毕业设计（论文）-重型载货车车架结构设计（含UG三维图）

题目重型载货车车架结构设计学生姓名学号所在学院专业班级指导教师完成地点年月日重型载货车车架结构设计[摘要]重型载货车作为重要的运输车辆，以其载重量大、运输效能高、适用范围广而深受用户青睐。汽车车架作为重型载货车的基体，支撑着发动机、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。并且使用条件十分恶劣受力状况非常复杂,承受着来自车内外的各种力和力矩。所以，对于重型载货车来说，车架的设计必须考虑到其特殊的工作要求，确保其在各种恶略使用条件下保持安全性，这也需要设计人员在设计时对刚度、强度及可靠性的精度要求更高。本次设计是重型汽车车架结构设计，参考已有车型，即陕汽奥龙F3000，设计的内容包括：车架结构的设计，即采用“前宽后窄”的边梁式；纵梁、横梁的相关尺寸确定；纵梁截面的设计;横梁的位置布置；纵梁与横梁的固定连接；车架材料的选择等，然后运用CAD/CAM软件进行车架结构二维图的绘制，再利用UG软件绘制三维模型图，最后利用ANSYS进行有限元分析，以完善设计。最后完成车架制造工艺的确定。

[关键词]重型汽车车架结构设计全套图纸加V信153893706或扣3346389411HeavytruckframestructuredesignAbstract:Heavy-dutytrucksasanimportanttransportvehicles,itscarryingcapacity,high-performancetransportforawiderangefavoredbytheusers.Automobileframeasabaseforheavydutytrucks,supportingtherelevantpartsoftheengine,clutch,transmission,steering,cabandcargoboxandallthesprungmass.Andtheuseofforcewasdeterioratingsituationisverycomplicated,towithstandavarietyofforcesandmomentsfrombothinsideandoutsidethecar.So,forheavy-dutytrucks,theframemustbedesignedtotakeintoaccounttheirspecificjobrequirements,toensurethatitremainssafeandsecureunderallconditionsofuseslightlyevil,whichalsorequiresthedesignerinthedesignofstiffnessprecisionhigherstrengthandreliabilityrequirements..Thedesign,byreferencetotheexistingmodels,namelyShaanxiAutoOronF3000,Thisdesignisaheavy-dutyvehiclechassisdesign,thedesignincludes:aframestructuredesign,whichuses"afterthenarrowwidthfront"sideofthebeam;relevantdimensionsstringers,beamsdetermined;designstringersections;beamslocationarrangement;fixedconnectionstringersandbeams.theuseofCAD/CAMsoftwarefordrawingtwo-dimensionalmapoftheframestructure,andthenusesoftwaretodrawathree-dimensionalmodeldiagramUGFinally,usingANSYSfiniteelementanalysistowell-designed.Finally,chooseframematerials;manufacturingprocesstodeterminetheframeandsoon.Keywords:heavyautomobileframeofautomobiledesignofstructure页共32页1绪论1.1课题背景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日益普遍。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。汽车车架作为重型载重汽车的基体,支撑着发动机、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。并且使用条件十分恶劣受力状况非常复杂,承受着来自车内外的各种力和力矩。强度满足使用要求是车辆设计阶段的基本要求,尤其是车架的强度对于汽车的安全使用有很大的影响。因而车架应该有足够的刚度、强度和足够的可靠性与寿命。因此,深入了解车架的静态特性是车架结构设计、改进和轻量化的基础,也是保证整车性能的关键。除了车架的静态、动态设计计算，车架对整车性能的预测与实验仿真，车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义。此外，车架及整车的成本预算也是相当重要的环节所在。1.2车架概述汽车车架（frame）是汽车装配的基础，俗称“大梁”。其上装有发动机，变速器，传动轴，车桥，车身等总成和部件。车价的功用是支承，连接汽车的各总成，使总成保持相对正确的位置，并承受汽车内外的各种载荷。车架通过悬架装置安装在车轮上。有的客车和轿车为了减小质量，取消了车架，制成了能够承受各种载荷的承载式车身，即无梁式车身。由于车架是整个汽车的基础，要承受汽车内外的各种载荷，因此，要求车架具有足够的强度，合适的刚度；要求它具有结构简单，重量轻等特点；同时，还应尽量地降低汽车的重心和获得较大的前轮转向角，以保证汽车行驶时的稳定性和转向灵活性。目前，汽车车架的结构形式主要有边梁式车架和中梁式车架（或称脊梁式车架）两种。1.3车架发展过程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，因此受到了不少跑车制造商的青睐，早期的法拉利与兰博基尼都是采用的这种设计。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、不利于大量生产之外，也不适合用在强调空间的四门房车上。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。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，例如本田NSX所使用的铝合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纤维材料等。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。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。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。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。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。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。特别是自进入经济发展的突飞猛进期，由于市场需求的变化，重型载货车也进入了轻量化的必然发展阶段。

