10.16638/jki.1671-7988.2018.10.006
基于轻卡某重载版车型车架系统有限元分析
鞠光
（安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型商用车研究院，安徽合肥230000）
摘要：车架是整个汽车的基体，其功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内、外的各种载荷。文章基于轻卡某重载版3308mm轴距的产品，首先对车架系统的主要零部件进行介绍，然后通过有限元分析软件Hypermesh 分析车架的模态、弯曲工况和扭转工况下的受力情况，分别得到各种工况下车架总成及各零部件的应力、位移，最后进行刚度、强度、以及整个车架布置合理性的分析。
关键词：轻卡；车架；有限元分析；模态分析
中图分类号：U467.3文献标识码：B文章编号：1671-7988(2018)10-19-03
The Finite Element Analysis of Vehicle Frame System Based on the Heavy-duty Truck
Ju Guang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Institute of light commercial vehicles, Anhui Hefei 230000 )
Abstract: The frame is the base of the vehicle, it’s role is to support the parts that connect the vehicle, and to bear the various loads that come from inside and outside the vehicle. This paper is based on the product of an overloaded 3308mm wheelbase. Firstly the main parts of the frame system are introduced, and then through the finite element analysis software Hypermesh, the mode of the frame, the bending condition and the force under the torsion condition were analyzed. And the stress and displacement of the frame assembly and the parts are obtained respectively. Finally, the rationality of stiffness, strength and frame arrangement is analyzed.
Keywords: light truck; frame; finite element analysis; modal analysis
CLC NO.: U467.3 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)10-19-03
引言
车架是整个汽车的基体，汽车绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的，如发动机、传动系
统、悬架、转向系统、驾驶室、货箱和有关操纵机构。车架的功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。
车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。汽车在复杂多变的行驶过程中，固定在车架上的各总成和部件之间不应发生干涉。汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷作用下可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形；当一边车轮遇到障碍时，还可能是整个车架扭曲成菱形。因此车架还应具有足够的强度和适当的刚度。本文将针对轻卡某重载版车型进行有限元分析。
1 车架系统的主要零部件
此次所设计分析的车架的结构形式为应用最为广泛的边梁式车架，边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性架构。
作者简介：鞠光（1992-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车
集团股份有限公司轻型商用车研究院，主要从事汽车底盘方面的设
计工作。
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汽车实用技术
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图1  车架总成结构
1.1 纵梁
车架纵梁根据截面形状分有工字梁、Z 字梁、□形梁、 U 形梁，由于U 形梁具有较高强度，工艺简单等特点，因此车架纵梁常采用 U 形梁结构，目前轻型卡车的纵梁大多采用先落料, 后冲孔，最后冲压成型的制造工艺以保证加工精度，提高制造效率。 1.2 横梁
横梁常采用的结构有圆管形，工字形、□形、U 字形四种。□形具有较高的扭转刚度，但增加了车架的自身重量，成本高，工艺复杂。而圆管形、U 字形虽扭转刚度较□形差，但制造工艺简单，成本低，故采用管形和 U 形相结合的方案。 1.3 纵梁与横梁的连接
