畢業(yè)設計（論文）-基于有限元分析的輕卡車架設計

基于有限元分析的輕卡車架設計20XX年05月緒論概述汽車車架是整個汽車的基體，是將汽車的主要總成和部件連接成汽車整體的金屬構架，對于這種金屬構架式車架，生產廠家在生產設計時應考慮結構合理，生產工藝規(guī)范，要采取一切切實可行的措施消除工藝缺陷，保證它在各種復雜的受力情況下不至于被破壞。車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支撐著發(fā)動機離合器、變速器、轉向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質量的有關機件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關機構之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小；車架也應有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，縱梁等主要零件在使用期內不應有嚴重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機件的可靠性下降。本說明書只是敘述非承載式車身結構形式中單獨的車架系統(tǒng)。承載式汽車，前、后懸架裝置，發(fā)動機及變速器等傳動系部件施加的作用力均由車架承受，所以，車架總成的剛性、強度及振動特性等幾乎完全決定了車輛整體的強度、剛度和振動特性。設計時在確保車架總成性能的同時，還應對車架性能和匹配性進行認真的研究。車架結構很多都是用電弧焊焊接而成，容易產生焊接變形。在設計方面對精度有要求的部位不得出現(xiàn)集中焊接，或者從部件結構方面下工夫，盡量確保各個總成的精度。另外，與其他焊接方法相對比，采用電弧焊的話，后端部容易出現(xiàn)比較大的缺口，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。所以，應對接頭位置和焊接端部進行處理。車架受力狀態(tài)極為復雜。汽車靜止時，它在懸架系統(tǒng)的支撐下，承受著汽車各部件及載荷的重力，引起縱梁的彎曲和偏心扭轉（局部扭轉）。如汽車所處的路面不平，車架還將呈現(xiàn)整體扭轉。汽車行駛時，載荷和汽車各部件的自身質量及其工作載荷（如驅動力、制動力和轉向力等）將使車架各部件承受著不同方向、不同程度和隨機變化的動載荷，車架的彎曲、偏心扭轉和整體扭轉將更嚴重，同時還會出現(xiàn)側彎、菱形傾向，以及各種彎曲和扭轉振動。同時，有些裝置件還可能使車架產生較大的裝置載荷。隨著計算機技術的發(fā)展，在產品開發(fā)階段，對車架靜應力、剛度、振動模態(tài)以至動應力和碰撞安全等已可進行有限元分析，對其輕量化、使用壽命，以及振動和噪聲特性也可以做出初步判斷，為縮短產品開發(fā)周期創(chuàng)造了有利條件。1.2車架的發(fā)展早期汽車所使用的車架，大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構成的，也就是在兩支平行的主梁上，以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車體建構在車架之上，至于車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件，則是另外再包覆于車體之外，因此車體與車架其實是屬于兩個獨立的構造。這種設計的最大好處，在于輕量化與剛性得以同時兼顧，因此受到了不少跑車制造商的青睞，早期的法拉利與蘭博基尼都是采用的這種設計。由于鋼骨設計的車架必須通過許多接點來連結主梁和副梁，加之籠狀構造也無法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復雜、不利于大量生產之外，也不適合用在強調空間的四門房車上。隨后單體結構的車架在車壇上成為主流，籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代，這種單體車架一般以“底盤”稱之。