某轻型货车车架轻量化设计与研究-王金20160515
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数值对比
是
图 3 轻型货车车架结构轻量化设计的流程
因前章节已证明所建立的有限元模型具有较高可行度，现可根据车架各部件自身结构特点，选 用最优的结构优化设计方法开展轻量化。轻量化前、后零部件状态表见表 3 所示。
表 3 轻量化前、后零部件状态对照
优化前状态 名 称 第 七 4.0 横 梁 左 右 4.5 纵 梁 纵 梁 拓扑优 加 固 板 第 四 4.0 横 梁 14.18 2.5 3.28 4.78 化 形状优 3.0 22.66 2.5 14.52 6.14 化 111.46 4.0 99.08 12.38 尺寸优 化 4.52 3.0 3.39 1.13 厚度 图形 (mm) (kg) 质量 图形 (mm) (kg) 厚度 质量 优化后状态 减重量 (kg) 优化 方法
3 车架有限元分析与试验验证 以建立的三维模型为基础，对三维模型开展几何简化、网格划分、关联件建模、网格质量检查 等工作，并用 Hyper Mesh 前处理软件，对需研究车架各部件进行材料等设置，建立如图 2 所示的有 限元分析模型。
图 2 整车有限元模型
对车架有限元模型及实物样件，同步开展扭转、弯曲典型工况下有限元分析与试验测量，其结 果见表 2 所示。
(1)强度要求： 强度为部件受到载荷影响作用时，抵抗形变及断裂的能力。根据车架实际使用情况，车架的强 度分析应采用第四强度理论。即使用冯·米塞斯屈服准则 等效应力方法表达车架强度，可计算出
[7]
等效应力σ r：
r
1 1 2 2 2 3 2 3 1 2 2
图 1 车架结构布置
以上车架，宽度方向上为前宽后窄结构，这种形式前端有利于大体积发动机布置，后端有利于 车厢及承载性能更好的双胎布置，同时该结构拥有更大的弯曲刚度。纵梁为冲压而成的 U 型结构， 具有较高的强度，易于装配附属零件。纵梁在高度方向上为前低后平结构，有利于降低纵梁重量及 驾驶室高度，便于驾驶室翻转机构、板簧支架布置， 提高整车通过性。载货汽车在驾驶室后部至后 桥前部受力较大，此部位车架纵梁内侧增加了加固板。第一、四、五、六、七横梁总成均为开口梁， 且第一、四、七横梁直接和纵梁铆接固定，而第五、六横梁通过过渡钢板和车架纵梁铆接固定。第 二横梁采用空心圆管梁结构，通过焊接过渡板与车架纵梁铆接连接。第四横梁由上下两部分组合而 成，形成封闭式结构形式，从而强化了车架总成的抗扭转性能。发动机的前、后支撑总成为钣金冲 压而成，安装于车架纵梁下翼面，仅用于固定发动机，对车架整体结构影响很小，在本论文中将不 作为重点研究。 2.3 车架设计的要求 车辆运输过程中，受货物、路况、操控等因素影响，车架不断受到扭转、弯曲以及侧向载荷作 用。根据所受载荷类型不同，可将车辆行驶工况分为弯曲、扭转、加速、紧急制动、紧急转弯、动 载荷六大类。为简化分析周期，我们通常选取扭转、弯曲两典型工况的刚度、强度加以研究分析。
某轻型货车车架轻量化设计与研究
王金 1 陈锦东 1 张铖 1 朱允芝 2
（1 南京依维柯汽车有限公司 2 上海大众汽车有限公司南京分公司) 摘要:以某轻型货车为例，介绍了其车架结构特点、各部件选用理由及车架设计的基本要求。用 HyperWorks 软件，计算出原车架在满载扭转、弯曲典型工况下的刚强度数值，并与车架评价指标及 台架试验数据进行对比， 验证有限元模型的准确性及可信度。 通过轻量化设计方法研究及实际情况， 选用多种结构设计轻量化方法，使车架重量减少 12.7%，结构性能仍满足使用要求。 关键词：轻型货车 车架总成 轻量化 结构设计 1 引言 汽车工业因其辐射范围广、 技术高度集中等特点， 已成为驱动我国经济发展重要动力。 2015 年， 中国汽总销量达 2500 万辆，已连续七年位居世界汽车年销量第一，这得益于我国庞大的人口基数 及迅猛发展汽车业。随着汽车工业迅猛发展，汽车已逐渐成为人们工作和生活的一部分，汽车给人 类带来了方便、舒适、快捷的生活，同时也不断影响着人类赖以生存的环境。