（车辆工程专业论文）重型载重汽车车架轻量化设计研究.pdf

摘要 随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程 度不断加深，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成 的极大的负担。汽车作为耗油大户，其节能与否已宜接影响到我国整体的能源消耗 水平，国家对此高度重视。由于汽车轻量化对节能增效的巨大意义，国际各大汽车 生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量。汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽 车研究领域的研究热点之一。 车架是重型载熏汽车的重要部件，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、 驾驶室、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。此外， 由于重型载重汽车的使用条件十分恶劣，受力状况非常复杂。车架应有足够的弯曲 网4 度，以使装在其上的有关机构之间的相对位簧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 使得汽车的乘坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度 又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使 通过性变坏。因此，如何设计出满足使用要求的轻量化车架成了一项具有挑战性的 工作。 有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，与传统的设计方法相比，它 的优势在于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在 市场上的竞争力。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力， 必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。 本文基于a n s y s 软件建立了车架结构的实体单元模型，对汽车车架结构进行静 力和动力分析的研究。首先，对a n s y s 进行了简要的介绍，为车架结构进行有限元 分析做好准备工作；其次，以某重型载货汽车车架结构为研究对象，利用a n s y s 建 立了车架结构有限元的实体单元模型，对车架建模过程进行了研究；再次，对车架 结构的静、动态特性进行深入研究，对车架进行性能分析评价；最后，建立车架结 构简单的梁单元优化模型，以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车架总体积为设 计刚示，运用a n s y s 优化模块对车架结构的轻量化设计进行初步的探讨。 本文的研究说明有限元法和a n s y s 软件为车架结构及动力特性的仿真以及轻量 化设计提供了良好的基础理论及方法，借助于它们对车架结构的轻量化设计研究具 有非常重要的工程价值。 关键词：车架 轻量化设计有限元法 a n s y s 软件 结构分析优化设计 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t i n gp r o c e s so fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n a i l rr e l i a n c eo ni n m r n a t i o n a le n e r g y a n dr a wm a t e r i a lm a d td e e p e n sc o n t i n u a l l y , t h ec o n s t s n ts o a r i n go fp r i c e0 1 1i n t e r n a t i o n a lc m d e 甜a n d i n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l ，w h i c hr e s t t l t si ng r e a tb u r d e nt oo u rc o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p m e n t , 呲a sa f u e l 郴眦呷幅v e h i c l e ，w h 曲e ri t ss a v eo rn o th a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h ew h o l ee n e r g y 删 l e v e l ，o u rc o u n t r ya t t a c h e sg r e a ti m p o m n c et oi t b e c a u s eo fi t sg r e a ts i g n m , m c e , c a rm a n u f a c t u r e r sa l l o v e r t h e w o r l d t r y t h e i r b e s t t o l i g h t e n t h e w e i g h t o f c a r , t h e t e c h n i q u e o f l i g h t - w e i g h t d e s i g n h a s b e c a m e a h o tt 0 0 ci nt h er e s e a r c hf i e l d t h ef r a m e ，a sam o s ti m p o r t a n tl i n to fc a r l i e lc a 耳s u p p o r