载货汽车车架轻量化评价方法及优化设计

载货汽车车架轻量化评价方法及优化设计

卢敏,马启涛

安徽江淮汽车集团股份有限公司  安徽省合肥市 230000

摘要：汽车轻量化的目的是在保证安全性能和强度的前提下，尽可能降低汽车重量，并增强汽车的动力性能，降低汽车的油耗，减少尾气污染的排放。从企业的角度来看，载货汽车质量的减轻可以节约原材料的消耗，减少生产成本，提高市场竞争力，获得直接的经济效益。汽车在整车开发时，主机厂主要生产车架和车身，但车身覆盖件由压力机、模具冲压成形，汽车悬架、动力系统等构件主要由零部件供应商制造，可开展轻量化的空间小。在整个研究过程中，首先，提出载货汽车车架轻量化评价方法，然后以轻卡车架为例，对其进行轻量化设计，并采用有限元仿真技术对其进行有限元分析，结果得出有限元分析与试验验证均在误差范围内。

关键词： 载货汽车车架；轻量化；有限元分析 

近年来，随着现代经济的发展和科学技术的不断进步，加上国内物流行业的飞速崛起，载货汽车在整个汽车中所占的比例越来越大。伴随节能环保越来越受到国家重视和企业对成本控制越来越严格，载货汽车轻量化优化设计已经成为载货汽车行业发展的主要方向。底盘车架是轻型载货汽车的主要承载部件，主要载荷包括驾驶室、底盘、发动机和货物的重力，以及汽车在行驶过程中受到的力矩和力。底盘车架强度直接关系到整车的安全性能和使用寿命。因此，在进行车架设计时，应首先保证车架静刚度、静强度、动刚度和动强度，在保证整车安全性的前提下对结构进行轻量化优化设计。

一、有限元方法的步骤

1、离散化。对原有结构进行离散化是有限元分析的首要步骤，也是有限元法的根本。这里说的离散化是指将原有的连续的结构划分成有限个单元体，并用节点把相邻的单元体连接起来，形成分析的集合体用来代替原有结构的模型。这些单元不仅仅是具有连接的作用，同时还能传递载荷。

2、位移函数的选择。对原结构离散化之后，为了更好的表示单元的应变、应力和位移，在分析连续结构问题的时候，就需要对单元中的位移分布情况作一个假设，即假设位移是坐标的某种函数关系，这种关系就是位移函数。适当的选择位移函数在有限元单元分析中是非常关键的。

3、分析力学特性。对单元进行分析的时候，关键的是要知道节点位移和节点力的关系，而这些就需要从单元结构的形状、尺寸、节点的位置、材料性质等方面入手。在选择了节点位移函数和单元类型之后，运用弹性力学的方法来建立位移和力的函数关系，从而得到单元结构的刚度矩阵。

4、整体分析。对于相邻的单元来讲，公共节点上的位移是相同的并且每个节点上的力和载荷都保持着平衡的关系，所以对离散后的连续结构可以用整体分析的方法来解决。整体分析的方法主要有以下内容：由各个单元的刚度矩阵集合成结构的总刚度矩阵；由各个单元的等效节点力集合成结构的总载荷列阵。

5、求解平衡方程。在求解结构总体平衡方程时，必须引入边界条件并修正总体平衡方程，这样才能得到结点位移。运用上述方式产生的方程，其数量一般都会比较庞大，因此需要运用一些计算方法才能求解。

二、载货汽车轻量化评价概述

随着载货汽车轻量化技术的研究发展，如何预测和衡量一个车型的轻量化实施情况，以及如何评估一款载货汽车的轻量化水平的高低及成效成为汽车行业急需解决的问题。在汽车开发初期定义目标车型的轻量化指标，可以有效推动该车型的轻量化水平以及节能减排效果。但目前国内外虽然对于轻量化的研究较多，但是具体评价指标较少，而且在评价方法的选择上也未形成一个标准体系。尤其是载货汽车，超载运输是阻碍商用车轻量化的最大原因，更没有一个通用的评价标准。过去，重型汽车节能减排的评价指标是百公里油耗指标与载质量利用系数之和，其中载质量利用系数是额定载质量与整备质量之比。因此，在相同总质量和相同百公里油耗条件下，载质量利用系数高的车，运输效率高，单位重量货物运输的油耗低。为了便于在汽车开发之初定义汽车车架整备质量，确定整车轻量化目标，车架轻量化指数 ( Light Weight Index) 是目前被汽车行业认可度较大的一个评价指标，本文用车架轻量化指数来衡量车架轻量化水平，车架轻量化指数为:

三、载货汽车车架轻量化优化设计

1、优化前车架。该车架的纵横梁连接方式采用螺栓连接，且加强盒采用老式结构，发动机前支撑、驾驶室前后支撑、变速箱吊架横梁结构均未优化，导致车架重量大，材料成本增加，且在纵横梁连接的螺钉孔附近容易发生断裂。本次拟通过优化设计改进车架纵横梁的连接结构、发动机前支撑、驾驶室前后支撑、变速箱吊架横梁等的优化设计，在保证汽车的载重和安全性不降低的情况下，使车架减重约 15% ，通过新材料、新结构的应用，使单台车架成本大大降低，对节能环保有着重要的意义。

2、优化后车架。该车架总长度为5685 mm，宽度为 780 mm，为保证车架具有足够的刚度，将驾驶室后支撑处的第 1 拱梁向前移动 300 mm，并将第 2拱梁改为连接板与横梁连接形式，确保车架安全性能; 同时，对此处纵梁内侧增 加 3 mm 厚加强梁，以确保纵梁强度及扭转刚度，加强梁和纵梁通过连接板与横梁铆钉连接组成; 另外，对第 4及第 5 横梁总成也进行减重设计，双横梁结构变为单横梁，增加了尾横梁。纵梁及横梁材料均为高强度钢 P510L。

3、车架的有限元验证

（1）有限元模型的建立与网格划分。在保持车架整体性能的前提下，建立三维几何模型。根据车架的结构特点，车架的纵梁、横梁及纵横梁之间的连接板采用二维壳单元划分网格，板件间的铆钉、螺栓连接采用一维刚性杆单元划分。通过各不同单元属性的网格划分，该车架模型共划分 81854个单元，53653 个单元节点，具体有限元模型如图。

（2）边界条件及材料属性的定义。加载: 汽车在使用过程中要承受来自各个方向的荷载的作用，主要包括货物及货箱、驾驶室、动力总成、燃油及燃油箱等载荷。依据载货汽车的载货情况及最大承载能力，确定货箱最大载荷按10000 和 12000 kg 进行核算。货箱自重约 500 kg，因此，本次计算时车架载荷按照 10500 和 12500 kg计算，并以均布载荷的方式施加于车架大梁的上翼面上; 驾驶室载荷质量为400 kg，以集中载荷的方式施加于驾驶室安装支撑上; 动力总成载荷，以集中载荷的方式施加在其相关安装位置。边界条件: 约束车架前后 8 个钢板弹簧吊耳的中心，其中，前钢板弹簧前吊耳中心为全固定约束，后弹簧吊耳的纵向移动自由度不约束，将车架总成整体模拟成一个简支梁形式。

4、车架轻量化评价。车架的强度、刚度以及车架的动态特性对整车的使用寿命、舒适性、车内噪声、操纵稳定性等基本性能影响相当大。车架要达到足够的静强度、静刚度来保证其装配和使用性能等要求。因此，车架的弯扭刚度对整车刚度的影响相当大，在设计过程中，需要校核车架刚度在各种工况条件下的变化，并判断其是否满足使用要求。整车刚度主要包括车身刚度和车架弯扭刚度，但车身覆盖件由模具成形，要进一步轻量化优化困难很大。因此，车架结构的轻量化优化设计，对于提高整车刚度，增加承载能力，是非常重要的。

轻量化是汽车工业发展的关键，是汽车产品研发的方向。随着国家节能减排、绿色环保政策法规的逐步实施，汽车轻量化为越来越多的企业所重视;而载货汽车轻量化存在的主要难点是超载情况比较严重，对载荷的预知性把握相对困难。因此，目前还没有一个统一的轻量化评价准则。

参考文献：

[1] 赵娟妮 , 王青春 , 陈佳 . 某载货汽车车架结构改进及仿真分析[J]. 成都工业学院 ,2018,21（2）:5-11.