載重貨車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)及有限元分析獨(dú)家優(yōu)秀】

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I 摘要 汽車(chē)車(chē)架是整個(gè)汽車(chē)的基體，是汽車(chē)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。車(chē)架支撐著發(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)量的重要機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。因此，車(chē)架必須要有足夠的彎曲剛度，也要有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性與壽命。同時(shí)，隨著現(xiàn)在汽車(chē)的發(fā)展，載重貨車(chē)的乘坐舒適性，操控性能也在不斷提高，因此車(chē)架的設(shè)計(jì)還應(yīng)同時(shí)兼顧舒適性和操控性。 本文以商用載重貨車(chē)為研究目標(biāo)，結(jié)合貨車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)車(chē)架進(jìn)行設(shè)計(jì)。確定了車(chē)架總成以及縱梁橫梁的各項(xiàng)參數(shù)。運(yùn)用 件做出了車(chē)架的 三維模型圖。同時(shí)利用 限元分析軟件對(duì)車(chē)架的四種典型工況做出靜力分析，得到各種工況下的變形情況和應(yīng)力分布情況，同時(shí)對(duì)車(chē)架進(jìn)行了模態(tài)分析。最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)架做出優(yōu)化建議。 關(guān)鍵詞 : 載重貨車(chē)；車(chē)架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析 he is of is of in it on to of to to At of to so of In as of D of At of of of to of of to of of to 錄 摘要 ................................................................................................... I ................................................................................... 緒論 ............................................................................................... 1 ........................................ 1 .............................. 2 2 車(chē)架總成設(shè)計(jì) ............................................................................... 6 .................................... 6 ...................................... 6 ................................. 11 ....................................... 13 ..................................... 13 3 車(chē)架的有限元靜力學(xué)分析 ......................................................... 19 ................................. 19 ............................... 19 ................................... 21 于靜力分析的車(chē)架輕量化 ........................... 32 4 車(chē)架的模態(tài)分析 ....................................................................... 34 ............................. 34 ............................. 36 ................................... 40 5 總結(jié)與展望 ................................................................................. 42 ............................................... 42 ........................................... 43 參考文獻(xiàn) ......................................................................................... 45 致 謝 ................................................................................................. 47 1 1 緒 論 架總成概述 汽車(chē)車(chē)架是整個(gè)汽車(chē)的基體，是將汽車(chē)的主要總成和部件連接成汽車(chē)整體的金屬構(gòu)架，對(duì)于這種金屬構(gòu)架式車(chē)架，生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)合理，生產(chǎn)工藝規(guī)范，要采取一切切實(shí)可行的措施消除工藝缺陷，保證它在各種復(fù)雜的受力情況下不至于被破壞。 車(chē)架作為汽車(chē)的承載基體，為貨車(chē)、中型及以下的客車(chē)、中高級(jí)和高級(jí)轎車(chē)所采用，支撐著發(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 ，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車(chē)架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(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)身的變形最??；車(chē)架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)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(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開(kāi)裂。車(chē)架剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也使汽車(chē)的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。 本文只是敘述非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)形式中單獨(dú)的車(chē)架系統(tǒng)。承載式汽車(chē)，前、后懸架裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器等傳動(dòng)系部件施加的作用力均由車(chē)架承受，所以，車(chē)架總成的剛性、強(qiáng)度及振動(dòng)特性等幾乎完全決定了車(chē)輛 整體的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)特性。設(shè)計(jì)時(shí)在確保車(chē)架總成性能的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)車(chē)架性能和匹配性進(jìn)行認(rèn)真的研究。