2设计方案及论证2.1参考车型本设计的参考车型为陕汽德龙F3000重卡，其基本参数如表2.1所示。表2.1公告型号：SX1315NM456类型：载货车驱动形式：8X4轴距：1800+4500+1350mm车身长度：11.96米车身宽度：2.49米车身高度：3.72米轮距：前轮距：1939/1939，后轮距：1800/1800mm整车重量：13吨额定载重：17.87吨最大总质量：31吨最高车速：92KM/h产地：陕西吨位级别：重卡备注：离合器(430膜片)货箱参数货箱长度：9.5米货箱(斗)宽度：2.326米货箱(斗)高度：0.8米货箱形式：栏板式发动机发动机：潍柴WP10.270汽缸数：6燃料种类：柴油汽缸排列形式：直列排量：9.726L排放标准：国三/欧三最大输出功率：199KW最大马力：270马力扭矩：1100N·m最大扭矩转速：1200-1600RPM额定转速：2200RPM发动机形式：水冷,四冲程,带排气门制动,直喷,增压中冷驾驶室参数驾驶室：加长高顶准乘人数：3人座位排数：单排变速箱变速箱：法士特9JS119换挡方式：手动前进档位：9倒档档位数：1轮胎轮胎数：12个轮胎规格：11.00R20油箱油箱材质：铝合金油箱容量：400L底盘前桥描述：MAN+鼓式前桥允许载荷：7500KG后桥描述：13TMAN技术单级桥后桥允许载荷：13000KG后桥速比：4.625弹簧片数：13/12图2.1陕汽德龙F3000重型载货车2.2车架在实际环境下要面对的四种压力要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。而车架在实际环境下要面对4种压力。2.2.1负载弯曲从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量，是由车架承受的，通过轮轴传到地面。而这个压力，主要会集中在轴距的中心点。因此车架底部的纵梁和横梁，一般都要求较强的刚度。2.2.2非水平扭动当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力，情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。2.2.3横向弯曲所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性（即离心力）会使车身产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。2.2.4水平菱形扭动因为车辆在行驶时，每个车轮因为路面和行驶情况的不同，每个车轮会承受不同的阻力和牵引力，这可以使车架在水平方向上产生推拉以至变形，这情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。2.3车架设计的技术要求2.3.1足够的强度车架必须有足够的强度，以保证在各种复杂受力的使用情况下车架不受破坏。要求有足够的疲劳强度，保证在汽车大修里程内，车架不致有严重的疲劳损伤。纵梁受力极为复杂，设计时不仅应注意各种应力，改善其分布情况，还应该注意使各种应力峰值不出现在同一部位上。例如，纵梁中部弯曲应力较大，则应注意降低其扭转应力，减少应力集中并避免失稳。而在前、后端，则应着重控制悬架系统引起的局部扭转。提高纵梁强度常用的措施如下：(1)提高弯曲强度。选定较大的断面尺寸和合理的断面形状（槽形梁断面高宽比一般为3：1左右）；(2)提高局部扭转刚度。注意偏心载荷的布置，使相近的几个偏心载荷尽量接近纵梁断面的弯曲中心，并使合成量较小；在偏心载荷较大处设置横梁，并根据载荷大小及分散情况确定连接强度和宽度；将悬置点分布在横梁的弯曲中心上；当偏心载荷较大并偏离横梁较远处时候，可以采用K形梁，或者将该段纵梁形成封闭断面；偏心载荷较大且比较分散时候，应该采用封闭断面梁，横梁间距也应缩小；选用较大的断面；限制制造扭曲度，减少装配预应力。(3)提高整体扭转强度。不使纵梁断面过大；翼缘连接的横梁不宜相距太近。减少应力集中及疲劳敏感。尽可能减少翼缘上的孔（特别是高应力区），严禁在翼缘上布置大孔；注意外形的变化，避免出现波纹区或者受严重变薄；注意加强端部的形状和连接，避免刚度突变；避免在槽形梁的翼缘边缘处施焊，尤其畏忌短焊缝和“点”焊。（5）减少失稳。受压翼缘宽度和厚度的比值不宜过大（常在12左右）；在容易出现波纹处限制其平整度。（6）局部强度加强。采用较大的板厚；加大支架紧固面尺寸，增多紧固数量，并尽量使力作用点接近腹板的上、下侧面。2.3.2车架的轻量化由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，车架应按等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料的消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻车架的质量。通常要求车架的质量应小于整车整备质量的10％。在大力倡导节能减排的现代社会，汽车企业迫于激烈的竞争压力，为降低整车成本，降低整车质量以提高质量利用系数进而降低车辆使用油耗，产品轻量化已成为整个产业未来的发展方向。对于重型载货车而言，车架自重是整车质量的重要贡献源。因此，车架轻量化是车架设计的重要问题。解决方法：一是采用高强度材料替代强度相对较低的材料；而是对车架总成设计进行优化设计，提高材料利用效率。这两种方法各有优缺点，经过初步工艺分析，成本核算，经济性分析，决定同时采用这两种方法对车辆进行轻量化设计。本设计主要对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，使车架纵梁具有足够的强度，以此来确定车架的断面尺寸。（参照《材料力学》）另外，目前钢材价格暴涨，汽油价格上涨，从生产汽车的经济性考虑的话，也应尽量减轻整车的质量。从生产工艺性考虑，横纵梁采用简便可靠的连接方式，不仅能降低工人的工作强度，还能增强车架的强度。2.3.3制造工艺车架材料应具有足够的屈服极限和疲劳极限，低应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接新能。低碳和中碳低合金钢，能满足这些要求，具有良好的冷冲压性能和焊接新能。