【启飞汽车知识系统分享-学术篇-底盘51】轻型载货汽车底盘车架轻量化优化设计
一、车架结构优化方案
轻型载货汽车车架采用边梁式结构(图1)，主要由两根主纵梁和7根横梁组成；轻型载货汽车车架主要形式为前宽后窄的变宽结构，其中车架长度为5722 mm，前端宽820 mm，后端宽740 mm。以图1所示车架为基础进行车架结构优化设计，主要改变纵梁截面尺寸、纵梁厚度、横梁布置、车架宽度等结构参数。同时，随着以宝钢为代表的国内钢厂对高强结构用钢的开发和推广，提升材料等级(B750L代替B510L)是此次车架轻量化优化设计的基础。结构优化设计方案如图2、图3所示(方案一与方案二结构相同，方案三与方案四结构相同，仅改变了纵梁的厚度)；各车架结构方案对比如表1所示；宝钢高强结构钢B750L和普通结构钢B510L力学性能对比如表2所示。
二、有限元建模原则
为了更加真实地模拟车架在各工况下的受力、变形特征，保证结构正确的传力路径。建立车架有限元模型时，遵从如下原则：
(1) 建立车架有限元模型必须合理反映结构的传力路径和几何特征。
(2) 在进行几何清理时，螺栓孔周围增加垫片区域，保证孔边单元质量；使用合适的单元尺寸，在保证计算结果精度的同时尽量减少计算时间；严格控制单元长宽比、翘曲和雅可比值。
(3) 建模时适当忽略一些不重要或者不关心的连接件，对车架结构进行合理简化。
三、后钢板弹簧力学模型
车架与车桥通过钢板弹簧相连，轻型载货汽车后钢板弹簧包括主簧和副簧(如图4所示)，其中主板簧和副板簧刚度分别为230 N/mm和640 N/mm。当车架承受载荷时，车架下沉，主板簧独立承受来自于车架的所有载荷，当车架下沉76 mm后，副板簧开始与车架上的副板簧支座接触，与主板簧共同承担车架的所有载荷。为了合理的模拟车架的受力情况，建立如图5所示的力学模型，用六自由度弹簧单元模拟主板簧，六自由度弹簧单元加线性只承压不承拉单元模拟副板簧，只有当车架下沉76 mm时副板簧才起作用。
1.车架模态分析
载货汽车工作状态是一个动态过程，为了准确了解车架的动力学特性，需对车架结构进行模态分析，通过模态分析准确预测车架的共振频率，初步了解汽车在受到某一频率载荷作用时发生变形的状态。本文利用有限元分析方法计算车架的自然模态，防止在车架结构优化时导致在怠速工况下车架出现共振现象。
三、后钢板弹簧力学模型
车架与车桥通过钢板弹簧相连，轻型载货汽车后钢板弹簧包括主簧和副簧(如图4所示)，其中主板簧和副板簧刚度分别为230 N/mm和640 N/mm。当车架承受载荷时，车架下沉，主板簧独立承受来自于车架的所有载荷，当车架下沉76 mm后，副板簧开始与车架上的副板簧支座接触，与主板簧共同承担车架的所有载荷。为了合理的模拟车架的受力情况，建立如图5所示的力学模型，用六自由度弹簧单元模拟主板簧，六自由度弹簧单元加线性只承压不承拉单元模拟副板簧，只有当车架下沉76 mm时副板簧才起作用。
1.车架模态分析
载货汽车工作状态是一个动态过程，为了准确了解车架的动力学特性，需对车架结构进行模态分析，通过模态分析准确预测车架的共振频率，初步了解汽车在受到某一频率载荷作用时发生变形的状态。本文利用有限元分析方法计算车架的自然模态，防止在车架结构优化时导致在怠速工况下车架出现共振现象。
经计算原车架第一阶自由模态为5.78 Hz，固有振型为一阶扭转；侧向一弯固有频率为17.84 Hz；垂向一弯固有频率为21.86 Hz；二阶扭转固有频率为29.05 Hz；侧向二弯固有频率34.16 Hz；侧向三弯固有频率为43.52 Hz。方案一前6阶固有频率所对应的固有振型如图6至图11所示(各车架固有振型相似)。各方案固有频率对比如表3所示。
载货汽车在路面行驶过程中，主要激励源有路面激励(＜3 Hz，高速公路、城市路面)、发动机激励(32~38 Hz)、车轮不平衡(＞11 Hz)，所以车架低阶的主要振型应控制在3~32 Hz之间。以上车架方案均满足要求，且结构优化后的车架结构和原方案各阶固有频率相近，说明各车架的动力学特性相同，不会因为结构变化产生新的动力学问题。
2.车架刚度分析
车架在实际使用过程中，因为各种不确定的载荷作用，车架会产生各种不同的变形方式。严格来说可以分为弯曲变形、扭转变形和弯扭组合变形三种。
三、结束语
(1)根据模态分析可知，车架低阶的主要振型控制在3~32 Hz之间，在发动机怠速过程中、正常路面行驶过程中均不会产生共振；结构优化后的车架结构和原方案各阶固有频率相近，说明各车架的动力学特性相同，不会因为结构变化产生新的动力学问题。
作者：李丰滨 来源：金属世界
载货汽车在路面行驶过程中，主要激励源有路面激励(＜3 Hz，高速公路、城市路面)、发动机激励(32~38 Hz)、车轮不平衡(＞11 Hz)，所以车架低阶的主要振型应控制在3~32 Hz之间。以上车架方案均满足要求，且结构优化后的车架结构和原方案各阶固有频率相近，说明各车架的动力学特性相同，不会因为结构变化产生新的动力学问题。
2.车架刚度分析
车架在实际使用过程中，因为各种不确定的载荷作用，车架会产生各种不同的变形方式。严格来说可以分为弯曲变形、扭转变形和弯扭组合变形三种。
三、结束语
(1)根据模态分析可知，车架低阶的主要振型控制在3~32 Hz之间，在发动机怠速过程中、正常路面行驶过程中均不会产生共振；结构优化后的车架结构和原方案各阶固有频率相近，说明各车架的动力学特性相同，不会因为结构变化产生新的动力学问题。
(2)根据车架扭转刚度和弯曲刚度分析可知，优化后的车架抗弯刚度要高于原车架抗弯刚度；抗扭刚度要低于原车架，但是优化后车架采用高强钢，材料屈服强度高，可以承受更高的扭转载荷而不产生塑性变形。
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