關于單體車架，簡單的說就是將引擎室、車廂以及行李廂三個空間合而為一，這樣的好處除了便于大量生產，模組化的運用也是其中主要的考慮。通過采取模組化生產的共用策略，車廠可以將同一具車架分別使用在數(shù)種不同的車款上，這樣也可節(jié)省不少研發(fā)經費。除了有利于共用，車體車架也可以通過材料的不同來發(fā)揮輕量化的特性，例如本田NSX所使用的鋁合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纖維材料等。鋁合金是80年代末期相當熱門的一種工業(yè)材料，雖然重量比鐵輕，但是強度卻較差，因此如果要用鋁合金制成單體車架，雖然在重量上比起鐵制車架更占優(yōu)勢，但是強度卻無法達到和鐵制車架同樣的水準。除非增加更多的鋁合金材料，利用更多的用量來彌補強度上的不足。不過這樣一來，重量必然會相對增加，而原本出于輕量化考量而采用鋁合金材料的動機，當然也就失去了意義。也正因為這個原因，鋁合金車架在車壇上并未成為主流，少數(shù)高性能跑車或是使用了強度更高的碳纖維，或是用碳纖維結合蜂巢狀夾層鋁合金的復合材料取代了鋁合金。但是要用碳纖維制成單體車架，在制作上相當復雜且費時，成本也相對更高，所以至今仍無法普及到一般市售車上，而僅有少數(shù)售價高昂的跑車使用。盡管鋁合金車架鮮有車廠使用，不過用鋼鐵車架搭配鋁合金鈑件的方式，近年來卻受到不少車廠的重視，這樣的結構不僅可以保留車架本身的強度，同時也可以通過鈑件的鋁合金化來取得輕量化效果，在研發(fā)成本上自然也不像碳纖維制的單體車架那樣昂貴。歐美從90年代開始逐漸提高了撞擊事故的安全防護標準，這也是凸現(xiàn)出車架剛性重要的另一原因。許多車廠為了在撞擊事故發(fā)生時能夠確保車內乘員的安全，惟有針對車架以及車體進行全面強化，這也使得除了車架以外的強度有所改善，包括鈑件厚度的改變以及各種輔助梁的增設也成為各廠慣用的手法。不過在這樣的情況下，伴隨而來的是車重相對增加，這也正是歐美日許多市售車的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。關于剛性的確保，大多數(shù)車廠在新車的設計階段，都是利用電腦計算出車架的剛性需求，并以此作為設計依據(jù)。有些車廠在用電腦完成設計雛形后，還會再由專業(yè)的試車人員進行實際測試。中國第一汽車集團凌源汽車制造有限公司汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產線競標成功。

汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產線是我公司繼兩年前成功設計制造了合肥江淮汽車廠汽車縱梁數(shù)控平板沖孔生產線的基礎上，在汽車縱梁數(shù)控沖孔方面的又一標志性成果，填補了國內設計制造汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產線的空白。汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產線的設計制造成功，在汽車制造行業(yè)具有劃時代的意義，標志著中國在汽車車架數(shù)控沖孔加工的生產設備方面達到了國際先進水平，降低了汽車制造行業(yè)購置汽車車架數(shù)控沖孔生產線的巨大費用，積極推動了中國汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，為中國汽車制造業(yè)早日與國際接軌奠定了基礎。我國的車架企業(yè)基本擁有剪切、沖壓、焊接、鉚接、油漆、機加工六大工藝能力和完善的檢測手段、研究設計中心，具有16噸至3000噸的冷沖壓能力，具備了開發(fā)、設計、生產各種類型車架。