重型货车冲压纵梁的钢板厚度约7.0mm—10.0mm。车架材料与选择的制造工艺密切相关。拉伸尺寸不长，形状又不复杂的冲压件，常采用强度稍高的20,25,16Mn，09SiVl，10TiL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。有的重型货车为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30Ti钢板的纵梁经正火后抗压强度由40MPa（HB156）提高到480－560MPa（HB170）。如四川重庆的汽车厂所用攀钢生产的P560，P590，P610大梁板的抗压强度达560MPa。这也是当前车架高强度、轻量化的趋势。2.4车架结构的确定2.4.1车架结构的分类车架主要结构形式有框式（分为边梁式，周边式和X型），脊梁式和综合式。下面将各结构作以具体分析和对比选择。有框式（分为边梁式，周边式和X型）车架的有框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“承载式车身”，不另设车架。随着节能技术的发展，为了减轻自重，越来越多的轿车都采用了承载式车身。下边先分别列举下各车架的特点。（1）边梁式车架的构造这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干根横梁组成，用铆接和焊接的方法将纵横梁连接成坚固的刚性构架。纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面一般为槽型，z星或箱型断面。横梁用来连接纵梁，保证车架的抗扭刚度和承载能力，而且还用来支撑汽车上的主要部件。边梁式车架能给改装变型车提供一个方便的安装骨架，因而在载重汽车和特种车上得到广泛用。其弯曲刚度较大，而当承受扭矩时，各部分同时产生弯曲和扭转。其优点是便于安装车身、车箱和布置其他总成，易于汽车的改装和变形，因此被广泛地用在载货汽车、越野汽车、特种汽车和用货车底盘改装而成的大客车上。在中、轻型客车上也有所采用，轿车则较少采用。用于载货汽车的边梁式车架，由两根相互平行但开口朝内、冲压制成的槽型纵梁及一些冲压制成的开口槽型横梁组合而成。通常，纵梁的上表面沿全长不变或局部降低，而两端的下表面则可以根据应力情况相应地缩小。图2.2边梁式车架（2）X型车架X型车架是边梁式车架的改进，这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将扭矩转变为弯矩，对短而宽的车架，这种效果最明显。车架中部为位于汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。前端的叉形梁用于支撑动力、传动总成，而后端则用于安装后桥。传动轴经中部管梁通向后方。中部管梁的扭转刚度大。前后叉形边梁由一些横梁相连，后者还用于加强前、后悬架的支撑。管梁部分位于后座乘客的脚下位置且在车宽的中间，因此不妨碍在其两侧的车身地板的降低，但地板中间会有较大的纵向鼓包。门槛的宽度不大，虽然从被动安全性考虑，要求门槛有足够的强度和刚度。轿车要是使用边梁式车架，为了降低地板高度，可局部地减少纵梁的断面高度并相应地加大其宽度，但这使纵梁的制造工艺复杂化且其车身地板仍比采用其他车架时为高，当然地板上的传动轴通道鼓包也就不大了。所以X型车架较多使用于轿车。（3）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槛梁的内壁宽，前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。其结构形状容许缓冲臂有一定的弹性变形，可以吸收来自不平路面的冲击和降低车内噪声。此外，车架中部加宽既有利于提高汽车的横向稳定性，又可以减短了车架纵梁外侧装置件的悬伸长度。在前后纵梁处向上弯曲以让出前后独立悬架或非断开式后桥的运动空间。采用这种车架时车身地板上的传动轴通道所形成的鼓包不大，但门槛较宽。这种车架结构复杂，一般在中、高级轿车上采用。图2.3周边式车架中梁式车架（脊骨式车架）其结构只有一根位于中央而贯穿汽车全长的纵梁，亦称为脊骨式车架。中梁的断面可做成管形、槽形或箱形。中梁的前端做成伸出支架，用以固定发动机，而主减速器壳通常固定在中梁的尾端，形成断开式后驱动桥。中梁上的悬伸托架用以支承汽车车身和安装其它机件。若中梁是管形的，传动轴可在管内穿过。优点是有较好的抗扭转刚度和较大的前轮转向角，在结构上容许车乾有较大的跳动空间，便于装用独立悬架，从而提高了汽车的越野性；与同吨位的载货汽车相比，其车架轻，整车质量小，同时质心也较低，故行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘罩作用。缺点是制造工艺复杂，精度要求高，总成安装困难，维护修理也不方便，故目前应用较少。图2.4中梁式车架综合式车架综合式车架是由边梁式和中梁式车架联合构成的。车架的前段或后段是边梁式结构，用以安装发动机或后驱动桥。而车架的另一段是中梁式结构的支架可以固定车身。传动轴从中梁的中间穿过，使之密封防尘。其中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，且制造工艺较复杂。此种结构一般在轿车上使用。车架承受着全车的大部分重量，在汽车行驶时，它承受来自装配在其上的各部件传来的力及其相应的力矩的作用。当汽车行驶在崎岖不平的道路上时，车架在载荷作用下会产生扭转变形，使安装在其上的各部件相互位置发生变化。当车轮受到冲击时，车架也会相应受到冲击载荷。因而要求车架具有足够的强度，合适的刚度，同时尽量减轻重量。在良好路面行驶的汽车，车架应布置得离地面近一些，使汽车重心降低，有利于汽车稳定行驶，车架的形状尺寸还应保证前轮转向要求的空间。2.4.2车架结构的选择脊梁式车架，是将粗壮的钢梁焊接或铆合起来成为一个钢架，然后在这个钢架上安装引擎，悬架，车身等部件。其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。缺点是钢质大梁质量大，车架质量占去全车总质量的相当部分。综合考虑，就载重汽车而言多采用边梁式，其由两根纵梁作为主体和若干根横梁铆接焊接和螺栓连接而成框架。边梁式车架便于安装车身和布置个总成，改装，改型和开发新产品十分方便而被着重应用。选取的方案的优点：边梁式车架由两根纵梁的若干根横梁组成，便于安装车身、车箱和布置其他总成，易于汽车的改装和变形。该结构便于安装驾驶室、车厢和其它总成，被广泛用在载重汽车、特种车和大客车上。

