鉸接式自卸汽車車架設(shè)計(jì)

1、鉸接式自卸汽車車架設(shè)計(jì)尚曉明北京科技大學(xué)摘 要：車架是車輛的主要承載部件，要求具有好的強(qiáng)度、剛度和焊接性。在設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足工況要求的情況下，確定出總體尺寸，以及截面梁的形狀和尺寸。此外，依據(jù)前車架上發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、散熱器、駕駛室等間的位置，確定出支座位置。強(qiáng)度分析時(shí)，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。首先，在Po-Engineer工程軟件中進(jìn)行實(shí)體模型的建立，考慮到車架力的承載和ANSYS中的強(qiáng)度分析，將結(jié)構(gòu)部分省略和簡化。之后，利用Pro-Engineer和ANSYS的數(shù)據(jù)交換接口，把模型導(dǎo)入ANSYS軟件當(dāng)中，通過前處理（設(shè)置材料屬性），網(wǎng)格劃分，約束和加載，求解等最終得出模型的應(yīng)力云圖和

2、變形圖。根據(jù)材料強(qiáng)度和設(shè)計(jì)工況的要求，最終確定出合理的車架。關(guān)鍵詞：車架、有限元分析、強(qiáng)度分析。1引言車架好比人體的脊梁，是承載車身部件，發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱等的基礎(chǔ)，是車輛的主要承載部件，所以車架的強(qiáng)度和剛度在車輛總體設(shè)計(jì)中十分重要。汽車的車架可分為：大梁式車架、承載式車架、鋼管式車架。（1）大梁式車架。將粗壯的鋼梁焊接或鉚合起來成為一個(gè)鋼架, 然后在上面安裝引擎、懸架、車身等部件。大梁式車架的優(yōu)點(diǎn)是鋼梁提供很強(qiáng)的承載能力和抗扭剛度, 而且結(jié)構(gòu)簡單, 開發(fā)容易, 生產(chǎn)工藝的要求也較低。缺點(diǎn)是質(zhì)量沉重, 其重量占去全車總重的相當(dāng)部分。大梁式車架適用于大載重量的貨車、中大型客車, 以及對車架剛度要求很

3、高的車輛。（2）承載式車架。承載式車架用金屬制成堅(jiān)固的車身, 再將發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架等機(jī)械零件直接安裝在車身上。這個(gè)車身承受所有的載荷, 充當(dāng)車架, 也叫做“無車架結(jié)構(gòu)的承載式車身”。承載式車架由薄鋼板經(jīng)沖壓、焊接而成, 對設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的要求都很高。承載式車架目前主要用于轎車。（3）鋼管式車架。鋼管式車架就是用很多鋼管焊接成一個(gè)框架, 再將零部件裝在這個(gè)框架上。其生產(chǎn)工藝簡單, 適合小規(guī)模的作坊作業(yè)。時(shí)至今日仍采用鋼管車架的都是一些產(chǎn)量較少的跑車廠1。245噸鉸接車基本參數(shù)汽車總體尺寸為11920mm*3600mm*3750mm,其軸距為6045mm，輪距2725mm,初速40km/h,制動(dòng)距離1

4、8.03m,減速度5.02m/s2。整車載貨量為45噸，滿載時(shí)總重67噸。其前后車架之間由鉸接裝置連接。鉸接車由于性能的優(yōu)越已備受關(guān)注，此45噸的設(shè)計(jì)則是為了滿足更大的載貨能力，降低礦山運(yùn)輸?shù)某杀緭p耗。345噸鉸接車的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先以同類型的車輛為參照，根據(jù)前車架的主要部件發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，散熱器以及鉸接點(diǎn)連接處的尺寸參數(shù)確定出車架的總體尺寸（5234*1745*780）。鉸接車屬于載貨汽車，其前橋載荷與后橋相比較小，而前車架所安裝的部件其所施加的載荷與整車載荷分配給前橋的更小。對于橫梁的設(shè)計(jì)，考慮將其放在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置下方，而U形梁則位于車架縱梁結(jié)構(gòu)變化處。各部件在車架上的固結(jié)點(diǎn)主要考慮部件

5、本身上的安裝位置。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，它采用三點(diǎn)固定，在出廠時(shí)，各點(diǎn)之間的位置已經(jīng)確定。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其相對位置，確定一點(diǎn)，其它兩點(diǎn)也就定了。將其中一點(diǎn)固定在U型梁上，其它兩點(diǎn)則由于尺寸關(guān)系，需要在縱梁上焊接支承座，由此，就確定下發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)車架的位置。而變速箱則根據(jù)動(dòng)力傳遞位于發(fā)動(dòng)機(jī)后，為了保證整個(gè)車架重心位于前橋上，則將變速箱整體位置放在前橋后。然后根據(jù)其固定座，確立在梁上的支承座。其它部件，如散熱器座，油箱座，以及駕駛室支承座則根據(jù)其與發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱的關(guān)系進(jìn)行布置。布置的原則是：合理布局，避免干涉。前車架總圖確定：根據(jù)已知的發(fā)動(dòng)機(jī)，散熱器，變速箱，駕駛室等的整體尺寸，同時(shí)參照同類車架設(shè)計(jì)