2設計方案論證2.1參考車型及其參數(shù)詳細參數(shù)：車系：輕卡驅動方式：4×2最高車速：95km/h額定質量：1995kg整備質量：2910kg總質量：5100kg整車長度：6995mm整車寬度：2270mm整車高度：2300mm貨箱長度：5200mm貨箱寬度：2110mm貨箱高度：550mm前輪距：1665mm后輪距：1525mm前懸：1085mm后懸：2095mm接近角：24°離去角：13°軸距：3815mm發(fā)動機型號：福田康明斯ISF3.8s4R141最大功率：105Kw最大功率轉速：2600rpm最大扭矩：450N.m最大扭矩轉速：1200-2200rpm最大馬力：141馬力排量：3760mL板簧片數(shù)：9/12前橋描述：前橋最大允許承載重量1835kg后橋描述：后橋最大允許承載重量3265kg后橋速比：3.72.2車架在實際環(huán)境下要面對的4種壓力要評價車架設計和結構的好壞，首先應該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達到良好的操控表現(xiàn)。而車架在實際環(huán)境下要面對4種壓力。負載彎曲從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強的剛度。非水平扭動當前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。橫向彎曲所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。水平菱形扭動因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產生推拉以至變形，這情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。2.3車架設計的技術要求為了使車架符合上述功用，通常對設計的車架有如下的要求：2.3.1強度要求保證在各種復雜受力的使用情況下車架不受破壞。要求有足夠的疲勞強度，保證在汽車大修里程內，車架不致有嚴重的疲勞損傷。縱梁受力極為復雜，設計時不僅應注意各種應力，改善其分布情況，還應該注意使各種應力峰值不出現(xiàn)在同一部位上。例如，縱梁中部彎曲應力較大，則應注意降低其扭轉應力，減少應力集中并避免失穩(wěn)。而在前、后端，則應著重控制懸架系統(tǒng)引起的局部扭轉。提高縱梁強度常用的措施如下：提高彎曲強度選定較大的斷面尺寸和合理的斷面形狀（槽形梁斷面高寬比一般為3：1左右）；(2)提高局部扭轉剛度注意偏心載荷的布置，使相近的幾個偏心載荷盡量接近縱梁斷面的彎曲中心，并使合成量較??；在偏心載荷較大處設置橫梁，并根據(jù)載荷大小及分散情況確定連接強度和寬度；將懸置點分布在橫梁的彎曲中心上；當偏心載荷較大并偏離橫梁較遠處時候，可以采用K形梁，或者將該段縱梁形成封閉斷面；偏心載荷較大且比較分散時候，應該采用封閉斷面梁，橫梁間距也應縮小；選用較大的斷面；限制制造扭曲度，減少裝配預應力。(3)提高整體扭轉強度不使縱梁斷面過大；翼緣連接的橫梁不宜相距太近。減少應力集中及疲勞敏感盡可能減少翼緣上的孔（特別是高應力區(qū)），嚴禁在翼緣上布置大孔；注意外形的變化，避免出現(xiàn)波紋區(qū)或者受嚴重變??；注意加強端部的形狀和連接，避免剛度突變；避免在槽形梁的翼緣邊緣處施焊，尤其畏忌短焊縫和“點”焊。減少失穩(wěn)受壓翼緣寬度和厚度的比值不宜過大（常在12左右）；在容易出現(xiàn)波紋處限制其平整度。局部強度加強采用較大的板厚；加大支架緊固面尺寸，增多緊固數(shù)量，并盡量使力作用點接近腹板的上、下側面。2.3.2車架的輕量化由于車架較重，對于鋼板的消耗量相當大。因此，車架應按等強度的原則進行設計，以減輕汽車的自重和降低材料的消耗量。在保證強度的條件下，盡量減輕車架的質量。通常要求車架的質量應小于整車整備質量的10％。本設計主要對車架縱梁進行簡化的彎曲強度計算，使車架縱梁具有足夠的強度，以此來確定車架的斷面尺寸。（參照《材料力學》）另外，目前鋼材價格暴漲，汽油價格上漲，從生產汽車的經濟性考慮的話，也應盡量減輕整車的質量。從生產工藝性考慮，橫縱梁采用簡便可靠的連接方式，不僅能降低工人的工作強度，還能增強車架的強度。2.4車架結構的確定2.4.1車架類型的選擇車架的結構形式可以分為邊梁式、中梁式（或稱脊骨式）和綜合式。而在有些客車和轎車上車身和車架制成一體，這樣的車身稱為“半承載式車身”，有的被加強了車身則能完全起到車架的作用，這樣的車身稱為“承載式車身”，不另設車架。