浅谈客车车架静态计算和分析

摘 要：针对四种典型工况，对客车整体车架进行强度和刚度分析计算，进而又对整车的扭转刚度和开口变形进行了分析，对车架各部分的承载和应力分布情况有了深入的了解，为下面的改进设计奠定了基础。

关键词：工况 载荷 边界条件 扭转刚度

中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）02-0263-01

一、工况的选择

静态过程中的载荷分布为空载和满载。客车在运行时就其载荷性质而言，车架所受的主要载荷为弯曲、扭转、侧向载荷和纵向载荷等几种。弯曲载荷主要产生于乘员、货物、自身质量、设备质量。扭转载荷产生于路面不平度对车身造成的非对称支撑。

这两种载荷情况也直接关系到车架的结构强度，整车强度分析分为以下九种工况：①垂直载荷；②左转弯；③右转弯；④弯扭；⑤紧急制动；⑥起步；⑦发动机最大扭矩；⑧左转弯+制动；⑨右转弯+制动。部分工况如：扭转，发动机最大扭矩，起步，左（右）转弯+制动等工况经过应力仿真分析发现这些工况下出现的应力较大部位（危险区域）基本上已经被水平弯曲工况，极限扭转工况，急速转弯工况，紧急制动工况所覆盖。

所以，本文主要针对水平弯曲、极限扭转、急速转弯、紧急制动工况四个典型工况进行了有限元仿真计算来分析车身结构强度和刚度，为进一步进行优化设计提供参考依据。

车身车架水平弯曲工况计算

1. 载荷与边界条件

水平弯曲工况下，客车车架承受的载荷主要是由乘客、驾驶员、车身、动力总成、备用轮胎、电瓶、油箱、司机座椅、行李箱、贮气筒等的质量在重力加速度作用下而产生的。本文按照公式 R= Ko× FZ来设计弯曲载荷 R ，其中： K0为载荷系数，选取K0= 2.5 ， FZ为弯曲载荷，包括乘员、驾驶员、座椅自重、设备重量，其中重力加速度取9.8 /m s2，乘员取65kg / 人 ，其它设备按实际重量。

水平弯曲工况下，其边界条件为：约束前后轮装配位置处节点的三个平动自由度UX，UY，UZ 及三个转动自由度 ROTX，ROTY，ROTZ。

2.刚度分析

由于客车后悬较大，最大变形产生在车架后部，大小为6.817mm，计算结果的总体趋势与客车实际情况吻合。这一结果表明，该客车整体车架具有较高的刚度，变形较小。

3.强度分析

客车车架满载时，其最大应力位于地板总成与底盘车架后段连接部分， 达到84.468MPa，远小于Q235的静强度许用应力[σ] = 130.5MPa。从整体看，客车车架的最大应力为130.113 MPa，位于后悬后支撑处的纵梁上，但这一结果远小于16Mn钢的许用应力[σ] = 194MPa ，这表明在弯曲工况下，客车的强度是足够的。

二、极限扭转工况计算

1.载荷与边界条件

由于路面不平度的作用，汽车在行驶过程中将产生扭转载荷。为此，本节通过满载工况下模拟左后轮悬空时，车身车架承受的静态极限左扭转时的应力分布情况，该工况下，车身车架的载荷同满载水平弯曲工况一样。边界条件为：约束右后轮装配位置处节点的三个平动自由度UX，UY，UZ；释放三个转动自由度 ROTX，ROTY，ROTZ；释放左后轮装配位置处节点的所有自由度，约束前轮装配位置处节点的垂直方向自由度 UY，释放其它自由度。

2.刚度分析

当左后轮悬空时，车身骨架承受弯曲与扭转。在左后轮悬空的工况下，车身尾部发生了较大的扭转，车身左后部及车顶均发生了较大的变形，最大位移达到15.198mm，各部分的变形量有明显的差别。

3.强度分析

当右后轮悬空时，在极限扭转工况下左后轮悬空时，底盘车架的高应力区出现在车架后段右纵梁悬架连接处，最高应力值为145.947MPa，其余部位应力水平均有较大增加。而车身骨架的顶棚与右后部位的应力水平增加尤为明显，这是由于车身支撑改变引起的应力重新分布，且符合半承载结构车身骨架的受力特点。但整个客车车架最大应力距离 16Mn 锰钢的许用应力[σ] = 194MPa 还有较大的空间。

三、车身车架急转弯工况计算

1.载荷与边界条件

客车满载右转弯时，车身骨架将受到离心力作用而产生侧向载荷。由于离心加速度的大小由转弯半径以及行驶车速决定，作为近似计算，本文通过在横向坐标轴负方向施加一个侧向加速度0.4g来模拟右转弯工况。此外，离心力的大小还受到车载质量的影响。

