自卸汽车车架设计（精选9篇）
自卸汽车车架设计 第1篇
汽车作为人们平时出行的主要代步工具, 其性能和质量越来越被关注和重视。原来的轿车是没有副车架的, 车桥、悬挂直接安装在车架上。但是如今人们对轿车的稳定性和舒适性的要求越来越高, 副车架这一名词才开始出现, 副车架这一技术逐渐引入到各大车系、车型里。
副车架也被称作是前车桥和后车桥的骨架, 是前车桥和后车桥的主要组成部分之一。副车架并不是完整的车架, 而是用来支承前后车桥以及悬挂的支架, 把前后车桥和悬挂安装在副车架上再与车架相连接, 因此相对于车架习惯上把它称之为“副车架”。减少崎岖不平的路面带给驾驶室的噪声及振动是它的主要功能, 因此特别在高档汽车和越野车上安装更多。以前的汽车是没有副车架的, 它的悬挂系统与车身是直接连接的, 因此, 它们都成为了所谓的散件, 并不是今天意义的构成。随着副车架的不断研究进步, 前后悬挂与副车架先组装成为一个车桥总成, 然后再将它安装到汽车车身上, 这也一定程度提高了车桥总成的可调通用性和适用性。
1 前副车架总体设计方案
1.1 选择前副车架的总体形状
首先要明确了解前副车架功能的设计要求, 也就是不仅要满足汽车总结构的布置要求, 还要求前副车架具有足够的强度以及适当的刚度来适应各种各样复杂多变的道路环境。
现代汽车上所选用副车架的形状通常有这4种:1) 全框型副车架;2) “元宝”型副车架;3) 多连杆型副车架;4) 扭转型副车架。
综合考虑4种型式副车架的优缺点和适用性等, 选定采用目前市场上使用最多的全框型副车架作为本设计中前副车架的总体形状。因为全框型副车架有很多优点:1) 它的尺寸比其他型式更大, 能支承强动力的发动机;2) 安全系数好, 能吸收一部分碰撞能量, 减少对驾驶室的冲击震动, 提高车厢内人员的舒适度;3) 将它的离地间隙距离设计得比动力总成低, 这对动力总成起到了很好的保护效果。
1.2 前副车架横梁纵梁的截面形状及尺寸的设计
汽车副车架的截面形状一般与汽车车架的截面相同, 采用槽型结构, 如图1所示。它的截面形状及尺寸基本是取决于汽车的车型和种类以及其承受载荷的大小。而对于一般的轿车来说, 也可以用一块腹板即加强板将副车架的截面封闭起来, 以提高其抗扭能力和抗弯能力, 如图2所示。
参照汽车底盘主车架的车架端面尺寸, 选定前副车架的横梁端面尺寸为A1=60 mm, B1=103 mm, C1=3 mm, 即60 mm×103 mm×3 mm;纵梁的端面尺寸为A2=46 mm, B2=70 mm, C2=3 mm, 即46 mm×70 mm×3 mm。腹板即加强板根据实际情况可以补充添加到横梁的左右两端, 因为横梁的两端受扭矩和弯矩较大, 添加后能整体提高前副车架横梁的抗扭能力和抗弯能力。
1.3 前副车架与汽车车身的连接点及连接方式
前副车架与汽车车身的连接点一般是4个或者6个悬置点。通过综合分析, 选择4个悬置点的前副车架, 作为与车身的连接点。
前副车架与汽车车身的连接方式:
1) 用螺栓作为刚性连接。刚性连接虽然可以提高车身的整体刚度要求, 对操纵稳定性有利, 但是对于隔绝路面上传入的振动以及噪声很不利。
2) 弹性的橡胶衬套连接。用这种连接方式能很有效地隔绝路面振动和噪声对驾驶室的传入, 有利于提高驾驶员驾驶的舒适性。因此, 市面上的汽车基本选用这种弹性的橡胶衬套连接方式。
本设计选择弹性的橡胶衬套作为前副车架与汽车车身的连接方式。4个由橡胶衬套组成的与汽车车身的连接点均布在前副车架的4个角上, 一般装有橡胶衬套的连接点设计在前副车架的前后横梁上。
1.4 前副车架材料的选取
副车架的材料各种各样, 常用的有钢材、铝及铝合金、铜合金、镁合金等。现代汽车产业发展的趋势越来越倾向于轻量化设计, 本设计的前副车架决定选取铝合金材质的轻量化设计, 达成平衡驾驶的操控性和舒适性双重目标。
在保证汽车安全性能和强度的基础上, 尽可能地降低整备质量, 能使汽车省油并且能降低排气污染, 这就是汽车轻量化设计。
1.5 前副车架制造工艺的选取
前副车架主要有3种制造工艺:1) 冲压焊接式;2) 金属型铸造成型技术;3) 液压成型技术。
对于发动机前置前驱的轿车, 前副车架是其主要组成部分, 它是发动机的安装托架。因此, 为增加其承载能力, 决定选取目前副车架生产制造上使用较多的冲压焊接方式, 然后把相关的装配子部件焊接到副车架上, 接着再压入连接车身并且安装连接部位上的橡胶衬套, 便可完成整个前副车架的制造。
副车架的制造工艺:冲压→焊接→整形→涂装→装配→总成检验→质量保证。
1) 冲压。副车架冲压加工工序包括落料、成形、切边、翻边、冲孔等。模具的状态和设备的动态精度决定了冲压产品质量好坏与否。加工过程中既要特别注意选用材料的弹性变形对产品质量的影响, 还要注意型材的表面处理方式以提高其耐磨耐粘附性。
2) 焊接。副车架的焊接主要采用二氧化碳气体保护焊和电阻点焊这两种方法。电阻点焊变形比较小, 但是只要能选择合理的焊接工装夹具和正确的焊接顺序, 就基本能保证产品精度。但弧焊则不是这样, 为能够确保精度就必须严格地控制其热变形。判断焊接质量的好坏主要靠选择合适的焊接参数和对焊接过程进行严密的监控, 最后还要选择合理的焊装夹具, 一般保证夹具精度在±0.2 mm以内, 这样的焊接可达性良好, 还要尽量实现全方位最佳的位置进行焊接。
3) 整形。整形是保证副车架有一定的装配尺寸, 还有焊后少量的变形, 因此对其进行一系列孔的精整和开档的相关整形, 整形的精度基本都是以产品图纸要求为标准。
4) 涂装。现在多数采用的是阴极电泳油漆涂装。涂装的主要目的是为了防止表面生锈和提高表面质量。涂层的质量判别主要有4个方面, 分别是涂膜的厚度、粘附性、脆性和耐腐蚀性, 当然不同的产品会有相应的不同质量标准, 但是这种差别很细微, 不是很大。涂膜的特性和化学覆盖膜的特性决定了涂装质量, 主要通过对设备的温度控制以及涂膜的化学成分的监控来实现, 得以保证质量。
5) 装配。副车架的装配主要就是在套筒中压入用来连接车身的橡胶衬套。一般都是采用液压机压装, 其目的是为了不影响到橡胶衬套的特殊性, 压入时还应该使用与橡胶衬套形状互相配合的夹具, 而且为了更方便地进行压入作业, 偶尔也会在压入部位上涂抹润滑油或者润滑脂。压脱力的大小可以用来保证压入橡胶衬套质量的好坏, 它一般是由产品图纸来确定的, 基本是使用大于1~20 k N不等的压脱力。而压入力与压脱力相互调配的关系, 应该在其压入前先进行一遍确认。当检测压入力时, 则可以采取装在压入设备上的传感器来完成。
