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载重货车车架设计及有限元分析.rar

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    编号:20180915103333143    类型:共享资源    大小:13.69MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    载重 货车 车架 设计 有限元分析
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    山东科技大学学士学位论文I摘要汽车车架是整个汽车的基体,是汽车设计中一个重要的环节。车架支撑着发动机离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的重要机件,承受着传给它的各种力和力矩。因此,车架必须要有足够的弯曲刚度,也要有足够的强度,以保证其有足够的可靠性与寿命。同时,随着现在汽车的发展,载重货车的乘坐舒适性,操控性能也在不断提高,因此车架的设计还应同时兼顾舒适性和操控性。本文以商用载重货车为研究目标,结合货车的各项参数,对车架进行设计。确定了车架总成以及纵梁横梁的各项参数。运用 solidworks 软件做出了车架的三维模型图。同时利用 ANSYS WORKBENCH 有限元分析软件对车架的四种典型工况做出静力分析,得到各种工况下的变形情况和应力分布情况,同时对车架进行了模态分析。最后根据分析结果对车架做出优化建议。关键词: 载重货车;车架;结构设计;有限元分析山东科技大学学士学位论文IIABSTRACTThe vehicle frame is the base of the car, is one of the most important parts in the automobile design. Frame supports the engine clutch, transmission, steering gear, non bearing body and the container all spring quality the important parts, bear and pass it on to all kinds of force and moment. Therefore, the frame must have enough bending stiffness, also want to have enough strength, to ensure sufficient reliability and life. At the same time, with now the development of automobile and truck ride comfort, handling performance also continues to increase, so design of the frame should also combine comfort and handling.In this paper, the commercial truck as the research objective, combined with the parameters of the truck, the frame design. Frame assembly and the longitudinal beam parameters were determined. The 3D model chart of the frame was made by SolidWorks software.. At the same time, the finite element analysis software ANSYS Workbench of the frame of four kinds of typical working conditions to make static analysis, obtained under various conditions of deformation and stress distribution, and the modal analysis of the frame. Finally, according to the results of the analysis of the frame to make optimization recommendations.Keywords: Truck; frame;structure design; finite element analysis山东科技大学学士学位论文III目录摘要 ....................................................................................................IABSTRACT ....................................................................................II1 绪论 ...............................................................................................11.1 车架总成概述 .........................................11.2 国内外研究情况及其发展 ...............................22 车架总成设计 ...............................................................................62.1 参考车型及其参数 .....................................62.2 车架类型的选择 .......................................62.3 