涵蓋主要輸入力。

1.2 主要構件集中載荷

根據駕駛室總成、動力總成、油箱等集中載荷Wi，繞R1、R2點的力矩平衡，求支點反力R1，再求各點力矩。

前懸區間：

式中：Mi——車架坐標點力矩；Wi——集中載荷；Li——集中載荷X 坐標；R1——載荷在前軸中心線處反力；R2——載荷在后軸中心線處反力；FO——前懸到前輪中心距離；WB——軸距。

圖2 集中載荷受力簡圖

1.3 車架總成均布載荷

車架總成自重Wf，車架全長Lf，均布載荷作用于車架全長范圍內，求支點反力R1，再求各點力矩。

軸距區間：

式中：Wf——車架自重；Lf——車架全長；wf——車架均布載荷。

圖3 車架總成均布載荷受力簡圖

1.4 貨箱及貨物載荷

貨箱前端距R1點距離OH，貨箱及裝載貨物Lh，貨箱長度Lh，從貨箱前端到后端均布載荷，求支點反力R1，再求各點力矩。

圖4 貨箱及貨物均布載荷受力簡圖

式中：Wh——貨箱及貨物自重；Lh——貨箱全長；wh——貨箱及貨物均布載荷；OH——貨箱前段與前輪中心距離；offset——貨箱超出車架偏距。

通過計算車架上坐標點受到集中載荷、車架自重、貨箱及貨物載荷作用產生力矩疊加后總力矩：式中：Mj——集中載荷力矩總和；Mf——車架自重力矩總和；Mh——貨箱及貨物載荷力矩總和；

1.5 車架截面形狀

圖5 縱梁截面示意簡圖

式中：Z——抗彎截面系數；B——車架縱梁寬度；H——車架縱梁高度；t——車架縱梁料厚；σ——應力。

通過式（19），可以計算出車架上各點受靜力下應力分布情況見圖6 原平臺燃油車車架應力分布圖折線圖，X 坐標為車架從前到后關鍵點序號。

圖6 原平臺燃油車車架應力分布圖

按照3.5g 沖擊載荷，采用510L 材料，安全系數為1.63，滿足使用要求，通過強度應力差分布每百萬破壞數1.24，達到6σ水平。按照同樣方法計算在原平臺上布置新能源車型，載荷見表2，應力分布結果見圖7 原平臺新能源車車架應力分布圖，安全系數為1.28，強度應力差分布每百萬破壞數1018，未達到6σ水平。需要進行改進優化。

表2 新能源車主要垂向構件輸入力

圖7 原平臺新能源車車架應力分布圖

2 改進優化

通過優化截面尺寸B、H、t，重新計算應力分布，應力峰值下降，見圖8 新平臺新能源車車架應力分布圖，同時調整材料采用550L，具體參數變化見表3 新平臺與原平臺車架參數對比，新平臺車架將重量更輕，成本更低。安全系數為1.47，強度應力差分布每百萬破壞數3.39，達到6σ水平。可以初步確定車架縱梁主斷面，此基礎上建立模型進行分析，縮短調整模型的時間，提高開發效率。

表3 新平臺與原平臺車架參數對比

圖8 新平臺新能源車車架應力分布圖

3 結論

經過簡化模型可以很快計算出新能源車布置與燃油車車架應力分布存在差異，需要進行優化設計，簡化模型可以很快調整截面尺寸，得出最優截面尺寸，為進一步詳細設計模擬分析節省反復修改數模時間，提高設計效率。