6) 总成检验。总成检验的主要项目有两个:一个是与客户要求规定相关的装配尺寸;另一个是焊缝表面质量和油漆表面质量, 判断依据主要是有无焊缝缺陷, 有无油漆磕、剥落、碰伤, 有无飞溅等。
7) 质量保证。副车架整个制造工艺流程的过程中, 采用了形状检具检测以及几何尺寸检具的手段, 如测量漆膜厚度的测厚仪、通用量具和综合量具等。另外还有焊点金相试验和产品疲劳试验等设备。而且重要的是制造流程管理上要有一整套相对应的完整的质保体系。
2 前副车架的主要部件及相关子部件设计
前副车架主要部件包括前后横梁、左右纵梁以及相关的子部件, 子部件包括控制臂支架、橡胶衬套、腹板 (加强板) 等。
2.1 前后横梁
前横梁的主要功能是安装汽车的动力总成前悬置;后横梁的主要功能是保证前副车架的扭转刚度和支持动力总成后悬置。
前横梁左右两边最边上的两个20的孔用来连接主车架, 起安装固定以及定位的作用;两边65的大孔用来安装套筒和橡胶衬套的, 作为连接汽车车身的悬置点;两边对称16的孔是用来安装固定腹板 (加强板) ;其他12的孔是用来安装汽车动力总成前悬置的。
2.2 左右纵梁
左右纵梁的主要功能是安装动力总成左右悬置, 与悬架的下控制臂内点相连接。
2.3 控制臂支架
控制臂支架也叫摆臂支架, 是汽车悬架系统中控制臂的支架。汽车的悬架系统是一个重要的总成, 是汽车的车架或者是承载式车身与车桥 (或者车轮) 之间的一切传力连接装置的总称, 由弹性元件、导向机构、减震器3个部分组成。其主要作用是传递作用在车轮和车架之间的力和转矩, 换句话说悬架系统对汽车行驶的操纵稳定性和平顺性有积极的影响。控制臂 (也被称为摆臂) 是汽车悬架系统中的导向和传力元件, 能将作用在车轮上的力传递给车身, 它通过衬套把车轮和车身弹性连接在一起。根据实际情况, 控制臂支架的开档距离一般为30~40 mm, 本设计中取开档距离为36 mm, 并且两个开档面是相互平行的。控制臂支架开档之间的孔为14, 用来安装固定控制臂以及与之相连的衬套和球头。
2.4 橡胶衬套
前副车架的橡胶衬套是用来吸收汽车行驶时的振动, 减少对驾驶室的振动以及噪声的影响, 提高驾驶员的舒适感。这也是副车架能带来良好的舒适性的主要原因之一。为了较好地吸收振动, 还要研究橡胶衬套的软硬以及与前副车架整体的匹配, 当然成本也会因此增加。前副车架连接点上装有橡胶衬套, 其悬挂调校还会有不可避免的矛盾。
橡胶衬套外面包围着套筒, 用来固定安装橡胶衬套, 中间的孔是连接点, 用来连接汽车车身。
2.5 加强板
腹板也被称为加强板, 安装在前横梁的左右两端, 以提高其抗扭能力和抗弯能力。中间16的孔装上螺栓安装在前横梁两端上, 起固定作用。
3 结语
汽车在今天的中国正值井喷式发展时期, 已逐渐成为人们日常出行活动的最重要代步工具, 在人们的生活中扮演着不可或缺的角色。而副车架的研究对提高汽车操纵的舒适性及稳定性尤为重要。本文明确了前副车架的设计要求, 总体设计方案主要包括了前副车架的总体形状、横纵梁的截面形状及尺寸的设计、与汽车车身的连接点及连接方式、材料的选取、型式的选取, 还有前副车架的相关子部件设计, 比如控制臂支架、橡胶衬套和腹板 (加强板) 。
摘要：以前副车架的设计任务与要求为基础, 根据设计目的和方法明确研究主要内容, 制定前副车架总体设计方案。主要包括前副车架的总体形状、横纵梁的截面形状及尺寸的设计、与汽车车身的连接点及连接方式、材料的选取以及型式的选取。其设计思想对今后的副车架发展与研究具有重大意义。
关键词：前副车架,总体设计,部件设计
参考文献
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[5]成传胜.商务车副车架的有限元分析及优化研究[D].柳州:广西工学院, 2012.
[6]刁兴丽.副车架尺寸偏差控制[J].现代零部件, 2014 (1) :81-82.
自卸汽车车架设计 第2篇
基于有限元法的自卸车副车架轻量化设计
介绍了某自卸车副车架的有限元分析、结构优化和轻量化设计,并对优化前后的`副车架进行了强度刚度对比分析,为自卸车的轻量化设计提供了一种设计方法.
作 者：李少东 左t文 韩术亭 作者单位：福田雷沃重机股份有限公司,北京,101400 刊 名：专用汽车 英文刊名：SPECIAL PURPOSE VEHICLE 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：U469.4.02 关键词：副车架 有限元 轻量化浅析摩托车车架的合理性设计 第3篇
关键词：摩托车 车架 合理性设计
前言：摩托车车架是摩托车的主要承载部分，其强度结构一般可以满足设计要求，但是如果结构的其他方面（如刚度等）欠缺考虑，则会严重影响了摩托车的舒适性。车架自身的结构设计对摩托车的震动有很大的影响作用，将摩托车的车架设计与发动机设计相结合是非常必要的。因此本文将针对摩托车车架的结构和模态分析进行研究，从而对摩托车车架的合理性设计做具体的阐述。
1.摩托车车架的结构
摩托车的车架是整车的支撑骨架，大多数都采用的是复杂管和板式焊接的结构，由于车架需要承受发动机和其他部位以及乘员的重量问题，因此对车架的强度有一定的要求，不同对象的车架强度要求不同。在保证车架强度的同时需保证车架的刚度，当车架刚度过低时，车辆受到冲击很容易导致车架变形，但是车架的强度较大又会在某种程度上影响车体的系统弹性，从而影响了整车的舒适性。
车架结构的尺寸要符合整车设计的要求，因为车架的部分构件对摩托车运行的平稳性有很大的影响。以前立管为例，涉及的尺寸问题有前叉倾角、车轮前伸距、两轮轴距等。当前叉倾角较大时，转向过程中方向把手的移动角度会变小；当车轮前伸距较大时，前轮回转的扭力也会变大，车子就会越平稳。在摩托车的高速行驶过程中，会产生转向力、离心力以及车子的颠簸等，这些外部因素都会促使前立管的向侧扭曲。为了更好的抵抗这种扭力，一般的常用方法是使用粗大的管梁和加强杆，通过发动机的两侧延伸至前立管的位置然后进行焊接。
就目前来讲，摩托车的车架主要有三种类型：一是主梁结构式车架，二是菱形式车架，三是托架式车架。主梁结构式车架也称为脊骨型车架，是因为这种车架形式用一根或者两根主梁做为脊骨，一般应用在踏板车中较多；菱形式车架外形与钻石相似，因此其车架又称为钻石式车架，是一种空间结构形式的车架，将发动机横置在钻石形状内，当做车架的支撑点，可以增强车架的强度与刚度，一般应用在道路竞技摩托车中较多；托架式车架外形与摇篮相似，因此又称为摇篮式车架，也是一种空间的结构形式，将发动机安装在摇篮形中，为了更好的保护发动机，钢管支撑在发动机的下面，因此此类车架一般应用于越野车中。