车架设计的技术要求 ..................................112.4 车架的轻量化 ........................................132.5 车架的参数设计 ......................................133 车架的有限元静力学分析 .........................................................193.1 车架几何模型的建立 ..................................193.2 车架有限元模型的建立 ................................193.3 车架的静力学分析 ....................................213.4 基于静力分析的车架轻量化 ...........................354 车架的模态分析 .......................................................................374.1 车架模态分析的基本理论 ..............................374.2 车架有限元模态分析结果 ..............................394.3 车架外部激励分析 ....................................435 总结与展望 .................................................................................46山东科技大学学士学位论文IV5.1 总结 ................................................465.2 工作展望 ............................................46参考文献 .........................................................................................48致谢 .................................................................................................50附录 .................................................................................................51山东科技大学学士学位论文11 绪 论1.1 车架总成概述汽车车架是整个汽车的基体,是将汽车的主要总成和部件连接成汽车整体的金属构架,对于这种金属构架式车架,生产厂家在生产设计时应考虑结构合理,生产工艺规范,要采取一切切实可行的措施消除工艺缺陷,保证它在各种复杂的受力情况下不至于被破坏。车架作为汽车的承载基体,为货车、中型及以下的客车、中高级和高级轿车所采用,支撑着发动机离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的有关机件,承受着传给它的各种力和力矩。为此,车架应有足够的弯曲刚度,以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小;车架也应有足够的强度,以保证其有足够的可靠性与寿命,纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声,也使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。本文只是叙述非承载式车身结构形式中单独的车架系统。承载式汽车,前、后悬架装置,发动机及变速器等传动系部件施加的作用力均由车架承受,所以,车架总成的刚性、强度及振动特性等几乎完全决定了车辆整体的强度、刚度和振动特性。设计时在确保车架总成性能的同时,还应对车架性能和匹配性进行认真的研究。车架结构很多都是用电弧焊焊接而成,容易产生焊接变形。在设计方面对精度有要求的部位不得出现集中焊接,或者从部件结构方面下工夫,尽量确保各个总成的精度。另外,与其他焊接方法相对比,采用电弧焊的话,后端部容易出现比较大的缺口,出现应山东科技大学学士学位论文2力集中现象。所以,应对接头位置和焊接端部进行处理 [1]。车架受力状态极为复杂。汽车静止时,它在悬架系统的支撑下,承受着汽车各部件及载荷的重力,引起纵梁的弯曲和偏心扭转(局部扭转) 。如汽车所处的路面不平,车架还将呈现整体扭转。汽车行驶时,载荷和汽车各部件的自身质量及其工作载荷(如驱动力、制动力和转向力等)将使车架各部件承受着不同方向、不同程度和随机变化的动载荷,车架的弯曲、偏心扭转和整体扭转将更严重,同时还会出现侧弯、菱形倾向,以及各种弯曲和扭转振动。同时,有些装置件还可能使车架产生较大的装置载荷 [2]。随着计算机技术的发展,在产品开发阶段,对车架静应力、刚度、振动模态以至动应力和碰撞安全等已可进行有限元分析,对其轻量化、使用寿命,以及振动和噪声特性也可以做出初步判断,为缩短产品开发周期创造了有利条件。1.2 国内外研究情况及其发展早期汽车所使用的车架,大多都是由笼状的钢骨梁柱所构成的,也就是在两支平行的主梁上,以类似阶梯的方式加上许多左右相连的副梁制造而成。车体建构在车架之上,至于车门、沙板、引擎盖、行李厢盖等钣件,则是另外再包覆于车体之外,因此车体与车架其实是属于两个独立的构造。这种设计的最大好处,在于轻量化与刚性得以同时兼顾。由于钢骨设计的车架必须通过许多接点来连结主梁和副梁,加之笼状构造也无法腾出较大的空间,因此除了制造上比较复杂、不利于大量生产。随后单体结构的车架在车坛上成为主流,笼状的钢骨车架也逐渐改由这种将车体与车架合二为一的单体车架所取代,这种单体车架一般以“底盘”称之 [3]。 山东科技大学学士学位论文3关于单体车架,简单的说就是将引擎室、车厢以及行李厢三个空间合而为一,这样的好处除了便于大量生产,模组化的运用也是其中主要的考虑。