燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院車(chē)架設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)

1、燕山大學(xué)綜 合 訓(xùn) 練 說(shuō) 明 書(shū)題目：長(zhǎng)安之星S460 SC6408 A1K車(chē)架設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、剛度、振動(dòng)模態(tài)及動(dòng)應(yīng)力和碰撞安全等進(jìn)行有限元分析，對(duì)與汽車(chē)的輕量化、使用壽命，振動(dòng)和噪聲特性等做出初步判斷，可以為縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期創(chuàng)造極為有利的條件。車(chē)架作為汽車(chē)的承載基體，具有支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車(chē)身和貨箱等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件的作用，同時(shí)承受著車(chē)身傳給它的各種力和力矩，是將汽車(chē)各零件連接成汽車(chē)整體的金屬構(gòu)架，其靜力狀態(tài)下以及工作狀態(tài)下受力是十分復(fù)雜的，因此對(duì)其進(jìn)行有限元分析是十分必要的。本設(shè)計(jì)將結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，從車(chē)架的

2、功用及結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立幾何模型，進(jìn)行有限元分析，完成面包車(chē)車(chē)架的基本設(shè)計(jì)。1車(chē)架功用及類(lèi)型1.1車(chē)架功用車(chē)架俗稱(chēng)“大梁”，它是汽車(chē)的裝配基體，汽車(chē)絕大多數(shù)的零部件、總成都要安裝在車(chē)架上。另外，車(chē)架不僅承受各零部件、總成的載荷，還要承受汽車(chē)行駛時(shí)來(lái)自地面各種復(fù)雜載荷的作用力，如汽車(chē)加速、制動(dòng)時(shí)的縱向力，汽車(chē)轉(zhuǎn)彎、側(cè)坡行駛的側(cè)向力，不良路面?zhèn)鱽?lái)的沖擊等等。所以車(chē)架的功用可以分為兩點(diǎn)，一是支承、連接汽車(chē)各零部件、總成；二是承受車(chē)內(nèi)、外各種載荷的作用。因此，車(chē)架是一個(gè)形狀負(fù)載、強(qiáng)度和剛度要求較高的剛性結(jié)構(gòu)。1.2車(chē)架的類(lèi)型和構(gòu)造汽車(chē)上采用的車(chē)架有4種類(lèi)型：邊梁式車(chē)架、中梁式車(chē)架、綜合式車(chē)架和無(wú)梁式車(chē)架。

3、目前汽車(chē)上多采用的是邊梁式車(chē)架和無(wú)梁式車(chē)架。1.2.1邊梁式車(chē)架邊梁式車(chē)架如圖1所示，它有兩根縱梁和若干跟橫梁構(gòu)成。縱梁和橫梁之間通過(guò)鉚接和焊接的方法連接起來(lái)。這種車(chē)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于整車(chē)的布置，所以在各種類(lèi)型的汽車(chē)上都廣泛應(yīng)用。圖 1 邊梁式車(chē)身邊梁式車(chē)架的縱梁具有以下特點(diǎn)：一是從寬度上看有前窄后寬、前寬后窄和前后等寬3種形式，前窄使前輪具有足夠的偏轉(zhuǎn)角度，提高了車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性能；后窄用于重型車(chē)輛，便于布置雙胎。二是從平面度上看有水平的和彎曲的兩種形式，水平的縱梁便于零部件、總成的安裝和布置；彎曲的縱梁可以降低車(chē)輛重心。三是從斷面形狀上看有槽形、Z字形、工字形和箱形幾種，這些形狀主要為了滿足質(zhì)量

4、小的前提下，車(chē)架具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受各種載荷，橫梁多為槽形。1.2.2無(wú)梁式車(chē)架無(wú)梁式車(chē)架是用車(chē)身兼做車(chē)架，汽車(chē)的所有零部件、總成都安裝在車(chē)身上，車(chē)身要承受各種載荷的作用，因而這種車(chē)身又稱(chēng)為承載式車(chē)身，廣泛用于轎車(chē)和客車(chē)，如圖2所示。圖 2 承載式車(chē)身1.2.3中梁式車(chē)架和綜合式車(chē)架中梁式車(chē)架和綜合式車(chē)架分別如圖3、圖4所示，由于這兩種車(chē)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造及維修困難，所以目前很少應(yīng)用。圖 3 中梁式車(chē)身圖 4 綜合式車(chē)身2車(chē)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2.1法規(guī)要求及國(guó)際慣例車(chē)架總成在正常使用條件下，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開(kāi)裂。2.2功能及性能要求車(chē)架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上

