重型载重汽车车架轻量化设计研究郭秋镭

重型载重汽车车架轻量化设计研究郭秋镭

郭秋镭

泰安航天特种车有限公司山东省泰安市271000

摘要：对于重型载重汽车来说，轻量化的汽车车架设计可以保证汽车行驶的安全，在研发过程中，还能够帮助企业节约开发经费，提高研发效率。本文利用实验的方法，对重型载重汽车的轻量化车架进行研究，并通过实验数据验证车架轻量化后的强度，同时利用有限元仿真实验对车架强度进行了模拟分析。

关键词：载重汽车实验；轻量化设计；有限元分析；强度模拟

前言

车架轻量化的研究能够促进能源节约和环境保护，在现代轻金属的现代复合材料应用中，由于承载部件选用中成本较高，短时间内难以得到大规模普及，因此针对轻量化的汽车车架设计应当通过制造工艺使尺寸参数得到优化，从而形成新的轻量结构。同时，在汽车运行过程中，加大对碰撞、振动等内容的研究，深刻考虑约束条件，利用硬件优势，在尺寸参数得到优化的基础上提升安全性。

一、轻量化车架实验研究

（一）试验设备选择

为了实现重型载重汽车的车架轻量化设计可以投入生产，本文利用某品牌载重汽车进行了实验设计，并使用硬件平台和数据采集软件对实验数据进行采集。在实验开始之前，首先进行实验设备的选择，本文选择了能够面向仪器系统的技术平台，借以实现自动化系统，提供高性能坚固性以及低成本的配置方案。利用系统平台，可以将电气总线与坚固的欧式机械进行封装，从而使总线的软件性能得到同步。同时，选用电阻应变片，对车架轻量化设计过程中出现的应变响应进行采集。

（二）实验数据采集

为了能够实现数据采集，需要将采集信号的硬件设备与汽车构件当中的物理信号相连接，并利用信号形成辅助电路，对信号进行预处理，生成原始数据。为了能够使数据更加准确，在每次工况测试之前，需要将数据采集硬件中的应变片进行程序核对，使其与每一应变通道校准。在使用过程中，需要通过8通道连续模拟量进行输入，本文采用1/4电桥作为全桥补偿电路，解决了仪器固定以及试验过程中保持稳定的问题。

（三）设计实验

对于载重汽车来说，在减轻了汽车车架的基础上，还需要保证车架强度保持不变。因此在机械零件工作时，不应该出现断裂以及塑性变形，因此在设计时一般要考虑到汽车的实际运行环境，并推算出行驶以外的最大载荷。以本文所选用的某品牌重型载重汽车为例，该车的车架部分由纵梁、横梁和加强板组成，其具有应力情况复杂、所受载荷巨大的特点。因此在进行设计时，一般面向直线行驶、一轮悬空、紧急制动和急速转弯四种典型工况。通过对极限工况的分析，来选择合适的材料进行车架设计，使其既满足轻量化的设计要求，同时又能够保证车架强度。

（四）车架强度验证

根据试验方法进行轻量化的设计试验，并模拟了四种极限工况下汽车车架的情况，在不同应力之下，数据采集内容可以深刻地反应出车架强度。在实验完成之后，对整车满载的数据进行评价，可以看出，最大应力值出现在前桥左轮强制位移300mm时应变化的位置，其平面的平均应力约为14MPa，而在超载时，最大应力则出现在前桥右轮强制位移300mm时应变花位置，平面平均应力约为21MPa。

二、有限元仿真模拟分析

（一）车架有限元模型建模

有限元建模是利用CAD软件将研究对象的结构通过三维立体模型表现出来，之后将模型离散化处理，并将研究对象受到的载荷分别对应在不同单位体上，最后进行各单元体受到的力以及位移的计算。在进行车架有限元模型建模处理时，首先分析车架的结构特点，车架通常由纵梁和横梁两部分组成，两者之间通过螺接、铆接等方式进行连接。车架不仅需要完成一定的功能，还是承受载荷的主要构件，因此在进行建模时，需要综合考虑车架与横梁以及纵梁之间的连接。另外，在构建有限元模型时，可以将研究因素进行侧重点划分，减少不必要的计算。通过对车架结构进行分析后，需要将模型划分为网格，而网格质量的标准主要与单元细长比、最大内角等对个方面有关。在进行网格划分时，应该尽量坚持顶点共用原则，避免产生畸形的现象，而对于受力较为均匀的部位，可将单元体的划分数目减少一些。根据以往的计算经验，单元体划分数目越多，计算结果精确度较高，但同时增加了计算量和计算费用。因此应该根据实际需求，确定具体的单元体划分原则。为了保证有限元分析时数值的准确性，需要将有限元模型的边界条件进行处理，主要分为载荷和约束条件处理两方面。外部载荷的产生主要是受到很多与车架连接部件的自重作用或者这些部件受到的力会传递到车架上，通常将这些外部载荷作为集中力处理；而对模型的约束条件处理原则是保证车架结构有足够的自由度约束，避免结构发生位移。

（二）有限元计算结果

对于建立的有限元模型进行计算，并且根据仿真值与实验值的对比模型进行调试，最终可以得到在车辆满载状态下车辆的有限元模型的几个工况计算值。通过将应力值的变化同实验值和仿真值进行对比，可以得出车架有限元模型是十分准确并且可靠的，有限元模型可以用做分析车架强度模型。

例如，我国某工程单位利用有限元模型对满载静态的平放工况进行车架强度分析过程中，需要保持整辆车的最大变形值不超过1.94毫米，并且使车架支承驾驶室为最大应力位置。同时，使前后的换钢板淡化约束作用点处，计算得出最大应力为152.2兆帕。去除前段受集中力载荷处影响，整个车架的应力均达到最小。因为车架使用钢材屈服极限可以达到350兆帕，因此，此种工况下车架安全系数为2.29。此外，该公司还对前桥右轮悬空的工况下车架安全系数进行测试。当重型载重汽车处于前桥右轮悬空的工况时，整辆车的最大变形量需要控制在2.04毫米，并且受力位置只要在车架前桥的右侧钢包弹簧后侧吊耳约束处。在此种情况下整辆车的应力水平会整体增加，并且高达156.1兆帕。因为汽车前桥右轮始终保持在悬空的状态，所有约束均被释放，因此承受驾驶室与其附件的集中力会导致前桥右侧的钢板弹簧后侧掉而出应力水平相对增加。由此可以看出经过优化的重型载货汽车轻量车架强度足够，具有一定的可靠性。

结论：综上所述，在重型载重汽车的车架设计和选材中，如何保证在轻量化的设计同时又能够使车架强度维持不变，是目前汽车设计的重要困境。本文在对某品牌汽车的应力情况进行充分分析后发现，汽车车架所受到的应力和其工况存在巨大关联，因此需要通过有限元的方法对其进行模拟分析与验证。

参考文献

[1]黄华，茹丽妙.重型运输车车架的动力学分析[J].车辆与动力技术，2001，02.

[2]陈龙，周孔亢，薛念文，周国新.农用运输车车架载荷研究[J].农业工程学报，2001，02.

[3]宋永立.TJR6120D06大客车的二段式车架设计[J].客车技术与研究，2001，02.