通过采取模组化生产的共用策略,车厂可以将同一具车架分别使用在数种不同的车款上,这样也可节省不少研发经费。 除了有利于共用,车体车架也可以通过材料的不同来发挥轻量化的特性,铝合金是80年代末期相当热门的一种工业材料,虽然重量比铁轻,但是强度却较差,因此如果要用铝合金制成单体车架,虽然在重量上比起铁制车架更占优势,但是强度却无法达到和铁制车架同样的水准。除非增加更多的铝合金材料,利用更多的用量来弥补强度上的不足。不过这样一来,重量必然会相对增加,而原本出于轻量化考量而采用铝合金材料的动机,当然也就失去了意义 [4]。也正因为这个原因,铝合金车架在车坛上并未成为主流,少数高性能跑车或是使用了强度更高的碳纤维,或是用碳纤维结合蜂巢状夹层铝合金的复合材料取代了铝合金。但是要用碳纤维制成单体车架,在制作上相当复杂且费时,成本也相对更高,所以至今仍无法普及到一般市售车上,而仅有少数售价高昂的跑车使用,这些是不可能用在载重货车上的。 尽管铝合金车架鲜有车厂使用,不过用钢铁车架搭配铝合金钣件的方式,近年来却受到不少车厂的重视,这样的结构不仅可以保留车架本身的强度,同时也可以通过钣件的铝合金化来取得轻量化效果,在研发成本上自然也不像碳纤维制的单体车架那样昂贵。 载货汽车行驶路况复杂车架在各种载荷作用下,将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。目前国内商用车车架设计开始从原有的单纯经验设计进入优化设计阶段,主要特点是以有限元计算分析等手段辅助设计 ,在零件试制之前对产品就有了初步判断,可以提前解决相当数量的设计问题 ,但目前有限元分析还只局限在强度计算方面,寿命计算做的较少再有一点就是山东科技大学学士学位论文4目前国内车架的开发很少经过台架强度和寿命试验,而目前国内各汽车生产厂车架台架试验所需的硬件应该没有问题,主要问题缺少参数输入方面的积累 [5]。另外,由于目前国内还无法杜绝超载现象的存在, 所以我们的车架设计偏于保守。相反,国外商用车车架开发过程中有限元分析应用比较广泛,而且台架试验应用也被大量采用,有比较成熟的车架台架试验经验,比如奥地利斯太尔公司的台架试验现在已经非常成熟,车架总成在通过斯太尔的 250 小时脉冲台架试验后只需要进行 300 小时的场地试验,检验连接件的可靠性即可,通过这两项试验,车架的使用寿命可到 100 万公里,目前 BENZ,MAN 等公司仍利用斯太尔的试验台进行车架台架试验,它们的车架如果不经过脉冲试验,整车不投产 [6]。从材料的使用情况看 ,目前在节油、轻量化的压力下,国内外重型商用车车架普遍采用了高强度钢板,500Mpa/S 2 的钢板已经广泛应用 从成型工艺方面看,传统的纵梁制造工艺采用大型冲压设备及大型模具冲压成型,一次性生产准备投入大,周期长,柔性化差,精度不高,很难适应产品和市场的变化。而且,随着纵梁所用材料强度等级的不断提高,采用传统制造工艺所需的冲压设备会越来越大 ,对材料的成型性能要求也高,很难适应发展的需要。所以目前普遍采用的是纵梁滚压成型制造工艺,其特点是:柔性化好,精度高,一次性生产准备投入小 [7]。欧美从90年代开始逐渐提高了撞击事故的安全防护标准,这也是凸现出车架刚性重要的另一原因 [8]。许多车厂为了在撞击事故发生时能够确保车内乘员的安全,惟有针对车架以及车体进行全面强化,这也使得除了车架以外的强度有所改善,包括钣件厚度的改变以及各种辅助梁的增设也成为各厂惯用的手法。不过在这样的情况下,伴随而来的是车重相对增加,这也正是欧美日许多市售车的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。 关于刚性的确保,大多数车厂在新车的设计阶段,都是利用电脑计山东科技大学学士学位论文5算出车架的刚性需求,并以此作为设计依据。有些车厂在用电脑完成设计雏形后,还会再由专业的试车人员进行实际测试。中国第一汽车集团凌源汽车制造有限公司汽车车架U型槽合数控冲孔生产线竞标成功。 汽车车架U型槽合数控冲孔生产线是我公司继两年前成功设计制造了合肥江淮汽车厂汽车纵梁数控平板冲孔生产线的基础上,在汽车纵梁数控冲孔方面的又一标志性成果,填补了国内设计制造汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的空白。汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的设计制造成功,在汽车制造行业具有划时代的意义,标志着中国在汽车车架数控冲孔加工的生产设备方面达到了国际先进水平,降低了汽车制造行业购置汽车车架数控冲孔生产线的巨大费用,积极推动了中国汽车制造业的飞速发展,为中国汽车制造业早日与国际接轨奠定了基础。 目前我国的车架企业基本拥有剪切、冲压、焊接、铆接、油漆、机加工六大工艺能力和完善的检测手段、研究设计中心,具有16吨至3000吨的冷冲压能力,具备了开发、设计、生产各种类型车架。山东科技大学学士学位论文62 车架总成设计2.1 参考车型及其参数参考车型:奥铃 CTX BJ1151VKPFG-S详细参数:发动机型号:康明斯 ISF3.8S3154 发动机功率:115kw最大扭矩:500N.M 最大马力:154 马力发动机排量:3760 ML 发动机类型:柴油发动机外形尺寸(长×宽×高):8445×2270×2500 mm货箱栏板内尺寸:6200×2100×550 mm总质量:14785 Kg 整备质量:4600Kg额定载质量:9990 Kg 接近角/离去角:23/16前悬/后悬:1195/2250mm 轴距:4700 mm轴荷:5280/9505N 最高车速:95 km/h前轮距:1710 mm 后轮距:1680 mm底盘型号:BJ1151VKPFG-S 轴数:2 弹簧片数:8/10+10 轮胎数:6 轮胎规格:8.25-202.2 车架类型的选择车架的结构形式可以分为边梁式、中梁式(或称脊骨式)和综合式。而在有些客车和轿车上车身和车架制成一体,这样的车身称为“半承载式车身” ,有的被加强了车身则能完全起到车架的作用,这样的车身称为
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