车琪，姚得心，李茜，钱全全，赵亚君，靳红玲

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 咸阳 712100）

前言

车架是承载整车质量的基础载体，用以固定汽车的绝大部分零部件和总成，它的强度和刚度是保证整车各个方面可靠性的重要因素。车架受力较为复杂，受静载荷和动载荷等，且在运行过程中车架还会受到冲击、扭矩等，所以仅利用静力学对车架进行分析不能准确反映车架的实际工况，基于动力学仿真的结构分析能够真实地反映车架的动力学行为，为车架的设计优化提供理论依据[1-10]。

1 三维车架模型及其相关参数

铝合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀和良好的成形性以及可回收再利用等诸多优良特性[11-12]。车架采用铝合金方管，底部承重部分及上部支撑车手背部的材料采用 2mm*25 mm*38mm铝合金方管，其余部分采用1mm*25mm*38mm铝合金方管，两根承重杆将采用贯穿式设计，即前轮到后轮支撑处方管为一根完整方管，具体参数详见表 1，车架如图 1所示。

表1 车架材料属性表

图1 车架三维模型

2 动力学模型的建立与分析

如图 2所示，将整车的装配体、地面模型文件导入Adams，其中装配体包括简化后的前后车轮、车架。

图2 动力学仿真模型

2.1 前处理

将轮胎简化为一体式轮胎，建立笛卡尔坐标系，原点与车架原点重合，X方向为小车前进方向，Y方向为小车左右方向；将车架材料设置为铝合金，轮轴材料设置为45号钢，由于主要分析车架的力学情况，所以不考虑轮胎的弹性变形，故车轮为刚体。

2.2 添加约束、载荷、动力

外载荷主要为车手重力和电机的重力，模拟车手重力和电机的重力的作用力约为800N，车手背部作用于车架靠背处50N。集中载荷施加于车架指定位置，具体位置如表2所述，如图3所示。

表2 约束、载荷、动力属性表

图3 载荷分布图

2.3 仿真及其后处理

基于以上步骤，开始整车的刚性动力学仿真，得到Y方向整车位移曲线，前、后轮与车轴连接处受力曲线等。

2.3.1 整车质心在Y方向的位移

由图4可知在仿真过程中整车在小车的左右方向的位移曲线在-0.1832m至-0.1833m的区间内波动，即位移偏移量小于1.00e-06mm，因此可认为整车在行驶过程沿直线行驶。

图4 整车质心在Y方向的位移曲线

2.3.2 前、后轮安装处受力情况

如图5所示①启动时（0s）：前轮两侧有较小的冲击载荷，大约100N。驱动轮连接处由于启动转矩瞬时间有较大受力为350N。②平稳运行时（0-5s）：在一个微量定值上下浮动③过减速带时（5-11.5s）：有较大的浮动，最大冲击载荷约为50N，在8.5s左右最大冲击力剧增，约为 250N，分析原因是此处减速带距离较近，后轮还在上一减速带立刻前轮通过另一个减速带。

图5 前轮（红）、后轮（蓝）连接处受力曲线

整车行驶过程中，对于各部位变形量进行比较，前、后车轮安装处的变形量更大，但二者均在允许范围15mm内；且实际过程中车手及电机等零部件的载荷总和小于800N，因此满足载荷突变小于1500N的设计要求，可进行静力学有限元分析。

3 静力学模型的建立与分析

基于Adams分析后的受力情况，获得节能车在行驶过程中最恶劣的受力情况，即车架承受250N最大冲击力时，在该工况下进行有限元分析。

3.1 前处理

建立笛卡尔坐标系，X轴方向为垂直车架竖直方向，Y方向与小车前进方向一致，Z方向为车架左右方向。将Creo的车架三维模型另存为.x_t格式文件，通过 ANSYS的 File下拉菜单Import导入车架模型。

分析类型为Structural；车架模型为空心方管，因此单元类型选择实体单元；设置材料属性。

当选择壳单元划分网格时，需要通过面选择选取车架所有部位进行网格划分；如图所示，实体单元的网格划分，通过体积选择车架所有部位。选择智能尺寸，划分精度选择10。对车架设置约束及载荷，如表3、表4所示，施加后效果如图6所示。

表3 约束属性表

表4 载荷属性表

图6 施加载荷及边界条件

3.2 后处理

通过后处理得到车架在X方向，Z方向的变形量及XYZ三方向的等效变形量，变形量均在范围之内，满足设计要求。如图7所示脚踏处最大变形量为1.602mm；如图8所示，靠背处最大变形量为0.146mm；如图9所示，车架为最大变形量0.249mm。

图7 X,Y,Z三方向等效变形量图

图8 Z方向变形量图

图9 X方向变形量图

4 结论

由静力分析的结果可知，满载工况下车架最大应力36.19Mpa，在材料的屈服强度455MPa范围内，因此车架的强度满足要求，车架的变形量也均在15mm的区域内，不会造成车架的结构性破坏。虽然仿真结果变形量很小，但是在加工过程中的焊接对于车架的结构的影响不可忽视，需要结合实际情况，进一步分析考虑材料的切割及焊接点等问题。根据动力学分析，驱动轮后轮所受到的启动冲击载荷约为前轮的 3.5倍，故在对后轮处进行改进时可加装减震器，且应选择弹性系数相对较小的减震器，有利于缓和冲击；或者选择缓冲能力较强的合金材料、复合材料。