t ss o m ea ( 站髂s 删妇s t r i aa se n g i n e ，d u t c h , g e a r b o x , d i v e r t e r , a n d w i t h s t a n d sa l lk i n d s o f f o r c e i na d d i t i o n ，t h e e x p l o i t a t i o n c o n d i t i o n o f c a n f j e r c a r i s e x t r e m e l yb a d , a n ds t r e s sc o n d i t i o ni sa l s oc o m p l e x ，t h ef l a m es h o u l dh a v ee n o u g hr i g i d i t y , s oa st ok e e p t h er e l a t e dp o s i t i o n so fs o m ep a r t su n c h a n g ew h i l et h ec a rg o e s ；t h e ma l s os h o u l db ee n o u g hi n t e n s i t yi n t h ef r a r n e ，s oa st oa i s u r ei t se n o u g hr e l i a b i l i t ya n dl i f e - s p a n ，h m er i g i d i t yn o to n l yc a i 鳓v i b r a t i o na n d n o i s ew h i l eb e i i gi u s u f i s c i e n t , b u ta l s om a k t h ec o m f o v a b l e n e s so fd r i v i n g , s t a b i l i t yo fo p e r a t i o n , r e l i a b i l i t yo fg mp a r t sd e c l i n ot o o b u tt h e t o r s i o n a lr i g i d i t yo ff r a m es h o u l dn o tt o ob i g o t h e r w i s e i tm a k e st h el o a do ft h ef l a m ea n dh a n g i l l gs y s t e me n l a r g e t h e r e f o r e ，h o wt od e s i g nt h el i g h t - w e 蜘t f r a m et h a tm e e t u s a g er e q u i r e m e n t sb e c o m e sac h a l l a n g i n g j o b f e a ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，h a sb e c a m ea ni m p o r t a n tt o o l i nm o d e r na u t o m o b i l e d i 弘，i t sa d v a n t a g el i e si ni m p m v i n g t h eq u a l i t yo f c a r p r o d u c t s ，r e d u c i n gt h ec o s to f p c o d u c t - d e v e l o p i n g a n dp r o d u c t i o n , a n di n c r e a s i n gt h ec o m p e t i t i o no f c a rp r o d u c t si nt h em a r k e t i no r d e rt 0 呻l r e v et h el e v e l o ff r a m ed e s i g n a t i o n ，g u a r a n t e et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo ft h ee n t i r ev e h i c l ei nt h em a r k e t ，mm u s t h e i g h t e n t h e f e a t e c h n i q u e o f t h e f l f h l e t o as t r a t e g i c l e v e l t h i sa r t i c l e ，b a s e do na n s y ss o f t w a r e ，h a ss e tu pt h ee n t i t yu n i tm o d e lo ft h ef l a m es t r u c t u r e , a n d m a d ea r e s e a r c h o ns t a t i ca n d d y n a m i c a n a l y s i s f h s t o fa l l ，t h i s t h e s i s g i v ea b r i e f i n t r o d u c t i o n t o a n s y s a n dm a k eap r e p a r a t i o nf o rf e aa n a l y s i so ff l a m es t r u c l m t ；s e c o n d l y , i tt o o ks o n l ec a r r i e rc a rf r a m e s t r u c t u r ea sr e s e a r c ho b j e c t , e s t a b l i s h e dt h ee n t i t yu n i tm o d e lb yu