一种重卡车架轻量化结构设计及有限元分析

作者简介：严国祥（1982-），男，山西运城人，本科，工程师，主要从事商用物流车、专用汽车的轻量化结构设计工作。

收稿日期：2021-10-18一种重卡车架轻量化结构设计及有限元分析
严国祥，薛士博，王雪飞，蒋岩（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）
摘要：介绍一种基于有限元分析的钢铝混合重卡车架的结构设计：车架材料主要是500L 大梁钢及6×××系铝合金挤压型材，由左右两支钢制纵梁、若干铝合金横梁组成主要受力框架。

纵梁采用原主机厂设计结构样式，横梁断面设计成抗弯刚度和连接性较好的工字型，各零部件之间通过铆钉或高强螺栓连接。

设计过程中通过有限元分析模拟了满载状态下的侧向工况和对扭工况，并重点分析了平衡悬架连接处的结构强度。

经过反复分析、结构优化，车架各处应力均低于材料屈服强度，抗弯和抗扭刚度与原钢车架相当。

对比结果表明，相比同类钢制车架，铝合金车架可减重40%。

关键词：铝合金；卡车；车架；有限元分析；轻量化中图分类号：TG146.21
文献标识码：A
文章编号：1005-4898（2022）01-0046-04
doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2022.01.10
0前言
随着我国经济的快速发展，电商、快递业呈爆
发式增长，货物运输量剧增，导致商用物流车需求加大，物流运输行业竞争加剧。

为控制成本，增加货运量，各物流企业对车辆的性能、油耗、载质量利用率要求越来越高，而解决上述问题的最佳方案莫过于减重。

轻量化设计对传统燃油汽车而言可显著降低油耗；对新能源汽车则可增加续航能力；对于商用物流车最明显的优势是多拉货物，空载时降低油耗，从而在相同运费情况下增加收益，显著提升竞争力。

车架材料主要是500L 大梁钢及6×××系铝合金挤压型材，是负责承载整车上部载荷的核心部件
[1-2]。

因此，在车架轻量化设计时就要充分考虑其
强度。

目前钢制车架的纵梁、横梁普遍采用高强钢板折弯成型，再铆接而成。

相对于普通钢制车架，高强钢车架在钢板壁厚上做了一定程度的减薄，因其材料屈服和抗拉强度高，既能满足使用要求，轻量化效果也不错。

但因钢板壁厚薄，若工作环境恶劣就很容易被锈蚀，影响车架强度，使用寿命很短。

铝合金密度仅为钢的三分之一，其表面有一层致密的氧化膜，可以隔绝空气与铝的接触，作为车
架材料永不会生锈，通过合理的结构设计后，可以实现又轻、又强、又耐用效果，对于车架的轻量化很有意义[3]。

汽车在行驶时，车架在承载货物的同时还承受来自装配在其上的各部件传来的力及其相应的力矩的作用。

当汽车行驶在崎岖不平的道路上时，车架在载荷作用下会产生扭转变形，使安装在其上的各部件相互位置发生变化。

当车轮受到冲击时，车架也会相应受到冲击载荷。

因而要求车架具有足够的强度、合适的刚度，同时尽量减轻重量。

随着计算机技术的发展，在产品开发阶段，对车架静应力、刚度、振动模态以至动应力和碰撞安全等均可以进行有限元分析，对其轻量化、使用寿命，以及噪声和振动特性也可以做出初步判断，大大缩短产品的开发周期。

本文利用有限元分析工具模拟了满载状态下侧向、对扭等工况，重点分析了各个横梁连接结构强度，为重卡车架轻量化结构设计提供理论分析和数据支持。

1车架结构设计
汽车车架结构形式通常采用边梁式、中梁式和
综合式三种车架结构，载货汽车车架多采用边梁式
结构。

边梁式结构车架的承载能力不仅与纵梁有关，还与横梁有关，横梁用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，载货汽车车架总成由两边的纵梁和5～6根横梁组成[3-4]。