2.摩托车车架动态分析
摩托车车架由各种不同构件构成，结构相对较为复杂。动态特性的分析，可称为模态分析，就是对模态参数的求解过程。此过程有两种有效实现途径，一是实验法，就是根据所测得的数据频响函数估计测量结构上点的动态输入与动态输出的模态参数。二是解析法，通过对结构的几何形状、边界条件和材料的确定，将结构的质量、刚度和阻尼分布用质量、刚度、阻尼矩阵不同的表示出来，借助有限元法，计算模态参数。
3.摩托车车架的合理性研究
3.1.合理的设计总体车架
由于车架的整体设计的合理性关系到摩托车的行车安全和舒适度的问题，因此在车架设计中需要满足车架的强度与适合的刚度、高精度、轻质量、较低的成本、美丽的外观等因素。
3.1.1.足够的强度
足够的强度主要是为了确保摩托车在各种情况下行驶的安全性，这一点对于菱形式车架与摇篮式车架的大排量摩托车很重要。强度不够易引起摩托车的车架断裂，因此车架结构设计的关键因素是保证摩托车车架的足够强度。
3.1.2.适合的刚度与高精度
适合的刚度可以确保摩托车的操纵稳定以及舒适度适中，可以通过选用的车架外径和壁厚以及钢号运用理论公式来计算车架的扭转与弯曲刚度的结果。满足高精度的要求主要是为了保证车辆在行驶过程中的稳定性，车架的左右对称程度，前伸角度，油箱、侧盖、座垫安装位置，踏板车的塑料覆盖件的安装位置等等都需要满足高精度的要求，因此对车架的焊接程序与焊接夹具的研究是十分重要的。合理性的设计车架结构，保证车辆的高精度可以减少车辆装配带来的问题，从而提高了摩托车整车的质量。
3.1.3.质量轻、成本低、外观美
车架设计结构中的必要考虑因素就是质量轻、成本低、外观美，遵循“简而优”的设计理念，追求合理性的设计方案，从而减少不必要的浪费。因此将使用材料、弯曲和切削的加工量尽可能的控制在最小的使用范围内并且减少焊接量是当前合理设计车架的必然要求。
就目前来看，我国的摩托车车架是以钢制车架为主，为了资源的合理再利用，提高摩托车车辆的性能与舒适度，可以考虑加大技术投入引进铝制车架。铝制车架的使用不仅可以促使我国摩托车的整体实力提高，还能推动我国摩托车销售行业的迅速发展。
3.2.合理的结构参数
由于摩托车的动力性能和稳定性能直接受车架的长度与高度的影响，因此在摩托车的设计过程中首先应确定摩托车的整车造型之后再对相应的悬挂方式和车轮形式进行选择，除发动机外的基本空车质量可以确定。在确定的轴距的情况下，发动机与车架之间的相对位置对整车的舒适度有很大的影响，因此在车架的发动机的吊装位置的设计应根据实际的计算数据确定。
3.3.合理的车架工程图
焊接夹具的设计与定位直接受到车架尺寸标注的影响，同时对车架的焊接品质也有很大的影响。在车架的结构设计完成后须绘制车架的二维工程图，此图的准确性将直接影响到其它部件的设计。但由于车架是安装的基本部件，其它部件的尺寸大小依赖于车架的尺寸，因此对于整车结构的理解透彻，才能保证绘制出高品质的车架工程图。
结语：
摩托车车架的合理性设计，不仅可以保证摩托车整车的舒适度，还能保证车辆的行车安全，减少车辆事故的发生。与此同时，在车架设计的过程中，进行强度和刚度校核，可以使车架的舒适性提高以及受到破坏的可能性降到最低。
参考文献：
[1]郝志勇，赵骞.跨骑式摩托车有限元动态特性分析[J].机械设计，2009（2）：98-99.
[2]徐凌，王明贤.模态分析技术在摩托车车架设计中的应用[J].摩托车技术，2010（3）：67-69.
重型汽车的车架总成设计探讨 第4篇
现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架,车架是整个汽车的基体。汽车绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的,如发动机、传动系统、悬架、转向系统、驾驶室、货箱和有关操纵机构。车架的功用是支承连接汽车的各零部件,并承受来自车内、外的各种载荷。
车架的结构形式首先应满足总布置的要求。汽车在复杂多变的行驶过程中,固定在车架上的各总成和部件之间不应发生干涉。汽车在崎岖不平的道路上行驶时,车架在载荷作用下可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形;当一边车轮遇到障碍时,还可能使整个车架扭曲成菱形。这些变形将会改变安装在车架上的各部件之间的相对位置,从而影响其正常工作。因此,车架还应具有足够的强度和适当的刚度。为了提高整车的轻量化,要求车架质量尽可能小。
车架设计尤其显得非常重要,车架总体结构设计要求如下:
1)满足设计任务书中提出的整车总体布置设计要求。
2)结合各公司现有车架,尽可能采用现有车架资源,或在现有车架资源基础上进行局部改进设计。
依据设计任务书中整车总体尺寸参数、货箱尺寸参数、轴距布置尺寸、整车前后悬尺寸、整车最大承载量、车辆使用条件、车辆使用环境等因素进行综合分析,结合平台规划设计来确定车架总体尺寸。
车架总体尺寸设计主要指车架总成外廓形状和尺寸的确定、车架纵梁最大断面尺寸的确定、车架纵梁断面厚度尺寸的确定等。
1、车架最大外宽尺寸确定
车架最大外宽尺寸是指车架上由横梁所固定的左右纵梁腹板间的最大宽度。整车宽度确定后,车架宽度就可以根据车桥轮距、转向桥最大转向角、悬架板簧中心跨距、发动机外廓尺寸等确定。
2、车架纵梁最大断面尺寸的确定
中重型卡车车架纵梁均采用槽形断面结构,其特点是容易成型,抗弯抗扭性能好。纵梁断面尺寸确定应依据车型的最大承载量、用途和使用工况来确定。一般,承载量越大使用工况越差,则需要车架断面尺寸越大,车架断面尺寸分为腹面高度、翼面宽度和断面厚度等三方面。
3、车架长度尺寸的确定
整车长度确定后,车架长度可依据驾驶室长度、货箱长度、前后悬、轴距布置、车辆实际使用情况等来确定,一般情况下,车型总布置确定后,根据整车设计任务书的要求车架长度也就确定了,设计时应遵循表1中所列原则。
4、车架纵梁孔位的确定
车架是汽车上各大总成部件的载体,各大总成是通过车架上的连接孔来进行铆接或螺栓连接来实现的。车架设计过程中,当车型总布置确定后,车架上主要总成的孔位也就确定了。车架纵梁上的孔位除了主要总成部件安装孔外,更多的是一些电器、制动、转向、变速操纵等支架的安装孔,电、气管路固定孔、过线孔,和一些车架加工工艺孔如冲压工艺孔、涂装吊挂工艺孔、铆接工艺孔等。孔位布置的合理与否、孔径的大小规范与否直接影响到整车管线布置的合理性、影响到车架的强度、影响到加工过程工艺性的好坏。