6、，運(yùn)用類比的方法，確定車架的基本結(jié)構(gòu)，如下圖：圖3.1 前車架總圖 圖3.1為完成后的總體前車架設(shè)計(jì)圖，其整體形狀近似于U形，此種形狀能夠讓各部件之間的關(guān)系合理，左右，前后的整體受力分配比較均勻，各附件之間也見笑了干涉。同時(shí)，它也安排出足夠的空間，使得變速箱輸出動(dòng)力通過傳動(dòng)軸傳遞到前后橋上。車架縱梁：圖3.2 車架縱梁俯視圖圖3.3 車架縱梁剖面圖縱梁為車架的主要承載部件，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮其有一定的強(qiáng)度和剛度。車架梁的截面主要有三塊鋼板焊接的工字型截面和四塊板焊接的箱型截面。相比于工字型截面，箱型截面抗彎剛度和穩(wěn)定性更好，常用于跨度大且梁的強(qiáng)度和剛度要求高的情況?？古ち海簣D3.4 抗扭梁抗扭梁的

7、設(shè)計(jì)主要是考慮車架在行駛時(shí)，各輪胎可能會(huì)不在同一平面，導(dǎo)致車架存在扭轉(zhuǎn)變形。車架尾座圖3.5 車架尾座俯視圖圖 3.6 車架尾座左視圖 車架尾座使得兩根縱梁連接在一塊，整個(gè)車架構(gòu)成一個(gè)整體。同時(shí)對于鉸接車尾座上含有鉸接孔，使得前后車架連接在一起，構(gòu)成整個(gè)承載車架。尾座由一塊U形板，四塊座板,和其增強(qiáng)作用的筋板組成。U形板與兩根縱梁連接，筋板的設(shè)置主要是由于在鉸接點(diǎn)處，后車架會(huì)將部分里傳于前面，因此要滿足足夠的強(qiáng)度。4建立車架模型 根據(jù)已設(shè)計(jì)出的車架尺寸，進(jìn)行模型建立2。車架總長為5234.0mm,寬為1745.0mm，縱梁鋼板寬為170.0mm，厚為15.0mm. 第一步：確定車架整體形狀 先

8、草繪其形狀圖4.1 車架整體形狀 通過拉伸以及拉伸選項(xiàng)中的去除材料，獲得基本的車架形狀：圖4.2 拉伸后的車架 第二步，獲取縱梁通過去除材料即可獲得兩根縱梁，由于車架是由鋼板焊接而成，內(nèi)部為空心，因此，在形成縱梁后，要進(jìn)行抽殼;圖4.3 車架縱梁第三步，繪制抗扭梁根據(jù)抗扭梁距前懸的位置，確定出中心點(diǎn)位置。抗扭梁自身也為空心，此處筆者是通過四個(gè)面的單獨(dú)生成，得到實(shí)體：圖4.4 抗扭梁 第四步，繪制U形梁 U形梁包含三個(gè)面:上側(cè)面，下側(cè)面以及側(cè)面。上下側(cè)面形狀相同，在繪制時(shí)可以利用鏡像生成，然后通過拉伸在生成實(shí)體。而側(cè)面則依據(jù)上下面的輪廓曲線，繪制出形狀，然后沿縱梁方向進(jìn)行拉伸即可獲得：圖4.5U

9、行梁第五步，繪制車架尾座（1）繪制U形板，由于U形板的兩個(gè)側(cè)面在縱梁生成時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出來，因此只需繪制底面，以縱梁上表面為繪制平面，畫出底面的投影形狀，然后在豎直方向拉伸：圖4.6 尾座U形板 （2）通過孔操作，繪制出U形面的孔圖4.7 U形面孔 （3）繪制座板。以縱梁上平面為繪制平面，畫出最上層座板的形狀，然后通過沿豎直方向拉伸獲取。其余三個(gè)座板則通過鏡像獲得。圖4.8座板 （4）繪制筋板。此處六塊筋板直接通過拉伸獲取。由于所處位置不同，先繪制中間兩塊筋板，其余四塊筋板先繪制一塊，然后通過鏡像獲?。簣D4.9筋板 （5）繪制銷座。各筋板兩側(cè)的銷座厚度不同，其與連接件接觸的中間兩塊厚度為10mm，

