重型汽车车架轻量化设计

李洪波，等：重型汽车车架轻量化设计

整车的轻量化具有重要意义。上连接板与车架纵梁上翼面连接处）。

减轻车架质量的方法不外乎２种：一是采用

高强度材料替代强度相对较低的材料；二是对车

架总成结构进行优化设计，提高材料利用率。经

过初步工艺分析、成本核算，决定同时采用这２种

方法对车架总成进行轻量化设计。

１对现有车架进行有限元分析

根据新的市场输入，按照欧洲卡车车架分析方法，对现有车架进行有限元分析，以发现现有车架强度及结构特性，为轻量化设计找到途径。１．１现有车架建模及前处理

利用ＣＡＴＩＡ搭建整车数学模型（包含车架模型），选取车架数模作为研究对象，采用Ｈｙｐｅｒ－ｗｏｒｋｓ对车架及安装在车架上的部件进行约束、简化、网格划分，如图１所示。

图１现有车架数学模型

１．２工况强度分析和疲劳分析

根据市场输入，推导出车架承受的载荷。将此载荷加载到车架模型上，按照ＩＶＥＣＯ车架分析方法，利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ对车架进行弯曲和扭转工况强度分析及疲劳分析。

１．３分析结论

由以上有限元分析可知：一方面，现有车架整体刚度较大，车架强度富余较多，极有必要进行结构优化，以减轻质量、降低成本；另一方面，现有车架局部应力较大，存在疲劳开裂的风险（如后横梁

图２扭转．ｒ－２ＳＬ分析

２轻量化车架设计

２．１方案设计

２．１．１纵梁型式确定

经调研，综合各方面的信息，并考虑成本因素，初步决定采用单层纵梁。纵梁截面如图３，纵梁参数见表１。

图３纵梁截面

由公式Ｆ＝职×盯。计算可知，由于采用了高强度材料，轻量化车架纵梁的承载能力比现有车架提高了４．５％；且高强度材料每千克单价仅比现有纵梁材料贵２．７％。考虑到单层纵梁材料用量必然低于目前所用纵衬梁双层结构，故材料成本和质量定会降低。因此，决定采用此单层纵梁

结构。

李洪波，等：重型汽车车架轻量化设计１１３

构强度、降低应力。轻量化车架最终设计方案如相应改进，进一步完善车架总成。

图９。

图９轻量化车架最终设计方案

３车架台架试验

为缩短计算时间、降低计算难度，用于有限元分析的车架数学模型、各零部件的约束以及负荷，都已经过数学简化。这就注定了有限元分析与实际情况或多或少存在差异。为采集真实试验数据以验证有限元分析的准确性，有必要进行车架台架试验。而且，车架作为重型汽车的基础构件，与大量其他部件有装配关系，一旦车架结构改动，很可能牵一发而动全身。所以，稳妥起见，也有必要进行车架台架试验。

３．１车架台架试验的原理

既然车架台架试验是为了验证有限元分析，那么台架试验就应该按照有限元分析的方法（即弯曲、扭转２种工况）进行。试验的关键，是台架系统的设计与搭建、车架总成的约束以及负荷的控制。

３．２车架台架试验的主要内容

台架试验的主要内容包括各工况的应力测量、弯曲工况疲劳试验、扭转工况疲劳试验，如图１０—ｌｌ。试验严格按欧洲标准进行。

３．３试验结果及改进

台架试验测得的实际应力与有限元分析大体一致；车架各部件顺利通过疲劳试验；但部分螺栓有松动、断裂。

经过对失效的螺栓连接进行微观分析，做出

图１０台架试验——弯曲工况

图１１台架试啥一扭转工况

４整车可靠性道路试验

通过台架试验后，车架总成已可以基本定型，并进行初步工程发布（ＰＥＲ）。但要最终定型并最终工程发布（ＦＥＲ），还须完成整车可靠性道路试验。道路试验通常在专业试验场强化路面上进行。试验时，车辆分别以满载和超载状态，在由比利时路面、扭曲路面、鹅卵石路面等按比例构成的强化路面上行驶。行驶里程按行业和企业试验规范。

通过对现有车型和轻量化车型在相同路况、装载条件及行驶里程等相同工况下进行对比试验，试验结果与台架试验结果吻合。

５设计成果

经核算，最终定型的轻量化车架总成质量减小了２５％，成本降低了２０％，均达到设计目标。

（下转第１２２页）

１２２重庆理工大学学报

ＡＶＬＤＩＳＭＯＫＥ４０００也是一种分流式烟度测量仪（原理见图２），它是以光吸收的物理作用为工作原理，在测量室的两端分别装有光源和光电池，部分排气从入口进入到检测室（检测室被加热到１００℃），流经检测室的排烟气流吸收和散射了从光源发出的平行光束，使检测器接收到的光信号随排气烟度变化，经过电路系统的转换，输出排烟的光吸收系数Ｋ和不透光度Ⅳ。同时内置的风机把低压的清洁空气导人测量室的两侧，是光源和光电池与柴油机排烟隔开，从而保持了光源和光电池的清洁和冷却，也保持了烟度仪内部的压力平衡，最后导入的空气把排烟一起带人大气。量推荐使用精度更高的ＡＶＬ４３９烟度测量仪。而在发动机的瞬态工况，如启动、加速及突加负荷等，发动机排烟易形成较大的烟色，因此２种仪器都被推荐使用。

４结束语

随着全球社会对环境保护的呼声日益高涨，柴油机排放法规日趋严格，这不仅促进了柴油机降低烟度技术的研究和应用，同时也促进了柴油机烟度排放测试技术和测试仪器的发展。因此，在柴油机大步发展的今天，同时也应大力发展发动机的测试仪器和测试技术。

参考文献：

［１】李勤．现代内燃机排气污染物的测量与控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社。１９９８．

［２］李兴虎．汽车环境保护技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社。２００４．

图２ＡＶＬＤＩＳＭＯＫＥ４０００不透光烟度测量仪原理［３３ＧＢ

１７６９１－－２００５，车用压燃式、气体燃料点燃式发动

机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国１１Ｉ、ＡＶＩＡ３９与ＡＶＬＤＩＳＭＯＫＥ４０００相比，精度要Ⅳ、Ｖ阶段）［ｓ］．

较高，性能更稳定，但价格昂贵。ＡＶＬＤＩＳＭＯＫＥ［４］ＧＢ３８４７－－２００５，车用压燃式发动机和压燃式发动机４０００较小巧，价格也相对便宜，也应用广泛。由于汽车排气烟度排放限值及测量方法［Ｓ］．

现代柴油机的高速发展，发动机在稳态工况的不

透光烟度值已经非常小，因此稳态工况的烟度测（责任编辑刘舸）

（上接第１１３页）

６结束语

轻量化车架的研发，严格按照欧洲新产品开发流程，通过车架的有限元分析、台架试验、整车可靠性道路试验和用户实际使用验证，积累了大量的试验数据，为后续的新产品研发奠定了坚实的基础。

参考文献：

［１］龚培康．汽车拖拉机有限元法基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社。１９９５．

（责任编辑陈松）