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基于有限元分析的轻卡基于有限元分析的轻卡 车架设计车架设计 2016 年年 05 月月 I 摘要摘要 根据设计参数，完成了轻型载货汽车的车架设计。车架结构形式是前后等宽的 边梁式车架，其中纵梁和横梁的截面形状都采用槽型，纵梁与横梁通过铆钉连接。 利用 UG NX8.0 完成了车架零件建模及车架装配。利用 Hyperworks 软件对设计车 架进行了满载、启动、扭转工况下的强度分析，以及车架模态分析，确定车架的设 计可靠性。 关键词：关键词：轻型货车，车架设计，有限元分析，UG，Hyperworks II Abstract According to the design parameters, the frame design of light truck is completed. The frame structure is the same before and after the side frame, wherein the cross section shape of longitudinal and transverse beams have adopted groove longitudinal beam and the cross beam are connected through rivets. Using UG NX8.0 to complete the frame parts modeling and frame assembly. Hyperworks software is used to analyze the strength of the design frame under the condition of full load, start and twist, and the modal analysis of the frame to determine the reliability of the frame design. Key words:Light-sized trucks,Trailers design，Finite element analysis，UG，Hyperworks 目录目录 摘要.I Abstract.II 1 绪 论.1 1.1概述.1 1.2 车架的发展.2 2 设计方案论证.4 2.1 参考车型及其参数.4 2.2 车架在实际环境下要面对的 4 种压力.4 2.3 车架设计的技术要求.5 2.4 车架结构的确定.6 3 车架的设计.10 3.1 车架结构形式的设计.10 3.2 车架的受载分析.13 3.3 弯曲强度计算时的基本假设.14 3.4 纵梁的弯矩和剪力的计算.15 4 车架的制造工艺.23 4.1 车架梁的制造工艺.23 4.2 焊接工艺.26 4.3 涂装工艺.27 5 结论.28 参考文献.29 致谢.30 附 录.31 1 1 1 绪论绪论 1.11.1概述概述 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。 本说明书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，出现应力集中现象。所以，应对接头位置和焊接端部进行处理。 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。 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 2 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。 1.21.2 车架的发展车架的发展 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，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 3 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。 4 2 2 设计方案论证设计方案论证 2.12.1 参考车型及其参数参考车型及其参数 详细参数： 车系：轻卡 驱动方式：42 最高车速：95km/h 额定质量：1995kg 整备质量：2910kg 总质量：5100kg 整车长度：6995mm 整车宽度：2270mm 整车高度：2300mm 货箱长度：5200mm 货箱宽度：2110mm 货箱高度：550mm 前轮距：1665mm 后轮距：1525mm 前悬：1085mm 后悬：2095mm 接近角：24 离去角：13 轴距：3815mm 发动机型号：福田康明斯 ISF3.8s4R141 最大功率：105Kw 最大功率转速：2600rpm 最大扭矩：450N.m 最大扭矩转速：1200-2200rpm 最大马力：141 马力 排量：3760mL 板簧片数：9/12 前桥描述：前桥最大允许承载重量 1835kg 后桥描述：后桥最大允许承载重量 3265kg 后桥速比：3.7 2.2 车架在实际环境下要面对的车架在实际环境下要面对的 4 种压力种压力 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。 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。 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。 横向弯曲 2 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。 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。 2.32.3 车架设计的技术要求车架设计的技术要求 为了使车架符合上述功用，通常对设计的车架有如下的要求： 2.3.1 强度要求强度要求 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