载重货车车架设计及有限元分析

载重货车车架设计及有限元分析

一、本课题的研究目的和意义

汽车车架作为重型载重汽车的基体，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。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。同时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。因而车架应该有足够的刚度、强度和足够的可靠性与寿命。车架刚度不足会引起振动和噪声，也是的汽车的舒适性和操作稳定性下降。同时汽车的扭转你刚度不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车车轮的的接地性变差。因此在车架设计时要充分考虑这些问题。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，利有限元法正好能够解决这一问题。同时利用有限元法进行结构模态分析，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。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。通过本次设计要熟练掌握载重汽车车架的设计流程及车架设计参数确定，同时更好的提高自己的二维三维作图能力和有限元分析能力。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设计做好基础性工作。通过运用有限元软件对车架结构进行分析，可供车架设计提供参考。对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的设计提供理论支持。最后对车架的设计做出优化，尽量做到轻量化，提高车架的强度。同时尽可能的节省成本。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

1.了解熟悉目前国内各种重型货车底盘种类，借鉴以往经验结合目前国内路况设计车架总成结构。确定车架的总成参数，对车架纵梁参数，横梁参数计算。对总体车架进行强度刚度等校核。符合设计标准。做出三维模拟图。

2.对车架在各种典型工况下受到的载荷进行分析，根据受到的载荷信息结合ANSYS有限元分析软件对车架进行静态和模态分析。

3.根据有限元分析结果对车架进行适当的优化。

三、文献综述（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。

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。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。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。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,²S\500Mpa 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。

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。

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

四、拟解决的关键问题

1、运用大学期间所学的专业课程知识、理论和毕业实习中学到的实践知识，设计一款重型货车车架总成，确定各方面详细参数，完善汽车车架，选择合适的车架材料和加工工艺，保证车架的刚度和强度。按照行业标准对车架进行校核。做出三维模拟图。

2、利用ANSYS有限元分析软件对车架进行静态和模态分析，并根据分析结果对车架进行优化。

五、研究思路和方法

1、首先采用类比的方法，查阅目前国内外市场上载重货车的车架类型及参数，分析消化，对已有的某一款车架作出改进，重新确定其总成及参数。对车架的刚度和强度进行校核。

2、分析货车的各种典型行驶工况，确定其所受到的各种动态载荷形式，利用ANSYS有限元分析软件根据其所受载荷进行静态和模态分析，确定其强度及使用可靠性。

3、根据分析结果对车架做出优化改进。

六、本课题的进度安排

第 3-4周查阅资料确定课题，填写开题报告。查找翻译英语译文。

第 5-7 周车架结构设计，确定车架总成，车架纵梁、横梁确定，强度校核。

第 8-9 周车架二维图纸，三维模型建立。

第10-13周对车架进行有限元分析并作出优化。

第14-15周写毕业论文，做毕业答辩。

七、参考文献

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[9] Dr.R.Rajappan, M.Vivekanandhan. Static and model analysis of chassis by using FEA. Proceedings of the National Conference on Emerging Trends In Mechanical Engineering，2013，2：252～270

摘要 I

ABSTRACT II

1 绪论 1

1.1车架总成概述 1

1.2国内外研究情况及其发展 2

2 车架总成设计 6

2.1参考车型及其参数 6

2.2车架类型的选择 6

2.3车架设计的技术要求 11

2.4车架的轻量化 13

2.5车架的参数设计 13

3 车架的有限元静力学分析 19

3.1车架几何模型的建立 19

3.2车架有限元模型的建立 19

3.3车架的静力学分析 21

3.4 基于静力分析的车架轻量化 35

4 车架的模态分析 37

4.1车架模态分析的基本理论 37

4.2车架有限元模态分析结果 39

4.3车架外部激励分析 43

5 总结与展望 46

5.1总结 46

5.2工作展望 46

参考文献 48

致谢 50

附录 51

5.1总结

随着计算机辅助设计技术的发展，ANSYS Workbench 有限元分析的方法越来越被重视，分析的能力也将越来越增强，将为汽车企业降低开发成本，迅速应对市场变化，做出巨大贡献。本文成功应用Workbench 分析福田载重货车车架的4种典型工况下的应力和位移分布，并在此基础上进行结构分析和改进。得到了以下结论：

（1）运用solidworks软件和Workbench 建立车架结构有限元模型，可以缩短前处理的工作时间，提高了有限元分析的效率。

（2）通过对车架的满载弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和横向弯曲工况的静态分析，找出了车架在各种工况下的应力分布、位移变化等，得到了车架的强度、刚度特性。通过分析，车架纵梁的强度和刚度特性很好，可以将其厚度适当减小1～2mm 以减轻整车质量和节省材料。

（3）通过对车架的有限元模态分析，得出了车架的前六阶固有频率和

振型，对得到的各阶模态的振型特征进行了说明，为改进车架结构设计提供了理论依据，为进一步建立结构的振动方程，预估系统在外力作用下的响应，为深入研究振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础。

（4）为对车架纵梁进行了轻量化优化提供了参考依据。对设计参数的优化问题进行了初步的探讨，为优化设计在车架结构设计中的应用做了基础性工作。分析结果显示该车架的在超载50%时内部最大应力为233.58MPa，距离所使用的材料B500L的屈服极限（320MPa）还相差比较大，可以在车架整体尺寸上减小1 至2mm，受力较小的部分可以做更大的尺寸优化，也可以选择屈服极限更小的其他钢材，比如更为廉价和通用的Q235号钢（屈服极限为235MPa）。通过优化可以使车架成本降低很多，最大应力和最大变形接近屈服极限值，但在标准负载条件下车架内部应力还是远小于材料的屈服极限。在满足设计要求的情况下，达到了优化车架结构，节约原材料，降低成本的目的，也使得汽车在行驶过程中节省了燃料。

5.2工作展望

车架设计是一个复杂的系统工程，它不但和整车的设计密切相关，而且和生产密不可分。车架设计不但要考虑强度问题，还要考虑刚度问题，既要满足可靠性要求，还要满足平顺性、舒适性要求。设计时还要考虑降重问题，还要关注成本问题，车架设计不但要关注生产工艺的发展水平，还要关注新材料的应用。

从现代车架设计的发展趋势看，车架设计在参照原有设计经验以及对标分析的基础上，还应该重点关注以下几方面问题：

（1）本文在对车架进行有限元强度分析时，计算工况的确定主要是通过相关的规定或者是常用的经验值，而为了获得更加真实的分析结果应当结合动力学软件，比如Adams 等建立整车的多体动力学模型，并且建立不同等级路面的路面功率谱文件，将整车多体动力学分析的结果作为车架有限元强度分析所需要的载荷谱，对车架进行有限元分析。

（2）疲劳失效是车架经常出现的问题，本文只针对车架进行了静态分析和模态分析，而没有对其瞬态响应分析和疲劳分析，因此今后可以在本文所建立的车架有限元分析模型的基础上对该车架进行疲劳分析。

（3）在试验方面，模态试验和电测试验没有在本文中开展，以后在试验条件完善的情况下可以对相应实验进行研究以完善对重型车架的设计研究工作。

（4）本文只是在屈服强度上提出了轻量化改进措施，在以后的研究中，可以从振动和其他材料属性上提出更全面的优化方法。

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