s i n ga n s y s ，a n dm a d ear e s e a r c ho n t h ef r a m em o d e l i n gp r o c e s s ；t h i r d l y , i tc a i l i e so nf u r t h e ri n v e s t i g a t i o no ns t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s , a n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i st ot h ec a rf r a m e ；f i n a l l y , i tm a k e sap r e l i m i n a r yd i s c u s s i o nf o rt h el i g h t - w e l g h to f f r a m es t r u c t u r eb ys e t t i n gu pau n i tm o d e lw i t has i m p l es t r u c t u r ea n du s i n g a n s y so p t i m i z e dm o d e l h e r e i nt h er e s e a r c ho ff e aa n da n s y ss o f t w a r eo f f e r sas e io fb & s i ct h e o r ya n dm e t h o df o rt h e f r a m es u u c t u r ea n ds i m u l a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i th a sav e r yi m p o r t a n tp r o j e c tv a l u ei n l i g h t - w e i g h t d e s i 印a t i o n0 f m c f r a m e s t r u c t u r e w i t h t h e a i d o f t h e m ， k e yw o r d s ：f r a m e ，l i g h t - w e i g h td e s i g n ，f e a ，a n s y ss o f t w a r e ，s t r u c t u r ea n a l y s i so p t i m i z e dd e s i g n i l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 车架是重型载重汽车的重要部件，支承着发动机、离合器、变 速器、转向器、驾驶室、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。此外，由于重型载重汽车的使用条件十 分恶劣，受力状况非常复杂。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，也使得汽车的乘坐舒适性、操作 稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大， 否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差， 使通过性变坏。同时，为应对激烈的市场竞争，降低车辆的制造成 本和使用成本，又要使其在满足上述条件时质量尽可能的轻。因此， 车架的轻量化设计日益被各汽车厂家所采用。 1 1 1 课题来源 1 1 课题的来源与背景 本课题来源于国内斯太尔体系的重型载重汽车升级项目。根据 升级卡车项目的需要基于实体单元对所设计的重型载重汽车的车槊 结构进行有限元建模分析，在对车架的静力分析和模态分析的基础 上，对车架的轻量化设计进行了一定的探讨。 1 1 2 课题背景 在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、 车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件设计以及驾驶室噪声的 分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力的 武汉理工大学硕士学位论文 工具之一。 目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统 的办法对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计 算。车架的这种设计模式导致的问题包括两个方面：一是车架简化 计算精度不够，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全， 造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；一是造成车架的设 计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。 为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力， 必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。因此，本文以 2 4 t 重型载货汽车车架为研究对象，对车架结构有限元模型的建立， 静、动态特性分析以及设计参数的优化等内容进行研究与探讨。 1 。2 论文选遐的意义与目的 1 2 1 轻量化设计技术有利于汽车产业的可持续发展及汽车 性能的提高 随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材 料市场的依赖程度不断加深。目前我国己超过同本成为世界第二大 能源消费国，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国 的经济发展造成的极大的负担。