車(chē)架結(jié)構(gòu)很多都是用電弧焊焊接而成，容易產(chǎn)生焊接變形。在設(shè)計(jì)方面對(duì)精度有要求的部位不得出現(xiàn)集中焊接，或者從部件結(jié)構(gòu)方面下工夫，盡量確保各個(gè)總成的精度。另外，與其他焊接方法相對(duì)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(yīng) 2 力集中現(xiàn)象。所以，應(yīng)對(duì)接頭位置和焊接端部進(jìn)行處理 [1]。 車(chē)架受力狀態(tài)極為復(fù)雜。汽車(chē)靜止時(shí)，它在懸架系統(tǒng)的支撐下，承受著汽車(chē)各部件及載荷的重力，引起縱梁的彎曲和偏心扭轉(zhuǎn)（局部扭轉(zhuǎn)）。如汽車(chē) 所處的路面不平，車(chē)架還將呈現(xiàn)整體扭轉(zhuǎn)。汽車(chē)行駛時(shí)，載荷和汽車(chē)各部件的自身質(zhì)量及其工作載荷（如驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力等）將使車(chē)架各部件承受著不同方向、不同程度和隨機(jī)變化的動(dòng)載荷，車(chē)架的彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)將更嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)側(cè)彎、菱形傾向，以及各種彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。同時(shí)，有些裝置件還可能使車(chē)架產(chǎn)生較大的裝置載荷 [2]。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，對(duì)車(chē)架靜應(yīng)力、剛度、振動(dòng)模態(tài)以至動(dòng)應(yīng)力和碰撞安全等已可進(jìn)行有限元分析，對(duì)其輕量化、使用壽命，以及振動(dòng)和噪聲特性也可以做出初步判斷，為縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期創(chuàng)造了有利條件。 內(nèi)外研究情況及其發(fā)展 早期汽車(chē)所使用的車(chē)架，大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構(gòu)成的，也就是在兩支平行的主梁上，以類(lèi)似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車(chē)體建構(gòu)在車(chē)架之上，至于車(chē)門(mén)、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件，則是另外再包覆于車(chē)體之外，因此車(chē)體與車(chē)架其實(shí)是屬于兩個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造。這種設(shè)計(jì)的最大好處，在于輕量化與剛性得以同時(shí)兼顧。由于鋼骨設(shè)計(jì)的車(chē)架必須通過(guò)許多接點(diǎn)來(lái)連結(jié)主梁和副梁，加之籠狀構(gòu)造也無(wú)法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復(fù)雜、不利于大量生產(chǎn)。隨后單體結(jié)構(gòu)的車(chē)架在車(chē)壇上成為主流 ，籠狀的鋼骨車(chē)架也逐漸改由這種將車(chē)體與車(chē)架合二為一的單體車(chē)架所取代，這種單體車(chē)架一般以“底盤(pán)”稱(chēng)之 [3]。 關(guān)于單體車(chē)架，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將引擎室、車(chē)廂以及行李廂三個(gè)空間合 3 而為一，這樣的好處除了便于大量生產(chǎn)，模組化的運(yùn)用也是其中主要的考慮。通過(guò)采取模組化生產(chǎn)的共用策略，車(chē)廠可以將同一具車(chē)架分別使用在數(shù)種不同的車(chē)款上，這樣也可節(jié)省不少研發(fā)經(jīng)費(fèi)。 除了有利于共用，車(chē)體車(chē)架也可以通過(guò)材料的不同來(lái)發(fā)揮輕量化的特性，鋁合金是 80年代末期相當(dāng)熱門(mén)的一種工業(yè)材料，雖然重量比鐵輕，但是強(qiáng)度卻較差，因此如果要用鋁合金制成單 體車(chē)架，雖然在重量上比起鐵制車(chē)架更占優(yōu)勢(shì)，但是強(qiáng)度卻無(wú)法達(dá)到和鐵制車(chē)架同樣的水準(zhǔn)。除非增加更多的鋁合金材料，利用更多的用量來(lái)彌補(bǔ)強(qiáng)度上的不足。不過(guò)這樣一來(lái)，重量必然會(huì)相對(duì)增加，而原本出于輕量化考量而采用鋁合金材料的動(dòng)機(jī)，當(dāng)然也就失去了意義 [4]。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，鋁合金車(chē)架在車(chē)壇上并未成為主流，少數(shù)高性能跑車(chē)或是使用了強(qiáng)度更高的碳纖維，或是用碳纖維結(jié)合蜂巢狀?yuàn)A層鋁合金的復(fù)合材料取代了鋁合金。但是要用碳纖維制成單體車(chē)架，在制作上相當(dāng)復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，成本也相對(duì)更高，所以至今仍無(wú)法普及到一般市售車(chē)上，而僅有少數(shù)售價(jià)高 昂的跑車(chē)使用，這些是不可能用在載重貨車(chē)上的。 盡管鋁合金車(chē)架鮮有車(chē)廠使用，不過(guò)用鋼鐵車(chē)架搭配鋁合金鈑件的方式，近年來(lái)卻受到不少車(chē)廠的重視，這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以保留車(chē)架本身的強(qiáng)度，同時(shí)也可以通過(guò)鈑件的鋁合金化來(lái)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(chē)架那樣昂貴。 載貨汽車(chē)行駛路況復(fù)雜車(chē)架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。目前國(guó)內(nèi)商用車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)開(kāi)始從原有的單純經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)階段 ,主要特點(diǎn)是以有限元計(jì)算分析等手段輔助設(shè)計(jì) ,在零件試制之前對(duì)產(chǎn)品就有了初步判斷 ,可以提前解決相 當(dāng)數(shù)量的設(shè)計(jì)問(wèn)題 ,但目前有限元分析還只局限在強(qiáng)度計(jì)算方面 ,壽命計(jì)算做的較少再有一點(diǎn)就是目前國(guó)內(nèi)車(chē)架的開(kāi)發(fā)很少經(jīng)過(guò)臺(tái)架強(qiáng)度和壽命試驗(yàn) ,而目前國(guó)內(nèi)各汽車(chē)生產(chǎn) 4 廠車(chē)架臺(tái)架試驗(yàn)所需的硬件應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題 ,主要問(wèn)題缺少參數(shù)輸入方面的積累 [5]。另外 ,由于目前國(guó)內(nèi)還無(wú)法杜絕超載現(xiàn)象的存在 ,所以我們的車(chē)架設(shè)計(jì)偏于 保守。