作为世界第一汽车产 销国，随着环境交通等问题的日益严重以及建设生态社会的迫切需求，国家、企业和各科研单位高 度重视节能减排问题，制定了一系列法律法规及标准。即将实施的国Ⅴ、Ⅵ阶段的排放标准，将比 已实施的Ⅳ阶段更为严苛、难度更大。据统计，绝大部分油耗和自身重量有关，自重每下降 10％， [1][2] 将使油耗、排放分别下降 7％、4％ ,汽车轻量化已作为节能减排行之有效的一种方法，汽车生产 企业已加大了在整车及零部件轻量化技术方面的研究。 国外汽车轻量化技术研究始于上个世纪八十年代，经过近四十年的高速发展已形成了较完善科 学体系。主要轻量化研究方向为新材料的运用以及部件结构优化。在材料方面研究，主要集中在高 强度钢、铝合金、复合材料的应用发展，成果显著。在结构优化设计方面研究，主要是利用数学理 论及计算机技术的发展优势，对汽车结构进行尺寸、拓扑、仿真等优化，技术已非常成熟，获得许 多成果。 国内的轻量化技术方面的研究起步较晚，技术也相对落后与国外，但伴随着汽车工业的迅猛发 展，近年来轻量化技术在汽车中的应用已取得了一定成绩，主要研究方向集中在有限元软件开展的 汽车结构优化设计。我国各大院校以及企业工程师们，为轻量化技术发展作出了巨大贡献，但由于 轻量化过程中，建模准确性无法保证、优化方法较单一以及缺少试验验证等原因，仍存在进一步优 化提高空间。 车架作为轻型货车重要组成部分，占整车近 10%左右质量，这使得它被作为首要轻量化对象。 传统轻量化设计仅依靠经验及大量试验，不仅周期长、投资大，而且往往达不大理想效果；如何通 过 CAE 分析方法，使原车架即满足车辆功能需求，又最大化的减少自身重量，同时缩短开发开发周 期，并将是本文研究重点。
Ct
2
FLW
(4)
式中，Ct：扭转刚度，单位为 Nm /rad F：加载载荷，单位为 N θ ：扭转角度，单位为 rad L：为加载力臂，单位为 m W：为车架轴距，单位为 m 为确保轻型货车在行驶过程中，不会因车架弯曲变形，导致各种部件发生损坏或提前失效，并 能顺利通过崎岖不平路面，车架需要足够弯曲、扭转刚度。通常要求车架最大弯曲挠度应不超过 [9] ° [10] 10mm ，前、后轴前的扭转角度不超过 1 /m 为最佳 。
总 成 4.0 1.40
2.5
3.33
4.0
1.39
第 2.5 五 横 3.2 梁 总 成 5.0 2.08 9.67 4.35 3.24
第 六 横 3.2 梁 总 成 8.31
2.5
3.24
3.17
6.0
1.90
合 / 计 / 172.01 / / 138.94 31.95 /
从以上数据可知，六个零部件经过轻量化优化设计，共计减重达 31.95kg，而原车架总重量为 251kg，因此可计算出减重比率为 12.7%。 为确保轻量化后的车架结构性能满足使用要求，对轻量化优化设计后车架开展有限元分析，可 得到扭转、弯曲两典型工况下的刚度、强度、疲劳寿命数值。具体车架轻量化前、后性能对比如表 4 所示。
C w EI
a3
48
2
F f
(2)
其中，CW：单位长度上的弯曲刚度，单位为 Nm F：集中力载荷，单位为 N a：轴距，单位为 m f：绕度，单位为 m 弯曲刚度另外一种常见的数学公式如下：
Kf
F f max
(3)
其中 fmax 为中间加载点的变形量 通常工程分析采用的是第二种弯曲刚度的表达式，因这种加载方式比较简单直观，更容易让人 理解。 扭转刚度可由如下数学公式表达：
表 2 车架有限元数值与试验结果对比
典型工况 刚度 扭 强度 转 疲劳 刚度 弯 强度 曲 疲劳 1.37×10 次
6
有限元数值 2.14×10 N·m/ rad 41.83 MPa 4.54×10 次 1.07×10 N/m 54.75 MPa
6 7/ rad 40.15 MPa 车架完好 1.04×10 N/m 56.66 MPa 车架完好
(1)
强度条件表示为： r