据统计，2 0 0 3 年我国车用燃油消耗 已达到7 0 0 0 万吨，占我国全年石油消耗量的1 3 。汽车作为耗油大 户，其节能与否已直接影响到我国整体的能源消耗水平，国家对此 商度重视。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联 台发布了我国首个油耗强制性国家标准一一乘用车燃料消耗量限 值( g b l 9 5 7 8 2 0 0 4 ) ，该标准对我国汽车的燃油消耗作了上限规定， 将分两个阶段实施。新标准的实施有望减少因为汽车保有量日益增 加而能效较低所带来的能源浪费，标准第一阶段实掩后我国现有的 汽车油耗水平将降低5 10 ，第二阶段实施后油耗将比现在降低 15 以上。 标准出台的目的是降低油耗，这将使汽车厂商更注重汽车的节 能降耗。其中汽车的轻量化是达到这个目的比较有力的手段之一。 武汉理工大学硕士学位论文 试验表明，汽车质量的轻重与汽车的能耗有着直接的关系，在相同 情况下，轿车的质量每减轻1 0 0 千克，每百公里的燃油消耗将减少 0 4 l 升，汽车的自身质量每减少1 0 ，燃油的消耗可降低6 8 ，同时汽车的废气排放也有明显降低。 由于汽车轻量化对节能增效的卓越贡献，国际各大汽车生产商 都在尽可能的情况下减轻车身质量。 其次，从驾驶方面来讲：汽车轻量化后加速性提高，稳定性和 噪音、振动方面也均有改善。从安全性考虑：碰撞时惯性小，制动 距离减小。 因此汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究 热点之一。 1 2 2 提高载重汽车设计技术水平 汽车产业属于高科技产业，要实现汽车的轻量化不运用当前最 先进的技术进行设计分析是不可能实现的。目前，用于结构设计中 的有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术，可以解决 以往许多手工计算无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和 社会效益。其主要表现在： 1 运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车 架开发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。 2 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。传统的车架设计方法很难综台考虑汽车的复杂受力及变形 情况，有限元法正好能够解决这一问题。 3 利用有限元法进行结构模态分柝，可以得到车架结构的动态 特性。从设计上避免车架出现共振的现象。 4 通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量， 在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有 重要的意义。 综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一， 在汽车产品更新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越 高的今天，其对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造 成本，提高汽车产品在市场上的竞争力具有重要意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 论文选慝的目的 通过本文的研究，拟达到以下目的： 1 建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应 用于车架轻量化设计做好基础性工作。 2 以图文并茂的形式书写，争取作为一个范例，成为设计者运 用有限元软件进行车架分析的一个样板，使设计者不需要大量的有 限元知识而在本文的指导下完成车架结构的有限元分析。 3 对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的轻 量化设计提供理论支持。 4 对车架结构的优化进行初步探讨，为优化设计运用于车架设计 进行初步的尝试，以便于以后更好地为车架设计服务。 1 3 有限元法在牢架轻量化设计中的应用现状及存在 问题 1 3 1 车架结构设计与分析简述 从车架的设计方法来讲，早期车架设计采用设计和试验交叉进 行。在车架结构定型之前往往要经过多轮设计，设计面对的对象时 实物，需要经过样品制造一一试验一一修改一一再设计的往复，这 种方式不可避免的将导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和 财力资源的极大浪费。 随着设计经验的积累，人们将计算技术应用于汽车车架结构性 能的分析及设计过程中。初期的车架结构性能计算是通过将车架简 化成单根纵粱，进行弯曲强度校核。这种讨算方法至今还在沿用， 但它显然满足不了汽车车架结构性能的设计要求。后来提出的车架 结构扭转强度计算方法，只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实 际j ：况，而且，计算比较复杂，工作量大，侄实际运用中存在着很 大的困难。 再后来，人们将比较设计的思想应用于车架设计中。这种设计 4 武汉理工大学硕上学位论文 方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，目前依然 是车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成车架各 处强度不均匀，某些局部强度富余较大，产生材料浪费现象。 