为保证车架纵梁在钻孔后具有足够的强度,在重载工况下不发生断裂等损坏,车架纵梁上的孔位应满足如图1、图2所示的要求:
纵梁上的孔位尽量呈现有规律排列,横向间隔为50、75、100,为25的倍数。可使得如油箱、储气筒等总成位置发生变化时车架也不需要做更改,这样比较容易实现通用化、模块化。设计时,如果总成安装孔位不能满足上述要求,此时应尽量采用跟上述布置要求接近的方式布置,孔间距尽量采用25的倍数,孔径尽量采用同一规格。
5、车架横梁的布置设计
车架横梁和车架纵梁一样是车架的重要组成部分,车架横梁承担着车架所承受足够的扭转刚度、纵向和横向载荷。在车架设计中,应保证车架中后部能承担最大抗扭能力,并由中部至两端逐渐减小,构成等强度梁,这样的横梁布置显得十分重要。为规范平台车架设计,减少车架品种,在车架设计中横梁的布置位置和横梁规格的选用在同系列车架中尽可能一致。
通常,载货车车架装有5～6根横梁,对于不同轴距的车型,横梁数量根据需要增减,对于在前轴与后桥间的横梁、长后悬中的横梁相互间距应尽量接近,一般工程车为800mm～1000mm,公路车型为1000～1200mm。
6、轴距变化时车架的设计
在车架设计时常常会因设计车型轴距的变化而需重新设计车架。设计时需在基础车架某一部位断开后将其拉长或缩短。断开点位置选取应满足基础车架变化最小、基础车型相关子组影响最小为原则,车架断开点的选择应满足表2中的要求:
7、纵梁的强度计算
在车架设计的开始阶段,应对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算,以初步确定纵梁的截面尺寸,这时可作以下几点假设:
(1)纵梁为支承在前后轴上的简支梁;
(2)空车时的簧载质量均布在左、右二纵梁的全长上,满载时的有效载荷Ge则均布在车箱全长上;
(3)所有作用力均通过截面的弯曲中心(忽略不计局部扭转所产生的影响)。如图3所示:
通过力矩平衡计算得前轴支反力为:
驾驶室后端至后桥这一段纵梁的弯矩和剪力为:
可求得静载荷情况下的最大弯矩值Mmax最大剪力的绝对值则产生在后轴线附近处,其值为:
经验表明,汽车在实际使用条件下(动载荷情况下),最大弯矩和剪力约为静载下的1.55倍。同时,考虑到在动载下,车架处于疲劳状态,一般取疲劳系数为1.4,故得动载荷下的最大弯矩为:
而最大剪力为:
Qdmax=14×Qmax
8、纵梁截面尺寸的确定
对于常见的槽形截面梁(如图4所示),可按下式求得其弯曲应力:
在选定板料厚度为t的情况下,纵梁翼面的最大宽度应为:
μ一泊松比,一般取μ=0.3
E--弹性模量,E=2.1×105N/mm2
按上式求得的弯曲应力不应超过纵梁材料的屈服极限σs,纵梁材料一般采用510L,其σs≥345MPa。
由于当纵梁变形时,上下翼面分别受到压缩和拉伸的作用而可能导致翼面断裂。因此,应按薄板理论进行校核,此时临界弯曲应力为:
因此,车架设计非常重要,其是用来连接发动机、驾驶室、动力总成、悬架系统、转向系统、前轴、后桥、油箱等各大总成,保证整车正常行驶性能,以上仅是笔者对重型车车架的初步设计探讨。车架设计过程中,车架总成强度是否能够满足整车可靠性要求,需要进行CAE分析和对车架进行台架试验或通过整车试验来验证车架的可靠性,保证最终能满足整车性能。
参考文献
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自卸汽车车架设计 第5篇
关键词：冲压成形,楔形件,成形工艺,模具设计
如图1所示,楔形件是汽车前悬后车架上的一个重要零部件,工件材质Q235A,板厚t=2mm,工件表面不允许有皱折、波纹、划伤等缺陷。
1 工艺性分析
(1)从零件形状看,该工件为一形状较复杂的成形件,成形关键是两边为直角边形成一个角度,中间压成圆弧形状,且工件圆弧与直角边过渡处不能出现皱纹、波纹、划伤等缺陷。
(2)工件中2-ø10孔,分别位于零件两头,为便于安装,设计为长孔,可安排在成形工艺前,在落料时把孔冲好。
(3)工件相对弯曲半径为3,大于1,该工件可以直接成形,不需要整形工序。
2 模具结构及工作过程
该工件落料冲模按照常规设计,这里只介绍弯曲成形模结构及设计。
通过计算,整套模具总压边力为34t,考虑模具的外形尺寸与机床的匹配性和安全可靠性,选择40t油压机。零件展开形状如图2所示,所设计的弯曲成形模如图3所示。
3 弯曲成形模具设计
后车架楔形件弯曲成形模设计,主要指成形凹模、成形凸模、定位销和挡料块的设计。
1.凹模2.工件展开3.定位销I 4.定位销I 5.第I弹簧6.下模座7.M10螺钉8.M8螺钉9.凸模10.上模座11.挡料块12.凹模侧块13.第II弹簧14.紧固块15.M12螺钉
3.1 成形凹模设计
成型凹模是后车架楔形件弯曲成型模的重要组成部件,直接关系到后车架楔形件的顺利成形。所设计的成形凹模如图4所示。
为保证成形凹模有较高的使用寿命,选用Cr12钢材料,热处理硬度58~62HRC。
3.2 成形凸模设计
成型凸模也是后车架楔形件弯曲成形模的重要组成部件。设计的成形凸模如图5所示。
成形凸模选用Cr12钢材料,热处理硬度58~62HRC。
3.3 定位板设计
为保证后车架楔形件弯曲成形过程顺利进行,下模座设有定位销和挡料块,二者均选用材料45#钢,热处理硬度28~32HRC。
4问题及解决措施
(1)前悬卡箍圆弧处出现波纹或皱纹。后车架楔形件产生波纹或皱纹主要是由于成形凹模圆角半径过小,定位销和挡料板尺寸不合适,导致金属材料成形时流入困难。解决措施为:①增大成形凹模圆角半径,经多次修磨,成形凹模处前端圆角最小半径为R5较合适;②调整定位销和挡料板尺寸。
(2)后车架楔形件两侧表面出现划伤缺陷。其主要原因是成形中金属材料变形剧烈,与成形凹模发生高温粘接现象所致。解决措施:①对成形凹模工作部分表面进行抛光,镀钒处理;②成形前在成形凹模处垫一层塑料薄膜。
通过以上措施,彻底解决了后车架楔形件出现波纹、皱纹、划伤等缺陷问题。
5 结束语
采用上述工艺和模具设计,大大提高了生产效率,而且模具结构简单,设计合理,构思新颖,为同类零件的生产加工提供了借鉴。
参考文献
[1]王再生.冲模设计手册[M].北京:机械工业出版社,1988.
