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摘 要：车架作为车辆的主要支撑部分，对车辆的使用性能以及乘客的舒适性有着极大的影响。本文主要是通过对客车常见的三段式车架进行有限元分析，建立了一个三维模型，主要是分析了三段式车架在弯曲和扭转条件下的位移应力分布及其位移关系。通过分析，找到应力最大点和位移最大点，对其周围结构和零件进行分析。发现其应力过大和位移较大的原因是零件的形状设计不合理，以及结构的不合理。通过将零件的截面由原来的槽钢改变为具有桁架结构的零件，这样，不仅减小了车架的重量，还优化了零件的性能。对于车身结构，主要优化为在行李架处添加一个支撑件。通过以上两个改进，降低了车身的最大应力以及最大位移量。对车架结构的性能已经乘客的乘坐舒适性都有极大的改善。
关键词：车架 减重 优化
Analysis and Optimization of Weight Loss of Passenger Car Frame
Shi Lei Ge Hongwei Luo Ji
Abstract：As the main support part of the vehicle， the frame has a great impact on the performance of the vehicle and the comfort of passengers. In this paper， through the finite element analysis of the common three-segment frame of passenger cars， a three-dimensional model is established， which mainly analyzes the displacement stress distribution and the displacement relationship of the three-segment frame under bending and torsion conditions. Through analysis， the article finds the maximum stress point and the maximum displacement point， and analyzes the surrounding structure and parts. It is found that the reason for the excessive stress and large displacement is the unreasonable shape design of the parts and the unreasonable structure. Changing the section of the part from the original channel steel to a part with a truss structure， not only reduces the weight of the frame， but also optimizes the performance of the part. For the body structure， the main optimization is to add a support at the luggage rack. Through the above two improvements， the maximum stress and maximum displacement of the car body are reduced. The performance of the frame structure has greatly improved the ride comfort of passengers.
Key words：frame， weight reduction， optimization
1前言
車架是车的主要载体。车架承受着很大的载荷和复杂的应力条件。是实际情况中应力集中最严重的结构[1]。车架的强度，刚度和结构设计会影响车辆的使用寿命和性能。同时，它也影响了乘客的舒适度。同时，汽车的燃料消耗主要是由于车身而引起的，所以轻量化的车身设计是提高汽车燃油和经济性的重要关键[2]。在完全满足车体安全的使用要求前提下，减轻了车体框架的重量，降低了车身振动和噪音，并提高了汽车的使用寿命[3]。
当今大型客车多采用三段式车架[4-5]，车架的前部，中部和后部与连接板焊接在一起，在车架的前部和后部形成槽形的垂直横梁结构。在本文中，我们将结合客车的三个框架进行cae分析，并进行轻巧的设计。前后框架上的所有垂直横梁结构都设为空心的或转换为桁架结构。经过优化设计，使三段式车架的侧向结构更加合理，并改善了受力状况，达到了降低乘用型车辆重量的目标。
2 车架模型的建立
基于catia软件建造的客车车架cad模型能够使汽车零部件之间的装配关系更加清晰、直观。按照模型示意图，我们就能够非常清晰地认识到每一个零部件的整体结构性质和功能。所建立的汽车车架三维仿真模型如下图1所示。