3车架的设计车架是汽车各总成的安装基体，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。它是一个复杂的薄壁框架结构，其受力情况极为复杂。本设计包括了结构形式的设计：车架的宽度的确定，纵梁形式的确定，横梁形式的确定，横梁与纵梁连接形式的确定。在车架设计的初期阶段，可对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，以及来确定车架的断面尺寸。下面是设计和计算的方法和步骤3.1车架结构形式的设计3.1.1车架的宽度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:(1)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2.5m之内。综上所述你，再根据已有参考车型，本设计中的重型载货车应设计为前宽后窄型。3.1.2车架纵梁形式的确定纵梁是车架的主要承载部件，在汽车行驶中受较大的弯曲应力。车架纵梁根据截面形状分为工字梁和槽型梁。由于槽型梁具有强度高，工艺简单等特点，因此在载货汽车设计中选用槽型梁结构。车架的纵梁结构，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。优点：结构简单，工艺性好；当上翼面为平直时，可使货厢底板平整，纵梁制造方便，大多数载货汽车车架纵梁都采用这种型式。当上翼面弯曲时，纵梁部分区段降低，地板高度相应降低，改善了整车的稳定性，且有利于上、下车，此种结构在轿车、微型汽车、公共汽车和部分轻型载货汽车上采用，其制造工艺复杂。纵梁上表面应尽量做成平直的，中部断面一般较大、两端较小，与所受弯矩相适应。也有全长或仅中部及后部为等断面的。根据整车布置要求，有时采用前端或后端或前后端均弯曲的纵梁。纵梁的断面形状有槽形、工字形、箱形、管形和Z形等几种。为了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。槽形断面的纵梁有较好的抗弯强度，工艺性好，紧固方便，又便于安装各种汽车部件，故采用得最为广泛，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的话，增大槽形断面的高度最有利，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，但其值的增加又受到发动机、传动系统部件布置的限制。因此需综合考虑上述因素的影响，通常取高与宽的比值为2.8—3.5。、由于重型载货汽车的发动机外型尺寸大，后轴负荷大，为了使车架做成前、后等宽，有的车架纵梁就采用Z形断面，我国黄河牌载货汽车的车架就是采用此种断面。这种纵梁和横梁的连接结构复杂，燃油箱的安装也不方便。重型载货汽车和超重型载货汽车的车架纵梁一般多采用工字形截面的型材或焊接成的箱形结构。箱形断面梁抗扭强度大，多用于轿车和轻型越野车。超重型越野车及矿用自卸车的纵梁形式多用钣料焊接而成，常为箱形或工字形断面。采用封闭断面纵梁构成的车架，其抗弯刚度大，通常客车的车架也是采用此种断面。纵梁的长度一般接近汽车长度，其值约为1.4—1.7倍汽车轮距。多品种生产时，常使不同轴距、不同装载质量的系列车型采用内高相同的槽形断面纵梁，通过变化钣料厚度或翼缘宽度获得不同强度。重型汽车车架纵梁一般为等截面的，但也有根据整车布置要求做成变截面的。由于重型汽车前部一般受力较小，因此变截面的车架纵梁主要是前小后大。改变截面的方式有两种：一种为槽形截面梁的翼面变小，一种为槽形截面梁的腹板变小。不管哪一种方式，都必须均匀过渡，以避免应力集中，通常高与宽的比值为2.8-3.5。前一种是为了方便布置发动机，后一种可在保证车架强度的前提下降低驾驶室的重心高度；前一种工艺简单，制作方便，后一种工艺较为复杂，但利于整车布置安装。根据本设计的要求，再考虑纵梁截面的特点，本方案设计的纵梁采用上、下翼面是平直等高的槽形断面。在参考已有车型，初步设计纵梁总长为10006mm。优点：有较好的抗弯强度，便于安装汽车部件。3.1.3车架横梁形式的确定及设计车架横梁形式的确定横梁的主要作用是联接左右两根纵梁，构成完整的框架，保证车架有足够的扭转刚度。一般车架的刚度是两端大，中间小。（1）车架前部从车架前端到驾驶室后围这一段装有前悬架系统和转向系统，如因道路不平使车架产生较大的挠曲变形而影响转向，将使车辆发漂甚至完全失去控制，因此，这一段刚度过小对于操纵稳定性来说是极为不利的。大多数重型汽车的车架在这一段都布置了二至三根横梁。（2）车架后部包括后悬架在内的车架后部也必须做成大刚性的。这是因为后悬架对于汽车的舒适性和操纵稳定性的影响较大，必须采用后部牢固而刚性的车架结构才有助于诸如后轴的轴转向、侧倾的稳定性等问题的解决。因此，对4×2重型车大多在此段布置两根横梁，对6×4重型车大多在此段布置四根横梁。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。（3）车架中部车架的前、后两段的刚性都较大，而大部分车架变形(包括弯曲和扭转)都集中在车架中部，所以该段必须具有一定挠性，以起到缓冲作用，同时也可避免应力集中，消除局部损坏现象。因此，大多数重型汽车的车架在这一段都布置了二至四根仅与车架纵梁腹板联接的横梁。同时，中部横梁通常用作传动轴的中间支承，为了保证传动轴有足够的跳动空间，常将横梁做成拱形。横梁的设计横梁以设计成直线形的效果最好，一般做成简单的直槽形。但有时为了提高横梁的刚度，横梁的断面可采用圆管或箱形断面。为了避让传动轴等部件横梁不能设计成直梁时，一般做成拱形，但弯曲处要尽量平缓过渡，以避免应力集中。车架的横梁根数根据不同的载重量决定，随载重量的增大而增多，一般横梁分为前横梁、中横梁和横梁。前横梁一般为1~3根，主要用来支撑驾驶室、水箱和发动机。中横梁通常用来做传动轴的中间支撑以及承载货物。后横梁常设拖拽装置，装有脱钩，采用K型结构，利用斜撑减少横梁跨距，使之局部加强。衡量断面一般采用开口端面，开口端面抗扭刚度不如闭口断面，但是开口端面制造工艺简单，零部件安装方便。前横梁通常用来支承水箱。当发动机前支点安排在左右纵梁上时，可用较小槽型和Z型断面横梁。对于前部采用独立悬架的轿车，为了改善汽车的视野，希望汽车头部高度降低，固需要将水箱安装得低些，可将前横梁做成宽而下凹的形状。当发动机前支点和水箱相距很近时，前横梁常用来支承水箱和发动机前端，此时需采用断面大的横梁。中横梁通常用来作为传动轴的中间支承。为了保证传动轴有足够的跳动空间，将其结构做成上拱形。在后钢板弹簧前、后支架附近所受到的力或转矩大，则要设置一根抗扭刚度大、连接宽度大的横梁。后横梁采用中横梁形式。后横梁常设拖拽装置，装有脱钩，采用K型结构，利用斜撑减少横梁跨距，使之局部加强。衡量断面一般采用开口端面，开口端面抗扭刚度不如闭口断面，但是开口端面制造工艺简单，零部件安装方便。横梁的主要作用是联接左右两根纵梁,构成一个完整的框架,保证车架有足够的扭转刚度。从车架前端到驾驶室围这一段装有前悬系统和转向系统,如因道路不平等原因使车架产生较大的挠曲变形而影响转向,将使车辆发漂甚至完全失去控制,因此,这一段刚度过小对于操纵稳定性来说是极为不利的。大多数重型汽车的车架在这一段都布置了二至三根横梁。包括后悬架在内的车架后部也必须做成大刚性的。这是因为后悬架对于汽车舒适性和操纵稳定性的影响较大,必须采用后部牢固而刚性的车架结构才有助于诸如转向、侧倾的稳定性等问题的解决。因此,设计的车架在此段布置了三根横梁。