江淮汽车货车在车架设计中，常见的纵梁、横梁连接形式有如下几种：①横梁和纵梁上下翼面连接；②横梁和纵梁的腹面相连；③横梁同时和纵梁的翼面及连接板连接。常采用第二种和第三种形式，这种形式既保证车架的抗扭刚度，同时不会使纵梁出现
较
大应力，保证了整体强度。
2 车架总成有限元分析
2.1 分析流程
图2
2.2 车架有限元模态分析
在有限元分析软件Hypermesh 中，以基本单元尺寸5mm 划
分网格，零部件连接采用RBE2刚性连接，创建模态环境进行模态分析，分析结果如图3所示。
图3
2.3 车架模态结果分析
通过模态分析结果可得出以下结论：
（1）在0-60Hz 频带内，车架具有6阶模态，车架模态较为分散，同时从频率与阶次的递增中可以看出，车架模态频率变化平缓，没有突变现象产生。
（2）一般由路面不平引起的激励频率为1～20Hz 的垂直振动，该轻型载货车车架的一阶垂向弯曲模态频率30.69Hz ，在垂直方向避开了这个范围，避免由路面而引起的较大幅度的车架共振现象产生。
（3）载货车前、后悬架偏频一般为2～4.5Hz ，而该车架的一阶弹性模态频率为7.73Hz ，表明该车架结构能够避开悬架系统的固有频率。
（4）车身部分固有频率一般为10～15Hz ，而该车架的一阶扭转和一阶横向弯曲模态正好避开了该频段，不会引起车身较大幅度的振动。
（5）该载货车发动机怠速时转速在800r/min 左右，怠速频率在13Hz 左右，一、二阶垂向、弯曲均能够避开该频段，不会引起车身较大幅度的振动。
（6）
车架第6阶的频率值远离振源，即
对车架结构的实际振动影响很小。
2.4 车架弯曲、扭转工况分析
图4  车架在弯曲状态下的位移、应力云图
图5  车架在扭转状态下的位移、应力云图
鞠光：基于轻卡某重载版车型车架系统有限元分析
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建立模拟板簧，SPRING 连接选用CUBSH 形式，约束完成后对车架进行载荷添加，分别进行弯曲、扭转工况分析如图4、5所示。
对比车架在弯曲和扭转两种状态下的应力及位移情况，实现对现有车架的局部优化。
3 结论
本文通过UG 、CAE 等设计辅助工具对当前某重载版轻型卡车车架进行了设计分析，结合CAE 分析准确地计算出危险点的位置，以此来掌握车架总成的强度，对强度需加强的
地方通过局部加强来优化；对应力位移均较小的部位可以进行降成本优化工作。在设计过程中通过CAE 分析的辅助，可以有效的对车架的力学性能进行准确的预测与分析，保证了产品质量，也为今后的产品设计提供了有力的设计依据。
参考文献
[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社,2001. [2] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社,2004. [3] 张金柱.汽车原理与构造[M].北京：化学工业出版社,2016. [4] 蒋孝煜.有限元基础.北京.清华大学出版社.1992.
（上接第8页）
图9  应用冷金属过渡连接的前端框架
5 结论
本文结合从总体到局部、从架构到细节的车身设计思想，对一种新型电动汽车车身结构进行设计，通过CAE 仿真优化技术实现车身架构和结构的校核与优化，应用多种材料、多种工艺等实现车身轻量化。车身良好结构和轻量化策略可为后续该型电动车的量产奠定基础。
参考文献
[1] 于玉真，李励，肖健.微型电动汽车车身结构改进及动态试验分析
[J].现代制造工程, 2017(7):75-79.
[2] 谢伦杰，张维刚，常伟波，等.基于SIMP 理论的电动汽车车身多目标
拓扑优化[J].汽车工程, 2013, 35(7):583-587.
[3] 刘保公，刘子建，周小龙，等.基于刚度链的纯电动汽车车身主断面
优化设计[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2017, 48(4):959-967.  [4] 王俊，龚旭，李义林，等.CFD 技术在汽车车身设计中的应用[J].汽车
技术, 2013(4):14-17.
[5] Hwang H Y , Chen Y S, Kuo K L. A Space Frame Structure Design
for an Electric Vehicle[C]// the 25th world battery, hybrid and fuel cell electric vehicle symposium and exhibition proceedings. 2010. [6] 王骞，刘军，张亚军，等.基于侧面碰撞安全性的电动汽车车身结构
件轻量化设计[J].汽车技术, 2017(2):44-50.
[7] 龙江启，袁章平，符兴锋，等.基于正面碰撞安全性的增程式纯电动
汽车车身轻量化研究[J].汽车工程, 2015, 37(4):466-471. [8] 李永兵，马运五，楼铭等. 轻量化多材料汽车车身连接技术进展[J].
机械工程学报,2016,52(24):1-23.
[9] 叶辉，胡平，申国哲，等.基于灵敏度和碰撞仿真的汽车车身轻量化
优化设计[J].农业机械学报, 2010, 41(10):18-22.
[10] Liu Q, Lin Y , Zong Z, et al. Lightweight design of carbon twill
weave fabric composite body structure for electric vehicle[J]. Com -posite Structures, 2013, 97(2):231-238.
[11] 谈诚，梁其续.汽车车身钣金件修复及制作技术一体化项目教程
[M].上海交通大学出版社, 2012.
[12] 代国玉，李志.承载式城市客车车身骨架结构模块化设计[J].客车
技术与研究,2013, 35(2):10-12.