基于SolidWorks的某型汽車車架研究與優化 *

李進寧，雒 琦，楊小康，王 相，羅高峰，許存賽

(甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著社會的不斷發展，汽車在我們的生活中已經占有很重要的地位，繼而汽車的安全性能就被人們廣泛關注。一輛好的汽車應該具有較強的載重能力，并且整車質量也要盡量的輕便，最主要的是汽車要具有一定的可靠度以及足夠長的壽命。然而車架作為其中重要的構件很大程度的影響著整車的各種性能。為了增強車架的承載能力，并且能夠滿足不同行駛條件下的復雜載荷作用，除了要滿足相應的強度和剛度準則，而且在動態過程中還考慮到發動機和傳動系統的振動以及來自路面的隨機激勵對汽車車架的一定影響。

車架是承受整車所受載荷的基礎構件[1]，其作為一部汽車重要的組成部分，通常由幾根橫梁和兩根縱梁組成，通過懸架裝置與前后橋支承在汽車的車輪上。汽車上很大一部分的部件都是通過車架來固定它們的相對位置。當前，汽車的車架有三種基本的形式，分別是脊梁式與平臺式以及邊梁式。其中邊梁式車架應用最為廣泛，平臺式車架適用于貨車或小型轎車，脊梁式車架適用于獨立懸架的轎車或貨車。

為了在保證汽車車架滿足基本的工作性能和結構強度的同時，又能保證汽車車架達到輕量化設計的目的，筆者對于不同工況下汽車的行駛狀態做了結構強度的可靠性分析。這樣不僅解決了由于工況的復雜性而不能僅僅利用應力分析計算進行初步優化的方案，而且提供了更加科學有效的設計方法。

1 汽車車架的三維建模以及設計參數

1.1 汽車車架的總體設計方案

(1) 合理地選擇橫梁與縱梁的結構域連接方式以及車體和軸的支承方式。

(2) 為了滿足汽車在各種工況下所需要的條件。對車架的強度、剛度等進行初步校核。

(3) 為了使汽車零部件組裝滿足要求，從而應該充分考慮汽車車架的尺寸、形狀和結構。

(4) 考慮汽車車架的加工工藝。

(5) 充分考慮結構工藝性，合理選擇構架的類型。

1.2 汽車車架的主要技術參數

技術參數如表1、2所列。

表1 汽車車架主要技術參數

表2 汽車車架斷面尺寸 /mm

運用SolidWorks三維軟件[2]對汽車車架進行三維模型的建立，如圖1～3所示。該車架的主要構成部分有一個橫梁、前后兩個保險杠、板簧和兩個縱梁以及一些附屬的掛鉤和鎖扣等。該構架主要是一個焊接件，且要承受較大的力或轉矩，所以對焊接所需技術的要求是很高的。橫梁和縱梁是一種封閉的結構，為了使構件具有更高的強度和安全性，焊接時，錯開主要受力點的焊縫，避免應力集中，橫梁強度的增加方法是加強板筋。縱梁在制造過程中，采用低合金鋼鋼板，再經過沖壓成型，形成槽型斷面。

圖1 車架簡圖 圖2 車架側視圖

圖3 其它零部件及連接部分

截面形狀優化、尺寸優化、拓撲優化是我們進行優化設計的主要途徑[3]。

(1) 形狀優化 不僅要能達到理想的效果，還要節省材料，是材料利用率最高，更要達到最高的性能，以此為方向來改造車架。

(2) 尺寸優化 在保證原有結構性能的前提下，設計變量包括截面形狀和板材厚度。將零件尺寸的參數作為變量，以最佳設計進行配合。

(3) 拓撲優化 在優化改良的過程中，從總成和零部件兩部分進行優化，使其配合，能夠保證性能，同時也要保證結構的穩定牢固。

據上述過程對車架結構的分析，本文章對與車架的優化改進方面提出下面幾條建議： ①使用力學性能良好的材料；②車架輕量化是很重要的途徑，不但可以增強汽車輕便性，降低車輛使用成本，還可以減少因車架過重和不平衡而引起的壽命降低；③根據實驗，采用結構簡單的鉚釘連接的汽車車架穩定效果較好；④為使汽車具有一定的性能，要盡量的降低車輛的重心，所以車架也得降低。