车架的前、后两段的刚性都较大,而大部分车架变形(弯曲和扭转)都集中在车架中部,所以该段必须具有一定的挠性,以起到缓冲作用,同时也可避免应力集中,消除局部损坏现象。因此,设计的车架在这一段内只布置了一根横梁。本设计课题是关于重型载货车车架结构设计，所以采用开口断面比较合适。本次设计一共采用大小共10根横梁，各根横梁的结构及用途如下：第一根:前横梁。横梁断面形状为槽型，用来支撑水箱，其中间设有多个圆形孔，目的是让空气可以流到发动机底部，也有助于发动机的散热。第二根:发动机前悬置横梁。为发动机托架，为防止其与前轴发生碰撞几干涉，故将其安排放在发动机前端，其形状就是近似元宝的元宝梁，此种形状有较好的刚度。第三根横梁：发动机后悬置支架。为驾驶室的安装梁，用于驾驶室后部的安装，断面形状为槽形。第四根为元宝型。第四，五根横梁用作传动轴的支承，其断面形状为槽形，为了保证传动轴有足够的跳动空间和安装空间，将其结构做成上拱形。十根横梁为后钢板弹簧前、后支架横梁。第八、九根横梁分别在后钢板弹簧前、后支架附近，它们所受到的力或转矩都很大。它们的断面形状也是采用槽形。第六、七、根横梁不仅要承受各种力和力矩的作用，还要作为安装备胎的的安置机构。它们的断面形状为槽型。第十横梁为后横梁，其将左、右纵梁连接在一起，构成一个框架，使车架有足够的抗弯刚度。其断面形状为槽形。基本如下图所示。图3.1重型载货车车架结构（参考图）3.1.4车架纵梁与横梁连接型式的确定纵梁和横梁的连接方式对车架的受力有很大的影响。大致可分有以下几种：横梁和纵梁的腹板相连接这种连接型式制造工艺简单，连接刚度较差，但不会使纵梁出现大的应力，一般车架的中部横梁采用此种连接方式。横梁同时和纵梁的腹板及任一翼缘（上或下）相连接这种连接方式制造工艺不很复杂，连接刚度增强，故得到广泛应用。但后钢板弹簧托架上的力会通过纵梁传给后钢板弹簧的前横梁，使其承受较大载荷。因此在设计钢板弹簧托架时应尽可能减少悬架伸长度，使载荷作用点靠近纵梁弯曲中心。当偏心载荷较大时，可将该处纵梁做成局部闭口断面；也可将横梁穿过纵梁向外延伸，将载荷直接传给横梁。横梁同时和上、下翼缘相连接这种连接形式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，且其翼缘外边不致因受压而产生翘曲。车架两端的横梁常采用这种形式和纵梁相连接。但此种连接方式制造复杂，当转矩过大时，纵梁翼缘上会出现应力过大的现象，这是由于纵梁截面不能自由翘曲所致。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。这种方法成本低，适合大批量生产，其刚度与铆钉的数目及其分布有关。焊接能使其连接牢固，不致产生松动，能保证有大的刚度。但焊接容易变形并产生较大的内应力，故要求焊接质量要高，主要在小批量生产或修理时采用。螺栓连接主要在某些为了适用于各种特殊使用条件的汽车车架上采用，以使装在汽车车架上的某些部件易于拆卸或互换。但此种连接方式在长期使用时，容易松动，甚至发生严重事故。一般汽车车架横梁与纵梁的固定不采用此种方法。紧固件的尺寸和数量要和横梁大小相适应，铆钉分布不要太近。当利用连接板的翻边紧固时，应加大连接板的宽度和厚度，紧固孔应尽可能靠近翻边处，以防连接损坏。载货汽车车架的前端后两端装有横梁式的保险杠，以防止汽车突然发生碰撞时散热器和翼子板等机件受到损伤。车架的后端一般还装有脱钩。大部分脱钩通过螺旋弹簧与车架横梁弹性相连，并用加强梁和加固角撑。脱钩可以在车架平面内绕轴销摆动，其上装有防脱装置，牵引时脱钩具有缓冲、转向和防脱作用。本设计方案中，横梁与纵梁的连接形式大体都使用铆钉铆接。铆钉连接具有一定的弹性，有利于消除峰值应力，改善应力状况，这对于要求有一定扭转弹性的载货车车架具有重要意义。铆接设计注意事项：尽量使铆钉的中心线与构件的端面重心线重合；铆接厚度一般不大于5d；在同一结构上铆钉种类不宜太多；尽量减少在同一截面上的铆钉孔数，将铆钉交错排列。总之，车架结构的设计要充分考虑到整车布置对车架的要求及企业的工艺制造能力，合理选择纵梁截面高度、横梁的结构形式、横梁与纵梁的联接方式，使车架结构满足汽车使用要求。以达到较好的经济效益和社会效益。3.2车架的受载分析汽车的使用条件复杂，其受力情况十分复杂，因此车架上的载荷变化也很大，其承受的载荷大致可分为下面几类：3.2.1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、安装在车架的各总成与附属件的质量以及有效载荷（客车或货物的总质量）的总和。3.2.2对称的垂直动载荷这种载荷是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，路面的作用力使车架承受对称的垂直动载荷。这种动载使车架产生弯曲变形。3.2.3斜对称的动载荷这种载荷是当汽车在崎岖不平的道路上行驶时产生的。此时汽车的前后几个车轮可能不在同一平面上，从而使车架连同车身一同歪斜，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。这种动载荷会使车架产生扭转变形。3.2.4其他载荷汽车转弯行驶时，离心力将使车架受到侧向力的作用；汽车加速或制动时，惯性力会导致车架前后部载荷的重新分配；当一个前轮正面撞在路面凸包上时，将使车架产生水平方向的剪力变形；安装在车架上的各总成（如发动机、转向摇臂及减振器等）工作时所产生的力；由于载荷作用线不通过纵梁截面的弯曲中心（如油箱、备胎和悬架等）而使纵梁产生附加的局部转矩。综上所述，汽车车架实际上是受到一定空间力系的作用，而车架纵梁与横梁的截面形状和连接点又是多种多样，更导致车架受载情况复杂化。3.3车架强度计算3.3.1弯曲强度计算时的基本假设为了便于弯曲强度的计算，对车架进行以下基本假设：（1）因为车架结构是左右的对称的，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的简支梁。（2）空车时的簧载质量（包括车架自身的质量在内）均匀分布在左右二纵梁的全长上。其值可根据汽车底盘结构的统计数据大致估计，一般对于轻型和中型载货汽车来说，簧载质量约为汽车自身质量的2/3。（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。实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸部件（如油箱、蓄电池等）而产生局部扭转，在设计时通常在此安置一根横梁，使得这种对纵梁的扭转变为对横梁的弯矩。故这种假定不会造成计算的明显误差。由于上述假设，使车架由一个静不定的平面框架结构，简化成为一个位于支座上的静定结构。图3.2静定结构图3.3车架上均匀载荷的分布情况3.3.2车架前支座反作用力（3.1）（3.2）式中：F1——前轮中心支座对任一纵梁（左纵梁或右纵梁）的反作用力N;F2——后轮中心支座对任一纵梁（左纵梁或右纵梁）的反作用力N;L——纵梁的总长，10006mm；l——汽车轴距，7650mm；a——前悬，1576mm；b——后悬，2754mm；c——车厢长，9500mm；c1——车厢前端到二轴的距离，4500mm；c2——车厢后端到二轴的距离，4000mm；Ms——空车时的空载质量，约13000kg；Me——满载时有效装载质量，31000kg；g——重力加速度，9.8m/s；代入(4-1)和(4-2)可得：=31993NQUOTE=183607N在计算纵梁弯矩时，将纵梁分成两段区域，每一段的均布载荷可简化为作用于区段中点的集中力。