近年來，交通運輸、公路管理等國家部門在全國范圍內對超載車輛的查處日益嚴格，《道路機動車輛生產企業及產品公告》管理制度日益規范和完善，政府出臺了一系列政策、法規，大力倡導節能減排。這些因素促使道路運輸車輛，特別是重型汽車，出現了輕量化的趨勢。同時，迫于激烈的市場競爭、原材料價格上漲的壓力，為降低整車成本、降低整車質量以提高載質量利用系數進，而降低車輛使用油耗，產品輕量化也是汽車企業自身發展的需要和應盡的社會責任。對重型汽車而言，車架自重是整車整備質量的重要貢獻源。因此，車架的輕量化對重型汽車整車的輕量化具有重要意義。
　　
　　減輕車架質量的方法不外乎兩種：一是采用高強度材料替代強度相對較低的材料；二是對車架總成結構進行優化設計，提高材料利用率。本文采用改進結構的方法來實現輕量化的目的。
　　
　　2 車架結構有cae限元分析
　　
　　某載貨車車架縱梁是由雙層板所組成的，車架內外板之間通過鉚釘鉚接在一起，同時板簧支架采用鉚接和螺栓連接相結合的方式固定在車架上。
　　
　　使用Altair-Hyperworks軟件建立車架強度分析的有限元模型，車架受力變形的過程中內板與外板之間存在相互接觸的作用，為了準確的描述內、外板的相互作用，在車架內、外板之間建立間隙單元（Gap單元），通過控制間隙單元的參數如初始開口、預載荷、張開剛度、閉合剛度、滑移剛度，靜摩擦系數，動摩擦系數來模擬它們之間的接觸關系。螺栓孔處采用剛性多點約束rigid來將被連接件受力區域與螺栓單元端部節點相連接，以達到傳遞位移和載荷的目的，螺栓主體被簡化成梁單元，再將其材料屬性如彈性模量、泊松比、密度、截面形狀等賦予梁單元。鋼板彈簧支架與車架的連接區域也同樣建立接觸間隙單元來準確模擬二者之間的相互作用。在螺栓與鉚釘上施加預緊力來描述螺栓和鉚釘對車架面與面結合部位之間的壓緊作用。
　　
　　建立懸架區域的有限元模型，車橋采用與其實際幾何尺寸相同的梁單元模擬，鋼板彈簧采用剛性單元與彈簧單元相結合的方式模擬，對于輔助鋼板彈簧與輔助鋼板彈簧支架之間的間隙使用間隙單元的初始開口來模擬，這樣在主簧被壓縮一定形變后，輔簧開始起支撐作用，與實際情況一致。對于車廂、貨物、駕駛室、乘員、動力總成（發動機和變速箱）等大質量的部件建立質量單元，并通過柔性多點約束耦合到承載面上。雙層車架結構有限元模型如圖1所示。
　　
　　　　
　　圖1 雙層車架有限元模型
　　
　　使用RADIOSS求解器計算如下四種工況下車架的強度，超載彎曲工況：超載條件下于兩個后輪（驅動輪）中心點約束三個平移自由度，前輪中心點約束，兩個平動自由度，x（水平向前）方向不約束，動載載荷系數取 2.5；超載側扭工況：超載條件下約束一側車輪X、Y、Z三向平動自由度，在另一側車輪加強制位移100mm，動載載荷系數取 1.5；超載前扭工況：超載條件下動荷系數取K＝1.5，左右前輪中心分別施加上下強制位移100mm，后輪約束X、Y、Z三向平動自由度，超載后扭工況：超載條件下載荷動荷系數取K＝1.5，左右后輪中心分別施加上下強制位移100mm，前輪約束X、Y、Z三向平動自由度。
　　
　　使用HyperMesh做前處理并提交到RADIOSS求解，計算完成后使用HyperView查看結果，雙層車架結構在超載各工況下**應力都小于車架材料500L的屈服極限，均滿足強度要求，如圖2所示雙層車架結構超載彎曲工況應力云圖，**應力443.31MPa，產生在輔簧支架與車架相連接的部位，分析其原因主要是由于車輛在過載的情況下主簧被壓縮到極限位置而導致輔簧承受過大的載荷。如圖2所示雙層車架結構超載彎曲工況應力云圖。
　　
　　　　
　　圖2 雙層車架結構超載彎曲工況應力云圖
　　
　　3 車架結構輕量化設計及分析
　　
　　雙層縱梁車架結構由于整個車架上都安裝有車架內板，質量大、成本高，考慮采用單層車架結構，即不使用車架內加強板的結構，并校核是否滿足極限工況下的強度要求。建立單層車架結構的有限元模型并進行分析，發現在超載彎曲工況下單層車架結構輔簧與車架連接處**應力539.92MPa，超過材料的屈服極限（500MPa），不能滿足強度要求，其它工況**應力在屈服極限以下。如圖3所示單層車架超載彎曲工況應力云圖。
　　
　　　　
　　圖3 單層車架超載彎曲工況應力云圖
　　
　　單層車架結構超載彎曲工況下不能滿足cae仿真要求，分析其原因主要是后懸架鋼板彈簧支架與車架連接的區域在減少了一層車架后的強度減小了，而在實際工況中，鋼板彈簧支架與車架連接的區域是主要承載區，很容易破壞，車架的其它部位在各種工況下的應力水平不高，故需要加強鋼板彈簧支架與車架連接區域的車架結構，經過與設計人員討論研究，采用延長車架橫梁與縱梁連接板的長度至鋼板彈簧支架支撐區域，使連接板起到雙層縱梁內板的效果，增強車架局部區域的強度。建立改進單層車架結構有限元模型并提交計算，如圖4所示改進單層車架結構超載彎曲工況應力云圖，可以看出改進單層車架超載彎曲工況**應力373.43MPa，滿足強度要求且小于雙層縱梁車架在該工況下的**應力（443.31MPa）。
　　
　　　　
　　圖4 所示改進單層車架結構超載彎曲工況應力云圖
　　
　　雙層車架、單層車架、改進雙層車架三種結構極限工況計算結果見表1。
　　
　　表1 三種結構極限工況下強度對比
　　
　　　　
　　根據表1分析可見改進單層車架結構滿足極限工況下的強度要求，相對于原雙層車架結構超載彎曲工況和超載側扭工況下**應力有所降低，超載前扭和超載后扭工況**應力雖略有升高，但是都在安全范圍內，而且質量比雙層車架結構減輕了143Kg，達到了強量化的目標，同時可以**提高燃油經濟性。
　　
　　4 總結與展望
　　
　　本文應用Altair-HyperWorks軟件對某載貨車雙層縱梁車架和單層縱梁車架進行了分析并提出結構改進建議，加強懸架與單層縱梁車架聯接區域的局部強度，通過延長橫梁與縱梁連接板的方案，對比分析驗證局部加強方案的可行性，減輕了車架質量，達到輕量化目的。
　　
　　對于車架結構設計要做到合理的分配材料，與懸架連接區域應該適當加強，將來可以嘗試采用副車架結構，車架其它區域適當減少材料。以達到輕量化目的。

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