在建立车架的三维模型时，由于车架的零件都有规则的截面，因此，首先建立车架零件截面后，通过拉伸完成零件建模，然后将其组装。
3 车架有限元分析
3.1 车架强度分析
为了了解车架的性能以及结构的合理性，通过有限元软件来分析其在不同工况下的力学性能。主要是对车架强度的分析。强度是零件抵抗变形或断裂的能力，分为静态强度和动态强度[8-9]。材料破坏有两种类型：屈服和断裂。在外力的作用下，部件会发生一定程度的塑性变形;当外力太大时，组件会破裂和断裂。第一第二强度理论被广泛应用并后来用于描述断裂。第三和第四强度受力理论被广泛地应用来用于描述两种强度具有同样的物体屈服受力强度极限和类似压缩式物体屈服受力强度极限的弹性物体[10]。在任何外力作用下，不可能使框架的任何一个部分发生可塑性变形;因此，本文选择第四段强度理论作为三段框架的强度评价的依据。 3.1.1 弯曲工况
车架横向纵梁多采用槽钢，结构受到严重破坏的形式通常是塑性屈服[11]。因此，在强度分析中首先使用第四强度理论。在整体结构刚度和抗拉强度的分析中，静态弯曲条件分析是一个最常见、基本的分析组成部分。它使得我们能够更全面地准确反映汽车在一种静态和弯曲条件下的各种应变及其内部的应力状态;约束汽车车架弯曲运行状态的边界处理措施是在前悬架左右气囊弹簧支撑中心孔限制两个平移的自由度y和z，如图2所示。
约束后，将悬架左侧和右侧约束定义为在x，y和z两个方向上分别具有三个平移的自由度，如图3所示。简化了弯曲条件下的载荷，将总共40km的均布力力分别施加到车架的前，中和后纵梁，如图4所示。
约束后的弯曲工况下应力分布云图如图5所示。
通过观测后如图5中所示为车架整体车架左侧应力强度分布的云图，车架左侧和右侧的车辆整体车架应力强度分布基本上几乎是对称的，并且大多数区域的应力水平有限。最大的车架应力强度平均值大约为84.57mpa。最小屈服应力极限值可以设定为19.95mpa，在该值内材料的使用可靠性处于屈服应力极限内。
3.1.2 扭转工况
对扭转时的机构车架进行强度计算分析时，采用第四强度理论[14]，把客车的弯、扭特性可以视同静态[15]。
纯横向扭转运动状态下实现车架运动边界化的压力处理控制技术如图6所示：在车辆前悬架上的左右两侧均由安全气囊制动弹簧的压力中心向其两侧相反角度方向分别施加3000n的边界压力，以有效限制左侧、右侧所有车架平移轴的运动以及车架旋转的一定自由度。
根据上述的边界条件，通过cae对车架的结构进行了分析，得到了车架在一定扭转时间内的整个应力分布，如图7所示。在扭转的条件下，车架的最高应力平均值约为84.13mpa，大的应力区域基本上集中在中间梁上，特别是在与车架顶部的连接处。前框架焊接时的应力相对较小，后框架的应力较大。
在横向扭转的这种情况下，由于中段和横梁的纵向车架运动产生的应力最大，如图8所示，最大的车架应力强度平均值大约为84.1mpa。
3.2 车架刚度分析
3.2.1 弯曲工况
由于结构的变形也可以反映其刚度，因此使用前，中和后车架导轨的Z方向位移来评估车架的弯曲刚度。车架在弯曲条件下的Z方向位移云图如图9所示（变形倍率100倍）。如图9所示。
由图9可知，车架前部纵梁的前悬挂受到了支点弯折和变形的限制，整体上变形小。框架的中间部分是向下弯曲，位移性很大，属于比较弱的地方。车架的后悬挂约束点如果是一个支点，会使其发生弯曲或者变形，并且它会围绕着后悬挂的约束点逆时针方向旋转，导致车辆尾部存在有较大的朝下位移
3.2.2 扭转工况
车架的扭转刚度通常是指在汽车的前后轴之间的那截车架的扭转刚度。现在把整个车架被视为具有均匀扭转刚度的梁。根据给定边界约束，计算出在扭转作用情况下整体汽车车架的变形图，如图10所示（比例放大100倍）。
图10车架在横向扭转应力作用的严重工况下的车架整体结构变形图由以上所示，在这个图中我们可以清楚地明显看出，中段支撑纵梁车架会自身发生严重的横向扭曲，从而直接地就导致了前支撑纵梁的车架整体结构产生严重扭转。
4 车架减重优化
考虑到车架中梁，前梁和后梁的结构应力和不合理性，设计了一种新型的结构，并将原来的槽钢截面改为空心桁架结构。在整体框架中，将应力小，变形小的部分减薄或挖空，加强应力大，变形大的部分。在压力较大的地方進行了改进，使整个框架承受的压力更大。改进后的结构为由矩形钢材料制成的桁架状建筑结构，比原始结构轻。图11为框架前部和后部纵向梁结构改进设计示意图。
在检查改进后的框架模型的弯曲和扭转刚度后，发现车的弱点导致整个框架的抗扭性较弱。因此，如图12所示，改进了行李架的中间部分，并增加了支撑肋。
5 优化结果对
优化改进后，对比整体车架的刚度与强度，在扭转工况下改进后的车架的应力分布与位移如图所示。
通过以上两种改进，将实心的槽钢换做具有行架结构的零件，极大的减小了车架的重量，在行李架处增加一个支撑结构，增加了车架的性能。
6 结语
通过对比图7和图14的应力云图可知，最大应力和最大变形量均有所减小，所以通过有限元分析，对车架进行改进，改善了车架的性能，不仅减小了车身重量，还可以增加乘客的乘坐舒适性。
参考文献：
[1]曾景波.SLK6109纯电动公交客车车架设计[J].传动技术，2020，34（02）：29-32.