纵梁各端面上的弯矩计算采用弯矩差法，可使计算工作量大大减少。弯矩差法认为：纵梁上某一端面上的弯矩为该段面之前所有力对改点的转矩之和。3.3.3最大的弯矩=45955792.00Nmm。取动载荷系数k1.5～2.0,如果再考虑车架多为疲劳损伤,取安全系数n=1.15～1.40。则动载荷工况下的最大弯矩为=1.8×1.2×43955792.00=94944510.72Nmm。对于槽形断面,抗弯截面模量W(3.3)h=306mm——槽形断面的腹板高b=95mm——翼缘宽t=11mm——板材的厚度故=491436.00mm3.3.4弯曲应力计算纵梁危险截面的最大应力:（3.4）=193.20MPae<e-1最终确定纵梁槽形断面的尺寸为:h=306mm,b=95mm,t=8+6mm(两层钢板,外层为8mm,内层为6mm,内层只布置在DB段、BE段)3.4车架材料的确定车架材料应具有足够的屈服极限和疲劳极限，低应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接新能。低碳和中碳低合金钢，能满足这些要求，具有良好的冷冲压性能和焊接新能。重型货车冲压纵梁的钢板厚度约7.0mm—10.0mm。车架材料与选择的制造工艺密切相关。拉伸尺寸不长，形状又不复杂的冲压件，常采用强度稍高的20,25,16Mn，09SiVl，10TiL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。有的重型货车为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30Ti钢板的纵梁经正火后抗压强度由40MPa（HB156）提高到480－560MPa（HB170）。如四川重庆的汽车厂所用攀钢生产的P560，P590，P610大梁板的抗压强度达560MPa。这也是当前车架高强度，轻量化的趋势。轿车车架纵梁、横梁的钢板厚度约为3.0～4.0mm；货车根据其装载质量的不同，轻、中型货车冲压纵梁的钢板为5.0～7.0mm，重型货车冲压纵梁的钢板厚度约7.0～9.0mm。这次设计，本设计中的主要材料为16Mn。在细节部分还有用到其他材料，具体用到时在做说明。值得说明的是，部分横梁的材料为B510L。B510L具有良好冷成型性能的碳素及微合金钢热连轧钢带以及由此横切成的钢板及纵切成的纵切钢带，简称钢板及钢带。产品供制造汽车大梁、横梁、滚型车轮、汽车传动轴管、汽车桥壳等结构用。其化学成分为C≤0.16，Si≤0.50，MN≤1.60，屈服≥355，抗拉510～630，伸长≥24。较高级表面（FB）酸洗表面，表面允许有不影响成型性的局部缺欠，如轻微划伤、轻微压痕、轻微麻点、轻微辊印及色差等。这种材料目前虽然国内只有少数厂家在应用生产，但是，重型载货车在未来其轻量化进程中，这种材料的推广势必不可挡的趋势。3.5纵梁截面特性的计算车架纵梁和横梁截面系数W按材料力学的方法计算。对于槽形断面，断面系数W取h=306mm,b=95mm,t=14mm,W=625464mm从材料力学课本中得到表格如下：表3.1槽型断面3.5.1纵梁弯曲应力计算与校核纵梁断面的最大弯曲应力δ为：δ=QUOTE/W(3.5)则最大弯曲应力为：δ=73Mpa按照上式求得的弯曲应力应不大于材料的许用应力[δ]。许用应力可以按照以下公式计算：[δ]=δs/n(3.6)式中：δs——材料的疲劳极限，对于B550L材料，δs=355MPa;n——安全系数，一般取安全系数n=1.15—1.40。则许用应力为：[δ]=δs/n=355/1.30=273MPa所以δ=249Mpa小于[δ]范围内上述计算符合应力要求δ≤[δ]，最终确定纵梁槽形断面的尺寸为：h=306mmb=95mmt=8+6mm（根据经验：纵梁还须在弯矩大的区域布置加强板，加强板厚为4mm,加强板布置在EC段和CD段）3.5.2临界弯曲应力δc计算和校核当纵梁受弯变形时，上下翼缘分别受到压缩和拉伸的作用，可能会造成翼缘的破裂。因此应按薄板理论进行校核。对于槽型截面纵梁来说，其临界弯曲应力δc为：(3.7)QUOTE≤350式中：E—材料的弹性模量，E=2.06MPa；U——泊松比。对16Mn，u=0.3。由上式可得b≤16t取b=95mm，t=14mm则有95≤224因此，车架满足临界弯曲应力的要求。3.6设计绘制车架总装图经以上三章的参考、分析、选择、计算和校核，得到以下相关尺寸数据采用边梁式结构；纵、横梁联接为铆钉铆接；横梁材料为16Mn，部分横梁材料为B510L、纵梁材料为16Mn；主要由2根主纵梁、10根横梁组成；车架长为10009mm，前端宽940mm,后端宽865mm,整个车架是一个前宽后窄的变宽结构。主纵梁的前端高度为180mm，后端高度为280mm，轴距1700+5300mm，前轮距/后轮距2000/2000/1830mm。绘制重型载货车车架总装配图如图3.4所示。图3.4车架总装配图

4车架有限元分析4.1有限元法有限元法是在当今工程分析中获得应用最为广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。有限元软件是使用有限元方法解决各种科学和工程问题的关键，它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力，使之发挥了巨大的经济和社会效益。结构分析是工程分析的重要内容，它包括结构强度、刚度分析和结构优化设计。结构强度、刚度设计是基于使用安全性考虑，主要包括结构线性分析（分析惯性阻尼对结构影响不显著的线性或准静态问题）、结构非线性分析（包括几形状和尺寸）优化设计。重型载货车使用条件恶劣，结构复杂，包括其复杂的形状，复杂的载荷作用。而车架是整个重型载货车的基础，在它上面安装着发动机、传动系、行驶系和汽车车身等主要装置。由于在装载、运输和卸载中承受主要的载荷，因此，车架性能的优劣直接影响整车的性能，同时也反映了整车的技术水平。在汽车结构设计中，在保证安全的前提下，又要使车架的结构合理，便于加工、装配，同时也要减少材料的量，从而降低制造成本，提高经济效益，提高汽车的燃油经济性和动力性。有限元分析法就是在上述背景下提出的，目的在于研究重型载货车车架结构使之受力合理，等强度及等寿命设计。最终达到保证重型载货车在性能和功能不受影响或有所提高的情况下，实现重型载货车车架结构的优化设计。何非线性、材料非线性和状态非线性等）以及结构动力学分析（模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学分析、随机振动分析等）。优化设计则是基于经济和美学特性考虑，包括拓扑优化设计和参数（几何形状和尺寸）优化设计。4.1.1有限元法的基本思想有限元法的分析计算思路和做法可归纳为如下内容：（1）物体离散化。将某个工程结构离散成有各种连结单元组成的计算模型，离散后的单元与单元之间用节点互相连结起来，因此有限元法中分析的结构已经不是原有的物体或结构物，而是同样的材料由众多单元以一定方式连结成的离散物体，计算结果是近似的，如果划分单元的数目非常多而且合理，那么计算结果就与实际情况相符合。（2）单元特性分析。在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法，这种方法易于实现计算自动化，因此被广泛采用。当采用位移法时，可以把单元中的位移、应变、应力等由节点位移表示。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，．找出单元节点力和节点位移的关系式是有限元法的关键和基本步骤之一。另外还要通过等效的节点力来替代所有作用在．单元上的力。