[2]郑家贤.冲压技术与模具设计实用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
自卸汽车车架设计 第6篇
关键词：四轮转向电动汽车车架,SolidWorks,有限元分析,Ansys Workbench,焊接加工
引言
为了应对世界能源紧缺、环境恶化的难题,近年来传统汽车开始向以电动汽车为代表的新型汽车的方向发展[1]。车架是汽车各总成的安装基体,它的功能是将发动机、底盘、车身等总成连成一辆完整的汽车。在行驶中,它不但要承受汽车各总成的质量和有效载荷,而且还要承受行驶时所产生的各种静载荷和动载荷[2]。因而,车架的强度和刚度在汽车的总体设计中显得尤为重要。根据电动四轮转向汽车的结构特点,通过SolidWorks虚拟装配已有的零件,确定了车架的结构形式和基本尺寸,通过Ansys对车架进行有限元分析,确定了车架强度和刚度的合理性,然后加工出了车架,为以后电动汽车车架的设计流程提供了参考依据。
1、车架设计
该四轮转向电动汽车是满载2人,最高车速为40KM/H的微型电动汽车,前、后桥均采用麦佛逊独立悬架,选用齿轮齿条式转向器,制动系统采用盘式制动器;驱动系统为通过车载电源带动电机,前轮驱动。为实现以上功能,必须单独设计该车的车架,并在车架前后部分设计相应的悬架支撑安装点[3],以及各部件的连接点,用以安装底盘各零部件。
该车架为框架式结构,主要由横梁和纵梁构成。该车架长2160mm,宽800mm,轴距1800mm;采用的材料是型号为[8/Q235的槽钢。运用SolidWorks建立各零件的三维模型,在各零件运动不干涉的前提下,确定了车架的具体尺寸,装配后的车架实体模型如图1所示。
2、车架的有限元模型
将SolidWorks建立的车架的三维模型导入Ansys Workbench中,定义分析的类型为static structural。槽钢的材料为Q23 5,对应的Ansys Workbench中默认的材料为structural steel,力学性能参数为:弹性模量E为2e11Pa,泊松比为0.3,密度为7850Kg/m3,屈服极限为235MPa。车架模型通过connection命令,自动成为一个整体,然后通过mesh智能网格,选择粗糙度为coarse,快速而高效的为车架划分网格[4],划分完网格的车架有限元模型如图2所示。
3、车架静态分析
有限元结构静力分析的成熟商业软件很多,但是它们依赖的基本方程都可以表示为:
式中:[K]一经过约束处理的整体刚度矩阵;
{D}—待求解的整体位移向量;
{P}—与待求解的整体位移向量对应的载荷向量。
对车架进行结构分析时,不仅要有网格质量好的有限元网格和符合实际结构的模型,而且还要定义载荷工况和边界条件[5]。
根据车架的工作情况,进行载荷和约束条件的定义。根据静力等效原则,分别将车身,驾乘人员,电池和电机等部件的重量转化为等效载荷施加于车架相应的受力位置上,各部分的质量和约束条件如表1,表2所示。
3.1 车架弯曲工况分析
在定义完载荷和边界约束条件之后,对车架求解,可得到车架总体变形位移和弯曲应力分布图,如图3a,图3b所示。
通过有限元计算弯曲工况时,车架承受的质量和载荷要乘以一定的动载荷系数,方向竖直向下,以模拟汽车在良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况,并进行汽车车架结构的强度和刚度校核。现有的研究表明,在对车架弯曲工况进行模拟时,最大动载荷系数以不超过2.5为宜[6],为了安全起见本文选择动载荷系数为2.5。
从图3位移云图中可看出车架的最大相对位移为0.7634mm出现在横梁上,车架其余位置变形较小,说明车架的刚度能满足设计要求;从图4整体应力云图上可看出加载点应力变化较大,最大值为48.144MPa,远小于槽钢的屈服极限235MPa,说明车架的强度满足使用要求,且有较大的强度裕量。
3.2 车架扭转工况分析
汽车遭受最剧烈的扭转工况一般在低速通过崎岖不平路面时发生。这种扭转工况下的动载,在时间上变化的缓慢,所以惯性载荷很小,最大动载荷系数以不超过1.3为宜。车架的位移云图如图5所示,最大位移发生在悬架支架的顶点上,相对位移为0.54962mm,应加强悬架的强度;应力云图如图6所示,最大应力发生在纵梁和立柱的连接处,应力值为43.048MPa,故应加强连接处焊接的强度。
4、车架模态分析
结构动力学有限元分析的实质就是将一个弹性连续体的振动问题,离散为一个以有限个节点位移为广义坐标的多自由度系统的振动问题,其运动可以表示为:
式中,[M]表示构件的总体质量矩阵;
[K]表示构件的总体刚度矩阵;
{x}表示节点位移列阵;
表示节点位移对时间二阶导数。
式(4-1)的解可以假设为如下形式:
式中,{Φ}为n阶向量;ω是向量Φ的振动频率;t是时间变量;t0是由初始条件确定的时间常数。
将式(4-2)代入式(4-1)得到如下特征方程
求解方程(4-3)可以确定Φ和ω,可以得到n个特征解:
其中,特征值ω1,ω2,…ωn代表构件的n个固有频率,或称为特征频率,并且满足0≤ω1<ω2…<ωn
特征向量Φ1,Φ2,…Φn代表构件的n个固有振型,对应的幅值可以按照下式确定:
这样确定的固有振型又称为正则振型,与固有频率对应的特征向量称为模态形状。当构件振动时,在任意时刻,构件的形状为它的各阶模态的线性组合[7]。
模态分析是动态分析的基础[8],设计电动汽车车架时,不仅需要考虑车架应有的强度和刚度,还需保证汽车合理的振动特性。通过对车架进行模态分析可以掌握车架对激振力的影响,从而发现结构的薄弱环节和不足之处,为车辆的开发提供依据。
运用Ansys Workbench对车架进行了自由模态分析,分析中忽略外部载荷,提取车架的前10阶振型,结果如表3所示。
通过车架结构的模态分析可以看出:
(1)从位移变形看,前10阶最大位移都在10mm以内,表明车架的刚度良好;
(2)自由模态分析的前6阶为刚度模态,频率基本为0,但因为施加了重力约束,频率有所改变,未发生弯曲和扭转变形;从第7阶以后为结构模态,车架在第9阶模态振型中,变形属于弯扭联合作用振型,最大位移虽不大,但振型不光滑。
5、焊接加工
通过虚拟装配确定了车架装配结构的合理性,通过Ansys有限元分析,确定了车架强度和刚度的合理性,之后设计了各个连接点的结构,根据分析所用的槽钢,最后通过焊接加工得到了车架,在悬架支架上设置了加强筋,提高了支架的强度,还加强了危险连接处的焊接强度,车架初步装配结果如图11所示。
6、结语
(1)通过SolidWorks的虚拟装配确定了车架合理的装配结构,选取合适的配件之后,可以进行合理的装配;
(2) Ansys的静态分表明车架的强度和刚度远小于材料的屈服极限,但强度裕量较大,后期有很大的改进和减小自重的空间;车架结构存在应力集中现象,通过在悬架安装点上加加强筋和加强焊接强度的措施,可以使车架的危险点的强度增大;
(3)电动汽车主要是为了适应复杂的城市工况,行驶的路面较平顺,此类路面对汽车产生的外界激振频率一般低于5Hz甚至有的低于3Hz,结构模态的频率大于此频率,不会发生共振;而驱动电机的激振频率一般在20～3000Hz[9],与车架的各阶固有频率有重合,但车架位移变化量不大,所以对乘员的舒适性影响不大。
(4)最后通过焊接加工出了车架的整体结构,采用设计、分析校核、加工制造的试制程序,为以后电动汽车车架的进一步改进制造提供了参考。
参考文献
[1]陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社,2002.