钢铝混合车架设计参考普通钢制车架结构，按等强度原则设计，以最大程度减重。

通常，纵梁的上翼板沿全长不变或局部降低，前后两端根据车轴及悬架系统高度，将下翼板抬高，并在变截面处做均应力过渡，车架宽度尺寸根据悬架形式确定。

若前部选用空气悬架，后部为板簧悬架，则纵梁为前宽后窄；若前后均为板簧或空气悬架，则纵梁等宽。

1.1车架主体
车架主体采用传统非全承载梯形结构，由两根相互平行但开口朝内、冲压制成的槽型钢制纵梁及横梁组件通过铆接或螺接而成。

横梁组件除后桥平衡悬架横梁外，均采用6×××系铝合金型材制成，横梁的布置和间距根据底盘其它功能件的安装空间合理设计，如图1所示。

图1车架主体
1.2车架纵梁
车架纵梁采用前后等宽通直梁形式，纵梁为传统槽型断面结构，材料采用500L钢。

1.3车架横梁
第一横梁组件因连接件为铸钢，横梁为圆管，若改为铝合金，无法与铸钢件连接，因此仍沿用钢制结构。

第二横梁组件由T型材与折弯后的带槽T型材插接后角焊焊接，形成上平下拱的横梁焊合，然后再通过铆钉或法兰螺栓与L型过渡板连接而成，如图2（a）所示。

第三、第四及第五横梁组件共同承担车架中部抗扭转的作用。

第三、四横梁组件结构相同，中间横梁为C型铝型材，与纵梁通过L型过渡型材连接，型材内圆角与钢制结构相比做了加大处理，以避免应力集中，如图2（b）所示。

第五横梁组件因下翼板为拱形，横梁拆分成两个零件，经机加、
焊接而成。

（a）第二横梁组件（b）第三、四横梁组件
图2车架横梁
第六横梁组件位于后桥平衡悬架部位，承受来自地面的动载荷较大，因此该处有钢铝两种方案，第一种方案采用铝合金工字型材与L型型材铆接制成，考虑到此结构为应力集中区域，着重加厚加高，如图3（a）所示。

第二种方案采用原钢制结构，横梁由双槽型折弯钢板背靠背焊接而成，与纵梁通过4个L型过渡板连接，如图3（b）所示。

第七横梁及管梁位于车架中后部非应力集中处，起到辅助抗扭作用。

第八横梁即尾梁，使车架后部形成
一个封闭型的框架，承担着车架后部的抗扭转作用。

（a）铝合金结构图（b）原钢制结构
图3第六横梁组件的两种构成方案
2有限元分析
采用有限元法对钢铝混合结构的两种方案以及原钢制结构进行对比分析，了解并掌握其在运输过程中的受力状态，对车架的使用、更换和故障预测具有重要的指导意义，同时也为结构的设计开发及优化提供可靠的理论基础。

2.1有限元模型
两种方案均使用钢制车架纵梁，第二、第三、第四、第五、第七、第八横梁组件等均为铝合金结构。

区别在于，方案1中所有铝合金横梁组件均使用Al6082-T6材质，方案2中第六横梁组件为原钢制结构，其余铝合金横梁组件均使用Al6061-T6材质。

忽略非主要承载件以及悬架系统，对模型进行抽中面处理，采用壳单元模拟型材及板材件，螺栓以及焊接方式用刚性单元模拟。

材料属性均按照国家标准GBT6892-2006和GB/T3273-2005执行[1-2]，具体材料参数如表1所示。

第一横梁第二横梁第三横梁第四横梁第五横梁第六横梁第七横梁第八横梁
表1车架材料属性
材料
Al6061-T6 Al6082-T6
500L 屈服强度
/MPa
240
260
500
抗拉强度
/MPa
260
310
-
弹性模
量E
69000
69000
210000
泊松比γ
0.33
0.33
0.3
延伸
率/%
7
6
-
2.2分析及讨论
2.2.1强度分析
为了更真实地模拟车辆在实际运输过程中的受力状态，本文研究该车架在承受满载条件下的侧向及对扭两种工况的应力应变状态，满载按31t计。

详细强度分析结果见表2。

（1）侧向工况：车辆满载静止或匀速行驶，垂向载荷动载系数取K=1.5，侧向载荷动载系数取K=0.4。

（2）对扭工况：辆满载静止或匀速行驶，垂向载荷动载系数取K=1.5，一轴左前轮、三轴四轴右后轮分别施加强制向上位移300mm，二轴释放。

方案1的对扭工况强度分析结果如图4所示。

第六横梁及连接板的最大等效应力为315.51MPa，大于Al6082-T6的屈服强度260MPa。

第六横梁应力云图中的深色区域内表明已经发生塑性变形。

管梁与连接板的焊缝区域应力小于焊缝屈服强度：即80.26MPa<156MPa，符合强度指标。

总体来看，方案1的第六横梁组件强度不足，应对其进行加强
优化。

图4方案1的对扭工况应力云图
表2强度分析结果对比表（强度/MPa）
工况
侧向对扭
方案1
非焊接
区域应
力最大
值
234.22
315.51
非焊
接区
域指
标
260
260
焊接区
域应力
最大值
134.27
80.26
焊接
区域
指标
156
156
方案2
非焊接
区域应
力最大
值
170.27
237.24
非焊
接区
域指
标
240
240
焊接
区域
应力
最大
值
134.77
82.49
焊接区
域指标
140
140
2.2.2刚度分析
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，要进一步轻量化困难很大。