2 0 世纪6 0 年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法 在工程上获得了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行严 格的简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况， 而且计算精度高。 有限元法将具有无限个自由度的连续体离散成为有限个自由度 的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的问题。只要确定了 单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解，使分析过程大 为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问 题。目前，有限元法已经成为求解数学、物理、力学以及工程问题 的一种有效地数值方法。 1 3 2 车架结构有限元模型的形式 有限元分析是用一缎离散化的单元集合来代替连续体结构进行 分析的，这种单元几何体称为有限元模型。如果已知各个单元的刚 度特性，就可以根据节点的变形连续条件和平衡条件推出结构的特 性并研究其性能。 由于有限元法是一种近似的数值方法，其计算结果是近似解， 精度主要取决于离散化误差。因此，有限元模型的建立是进行有限 元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限元模型可以 分为梁单元模型、板壳单元模型和实体模型。 梁单元模型将车架简化为一组两个节点的梁单元组成的框架结 构，用梁单元的截面特性反映车架的实际结构特性。这种结构单元 和节点数目少，计算速度快；但是计算精度低，而且不能处理应力 集中问题。梁单元模型适用于车架结构的初步方案设计 板壳单元模型用板壳单元将车架的纵、横梁及连接板进行离散 化，用板壳单元的厚度描述零件的厚度。这种结构单元准确的描述 了形状复杂的车架结构，大大提高了有限元分析的精度，能够处理 连接部位的应力问题；但是这种模型单元与节点数目众多，前处理 工作量大，需要计算机内存大，计算速度慢。板壳单元模型适用与 武汉理工大学硕七学位论文 对车架分析精度要求较高的场合。 1 3 3 车架结构有限元分析类型 1 静力分析 随着有限元法在汽车结构性能分析中的应用与发展，汽车车架 结构静力有限元分析已经成为汽车车架结构性能分析必不可少的内 容。 为了使计算更加符合使用工况，一般将悬架与车架一起考虑进 行静力有限元分析。这样，就可以把路面的影响直接作为工况进行 处理，给车架结构乃至整车的有限元分析带来方便。 汽车车架结构的载荷直接影响着车架的结构性能，在进行静力 有限元分析时，一般将车架结构上的各个总成处理成各总成在车架 相应位置的集中载荷，如果时货车，货物则处理成为分布载荷，车 架重力一般忽略不计。 根据汽车实际行驶工况，一般分四种工况对汽车车架结构进行 静力有限元分析，即车架结构的弯曲分析工况、扭转分析工况、紧 急制动分析工况和紧急转弯分析工况，根据实际需要可以选择不同 的工况进行相应的约束。 在进行汽车车架结构静力有限元分析后，一般根据汽车车架结 构强度和刚度分析的需要，采用后处理软件对计算结果进行可视化 处理，计算出应力最大的危险点以及变形最火的点，以此评价汽车 车架结构的静力性能。 2 模态分析 现代汽车具有向轻量化与高速化发展的趋势，使得汽车结构的 振动与噪声问题变得日益突出。汽车车架结构作为汽车的承载体， 在外部激励作用下产生的弯曲、扭转振动不但会造成车架结构的疲 劳损伤，而且还会影响车辆的舒适性和行驶平顺性。 通过模态分析，可以得出车架结构的固有频率及固有振型，不 仅对于防止汽车发生共振等情况具有指导作用，而且模态性能也是 车架结构动力响应分析的基础。 3 动力响应分析 动力响应分析是研究车架结构在已知的外界激励作用下的动力 武汉理工人学硕士学位论文 响应对车架性能的影响。目前由于车架结构的阻尼矩阵很难确定以 及路面激励在有限元软件的形成没有成熟的方法等问题，国内外对 车架结构的响应分析的相关研究也比较少。当然，随着汽车技术的 不断发展，动力响应分析将成为车架有限元分析未来的研究趋势。 4 优化设计 为了实现车架的轻量化设计，人们总是希望在满足强度、刚度 要求的条件下，尽薰使车架的质量最小。因此，设计出质量小而各 方面性能又能达到要求的车架是一项很重要的工作，这就对车架的 结构优化设计提出了新的要求。 传统的车架设计是在确定车架形式后通过类比进行经验设计后 验算其强度和刚度，这种方法精度低，而且用这种方法设计出来的 车架除了个别构架应力水平较高外，大多数构件应力水平比较低， 强度有富余，且各个构件应力水平相差很不均匀。因此，应该将车 架设计从类比转移到结构优化上来。 目前对于汽车车架结构优化设计主要包括： ( 1 ) 结构元件参数的优化，通过建立车架结构元件参数的优化 设计数学模型，利用有限元法进行车架结构元件参数的优化设计。 ( 2 ) 考虑车架整体布局进行优化设计，主要是在车架结构布局 已经确定的情况下进行的车架结构优化设计，优化能产生的效果也 限制在布局之内。 1 3 4 有限元法在车架结构分析中存在的问题 ( 1 ) 采用板壳单元建立的车架有限元模型板壳之间的铆钉及螺栓 连接的模拟形式对于汽车车架结构的分析结果有较大的影响，如何 建立这种连接方式是一个值得探讨的问题。 ( 2 ) 采用适当的有限元模型，对汽车车架结构进行静力分析和 模态分析限在成为一种常用的分柝手段，但对汽车车架结构进行有 限元动力响应分析的研究目前还很不成熟。 ( 3 ) 轻量化要求已经成为现代汽车设计追求的目标之一。设计 既满足性能要求质量又小的车架为车架的优化设计提供了舞台，如 何搞好车架结构的优化设计成为车架设计急需解决的问题。 ( 4 ) 近些年来，大多数国内汽车厂家已花巨资购买了各种与有 武汉理工大学硕士学位论文 限元分析相关的商业化软件。这些软件功能完备，精度高，以及通 用性和可靠性好，如何学习、消化与吸收花巨资引进的软件为我所 用，是实际工作必须面对的问题，对于车架结构有限元分析更是如 此。 