基于有限元的某轻卡车架刚度分析

摘要：建立汽车车架的CAE模型，利用有限元方法对汽车车架进行弯曲刚度计算、扭转刚度计算与校核。通过4点约束进行弯曲刚度计算。在计算扭转刚度时，对后轮和右前轮约束、左前轮施加力。在校核扭转刚度时，对车架前、中、后三部分分别算出对应扭转刚度。通过分析计算，验证该汽车车架的弯曲刚度和扭转刚度是否符合设计要求。

关键词：有限元法；弯曲刚度；扭转刚度

中图分类号：U463.32 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0023-04

Stiffness Analysis of Light Trucks Frame Based on the FEA

RUAN Jun1，ZHANG Dai-sheng2，WANG Hai-shuo1

（1.School of Transportation Engineering，HeFei University of Technology，Hefei 230009，China；

2.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，HeFei 230009，China）

Abstract: CAE model was utilized to calculate bending stiffness and torsion stiffness and validate torsion stiffness by the FEA. Bending stiffness was calculated by 4 locations constrained. Torsion stiffness was calculated by Rear wheels and front-right wheel constrained and front-left wheel forced. Torsion stiffness of the front， middle and rear frame were calculated and validated.

Key words: FEA；bending stiffness；torsion stiffness

车架是汽车的骨架，大多数零部件都直接安装其上，承受的载荷比较复杂。车架的强度、刚度以及动态特性直接影响整车的使用寿命、舒适性、车内噪声、操纵稳定性等基本性能。车架要有足够的静刚度来保证其装配和使用要求［1］。车架刚度对整车刚度的影响很大。整车刚度一般包括车身刚度和车架刚度。因此，验证车架在一定载荷条件下是否满足设计要求，对于整车刚度和车架结构的优化设计都是非常重要和必要的。

本文以国内某轻卡的车架为研究对象（见图1），在利用CAD技术完成三维实体建模的前提下，应用有限元方法对该车车架结构进行扭转刚度和弯曲刚度分析。此外，由于车架的纵梁不是等截面的，横梁也非等距离布置，并且车架的不同部位承受的载荷不同，因而车架的扭转刚度沿车架长度不是一个常数［2］，以及车架不同部位对扭转刚度的要求也有所不同。因此，还对车架的前部、中部、后部分别进行了扭转刚度校核［3］。在通过以上分析之后，验证车架是否满足设计要求，并提出合理的建议。

1 汽车车架刚度理论

1.1 汽车车架弯曲刚度

车架的弯曲刚度是指为使汽车车架产生单位挠度所需的载荷，或载荷与所引起的车架最大挠度值之比。实际弯曲工况通常是指货车满载在良好路面上匀速行驶，车架承受的载荷包括自身载荷和有效载荷。自身载荷主要是车架自身质量、发动机、变速器、离合器等集中载荷；有效载荷指额定装载时乘员、货物等的质量，它们以集中或分布载荷的形式作用在适当位置上。

为了计算方便，可以把车架整体简化成一根具有均匀弯曲刚度的简支梁，在梁的中间加集中力，就可以得到近似车架简支梁的弯曲刚度的计算式（1）［4］，如图2所示。

2 刚度计算

2.1 弯曲刚度计算

计算弯曲刚度时，采用的边界条件是约束前悬架与车架连接点的3个平动自由度，以及后悬架与车架的连接点，即第六横梁与纵梁连接处的3个平动自由度，见图4。载荷条件是在两根纵梁的中点上分别施加一对对称的铅垂方向的集中力，大小分别为1 000 N，见图5。

通过软件hyperworks进行有限元计算，车架在弯曲工况下的变形图见图6。

载荷作用点处的挠度是0.953 mm，轴距L=4.3 m，带入公式（2），计算得出弯曲刚度EJ=3.48×106 N•m2。

2.2 扭转刚度计算

计算弯曲刚度，约束后悬架与车架连接点，即第六横梁与纵梁连接处的3个平动自由度，以及前悬架与车架右边连接点的3个平动自由度，然后最前悬架与车架左边连接点上加载一铅垂方向的集中力，大小为1000 N，见图7。

通过有限元计算，车架的扭转工况下的变形图见图8。载荷作用点处的位移是30.57 mm，力臂b=0.69 m，带入公式（5），计算得出扭转刚度Cp=280 N•m/°。

2.3 扭转刚度校核

从汽车整个结构来看，车架前后部分的扭转刚度应该大一些，而中间部分小一些［5］ 。车架前部是指驾驶室后围以前，它应有较大刚性，这样有益于发动机和驾驶室的悬置。如果前部相对较柔，当车架变形时会影响转向的几何特性，导致车架发飘，严重时会失控。因此车架前部刚度必须足够。

车架中部应允许有一定量的挠性。车架中部受到的弯曲和扭转载荷较大，车架的变形大多在这部分发生，因此驾驶室后围到后悬架以前这段车架的扭转刚度应小些，以起到缓冲作用，避免载荷集中，减小车架和悬架系统的载荷，防止局部损坏，并改善汽车在不同路面上的接地性。

后悬架之后这段悬架应有较大的刚性，因为悬架对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性影响比较大。如果汽车车架后段部分的挠性过大，汽车的侧倾稳定性、后轴的轴转向特性可能发生变化。

分别对汽车车架前、中、后三部分进行扭转刚度计算。分析前段时，约束汽车车架前部和驾驶室后围一边，另一边施加1 000 N的力；分析中部时，需要约束驾驶室后围处和后悬架一边，在后悬架另一边端处施加1 000 N的力；分析后部时，约束后钢板弹簧前端和车架后部一边，在另一边施加1 000 N的力，如图9。得到各部分扭转刚度数据见表1。

3 分析与讨论

将被研究车架的弯、扭刚度与两同类型车车架进行对比，如表2所示。

从表2中可知，被研究车架的扭转刚度值处在两参考车架的扭转刚度之间，因此我们可以认为该车架的扭转刚度适中，符合轻卡车架的一般要求。并且在上面的扭转刚度校核中可知，该车架的前部扭转刚度大于后部，后部大于中部，满足车架在扭转工况下各部位的刚度要求。

通过与两参考车架对比，发被研究车架的弯曲刚度远远大于两参考车架，但由于目前对车架结构的弯曲刚度没有一个统一的规定，该轻卡车架结构的整体弯曲刚度足够且偏大，原因可能是该车架是在普通边梁式车架基础上焊接空间框架结构使其刚度明显提高，并为以后的优化设计留出很大的空间。

参考文献：

［1］ 张铁山，胡建立，唐云.轻型汽车车架动态有限元分析［J］.南京理工大学学报，2001，25（6）：588-591.

［2］ 李峻，于学兵，张昆.汽车车架的优化设计方法［J］.机械设计与研究，2005，22（11）：26-28.

［3］ 苏庆，孙凌玉，刘福保.运用CAE技术进行微型客车车架结构的分析与优化设计［J］.农业装备与车辆，2005，173（4）：26-3.

［4］ 马迅，过学迅．工程分析在车身结构设计中的应用与前景［J］．汽车技术，2001，4：4-6.

［5］ 刘新田，黄虎，刘长虹，等. 基于有限元的汽车车架静态分析［J］. 上海工程技术大学学报，2007，21（2）：112-116.