5、的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車(chē)行駛過(guò)程中保持不變并使車(chē)身的變形量最小；車(chē)架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性和壽命。 2.3設(shè)計(jì)過(guò)程的節(jié)點(diǎn)控制要求車(chē)架總成要負(fù)責(zé)控制校核的內(nèi)容如下：協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件在車(chē)架縱梁上的安裝孔及牛腿安裝孔；橫梁位置與底盤(pán)分總成（油箱、電瓶）及車(chē)身結(jié)構(gòu)（前、中、后門(mén)、側(cè)圍立柱）的匹配；協(xié)調(diào)制動(dòng)管路、暖風(fēng)管路、電線束、油路等管線在車(chē)架中的分布及穿線管；校核底盤(pán)各總成間的運(yùn)動(dòng)干涉，相關(guān)總成的裝缷空間（如緩速器、傳動(dòng)軸）3車(chē)架設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)以長(zhǎng)安之星S460 SC6408 A1K標(biāo)準(zhǔn)型為例進(jìn)行面包車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)，主要包括：車(chē)架寬度的確定，縱梁形式的確定，橫梁形式

6、的確定，橫梁與縱梁連接形式的確定。參考車(chē)型的基本參數(shù)如下參考車(chē)型長(zhǎng)安之星S460 SC6408 A1K前輪距1425發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)JL474Q后輪距1435動(dòng)機(jī)功率60KW軸距2605發(fā)動(dòng)機(jī)排量1298ML軸數(shù)2發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)整備質(zhì)量1100外形尺寸399517101910額定載重455表格 1 參考車(chē)型基本參數(shù)3.2設(shè)計(jì)流程分析本設(shè)計(jì)是以CAE為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，基本在車(chē)架設(shè)計(jì)的初期階段，對(duì)車(chē)架縱梁進(jìn)行簡(jiǎn)化的彎曲強(qiáng)度計(jì)算，以確定車(chē)架的斷面尺寸。完成基本參數(shù)設(shè)定之后，利用CATIA軟件進(jìn)行三維立體模型的設(shè)計(jì)。以此模型為例，利用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元分析，完成剛度強(qiáng)度校核。3.3車(chē)架寬度的

7、確定車(chē)架的寬度是左、右縱梁腹板外側(cè)面之間的寬度。車(chē)架前部寬度的最小值取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的外廓寬度，其最大值受到前輪最大轉(zhuǎn)角的限制。車(chē)架后部寬度的最大值主要是根據(jù)車(chē)架外側(cè)的輪胎和鋼板彈簧片寬等尺寸確定。為了提高汽車(chē)的橫向穩(wěn)定性，希望增大車(chē)架的寬度?？紤]到車(chē)身總寬度的要求以及懸架的安裝，本車(chē)架采用由前到后階梯狀增寬的的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。前部寬度為950mm，中部設(shè)計(jì)為1150mm，后部設(shè)計(jì)為1250mm。3.4縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱梁是車(chē)架總成中主要承載元件，也是車(chē)架中最大的加工件?？v梁沿全長(zhǎng)方向多取平直且斷面不變或少變，以簡(jiǎn)化工藝，有時(shí)也采取中間斷面高、兩邊較低來(lái)保證縱梁各斷面應(yīng)力接近。車(chē)架的縱梁結(jié)構(gòu)，一方面要保證車(chē)

8、架的功能，另一方面要滿足整車(chē)總體布置的要求，同時(shí)形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，以簡(jiǎn)化其制造工藝。采用封閉斷面縱梁構(gòu)成的車(chē)架，其抗彎剛度大，通?？蛙?chē)的車(chē)架也是采用此種斷面。縱梁的長(zhǎng)度一般接近汽車(chē)長(zhǎng)度，其值約為1.41.7倍汽車(chē)輪距。多品種生產(chǎn)時(shí)，常使不同軸距、不同裝載質(zhì)量的系列車(chē)型采用內(nèi)高相同的槽形斷面縱梁，通過(guò)變化鈑料厚度或翼緣寬度獲得不同強(qiáng)度。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，綜合考慮縱梁截面的特點(diǎn)，本方案設(shè)計(jì)的縱梁采用上、下翼面是平直等高的矩形鋼。截面具體參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后確定，進(jìn)行有限元分析后進(jìn)行修改，縱梁總長(zhǎng)為3600mm。在縱梁的中間部位加裝加強(qiáng)梁，以滿足剛度強(qiáng)度要求，結(jié)合部位采用焊接方式。3.5橫梁設(shè)計(jì)在車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)

