某商用轻卡车架轻量化性能优化研究

余娟，李汇诚，黄勤，邬艳飞

某商用轻卡车架轻量化性能优化研究

余娟，李汇诚，黄勤，邬艳飞

（江西五十铃汽车有限公司，江西 南昌 330010）

文章基于有限元法，采用NASTRAN软件，对某轻卡轻量化车架进行了拓扑结构优化设计，同时开展了基础车架与轻量化车架CAE模态对比分析及强度对比分析，CAE分析结果显示，轻量化车架模态和强度性能与基础车架性能相当。轻量化车架刚度试验结果表明，试验完成后，车架纵梁和横梁未出现裂纹损失。

轻卡；车架；轻量化

引言

随着国家物流行业的蓬勃发展，城区内以及短途的货物配送变得越来越频繁，同时农村城市化进程加快，政府加强对农用车的管制，汽车下乡、以旧换新等多项扶持政策的实施，使农村轻卡市场需求也受到极大刺激。城市物流市场和农村运输市场蓬勃发展为轻型卡车市场带来了巨大机遇[1]。

因“521”事件的出现，国家相关部门提出了2022年基本消除大吨小标问题，轻卡蓝牌合规，已经成为各大轻卡主机厂面临的重大挑战，而在此背景下，汽车轻量化设计成为全行业竞争高地和重要发展方向[2-3]。

车架是底盘、动力系统和车身系统各总成件的安装基体，其质量约占整车整备质量1.2%，开展轻卡车架轻量化研究具有重要的经济和社会价值[4-5]。

本文基于数值分析理论，采用NASTRAN软件，对某轻卡轻量化车架进行了拓扑结构优化设计，同时开展了基础车架与轻量化车架CAE模态对比分析及强度对比分析，CAE分析结果显示，轻量化车架模态和强度性能与基础车架性能相当。轻量化车架刚度试验结果表明，试验完成后，车架纵梁和横梁未出现裂纹损失，实现减重35 kg，效果显著。

1 轻量化车架结构设计

车架是轻卡的装配基体，其将各零部件总成连接成一个整体，车架的结构形式应首先满足总布置要求，轻卡车架属于边梁式结构，如图1所示，主要由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法形成刚性构件。本文开展的轻量化车架结构设计，主要是在基础车架基础上，将纵梁材料由现有的WL440提升至B510L，减薄料厚，横梁结构进行优化拓扑设计，车架减重量35 kg，效果显著。

图1 轻量化车架结构

2 CAE轻量化对比分析

2.1 CAE模态对比分析

本文基于有限元法，首先开展了基础车架和轻量化车架模态对比分析，提取频率范围为0～60 Hz，得到如图2的模态对比分析结果，基础方案一阶扭转模态为7.09 Hz，轻量化方案一阶扭转模态为7.03 Hz，基础方案二阶摆动模态为22.3 Hz，轻量化方案二阶摆动模态为21.8 Hz，基础方案三阶弯曲模态为24.6 Hz，轻量化车架三阶弯曲模态为23.2 Hz，基础车架四阶扭摆模态为32.5 Hz，轻量化车架四阶扭摆模态为31.4 Hz，汇总结果如表1，可以得出，轻量化车架NVH模态性能与基础车架变化较小，满足设计目标。

表1 基础车架与轻量化车架模态分析结果汇总表 单位：Hz

振型基础方案轻量化方案 一阶扭转7.097.03 二阶摆动22.321.8 三阶弯曲24.623.2 四阶扭摆32.531.4

2.2 CAE强度对比分析

车架是轻卡车型关键底盘承载系统部件，其强度性能对轻卡整车性能起着举足轻重的影响，故在开展车架轻量化设计过程中，需要重点校核车架强度。本文采用数值分析理论中的惯性释放法，输入激励载荷为经过ADAMS计算的载荷，工况为转弯制动工况及上抬工况及制动工况，强度分析模型如图3。

图3 轻量化车架强度分析边界示意图

本文按照上述边界条件，得到如图4的轻量化车架强度分析结果，可以判断，转弯制动工况下，车架最大应力为568 MPa，强度对比结果汇总如表2，可以得出轻量化车架强度性能较基础车架安全系数变化较小，满足设计目标。

表2 轻量化车架强度对比结果表

车型结果纵梁前段纵梁中段纵梁后段四横梁六横梁七横梁 基础车架最大应力/MPa3552842415515823 安全系数0.91.21.45.72.013.5 轻量化车架最大应力/MPa5684554065515723 安全系数1.01.31.65.72.013.5

3 轻量化车架刚度试验分析

本文在完成了轻量化车架CAE模态和强度对比分析后，进行了轻量化车架刚度试验分析，试验工装条件如图5。

试验过程中，详细记录轻量化车架扭矩和扭转角度，并检测车架是否存在损伤裂纹，结果如图6，试验完成后，轻量化车架纵梁和横梁无裂纹，满足设计目标。

图5 轻量化车架刚度试验

图6 轻量化车架刚度试验结果

4 结论

本文基于数值分析理论，采用NASTRAN软件，对某轻卡轻量化车架进行了拓扑结构优化设计，同时开展了基础车架与轻量化车架CAE模态对比分析及强度对比分析，CAE分析结果显示，轻量化车架模态和强度性能与基础车架性能相当。轻量化车架刚度试验结果表明，试验完成后，车架纵梁和横梁未出现裂纹损失，综上，轻量化车架满足设计目标，实现减重35 kg，效果显著。

[1] 周冬龙.基于虚拟迭代的某轻卡后桥疲劳分析研究[D].太原:中北大学,2019.

[2] 黄勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某轻卡车架性能研究[J].汽车实用技术,2020(07):89-91.

[3] 史文库.汽车构造(第六版下册)[M].北京:人民交通出版社,2016.

[4] Mitschke M,Wallentowitz H.Dynamik der kraftfahrzeuge[M].Berlin: Springer-Verlag,2004.

[5] 吴静.基于Nastran的客户关联场景下某轻卡车架强度性能研究[J].汽车实用技术,2020(20):92-94.

Study on Lightweight Performance Optimization of a Light Truck Frame

YU Juan, LI Huicheng, HUANG Qin, WU Yanfei

( Jiangxi-Isuzu Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330010 )

In this paper, based on the finite element method and NASTRAN software, the topology optimization design of a light weight truck frame is carried out. And the CAE modal and strength comparative analysis between the basic frame and the light weight frame are carried out. The results show that the modal and strength performance of the light weight frame are equivalent to that of the basic frame.The results of lightweight frame stiffness test show that there is no crack loss in the longitudinal beam and cross beam of the frame after test.

Light truck;Frame;Weight reduce

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.027

U463.32

A

1671-7988(2021)21-107-03

U463.32

A

1671-7988(2021)21-107-03

余娟，就职于江西五十铃汽车有限公司。