YD6120型纯电动城市客车车架有限元分析

陆秋懿，郑再象，许 鹏，王凯强，张振越

(扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127)

近年来纯电动城市客车得到了快速的发展[1-2]。车架作为汽车承载的基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，并承受着传递给它的各种力和力矩[3-4]。YD6120型纯电动城市客车车架采用三段式结构，可以满足多种车型的需要。该车架的特点是：车架大部分采用矩形管，通过焊接形成杆系结构，降低了地板高度。

本文应用有限元分析法(finite element method, FEM)建立车架的有限元模型，借助HyperWork软件对车架进行分析计算[5-6]。

1 YD6120型纯电动城市客车车架有限元建模

本文选择壳单元PSHELL对车架进行网格划分。管件与管件、支架与支架、管件与支架等之间的焊接采用三角形壳单元来模拟。在焊接时要求三角形壳单元焊接强度不低于母材，可根据实际情况适当加大三角形单元厚度。本次分析时以集中质量单元CONM2代替乘客、电机、电池、变速器、传动轴、控制器、车身及内饰等的质量，质量点设置依据如图1所示。集中质量单元与车架的连接均采用刚性单元RBE2连接，如图2所示。车架约束位置为悬架安装位置，如图3所示。

图1 质量点CONM2位置依据

图2 柔性连接RBE2

图3 车架约束位置

以壳单元为主建立的车架有限元模型如图4所示。

图4 车架有限元模型

2 典型静态工况下的计算结果分析

2.1 满载弯曲工况

1)边界条件。

城市客车静止时受到静载荷，客车以较高车速行驶时受到对称的垂直动载荷，两者均会让车架产生弯曲变形。下面的分析取满载静止(仅考虑客车的自重)工况，各点的约束见表1(注：释放4个点的全部转动自由度)。

表1 满载弯曲工况边界条件

2)计算结果分析。

车架应力分布云图如图5所示，由图可知，车架的最大应力为234MPa，受力点在车架尾部后车轮的纵梁处。车架材料16Mn的屈服强度为360MPa，故车架的最大应力小于材料的屈服强度，满足设计要求。

图5 车架应力分布云图

车架位移分布云图如图6所示，由图可知，车架的最大位移为13.41mm，在车架尾部与车身骨架连接处。因为城市客车后部载荷量较高，同时电机和变速器布置在尾部，钢材结构比较长且比较薄，因此在该部位产生的位移相对较大，符合设计预期，满足刚度要求。

图6 车架位移分布云图

2.2 满载扭转工况

1)边界条件。

客车部分离开地面时，将受到扭转载荷的作用，客车在非对称支承下产生的静态扭矩为极限扭转载荷。现模拟左侧前轮悬空的情况，分析车架承受静态极限扭转时的应力分布和车架悬空变形状况。动载系数取1.1，以加速度方式施加到车架及相关总成件上。各点的约束见表2(注：释放4个点的全部转动自由度)。

表2 满载扭转工况边界条件

2)计算结果分析。

车架应力分布云图如图7所示。由图可知，车架的最大应力为347.3MPa，受力点在车架右侧前车轮纵梁和横梁的焊接处，小于材料屈服强度，但车架最大应力处仍需设置加强板以增加强度。

图7 车架应力分布云图

车架位移分布云图如图8所示，由图可知，车架的最大位移为35.74mm，在车架左侧第一根外伸梁上发生。这是因为左转向轮没有施加任何约束，处于悬空状态，该处出现较大位移，符合实际工况。

图8 车架位移分布云图

2.3 紧急制动工况

1)边界条件。

汽车处于紧急制动工况时，车架会受到两种载荷共同作用，分别为垂直向下的重力和沿行驶方向的惯性力。结合实际路面情况，取-y方向的载荷为1.0g，z方向的惯性力载荷最大为0.8g。制动工况下，车架各点的约束见表3(注：释放4个点的全部转动自由度)。

表3 紧急制动工况边界条件

2)计算结果分析。

车架应力分布云图如图9所示。由图可知，车架的最大应力为257.3MPa，受力点在车架尾部右后轮的纵梁处，小于材料的屈服强度，满足设计要求。

图9 车架应力分布云图

车架位移分布云图如图10所示。由图可知，车架的最大位移为16.47mm，在车架尾部与车身骨架相连处。此种工况下，车架的刚度满足要求。

3 结论

图10 车架位移分布云图

综合以上分析，然后再用HyperView进行精确计算，得到最终的分析结果：在满载弯曲、满载扭转以及紧急制动工况下，车架整体的强度和刚度能满足设计要求。由于城市客车后部载荷量较大，同时电机和变速器均布置在车尾，钢材结构较长且比较薄，因此在该部位产生的位移相对较大；钢板弹簧悬架安装位置处的应力比较大，车架纵梁与横梁的焊接处的应力也稍大。

[1] 孟庆功,徐宝云,黄华.低地板城市电动客车车架结构有限元分析及其轻量化设计[J].机械研究与应用，2004，17(1)：51-52，62.

[2] 盛建,戴作强，张铁柱.纯电动客车车架结构模态分析与优化设计[J].制造业自动化，2015(15)：44-47.

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