相反 ,國(guó)外商用車(chē)車(chē)架開(kāi)發(fā)過(guò)程中有限元分析應(yīng)用比較廣泛 ,而且臺(tái)架試驗(yàn)應(yīng)用也被大量采用 ,有比較成熟的車(chē)架臺(tái)架試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn) ,比如奧地利斯太爾公司的臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟 ,車(chē)架總成在通過(guò)斯太爾的 250 小時(shí)脈沖臺(tái)架試驗(yàn)后 只需要進(jìn)行 300 小時(shí)的場(chǎng)地試驗(yàn) ,檢驗(yàn)連接件的可靠性即可 ,通過(guò)這兩項(xiàng)試驗(yàn) ,車(chē)架的使用壽命可到 100 萬(wàn)公里 ,目前 公司仍利用斯太爾的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行車(chē)架臺(tái)架試驗(yàn) ,它們的車(chē)架如果不經(jīng)過(guò)脈沖試驗(yàn) ,整車(chē)不投產(chǎn) [6]。從材料的使用情況看 ,目前在節(jié)油、輕量化的壓力下 ,國(guó)內(nèi)外重型商用車(chē)車(chē)架普遍采用了高強(qiáng)度鋼板 ,5002 的鋼板已經(jīng)廣泛應(yīng)用 從成型工藝方面看 ,傳統(tǒng)的縱梁制造工藝采用大型沖壓設(shè)備及大型模具沖壓成型 ,一次性生產(chǎn)準(zhǔn)備投入大 ,周期長(zhǎng) ,柔性化差 ,精度不高 ,很難適應(yīng)產(chǎn)品和市場(chǎng)的變化。而且 ,隨著縱梁所用材料強(qiáng)度等級(jí)的不斷提高 ,采用傳統(tǒng)制造工藝所需的沖壓設(shè)備會(huì)越來(lái)越大 ,對(duì)材料的成型性能要求也高 ,很難適應(yīng)發(fā)展的需要。所以目前普遍采用的是縱梁滾壓成型制造工藝 ,其特點(diǎn)是 :柔性化好 ,精度高 ,一次性生產(chǎn)準(zhǔn)備投入小 [7]。 歐美從 90年代開(kāi)始逐漸提高了撞擊事故的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，這也是凸現(xiàn)出車(chē)架剛性重要的另一原因 [8]。許多車(chē)廠為了在撞擊事故發(fā)生時(shí)能夠確保車(chē)內(nèi)乘員的安全，惟有針對(duì)車(chē)架以及車(chē)體進(jìn)行全面強(qiáng)化，這也使得除了車(chē)架以外的強(qiáng)度有所改善，包括鈑件厚度的改變以及各種輔助梁的增設(shè)也成為各廠慣用的手法。不過(guò)在這樣的 情況下，伴隨而來(lái)的是車(chē)重相對(duì)增加，這也正是歐美日許多市售車(chē)的重量比起 10年前、 20年前增加不少的主要原因。 關(guān)于剛性的確保，大多數(shù)車(chē)廠在新車(chē)的設(shè)計(jì)階段，都是利用電腦計(jì)算出車(chē)架的剛性需求，并以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)。有些車(chē)廠在用電腦完成設(shè)計(jì) 5 雛 形后，還會(huì)再由專(zhuān)業(yè)的試車(chē)人員進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。 中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)凌源汽車(chē)制造有限公司汽車(chē)車(chē)架 汽車(chē)車(chē)架 汽車(chē)縱梁數(shù)控沖孔方面的又一標(biāo)志性成果，填補(bǔ)了國(guó) 內(nèi)設(shè)計(jì)制造汽車(chē)車(chē)架 車(chē)車(chē)架 汽車(chē)制造行業(yè)具有劃時(shí)代的意義，標(biāo)志著中國(guó)在汽車(chē)車(chē)架數(shù)控沖孔加工的生產(chǎn)設(shè)備方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，降低了汽車(chē)制造行業(yè)購(gòu)置汽車(chē)車(chē)架數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的巨大費(fèi)用，積極推動(dòng)了中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的飛速發(fā)展，為中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)早日與國(guó)際接軌奠定了基礎(chǔ)。 目前我國(guó)的車(chē)架企業(yè)基本擁有剪切、沖壓、焊接、鉚接、油漆、機(jī)加工六大工藝能力和完善的檢測(cè)手段、研究設(shè)計(jì)中心，具有 16噸至 3000噸的冷沖壓能力，具備了開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)各種類(lèi)型車(chē)架。 6 2 車(chē)架總成設(shè)計(jì) 考車(chē)型及其參數(shù) 參考車(chē)型： 奧鈴 細(xì)參數(shù)： 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：康明斯 發(fā)動(dòng)機(jī)功率： 115大扭矩： 最大馬力： 154馬力 發(fā)動(dòng)機(jī)排量： 3760 發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型：柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 外形尺寸（ 長(zhǎng) × 寬 × 高 ）： 8445× 2270× 2500 箱欄板內(nèi)尺寸： 6200× 2100× 550 質(zhì)量： 14785 整備質(zhì)量： 4600定載質(zhì)量： 9990 接近角 /離去角： 23/16 前懸 /后懸： 1195/2250 軸距： 4700 荷： 5280/9505N 最高車(chē)速： 95 km/h 前輪距： 1710 后輪距： 1680 盤(pán)型號(hào)： 軸數(shù)： 2 彈簧片數(shù)： 8/10+10 輪胎數(shù)： 6 輪胎規(guī)格： 架類(lèi)型的選擇 車(chē)架的 結(jié)構(gòu)形式 可以分為 邊梁式、中梁式（或稱(chēng)脊骨式） 和 綜合式 。而在有些客車(chē)和轎車(chē)上車(chē)身和車(chē)架制成一體，這樣的車(chē)身稱(chēng)為“半承載式車(chē)身”，有的被加強(qiáng)了車(chē)身則能完全起到車(chē)架的作用，這樣的車(chē)身稱(chēng)為“承載式車(chē)身”，不另設(shè)車(chē)架。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，為了減輕自重，越來(lái)越多的 7 轎車(chē)都采用了承載式車(chē)身 [9]。下邊先分別列舉下各車(chē)架的特點(diǎn)。 （ 1）邊梁式車(chē)架的構(gòu)造 這種車(chē)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(jiān)固的剛性構(gòu)架?？v梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面一般為 槽型， 梁用來(lái)連接縱梁，保證車(chē)架的抗扭剛度和承載能力，而且還用來(lái)支撐汽車(chē)上的主要部件。 邊梁式車(chē)架能給改裝變型車(chē)提供一個(gè)方便的安裝骨架，因而在載重汽車(chē)和特種車(chē)上得到廣泛用。其彎曲剛度較大，而當(dāng)承受扭矩時(shí)，各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車(chē)身、車(chē)箱和布置其他總成，易于汽車(chē)的改裝和變形，因此被廣泛地用在載貨汽車(chē)、越野汽車(chē)、特種汽車(chē) 和用貨車(chē)底盤(pán)改裝而成的大客車(chē)上。在中、輕型客車(chē)上也有所采用，轎車(chē)則較少采用。 用于載貨汽車(chē)的邊梁式車(chē)架（圖 由兩根相互平行但開(kāi)口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開(kāi)口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長(zhǎng)不變或局部降低，而兩端的下表面則可以根據(jù)應(yīng)力情況相應(yīng)地縮小。車(chē)架寬度多為全長(zhǎng)等寬。 邊梁式車(chē)架 圖 梁式車(chē)架 8 （ 2） 車(chē)架 X 型車(chē)架（圖 是邊梁式車(chē)架的改進(jìn)， 這種車(chē)架由兩根縱梁及 際上是邊梁 式車(chē)架的改進(jìn)，有一定的抗扭剛度， 短而寬的車(chē)架，這種效果最明顯。