因此，车架
结构轻量化的优化设计对于提高整车刚度、増加承
载能力是非常重要的[5]。

详细刚度分析结果见表3。

根据强度分析结果，方案1不满足强度要求，
故选用方案2与原钢制结构方案进行刚度分析对
比，情况如下：
（1）原钢制结构方案
两加载点平均挠度f=0.12226mm
弯曲刚度C B=F/f[1]=16358.58N/mm
扭转角α=（f1+f2）/L=0.00391°
扭转刚度K t=πFL/180α=4822.68N·m/（°）
（2）方案2
两加载点平均挠度f=0.121673mm
弯曲刚度C B=F/f=16437.50N/mm
扭转角α=（f1+f2）/L=0.004°
扭转刚度K t=πFL/180α=4714.17N·m/（°）
表3刚度分析结果对比表
刚度类型
弯曲刚度
/(N·mm-1)
扭转刚度
/(N·m/°)
方案版本
原钢制结构方案
方案2
原钢制结构方案
方案2
刚度
16358.58
16437.50
4822.68
4714.17
变化量/%
提高0.482
降低2.25
2.2.3模态分析
模态分析主要进行一阶扭转模态、一阶侧向弯
曲模态及一阶垂向弯曲模态，详细模态分析结果见
表4。

表4模态分析结果对比表
阶数
1
2
3
频率/Hz
原钢制结构
方案
4.014
8.663
12.666
方案2
4.013
8.939
13.064
变化量
-0.001
0.276
0.398
振型
一阶扭转
一阶侧向弯曲
一阶垂向弯曲
因此，从上述有限元对比分析结果可知，全铝
横梁结构的方案1不满足强度要求，而钢铝混合横
梁结构的方案2在强度、刚度及模态等三方面基本符合理论要求，是合理可行的。

另外方案2还对车架强度薄弱部位进行了适当加强，提升了车架的实用性和可靠性。

3结论
通过合理设计型材断面和车架结构，选用可靠的连接方式，结合有限元仿真分析，优化后的钢铝混合车架比传统钢制车架不仅减重效果明显（减重约40%），而且强度和刚度也可满足载荷要求。

此次设计为重卡轻量化探明了一个方向，有助于铝合金材料在卡车行业的推广及应用。

结合现代工艺上的不足，我国对汽车轻量化的新工艺方法研究将不断持续，使轻量化的设计更好地应用在重型商业汽车运输上，同时将“低碳经济效应”应用在物流业及汽车运输中，降低经济成本，提高运输质量与安全系数，为我国的企业、社会公众及环境保护做出一份贡献。

参考文献
[1]GB/T3273-2005，汽车大梁用热轧钢板和钢带[S].
[2]GB/T6892-2006，一般工业用铝及铝合金挤压型材[S].
[3]姚明波.关于重型商用汽车的车架轻量化设计研究[J].
山东工业技术，2017（5）：271-275.
[4]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2009：
161.
[5]王青春，赵娟妮，杨芳，等.载货汽车车架轻量化评价
方法及优化设计[J].锻压技术，2017，42（9）：174-181.
Lightweight structure design and finite element analysis of
a heavy truck frame
Yan Guoxiang,Xue Shibo,Wang Xuefei,Jiang Yan
(Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd.,Liaoyang111003,China)
Abstract：This paper introduces a structural design of steel-aluminium hybrid heavy truck frame based on finite element analysis.The frame material is mainly500L alloy steel and6series Al alloy extruded profiles.It is composed of two left and right steel longitudinal beams and several aluminium alloy crossbeams.Longitudinal beam is designed by the original main machine factory.The cross-section of the beam is designed as I-shaped with good flexural rigidity and connectivity.The components are connected by rivets or high-strength bolts.Finite element analysis was carried out during the design process to simulate the lateral and torsional working conditions under full load,and the structural strength of the balance suspension connection was emphatically analyzed.After repeated analysis and structural optimization,the stresses in all parts of the frame were lower than the yield strength of the material,and the bending and tor⁃sional stiffness were equivalent to that of the original steel pared with similar steel frame,aluminium alloy frame can reduce weight by40%.
Key words：aluminum alloy；truck；frame；finite element analysis；lightweight
美铝发布新的聚焦于低碳可持续发展的技术路线2021年11月8日，美铝发布了最新的技术路线图，将聚焦于3条低碳主线，帮助美铝在2050年达到零碳排放的目标，以支持美铝实现新的愿景——为可持续的未来重塑铝工业。

这3条低碳主线主要包括：（1）氧化铝未来精炼技术；（2）AS-TRAEA™金属纯净化技术；（3）零碳排放的ELYSIS™技术。

为了实现上述目标，美铝将在2021年至2023年间，在此技术路线上一共投入1.4亿美元，其中的大头将投向ELYSIS™技术，占58%。

商务部：铝行业产能利用率85%以上已无过剩产能商务部近日就产能过剩问题表示，2018-2020年间，中国累计压缩粗钢产能1.5亿吨，现在中国的粗钢产能利用率是80%以上，铝行业产能利用率是85%以上，所以这两个行业已经没有产能过剩了。

中国对未来是否出现产能过剩保持高度警惕，致力于通过市场化、法治化的方式建立完善化解产能过剩的长效机制。