[2]龚微寒.汽车现代设计制造[M].北京:人民交通出版社,1995.8.
[3]邵超城,刘强,龙飞永.纯电动汽车车架设计及有限元分析[J].机械设计与制造,2011(8):39~41.
[4]吕建国,康士廷.ANSYS Workbench 14有限元分析自学手册[M].人民邮电出版社,2013.
[5]刘杨.电动观光车车架结构分析及优化设计[D].吉林大学,2007.
[6]冯国胜.客车车身结构的有限元分析[J].机械工程学报,1999,35(1):91~95.
[7]张阿玲.一种电动汽车车身、车架结构设计及其性能优化[D].山西:中北大学,2012.
[8]黄超群,来飞.重型货车车架模态分析与试验研究[J].山东交通学院学报,2011,19(1):1-4.
自卸汽车车架设计 第7篇
关键词：车架总成,装配工艺,固定装配台,柔性化生产
1 前言
车架作为载货汽车的主要部件,其质量和装配效率直接影响整车产品质量及产能的提升[1]。目前,由于车架产量不断增加、车架品种规格较多等原因,各类车架总成均需混流生产,各整车厂均将车架装配混流生产规划作为重点课题。
本次设计新建10 万辆车架装配车间,在借鉴国内外先进工艺基础上,针对“多品种、小批量、多批次”混流生产要求,应用整线柔性化混流技术,进行工艺分析、设备选型及工艺布局,提高车架产品装配质量,实现混线生产的模式。
2 生产任务和生产纲领
2.1 生产任务
该车间主要承担公司全系列载货汽车车架总成、横梁总成的装配任务以及车架总成检测、返修等工作。
2.2 生产纲领
双班年产10 万辆载货汽车车架总成。
2.3 工作制度和年时基数
工作制度和年时基数见表1。
3 工艺规划
根据产品分块及部件装配顺序,结合生产节拍、装配零部件数量以及工作量进行工艺分析,确定工艺方案、主要设备及各生产线布局后,最终确定工艺平面布置图。
3.1 工艺分析
产品主要包含轻、中、重型三个平台载货汽车车架,主要分为轻型载货汽车、自卸车、牵引车、载货汽车四个系列,各系列产品主要尺寸及产量预计见表2。另外,产品中包含变截面、变宽度的特殊车架(图1),工艺及设备设计时需重点考虑。车架总成主要以铆接为主,螺栓连接为辅。
为满足多平台车型的生产任务,考虑在保证生产任务前提下尽量减少单线生产品种,设置两条车架装配线,设计车架装配A线侧重生产长度为6~12 m的车架总成,B线侧重生产长度为6~10 m的车架总成(表3)。通过分析计算,确定生产线工位数量及生产线长度。
结合车架横梁分总成轮番生产特点,设置一条横梁分装线、设置6 台液压铆接机、旋转式分装工作台、3 套单梁KBK起重机等设备,完成横梁分总成装配任务。
为满足车架修复评审要求,设置车架修复评审区,完成下线车架铆钉修复、车架校直、静态评审检测等任务。设置两处修复区域,A线下线处修复评审区配备12.5 m检测平台、弧焊机、液压铆接机、校正机等设备。B线下线处修复区设置液压铆接机、修复校正机、弧焊机、等离子切割机等设备。
为满足新员工现场培训任务,设置培训线,共三个简易工位,设置2 台地面平板车、6 台液压铆接机,可完成简单车架铆接,主要用于新员工现场培训。
3.2 工艺流程及主要工艺设备
充分借鉴国内外行业先进生产工艺,结合产品装配工作内容及主要设备选型原则,确定车架装配线各工位工艺流程及主要设备配置(表4)。
装配二工位至下线工位7 个工位间采用垂直地面输送链运送车架,输送线变频调速,可实现间歇式和连续式生产。A线输送线84 m,工位间距12 m;B线输送线70 m,工位间距10 m。A线下线车架经电动平移车转运过跨,由桥式起重机吊运至涂装辊床输送系统。B线下线车架直接采用桥式起重机转运至辊床输送系统转送涂装。
3.3 工艺平面布置图
结合工艺分析、生产线方案、工艺流程,采用贯通式直线排列布置,设计车间总长200 m,宽48 m(两个24 m跨),布置A/B两条车架装配线、横梁分装线、车架修复评审区、培训线等,横梁下线及外协件存放尽量靠近上线位置。车间物流组织结合厂内物流,并综合考虑厂内自制零部件与厂外外协件配送路径,车间内设置合理的物流通道,保证物流通畅、快捷、高效。合理布置辅助部门(机电维修室、动力入口等)及办公生活部门(办公室、更衣室等)等辅助场所位置。最终确定工艺平面布置图(图2)。
3.4 仿真优化
通过使用Plant Simulation对本次设计生产线建立模型(图3),对工艺设计方案及生产节拍进行模拟验证,对瓶颈工位的工作负荷进行调整,并在预设多种产品配比下模拟实际生产,得出的综合产能满足规划设计要求。通过工艺模拟仿真,在多产品混流情况下验证了规划产能并可减少投产后繁重的验证工作。
4 关键工艺设备
4.1 固定装配台
固定装配台(图4)包括对车架左右纵梁的夹紧、撑开机构,纵梁支撑机构、固定装配台的基准台面、控制车架对角线的左右定位机构和液压站等组成。装配台前端设有左/右定位装置,利用左/右纵梁腹面的定位孔定位,保证车架总成对角线差值控制在2 mm内。
此次设计时采用了液压系统柔性化控制技术,采用PLC控制直线位移传感器完成定位距离测定,取代传统更换定位块模式。各组定位夹紧机构可以同步动作,也可分体动作,到达指定宽度完成定位。定位调整快速、准确,可实现等宽度、变宽度、变截面等12 种宽度,长度4~12 m,纵梁腹面高度200~320 mm的多品种车架快速切换、精确定位,满足产品质量及柔性化生产的要求。
4.2 反装夹具
车架完成正装正铆后,在进行下翼面铆接时,设计反装夹具(图5)对车架进行夹紧定位,保证车架总成整体尺寸受控,防止出现“八字”梯形车架。反装夹具设置在输送链生产线两侧,共三组夹紧机构,通过PLC控制液压缸实现宽度自动调整,满足全系列产品柔性生产,同时满足反铆夹紧定位精度要求,提高产品质量。
4.3 在线快速检测装置
目前国内对车架总成的测量大多数仍采用米尺、卡尺、专用检测试棒等传统的人工测量方式,测量效率低,准确性差,已经无法满足对车架质量控制的严格要求[2]。为实现车架总成在生产线上实现在线快速检测,此次设计通过设计线上检测系统建立最优测量模型,将大尺寸光笔测量仪引入实际应用,配置专用检测工位。
车架完成装配后,随地面输送链运至检测工位,测量人员通过光笔取点测量(图6)后,系统根据所取点的坐标进行数据组合处理计算,计算出车架直线度、宽度、对角线、梯形、平面度数值,通过对比系统内预设的各项检测数值允许误差,判断车架是否符合设计要求,并形成检测报告,为车架总成装配过程控制、质量分析、问题追踪,提供基础数据。通过此质量保证手段,大大提高了产品的测量精度,有效监控产品尺寸精度。
5 结语
本次设计通过合理的工艺布局以及高柔性化装配夹具等新技术、新设备的应用,实现“多品种、小批量、多批次”混流生产模式,实现10 万辆规划纲领,在提高产品质量的同时,降低了工人的劳动强度,改善了作业环境,社会效益、经济效益显著,达到预期规划建设目标。
参考文献
[1]王祥.浅述重载货汽车架装配线工艺及设备[J],工程建设与设计,2010,(9):89-90.
