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中图分类号：U463.32 文献标识码：A
一、研究现状
车架是重型载重汽车的重要部件，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室、和货箱等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。此外，由于重型载重汽车的使用条件十分恶劣，受力状况非常复杂。为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使得汽车的乘坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。同时，为应对激烈的市场竞争，降低车辆的制造成本和使用成本，又要使其在满足上述条件时质量尽可能的轻。因此，车架的轻量化设计日益被各汽车厂家所采用。来源于国内斯太尔体系的重型载重汽车升级项目。根据升级卡车项目的需要基于实体单元对所设计的重型载重汽车的车架结构进行有限元建模分析，在对车架的静力分析和模态分析的基础上，对车架的轻量化设计进行了一定的探讨。.
二、研究背景
在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件设计以及驾驶室噪声的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力的工具之一。目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；一是造成车架的设计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。因此，本文以24t重型载货汽车车架为研究对象，对车架结构有限元模型的建立，静、动态特性分析以及设计参数的优化等内容进行研究与探讨。
三、轻量化设计技术有利于汽车产业的可持续发展及汽车性能的提高
随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加深。目前我国已超过日本成为世界第二大能源消费国，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成的极大的负担。据统计，2003年我国车用燃油消耗已达到7000万吨，占我国全年石油消耗量的1/3。汽车作为耗油大户，其节能与否己直接影响到我国整体的能源消耗水平，国家对此高度重视。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了我国首个油耗强制性国家标准一一乘用车燃料消耗量限值（GB19578一2004），该标准对我国汽车的燃油消耗作了上限规定，将分两个阶段实施。新标准的实施有望减少因为汽车保有量日益增加而能效较低所带来的能源浪费，标准第一阶段实施后我国现有的汽车油耗水平将降低5%～10%，第二阶段实施后油耗将比现在降低15%以上。标准出台的目的是降低油耗，这将使汽车厂商更注重汽车的节能降耗。其中汽车的轻量化是达到这个目的比较有力的手段之一。车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成一辆完整的汽车。同时，还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，及要承受各种静载荷和动载荷。
四、对车架的要求
（一）又足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏。要求有足够的疲劳强度，保证汽车大修里程内，不至于有严重的疲劳损伤。
（二）有足够的弯曲强度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，固定在底盘上的各总成不至因为变形而早期损坏或失去正常的工作能力。通常重型载重汽车的最大弯曲挠度应小于10mm。
（三）有适当的扭转刚度。当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面的不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求具有合适的扭转刚度。通常要求底盘两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。
（四）尽量减轻质量。由于底盘较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，底盘应该按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻底盘的质量。
五、车架类型的选择
车架是按照结构的不同来分类的，主要结构型式有框式、脊梁式和综合式。其中框式又可分为边梁式、周边式和X型。
（一）边梁式车架
这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干横梁组成。这种结构便于安装驾驶室、车厢和其他总成，广泛用在载货汽车、特种汽车和大客车上。
（二）周边式车架
这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门栏梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。这种车架结构复杂。
（三）X型车架
这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将转距转变为弯距，对短而宽的车架，这种效果最明显。
（四）脊梁式车架
这种车架主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若干根悬伸托架组成。中央纵梁可以是圆管状，也可以是箱形断面。这种车架的扭转刚度合适，容许车轮跳动的空间大，适合采用独立悬架，但制造工艺复杂。
（五）综合式车架
这种车架的前后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥；中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。是边梁式和脊梁式的综合，中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，制造工艺复杂。
车架纵横梁的其他零件的制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大型压力机上冲孔及成型；也有采用槽钢、工字钢、管料等型材制造的。轿车车架的组装多采用二氧化碳保护焊、塞焊和点焊，设计时应注意对焊接规范、焊缝布置及焊接顺序的选择；货车车架的组装多采用冷铆工艺，必要时也可采用特制的防松螺栓连接。为保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹紧，特别应保证有关总成在车架上的定位尺寸及支承点的相对位置的精度。
一、研究现状
车架是重型载重汽车的重要部件，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室、和货箱等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。此外，由于重型载重汽车的使用条件十分恶劣，受力状况非常复杂。为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使得汽车的乘坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。同时，为应对激烈的市场竞争，降低车辆的制造成本和使用成本，又要使其在满足上述条件时质量尽可能的轻。因此，车架的轻量化设计日益被各汽车厂家所采用。来源于国内斯太尔体系的重型载重汽车升级项目。根据升级卡车项目的需要基于实体单元对所设计的重型载重汽车的车架结构进行有限元建模分析，在对车架的静力分析和模态分析的基础上，对车架的轻量化设计进行了一定的探讨。.
