车架柔性对载货汽车平顺性的影响分析

莫荣博

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005）

0　引言

车辆平顺性是指车辆在一般行驶速度范围内行驶时，因车辆在行驶过程中所产生的振动和冲击，使人感到不舒服、疲劳，甚至损害健康，或者使货物损坏的性能。车辆在行驶过程中产生的振动会降低车辆的使用寿命，增加车辆维护成本，也会影响人的身体健康和运输货物的完整性，还会影响车辆的操纵稳定性以及经济性[1-2]。因此，车辆的平顺性已经成为现代运输车辆的重要评价指标之一。近年来，随着生产技术的发展以及人们生活水平的提高，对车辆乘坐舒适性的要求越来越高，因此，高品质的载货汽车已成为一种发展趋势，使得车辆的平顺性成为汽车制造厂商重点关注的主要性能指标之一。所以，提高载货汽车的平顺性，提升其乘坐舒适性和整车性能，对增强其市场竞争力具有重要意义[3-4]。

本文针对某型号载货汽车在特定路面上行驶时平顺性不达标问题进行研究，建立了车架有限元模型，并对其进行模态分析，提出了通过改变车架振动模态的方法来解决该型号载货汽车平顺性问题的方案，并对提出的方法进行应用验证，有效改善了该型号载货汽车的平顺性。

1　车架有限元建模与分析

1.1　问题分析

某型号载货汽车在水泥路面上行驶时，其平顺性不达标，不能满足客户需求。通过采取底盘悬架和驾驶室悬置刚度、阻尼优化等措施，该车型在水泥路面上行驶时，平顺性改善不明显，仍难以满足客户需求。通过对测试数据进一步分析发现，驾驶室前悬置处的加速度明显大于驾驶室后悬置处的加速度，由此认为，很可能是由于车架的柔性导致的车架弯曲变形导致这一结果，因此，决定对车架的振动模态进行分析。

1.2车架有限元建模

车架是载货汽车主要承载部件，其主要用于连接整车的各个子系统。载货汽车车架一般比较长，在实际运动中承受较大的扭转和弯曲作用力，由于车架柔性较大，因此，容易产生比较明显的变形，从而影响整车的动力学特性以及平顺性，所以对于分析车架柔性对载货汽车行驶平顺性的影响具有十分重要的意义[5-6]。

该载货汽车的车架采用边梁式车架，边梁式车架是由两根位于两边的纵梁和若干根横梁通过铆接或焊接而连成的构架[7]。首先将车架三维实体模型导入有限元分析前处理软件hyper mesh中，进行车架的网格划分以及各构件的离散化处理，模型一共离散成3 401 406个单元，1 080 154个节点，生成车架有限元模型如图1所示。车架的材料选用QStE420TM，力学属性如表1示。

表1　车架材料特性参数

图1　车架柔性体模型

考虑到载货汽车在行驶时，各部件与车架之间相互作用，因此，在hyper mesh有限元软件中将驾驶室、动力总成、发动机、变速箱、离合器、油箱、等以集中载荷的形式施加在其相对车架的重心位置上。模拟载货汽车在行驶时，各部件对车架的作用力。车架所承载整车各零部件的重量如表2所示。

表2　载货汽车各部件的基本参数

1.3　车架模态分析

利用hyper mesh对车架进行模态分析，考虑到汽车平顺性分析频率的范围主要是0.5～25 Hz[8]，取车架结构的模态分析前16阶固有频率和振型进行研究。表3为车架结构前16阶的振型与固有频率结果。

表3　车架结构振型与固有频率

车架的第3阶弯曲模态振型如图2所示。

图2　第3阶车架结构模态振型（频率=3.388Hz）

对车架的各阶模态频率及模态振型进行分析，应该是由于车架的第3阶弯曲模态导致驾驶室平顺性不理想。经过对实验数据进行进一步分析发现，该型号载货汽车在水泥上行驶时，存在一个接近其3阶弯曲模态频率的激励频率。因此，该车型的平顺性问题应该是由于车架模态振动导致的。

2　车架优化方案

针对车架有限元模态分析，载货汽车平顺性差的原因主要是车架的弯曲模态频率与路面激励频率接近导致的。因此，绝定对车架结构进行优化，改变其第3阶弯曲模态频率。经过分析，决定采用通过改变车架材料弹性模量的方法直接改变车架结构刚度来改变其模态振型及模态频率。在hyper mesh中将原车架普通钢材改为高强度钢，材料的弹性模量由E=210 GPa提高为E=800 GPa进行分析，其他结构属性不做修改，这样可以分析车架结构的刚度变化对车架的固有频率的影响。

经过实施以上优化方案后，载货汽车车架的固有频率比较合理，避开激励频率范围，能够有效改善该载货汽车平顺性。

3　结束语

车架的柔性对载货汽车平顺性影响非常大，本文采用hyper mesh有限元软件对载货汽车车架结构进行了模态分析。通过分析发现，车架结构振型存在弯曲和扭转变形以及车架固有频率与激励频率非常接近导致载货汽车平顺性差的原因之一。针对这一问题，采取改变车架材料弹性模量的方法直接改变车架刚度；提高了车架结构低阶固有频率，成功解决了载货汽车平顺性问题。

参考文献：

[1]曹 源，徐 贤，魏 超，等.车架柔性对载货汽车平顺性的影响分析[C]//2015中国汽车工程学会年会论文集，2015.

[2]雷印南.浅谈车架弹性对重型载货汽车行驶平顺性的影响[J].企业导报，2012（19）：79，279.

[3]张立军，赵 亮.考虑车架柔性的刚柔耦合汽车平顺性分析[J].噪声与振动控制，2013，33（06）：96-99.

[4]钟佩思，辛纪光，刘凤景，等.基于Hypermesh的中型货车车架有限元分析与优化[J].煤矿机械，2009，30（04）：6-8.

[5]梁明智.大型货车车架有限元静态特性分析及试验研究[J].科技创新导报，2010（34）：20-22.

[6]尹安东，龚来智，王 欢，等.基于HyperWorks的电动汽车车架有限元分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2014，37（01）：6-9，77.

[7]黄玉亭.基于ANSYS的载货汽车车架静动态性能研究与分析[C]//第十届动力学与控制学术会议摘要集，中国力学学会动力学与控制专业委员会，2016：2.

[8]徐志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.