車(chē)架中部為位于汽車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)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(dòng)力、傳動(dòng)總成，而后端則用于安裝后橋。傳動(dòng)軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強(qiáng)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(chē)寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車(chē)身地板的降低，但地板中間會(huì)有較大的縱向鼓包。門(mén)檻的寬度不大，雖然從被動(dòng)安全性考慮，要求門(mén)檻有足夠的強(qiáng)度和剛度。 轎車(chē)要是使用邊梁式車(chē)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(yīng)地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復(fù)雜化且其車(chē)身地板仍比采用其他車(chē)架時(shí)為高，當(dāng)然地板上的傳動(dòng)軸通道鼓包也就不大了。所以 圖 X 梁 式車(chē)架 9 （ 3）周邊式車(chē)架 周邊式車(chē)架，這種車(chē)架是從邊梁式車(chē)架派生出來(lái)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(zhuǎn)角，后端寬度取決于后輪距，中部寬度取決于車(chē)身門(mén)檻梁的內(nèi)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(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可以吸收來(lái)自不平路面的沖擊和降低車(chē)內(nèi)噪聲。此外，車(chē)架中部加寬既有利于提高汽車(chē)的橫向穩(wěn)定性，又 可以減短了車(chē)架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長(zhǎng)度。在前后縱梁處向上彎曲以讓出前后獨(dú)立懸架或非斷開(kāi)式后橋的運(yùn)動(dòng)空間。采用這種車(chē)架時(shí)車(chē)身地板上的傳動(dòng)軸通道所形成的鼓包不大，但門(mén)檻較寬。這種車(chē)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般在中、高級(jí)轎車(chē)上采用。 （ 4） 中梁式車(chē)架（脊骨式車(chē)架） 其 結(jié)構(gòu)只有一根位于中央而貫穿汽車(chē)全長(zhǎng)的 縱梁 ，亦稱(chēng)為脊骨式車(chē)架（圖 。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(dòng)機(jī)，而主減速器殼通常固定在中梁的尾端，形成斷開(kāi)式后驅(qū)動(dòng)橋。中梁上的懸伸托架用以支承汽車(chē)車(chē)身和安裝其它機(jī)件。若中梁是管 形的，傳動(dòng)軸可在管內(nèi)穿過(guò)。優(yōu)點(diǎn) 是 有較好的抗扭轉(zhuǎn)剛度和較大的前輪轉(zhuǎn)向角，在結(jié)構(gòu)上容許車(chē)乾有較大的跳動(dòng)空間，便于裝用獨(dú)立懸架，從而提高了汽車(chē)的越野性；與同噸位的載貨汽車(chē)相比，其車(chē)架輕，整車(chē)質(zhì)量小，同時(shí)質(zhì)心也較低，故行駛穩(wěn)定性好；車(chē)架的強(qiáng)度和剛度較大；脊梁還能起封閉傳動(dòng)軸的防塵罩作用。缺點(diǎn) 是 制造工藝復(fù)雜，精度要求高，總成安裝困難，維護(hù)修理也不方便，故目前應(yīng)用較少。 （ 5）綜合式車(chē)架 綜合式車(chē)架 (圖 由 邊梁 式和中梁式車(chē)架聯(lián)合構(gòu)成的。車(chē)架的前段 10 或后段是邊梁式結(jié)構(gòu)，用以安裝發(fā)動(dòng)機(jī)或后驅(qū)動(dòng)橋。而車(chē)架的另一段是 中梁 式結(jié)構(gòu)的支架可以固定車(chē)身。傳動(dòng)軸從中梁的中間穿過(guò)，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(fù)雜。此種 圖 式車(chē)架 結(jié)構(gòu)一般在轎車(chē)上使用。車(chē)架承受著全車(chē)的大部分 重量，在汽車(chē)行駛時(shí)，它承受來(lái)自裝配在其上的各部件傳來(lái)的力及其相應(yīng)的力矩的作用。當(dāng)汽車(chē)行駛在崎嶇不平的道路上時(shí)，車(chē)架在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使安裝在其上的各部件相互位置發(fā)生變化。當(dāng)車(chē)輪受到?jīng)_擊時(shí)，車(chē)架也會(huì)相應(yīng)受到?jīng)_擊載荷。因而要求車(chē)架具有足夠的強(qiáng)度，合適的剛度，同時(shí)盡 量減輕重量。在良好路面行駛的汽車(chē)， 車(chē)架應(yīng)布置得離地面近一些，使 汽車(chē)重心降低，有利于汽車(chē)穩(wěn)定行駛，車(chē)架的形狀尺寸還應(yīng)保證前輪轉(zhuǎn)向要求的空間 [10]。 由于設(shè)計(jì)的是載貨汽車(chē)車(chē)架，根據(jù)其特點(diǎn)選用邊梁式車(chē)架。 縱梁上、下表面為平直，斷面呈槽形，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，不僅能降低工人工作強(qiáng)度，而且其造價(jià)低廉，有良好的經(jīng)濟(jì)性，將廣泛地用于各種載貨汽車(chē)、客車(chē)上。 11 圖 合 式車(chē)架 計(jì)的技術(shù)要求 為了使車(chē)架符合上述功用，通常對(duì)設(shè)計(jì)的車(chē)架必須要有 足夠的強(qiáng) 度。以保證在各種復(fù)雜受力的使用情況下車(chē)架不受破壞。要求有足夠的疲勞強(qiáng)度，保證在汽車(chē)大修里程內(nèi)，車(chē)架不致有嚴(yán)重的疲勞損傷。 縱梁受力極為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)不僅應(yīng)注意各種應(yīng)力，改善其分布情況，還應(yīng)該注意使各種應(yīng)力峰值不出現(xiàn)在同一部位上。例如，縱梁中部彎曲應(yīng)力較大，則應(yīng)注意降低其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，減少應(yīng)力集中并避免失穩(wěn)。而在前、后端，則應(yīng)著重控制懸架系統(tǒng)引起的局部扭轉(zhuǎn) [11]。 提高縱梁強(qiáng)度常用的措施如下： （ 1）提高彎曲強(qiáng)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(zhuǎn)剛度 12 注 意偏心載荷的布置，使相近的幾個(gè)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(shè)置橫梁，并根據(jù)載荷大小及分散情況確定連接強(qiáng)度和寬度； 將懸置點(diǎn)分布在橫梁的彎曲中心上；當(dāng)偏心載荷較大并偏離橫梁較遠(yuǎn)處時(shí)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(shí)候，應(yīng)該采用封閉斷面梁，橫梁間距也應(yīng)縮??； 選用較大的斷面； 限制制造扭曲度，減少裝配預(yù)應(yīng)力。 （ 3）提高整體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 不使縱梁斷面過(guò)大； 翼緣連接的橫梁不宜相距太近。 （ 4）減少應(yīng)力集中及疲勞敏感 盡可能減少翼緣上的孔 （特別是高應(yīng)力區(qū)），嚴(yán)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?chē)?yán)重變?。? 