（3）单元组集。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程。

（4）通过求解得出未知节点位移。4.1.2有限元解决的问题重型载货车车架是一个复杂的空间结构，主要结构形式为边梁式车架，纵梁截面为槽形，横梁截面可为槽形、异形。纵梁和横梁的连接方式有焊接、铆接和螺栓连接等。其连接接头几何形状各异，应力分布复杂。车架结构设计的主要目的在于确保车体强度、刚度的前提下，减轻重型载货车车架的质量，由此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。目前国产重型载货车普遍存在的问题是整车协调性较差；设计中对问题往往采取局部加强的方法，使得重型载货车质量越加越大；而对某些应该减少构件、减薄材料或改变结构形式，因无明确依据，生产多不敢决定。如此延续下来，整车装备质量增加，而新的结构形式也不容易产生。因此开展重型载货车车架结构强度的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车架优化设计具有重要意义。此外，为了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的车型进行结构强度、刚度分析计算和相应结构改进的分析研究工作，为新车型的研制开发提供借鉴和校核方法。4.1.3有限元法的步骤有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用CAD软件建立三维实体几何模型，将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求出各单元体节点力和位移。有限元分析的具体步骤是：1，离散化，即划分单元或网格；2，施加载荷，描述约束；3，计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程；4，求解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程；5，求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点位移求各单元节点力；6，显示处理计算结果。在上述各步骤中，第一、二步可以划入前处理过程，第六步可以称为后处理，其余几步则是主要的计算过程。4.2有限元法的应用软件ANSYS分析是对物理现象的模拟，对真实情况的数值近似。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。典型的分析流程为：前处理（建模、模型网格）→分析计算（定义载荷、求解）→后处理（通用后处理、分析结果）。流程举例如图5.1所示。图5.1ANSYS有限元分析流程图ANSYS的前处理模块ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。实体建模：ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。网格划分：ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。4.3建模准备4.3.1单位制及材料性能多数有限元计算程序都不规定所使用的物理量的单位，不同问题可以使用不同的单位，但在一个问题中各物理量的单位应该是统一的。由于在实际工程问题中可能用到多种不同单位的物理量，如果只是按照习惯采用常用的单位，表面上看单位是统一的，实际上单位却不统一，从而导致错误的计算结果。对于实际工程问题，不能按照手工计算的习惯来选择各物理量的单位，而必须遵循一定的原则。物理量的单位与所采用的单位制有关。物理量可分为基本物理量和导出物理量，在结构和热计算中的基本物理量有:质量、长度、时间和温度。导出物理量的种类很多，如面积、体积、速度、加速度、弹性模量、压力、应力、导热率、比热、热交换系数、能量、热量、功等等，都与基本物理量之间有确定关系。基本物理量的单位确定了所用的单位制，然后可根据相应的公式得到各导出物理量的单位。4.3.2模型简化货车车架不仅是一个极其复杂的空间壳结构，还包括大量的螺栓、铆钉连接。由于一些非主要的承载元件对车架结构的变形和应力分布影响很小，而对问题的求解规模和准确性有着很大的影响。因此没有必要完全按照车架的实际结构来构建其有限元模型，而是根据各个分析的侧重点有针对性的对模型进行一些简化。本课题研究的是车架的静、动态特性，因此根据实际需要建模时对车架采取了如下几点简化措施：(1)省略非承载件。对于某些方便使用和辅助承载而设置的构件，由于其对整车的变形和应力分布影响较小，可忽略不计。(2)构件表面光顺化。构件表面上的孔、台肩、凹部和翻边等尽量酌情予以圆整光滑.(3)简化截面形状。由于货车上构件的设计不仅仅是考虑简单的受力，而且还要顾及其他部件的安装与使用要求，因此截面形状可能不很规范，但在离散化时要作适当的形状简化。(4)主从节点原则。出于对结构模型病态问题的考虑，对于位置较近的构件结合点则采用适当合并或“主从节点”的方式处理，避免实际计算中可能会导致的方程病态。(5)曲杆简化为直杆。例如可把顶盖横梁、前风窗下横梁等曲杆简化成若干直杆，对整个结构计算影响很小。(6)载荷分配。载荷的分配直接影响计算结果，应对货箱、货物、驾驶室、发动机、变速器及动力总成等质量作合理的分配，使之作用在适当的位置。4.4建立模型本文研究的重型载货汽车车架采用边梁式结构；纵、横梁联接为铆钉铆接；横梁材料为16Mn，部分横梁材料为B510L、纵梁材料为16Mn；主要由2根主纵梁、10根横梁组成；车架长为10609mm，前端宽940mm,后端宽865mm,整个车架是一个前宽后窄的变宽结构。主纵梁的前端高度为180mm，后端高度为280mm，轴距1700+5300mm，前轮距/后轮距2000/2000/1830mm。图4.1重型载货车车架结构CAD二维图在UG软件中可以进行二维模型和三维模型的草图设计、各种曲线的生成和编辑、扫描实体和旋转实体建模，以及参数化设计等实体建模工作。车架纵梁：划出纵梁后部分草图，对其进行拉伸。同样的方法得到前半部分纵梁实体模型。对这根纵梁进行镜像，得到另一侧纵梁，完成纵梁的实体模型。图4-2车架三维图 图4-3车架三维图导入ANSYS软件的数据以及图表正在处理中。