隨著節(jié)能技術的發(fā)展，為了減輕自重，越來越多的轎車都采用了承載式車身。下邊先分別列舉下各車架的特點。（1）邊梁式車架的構造這種車架由兩根縱梁及連接兩根縱梁的若干根橫梁組成，用鉚接和焊接的方法將縱橫梁連接成堅固的剛性構架?？v梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面一般為槽型，z星或箱型斷面。橫梁用來連接縱梁，保證車架的抗扭剛度和承載能力，而且還用來支撐汽車上的主要部件。邊梁式車架能給改裝變型車提供一個方便的安裝骨架，因而在載重汽車和特種車上得到廣泛用。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產生彎曲和扭轉。其優(yōu)點是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變形，因此被廣泛地用在載貨汽車、越野汽車、特種汽車和用貨車底盤改裝而成的大客車上。在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。用于載貨汽車的邊梁式車架（圖2-1），由兩根相互平行但開口朝內、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可以根據(jù)應力情況相應地縮小。車架寬度多為全長等寬。圖2-1邊梁式車架X型車架是邊梁式車架的改進，這種車架由兩根縱梁及X型橫梁組成，實際上是邊梁式車架的改進，有一定的抗扭剛度，X橫梁能將扭矩轉變?yōu)閺澗兀瑢Χ潭鴮挼能嚰?，這種效果最明顯。車架中部為位于汽車縱向對稱平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。前端的叉形梁用于支撐動力、傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強前、后懸架的支撐。管梁部分位于后座乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大，雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強度和剛度。轎車要是使用邊梁式車架，為了降低地板高度，可局部地減少縱梁的斷面高度并相應地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了。所以X型車架較多使用于轎車。還有周邊式車架，這種車架是從邊梁式車架派生出來的，前后兩端縱梁變窄，中部縱梁加寬，前端寬度取決于前輪最大轉角，后端寬度取決于后輪距，中部寬度取決于車身門檻梁的內壁寬，前部和中部以及后部和中部的連接處用緩沖臂或抗扭盒相連，具有一定的彈性，能緩和不平路面的沖擊。其結構形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可以吸收來自不平路面的沖擊和降低車內噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又可以減短了車架縱梁外側裝置件的懸伸長度。在前后縱梁處向上彎曲以讓出前后獨立懸架或非斷開式后橋的運動空間。采用這種車架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬。這種車架結構復雜，一般在中、高級轎車上采用。（2）中梁式車架（脊骨式車架）其結構只有一根位于中央而貫穿汽車全長的縱梁，亦稱為脊骨式車架。中梁的斷面可做成管形、槽形或箱形。中梁的前端做成伸出支架，用以固定發(fā)動機，而主減速器殼通常固定在中梁的尾端，形成斷開式后驅動橋。中梁上的懸伸托架用以支承汽車車身和安裝其它機件。若中梁是管形的，傳動軸可在管內穿過。優(yōu)點是有較好的抗扭轉剛度和較大的前輪轉向角，在結構上容許車乾有較大的跳動空間，便于裝用獨立懸架，從而提高了汽車的越野性；與同噸位的載貨汽車相比，其車架輕，整車質量小，同時質心也較低，故行駛穩(wěn)定性好；車架的強度和剛度較大；脊梁還能起封閉傳動軸的防塵罩作用。