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1、铰接式自卸汽车车架设计尚晓明北京科技大学摘 要：车架是车辆的主要承载部件，要求具有好的强度、刚度和焊接性。在设计时，在满足工况要求的情况下，确定出总体尺寸，以及截面梁的形状和尺寸。此外，依据前车架上发动机、变速箱、散热器、驾驶室等间的位置，确定出支座位置。强度分析时，利用ANSYS软件进行有限元分析。首先，在Po-Engineer工程软件中进行实体模型的建立，考虑到车架力的承载和ANSYS中的强度分析，将结构部分省略和简化。之后，利用Pro-Engineer和ANSYS的数据交换接口，把模型导入ANSYS软件当中，通过前处理（设置材料属性），网格划分，约束和加载，求解等最终得出模型的应力云图和
2、变形图。根据材料强度和设计工况的要求，最终确定出合理的车架。关键词：车架、有限元分析、强度分析。1引言车架好比人体的脊梁，是承载车身部件，发动机，变速箱等的基础，是车辆的主要承载部件，所以车架的强度和刚度在车辆总体设计中十分重要。汽车的车架可分为：大梁式车架、承载式车架、钢管式车架。（1）大梁式车架。将粗壮的钢梁焊接或铆合起来成为一个钢架, 然后在上面安装引擎、悬架、车身等部件。大梁式车架的优点是钢梁提供很强的承载能力和抗扭刚度, 而且结构简单, 开发容易, 生产工艺的要求也较低。缺点是质量沉重, 其重量占去全车总重的相当部分。大梁式车架适用于大载重量的货车、中大型客车, 以及对车架刚度要求很
3、高的车辆。（2）承载式车架。承载式车架用金属制成坚固的车身, 再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷, 充当车架, 也叫做“无车架结构的承载式车身”。承载式车架由薄钢板经冲压、焊接而成, 对设计和生产工艺的要求都很高。承载式车架目前主要用于轿车。（3）钢管式车架。钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架, 再将零部件装在这个框架上。其生产工艺简单, 适合小规模的作坊作业。时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂1。245吨铰接车基本参数汽车总体尺寸为11920mm*3600mm*3750mm,其轴距为6045mm，轮距2725mm,初速40km/h,制动距离1
4、8.03m,减速度5.02m/s2。整车载货量为45吨，满载时总重67吨。其前后车架之间由铰接装置连接。铰接车由于性能的优越已备受关注，此45吨的设计则是为了满足更大的载货能力，降低矿山运输的成本损耗。345吨铰接车的车架结构设计首先以同类型的车辆为参照，根据前车架的主要部件发动机，变速箱，散热器以及铰接点连接处的尺寸参数确定出车架的总体尺寸（5234*1745*780）。铰接车属于载货汽车，其前桥载荷与后桥相比较小，而前车架所安装的部件其所施加的载荷与整车载荷分配给前桥的更小。对于横梁的设计，考虑将其放在发动机安装位置下方，而U形梁则位于车架纵梁结构变化处。各部件在车架上的固结点主要考虑部件
5、本身上的安装位置。以发动机为例，它采用三点固定，在出厂时，各点之间的位置已经确定。因此在设计时，要考虑其相对位置，确定一点，其它两点也就定了。将其中一点固定在U型梁上，其它两点则由于尺寸关系，需要在纵梁上焊接支承座，由此，就确定下发动机在整个车架的位置。而变速箱则根据动力传递位于发动机后，为了保证整个车架重心位于前桥上，则将变速箱整体位置放在前桥后。然后根据其固定座，确立在梁上的支承座。其它部件，如散热器座，油箱座，以及驾驶室支承座则根据其与发动机，变速箱的关系进行布置。布置的原则是：合理布局，避免干涉。前车架总图确定：根据已知的发动机，散热器，变速箱，驾驶室等的整体尺寸，同时参照同类车架设计
6、，运用类比的方法，确定车架的基本结构，如下图：图3.1 前车架总图 图3.1为完成后的总体前车架设计图，其整体形状近似于U形，此种形状能够让各部件之间的关系合理，左右，前后的整体受力分配比较均匀，各附件之间也见笑了干涉。同时，它也安排出足够的空间，使得变速箱输出动力通过传动轴传递到前后桥上。车架纵梁：图3.2 车架纵梁俯视图图3.3 车架纵梁剖面图纵梁为车架的主要承载部件，在设计时需考虑其有一定的强度和刚度。车架梁的截面主要有三块钢板焊接的工字型截面和四块板焊接的箱型截面。相比于工字型截面，箱型截面抗弯刚度和稳定性更好，常用于跨度大且梁的强度和刚度要求高的情况。抗扭梁：图3.4 抗扭梁抗扭梁的
7、设计主要是考虑车架在行驶时，各轮胎可能会不在同一平面，导致车架存在扭转变形。车架尾座图3.5 车架尾座俯视图图 3.6 车架尾座左视图 车架尾座使得两根纵梁连接在一块，整个车架构成一个整体。同时对于铰接车尾座上含有铰接孔，使得前后车架连接在一起，构成整个承载车架。尾座由一块U形板，四块座板,和其增强作用的筋板组成。U形板与两根纵梁连接，筋板的设置主要是由于在铰接点处，后车架会将部分里传于前面，因此要满足足够的强度。4建立车架模型 根据已设计出的车架尺寸，进行模型建立2。车架总长为5234.0mm,宽为1745.0mm，纵梁钢板宽为170.0mm，厚为15.0mm. 第一步：确定车架整体形状 先