5车架的制造工艺5.1车架梁的制造工艺5.1.1纵梁（1）产品特征（2）长度形式：直线式；料厚：纵梁8+6mm；纵梁长度10006mm（3）工艺特点a工艺流程第一种模式：剪切——用模具落料；中孔一用模具压弯成形——装配——油漆。第二种模式：剪切——用模具落料冲工艺孔——用平面数控冲孔机冲孔——用模具压弯成形——装配——油漆。第三种模式：剪切——用平面数控冲孔机冲孔——折弯成形——装配——油漆。第四种模式：单倍尺卷料——辊压成形——切断——用三面数控；中孔机；中孔——等离子切割局部外形——喷丸。b生产设备机械压力机：3000、3500、4000、5000t；平面数控；中孔机、三面数控；中孔机、折弯机；采用模具生产和平面数控冲孔机模式的工艺，一般受产品结构、压床吨位(一般为3000、3500、4000、5000t)限制。不能采用强度过高的高强度钢板，即屈服强度在350-560N/mm以下的高强度钢板；纵梁和纵梁加强板的长度不易太长，应控制在10000mm左右。材料厚度与材料长度成反比，控制在8mm以下为好。采用辊压成形模式的工艺，在购买设备时就已将材料参数即屈服强度设定在350-700N，mm以下，可以选择屈服强度在700/mm以下的材料，长度不限，厚度控制在10mm以下。纵梁和纵梁加强板用材受设备、工艺模式、产品结构影响,材料强度级别范围也有所不同。一般来说开发纵梁和纵梁加强材料时应结合其工艺条件，从材料的使用范围入手，确定合理的高强度钢板强度开发范围，从而适用不同的工艺模式。还应研究高强度钢板回弹消除问题、可适用的焊接方式和匹配的焊条、对模具材料的强度要求、适用油漆方式等相关参数，从而提高材料的应用空间。5.1.2横梁车架横梁工艺分析如图所示重型汽车车架横梁在汽车载运中承受拉扭重复载荷。它是用厚6mm的16MnL钢板压制而成，不允许有裂纹、裂口，局部允许变薄量为厚度的20%，过渡部分的圆角半径允许有变化。该件形状比较复杂，工艺难度大，不容易保证产品质量。货车车架上一般有5到11根横梁，其用途和结构各不相同。不同条件的汽车横梁其结构型式变化较大。目前，汽车车架上使用的梁通常以槽形式和拱形居多。这是因为槽形式横梁曲刚度和强度都较大，且便于制：拱形横梁具有较大的连接度、截面高度较低，可以让开下空间的优点。汽车横梁一般都是采用冲压加工方法生产。（1）产品特征厚度：5.0、6.5、7.0mm长度：前横梁940mm；后横梁865mm抗拉强度：510-630N／mm；形状：槽形式横梁、拱形式横梁等，如图所示 图5.1拱形横梁图5.2槽形横梁（2）工艺特点a工艺流程槽型式横梁：剪切一修边冲孔(或落料冲孔)一成形一冲孔(按需)一装配一油漆。鳄鱼1b式横梁：剪切一成形一修边冲孔一装配一油漆。b设备机械压力机：800t、1250t、3000t。近年来,为了满足用户经济性、大吨位要求，横梁材料厚度由4.0-6.0mm变为6.5-1.0mm,抗拉强度也由370-510MPa提高到590-610MPa以上。复杂形状的横梁应用较多。既要有一定的强度又要有良好的成形性能是横梁用材的基本要求。同时，受压力机吨位、模具制造业水平限制，未将高强度钢板应用在成形复杂的横梁上。对于横梁用材的开发应针对横梁的产品特性，结合工艺技术水平，在满足强度要求的前提下重点提高材料成形性能和焊接性能。还要开展高强度钢板的极限拉伸速度的研究，这是由于商用车横梁一般都是在机械压力机上生产，依据高强度钢板的极限拉伸速度来控制机械压力机的生产速度。从而减少横梁破损的发生。c连接板厚度：4.0mm；长度：110mm；抗拉强度：510-640N／mm；形状：平板连接板用于连接横梁和纵梁，增强纵梁的强度。以压弯件为主，材料主要为高强度钢板。对材料的成形性能要求不高，但要求材料的压弯回弹小。5.2焊接工艺5.2.1焊接工艺分析车架结构材料采用的是B550L和B510L，焊接性好，加之材料厚度适中，在合理的装焊工艺条件下，一般不容易产生气孔和裂纹，不需要采用特殊的焊接工艺措施和焊后热处理。车架是整车的载体，车架的焊缝主要承受汽车运行过程中的动载作用，而车架刚性大，焊后接头的收缩力较大，因此必须选用合理的焊接方法及工艺参数，控制线能量。对于车架纵梁和横梁而言，焊接分布并非完全对称，所以要合理安排焊接顺序，尽量采用对称焊和从中间向两头释焊，以减少焊接变形。控制零部件尺寸即互换性，保证装配间隙均匀，以减少因收缩不均所造成的变形。夹具设计时要合理留有收缩余量及装配间隙，综合处理好车架焊后接头应力与总体变形这对相互矛盾的问题，在保证满足设计尺寸要求的条件下，接头焊后存在的应力愈小愈好。5.2.2焊接方法和焊接参数的选择由于二氧化碳气体保护焊成本低,生产效率高,抗锈、抗氢和抗裂纹能力强，焊后不用清渣，变形小，易于操作，适于全位置焊，因此焊接方法采用半自动二氧化碳气体保护焊，其焊接工艺参数如表所示：表5.1车架焊接工艺参数焊机型号焊丝直径焊丝牌号焊接电流电弧电压气体流量焊接速度NBC-3501.0mmH08Mn2SiA170~210A22~26V10~13L/min50cm/min5.2.3焊接工艺流程焊纵梁加强梁——纵梁焊后矫形——零部件组焊——车架补焊——车架装配——车架矫形——车架检验——车架涂装5.3涂装工艺提到汽车防腐，人们很自然会想到车身、车箱等外露冲压件。其实汽车的防腐是对整车而言，尤其是汽车的重要件和保安件，对不允许在寿命周期内出现腐蚀导致的性能下降和结构损坏。车架是商用车关键的总成之一，于它位于车下部，易受路面沙石冲击和各种使用环境介质侵蚀。车架是整车的主要骨架，如防腐处理不好，于腐蚀致性能下降或结构损坏，果将不堪设想。由于车架外露的部分很少，易引起人们的注意，生锈蚀不易被发现，所以，确保高质量涂装至关重要。然而，多年来，我国汽车行业对车架的涂装并没有给予足够的重视，甚至有人认为，车架是中厚板件，腐蚀了只是难看一些，不会引起结构损坏。如果整车设计寿命很短且行驶速度不高的话，种观点似乎还能站住脚，但在人们对汽车高速行驶可靠性和耐久性的要求越来越高的今天，我们必须真对待车架的防腐问题。为满足日益严格的环保法规要求，目前欧州汽车涂装中100%的底漆、60%以上的中涂、40%以上的金属底色漆均采用水性涂料，罩光漆采用2K高固体分涂料，水性罩光漆和粉末罩光漆在试用中。现在欧州比较成熟的涂装工艺是：无铅阴极电泳→水性中涂→水性底色→高固体分（2K）罩光漆。采用该工艺后VOC排放可降到30g/m2左右，符合欧洲环保法规要求。但采用水性涂料设备投资大、能耗高，同时对施工环境（温度、湿度）要求比较严格，因此国内老涂装线应用水性涂料的难度较大。在汽车涂装材料向环保、节能、低成本方向发展的今天，有人认为采用新的中涂、面漆涂装工艺将是主机厂涂装工艺的发展趋势。主机厂可以根据涂装线的现状因地制宜地选择上述几种不同的涂装工艺。车架主要用于载货车、客车和客货两用车等商用车，多由热轧钢板冲压结构件铆接、焊接或螺栓连接而成。我国目前根据生产规模、设备条件不同，其涂装工艺差别较大，归纳为大批量生产和小批量生产两大类。大批量生产工艺是钢板剪切落料-化皮／防锈-压-焊接