缺點是制造工藝復雜，精度要求高，總成安裝困難，維護修理也不方便，故目前應用較少。（3）綜合式車架綜合式車架是由邊梁式和中梁式車架聯(lián)合構成的。車架的前段或后段是邊梁式結構，用以安裝發(fā)動機或后驅動橋。而車架的另一段是中梁式結構的支架可以固定車身。傳動軸從中梁的中間穿過，使之密封防塵。其中部的抗扭剛度合適，但中部地板凸包較大，且制造工藝較復雜。此種結構一般在轎車上使用。車架承受著全車的大部分重量，在汽車行駛時，它承受來自裝配在其上的各部件傳來的力及其相應的力矩的作用。當汽車行駛在崎嶇不平的道路上時，車架在載荷作用下會產生扭轉變形，使安裝在其上的各部件相互位置發(fā)生變化。當車輪受到沖擊時，車架也會相應受到沖擊載荷。因而要求車架具有足夠的強度，合適的剛度，同時盡量減輕重量。在良好路面行駛的汽車，車架應布置得離地面近一些，使汽車重心降低，有利于汽車穩(wěn)定行駛，車架的形狀尺寸還應保證前輪轉向要求的空間。由于設計的是輕型載汽車車架，根據(jù)其特點選用邊梁式車架。縱梁上、下表面為平直，斷面呈槽形，其結構簡單，工作可靠，不僅能降低工人工作強度，而且其造價低廉，有良好的經濟性，將廣泛地用于各種載貨汽車、客車上。選取的方案的優(yōu)點：邊梁式車架由兩根縱梁的若干根橫梁組成，該結構便于安裝駕駛室、車廂和其它總成，被廣泛用在載重貨車、特種車和大客車上。小結：通過選定參考車型，明確車架設計的技術要求，選定車架的具體結構形式，為后面的車架結構的設計，車架的強度計算等提供了方向和目標。3車架的設計車架是一個復雜的薄壁框架結構，其受力情況極為復雜。本設計包括了結構形式的設計：車架的寬度的確定，縱梁形式的確定，橫梁形式的確定，橫梁與縱梁連接形式的確定。在車架設計的初期階段，可對車架縱梁進行簡化的彎曲強度計算，以及來確定車架的斷面尺寸。下面是設計和計算的方法和步驟。3.1車架結構形式的設計3.1.1車架寬度的確定車架的寬度是左、右縱梁腹板外側面之間的寬度。車架前部寬度的最小值取決于發(fā)動機的外廓寬度，其最大值受到前輪最大轉角的限制。車架后部寬度的最大值主要是根據(jù)車架外側的輪胎和鋼板彈簧片寬等尺寸確定。為了提高汽車的橫向穩(wěn)定性，希望增大車架的寬度。通常，車架的寬度根據(jù)汽車總體布置的參數(shù)來確定，整車寬度不得超過2.5m，故往往很難同時滿足上述要求。為了解決總體布置與加寬車架的矛盾，車架的寬度設計可采取以下措施：（1）將車架做成前窄后寬這種結構可以解決前輪轉向所需的空間與車架總寬之間的矛盾。此結構適用于輕型汽車、微型汽車和轎車。（2）將車架做成前寬后窄對于重型載貨汽車，其后軸的負荷大，輪胎的尺寸加大，后鋼板彈簧片寬增加，同時為了安裝外型尺寸大的發(fā)動機，常需減小前輪轉向角，以便使汽車的總寬在公路標準的2.5m內，因此車架不得不采用前寬后窄的型式。但根據(jù)本設計的要求，關于輕車車架結構設計，其載重設為1995Kg，簡化制造工藝，最好車架前后等寬。為了便于實行產品的三化，不少國家對車架的寬度制定了標準。本設計方案取車架的寬度為860mm。3.1.2車架縱梁形式的確定車架的縱梁結構，一方面要保證車架的功能，另一方面要滿足整車總體布置的要求，同時形狀應盡量簡單，以簡化其制造工藝。從縱梁的側視圖看，縱梁的形狀可分為上翼面是平直的和彎曲的兩種。優(yōu)點：結構簡單，工藝性好；當上翼面為平直時，可使貨廂底板平整，縱梁制造方便，大多數(shù)載貨汽車車架縱梁都采用這種型式。當上翼面彎曲時，縱梁部分區(qū)段降低，地板高度相應降低，改善了整車的穩(wěn)定性，且有利于上、下車，此種結構在轎車、微型汽車、公共汽車和部分輕型載貨汽車上采用，其制造工藝復雜?？v梁上表面應盡量做成平直的，中部斷面一般較大、兩端較小，與所受彎矩相適應。也有全長或僅中部及后部為等斷面的。根據(jù)整車布置要求，有時采用前端或后端或前后端均彎曲的縱梁?？v梁的斷面形狀有槽形、工字形、箱形、管形和Z形等幾種。為了使縱梁各斷面處的應力接近，可改變梁的高度，使中部斷面高、兩端斷面低。槽形斷面的縱梁有較好的抗彎強度，工藝性好，緊固方便，又便于安裝各種汽車部件，故采用得最為廣泛，但此種斷面的抗扭性能差。