注意加強(qiáng)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(diǎn)”焊。 （ 5）減少失穩(wěn) 受壓翼緣寬度和厚度的比值不宜過(guò)大（常在 12左右）； 在容易出現(xiàn)波紋處限制其平整度。 （ 6）局部強(qiáng)度加強(qiáng) 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(diǎn)接近腹板的上、下側(cè)面。 13 架的輕量化 由于車(chē)架較重，對(duì)于鋼板的消耗量相當(dāng)大。因此，車(chē)架應(yīng)按等強(qiáng)度的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕汽車(chē)的 自重和降低材料的消耗量。在保證強(qiáng)度的條件下，盡量減輕車(chē)架的質(zhì)量。通常要求車(chē)架的質(zhì)量應(yīng)小于整車(chē)整備質(zhì)量的10％。 本設(shè)計(jì)主要對(duì)車(chē)架縱梁進(jìn)行簡(jiǎn)化的彎曲強(qiáng)度計(jì)算，使車(chē)架縱梁具有足夠的強(qiáng)度，以此來(lái)確定車(chē)架的斷面尺寸。另外，從生產(chǎn)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性考慮的話，也應(yīng)盡量減輕整車(chē)的質(zhì)量。從生產(chǎn)工藝性考慮，橫縱梁采用簡(jiǎn)便可靠的連接方式，不僅能降低工人的工作強(qiáng)度，還能增強(qiáng)車(chē)架的強(qiáng)度 [12]。 架的參數(shù)設(shè)計(jì) 架長(zhǎng)度確定 對(duì)于載重貨車(chē)而言，車(chē)架的長(zhǎng)度一般可認(rèn)為是整車(chē)的長(zhǎng)度減去車(chē)輛最前端到車(chē)架最前端的距離，對(duì)于本車(chē)型 而言 ,整車(chē)定義長(zhǎng)度為 8445輛的最前端在保險(xiǎn)杠上。保險(xiǎn)杠最前端到車(chē)架前橫梁最前端的距離為 45以車(chē)架總長(zhǎng)可確定為 8400架前懸為 1150距為 4700架后懸為 2550 架 寬度確定 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。 通常，車(chē)架的寬度根據(jù)汽車(chē)總體布 置的參數(shù)來(lái)確定，整車(chē)寬度不得超 14 過(guò) 往往很難同時(shí)滿(mǎn)足上述要求。為了解決總體布置與加寬車(chē)架的矛盾，車(chē)架的寬度設(shè)計(jì)可采取以下措施 [13]： （ 1）將車(chē)架做成前窄后寬 這種結(jié)構(gòu)可以解決前輪轉(zhuǎn)向所需的空間與車(chē)架總寬之間的矛盾。此結(jié)構(gòu)適用于輕型汽車(chē)、微型汽車(chē)和轎車(chē)。 （ 2）將車(chē)架做成前寬后窄 對(duì)于重型載貨汽車(chē)，其后軸的負(fù)荷大，輪胎的尺寸加大，后鋼板彈簧片寬增加，同時(shí)為了安裝外型尺寸大的發(fā)動(dòng)機(jī)，常需減小前輪轉(zhuǎn)向角，以便使汽車(chē)的總寬在公路標(biāo)準(zhǔn)的 ，因此車(chē)架不得不采用前寬后窄的型式。 （ 3） 將車(chē)架做成前后 等寬 在整車(chē)布置允許的條件下 ,應(yīng)該盡量采用前后等寬式車(chē)架 ,因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)車(chē)架的制造工藝簡(jiǎn)單 ,不存在不等寬車(chē)架在皺紋區(qū)易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺點(diǎn) ,目前絕大多數(shù)中等載重量的汽車(chē)采用了前后等寬式車(chē)架。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，關(guān)于輕型載重貨車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其載重設(shè)為 10t，簡(jiǎn)化制造工藝，最好車(chē)架前后等寬。為了便于實(shí)行產(chǎn)品的三化，不少?lài)?guó)家對(duì)車(chē)架的寬度制定了標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [18]（汽 132定“車(chē)架寬度標(biāo)準(zhǔn)為 865 ± 5 毫米”。根據(jù)汽車(chē)設(shè)計(jì)取車(chē)架寬 860 架縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車(chē)架縱梁 的斷面高度決定了貨物質(zhì)心的高度 ,降低縱梁上翼面的離地高度不僅能降低駕駛室等裝置件的離地高度 ,也能降低車(chē)箱底板的離地高度 ,但降低車(chē)架縱梁斷面高度會(huì)嚴(yán)重的降低縱梁的抗彎能力 ,所以縱梁設(shè)計(jì)時(shí)這兩方面要綜合考慮。重型貨車(chē)通常多采用槽形斷面縱梁 ,這是因?yàn)榭v梁主要 15 承受彎曲載荷和便于裝配的緣故 [14]。盡管槽形斷面的抗扭剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如閉口斷 面 ,但由于在重型汽車(chē)上 ,許多裝置件 (如汽油箱、儲(chǔ)氣筒、排氣管 )的支架都是裝在縱梁上 ,若是將縱梁做成封閉斷面 ,則這些支架的安裝就會(huì)困難很多 [16]。該載重貨車(chē)車(chē)架縱梁采用槽型梁 ,前后等高 上下翼面平直的架構(gòu)。統(tǒng)計(jì)對(duì)比同類(lèi)車(chē)型 ,車(chē)架縱梁斷面高度初步判斷應(yīng)在 300間 ,根據(jù)已有生產(chǎn)沖壓模具的條件 ,同時(shí)考慮輕量化問(wèn)題縱梁梁斷面高度確定為 3007],根據(jù)整車(chē)布置要求 (特別是后簧平衡懸架支架限制 ,縱梁翼面寬 90車(chē)架抗彎、抗扭的需要 ,確定縱梁的翼面寬為 90據(jù)沖壓能力和使用條件分析 ,縱梁板料厚度確定為 8 圖 縱梁斷 面尺寸 架橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車(chē)架橫 梁將左、右縱梁連接在一起，構(gòu)成一個(gè)框架，使車(chē)架有足夠的抗彎剛度。汽車(chē)主要總成通過(guò)橫梁來(lái)支承。載貨汽車(chē)的橫梁一般有多根橫梁組成，其結(jié)構(gòu)和用途不一樣 [19]。 前橫梁 通常用來(lái)支承水箱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)前支點(diǎn)安排在左右縱梁上時(shí)，可用較小槽型和 Z 型斷面橫梁。對(duì)于前部采用獨(dú)立懸架的轎車(chē)，為了改善汽車(chē)的視野，希望汽車(chē)頭部高度降低，固需要將水箱安裝得低些，可將前橫梁做成 16 寬而下凹的形狀。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)前支點(diǎn)和水箱相距很近時(shí)，前橫梁常用來(lái)支承水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)前端，此時(shí)需采用斷面大的橫梁。中橫梁通常用來(lái)作傳動(dòng)軸的中間支承。為了保證傳動(dòng)軸有足夠 的跳動(dòng)空間，將其結(jié)構(gòu)做成上拱形。在后鋼板彈簧前、后支架附近所受到的力或轉(zhuǎn)矩大，則要設(shè)置一根抗扭剛度大、連接寬度大的橫梁。后橫梁采用中橫梁形式。 本設(shè)計(jì)課題是關(guān)于載重貨車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以采用開(kāi)口斷面比較合適。本次設(shè)計(jì)一共采用大小共 6根橫梁，各根橫梁的結(jié)構(gòu)及用途如下： 第一根橫梁斷面形狀為槽型，用來(lái)支撐水箱，其中間設(shè)有多個(gè)圓形孔，目的是讓空氣可以流到發(fā)動(dòng)機(jī)底部，也有助于發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。 