二、研究背景
在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件设计以及驾驶室噪声的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力的工具之一。目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；一是造成车架的设计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。因此，本文以24t重型载货汽车车架为研究对象，对车架结构有限元模型的建立，静、动态特性分析以及设计参数的优化等内容进行研究与探讨。
三、轻量化设计技术有利于汽车产业的可持续发展及汽车性能的提高
随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加深。目前我国已超过日本成为世界第二大能源消费国，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成的极大的负担。据统计，2003年我国车用燃油消耗已达到7000万吨，占我国全年石油消耗量的1/3。汽车作为耗油大户，其节能与否己直接影响到我国整体的能源消耗水平，国家对此高度重视。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了我国首个油耗强制性国家标准一一乘用车燃料消耗量限值（GB19578一2004），该标准对我国汽车的燃油消耗作了上限规定，将分两个阶段实施。新标准的实施有望减少因为汽车保有量日益增加而能效较低所带来的能源浪费，标准第一阶段实施后我国现有的汽车油耗水平将降低5%～10%，第二阶段实施后油耗将比现在降低15%以上。标准出台的目的是降低油耗，这将使汽车厂商更注重汽车的节能降耗。其中汽车的轻量化是达到这个目的比较有力的手段之一。车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成一辆完整的汽车。同时，还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，及要承受各种静载荷和动载荷。
四、对车架的要求
（一）又足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏。要求有足够的疲劳强度，保证汽车大修里程内，不至于有严重的疲劳损伤。
（二）有足够的弯曲强度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，固定在底盘上的各总成不至因为变形而早期损坏或失去正常的工作能力。通常重型载重汽车的最大弯曲挠度应小于10mm。
（三）有适当的扭转刚度。当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面的不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求具有合适的扭转刚度。通常要求底盘两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。
（四）尽量减轻质量。由于底盘较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，底盘应该按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻底盘的质量。
五、车架类型的选择
车架是按照结构的不同来分类的，主要结构型式有框式、脊梁式和综合式。其中框式又可分为边梁式、周边式和X型。
（一）边梁式车架
这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干横梁组成。这种结构便于安装驾驶室、车厢和其他总成，广泛用在载货汽车、特种汽车和大客车上。
（二）周边式车架
这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门栏梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。这种车架结构复杂。
（三）X型车架
这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将转距转变为弯距，对短而宽的车架，这种效果最明显。
（四）脊梁式车架
这种车架主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若干根悬伸托架组成。中央纵梁可以是圆管状，也可以是箱形断面。这种车架的扭转刚度合适，容许车轮跳动的空间大，适合采用独立悬架，但制造工艺复杂。
（五）综合式车架
这种车架的前后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥；中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。是边梁式和脊梁式的综合，中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，制造工艺复杂。
车架纵横梁的其他零件的制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大型压力机上冲孔及成型；也有采用槽钢、工字钢、管料等型材制造的。轿车车架的组装多采用二氧化碳保护焊、塞焊和点焊，设计时应注意对焊接规范、焊缝布置及焊接顺序的选择；货车车架的组装多采用冷铆工艺，必要时也可采用特制的防松螺栓连接。为保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹紧，特别应保证有关总成在车架上的定位尺寸及支承点的相对位置的精度。