從降低車架縱梁抗彎應力方面考慮的話，增大槽形斷面的高度最有利，但使汽車的質心高度增加。增大上、下翼面的寬度，也可以提高縱梁的抗彎強度，但其值的增加又受到發(fā)動機、傳動系統(tǒng)部件布置的限制。因此需綜合考慮上述因素的影響，通常取高與寬的比值為2.8—3.5。由于重型載貨汽車的發(fā)動機外型尺寸大，后軸負荷大，為了使車架做成前、后等寬，有的車架縱梁就采用Z形斷面，我國黃河牌載貨汽車的車架就是采用此種斷面。這種縱梁和橫梁的連接結構復雜，燃油箱的安裝也不方便。重型載貨汽車和超重型載貨汽車的車架縱梁一般多采用工字形截面的型材或焊接成的箱形結構。箱形斷面梁抗扭強度大，多用于轎車和輕型越野車。超重型越野車及礦用自卸車的縱梁形式多用鈑料焊接而成，常為箱形或工字形斷面。采用封閉斷面縱梁構成的車架，其抗彎剛度大，通常客車的車架也是采用此種斷面?？v梁的長度一般接近汽車長度，其值約為1.4—1.7倍汽車輪距。多品種生產時，常使不同軸距、不同裝載質量的系列車型采用內高相同的槽形斷面縱梁，通過變化鈑料厚度或翼緣寬度獲得不同強度。根據(jù)本設計的要求，再考慮縱梁截面的特點，本方案設計的縱梁采用上、下翼面是平直等高的槽形鋼。縱梁總長為4815mm。優(yōu)點：有較好的抗彎強度，便于安裝汽車部件。3.1.3車架橫梁形式的確定車架橫梁將左、右縱梁連接在一起，構成一個框架，使車架有足夠的抗彎剛度。汽車主要總成通過橫梁來支承。載貨汽車的橫梁一般有多根橫梁組成，其結構和用途不一樣。前橫梁通常用來支承水箱。當發(fā)動機前支點安排在左右縱梁上時，可用較小槽型和Z型斷面橫梁。對于前部采用獨立懸架的轎車，為了改善汽車的視野，希望汽車頭部高度降低，固需要將水箱安裝得低些，可將前橫梁做成寬而下凹的形狀。當發(fā)動機前支點和水箱相距很近時，前橫梁常用來支承水箱和發(fā)動機前端，此時需采用斷面大的橫梁。中橫梁通常用來作傳動軸的中間支承。為了保證傳動軸有足夠的跳動空間，將其結構做成上拱形。在后鋼板彈簧前、后支架附近所受到的力或轉矩大，則要設置一根抗扭剛度大、連接寬度大的橫梁。后橫梁后橫梁采用中橫梁形式。本設計課題是關于輕型車車架結構設計，所以采用開口斷面比較合適。本次設計一共采用大小共8根橫梁，各根橫梁的結構及用途如下：第一根橫梁斷面形狀為槽型，用來支撐水箱，其中間設有多個圓形孔，目的是讓空氣可以流到發(fā)動機底部，也有助于發(fā)動機的散熱。第二根橫梁為發(fā)動機托架，為防止其與前軸發(fā)生碰撞幾干涉，故將其安排放在發(fā)動機前端，其形狀就是近似元寶的元寶梁，此種形狀有較好的剛度。第三根橫梁為駕駛室的安裝梁。用于駕駛室后部的安裝，斷面形狀為槽形。第四根橫梁用作傳動軸的支承，其斷面形狀為槽形，為了保證傳動軸有足夠的跳動空間和安裝空間，將其結構做成上拱形。第五、七根橫梁分別在后鋼板彈簧前、后支架附近，它們所受到的力或轉矩都很大。它們的斷面形狀也是采用槽形。第六、七根橫梁不僅要承受各種力和力矩的作用，還要作為安裝備胎的的安置機構。它們的斷面形狀為槽型。第八橫梁為后橫梁，其將左、右縱梁連接在一起，構成一個框架，使車架有足夠的抗彎剛度。其斷面形狀為槽形。3.1.4車架縱梁與橫梁連接型式的確定縱梁和橫梁的連接方式對車架的受力有很大的影響。大致可分有以下幾種：橫梁和縱梁的腹板相連接這種連接型式制造工藝簡單，連接剛度較差，但不會使縱梁出現(xiàn)大的應力，一般車架的中部橫梁采用此種連接方式。橫梁同時和縱梁的腹板及任一翼緣（上或下）相連接這種連接方式制造工藝不很復雜，連接剛度增強，故得到廣泛應用。但后鋼板彈簧托架上的力會通過縱梁傳給后鋼板彈簧的前橫梁，使其承受較大載荷。因此在設計鋼板彈簧托架時應盡可能減少懸架伸長度，使載荷作用點靠近縱梁彎曲中心。當偏心載荷較大時，可將該處縱梁做成局部閉口斷面；也可將橫梁穿過縱梁向外延伸，將載荷直接傳給橫梁。橫梁同時和上、下翼緣相連接這種連接形式具有剛性較好的加強角撐，可產生良好的斜支撐作用，使整個車架的剛度增加，且其翼緣外邊不致因受壓而產生翹曲。車架兩端的橫梁常采用這種形式和縱梁相連接。但此種連接方式制造復雜，當轉矩過大時，縱梁翼緣上會出現(xiàn)應力過大的現(xiàn)象，這是由于縱梁截面不能自由翹曲所致。橫梁和縱梁的固定方法可分為鉚接、焊接和螺栓連接等方式。