第二根橫梁為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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。 第三根橫梁用作傳動(dòng)軸的支承，其斷面形狀為槽形，為了保證傳動(dòng)軸有足夠的跳動(dòng)空間和安裝空間，將其結(jié)構(gòu)做成上拱形。 第四、五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(zhuǎn)矩都很大。將其設(shè)計(jì)成 們的斷面形狀也是采用槽形。 第六橫梁為后橫梁，其將左、右縱梁連接在一起，構(gòu)成一個(gè)框架，使車(chē)架有足夠的抗彎剛度。其斷面形狀為槽形。 梁縱梁連接方式 縱梁和橫梁的連接方式對(duì)車(chē)架的受力有很大的影響。大致可分有以下幾種： (1) 橫梁和縱梁的腹板相連接 這種連接型式制造工藝簡(jiǎn)單，連接剛度較差，但不會(huì) 使縱梁出現(xiàn)大的應(yīng)力，一般車(chē)架的中部橫梁采用此種連接方式。 17 (2) 橫梁同時(shí)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(fù)雜，連接剛度增強(qiáng)，故得到廣泛應(yīng)用。但后鋼板彈簧托架上的力會(huì)通過(guò)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(shè)計(jì)鋼板彈簧托架時(shí)應(yīng)盡可能減少懸架伸長(zhǎng)度，使載荷作用點(diǎn)靠近縱梁彎曲中心。當(dāng)偏心載荷較大時(shí)，可將該處縱梁做成局部閉口斷面；也可將橫梁穿過(guò)縱梁向外延伸，將載荷直接傳給橫梁。 (3) 橫梁同時(shí)和上、下翼緣相連接 這種連接形式具有剛性較好的加強(qiáng)角撐，可產(chǎn)生良好的斜支 撐作用，使整個(gè)車(chē)架的剛度增加，且其翼緣外邊不致因受壓而產(chǎn)生翹曲。車(chē)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(fù)雜，當(dāng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)，縱梁翼緣上會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)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(chē)架用搭鐵板通過(guò)鉚釘連接。這種方法成本低，適合大批量生產(chǎn)，其剛度與鉚釘?shù)臄?shù)目及其分布有關(guān)。焊接能使其連接牢固，不致產(chǎn)生松動(dòng)，能保證有大的剛度。但焊接容易變形并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，故要求焊接質(zhì)量要高，主要在小批量生產(chǎn)或修理時(shí)采用。 螺栓連接主要 在某些為了適用于各種特殊使用條件的汽車(chē)車(chē)架上采用，以使裝在汽車(chē)車(chē)架上的某些部件易于拆卸或互換。但此種連接方式在長(zhǎng)期使用時(shí)，容易松動(dòng)，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。一般汽車(chē)車(chē)架橫梁與縱梁的固定不采用此種方法。 鉚接時(shí)緊固件的尺寸和數(shù)量要和橫梁大小相適應(yīng)，鉚釘分布不要太近。當(dāng)利用連接板的翻邊緊固時(shí)，應(yīng)加大連接板的寬度和厚度，緊固孔應(yīng)盡可能靠近翻邊處，以防連接損壞 [20]。 18 本設(shè)計(jì)方案中，橫梁與縱梁的連接形式使用鉚接加螺栓連接，連接在腹板上。連接方式如圖 圖 梁橫梁連接方式示意圖 19 3 車(chē)架的有 限元靜力學(xué)分析 架幾何模型的建立 目前三維模型的繪圖軟件很多，常用的有 可以在 直接繪制三 維模型圖。本次設(shè)計(jì)采用圖軟件根據(jù)第二章的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)繪制出車(chē)架的三維模型圖（ 圖 架三維模型圖 架 有限元模型的建立 車(chē)架模型導(dǎo)入到 件中將車(chē)架的三維模型完成之后，將模型轉(zhuǎn)化為件所識(shí)別的 * 件中可以通過(guò)文件另存為實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng) 件后，通過(guò) 項(xiàng)導(dǎo)入車(chē)架的三維幾何模型 *件。導(dǎo)入到 件后生成的車(chē)架有限元模型圖。 置 材料參數(shù) 本次設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)采用 21]，物理屬性如表 示 20 表 500L 鋼材料力 學(xué)性能 材料牌號(hào) 密度 [kg/泊松比 彈性模量 [屈服強(qiáng)度 [抗拉極限強(qiáng) [ 7800 20 500 限元網(wǎng)格化分 有限元分析的基本思想就是把連續(xù)體劃分為離散的模型，劃分網(wǎng)格的目的是把連續(xù)體分解成可得到精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元。本論文所使用的車(chē) 架幾何模型各零部件之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以全部使用綁定接觸處理。 對(duì)于三維幾何來(lái)說(shuō)， 動(dòng)網(wǎng)格劃分）、面體網(wǎng)格劃分）、 面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分），本論文采用 的 ，它是可以快速地、自動(dòng)地生成網(wǎng)格，并適合于復(fù)雜幾何體。四面體網(wǎng)格具有等向細(xì)化的特點(diǎn)，為捕捉一個(gè)方向的梯度，網(wǎng)格在三個(gè)方向細(xì)化，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量迅速上升。選擇單元尺寸為 20樣可以保證單元質(zhì)量和連接孔 周的單元數(shù)目適當(dāng)。車(chē)架有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格后如圖 示。節(jié)點(diǎn)數(shù)為 407862 個(gè)，單元網(wǎng)格數(shù)為202792 個(gè)。 圖 車(chē)架的有限元網(wǎng)格化分 21 架的 靜力學(xué)分析 要對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，首先應(yīng)該清楚了解的是車(chē)輛在行駛時(shí)車(chē)架所要承受的各種不同的力。如果車(chē)架在某方面的韌性不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無(wú)法達(dá)到良好的操控表現(xiàn)。而車(chē)架在實(shí)際環(huán)境下要主要面對(duì)以下 4種典型工況 [22~24]。 （ 1）負(fù)載彎曲 從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)壓力，部分汽車(chē)的 非懸掛重量，是由車(chē)架承受的，通過(guò)輪軸傳到地面。而這個(gè)壓力，主要會(huì)集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車(chē)架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強(qiáng)的剛度。 （ 2）非水平扭動(dòng) 當(dāng)前后對(duì)角車(chē)輪遇到道路上的不平而滾動(dòng)，車(chē)架的梁柱便要承受這個(gè)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。 （ 3）橫向彎曲 所謂橫向彎曲，就是汽車(chē)在入彎時(shí)重量的慣性（即離心力）會(huì)使車(chē)身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的壓力將車(chē)架橫向扭曲。 （ 4）緊急制動(dòng) 當(dāng)汽車(chē)滿(mǎn)載在路面上勻速行駛突然遇到緊急狀況，緊急制 動(dòng)時(shí)，受慣性載荷的作用，車(chē)架彎曲變形。 止負(fù)載彎曲 滿(mǎn)載彎曲工況是模擬汽車(chē)在滿(mǎn)載狀態(tài)下，四輪著地在良好路面上勻速行駛時(shí)車(chē)架對(duì)其所承受的重量的響應(yīng)，滿(mǎn)載狀態(tài)也是載重貨車(chē)的一種極限工況，只要該工況下車(chē)架達(dá)到所要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在正常工況下，該車(chē)架也必然會(huì)符合標(biāo)準(zhǔn)。 22 約束條件：對(duì)貨車(chē)主要部件質(zhì)量做一個(gè)簡(jiǎn) 化處理如表 后集中加載在車(chē)架。 表 車(chē) 架載荷分布 總成 質(zhì)量（ 駕駛室 800 發(fā)動(dòng)機(jī) 500 變速箱 500 油箱（滿(mǎn)載） 250 其余總成簡(jiǎn)化 2000 在建立車(chē)架有 限元模型時(shí) ,需將作用在車(chē)架上的外載荷簡(jiǎn)化為等效載荷加到車(chē)架上。對(duì)于車(chē)身的自重及車(chē)架上的各總成 ,就將它們簡(jiǎn)化為集中力直接作用在車(chē)架上。而載重汽車(chē)的載荷 (承載重量 )是通過(guò)貨箱傳給車(chē)架的 ,汽車(chē)貨箱 主要由貨箱底板、貨箱橫梁和貨箱縱梁組成。貨箱的縱梁放在車(chē)架縱梁的上翼面上 ,兩者是通過(guò)若干個(gè) U 形螺栓聯(lián)結(jié)在一起的，以往的車(chē)架有限元計(jì)算中 ,常常不考慮貨箱的剛度對(duì)車(chē)架剛度與強(qiáng)度的貢獻(xiàn) ,而一概將貨箱上的載荷以集中力或均布力形式全部直接加到車(chē)架上 ,這種簡(jiǎn)化的計(jì)算結(jié)果表明車(chē)架應(yīng)力的計(jì)算值一般比實(shí)驗(yàn)值大 ,特別在與貨箱相連的車(chē)架中后部 應(yīng)力計(jì)算值往往比實(shí)驗(yàn)值大幾倍。事實(shí)上貨箱和車(chē)架之間的作用力是以集中力形式傳遞的 ,但并不是完全傳遞 ,而是與貨箱的剛度有關(guān) ,若貨箱與車(chē)架是鋼一鋼結(jié)構(gòu)連接 (貨箱縱梁為鋼質(zhì)材料 ),考慮到貨 箱的剛度對(duì)車(chē)架強(qiáng)度的影響 ,則總載荷由車(chē)架和貨箱共同承擔(dān) ,若貨箱與車(chē)架是木一一鋼結(jié)構(gòu)連接 ,由于貨箱剛度小 ,因此只承擔(dān)了總載荷的弱 ,總載荷基本上是由車(chē)架承受。雖然實(shí)際上載重量以集中力的方式作用在車(chē)架上，但是作用的位置點(diǎn)具有不確定性，在本次試驗(yàn)中還是按照均布力的方式均勻施加在車(chē)架上。 23 車(chē)架與 懸架連接的八個(gè)面施加固定位約束。然后在車(chē)架上施加 載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱按照集中力方式加載如圖 駛室均勻分布在車(chē)架前端2200余總成加總載重量 10000貨箱長(zhǎng)度均勻分布在車(chē)架后端。如下圖 圖 物加載位置 圖 動(dòng)機(jī)變速箱集中加力位置 約束條件施加完以后，自動(dòng)求解。 24 圖 載位移云圖 車(chē)架滿(mǎn)載靜止工況下的總變形如圖 示，由圖可以看出車(chē) 架在滿(mǎn)載靜止工況下車(chē)架尾部的變形量最大，最大變形量為 于貨車(chē)車(chē)架的最大彎曲撓度通常小于 10以該車(chē)架在靜態(tài)滿(mǎn)載工況下滿(mǎn)足性能要求。本車(chē)型由于車(chē)廂過(guò)長(zhǎng)，所以車(chē)架后懸過(guò)長(zhǎng)，模擬分析過(guò)程中載荷按照均勻分布，這才導(dǎo)致車(chē)架尾部變形最大。在實(shí)際使用中車(chē)廂尾端載重量不會(huì)過(guò)大，所以在實(shí)際使用中車(chē)架尾端變形量會(huì)更小。 由內(nèi)部應(yīng)力云圖 整個(gè)裝配體的等效應(yīng)力都沒(méi)有超過(guò)屈服應(yīng)力（ 320部分，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后輪后支撐處，于材料的屈服強(qiáng)度。因此，當(dāng)車(chē)架滿(mǎn)載靜 止時(shí)，滿(mǎn)足性能要求。 滿(mǎn)載時(shí)安全系數(shù)如圖 25 圖 載 應(yīng)力云圖 圖 載安全系數(shù) 止 30%超載 與滿(mǎn)載相比，后車(chē)架貨箱位置多施加 30%負(fù)載，求解之后。位移變化結(jié)果如下圖 26 圖 0%超載位移云圖 車(chē)架 30%靜止工況下的總變形如圖 示，由圖可以看出車(chē)架在滿(mǎn)載靜止工況下的最大變形量為 于貨車(chē)尾端。由于 貨車(chē)車(chē)架的最大彎曲撓度通常小于 10以該車(chē)架在靜態(tài) 30%超載工況下滿(mǎn)足性能要求。 由內(nèi)部應(yīng)力云圖 整個(gè)裝配體的等效應(yīng)力都沒(méi)有超過(guò)屈服應(yīng)力（ 320部分，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后輪后支撐處，于材料的屈服極限。因此，當(dāng)車(chē)架 30%超載時(shí)，滿(mǎn)足性能要求。 27 圖 0%超載應(yīng)力云圖 經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，貨車(chē)在 50%超載時(shí)，車(chē)架最大位移為 于 10能滿(mǎn)足性能要求。最大應(yīng)力如下圖 320合性能要求。 經(jīng)過(guò)不同程度超載分析，該貨車(chē)車(chē)架性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的載重要求，并且安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1，但考慮到在實(shí)際使用中，貨車(chē)不存在絕對(duì)的靜止情況，因此在靜止分析中安全系數(shù)遠(yuǎn)大于 1 是非常有必要的。 圖 0%超載位 移變化云圖 28 圖 0%超 載內(nèi)部應(yīng)力云圖 水平扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)工況主要是模擬汽車(chē)一側(cè)輪胎駛?cè)氚伎踊蚴怯龅酵蛊鹫系K物時(shí) ，車(chē)架發(fā)生最為嚴(yán)重扭曲，此時(shí)車(chē)架受到的應(yīng)力及變形情況最為惡劣。這種情況一般發(fā)生在崎嶇不平的道路上，車(chē)速較低。 給右前輪強(qiáng)制施加一個(gè) 10余三個(gè)輪按固定位移處理。算出車(chē)架的最大位移及應(yīng)力云圖如下圖 示： 圖 車(chē)架 扭曲變形位移云圖 29 圖 架扭曲變形應(yīng)力云圖 圖 架扭 曲變形局部應(yīng)力云圖 可見(jiàn)，在扭曲變形工況下最大位移發(fā)生在車(chē)架右前部如圖 大位移為 大應(yīng)力發(fā)生在懸架與車(chē)架連接處，經(jīng)超過(guò)車(chē)架材料的屈服強(qiáng)度 320于材料的 抗拉極限強(qiáng)度 500崎嶇路面車(chē)架的扭曲變形發(fā)生在瞬間且不會(huì)持續(xù)，因此，該車(chē)架還是滿(mǎn)足性能要求的。 向彎曲工況 汽車(chē)在行駛過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到急轉(zhuǎn)彎的情況，因此離心力的作用，車(chē)架將受到側(cè)向載荷。按緊急右轉(zhuǎn)的極限狀態(tài)。轉(zhuǎn)彎狀況下車(chē)速按 20km/彎半徑按 10 根據(jù)側(cè)向加速度的計(jì)算公式 2? 式 （ 式中： a 汽車(chē)的側(cè)向加速度； V 汽車(chē)的行駛速度 ； 30 R 轉(zhuǎn)彎半徑。 