以上公式中 为材料的许用应力 为确保车架在需求的生命周期里不受损坏，拥有可靠的性能，根据设计经验，对弯曲工况车架 强度安全系数所取数值如下：货箱前部车架区域应取 3.25；货箱后部车架区域应取 3.75。 (2)刚度要求： 刚度是指部件自身结构抵抗形变能力。从定义可知，车架刚度也是车架总成重要指标。通常所 指的车架刚度指的是车架静刚度，其大小是由车架结构本身特性决定的，如截面形状、材料属性、 [8] 连接方式及关系等，与外界载荷无关 。 通常计算弯曲刚度时，一般采用加载点的垂向位移计算白车身或车架总成的整体弯曲刚度，那 么可得到如下计算公式：
2 轻型货车车架结构分析 货车顾名思义就是载运货物的车辆，按我国相关法规要求，总重量大于 3.5 吨但不超过 6 吨的 车辆，称为轻型货车。货车受布置及运载货物需要，车架通常作为总成件安装及车辆承载的基体。 它不仅将车辆的动力总成、驾驶室、货箱等部件合理的连接成一个整体，而且支撑着自身及货物等 [3][4] 所有簧上重量， 同时承受着车辆运输过程中， 来自簧下传递的各种力和力矩 。 主机厂在设计之初， [5][6] 就应充分考虑车架结构合理性，确保车架拥有足够的刚度及强度 ，满足客户复杂的使用工况。 2.1 整车主要参数 本论文研究对象为某公司已批量生产的轻型货车，该车辆的主要参数见表 1。
6 4
误差值 -2.15% -4.01%
备注 -以试验应力最大测量点 比较
--2.70% 3.48%
基准为大于 5×10 --
5
以试验应力最大测量点 比较 -基准为大于 5×10
5
从上表可知，有限元分析计算数据相对试验结果的误差率在 5%以内，这充分说明了有限元分析 计算所得的数据与实物车架情况有较高的重合性，有限元方法及已建立的模型拥有较高可信度。 4 车架轻量化设计与分析 汽车轻量化技术方法经过多年研究与发展，现阶段有结构优化设计、新型材料以及新生产工艺 三类型。在考虑现有新材料和新生产工艺方法，难以实现车架轻量化的前提下，往往优先选择结构 设计优化方法进行车架的轻量化设计；而拓扑优化、尺寸优化、形状优化为结构设计最常用的优化 方法。 为确保整个轻量化过程中，模型的准确度以及最大化的对车架进行结构轻量化设计，对该轻型 货车车架结构轻量化设计建立如图 3 所示的工作流程图。
是
图 3 轻型货车车架结构轻量化设计的流程
因前章节已证明所建立的有限元模型具有较高可行度，现可根据车架各部件自身结构特点，选 用最优的结构优化设计方法开展轻量化。轻量化前、后零部件状态表见表 3 所示。
表 3 轻量化前、后零部件状态对照
优化前状态 名 称 第 七 4.0 横 梁 左 右 4.5 纵 梁 纵 梁 拓扑优 加 固 板 第 四 4.0 横 梁 14.18 2.5 3.28 4.78 化 形状优 3.0 22.66 2.5 14.52 6.14 化 111.46 4.0 99.08 12.38 尺寸优 化 4.52 3.0 3.39 1.13 厚度 图形 (mm) (kg) 质量 图形 (mm) (kg) 厚度 质量 优化后状态 减重量 (kg) 优化 方法
3 车架有限元分析与试验验证 以建立的三维模型为基础，对三维模型开展几何简化、网格划分、关联件建模、网格质量检查 等工作，并用 Hyper Mesh 前处理软件，对需研究车架各部件进行材料等设置，建立如图 2 所示的有 限元分析模型。
图 2 整车有限元模型
对车架有限元模型及实物样件，同步开展扭转、弯曲典型工况下有限元分析与试验测量，其结 果见表 2 所示。
(1)强度要求： 强度为部件受到载荷影响作用时，抵抗形变及断裂的能力。根据车架实际使用情况，车架的强 度分析应采用第四强度理论。即使用冯·米塞斯屈服准则 等效应力方法表达车架强度，可计算出
[7]
等效应力σ r：
r
1 1 2 2 2 3 2 3 1 2 2
图 1 车架结构布置
