轻卡全铝车架开发技术研究

摘要：轻量化已经成为轻卡的发展趋势，铝合金作为一种密度较低的材料，目前广泛用于高铁、航天、深海探测等领域，通过对车架进行全铝设计，能够满足轻量化设计的需求。本文分析了全铝车架的特点和轻卡对车架设计的需求，然后分析如何开展全铝车架设计，并分析验证车架的性能。通过研究，帮助设计人员更好地设计全铝车架，满足轻卡轻量化设计的需要。

关键词：轻卡；全铝车架；开发技术

引言：国家对于轻卡的整备质量、燃料消耗规定正变得原来越严格，因此轻量化设计已经成为卡车发展的重要趋势。车架作为车辆中最为重要的部件之一，通过对其在满足强度、刚度的情况下进行轻量化设计已经成为卡车轻量化设计的主要途径，而铝作为密度低、强度高的材料，对车架进行全铝设计对优化设计设计有着重要帮助，随着铝合金材料应用技术的完善，目前全铝车架开发已经具备技术条件。

1 全铝车架特点

1.1 轻量化

铝合金具有较低的密度，铝合金的密度只有钢材的1/3，所以全铝车架相较于传统的钢铁车架更轻，使用全铝车架，可以显著减轻汽车整体重量，从而提高燃油经济性、减少能耗，降低车辆的悬挂系统的压力，也能获得更好的悬挂性能[1]。

1.2 强度高

铝合金密度较低，但强度和刚性相对较高，具有良好的抗拉、抗压和抗腐蚀性能。因此全铝车架在车辆结构中能够提供足够的强度和刚性，能保障车辆的安全性和可靠性，也能让卡车适应更多的路况，满足通用性要求。

1.3 良好的耐腐蚀性能

铝合金具有较好的耐腐蚀性能，在常温下表面会形成致密的氧化铝薄膜，能防止铝合金结构的内部受到氧化，所以不容易生锈和腐蚀，有助于减少车架的维护和修复成本，并延长车架的使用寿命。

1.4 可塑性和设计灵活性

铝合金具有较高的可塑性，可以通过各种成形工艺制造出复杂的车架形状，从而提供更大的设计灵活性和创新空间，有助于实现更加轻量化、紧凑化和空气动力学优化的汽车设计，提升轻卡的性能。

2 轻卡车架设计原则

车架作为整车的骨架，支撑着车体的零部件，同时也承受着来自车辆内外的载荷，因此车架必须遵循有关原则进行设计。针对轻卡可能面临的路况，需要保证车架的强度能适应路况，保证车架的最大应力小于材料屈服强度，并且要保证车架的刚度满足要求，从而在各类路况下，车架不会因为变形、损坏导致失去工作能力[2]。在整车状态下，车架需要避开路面应激和关键总成的固有频率，避免由于振动导致车架受到严重破坏，影响轻卡的整车安全。设计车架时，需要充分考虑车架的标准化、通用化、系列化需要，同时在保证车架强度的前提下，有效控制轻卡的重量，方便轻卡的使用。

3 轻卡全铝车架设计

3.1 材料选择

铝合金的密度只有钢材的三分之一，并且更耐腐蚀，在耐氧化性上也强于钢铁。目前7系铝合金材料的强度已经高于很多高强度钢材，比如铝合金7050的屈服极限已经达到560MPa，高于卡车常用的510L钢材和610L钢材，所以可以使用铝合金7050进行全铝车架的设计工作。

3.2 结构设计

对车架开发的中，需要满足易加工、降重率、满足强度刚度的需求，目前钢制车架已经实现批量生产销售，所以在设计结构时，需要使用现有车型的零部件，并减少整车的试制周期、开发成本[3]。同时，铝合金材料焊接接头弱化，会影响强度，并容易导致应力集中造成开裂。车架总成使用等宽直通型结构，包括左梁、右梁和若干横梁，使用铆接将横梁和纵梁连接成封闭的刚性结构。车架纵梁需要采用等应力设计原则，使用等截面的槽型结构以及单层梁，上下翼面和腹面使用不等厚设计，腹面厚度L1需要大于翼面厚度L2，保证车架强度、刚度的水平，纵梁的加工需要使用变厚板技术，并一次性挤压成型。