2 汽車車架的工況分析

一般情況下，為了滿足要求，車架通常采用鋼材，以及各種塑性材料。那么，就可以根據塑性材料的變形情況來判斷車架的失效情況，再根據第四強度理論對車架進行靜態強度的校核。公式如下：

強度條件表示為：

σr≤[σ]

式中：[σ]為許用應力。

不同工況條件下運行的汽車，車架受到不同載荷的共同作用，主要受到彎曲應力、扭轉載荷、縱向和橫向上的循環應力的影響。而彎曲載荷則是由車身及各種車載設備重力作用下得來，在這種工況下四個車輪和路面都有有效接觸。

(1) 彎曲工況(滿載)

汽車在滿載行駛過程中，汽車處于平衡狀態，車輪與地面完全接觸時車架承受滿載時的靜載荷,并且汽車處于平衡狀態，汽車車架所受力為3 000 N。一端為1500 N，車架縱梁截面的最大彎曲應力的計算公式：

計算分析得到以下數據：變形量在數值上最大可達4.34 mm，彎曲應力的峰值可以達到171.4 MPa，分析汽車的縱向受力和橫向受力都滿足各自方向上約束力條件。

(2) 起動工況(滿載)

汽車在滿載狀態下起動，不可避免的將產生旋轉力矩，嚴重影響安全性能。由于慣性力的存在，車架會產生不同方向上的變形，經檢測，滿載起動工況下汽車車架后端受到極限力為3 800 N，則一端為1 900 N。

最大變形量在數值上最高可達5.23 mm，測得縱梁所受的最大應力達到了217.14 MPa，應力強度滿足材料屈服極限290～385 MPa。

(3) 緊急制動工況(滿載)

在緊急制動時，分析滿載時汽車車架的情況，因為汽車滿載時質量大，導致慣性大，從而控制汽車工況的改變。制動時，由于慣性讓汽車車架受到縱向載荷作用，而且和行駛方向不一樣。由于慣性力的存在，車架會產生不同方向上的變形，經檢測，此時汽車車架主要是前端受力，極限力為4 000 N，則一端為2 000 N。

最大變形量在數值上最高可達5.75 mm，其中，縱梁方向上的應力最大值可達到228.5 MPa，而此時材料的屈服極限是290～385 MPa。

3 汽車車架構架強度的有限元分析

3.1 汽車車架強度有限元分析模型的建立

汽車車架為T型橫梁結構，有限元計算模型可按照設計圖紙上的實際尺寸來建模，在SolidWorks三維軟件中根據不同工況下車架受載荷情況分析生成有限元模型[4-6]，如圖4～5所示。

圖4 車架在工況一時的變形圖 圖5 車架在工況二時的變形圖

3.2 工況加載及結果分析

3.2.1 組合載荷工況

(1) 工況一，起動工況。在極限狀態下，起動時汽車車架前端不受力，后端受到極限應力。見表3所列。

(2) 工況二，緊急制動工況。在極限狀態下，緊急制動時汽車車架后端不受力，前端受到極限應力。

表3 各工況下最大應力值及其出現區域

3.2.2 結果分析

起動工況和緊急制動工況是汽車運行中的兩種常見工況，主要檢查所設計汽車構架是否滿足強度要求。構架采用材料的屈服極限是290～385 MPa，根據計算及有限元分析可知，起動工況下構架最大應力為232.7 MPa，緊急制動工況下構架最大應力為244.9 MPa，均小于最大屈服極限值，最大變形量也符合要求，所設計汽車構架滿足強度要求。

4 結 語

對某型汽車車架在承載情況下出現的各種現象，采用SolidWorks三維軟件建立車架結構的三維模型，并進行應力計算，分析致使車架最易損壞的部位，并使用已有的條件，對汽車車架的結構以及制造工藝進一步的優化。

通過計算及有限元分析結果表明，文中所設計汽車車架很好地滿足了車架結構簡單、輕量化及加工方便的要求，并符合汽車運行的強度要求，為后期汽車車架的進一步結構優化設計以及工藝制造提供嚴格的理論技術參考與支持。