大多數(shù)車架用搭鐵板通過鉚釘連接。這種方法成本低，適合大批量生產，其剛度與鉚釘?shù)臄?shù)目及其分布有關。本設計方案中，選擇鉚釘連接。3.2車架的受載分析汽車的使用條件復雜，其受力情況十分復雜，因此車架上的載荷變化也很大，其承受的載荷大致可分為下面幾類：3.2.1靜載荷車架所承受的靜載荷是指汽車靜止時，懸架彈簧以上部分的載荷。即為車架質量、車身質量、安裝在車架的各總成與附屬件的質量以及有效載荷（客車或貨物的總質量）的總和。3.2.2對稱的垂直動載荷這種載荷是當汽車在平坦的道路上以較高車速行駛時產生的。其大小與垂直振動加速度有關，與作用在車架上的靜載荷及其分布有關，路面的作用力使車架承受對稱的垂直動載荷。這種動載使車架產生彎曲變形。3.2.3斜對稱的動載荷這種載荷是當汽車在崎嶇不平的道路上行駛時產生的。此時汽車的前后幾個車輪可能不在同一平面上，從而使車架連同車身一同歪斜，其大小與道路不平的程度以及車身、車架和懸架的剛度有關。這種動載荷會使車架產生扭轉變形。3.2.4其它載荷汽車轉彎行駛時，離心力將使車架受到側向力的作用；汽車加速或制動時，慣性力會導致車架前后部載荷的重新分配；當一個前輪正面撞在路面凸包上時，將使車架產生水平方向的剪力變形；安裝在車架上的各總成（如發(fā)動機、轉向搖臂及減振器等）工作時所產生的力；由于載荷作用線不通過縱梁截面的彎曲中心（如油箱、備胎和懸架等）而使縱梁產生附加的局部轉矩。綜上所述，汽車車架實際上是受到一定空間力系的作用，而車架縱梁與橫梁的截面形狀和連接點又是多種多樣，更導致車架受載情況復雜化。3.3彎曲強度計算時的基本假設為了便于彎曲強度的計算，對車架進行以下基本假設：1、因為車架結構是左右的對稱的，左右縱梁的受力相差不大，故認為縱梁是支承在汽車前后軸的簡支梁。2、空車時的簧載質量（包括車架自身的質量在內）均勻分布在左右二縱梁的全長上。其值可根據(jù)汽車底盤結構的統(tǒng)計數(shù)據(jù)大致估計，一般對于輕型和中型載貨汽車來說，簧載質量約為汽車自身質量的2/3。3、汽車的有效載荷均勻分布在車廂全長上。4、所有作用力均通過截面的彎曲中心。實際上，縱梁的某些部位會由于安裝外伸部件（如油箱、蓄電池等）而產生局部扭轉，在設計時通常在此安置一根橫梁，使得這種對縱梁的扭轉變?yōu)閷M梁的彎矩。故這種假定不會造成計算的明顯誤差。由于上述假設，使車架由一個靜不定的平面框架結構，簡化成為一個位于支座上的靜定結構。圖3-1靜定結構3.4車架材料的確定車架材料應具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應力集中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳低合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼08、09MnL、09MnREL等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復雜的沖壓件采用強度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等鋼板制造。強度更高的鋼板在冷沖壓時易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。轎車車架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為3.0～4.0mm；貨車根據(jù)其裝載質量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板為5.0～7.0mm，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度約7.0～9.0mm。這次設計，采用16Mn鋼板制造車架，循環(huán)疲勞強度σ-1＝220～260MPa。小結：通過對車架結構的設計，包括縱梁的設計，加強梁的設計，橫梁的設計，橫梁與縱梁的連接設計，確定了車架的大體結構。為保證車架結構設計的科學性，合理性，對車架縱梁進行了彎矩和剪力的計算，以及校核，更進一步確定車架的材料和主要參數(shù)，從而為本設計做好理論基礎。