边界条件：约束右前轮装配位置处节点的三个平动自由UX，UY，UZ；约束左前轮装配处节点的垂直方向自由度UZ和纵向自由度UX；约束后轮装配位置处节点的纵向自由度 UZ 和垂直自由度 UY。

2. 刚度分析

当客车满载右转弯时，急速转弯工况时，车身结构的变形特征为车身沿着侧向（X）向一边弯曲。紧急转弯工况下车身受到了较大的侧向力的作用，车身顶棚和左右侧围发生了较大的侧向位移变形，并且从车身前部到车身后部，其位移变形量是逐渐增加的，由于车载质量集中分布在车身骨架底层，底纵梁侧向位移略小于顶部的侧向位移。最大位移出现在车身顶棚尾部其值为17.865mm，相对于水平弯曲工况，最大位移值有较大的增加。主要是因为顶部刚度相对于底部来说要小得多，在较大的侧向力作用下发生了较大的变形。

3.强度分析

当客车满载右转弯时，紧急转弯工况下的车身骨架应力分布规律大体与水平弯曲工况下的相似，总体的应力水平不大，最大应力值依然出现在车架与后悬连接处，其值为114.19MPa；车身骨架处应力较大的部位出现在右侧围的后门立柱处，其值为84.743 MPa。分析结果显示，客车车架的强度是满足该工况的要求的。

四、车身车架紧急制动工况计算

1.载荷与边界条件

汽车加速或制动时，车身骨架将承受纵向载荷，纵向载荷的大小取决于制动减速度和车载质量，惯性力的大小取决于制动减速度的大小，假设制动时前后各车轮同时抱死进行计算，在车身骨架上施加一个纵向加速度来模拟紧急制动工况。边界条件：约束前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX，UY，UZ；约束后轮装配位置处节点的垂直自由度 UY 和纵向自由度 UZ，释放其它自由度。

2.刚度分析

当客车满载紧急制动时，在纵向加速度的作用下，车身尾部略向前收缩，而车身前部略前倾，所以最大变形值产生在车身顶棚前部其值为9.872mm，其值比水平弯曲工况下的最大变形稍大些。车身各部位的变形规律大体与水平弯曲工况相同，这说明紧急制动工况对该客车车架的位移变形影响不大。

3.强度分析

当客车满载紧急制动时，由于惯性力的作用，车身的应力分布没有发生明显的变化，高应力部位仍集中在第六横梁与后悬纵梁的联接处，最高应力值为90.9414MPa。车身骨架的高应力区出现在侧围立柱与顶棚的连接处，应力值为5.211MPa，但仍远小于许用应力σs= 235MPa 。

五、整体刚度计算

车身整体刚度是指由车身结构反映出的，承受的载荷与自身变形之间的关系特性。刚度不足，会引起车身的门框、窗框等开口处的变形过大，以至车门卡死、玻璃砸碎、漏雨、渗水及内饰脱落等问题，同时还会造成车身振动频率低、发生结构共振，破坏车身表面的保护层和车身的密封性等，这些都会大大影响客车的寿命和整车性能。车身整体刚度主要包括弯曲刚度、扭转刚度，理论分析和许多试验结果都表明，客车车身车架在水平弯曲工况下的变形很小，故只需考虑扭转工况下的扭转刚度

1.扭转刚度

六、分析与总结

通过以上对LCK6830G客车车架的有限元分析计算，结合起客车的实际使用情况，可以总结出以下结论：

1.在弯曲工况下，LCK6830G客车整体车架应力水平较低，而在弯扭工况应力水平虽有所提高，但总体依然远低于材料的静强度许用应力，即该车架的强度过剩；

2.在四个典型工况下，车身骨架上除少数杆件，大部分变形很小，说明该车架的刚度高；

3.下述区域可以考虑减重：

3.1驾驶区和前排座椅及中段地板地区；

3.2底盘车架中前部横梁；

3.3 左右侧围以及前后围非承载骨架；

3.4顶盖骨架的内纵梁；

综上所述，因为LCK6830G属于城乡公交车，采用的是承载式底盘车架和半承载式车身结构，设计比较保守，刚性高，强度远小于材料的许用应力，只是个别局部地区需要加强，所以该客车车架的轻量化设计是十分必要的。

参考文献

[1]《客车构造与检修》出版社：中国铁道出版社 袁清武 编

[2]《客车的维护与检修技术》 出版社：湖南科技 朱则刚、刘道春、罗礼培编