1 4 本文主要的研究内容 a n s y s 是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有 强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国外大多数汽车公司 所采用。 本文将基于a n s y s 建立车架结构的实体单元模型，对汽车车架 结构进行静力和动力分析的研究。首先，对a n s y s 进行了简要的介 绍，为车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次，以某重型载 货汽车车架结构为研究对象，利用a n s y s 建立了车架结构有限元的 实体单元模型，对车架建模过程进行了研究；再次，对车架结构的 静、动态特性进行深入研究，对车架进行性能分析评价；最后，建 立车架结构简单的梁单元优化模型，以车架纵梁截面尺寸作为设计 变量，以车架总体积为设计目标，运用a n s y s 优化模块对车架结构 的轻量化设计进行有益的尝试。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章重型载重汽车车架的设计 随着我国交通运输事业的迅猛发展，重型载重汽车在我国交通 运输行业的使用臼益普遍。重型载重汽车以其载重大，运输效能高， 使用范围广而受到用户的喜爱。也正是因为如此，在重型载重汽车 的设计中不能不考虑到用户的特殊使用要求，确保重型载重汽车在 各种恶劣的使用条件之下保持可靠性及安全性。重型载重汽车的车 架设计更要考虑到产品使用时的各种恶劣的状况，对其强度、刚度 及可靠性方面设计精度要求更高。 2 1 重型载重汽车车架综述 2 1 1 率架的功用 车架是汽车备总成的安装基体，它将发动机和车身等总成连成 一个有机的整体，即将各总成组成一辆完整的汽车。同时，还承受 汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力 和力矩，及要承受各种静载荷和动载荷。 2 1 2 对车架的要求 ( 1 ) 又足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破 坏。要求有足够的疲劳强度，保证汽车火修罩程内，不至于有严重 的疲劳损伤。 ( 2 ) 有足够的弯曲强度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件 下，固定在底盘上的各总成不至因为变形而早期损坏或失去正常的 工作能力。通常重型载重汽车的最大弯曲挠度应小于l o m m 。 ( 3 ) 有适当的扭转刚度。当汽车行驶r 不平路面时，为了保证 汽车对路面的不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要 求具有合适的扭转剐度。通常要求底盘两端的扭转翔0 度大些，而中 间部分的扭转刚度适当小些。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 尽量减轻质量。由于底盘较重，对于钢板的消耗量相当大。 因此，底盘应该按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和 降低材料消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻底盘的质量。 2 1 。3 车架类型的选择 车架是按照结构的不同来分类的，主要结构型式有框式、脊梁 式和综合式。其中框式又可分为边梁式、周边式和x 型。 ( 1 ) 边梁式车架 这种车架由两根纵粱及连接两根纵梁的若干横梁组成。这种结 构便于安装驾驶室、车厢和其他总成，广泛用在载货汽车、特种汽 车和大客车上。 ( 2 ) 周边式车架 这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中 部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮 距，中部宽度取决于车身门栏梁的内壁宽，静部和中部以及后部和 中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不 平路面的冲击。这种车架结构复杂。 ( 3 ) x 型车架 这种车架由两根纵梁及x 型横梁组成，实际上是边粱式车架的 改进，有一定的抗扭刚度，x 横梁能将转距转变为弯距，对短而宽韵 车架，这种效果最明显。 ( 4 ) 脊梁式车架 这种车架主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若 干根悬伸托架组成。中央纵梁可以是圆管状，也可以是箱形断面。 这种车架的扭转刚度合适，容许车轮跳动的空间大，适合采用独立 悬架，但制造工艺复杂。 ( 5 ) 综合式车架 这种车架的前后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机 和驱动桥：中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。是边梁式和脊 梁式的综合，中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，制造工 艺复杂。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 4 车架宽度的确定 车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。车架前部宽度 的最小值取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮转角的限制。 车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽 等尺寸来确定。为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度。 为了简化制造工艺，要求最好车架前后等宽。 