4．車架CAD建模三維UG軟件是新一代計算機輔助設計和計算機輔助制造軟件，它的功能很強大，用途比較廣泛。其強大的行為建模功能可以繪制任意復雜形狀的零件。首先建立縱梁截面，建立車架縱梁組件，如圖4.1,4.2所示。圖4.1車架縱梁截面建立草圖后，利用拉伸命令得到縱梁。圖4.2車架縱梁依次建立各橫梁、橫梁連接角鋼等組件，如圖4.3、4.4所示。圖4.3車架橫梁組件圖4.4橫梁連接角鋼根據(jù)GB876-86，繪制半圓頭鉚接鉚釘，如圖4.5所示。圖4.5車架鉚釘將縱梁、個橫梁用鉚釘、螺栓連接，開始建立裝配總成。連接完成后，得到完整車架總成裝配。圖4.6車架總成

5.車架有限元分析Hypermesh軟件是一個功能強大的CAE前后處理器，它的網(wǎng)格劃分能力特別強大，用戶可以根據(jù)自己的意愿隨意的對產品的有限元模型進行修改。但是其實體建模功能有限，大多數(shù)情況需要從建模類軟件中導入?？梢岳肬G和Hypermesh各自的優(yōu)勢，在UG中建模，然后導入Hypermesh中進行前后處理，從而解決實際工程問題。UG軟件中的實體模型有兩種方法可以轉化到Hypermesh中：1.通過IGES格式將UG模型導入到HypermeshIGES是一種通用格式，它可以實現(xiàn)在各種建模軟件和分析軟件之間的轉換。在UG中完成模型的創(chuàng)建后，首先保存為IGES格式。然后打開Hypermesh軟件，點擊下拉菜單File\import\Geometry\Iges，出現(xiàn)ImportIGESFile對話框，點擊OK進入下一個對話框，找到從UG中保存IGES文件的工作路徑，然后將該文件在Hypermesh環(huán)境中打開，這樣UG模型將會以IGES導入到Hypermesh環(huán)境中。這種方法是間接轉換法，如果UG模型特征過多或者結構過于復雜，生成的IGES格式會不完整，在輸入Hypermesh環(huán)境以后會造成分析結果不準確。2.用Parasolid格式進行轉換Parasolid是一個嚴格的邊界表示的實體建模模塊，它支持實體建模，通用的單元建模和集成的自由形狀曲面/片體建模。Parasolid被設計用于機械CAD/CAM/CAE應用，但也用于建筑工程和結構（AEC）和虛擬現(xiàn)實應用中，它是按這些技術會聚的需要。Parasolid能夠在數(shù)學上建模任一對象，從方塊，圓柱和球到一個現(xiàn)代汽車的藝術的外輪廓和一個直升飛機轉子漿葉的精確的函數(shù)。在UG環(huán)境下建立的三維實體模型可以直接轉化為Parasolid格式，然后在Hypermesh中可以直接讀取Parasolid格式文件。Parasolid格式轉化的文件可以保證實體模型的保真性，實現(xiàn)UG軟件與Hypermesh軟件的無縫鏈接。憑借Parasolid轉換格式的高保真優(yōu)點，在UG環(huán)境下建立的三維有限元模型可以無縫的轉化到Hypermesh中，本文研究的車架結構在Hypermesh環(huán)境下的模型如圖5.1所示。圖5.1UG車架導入到Hypermesh5.1網(wǎng)格劃分象車架這樣形狀復雜的大部件，由于其結構復雜，構件成分很多，因此在進行有限元分析的時候，如果采用實體劃分方式的話，往往需要大量的網(wǎng)格單元數(shù)量，對計算機配置的要求會很高，此時，在普通的微機上進行計算的時候往往造成死機，并且形成的計算結果的可靠程度也難以判定。針對形狀復雜的薄壁零件的分析，Hypermesh軟件推出了midsurface（中性面抽?。┕δ埽癖疚闹械能嚰苣Ｐ?，可以對組成車架的縱梁、橫梁、過渡板等分別抽取其中性面，并將這些中性面定義為shell（殼）單元，然后針對每一個單元分別賦予不同的厚度來模擬實體模型結構。采用midsurface中性面抽取功能，可以把復雜的三維實體模型轉化為相對簡單的二維模型來進行處理，大幅度簡化了網(wǎng)格單元的數(shù)量，減輕了計算機運算負荷，提高了求解速度，使求解結果更準確、可靠度更高。Hypermesh軟