客车底盘结构安全性分析与轻量化设计

侯兴臣

摘要：现如今，我国的客车在不断的增加，传统车辆设计与优化依赖专家经验，导致开发周期长、人力物力消耗大，难以紧跟市场需求，而有限元技术的发展为车辆结构设计与优化提供丰富的手段.本研究以某客车底盘车架为对象，以操稳及结构安全性为导向，对车架进行轻量化设计.首先，对客车底盘进行了有限元模型建立与简化.在此基础上，进一步定义了载荷加载方式和计算工况.其次，结合工程实际，对当前底盘车架进行改进后，明确目标函数、约束条件与变量，提出了优化方案对底盘进行轻量化设计.通过模态分析、应力分析与变形分析，对弯曲、制动及转弯工况下的优化方案进行了验证.结果表明，所提出的优化方案在满足车辆动态性能基础上，有效实现了轻量化优化，提升了操稳及结构安全.

关键词：结构安全;轻量化设计;客车底盘;有限元法

引言

当前客车的安全性在很大程度上限制和影响着我国公路交通运输行业的发展。就目前来看，货车的底盘改装成为客车已经逐渐成为历史，当前我国的客车底盘设计更加倾向于独立性。除了考虑到安全性以及强度外，更加注重悬架的舒适性以及发动机的主动安全性。其主要的底盘设计技术要点分为以下几个方面。

1底盘有限元建模与简化

所使用的底盘车架空间结构复杂，主要经过铆焊方式连接而成.结构上使用槽型截面作为前后端的大梁，并結合梁、板，使用矩形管组经过焊接形成桁架结构.由于这三段车架局部存在干涉，在建模时将前板簧后吊耳上端横梁前移10mm;后板簧前吊耳上端连接板前端截掉60mm.经过模型的前处理及相关简化，形成三维模型如图1所示.得到三维模型后，需要进一步转换为有限元模型进行模型后续处理.经过对模型及零部件进行网格划分，采用板壳单元进行建模，以便进行结构细化;采用四边形单元，辅以少量三角形单元;采用MPC单元进行焊点焊缝的处理.其中，模型涉及的材料力学性能如表1所示.

2优化方案设计

2.1TRIP钢在客车底盘设计中的应用

通过目前我国生产的客车来看，我国对于高强度钢的应用空间有限，在轿车中也只有切诺基车等极少数的型号使用了高强钢用于车身部件，几乎没有出现过将高强钢用在客车底盘的情况。不过TRIP钢拥有着高强度和高塑形的特点，选用新型的TRIP钢，将其用在客车上，做成底盘加强器，可以充分的发挥他的特点，使客车能够轻量化并且降低耗油，减少了客车的排放，做到“减重节能”等问题。由此可以看出合理利用TRIP钢，在客车底盘的设计中能够改善车的安全性能，并提升车的性能等级。使客车行业能够更好的发现利于底盘开发的材料，减少成本，使底盘的设计达到预想的效果。

2.2辅助系统

1）制动系统随着科学技术的不断发展，当前辅助系统作为客车底盘设计中必不可少的部分，对于行车舒适度以及行驶安全都具有很大的影响。比如说ABS系统可以实现急刹过程中的防抱死，从而通过方向稳定性来帮助驾驶员操纵汽车，从而防止轮胎抱死导致方向失控带来安全隐患，而ESP电控系统则可以通过缩短驾驶员的制动反应时间来实现快速制动。2）缓速系统由于客车在长途行驶中经常会路过一些上下坡道的情况，而长时间的下坡如果一直使用刹车系统进行制动不但会加速刹车片的磨损更会严重影响制动效果，在一些特殊情况下甚至会出现刹车失灵，严重影响行车安全。通过缓速系统则可以利用发动机进行制动，从而杜绝了刹车片过热导致刹车失灵的问题。

2.3三聚磷酸铝在客车底盘设计中的应用

对于客车底盘的设计，要求是非常严格的，在给底盘涂料时，尤其重视底盘的用漆问题，因为，客车在行驶的过程中底盘容易受到腐蚀等问题。有些制造客车的工厂，他们制造的客车发动机漆用了一些铅系的防止腐蚀的材料，这些材料是具有大量的危害性的，并且防腐蚀的性能比较差，使其在储存的过程中不具有稳定性。因此应在此过程中会使用三聚磷酸铝来当做给底盘涂漆的材料，因为三聚磷酸铝在储藏过程中有较好的稳定性，并且防腐蚀效果较强，有利于维持客车底盘的物理性质，做到新能源客车与之前客车本质上的区别，也通过新能源底盘涂料的可靠的材料，提升了客车的性能。因此想要将新能源客车发展好，就要将其取决定作用的底盘部分加强保护与重视，在制造客车底盘的设计当中推行对三聚磷酸铝的使用。

3模态、应力与变形分析评价

3.1模态分析与评价

车辆运行过程中，应充分考虑实际运行中所受到的激励进行模态分析，主要包括：1）由于路面不平所引起的激励多属于20Hz以下的垂直振动，此激励分量较大.2）发动机怠速运转（取怠速为500～700r/min）引起的激振频率在16.6～23.3Hz，此激励分量较大.3）非簧载质量固有频率一般为6～15Hz.4）传动轴的激振频率：当常用车速为50～120km/h时，传动轴不平衡的弯曲振动频率为33Hz以上.此激励分量较小.5）因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz（最高车速取120km/h，轮胎滚动半径为958mm），随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小.对模态的分析与评价应着重考量以下因素：（1）对结构强度影响较大的振型应远离较大激励分量的激励频率;（2）尽量提高前几阶模态的固有频率，以提高结构的动刚度;（3）车架低阶频率（即一阶扭转和弯曲频率）应高于悬挂下结构的固有频率，而又低于发动机怠速运转时的频率，以避免发生整体共振现象;（4）车架弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围;（5）车架振型应尽可能光滑避免突变.基于上述考量，对各方案下的1～14阶模态值分析如表2所示.

从表2中可以看出，各方案下前几阶的固有频率较为正常.结合模态分析振型图，可知在底盘车架的悬架部分振型为非平滑状态，因为此处结构设计原因导致刚度变化大，且激励之间的耦合，也是导致该部分不平滑的主要原因之一.确认模态分析正常后，可继续进行应力分析与评价.

3.2变形分析与评价

完成应力分析后，继续对优化方案1涉及的车架变形情况进行分析.为进一步分析优化效果，对各方案在各工况下的最大变形量进行数值统计，如表3所示.

结语

本研究在原有底盘车架基础上，以提升车辆操稳及结构安全性为目标，对车架进行了改进.基于此，设计弯曲、制动及转弯工况，在定义载荷加载及计算工况后，结合工程实际，提出了车架的结构改进及轻量化设计方案，并对各工况下的车架模态、应力及变形进行了有限元分析.模态分析结果表明，优化方案1的各阶固有频率有效避开了路面、轮胎及传动轴的激振频率，并避开了发动机怠速及非簧载质量的固有频率.此外，在实现成功减重10.2kg的基础上，在给定3种工况的应力最大值与变形量最大值上得到有效降低.所采用的轻量化优化方案，在满足车辆操稳及结构安全的情况下，也实现了车辆动态性能的最大化.

参考文献

[1]陆秋懿，郑再象，许鹏，等.YD6120型纯电动城市客车车架有限元分析[J].机械设计与制造工程，2018，47（1）：58-60.

[2]袁敏，骆静，徐一心，等.基于模态分析的纯电动垃圾车车架拓扑优化[J].制造业自动化，2018，40（3）：106-109.

（作者身份证号码：230832198212010416）