横梁设计上，首横梁使用非对称工字钢结构，加强首横梁的强度，上下翼面和腹面进行等厚度设计，其他横梁采用对称工字钢结构，让车架具有更强的抗扭性能，上下翼面和腹面使用不等厚设计。

4 设计验证

4.1 虚拟验证

对于完成设计的车架使用有限元方法进行虚拟验证，进行不同工况下强度、模态、疲劳强度的建模分析，确定车架的性能水平[4]。为模拟车辆在真实状况下的受力状况，需要分别分析垂直冲击、转弯、制动、扭转四种工况下的车架的受力状况。通过分析，车架总成在以上四种工况下的最小静态安全因子都大于1，能满足轻型载货车架的需求。

车架总成包括多个自由度的振动系统，车辆行驶期间，如果系统出现共振，将会导致车架损坏，造成严重的安全问题。所以需要对车架进行模态分析。轻型卡车的车前、后悬架频率范围为2Hz-4Hz，全铝车架的一阶模态固有频率是10Hz-15Hz，通过模态分析，该全铝车架的一阶扭转、一阶横弯模态频率是6.17Hz和18.3Hz，可以避开固有频率段，能保证车辆运行期间不会出现较大的振动。一阶垂向弯曲模态为22.0Hz，在垂直方向避开路面应激，路面不平时，引起的激励频率一般在1Hz-20Hz，在发动机怠速运转时，对应的运转频率一般为27Hz-30Hz，由于一阶垂向弯曲模态为22.0Hz，低于发动机怠速转动频率，因此并不会产生共振。所以该全铝车架的设计合理，横架位置也比较合适，可以避开动力总成、车身、路面激励等问题，并有效避免共振问题的出现。

最后进行疲劳分析，在有限元分析时，建立车架台架实验一致的有限元分析模型展开疲劳分析工作，方便对仿真结果和实际结果进行对比。台架的前旋转中心约束自由度为123456，前台架的左侧加载点约束自由度为3，后台架接地点的约束自由度为123。通过对轻卡的疲劳试验条件进行加载，确定最小疲劳周次节点的第二横梁右侧、纵梁下翼面连接孔栓边缘，疲劳周次高于30万次以上的指标要求。

4.2 台架验证

结合车架扭转疲劳台架实验规范，对车架进行了台架扭曲疲劳实验，约束方式和建立有限元模型保持一致[5]。在前轴扭转出通过作动器事假位移，让车架产生扭曲角度，使用等幅值正循环加载。通过台架验证分析，在30万疲劳周次内，车架依然保持了完好的状态，该车架保持了完好的状态，没有出现开裂情况，台架验证结果和模拟分析结果一致，证明车架满足轻卡对车架的设计要求，可以进一步开展路试验证工作。

结束语：铝合金材料具有比钢铁刚度、强度好的特性，结合其特性和成型工艺，对于轻型卡车应设计等宽直通型全铝车架，以满足性能要求。通过对其进行有限元仿真分析，以及通过台架实验进行验证，证明仿真结果和实际实验结果一致，能满足设计要求，可以给卡车的轻量化设计提供解决方案。

参考文献：

[1]霍崇亚，陈博，郭守武.基于全铝车架纵梁设计分析计算及成型工艺研究[J].重型汽车，2022（06）：31-32.

[2]付佳奕. 商用车轻量化需求迫切 中国忠旺联手福田打造行业新“样本”[N]. 每日经济新闻，2021-09-15（008）.

[3]王璋，王磊，聂春红，胡东方，马忠民，肖介平.某越野车全铝车架性能开发及试验验证[J].小型内燃机与车辆技术，2021，50（03）：38-45+54.

[4]王飞. 全铝客车结构动应力检测及其数字孪生技术研究[D].华中科技大学，2021.

[5]张文甲. 全铝半挂车车架开发及优化设计[D].湖南大学，2018.