10、非接觸的為15mm。繪制時(shí)只畫出兩塊15mm和10mm的即可，其它的則通過鏡像獲取。圖4.10銷座 （6）倒角，孔。銷座孔直徑為100mm,倒角則由于上下表面銷座厚度不同，各有選取。非接觸面為15mm*15mm,接觸面為10mm*15mm.圖4.11銷座孔 （7）繪制前懸支架，由于在進(jìn)行ANSYS分析時(shí)，約束點(diǎn)為耳板的孔處，將模型進(jìn)行了簡化。只繪出與縱梁的連接座和耳板。圖4.12前懸支架（8）繪制前橫梁。繪制橫梁主要是考慮車架在扭轉(zhuǎn)情況下的受力。此處為計(jì)算方便，進(jìn)行了簡化，省略了一些部件和將部件簡化。圖4.13 前橫梁5車架強(qiáng)度分析5.1網(wǎng)格化分由于模型已經(jīng)通過Pro-Engineer建立，因

11、此只需要對其進(jìn)行前處理，然后通過網(wǎng)格(mesh)操作就可得到下圖5.1。對于前處理，主要是設(shè)定材料的屬性，如彈性模量（2.06e11），泊松比(0.3)，由于此車架是殼體(15mm)，因此還需設(shè)置鋼板厚度(15mm)。圖5.1 車架網(wǎng)格圖5.1彎曲結(jié)果分析彎曲工況時(shí)，車架的應(yīng)力云圖圖5.2 車架應(yīng)力等值圖 由圖可以得出車架的最大應(yīng)力為118.66MPa,其發(fā)生在與懸掛連接的耳板處，而前懸支架與縱梁連接處的受力也很大。這主要是由于一方面此處為連接處，存在應(yīng)力集中。另一方面，加載的載荷為均布載荷，前端處于懸空狀態(tài)，此處所受彎矩較大，所以會(huì)產(chǎn)生大的應(yīng)力。 變形圖圖5.3 車架變形圖從圖中可以得出最大

12、變形量為1.6612mm。產(chǎn)生這種情況的原因是鉸接點(diǎn)和前懸的兩個(gè)支點(diǎn)為固定端，車架前部懸空，因此在加載時(shí)前端會(huì)產(chǎn)生較大的變形量。而鉸接點(diǎn)和支點(diǎn)之間，由于均布載荷的作用，相對變形較小。6總結(jié)本文是針對45噸鉸接車前車架的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，取得了以下成果：（1）設(shè)計(jì)出的前車架符合整車的尺寸要求，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、水箱等也被合理的安排在上面，不存在干涉問題。（2）模型的建立采用Pro-Engineer工程軟件，考慮到車架的強(qiáng)度主要為縱梁和橫梁承受，簡化了整個(gè)車架，將一些支架附件省略，這樣做使得在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)會(huì)存在精度上的欠缺，但是對整體車架的設(shè)計(jì)沒有影響。同時(shí)簡化的模型，有利于ANS

13、YS中的分析。（3）在靜態(tài)分析下，車輛行駛在不平路面產(chǎn)生的應(yīng)力和變形量大于行駛在光滑路面上產(chǎn)生的應(yīng)力和變形量，這主要是由于在不平路面上除了彎曲變形，兩根縱梁間的相對錯(cuò)位產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)變形。（4）車架整體滿足強(qiáng)度要求，但是局部存在應(yīng)力偏大的情況，這主要是由于應(yīng)力集中引起。在使用時(shí)，車架如果出現(xiàn)損壞等情況最先考慮的應(yīng)是這些部位。雖然本篇設(shè)計(jì)完成了前車架的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，但是仍有許多方面需要改進(jìn)。如：選用質(zhì)量輕強(qiáng)度高的材料，以減輕整車質(zhì)量，提高加速性、爬坡性和制動(dòng)性能。此外還可對車架構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化等。參考文獻(xiàn)1 黃文 重型汽車車架設(shè)計(jì)，廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，第16卷增刊3，2005年10月2 嚴(yán)烈 中文 Pro

14、ENGINEER Wildfire 2.0 應(yīng)用基礎(chǔ)教程 冶金工業(yè)出版社 2006.63 王國強(qiáng) 實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐 西北工業(yè)大學(xué)出版社 19994 馬治國 夏毅敏，ANSYS軟件應(yīng)用介紹，鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2005年第2期5 李人憲有限元法基礎(chǔ)北京：國防工業(yè)出版社，20026 吳鴻慶，任俠結(jié)構(gòu)有限元分析北京：中國鐵道出版社，2000TitleDesign of Intensity for Front Frame of 45 Tons Articulated VehicleXiaoming ShangUNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLO

15、GY BEIJINGAbstractFrame is the main vehicle carrying component, it requires a good strength, stiffness and welding. In the design, referencing the papers of frame design, and then with meeting the requirements of the condition, determine the overall size and the shape of beam cross-section. In addit

16、ion, on the basis of the position of engine, transmission, radiator and cabs, identify the bearing position. During strength analysis, ANSYS software is used for finite element analysis. First, establish a solid model in the Po-Engineer software works, taking into account the load of the frame and analysis, some structures are omitted and simplified. And then, using data exchange interfaces of Pro-Engineer and ANSYS, the model can be imported into ANSYS software. Through the pre-treatment