通常为了解决总体布置和加宽车架的矛盾，采取以下措施： ( t ) 将车架做成前窄后宽。可解决前轮转向所需的空间与车架 总宽之间的矛盾。适合于轻型汽车、微型汽车和轿车。 ( 2 ) 将车架做成前宽后窄。对于重型载货汽车，后轴的负荷大， 轮胎尺寸加大，后钢板弹簧片宽增加，同时为了安装外形尺寸大的 发动机，常需减小前轮转向角，以使汽车的总宽在公路标准所限定 的2 5 m 之内。 2 1 5 车架纵粱形式的确定 车架纵梁的结构一方面要保证车架的功能，另一方面要满足整 车总体布置的要求，同时其形状应尽量简单，以简化其制造工艺。 从纵梁的侧视图看，纵梁的形状可分为上翼面是平直的和弯曲的两 种。当上翼面为平直时，可使车厢地板平整，纵梁制造方便，大多 数载货汽车车架纵梁为这种形式。当上翼面弯曲时，纵粱部分区段 降低，地板高度相应降低，改善整车的稳定性，且利于上、下车， 其制造工艺复杂。 纵梁的断面形状有槽型、工字型、箱型、管型和z 型。为使纵 梁各断面处的应力接近，可改变梁的高度，使中部断面高、两端断 面低。槽型断面的纵梁有较好的抗弯强度，又便于安装各种汽车部 件，故应用较为广泛，但此种断面的抗扭性能差。从降低车架纵梁 抗弯应力方面考虑，增大槽型断面高度最为宵利，但使汽车的质心 高度增加。增大上、下翼面的宽度，也可以提高纵梁的抗弯强度。 需综合考虑上述因素的影响，通常去高与宽的比值为2 8 3 5 。由 于重裂汽车的发动机外形尺寸大，后轴负荷火，为了使车架前后等 宽，纵梁用z 型断诬。这种纵梁工艺简单，但是纵梁与横梁的连接 武汉理工人学硕士学位论文 结构复杂，燃油箱的安装也不方便。通常客车的车架的纵梁采用工 字型截面的型材或焊接成的箱形结构。纵梁的长度接近汽车的长度， 其值约为1 4 1 7 倍汽车轮距。 2 1 6 车架横粱形式的确定 车架横梁将左右纵梁连接在一起，构成一个框架，使车架有足 够的抗扭刚度。汽车的主要总成通过横梁来支承。重型汽车的横梁 一般有4 - 6 根，其结构和用途不一样。前横梁通常支承水箱。当发 动机前支点安排在左右纵梁上时，可用较小槽型和z 型断面横粱。 中横梁通常用来作传动轴的中间支承。为了保证传动轴有足够的跳 动空间，常将横梁作成拱形。在后钢板弹簧前、后支架附近所受到 的力或转矩大，一般分别设置一根抗扭刚度大、连接宽度大的横梁。 后横梁常设有拖曳装置，装有拖钩，一般将横梁做成k 型结构，利 用斜撑来减少横梁跨距，使之局部加强。 车架纵梁与横梁连接型式的确定 车架纵梁与横梁连接型式对车架的受力有很大的影响。连接方 式分为几类： ( 1 ) 横粱与纵梁的腹板相连接。 制造工艺简单，连接刚度较差，但纵梁不会出现大的应力，一 般中部横梁采用此种方法。 ( 2 ) 横梁同时和纵梁的腹板及任一翼缘相连接。制造工艺不很复 杂，连接刚度得到增强，故广泛应用。 ( 3 ) 横梁同时和上、下翼缘相连接。 具有刚性较好的加强角撑，可产生良好的斜支撑作用，使整个 车架的刚度增加。但是制造工艺复杂。 横梁和纵梁的固定方法可分为铆接、焊接和螺栓连接等方式。 大多数车架用搭铁板通过铆钉连接。成本低，刚度与铆钉的数目及 分布有关。焊接可使连接牢固，不致产生松动，能保证大的刚度。 但是有较大的内应力。螺栓连接为了使用于各种特殊使用条件的汽 车车架上采用，以使装在车架上的某些部件可以拆卸或互换。 武汉理工大学硕士学位论文 2 。2 车架的制造工艺及材料 车架纵横梁的其他零件的制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大 型压力机上冲孔及成型；也有采用槽钢、工字钢、管料等型材制造 的。轿车车架的组装多采用二氧化碳保护焊、塞焊和点焊，设计时 应注意对焊接规范、焊缝布置及焊接顺序的选择；货车车架的组装 多采用冷铆工艺，必要时也可采用特制的防松螺栓连接。为保证车 架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹紧，特别应保证有关 总成在车架上的定位尺寸及支承点的相对位置的精度。 车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中 敏感性，良好的冷冲压性能和焊接性能。低碳和中碳低合会钢能满 足这些要求。车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较 大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能那好的低碳钢或低碳合金钢 0 8 、0 9 m n l 、0 9 m n r e l 等钢板制造：拉伸尺寸不大、形状又不复杂的 冲压件常采用强度稍高的2 0 、2 5 、1 6 m n 、0 9 s i v l 、1 0 t i l 等钢板制 造。强度更高的钢板在冷冲压时易开裂且冲压回弹较大，故不宜采 用。有的重型货车、自卸车、越野车为了提高车架强度，减小质量 而采用中碳合金钢热压成形，再经热处理，例如采用3 0 t i 钢板的纵 梁经证火后抗拉强度即由4 5 0 m p a ( h b l5 6 ) 提高到4 8 0 6 2 0 m p a ( h b l7 0 ) 。用3 0 t i 钢板制造纵横梁也可采用冷冲压工艺。 钢板经冷冲成形后，其疲劳强度要降低，静强度高、延伸率小 的材料的降低幅度更大。常用的车架材料在成形后的疲劳强度约为 14 0 1 6 0 m p a 。 轿车车架纵横梁的钢板厚度约为3 0 4 o m m ：货车根据其装载 质量的不同，轻、中型货车冲压纵梁的钢板厚度为5 o 7 0m m ，重 型货车冲压纵梁的钢板厚度为7 0 9 0m m 。槽型断面纵梁上、下翼 缘的宽度尺寸约为其腹板高度尺寸的3 5 4 0 。 2 3 车架的受载分析 重型载重汽车的使用条件复杂，受力情况十分复杂，因此车架 的载荷变化很大，其承受载衙可分为几类： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 静载荷 车架所承受的静载荷是指汽车静止时，悬架弹簧以上部分的载 荷。