前輪施加固定約束，滿(mǎn)載工況下施加 2s 側(cè)向加速度，求出其位移與應(yīng)力云圖如下圖 可見(jiàn)，在緊急轉(zhuǎn)彎工況下，最大位移發(fā)生在車(chē)架末端，大應(yīng)力發(fā)生在前懸架與元寶梁連接處，最大應(yīng)力為 于車(chē)架材料的屈服強(qiáng)度。滿(mǎn)足車(chē)架的性能要求。 圖 橫向 彎曲位移云圖 31 圖 向彎曲應(yīng)力 云圖 急制動(dòng)工況 當(dāng)車(chē)輛遇到緊急 情況進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，車(chē)架會(huì)受到各部分的載荷作用和沿縱向產(chǎn)生的慣性力作用。本文研究的是滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況，制動(dòng)工況考慮前后車(chē)輪完全抱死的情況下，取附著系數(shù) φ =車(chē)制動(dòng)時(shí)的最大減速度為 s。車(chē)架位移云圖和內(nèi)部應(yīng)力云圖如下圖 圖 緊 急制動(dòng)位移云圖 由云圖可以看出，車(chē)架在滿(mǎn)載靜止工況下的最大變形量為 于貨車(chē)車(chē)架的最大彎曲撓度通常小于 10以該車(chē)架在靜態(tài)滿(mǎn)載工況下滿(mǎn)足性能要求。 等效應(yīng)力都沒(méi)有超過(guò)屈服應(yīng)力（ 493部分，最大應(yīng)力還是出現(xiàn)在左后輪后支撐處，應(yīng)力最大值 于材料的屈服極限。因此，當(dāng)車(chē)架滿(mǎn)載緊急制動(dòng)時(shí)，滿(mǎn)足性能要求。 32 圖 急制動(dòng) 應(yīng)力云圖 于靜力 分析的車(chē)架輕量化 對(duì)汽車(chē)零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以通過(guò)使部件中空化、薄壁化、小型化和復(fù)合化達(dá)到目的，對(duì)于該輕型載貨貨車(chē)主要從減薄壁厚和添加減重孔來(lái)降低質(zhì)量。 通過(guò)對(duì)車(chē)架四種典型工況靜態(tài)分析可以看出，貨車(chē)在除扭轉(zhuǎn)工況外，其余各種工況下，安全系數(shù)均大于 1，就算在超載 50%以后，車(chē)架的 安全系數(shù)仍然大于 是在扭轉(zhuǎn)工況下，當(dāng)給右前輪強(qiáng)制施加一個(gè)向上的位移時(shí)，車(chē)架的最高內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，但我們可以看出超出屈服強(qiáng)度的部分只有右前輪車(chē)架與懸架的連接處，如下圖 33 圖 架扭 轉(zhuǎn)變形局部應(yīng)力云圖 因此我們可以通過(guò)加強(qiáng)懸架與車(chē)架的連接，同時(shí)用強(qiáng)度更高強(qiáng)度的材料來(lái)替換懸架與車(chē)架連接處的材料，達(dá)到更安全的目的。同時(shí)還可以通過(guò)增大橫梁上的圓孔直徑來(lái)減少材料用量，已達(dá)到輕 量化的目的。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，也可以換用價(jià)格更低廉的材料。 34 4 車(chē)架的 模態(tài)分析 架 模態(tài)分析的基本理論 在汽車(chē)行駛時(shí)，作用在汽車(chē)各部件上的載荷都是動(dòng)載荷。若所受動(dòng)載荷較小時(shí)，只需進(jìn)行靜態(tài)分析即可。若汽車(chē)行駛在凹凸不平的道路上，使得在它上面行駛的車(chē)輛產(chǎn)生垂直方向的位移變動(dòng)，道路表面的凹凸不平是隨機(jī)的，它對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生隨機(jī)激勵(lì)。如果這種隨機(jī)激勵(lì)引起的振動(dòng)過(guò)大的話，將使得乘員感到不舒服和不適應(yīng)，對(duì)車(chē)架造成強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形 [25]。因此我們有必要研究汽車(chē)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率及其相應(yīng)的振型。模 態(tài)是振動(dòng)系統(tǒng)特性的一種表征，它實(shí)為構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜振動(dòng)的那些最簡(jiǎn)單或最基本的振動(dòng)形態(tài)。通過(guò)模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和主要振型，為振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及故障診斷提供依據(jù)，同時(shí)，它也是其它更詳細(xì)動(dòng)力學(xué)分析（如諧響分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和譜分析）的基礎(chǔ) [26]。 車(chē)輛是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，車(chē)輛本身就是一個(gè)具有質(zhì)量、彈性和阻尼的震動(dòng)系統(tǒng)。由于車(chē)輛內(nèi)部各總成、零部件的固有頻率不同，減震方式不同，在行駛中常因路面不平，車(chē)速和運(yùn)動(dòng)方向的變化，車(chē)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的不平衡，以及齒輪的沖擊等各種外部 和內(nèi)部的激振作用而產(chǎn)生的整車(chē)和局部的振動(dòng)，這種振動(dòng)使車(chē)輛的動(dòng)力性得不到充分的發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)型變壞。同時(shí)還影響車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性和平順性，甚至損壞車(chē)輛的零部件和運(yùn)載的貨物，縮短車(chē)輛用壽命 [27]。 有限元法為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析提供了一種有效的工具，應(yīng)用有限元進(jìn)行車(chē)輛結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析。可以得到車(chē)輛的各階固有頻率及振型，這一方面可以了解車(chē)輛結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力學(xué)特征，另一方面又為進(jìn)一步進(jìn)行車(chē)輛結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析奠定基礎(chǔ)。通過(guò)車(chē)輛構(gòu)的諧響應(yīng)分析，可以得到車(chē)輛結(jié)構(gòu)在 35 發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及輪胎的不平衡所造成的簡(jiǎn)諧激振力作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。 一個(gè) N 自由度線性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為 )(... ?? 式（ 式中： M—— 質(zhì)量矩陣； K—— 剛度矩陣； X—— 位移向量； F(t)—— 作用力向量； t—— 時(shí)間。 由于結(jié)構(gòu)的阻尼問(wèn)題比較復(fù)雜，并且大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)結(jié)構(gòu)的阻尼比都非常小，對(duì)系統(tǒng)的固有頻率和振興的計(jì)算結(jié)果影響都比較小，可以忽略不計(jì)，在模態(tài)分析時(shí)，令 )(0。 當(dāng) F(t)=0 時(shí)，忽略阻尼 C 影響，方程變?yōu)? 0.. ?? 式（ 自由振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)位移 ?? 式（ 由式（ （ ?? 02 ?? ??