9、計(jì)中，處理縱梁局部扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最為重要的方面。其關(guān)鍵在于足夠的橫梁彎曲剛度、合理的連接設(shè)計(jì)，以及橫梁在縱梁上的正確布置。橫梁將左、右縱梁聯(lián)接在一起構(gòu)成一個(gè)完整的框架，以限制其變形和改善某些部位的應(yīng)力，有的橫梁還同時(shí)作為發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、以及懸架系統(tǒng)等的緊固點(diǎn)，這些都是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要依據(jù)。參考車(chē)型共采用大小6根橫梁，第一根橫梁用來(lái)支撐水箱第二根橫梁即元寶梁，用來(lái)支撐發(fā)動(dòng)機(jī)，第三根橫梁用于滿足車(chē)架的扭轉(zhuǎn)和強(qiáng)度要求，第四、五根為后鋼板彈簧支撐橫梁,第六根橫梁使車(chē)架組成封閉結(jié)構(gòu)以增加強(qiáng)度和剛度。在車(chē)架的設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)該綜合考慮橫梁的斷面形狀，加工工藝要求，連接形式等。橫梁的斷面形狀以及連接方式常

10、采用如下圖5所示的方式：圖 5 橫梁斷面及連接方式本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行的是后縱梁上橫梁的設(shè)計(jì)，第三橫梁設(shè)計(jì)在整車(chē)彎矩受力最大處，起到強(qiáng)化汽車(chē)抗彎能力的作用。第四橫梁設(shè)計(jì)作為傳動(dòng)軸的中間支承。一般情況下，為了保證傳動(dòng)軸有足夠的跳動(dòng)空間，應(yīng)將其結(jié)構(gòu)做成上拱形，但考慮到面包車(chē)的實(shí)際結(jié)構(gòu)并無(wú)上拱形，且在后鋼板彈簧前、后支架附近所受到的力或轉(zhuǎn)矩大，所以在此處設(shè)置一根抗扭剛度較大的橫梁。第五橫梁設(shè)計(jì)在鋼板彈簧的后支架附近，以滿足鋼板彈簧后支架處所受到的比較大的力和彎矩。第六橫梁一般設(shè)有拖曳裝置，裝有拖鉤，故將橫梁做成K形結(jié)構(gòu)，利用斜撐來(lái)局部加強(qiáng)橫梁?？紤]到輕量化設(shè)計(jì)的要求，各橫梁采用中空管式，同時(shí)還能夠保證強(qiáng)度

11、的要求。由于縱梁的截面為矩形的，考慮到安裝和強(qiáng)度要求，采用局部焊接的連接方式，具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)三維幾何模型。4縱梁彎矩及剪力計(jì)算面包車(chē)可以簡(jiǎn)化為以下均布載荷的梁：要計(jì)算車(chē)架縱梁的彎矩，先計(jì)算車(chē)架前支座反作用力，向后輪中心支座處求矩（如圖），可得FRB為前輪中心支座對(duì)一根縱梁的前支撐反力；FRC為后輪中心支座對(duì)一根縱梁的后支撐反力；l1車(chē)架前端到前軸的距離，497mm；l2車(chē)架中心位置到前軸的距離，1353mm；l3 車(chē)架中心位置到后軸的距離，1252mm；l4車(chē)架后端到后軸的距離，598mm；Gs空車(chē)時(shí)的簧上載荷，約7333.33N；G滿載時(shí)的有效載荷，4550N；q載荷集度，1.6N/mm;根據(jù)

12、力的平衡方程可以求得B、C兩點(diǎn)支反力：FRB=2855.649392N FRC=3086.017274N計(jì)算縱梁彎矩時(shí)將整車(chē)架劃分為AB、BC、CD三個(gè)區(qū)間，則，（一）AB區(qū)間（ 單位 米 下同）某一點(diǎn)受的彎矩和剪力分別為： （二）BC區(qū)間（）某一點(diǎn)受的彎矩和剪力分別為： （三）CD區(qū)間（）某一點(diǎn)受的彎矩和剪力分別為： 計(jì)算得最大彎矩 最大剪力 根據(jù)以上式子畫(huà)出梁的彎矩圖和剪力圖：以上計(jì)算僅僅考慮了汽車(chē)靜載的情況，實(shí)際上汽車(chē)行駛還會(huì)受到各種動(dòng)載荷的作用。因此，汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)際受到的最大彎矩Mdmax和最大剪力Fdmax為：上式中Kd為動(dòng)載系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取Kd=2.0，則：四、縱梁截面特性的選擇車(chē)

13、架縱梁和橫梁截面系數(shù)W按材料力學(xué)的方法計(jì)算：矩形斷面取h=60mm，b=50mm,厚度t=3mm時(shí)斷面系數(shù)W為：，其中，為慣性矩計(jì)算得五、彎曲應(yīng)力計(jì)算與校核縱梁斷面處的最大彎曲應(yīng)力計(jì)算方法如下：材料的許用應(yīng)力為：為45鋼的屈服極限，n為安全系數(shù)由上兩式可知即最大彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力，符合要求。所以最終確定矩形截面尺寸h=60mm，b=50mm,t=3mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：縱梁還須在彎矩大的區(qū)域布置加強(qiáng)板，加強(qiáng)板厚為5mm六、臨界彎曲應(yīng)力計(jì)算和校核當(dāng)縱梁受力變形時(shí)，翼緣可能會(huì)受力破裂，按照薄板原理進(jìn)行校核，由于臨界彎曲應(yīng)力為：上式中：E-材料的彈性模量，對(duì)于45鋼：；-泊松比，對(duì)于45鋼，=0.269