关于对汽车车架种类的分析 第8篇
1 边梁式车架
边粱式车架是由两根位于两边的纵粱和若干根横梁通过铆接或焊接而连成的坚固的刚性构架。由于边梁式车架便于安装车身和布置总成, 有利于改装变形车和发展多品种车型的需要, 所以被广泛采用。根据汽车型式和结构布置的需求, 纵梁可以在水平面内或纵向平面内做成弯曲的、等截面或非等截面的。纵梁的形式繁多, 有前窄后宽结构、前宽后窄结构和前后等宽结构, 还有平行式结构和弯曲式结构。此外, 在纵梁上还钻有很多装置孔, 用以安装脚踏板、车身、转向器和悬架总成及其支架。
边梁式车架的横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷, 而且还用来支承汽车上的主要部件。通常载货汽车约有5-8根横粱, 分别布置在安装散热器、发动机、驾驶室、传动轴中间支承、备胎架和钢板弹簧的前后支点处。
车架平面形状在前、后车轮处较狭窄, 以获得较大的前轮转向空间。车身中部较宽, 车架中间部分的水平面较低、以便整体装配后, 质心较低。纵梁中低碳合金钢板冲压而成。按使用要求, 纵粱在车辆前、后方向的断面高度小等。横梁用一般槽钢制成, 其布置与车架上主要总成部件的支承有关。大多数横梁为平行式, 少数横梁做成“x”形, 如图1所示, 其目的是为了提高车架的抗扭刚度。这对于短而宽的车架效果较好, 因而小轿车多采用这种结构。
边梁式车架结构简单, 成本低, 抗弯冲强度高, 方便, 故在小轿车及其他车辆上均有采用。将边梁式车架的纵梁向里弯物跨架在两纵粱之间, 构成X形车架, 如图2所示。由于车架承受扭转力矩时, X形梁产生弯曲, 以抵抗扭转作用, 具有较高的刚度, 尤其适合于短而宽的轿车车架。因是X形梁, 导致车身间拱起, 车身底板宽度和高度尺寸增大。
载货汽车车架的前端和轿车车架的前后两端装有横梁式的保险杠, 以防汽车突然发生碰撞时散热器和翼子板等机件受到损伤;对轿车来说, 保险杠还可以起到装饰作用。载货汽车的保险杠上还装有控钩, 以便牵引。有些越野汽车的保险杆后面还装有铰盘, 以便汽车陷入打滑路段时进行自救。载货汽车和部分大型客车行时要拖带挂车, 故在车架的后端一般还装有拖钩。大多数拖钩通过螺旋弹簧与车架横梁弹性相连, 并用加强梁和角撑加固, 它可以在车架平面内绕轴销摆动, 拖钩上边装有防脱装置, 牵引时拖钩具有缓冲、转向和防脱作用。
东风EQl090E汽车车架由两根纵梁和八根横梁铆接而成, 又称梯形车架。由于纵梁中部所受弯矩最大, 为了使应力分布均匀, 同时减小质量, 纵梁制成中部断向最高的不等高槽形截面梁。每根纵梁上都开有数十个安装其他机件的孔。前横梁上装有冷却水散热器, 横梁作为发动机的前悬支座。为降低发动机高度, 改善驾驶员的视野, 横梁均制成下凹形, 在横梁的上面装置驾驶室的后悬置, 在其下面装置传动轴中间支承, 由于传动轴安装位置的需要, 横梁制成拱形, 其余横梁都做成简单的直槽形。后横梁的中部装有拖带挂车用的拖钩部件, 因后横梁要承受拖钩传来的很大的作用力, 故采用角撑加强。拖钩的尾部支承在两个衬套上, 在两个衬套的凸缘间装弹簧, 而在拖钩尾部的端头放有螺母。弹簧用以缓和汽车行驶时所受到的冲击力, 此冲击力可能中主车传到挂车, 也可能由挂车传到主车, 为保持挂车拖架的扛环与拖钩的衔接, 拖钩具有可掀转的锁扣, 其上有带弹簧的锁块, 锁扣可用平头销及井口销固定在闭合位置, 此时平头销穿道锁扣与锁块上相重合的小孔。
解放CAl091汽车的车架与东风EQl090E汽车的车架结构基本相似, 但解放CAl091汽车的车架是前窄后宽的结构, 前部宽度缩小是为了给转向轮和转向主拉杆让出足够的空间, 从而保证最大车轮偏转角度。对于短而宽的汽车车架, 为了降低中心高度和提高车架的扭转刚度, 通常制成前窄后宽, 而后部向上弯曲的车架结构, 且两根横梁制成X型, 故X型车架一般只用于轿车。
2 中梁式车架
中粱式车架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。中梁的前端伸出, 用以固定发动机, 而主减速器壳通常固定在车粱的尾端, 形成断开式后驱动桥。中粱上的悬仰托架用以支承汽车车身和安装其他机件;若中梁是管形的, 传动轴可在管内穿过。
中梁式车架的优点:有较好的抗扭转刚度和较大的转向角, 在结构上容许车轮有较大的跳动空间, 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;中梁式车架的缺点: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。将边梁式车架与车身底部的一部分组合起来的车架。车架底面平坦, 有利于减小空气阻力, 路况差时汽车颠簸也较小, 具有较高的刚度、抗扭反抗弯强度, 适合轿车使均。
用焊接法形成的立体架式结构, 以适用底盘零件和车身安装的需要。这种车架选材轻, 刚度好, 适用于运动型汽车或赛车的单个或小批量生产。
3 综合式车架
由边梁式和中梁式车架联合构成的, 称为综合式车架车架的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, 具有伸出来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。另外, 部分轿车和大型客车取消了车架, 则以车身兼代车架的作用, 即将所有部件固定在车身上, 所有的力也由车身来承受, 这种车架称为无粱式车架, 也可称为承载式车身, 如上海桑塔纳、一汽奥迪100、红旗CA7220、捷达/高尔夫轿车均为无梁式车身。公共汽车及长途大客车, 多数采均全金属承载式车身, 其中大部分是有骨架式, 而无骨架承载式车身在一部分大客车上也有所采用。
参考文献
[1]常青梅.镁合金车架的材料替代设计及服役性能分析[D].重庆:重庆大学, 2010.