即为车架质量、车身质量、安装在车架上的各总成与附属件的 质量以及有效载荷的总和。 ( 2 ) 对称的垂直动载荷 当汽车在平坦的道路上以较高车速行驶时产生的。其大小与垂 直振动加速度有关，与作用在车架上的静载荷及其分布有关，路面 的反作用力使车架承受对称的垂直动载荷，使车架产生弯曲变形。 ( 3 ) 斜对称的动载荷 当汽车在崎岖不平的路上行驶，几个车轮可能不在同一平面上， 使车架和车身一同歪斜，其大小与道路不平的程度以及车身、车架 和悬架的刚度有关。这种动载荷使车架产生扭转变形。 ( 4 ) 其它载荷 转弯行驶时，离心力使车架受到侧向力的作用；加速或制动时， 惯性力导致车架前后部载荷的重新分配；当一前轮正面撞在凸包时， 使车架产生水平方向的剪切变形等。 车架弯曲强度计算时的基本假设： ( 1 ) 因为车架结构是左右对称的，左右纵梁的受力相差不大， 故认为纵梁是支承在汽车前后轴上的简支梁。 ( 2 ) 空车时的簧载质量均匀分布在左右二纵梁的全长上。 ( 3 ) 汽车的有效载荷均匀分布在车厢全长上。 ( 4 ) 所有作用力均通过截面的弯曲中心。 2 4 车架纵粱的弯矩计算 2 4 1 纵粱的弯矩计算 驾驶室区段的纵梁的弯矩计算 m ，m e x 一万t ) s ( 口+ r ) 2 f 1 一一前轮中心支座对纵梁的反作用力g 。一一空车的簧载质量，k g 一一纵梁的总长，m mg 一一重力加速度，9 8 1 m s x 一一截面到前轴的距离，m ma 一一车架纵梁前端到前轴距离，m m 车箱阿端到后轴区段纵梁的弯矩计算 武汉理工大学硕士学位论文 m - e 啪警 g 。一一汽车的转载质量，k g 一譬【c l _ ( f 埘 c 1 - - - - 车箱前端到后轴的距离， 由上可知，纵梁的最大弯矩一定在该区段内。 由 盟o d x 求得 工! ! ：墨：墨：! ：! ：堡! ：墨二墨垡二! ! ! ：堡! ：曼 c 。g ，g 一。g 。g 由上式求得最大弯矩的位置，代入弯矩计算公式，可得最大弯 矩m 。，。 最大剪切力在汽车后轴附近。当x l 时，最大剪切力 q 。- 一警f ) _ 警c ， 根据统计资料，纵梁实际最大弯矩和剪切力大约为静载下的3 4 5 倍，该值为动载系数。 实际最大弯矩： m d 一- ( 3 4 5 ) m 。 实际最大剪切力： 级。一( 3 4 5 ) q 2 4 2 车架纵粱抗弯刚度校核 对于简支梁，其跨距中点集中载荷f 作用时，梁的挠度最大值： y ：l “1 4 8 酣 j 一一梁的抗弯刚度系数，c m 4 e 一一弹性模量， 2 c m 2 z 一一汽车轴距，mf 一一纵梁中点受的 集中载荷，n y m 。，一一梁的挠度，c m 武汉理工大学硕士学位论文 求 根据使用要求和经验，纵梁的最大挠度不得超过0 0 8 5 c m ，即要 争7 一般汽车车架纵梁的这个值为规定的2 倍左右，相当于取动载系数 为2 左右。 2 4 3 车架的扭转刚度 车架的扭转刚度通常指汽车前后轴之间那段车架的扭转刚度。由 于车架的纵梁不是等截面，横梁也不是等距离布置的相通截面，所 以扭转刚度沿车架长度不是一个常数，通常只做定性的比较性计算， 最终通过实验来确定。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章有限元法及a n s y s 软件 有限元法( 或称有限单元法) 是在当今工程分析中获得最广泛 应用的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，收到工程技术界 的高度重视。伴随着计算机科学和计算技术的快速发展，现以成为 计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的重要组成部分。 3 1 有限元法的要点和特性 3 1 1 有限元法的要点 在工程或物理问题的数学模型( 基本变量、基本方程、求解域和 边界条件等) 确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方 法的要点可归结如下： ( 1 ) 将一个表示机构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单 元) ，并通过它们边界上的结点相互结成为组合体。各个单元通过它 们的角结点相互联结。 ( 2 ) 用每个单元内所假设的近似函数来分片的表示全求解域内 待求的未知场变量。而每个单元内的近似函数由来知场函数或及其 导数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达，此表 达通常表示为矩阵形式。由于在联结相邻单元的结点上，场函数应 具有相通的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量。这样一 来，求解原来待求场函数的无穷多自由度的问题转换成为求解场函 数结点值的有限自由度问题。 ( 3 ) 通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变 分原理或加权余量法，建立求解基本未知量的代数方程组或常微分 方程组。此方程称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式。 接着用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 有限元法特性 从有限元法的上述要点可以理解它所固有的以下特性。 ( 1 ) 对于复杂几何构形的适应性。由于单元在空间可以是一维、 二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，例如三维单元 可以是四面体、五面体或六面体，同时各种单元之间可以有采用不 同的联结方式，例如两个面之问可以是场函数保持连续，可以是场 函数的导数也保持连续，还可以仅是场函数的法向分量保持连续。 这样一来，工程实际中遇到的非常复杂的结构或构造都可能离散为 由单元组合体表示的有限元模型。 (