以上车架，宽度方向上为前宽后窄结构，这种形式前端有利于大体积发动机布置，后端有利于 车厢及承载性能更好的双胎布置，同时该结构拥有更大的弯曲刚度。纵梁为冲压而成的 U 型结构， 具有较高的强度，易于装配附属零件。纵梁在高度方向上为前低后平结构，有利于降低纵梁重量及 驾驶室高度，便于驾驶室翻转机构、板簧支架布置， 提高整车通过性。载货汽车在驾驶室后部至后 桥前部受力较大，此部位车架纵梁内侧增加了加固板。第一、四、五、六、七横梁总成均为开口梁， 且第一、四、七横梁直接和纵梁铆接固定，而第五、六横梁通过过渡钢板和车架纵梁铆接固定。第 二横梁采用空心圆管梁结构，通过焊接过渡板与车架纵梁铆接连接。第四横梁由上下两部分组合而 成，形成封闭式结构形式，从而强化了车架总成的抗扭转性能。发动机的前、后支撑总成为钣金冲 压而成，安装于车架纵梁下翼面，仅用于固定发动机，对车架整体结构影响很小，在本论文中将不 作为重点研究。 2.3 车架设计的要求 车辆运输过程中，受货物、路况、操控等因素影响，车架不断受到扭转、弯曲以及侧向载荷作 用。根据所受载荷类型不同，可将车辆行驶工况分为弯曲、扭转、加速、紧急制动、紧急转弯、动 载荷六大类。为简化分析周期，我们通常选取扭转、弯曲两典型工况的刚度、强度加以研究分析。
某轻型货车车架轻量化设计与研究
王金 1 陈锦东 1 张铖 1 朱允芝 2
（1 南京依维柯汽车有限公司 2 上海大众汽车有限公司南京分公司) 摘要:以某轻型货车为例，介绍了其车架结构特点、各部件选用理由及车架设计的基本要求。用 HyperWorks 软件，计算出原车架在满载扭转、弯曲典型工况下的刚强度数值，并与车架评价指标及 台架试验数据进行对比， 验证有限元模型的准确性及可信度。 通过轻量化设计方法研究及实际情况， 选用多种结构设计轻量化方法，使车架重量减少 12.7%，结构性能仍满足使用要求。 关键词：轻型货车 车架总成 轻量化 结构设计 1 引言 汽车工业因其辐射范围广、 技术高度集中等特点， 已成为驱动我国经济发展重要动力。 2015 年， 中国汽总销量达 2500 万辆，已连续七年位居世界汽车年销量第一，这得益于我国庞大的人口基数 及迅猛发展汽车业。随着汽车工业迅猛发展，汽车已逐渐成为人们工作和生活的一部分，汽车给人 类带来了方便、舒适、快捷的生活，同时也不断影响着人类赖以生存的环境。作为世界第一汽车产 销国，随着环境交通等问题的日益严重以及建设生态社会的迫切需求，国家、企业和各科研单位高 度重视节能减排问题，制定了一系列法律法规及标准。即将实施的国Ⅴ、Ⅵ阶段的排放标准，将比 已实施的Ⅳ阶段更为严苛、难度更大。据统计，绝大部分油耗和自身重量有关，自重每下降 10％， [1][2] 将使油耗、排放分别下降 7％、4％ ,汽车轻量化已作为节能减排行之有效的一种方法，汽车生产 企业已加大了在整车及零部件轻量化技术方面的研究。 国外汽车轻量化技术研究始于上个世纪八十年代，经过近四十年的高速发展已形成了较完善科 学体系。主要轻量化研究方向为新材料的运用以及部件结构优化。在材料方面研究，主要集中在高 强度钢、铝合金、复合材料的应用发展，成果显著。在结构优化设计方面研究，主要是利用数学理 论及计算机技术的发展优势，对汽车结构进行尺寸、拓扑、仿真等优化，技术已非常成熟，获得许 多成果。 国内的轻量化技术方面的研究起步较晚，技术也相对落后与国外，但伴随着汽车工业的迅猛发 展，近年来轻量化技术在汽车中的应用已取得了一定成绩，主要研究方向集中在有限元软件开展的 汽车结构优化设计。我国各大院校以及企业工程师们，为轻量化技术发展作出了巨大贡献，但由于 轻量化过程中，建模准确性无法保证、优化方法较单一以及缺少试验验证等原因，仍存在进一步优 化提高空间。 车架作为轻型货车重要组成部分，占整车近 10%左右质量，这使得它被作为首要轻量化对象。 传统轻量化设计仅依靠经验及大量试验，不仅周期长、投资大，而且往往达不大理想效果；如何通 过 CAE 分析方法，使原车架即满足车辆功能需求，又最大化的减少自身重量，同时缩短开发开发周 期，并将是本文研究重点。
Ct
2
FLW
(4)
式中，Ct：扭转刚度，单位为 Nm /rad F：加载载荷，单位为 N θ ：扭转角度，单位为 rad L：为加载力臂，单位为 m W：为车架轴距，单位为 m 为确保轻型货车在行驶过程中，不会因车架弯曲变形，导致各种部件发生损坏或提前失效，并 能顺利通过崎岖不平路面，车架需要足够弯曲、扭转刚度。通常要求车架最大弯曲挠度应不超过 [9] ° [10] 10mm ，前、后轴前的扭转角度不超过 1 /m 为最佳 。
总 成 4.0 1.40
2.5
3.33
4.0
