商用车车架是车辆总成和零部件的承载基体，车架纵梁是车架的主要承载部件。为了使商用车轻量化，满足市场对低能耗、高效汽车的需求，以电动商用车车架为研究对象，建立了车架有限元模型，采用结构设计方法，重新设计了车架纵梁结构。
一、车架纵梁结构设计及尺寸优化。
1.车架纵梁结构设计。
框架作为汽车全身最重要的承重部件，当汽车在道路上行驶时，框架会承受多种载荷，包括来自不均匀道路的外力和来自汽车内部其他系统的力，容易导致框架弯曲变形和扭转变形。纵梁是框架的主要承重部件，框架的大部分弯矩和扭矩由纵梁承受，纵梁在整个框架的总质量中所占比例最大。因此，纵梁的设计在整个框架的设计中起着至关重要的作用。只有确保纵梁的刚度和强度，才能保证整个框架的刚度和强度。目前，传统框架纵梁采用横截面为C型梁结构。经分析，传统框架具有低阶模态频率过低、扭转刚度不足等问题，需要采取措施增加框架扭转刚度，提高低阶模态频率。根据弯曲理论和扭转理论，空心杆的抗弯能力远大于横截面积。如果同一截面积的杆变为实心，抗弯强度将降低到原来的10%。传统车架纵梁横截面采用C型结构，纵梁厚度为8mm，宽度为75mm，高度为272mm。与封闭横截面相比，C型横截面的稳定性不如封闭横截面好。在一定的纵梁厚度下，封闭横截面的刚度也更高；因此，将纵梁设计成封闭的中空结构。考虑到制造和车架上零部件的安装，纵梁上下板的厚度保持在8mm不变，侧板的厚度选择为原来的一半，即4mm，可以保证纵梁的横截面积和总重量不变。保持车架高度和宽度不变，将车架纵梁横截面从传统的C型结构改为封闭的口型结构，设计中空结构纵梁，提高车架扭转刚度。
2.改进车架纵梁尺寸优化。
考虑到框架的轻量化，改进框架的厚度和尺寸优化。在保证结构性能的同时，尺寸优化可以通过有限元计算找到最佳尺寸，以降低材料成本。在Opti-Struct软件中，采用局部接近方法获得最佳尺寸，以解决结构的最佳尺寸问题；因此，为了降低框架的质量，保证框架的结构性能，限制了框架的1阶模态频率、加载点在弯曲条件下的最大位移和扭转条件下的最大位移。整个框架的主要部件是框架的两个纵梁和五个横梁。它们在框架的整体质量中占很大比例。因此，以框架纵梁和横梁的厚度为设计变量，建立了以框架质量最小为目标的优化设计数学模型。
二是提高车架力学性能分析。
1.改进框架刚度性能分析。
1.1弯曲刚度分析。
对改进车架的弯曲条件进行刚度分析。弯曲条件下左右纵梁中间加载点的Z向位移分别为-1.523mm和-1.371mm。如果两个加载点的平均位移为-1.485mm，则改进车架的弯曲刚度计算如下:K=F/L=2×5000/1.4485=6903.69N/mm。
1.2扭转工况刚度分析。
对改进框架扭转条件下的刚度进行分析。扭转条件时，左右纵梁中间加载点的Z向位移分别为2.705mm和-2.774mm，改进框架扭转刚度的计算结果为15.88×104N·m/rad电动公交车车架扭转刚度一般为5×104N·m/rad，15.88×104>5×104。
2.改进框架强度性能分析。
框架作为电动公交车的承载基体，承受着车内外的各种载荷，因此框架应具有足够的强度，以确保驾驶安全。本文选择了转弯条件和扭转条件进行分析。根据制造商提供的框架负荷信息，框架承载的质量分别应用于框架的前轴和后轴，前轴应用于3544kg的质量负荷，后轴应用于4457kg的质量负荷。根据制造商提供的信息，将框架加载设置为：在左前轮安装中心点约束X、Y、Z平，在右前轮安装中心点约束Z平，在左后轮安装中心点约束X、Y平，在右后轮安装中心点约束Z平，在整体坐标系下，大小为g重力加速度，施加Y方向，大小为0.2g重力加速度。将建立的框架有限元模型计算到Opti-Str，并在转弯条件下计算到Opti。
同样，根据制造商提供的信息，本文将扭转框架加载条件设置为：在左前轮安装中心点约束X、Y、Z平，强制施加150mmZ位移，释放右前轮安装中心点6自由度，在左后轮安装中心点约束X平，在右后轮安装中心点约束X平，在全球坐标系下施加Z方向，大小为g重力加速度。在Opti-Struct软件中计算建立的框架有限元模型后，在扭转条件下获得应力云图。
在Opti-Struct软件中，分析了两种工况下的框架有限元模型。结果表明，改进框架在转弯条件下的最大应力为396.558MPa，扭转条件下的最大应力为391.457MPa，框架材料为610L高强度钢，屈服强度为500MPa。因此，改进框架的强度符合要求。
3.改进框架自由模式分析。
根据Opti-Struct软件提取改进框架的自由模式分析，改进框架前6阶模式的频率和振动类型。改进框架的1阶模式频率从4.86HZ优化到12.74HZ，比传统框架高7.88HZ，可避免框架在行驶过程中与道路产生共振。同时，改进框架的3阶模式频率不同程度地低于传统框架。
通过比较两种车架的自由模式和刚度，可以发现，在满足车架弯曲刚度的情况下，车架的1阶模式频率从4.86HZ提高到12.74HZ，提高了1.62倍。扭转工况下，车架的刚度从4.91×104Nm/rad提高到15.88×104N。
三，结语
本文通过改变车架纵梁的横截面形状，从传统的C形状转变为口形状，计算了其最佳横截面的宽度和高度，设计了一种新型结构车架，并优化了改进车架结构的厚度和尺寸，使车架的一阶模式频率从4.86HZ提高到12.74HZ，在扭转条件下，车架的刚度从4.91×104N·m/rad提高到15.88×104N·m/rad。同时，车架减重27.60%。在保证车架承载能力的前提下，有效减重，提高了车架性能，取得了良好的优化效果。