8、草绘其形状图4.1 车架整体形状 通过拉伸以及拉伸选项中的去除材料，获得基本的车架形状：图4.2 拉伸后的车架 第二步，获取纵梁通过去除材料即可获得两根纵梁，由于车架是由钢板焊接而成，内部为空心，因此，在形成纵梁后，要进行抽壳;图4.3 车架纵梁第三步，绘制抗扭梁根据抗扭梁距前悬的位置，确定出中心点位置。抗扭梁自身也为空心，此处笔者是通过四个面的单独生成，得到实体：图4.4 抗扭梁 第四步，绘制U形梁 U形梁包含三个面:上侧面，下侧面以及侧面。上下侧面形状相同，在绘制时可以利用镜像生成，然后通过拉伸在生成实体。而侧面则依据上下面的轮廓曲线，绘制出形状，然后沿纵梁方向进行拉伸即可获得：图4.5U
9、行梁第五步，绘制车架尾座（1）绘制U形板，由于U形板的两个侧面在纵梁生成时已经表现出来，因此只需绘制底面，以纵梁上表面为绘制平面，画出底面的投影形状，然后在竖直方向拉伸：图4.6 尾座U形板 （2）通过孔操作，绘制出U形面的孔图4.7 U形面孔 （3）绘制座板。以纵梁上平面为绘制平面，画出最上层座板的形状，然后通过沿竖直方向拉伸获取。其余三个座板则通过镜像获得。图4.8座板 （4）绘制筋板。此处六块筋板直接通过拉伸获取。由于所处位置不同，先绘制中间两块筋板，其余四块筋板先绘制一块，然后通过镜像获取：图4.9筋板 （5）绘制销座。各筋板两侧的销座厚度不同，其与连接件接触的中间两块厚度为10mm，
10、非接触的为15mm。绘制时只画出两块15mm和10mm的即可，其它的则通过镜像获取。图4.10销座 （6）倒角，孔。销座孔直径为100mm,倒角则由于上下表面销座厚度不同，各有选取。非接触面为15mm*15mm,接触面为10mm*15mm.图4.11销座孔 （7）绘制前悬支架，由于在进行ANSYS分析时，约束点为耳板的孔处，将模型进行了简化。只绘出与纵梁的连接座和耳板。图4.12前悬支架（8）绘制前横梁。绘制横梁主要是考虑车架在扭转情况下的受力。此处为计算方便，进行了简化，省略了一些部件和将部件简化。图4.13 前横梁5车架强度分析5.1网格化分由于模型已经通过Pro-Engineer建立，因
11、此只需要对其进行前处理，然后通过网格(mesh)操作就可得到下图5.1。对于前处理，主要是设定材料的属性，如弹性模量（2.06e11），泊松比(0.3)，由于此车架是壳体(15mm)，因此还需设置钢板厚度(15mm)。图5.1 车架网格图5.1弯曲结果分析弯曲工况时，车架的应力云图图5.2 车架应力等值图 由图可以得出车架的最大应力为118.66MPa,其发生在与悬挂连接的耳板处，而前悬支架与纵梁连接处的受力也很大。这主要是由于一方面此处为连接处，存在应力集中。另一方面，加载的载荷为均布载荷，前端处于悬空状态，此处所受弯矩较大，所以会产生大的应力。 变形图图5.3 车架变形图从图中可以得出最大
12、变形量为1.6612mm。产生这种情况的原因是铰接点和前悬的两个支点为固定端，车架前部悬空，因此在加载时前端会产生较大的变形量。而铰接点和支点之间，由于均布载荷的作用，相对变形较小。6总结本文是针对45吨铰接车前车架的设计和强度分析，通过现代设计方法，取得了以下成果：（1）设计出的前车架符合整车的尺寸要求，发动机、变速箱、水箱等也被合理的安排在上面，不存在干涉问题。（2）模型的建立采用Pro-Engineer工程软件，考虑到车架的强度主要为纵梁和横梁承受，简化了整个车架，将一些支架附件省略，这样做使得在进行强度分析时会存在精度上的欠缺，但是对整体车架的设计没有影响。同时简化的模型，有利于ANS
13、YS中的分析。（3）在静态分析下，车辆行驶在不平路面产生的应力和变形量大于行驶在光滑路面上产生的应力和变形量，这主要是由于在不平路面上除了弯曲变形，两根纵梁间的相对错位产生了扭转变形。（4）车架整体满足强度要求，但是局部存在应力偏大的情况，这主要是由于应力集中引起。在使用时，车架如果出现损坏等情况最先考虑的应是这些部位。虽然本篇设计完成了前车架的设计和强度校核，但是仍有许多方面需要改进。如：选用质量轻强度高的材料，以减轻整车质量，提高加速性、爬坡性和制动性能。此外还可对车架构件进行优化等。参考文献1 黄文 重型汽车车架设计，广西工学院学报，第16卷增刊3，2005年10月2 严烈 中文 Pro
14、ENGINEER Wildfire 2.0 应用基础教程 冶金工业出版社 2006.63 王国强 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 西北工业大学出版社 19994 马治国 夏毅敏，ANSYS软件应用介绍，凿岩机械气动工具，2005年第2期5 李人宪有限元法基础北京：国防工业出版社，20026 吴鸿庆，任侠结构有限元分析北京：中国铁道出版社，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 a
17、nalysis, 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 (set of attributes), mesh, constraints, loads and solution, it get stress and deformation map. According to the material strength and the request of the status, determine a reasonable final frame. Keywords: Vehicle Frame, Finit Element Methods,Strength Analysis.