14、；t-縱梁斷面的厚度；b-縱梁槽型斷面的翼緣寬度。帶入計(jì)算得，取b=40mm,t=4mm4063.64因此車(chē)架滿足臨界彎曲應(yīng)力的要求。5車(chē)架CATIA三維建模計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，以CAE為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行工業(yè)實(shí)體的設(shè)計(jì)分析成為設(shè)計(jì)分析的主流。三維模型的建立是CAE分析的第一步，三維結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)使設(shè)計(jì)更為直觀。在對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)、車(chē)架彎矩和剪力的計(jì)算，以及縱梁斷面參數(shù)的設(shè)計(jì)與校核完成的基礎(chǔ)上，需利用CATIA V5軟件進(jìn)行了車(chē)架三維模型的建立，為CAE分析制作幾何模型。5.1縱梁的建模1.根據(jù)計(jì)算所得截面形狀在零件設(shè)計(jì)模塊中繪制截面草圖：2

15、.根據(jù)面包車(chē)縱梁的結(jié)構(gòu)形式，在零件設(shè)計(jì)中繪制縱梁俯視和主視的結(jié)構(gòu)走向：3. 利用混合功能將俯視和主視走向曲線結(jié)合，得到縱梁結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)曲線4.利用肋功能拉伸得出縱梁的基本模型。5.根據(jù)縱梁的與橫梁的接口形狀及位置及兩縱梁的接頭位置，繪制相應(yīng)的草圖6 利用拉伸，凹槽等功能進(jìn)行細(xì)節(jié)處理得到最終的縱梁形式，之后利用鏡像功能得到兩根縱梁：5.2 橫梁的建模橫梁的斷面較為簡(jiǎn)單，走向單一，下面以第三根橫梁的建模過(guò)程為例簡(jiǎn)單介紹三維模型的建立：1 打開(kāi)CATIA零件零件設(shè)計(jì)模塊，建立橫梁的斷面形狀草圖如下圖，之后利用凸臺(tái)功能，拉伸草圖，建立橫梁主體零件：2 在橫梁上表面確定位置建立草圖，畫(huà)出孔位置如圖：3

16、利用凹槽功能打孔，之后利用陣列和對(duì)稱(chēng)功能得到所有的孔：側(cè)壁上的的孔和主視圖上的孔建模方式相同4在主梁主體部位側(cè)面上建立焊接面草圖如下，完全約束后，利用凸臺(tái)功能建立凸臺(tái)，完成橫梁側(cè)面凸臺(tái)的建立：5在建立好的主體上經(jīng)過(guò)倒圓角等細(xì)節(jié)處理，得到最終效果圖如下：剩余橫梁的建模過(guò)程類(lèi)似，不再贅述，下面是各根橫梁的最終效果圖：5.3裝配圖完成了各個(gè)零件的三維建模之后，在裝配模塊進(jìn)行裝配，得到最終裝配圖：為了清晰的表達(dá)各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系，生成爆炸圖：6 車(chē)架有限元分析計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在沒(méi)有建立物理模型前，采用CAE進(jìn)行數(shù)值評(píng)價(jià)技術(shù)預(yù)測(cè)汽車(chē)結(jié)構(gòu)性能和設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，

17、可以提高汽車(chē)結(jié)構(gòu)性能，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低開(kāi)發(fā)成本。完成幾何模型的建立之后，利用Hypermesh軟件進(jìn)行分析，分析過(guò)程如下。6.1前處理6.1.1模型導(dǎo)入6.1.2設(shè)置模板將求解器設(shè)置為nastran6.1.3幾何清理經(jīng)檢查，此模型不存在重復(fù)邊、點(diǎn)、自由邊等影響求解的拓?fù)洌M(jìn)行中性面抽取。6.2有限元網(wǎng)格劃分根據(jù)裝配圖的不同零件，依次新建component，存儲(chǔ)2D網(wǎng)格使用Automesh面板劃分2D網(wǎng)格使用qualityindex面板進(jìn)行2D網(wǎng)格質(zhì)量檢查與修改6.3設(shè)定單元屬性6.3.1建立材料卡片6.3.2建立屬性卡片6.3.4將材料與屬性賦予二面體單元6.4設(shè)置工況6.4.1建立并設(shè)定約束及載荷集6.4.2施加約束6.4.3施加載荷6.4.4建立loadsteps載荷步6.4.5設(shè)定其他控制卡片，設(shè)置求解控制參數(shù)其中