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汽车车架强度分析及优化 1 2 马洪慧 张瑞彩 河北中兴汽车制造有限公司 河北省保定市 071000 摘要：汽车车架是发动机、底盘、车身和货厢等各主要总成的安装基础，车架的作用是承 受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等，所以车架的强度 和刚度在汽车设计中十分重要。文章在对载重汽车车架强度计算、试验基础上,进行了车架应力 分析,并就作用于车架的载荷形式、载荷位置的变化以及考虑与不考虑货厢对车架强度的影响问 题进行了研究,计算与试验结果吻合,为车架节材研究奠定了基础。 关键词：汽车；车架强度；分析；优化 中图分类号：U463.32 文献标识码：A 1 导言 车架是汽车的主要部件,深入了解车架的强度特性是车架结构设计改进和优化、节约材料的 基础。长期以来,由于汽车车架的设计与计算主要考虑静强度,所以轻量化的目标很难实现,随着 对汽车轻量化和降低成本的要求日益迫切,车架强度研究成了关注的课题。 2 力学模型 本文采用有限元法进行计算,把车架离散为有限单元,首先进行单元特性分析,组集单元特 性矩阵,再进行整体分析,引入车架边界支承条件及载荷条件,求解平衡方程得出节点位移,计算 应力,从而进行车架强度计算和校核.汽车车架结构复杂,为了简化计算,在建立有限元模型时, 为了减少单元数量,在不失对主要因素研究的前提下,略去次要杆件,这些杆件是为了满足构造 或使用上的要求而设置的,并非应强度要求而设,其横截面积很小,在结构的计算模型中可以忽 略.在对车架进行有限元划分时,根据车架结构特点,可将其简化为梁单元模型,整个车架只承受 垂直方向的集中及分布载荷。车架属薄壁梁构件,根据弹性力学理论,非圆截面杆的横截面在扭 转变形后要发生翘曲,必须考虑扇形惯性矩的影响,一般有限元计算程序在形成单元刚度矩阵时 没有考虑翘曲的影响,因此在应用其对车架结构分析时,必须对单元刚度矩阵进行修正,用考虑 两端翘曲约束影响的当量惯性矩代替扭转惯性矩。 3 弹性元件和约束的处理 汽车的车架是同悬挂系统一起工作的,不同的悬挂系统对车架的强度、刚度影响很大,为了 使计算更符合实际工况,在汽车工程中,常把悬挂元件与车架(甚至车身)组合起来一起计算.在 建立车架有限元计算模型时,可把汽车的钢板弹簧理想化为两根垂直的柔杆和一根刚度大的平 衡杆件-柔杆、刚梁共同模拟悬挂系统.在应用计算机程序对含有纯弹性元件的结构进行结构分 析时,除上述方法外,还可使用伪单元,读入刚度单元模拟,即把各弹簧元的单元刚度矩阵输入程 序中,程序会根据单元定位向量自动将此弹簧元的刚度矩阵迭加到车架总刚度矩阵中去。 4 车架有限元计算 4.1 模型建立 载重汽车车架均由梁组成,一般是两根纵梁和几根横梁,所以在车架模型化时,只需采用三 维梁单元和杆单元计算模型(模型 A),而当考虑货厢的存在时(模型 B),假设车架和货厢组成一 连续体,即强化了货厢与车架之间的联系,在简化时,忽略货厢底板纵向骨架以外(横向方向)部 分底板和侧板的影响,并将波纹底板视为平板。货厢模型中,底架用梁单元表示,底架以内的底板 用板单元表示,图1 为某汽车车架A 类有限元模型。 图1 A 类有限元模型(均匀载荷) 4.2 光车架强度计算 为便于比较与分析,探索车架应力随作用于车架上载荷位置移动而变化的情况,先以光车架 为研究对象,这里所谓光车架是指车架上未安装驾驶室和货厢。经实验结果表明,应力随作用在 车架上载荷的纵向位置移动而变化,在后悬后部和前悬前部作用垂直向下的载荷时,车架上的应 力主要是正应力,而其他部位作用同样载荷时,车架上的应力主要是负应力,也就是说,在货厢区 段的车架上,当载荷作用在后悬前、后部位时,产生的应力方向相反。说明车架强度随货厢载荷 作用于车架形式变化的信息,这为改进车架结构设计,有效改善车架应力分布,节约材料提供了 参考。 4.3 承载条件下车架强度试验 在有限元分析的基础上进行车架强度试验,以验证计算的正确性,试验(布片方案从略)及加 载工况和计算时相同,弯曲强度试验工况分别为载荷在车厢内均布、前偏、后偏和侧偏,扭转强 度试验工况分别为抬高左前轮、抬