越野车用分段式纵梁车架结构研究

陈玉宝、安立新、赵寰

（1 一汽解放汽车有限公司商用车开发院 130011，2 一汽丰田技术开发有限公司 610000）

0 引言

某型号越野车装配了大行程独立悬架、门式桥、自动充放气等总成系统，车辆具有较高的机动性能及越野性能；车架作为整车的基体，连接各大总成，承载着全部的簧上质量，并承受着路面传递的冲击载荷，车架受力状况极其复杂，为此不仅需要车架具有高强度同时也需具有高刚度[1]。

本文依据设计原则及布置需求，进行了分段式越野车车架的研究与应用，利用有限元计算等辅助设计解决分段式车架设计难题，并通过道路载荷谱测试、整车可靠性试验等验证了方案的可行性。

1 分段式车架结构方案探究

1.1 方案构想

越野车由于悬架上下跳动行程、整车高度及人员布置等因素限制，车架常设计为前后翘曲结构。该种车架结构对于中型及以上越野车的纵梁成型困难，且不利于系列化开发。

本文基于此，进行了分段式纵梁车架结构的研究开发，将车架纵梁设计为三段式结构，如图2（4×4车架）、图3（6×6车架）所示，前段纵梁截面在高度、宽度方向均变化，局部结构为盒型断面，以满足悬架系统跳动行程要求及车架本身扭转刚度需求；中段纵梁设计为直槽形结构，便于变换轴距的变型车开发；后段纵梁同步考虑4×4、6×6两种车型的纵梁开发，桥位置纵梁外形结构相同。车架前后共布置5根（6×6车6根）横梁：车架前部及后部布置2根横梁，保证车架总成的扭转刚度及方便前、后拖钩的安装，各段纵梁搭接处布置1根横梁，以保证各段纵梁连接强度，中段纵梁中间位置布置一根横梁总成，以提高扭转强度及刚度，6×6 车架在二、三桥之间布置中桥横梁，以保证车架宽度，便于桥总成的安装。

图1 某型号4×4越野车车架图

图2 某型号6×6越野车车架图

1.2 开发目标值

1.2.1 动刚度目标值

为避免共振，车架动态刚度开发目标值应大于车辆行驶时路面激振频率（约5～7 Hz）并避开发动机的怠速振动频率（约37 Hz），结合现有车架参数，设定动刚度开发目标如表1所示。

表1 车架模态设计目标值

1.2.2 静刚度目标值

为保证越野性能，车架应有较高的静刚度值，因此设定轴间弯曲刚度最小目标值为9×105N/m2，扭转刚度最小目标值为9×104N·m2/rad。

1.2.3 静强度目标值

静强度开发目标值设定为安全系数大于1。

1.3 可行性分析

1.3.1 工艺性分析

纵梁分段后成形性更好。

1.3.2 计算分析

（1）动刚度分析

利用HyperMesh软件对车架总成进行自由状态下模态分析，分析结果如表2所示。

表2 车架模态计算值

从计算结果看，车架模态值满足设计目标值。但从车架整体振形图可以看出两段纵梁搭接处尤其中、后段纵梁搭接处振形不平缓，此种振形会在不平缓处存在局部应力集中及刚度突变。更改后对车架进行模态计算，计算结果模态值变化不大，但振型变得平缓，动态刚度符合目标值。

（2）静刚度分析

轴间弯曲刚度公式为

式中F为轴间集中载荷，l为轴距，f为集中载荷作用点处的挠度。

扭转刚度计算公式为

式中T为扭矩，l为轴距，Ɵ为转角。

根据公式（1）与（2）进行车架静态刚度计算，结果如表3所示，满足目标开发值。

表3 车架静态刚度计算值

（3）静强度分析

对车架进行垂直弯曲及扭转工况计算：

图3 4×4车车架对扭工况应力云图

表4 4×4车车架静强度安全系数计算值

从计算结果可以看出4×4车车架第三车身悬置孔边处（图3标注位置）前后段纵梁圆角处为应力较大，为此在第三悬置位置增加垫板，并加大前、后纵梁变截面处的圆角半径，以消除应力集中，改进后计算结果如表4所示。

图4 6×6车车架垂直弯曲应力云图

图5 6×6车车架对扭工况应力云图

表5 6×6车车架静强度安全系数计算值

垂直工况车身悬置位置连接螺栓边缘（图4标注位置）应力较大（694 MPa），扭转工况后段纵梁变宽度圆角处（图5标注位置）应力较高（657 MPa），为此在车身悬置孔处增加垫板，同时优化车架后段纵梁变截面结构，改后计算结果如表5所示。从计算结果看，车架强度满足使用要求。

2 验证

2.1 道路载荷谱测试

在定远汽车试验场对6×6整车进行道路载荷谱测试工作，测试路况分为强化坏路及越野路。在6×6车架选取10个测量点，使用三向应变片进行动应力测试。在强化路及越野路多次测量，消除奇异值后，大应力测点时间历程信号如图6、7所示。

图6 强化路工况车架测点历程信号

图7 越野路工况车架测点历程信号

从图中看出扭转工况测点的应力值最大，越野路工况测点总体应力值高于强化路工况应力值，显示扭转工况是引起高应力的主要原因。

测量值结果如图8所示。可以看出，测量点S7（悬置孔边缘位置）应力值最大，为297 MPa，小于材料屈服极限。测量结果与有限元计算结果在趋势上基本吻合。车架强度能够满足使用要求。

图8 车架测点各工况动应力极值统计图

2.2 可靠性试验

对3辆4×4车型和3辆6×6车型进行了30 000 km可靠性试验，路试项目包括12 000 km强化路、6 000 km越野路段、6 000 km高速环路，以及6 000 km山区道路，6辆样车的车架均通过可靠性试验，无故障发生。

3 结束语

本文针对越野车分段式纵梁车架结构进行了研究分析并进行了验证，解决了设计过程中的技术难点，该种分段式纵梁车架结构车型满足越野车使用要求。该种车架纵梁结构便于系列化车型开发，较大的减少了研发成本，缩短开发周期，可为越野车车架设计提供参考。