[2]梁洪明，王靖岳，徐磊.客车底盘车架有限元分析[J].机械工程与自动化，2020（03）：48-50.
[3]Tautvydas Pravilonis， Edgar Sokolovskij， Artūras Kilikevi?ius， et al. The Usage of Alternative Materials to Optimize Bus Frame Structure. 2020，12（6）.
[4]赵东伟，尹怀仙，张洪信，赵清海，付磊.基于组合近似模型的城市客车车架轻量化研究[J].公路与汽运，2020（01）：1-5+10.
[5]黄妮. 氢燃料电池客车车架有限元分析及结构优化[D].青岛大学，2019.
[6]毛敏捷，郭经峰，张宇，李鑫源.基于有限元的客车车架轻量化设计[J].汽车与驾驶维修（维修版），2019（04）：72-73.
[7]Thanh Cong Nguyen. Research to Evaluate the Quality of Passenger Bus Body Frame， Assuring the Passive Safety in the Design Process. 2019， 4714：440-447.
[8]吴军座.客车车架开裂原因分析[J].时代汽车，2018（12）：136-137.
[9]汤周平，黄俊朝.电动客车车架设计及优化[J].机械工程与自动化，2018（03）：72-74.
[10]田国富，赵庆斌.客车车身结构的有限元分析[J].机械工程师，2018（05）：41-44.
[11]王凯，何勇灵，孟广威.客车铝合金车架设计与典型工况分析[J].北京航空航天大学学报，2018，44（08）：1780-1786.
关键词：车架 减重 优化
Analysis and Optimization of Weight Loss of Passenger Car Frame
Shi Lei Ge Hongwei Luo Ji
Abstract：As the main support part of the vehicle， the frame has a great impact on the performance of the vehicle and the comfort of passengers. In this paper， through the finite element analysis of the common three-segment frame of passenger cars， a three-dimensional model is established， which mainly analyzes the displacement stress distribution and the displacement relationship of the three-segment frame under bending and torsion conditions. Through analysis， the article finds the maximum stress point and the maximum displacement point， and analyzes the surrounding structure and parts. It is found that the reason for the excessive stress and large displacement is the unreasonable shape design of the parts and the unreasonable structure. Changing the section of the part from the original channel steel to a part with a truss structure， not only reduces the weight of the frame， but also optimizes the performance of the part. For the body structure， the main optimization is to add a support at the luggage rack. Through the above two improvements， the maximum stress and maximum displacement of the car body are reduced. The performance of the frame structure has greatly improved the ride comfort of passengers.
