基于刚柔耦合的新能源货车车架强度分析*

沈保山 王以文 陆永能

（1.徐工汽车制造有限公司；2.徐工集团徐州工程机械研究院）

货车车架连接着货车的各个部分，是整车承载各系统部件及运输货物的基本构件[1]，因此车架的优劣将直接影响货车的行驶和安全性能，而车架强度分析是产品开发中预测车架设计优劣和优化车架结构的重要一环，也是后期产品质量改进和提升的重要工作内容之一。文章通过多体与有限元相结合的方法对某款新开发的新能源货车车架进行了强度计算，得到了5种典型工况下的应力分布，并针对应力较大区域提出了优化方案，提高了车架的可靠性。

1 建立有限元模型及输出柔性体文件（mnf）[2]

新能源货车的货厢和车架通过紧固件连接在一起,货箱的刚度直接影响车架强度计算结果，所以有限元模型包括钢板弹簧、货箱总成及车架总成。

1.1 车架总成有限元模型的建立

纵梁、横梁、电瓶支架、电机控制器、高压配电柜、电动打气泵支架及驾驶室后支架等均采用壳单元，板簧支架及驾驶室后支架采用四面体单元，铆钉及螺栓连接采用rbe2+beam单元模拟；较小部件采用集中质量点通过rbe3或rbe2单元连接于相应固定支架，并在较大质量连接位置使用rbe2主点生成外连接点，但在本模型中不添加其质量，建立的有限元模型，如图1所示。生成的外连点数量为：驾驶室点4个，前板簧点4个，前减振器点2个，电瓶点2个，发动机点4个，后板簧点8个，后减振器点2个，备胎点1个。

图1 新能源货车车架总成有限元模型

1.2 货箱总成有限元模型的建立

货箱部分均采用壳网格划分，同时，为了体现货物的质量，且不增加货箱刚度，货物质量通过多个mass单元均布在货箱上。图2示出新能源货车货箱总成有限元模型。通过rbe3+bush+rbe3单元模拟货箱纵梁与车架纵梁间的接触关系。

图2 新能源货车货箱总成有限元模型

1.3 钢板弹簧有限元模型的建立

在板簧卷耳及中间安装位置处建立3个外连点，通过gap单元模拟钢板弹簧的片间接触，并通过调整单元切向刚度值，使有限元模型所得垂向刚度值与图纸要求的夹紧刚度保持一致，有限元模型，如图3所示。

图3 新能源货车钢板弹簧有限元模型

1.4 输出柔性体文件

利用Nastran分别生成柔性体文件：前后板簧分别生成mnf文件，车架和货箱总成一起生成mnf文件。

2 建立刚柔耦合的多体动力学模型[3]

在ADAMS/View软件中，利用已建好的车架和货箱总成mnf文件及前后板簧mnf文件，建立能够体现其性能的柔性体。然后根据整车装配关系，建立所需的其他部件（前后桥、轮胎、传动系、电机、电瓶、减振器及限位块等）、试验台及路面，并进行合理连接，如图4所示。

图4 新能源货车刚柔耦合的多体模型

3 建立工况 输出连接点力及力矩

3.1 工况建立[4]

依据规范，建立分析工况，如表1所示。

表1 新能源货车工况设置g

在各轮所处地面条件相同的条件下，其静、动摩擦因数相同，各轮所受地面给予的侧/纵向力的大小与其所受地面支撑力大小成正比关系。为了真实描述制动工况下各轮胎所受的摩擦力，在轮胎与试验台间建立X向单向力，利用函数关系赋予其值为：

式中：F1——某一轮胎受来自地面的纵向摩擦力，N；

FZ——该轮胎所受的地面支撑力，N；

μ——整车平均摩擦因数，其值等于制动减速度/g。

通过FZ函数可以时时提取对轮胎的支撑力，使各轮胎所受的摩擦力总和等于整车的惯性力，较好地反映了各工况下不同轮胎上力的分配关系。

3.2 车架外连点力的输出

在对弯曲、转向及制动等工况下软件得到的各轮胎轮荷与数学模型计算轮荷对比校核后，进行全部工况的计算，并输出车架外连点的力及力矩。因输出内容较多，此处不再列出。

4 车架强度计算

4.1 强度分析

将输出的外连点力和力矩施加到车架及货箱总成模型的相应位置，利用惯性释放法，进行车架强度求解。经分析，应力较大部件为左右纵梁、二横梁及四横梁连接板。且转向工况下，纵梁上前板簧后吊耳处应力不满足评价指标，详细结构图及应力云图，如图5和图6所示。

图5 货车车架应力较大部位结构示意图

图6 转向工况货车车架纵梁应力云图

因纵梁为车架总成的关键件，且转向工况下纵梁安全系数未达到1.2，不满足要求。

4.2 改进方案分析

为了降低纵梁处应力，可采用2种改进方案。

方案1：使用反扣的U型板将纵梁上下翼面连接起来，且在U型板两边开抛物线缺口，使刚度过渡均匀，如图7所示。

图7 货车车架纵梁改进方案1结构示意图

方案2：将纵梁厚度由4 mm调整为5 mm，加强板厚度由4 mm调整为3 mm。

经与设计人员沟通，结合厂家制造能力，最终确定采用方案2，其应力计算结果，如图8所示。

图8 转向工况货车车架纵梁应力云图（改进后）

改进后纵梁最大应力为369 MPa，安全系数达到1.36，满足设计要求。

5 结论

通过多软件联合建立了刚柔耦合的整车模型，完成了对车架强度的分析及改进，该分析方法优点为：1）尽可能多地释放了自由度，提高了计算准确度；2）考虑了不同垂向力对地面摩擦力的影响及轮胎刚度，与实际工况更接近；3）能明显显示车架变形，有利于改进方案的提出及对模型的理解；4）可以将串行的分析工作方式转变为并行，从而提高分析效率；5）有利于开展连接关系复杂部件的强度分析工作。