基于DOE分析实现汽车车架轻量化 第9篇
关键词：结构优化,实验设计,轻量化
前言
节能、环保、安全是当今汽车工业发展的热点问题。汽车轻量化可以减少汽车启动和正常行驶时的能量消耗,这样一来,不仅能降低油耗,提高资源利用率,还能延长汽车使用寿命。另一方面,汽车轻量化后,减少了汽车的惯性,使得碰撞时需要结构吸收和承受的能量减小,汽车事故所造成的伤害也会减小。
实现汽车的轻量化常采用两种途径:一是结构设计优化,二是应用新型材料。本文主要利用DOE技术队汽车车架结构进行轻量化设计。
近年来工程结构优化的方法得到了迅猛发展,按其设计的几何性质[1],大体可以分为以下三类:
尺寸或参数的优化:其设计变量为板的厚度,梁的截面参数或者材料的弹性参数等。
形状优化[2]:其设计变量可以描述结构设计区域的轮廓或直接表征设计区域。比如说设计一个实心结构,其外形可以由一组偏微分方程描述。最优化的过程就是去找到一个最佳的区域使得这些偏微分分方程得到最好的满足。
拓扑优化:研究物质在一定设计领域,一定的约束条件和优化目标下的最优分布。一般现根据设计需要对初始结构进行拓扑设计,得到拓扑结构后将提取出的结构在进行详细的形状设计和尺寸设计,即在尺寸优化和形状优化中,结构的基本拓扑形式并不改变。由于拓扑优化具有更达设计空间,在车身结构设计中运用非常广泛[3]。另一方面,从20世纪80年代末期以来,涌现了各种关于拓扑优化的方法和理论,主要有均匀法[4],变密度法[1],进化结构优化法[5]。
(1)均匀法[4]:
均匀法的数学和力学推导过程最为严密,其等效的弹性张量的推导过程是基于微元结构中的物质是各向同性的。不同的微元空间结构可以用不同的几何参数描述,附带的设计变量是微元结构的旋转角度。其求解方法一般是采用基于优化准则法。
(2)变密度法[1]:
这种方法假定微元体结构内部的弹性系数为常数,其设计变量是虚拟定义的密度,根据需要采用不同的差值形式:SIMP,弹性模量边界转换法(hashin shtrikman bounds),样条曲线插值,罗伊斯福格特插值(Reuss-Voigt interpolation)等。微元结构弹性系数、单元矩阵刚度随着虚拟密度的变化而变化,通过插值是为了对其进行惩罚,避免拓扑结果出现较多的灰网格(中间密度)。
(3)进化结构优化法[5]:
这种优化方法的概念是逐步从结构中去除效率低的部分,或者是逐步的把物质从强度高的部分向强度低的部分进行转移。
由于拓扑优化一般用于汽车结构的概念设计中,而本文主要针对汽车结构的详细设计阶段,车架结构的截面厚度进行优化。如果将车架结构中所有的厚度变量采用基于梯度的优化算法进行优化设计的话,将会大大增加优化算法的负担和落入局部最优的概率。另一方面,由于采用有限元分析的方法对车架结构进行分析,多次的优化搜索迭代会大大增加计算成本。再者,在工程上去追求绝对的全局最优是没有意义的,因为考虑到实际的制造因素,绝对理想的全局最优是做不出来的,所以对原有结构采用适当的方法一提高其性能是一种合理的设计方式。本文首先采用拉丁超方法在设计空间中样本点,并进行DOE实验分析(Design Of Experiment),然后直接通过结果得到相对最优的设计,该方法具有工程实用的价值。
1、问题的描述
本文的研究对象为某实际车架,目的是使得其在相应的弯曲和扭转工况中,在满足强度约束的前提下,使得结构的体积减小刚度增加。
有限元分析在商业有限元软件ANSYS中进行,其初始结构的示意图如图1。整个结构采用壳单元和梁单元混合方式进行离散,不同类型的单元接触的地方采用节点自由度耦合的方式进行耦合。该有限元模型共计有14022个壳单元,472个梁单元。
本文通过以下方式模拟扭转工况:车架前部的中点处使得Uz的自由度为0;车架后部两处的Ux,Uy,Uz方向自由度为0;在车架前部施加大小均为500N而方向相反的力,并将此力均匀的分配到节点上,具体见图2。
本文通过以下方式模拟弯曲工况:车架前部的左右两个点处固定Uy和Uz方向的自由度;车架后部左右两个点处固定Ux,Uy和Uz方向的自由度;车架中部受到3120N的力以模拟电池的重量,该力平均分配到8个螺钉固定的位置,并平均分配到相应的节点上去;在每个座椅安装处施加大小为650N的力,以模拟人的重量。具体见图3。
本文采用的钢材的参数为杨氏模量210GPa,泊松比0.3和密度7800kg/m3。
2、拉丁超立方抽样
首先设N代表样本数,K代表设计变量数。这个设计空间是K维的。再设矩阵P(N×K维),其中的每一个列中都是{1,2,…,N}的随机排列。并设矩阵P(N×K维),其中的元素为服从(0,1)的均匀分布的随机独立数。这些矩阵被用来形成基本抽样方案,可以有下列矩阵代表:
把矩阵S中的元素sij映射到目标边缘分布可以得到:
其中代表目标累积分布函数关于变量xj的反函数。
于是包含了进行确定性计算的输入数据。
一个关于2个输入变量5个样本的可能的抽样方案见图4[6]。从该图可以看出,样本点分布比较均匀,这是由于LHS的样本方案要求每一行每一列都有样本点。对比与SMC取点方案,如果N个样本点都完全随机取样的话,容易使得有些地方非常集中而有些样本空间完全被忽视。
3、实验设计
本文中的实验设计的输入变量是车架结构中的截面尺寸厚度,其变化范围为其初始值的±50%。其初始值见表1。这些变量(t1,t2,...,t24)为车架结构中的纵梁和横梁的截面厚度。需要关心的输出是结构的体积,弯曲工况的刚度参数和强度参数,扭转工况的刚度参数和强度参数。
在评判某个解最优时,本文先定义了一个目标函数:
其中V代表结构的体积,Uy_max1代表弯曲工况中的相应位移,Uy_max2代表扭转工况中的相应位移,而右上角的*号,代表初始值,其大小分别为V=*17725928mm3,Uy_max1*=2.16mm和
另一方面,由于需要考虑强度因素,本文将新得到的结构中最大应力超过200Mpa的样本直接剔除。
综上所述,最后在分析最优解的时候,实在满足强度因素的前提下,通过加权平均求和的方式,以观察得到最优的解。
4、实现过程
本文采用商业软件Isight将Ansys集合,以实现实验设计。首先采用APDL命令流对设计变量t1,t2,...t24进行参数化建模。并将此命令流存为static.txt。在利用APDL命令流进行参数化建模的过程中,利用宏命令将所要了解的结果输出,并存为result.txt。最后利用Isight解析这两个txt文档,对static.txt进行写入,对result.txt进行读出。而为了对每一组解进行有限元分析得到其结果,需要编写一个批处理命令,用于实现Isight对Ansys的调用。最后Isight的集成图如图5所示。
5、数值结果和分析
针对设计变量,利用拉丁超立方生成了50组点。由于需要满足最大应力不超过200Mpa,且Obj最小,最后获得的最优结果见表2。
优化前后相关变量的对比见表3。由表中可以看出,汽车车架的结构体积有所减小,尽管最大应力有所增加,但仍然在预订的约束边界之内。表2中的单位为:V(mm3),Uy1(mm),Uy2(mm),Eqv1(Mpa),Eqv2(Mpa)和Obj(无量纲)。
6、结论
针对车架结构的优化问题,本文提出了一个简单实用的方法。由于设计变量较多,且车架的分析往往通过有限元实现,故而采用基于梯度或者现代优化算法直接对车架进行优化设计比较耗时。而另一方面,工程中往往希望获得改进的解而非理想的全局最优。为了解决这两个问题,本文提出先对设计变量进行拉丁超立方取点,然后根据所得到的样本进行有限元分析。并对得到的结果进行相应的剔除,最后比较得到最优的解,操作简单,方便适用。
参考文献
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