Key words：frame， weight reduction， optimization
1前言
車架是车的主要载体。车架承受着很大的载荷和复杂的应力条件。是实际情况中应力集中最严重的结构[1]。车架的强度，刚度和结构设计会影响车辆的使用寿命和性能。同时，它也影响了乘客的舒适度。同时，汽车的燃料消耗主要是由于车身而引起的，所以轻量化的车身设计是提高汽车燃油和经济性的重要关键[2]。在完全满足车体安全的使用要求前提下，减轻了车体框架的重量，降低了车身振动和噪音，并提高了汽车的使用寿命[3]。
当今大型客车多采用三段式车架[4-5]，车架的前部，中部和后部与连接板焊接在一起，在车架的前部和后部形成槽形的垂直横梁结构。在本文中，我们将结合客车的三个框架进行cae分析，并进行轻巧的设计。前后框架上的所有垂直横梁结构都设为空心的或转换为桁架结构。经过优化设计，使三段式车架的侧向结构更加合理，并改善了受力状况，达到了降低乘用型车辆重量的目标。
2 车架模型的建立
基于catia软件建造的客车车架cad模型能够使汽车零部件之间的装配关系更加清晰、直观。按照模型示意图，我们就能够非常清晰地认识到每一个零部件的整体结构性质和功能。所建立的汽车车架三维仿真模型如下图1所示。
在建立车架的三维模型时，由于车架的零件都有规则的截面，因此，首先建立车架零件截面后，通过拉伸完成零件建模，然后将其组装。
3 车架有限元分析
3.1 车架强度分析
为了了解车架的性能以及结构的合理性，通过有限元软件来分析其在不同工况下的力学性能。主要是对车架强度的分析。强度是零件抵抗变形或断裂的能力，分为静态强度和动态强度[8-9]。材料破坏有两种类型：屈服和断裂。在外力的作用下，部件会发生一定程度的塑性变形;当外力太大时，组件会破裂和断裂。第一第二强度理论被广泛应用并后来用于描述断裂。第三和第四强度受力理论被广泛地应用来用于描述两种强度具有同样的物体屈服受力强度极限和类似压缩式物体屈服受力强度极限的弹性物体[10]。在任何外力作用下，不可能使框架的任何一个部分发生可塑性变形;因此，本文选择第四段强度理论作为三段框架的强度评价的依据。 3.1.1 弯曲工况
车架横向纵梁多采用槽钢，结构受到严重破坏的形式通常是塑性屈服[11]。因此，在强度分析中首先使用第四强度理论。在整体结构刚度和抗拉强度的分析中，静态弯曲条件分析是一个最常见、基本的分析组成部分。它使得我们能够更全面地准确反映汽车在一种静态和弯曲条件下的各种应变及其内部的应力状态;约束汽车车架弯曲运行状态的边界处理措施是在前悬架左右气囊弹簧支撑中心孔限制两个平移的自由度y和z，如图2所示。
约束后，将悬架左侧和右侧约束定义为在x，y和z两个方向上分别具有三个平移的自由度，如图3所示。简化了弯曲条件下的载荷，将总共40km的均布力力分别施加到车架的前，中和后纵梁，如图4所示。
约束后的弯曲工况下应力分布云图如图5所示。
通过观测后如图5中所示为车架整体车架左侧应力强度分布的云图，车架左侧和右侧的车辆整体车架应力强度分布基本上几乎是对称的，并且大多数区域的应力水平有限。最大的车架应力强度平均值大约为84.57mpa。最小屈服应力极限值可以设定为19.95mpa，在该值内材料的使用可靠性处于屈服应力极限内。
3.1.2 扭转工况
对扭转时的机构车架进行强度计算分析时，采用第四强度理论[14]，把客车的弯、扭特性可以视同静态[15]。
纯横向扭转运动状态下实现车架运动边界化的压力处理控制技术如图6所示：在车辆前悬架上的左右两侧均由安全气囊制动弹簧的压力中心向其两侧相反角度方向分别施加3000n的边界压力，以有效限制左侧、右侧所有车架平移轴的运动以及车架旋转的一定自由度。
根据上述的边界条件，通过cae对车架的结构进行了分析，得到了车架在一定扭转时间内的整个应力分布，如图7所示。在扭转的条件下，车架的最高应力平均值约为84.13mpa，大的应力区域基本上集中在中间梁上，特别是在与车架顶部的连接处。前框架焊接时的应力相对较小，后框架的应力较大。
在横向扭转的这种情况下，由于中段和横梁的纵向车架运动产生的应力最大，如图8所示，最大的车架应力强度平均值大约为84.1mpa。