1.39
第 2.5 五 横 3.2 梁 总 成 5.0 2.08 9.67 4.35 3.24
第 六 横 3.2 梁 总 成 8.31
2.5
3.24
3.17
6.0
1.90
合 / 计 / 172.01 / / 138.94 31.95 /
从以上数据可知，六个零部件经过轻量化优化设计，共计减重达 31.95kg，而原车架总重量为 251kg，因此可计算出减重比率为 12.7%。 为确保轻量化后的车架结构性能满足使用要求，对轻量化优化设计后车架开展有限元分析，可 得到扭转、弯曲两典型工况下的刚度、强度、疲劳寿命数值。具体车架轻量化前、后性能对比如表 4 所示。
C w EI
a3
48
2
F f
(2)
其中，CW：单位长度上的弯曲刚度，单位为 Nm F：集中力载荷，单位为 N a：轴距，单位为 m f：绕度，单位为 m 弯曲刚度另外一种常见的数学公式如下：
Kf
F f max
(3)
其中 fmax 为中间加载点的变形量 通常工程分析采用的是第二种弯曲刚度的表达式，因这种加载方式比较简单直观，更容易让人 理解。 扭转刚度可由如下数学公式表达：
表 2 车架有限元数值与试验结果对比
典型工况 刚度 扭 强度 转 疲劳 刚度 弯 强度 曲 疲劳 1.37×10 次
6
有限元数值 2.14×10 N·m/ rad 41.83 MPa 4.54×10 次 1.07×10 N/m 54.75 MPa
6 7/ rad 40.15 MPa 车架完好 1.04×10 N/m 56.66 MPa 车架完好
(1)
强度条件表示为： r
以上公式中 为材料的许用应力 为确保车架在需求的生命周期里不受损坏，拥有可靠的性能，根据设计经验，对弯曲工况车架 强度安全系数所取数值如下：货箱前部车架区域应取 3.25；货箱后部车架区域应取 3.75。 (2)刚度要求： 刚度是指部件自身结构抵抗形变能力。从定义可知，车架刚度也是车架总成重要指标。通常所 指的车架刚度指的是车架静刚度，其大小是由车架结构本身特性决定的，如截面形状、材料属性、 [8] 连接方式及关系等，与外界载荷无关 。 通常计算弯曲刚度时，一般采用加载点的垂向位移计算白车身或车架总成的整体弯曲刚度，那 么可得到如下计算公式：
2 轻型货车车架结构分析 货车顾名思义就是载运货物的车辆，按我国相关法规要求，总重量大于 3.5 吨但不超过 6 吨的 车辆，称为轻型货车。货车受布置及运载货物需要，车架通常作为总成件安装及车辆承载的基体。 它不仅将车辆的动力总成、驾驶室、货箱等部件合理的连接成一个整体，而且支撑着自身及货物等 [3][4] 所有簧上重量， 同时承受着车辆运输过程中， 来自簧下传递的各种力和力矩 。 主机厂在设计之初， [5][6] 就应充分考虑车架结构合理性，确保车架拥有足够的刚度及强度 ，满足客户复杂的使用工况。 2.1 整车主要参数 本论文研究对象为某公司已批量生产的轻型货车，该车辆的主要参数见表 1。
6 4
误差值 -2.15% -4.01%
备注 -以试验应力最大测量点 比较
--2.70% 3.48%
基准为大于 5×10 --
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以试验应力最大测量点 比较 -基准为大于 5×10
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从上表可知，有限元分析计算数据相对试验结果的误差率在 5%以内，这充分说明了有限元分析 计算所得的数据与实物车架情况有较高的重合性，有限元方法及已建立的模型拥有较高可信度。 4 车架轻量化设计与分析 汽车轻量化技术方法经过多年研究与发展，现阶段有结构优化设计、新型材料以及新生产工艺 三类型。在考虑现有新材料和新生产工艺方法，难以实现车架轻量化的前提下，往往优先选择结构 设计优化方法进行车架的轻量化设计；而拓扑优化、尺寸优化、形状优化为结构设计最常用的优化 方法。 为确保整个轻量化过程中，模型的准确度以及最大化的对车架进行结构轻量化设计，对该轻型 货车车架结构轻量化设计建立如图 3 所示的工作流程图。