3.2 车架刚度分析
3.2.1 弯曲工况
由于结构的变形也可以反映其刚度，因此使用前，中和后车架导轨的Z方向位移来评估车架的弯曲刚度。车架在弯曲条件下的Z方向位移云图如图9所示（变形倍率100倍）。如图9所示。
由图9可知，车架前部纵梁的前悬挂受到了支点弯折和变形的限制，整体上变形小。框架的中间部分是向下弯曲，位移性很大，属于比较弱的地方。车架的后悬挂约束点如果是一个支点，会使其发生弯曲或者变形，并且它会围绕着后悬挂的约束点逆时针方向旋转，导致车辆尾部存在有较大的朝下位移
3.2.2 扭转工况
车架的扭转刚度通常是指在汽车的前后轴之间的那截车架的扭转刚度。现在把整个车架被视为具有均匀扭转刚度的梁。根据给定边界约束，计算出在扭转作用情况下整体汽车车架的变形图，如图10所示（比例放大100倍）。
图10车架在横向扭转应力作用的严重工况下的车架整体结构变形图由以上所示，在这个图中我们可以清楚地明显看出，中段支撑纵梁车架会自身发生严重的横向扭曲，从而直接地就导致了前支撑纵梁的车架整体结构产生严重扭转。
4 车架减重优化
考虑到车架中梁，前梁和后梁的结构应力和不合理性，设计了一种新型的结构，并将原来的槽钢截面改为空心桁架结构。在整体框架中，将应力小，变形小的部分减薄或挖空，加强应力大，变形大的部分。在压力较大的地方進行了改进，使整个框架承受的压力更大。改进后的结构为由矩形钢材料制成的桁架状建筑结构，比原始结构轻。图11为框架前部和后部纵向梁结构改进设计示意图。
在检查改进后的框架模型的弯曲和扭转刚度后，发现车的弱点导致整个框架的抗扭性较弱。因此，如图12所示，改进了行李架的中间部分，并增加了支撑肋。
5 优化结果对
优化改进后，对比整体车架的刚度与强度，在扭转工况下改进后的车架的应力分布与位移如图所示。
通过以上两种改进，将实心的槽钢换做具有行架结构的零件，极大的减小了车架的重量，在行李架处增加一个支撑结构，增加了车架的性能。
6 结语
通过对比图7和图14的应力云图可知，最大应力和最大变形量均有所减小，所以通过有限元分析，对车架进行改进，改善了车架的性能，不仅减小了车身重量，还可以增加乘客的乘坐舒适性。
参考文献：
[1]曾景波.SLK6109纯电动公交客车车架设计[J].传动技术，2020，34（02）：29-32.
[2]梁洪明，王靖岳，徐磊.客车底盘车架有限元分析[J].机械工程与自动化，2020（03）：48-50.
[3]Tautvydas Pravilonis， Edgar Sokolovskij， Artūras Kilikevi?ius， et al. The Usage of Alternative Materials to Optimize Bus Frame Structure. 2020，12（6）.
[4]赵东伟，尹怀仙，张洪信，赵清海，付磊.基于组合近似模型的城市客车车架轻量化研究[J].公路与汽运，2020（01）：1-5+10.
[5]黄妮. 氢燃料电池客车车架有限元分析及结构优化[D].青岛大学，2019.
[6]毛敏捷，郭经峰，张宇，李鑫源.基于有限元的客车车架轻量化设计[J].汽车与驾驶维修（维修版），2019（04）：72-73.
[7]Thanh Cong Nguyen. Research to Evaluate the Quality of Passenger Bus Body Frame， Assuring the Passive Safety in the Design Process. 2019， 4714：440-447.
[8]吴军座.客车车架开裂原因分析[J].时代汽车，2018（12）：136-137.
[9]汤周平，黄俊朝.电动客车车架设计及优化[J].机械工程与自动化，2018（03）：72-74.
[10]田国富，赵庆斌.客车车身结构的有限元分析[J].机械工程师，2018（05）：41-44.
[11]王凯，何勇灵，孟广威.客车铝合金车架设计与典型工况分析[J].北京航空航天大学学报，2018，44（08）：1780-1786.