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论文方法介绍-具有三路自卸系统功能的农用车的车架设计

2021-06-11 10:37:52
作者:杭州千明

  车架是汽车的主要零部件之一。在汽车生产的过程中,大部分零部件都是安装在车架上,车架作为他们的支撑体,保证各部件的正常工作,车架的设计对整车的性能具有重要影响。设计合理的车架,具有足够的强度可以保证在正常受载的情况下,车架不发生变形,保证了行驶过程的安全性;具有足够的刚度可以减少车身的振动和噪声,使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性得以提高。因此,汽车车架的设计十分重要。

  本文首先阐述了汽车车架的基本结构类型并进行了系统分析。根据本次农用车的设计要求和使用情况,与同类型车辆进行分析和比较,得出车架的结构形式,车架材料和制造工艺;结合该款车的主要技术参数确定车架的各项尺寸;对所得车架进行受力分析,完成了主要部件的强度校核,保证车架的设计质量和性能,满足整车的工作要求;使用UG软件对车架进行三维建模,完成车架总成的装配;最后使用AUTOCAD软件制作出相应的二维图纸。

  国内的汽车工业在近几年中不断快速的发展着,与汽车工业有关的产业与零部件产业的发展也随之上升。汽车当中的重要组成部分,汽车车架也得到了相应的发展。生产车架的企业也拥有了一套完备专业的系统来大量地为主机厂生产车架。车架是整个车辆系统中唯一一个直接与大部分零部件相连接的总成,就有点像人体系统中的骨架能支撑连接身体的各个器官那样来控制人体的正常运作,所以说车架对整辆汽车有着至关重要作用。目前市场上车架的种类很多,随着技术的发展,考虑到车辆更好的性能,使用新型材料逐步发展轻量化车架。

  随着我国汽车行业的快速发展,传统以内燃机为动力源的汽车正面临着节能减排、绿色环保等严峻考验,然而以电机来驱动新能源汽车发展面貌日新月异。为应对上述考验,我国汽车行业现已大力研究开发新能源汽车,也由此诞生了很多造车新势力,这就对传统汽车提出了更高的要求,要想在节能减排,低碳出行这一块能够达标,少不了对车架进行更为合理的设计。因此,汽车需要提高自身竞争力就必须积极提升各个总成的设计开发水平,其中在车架这块应把如何提高工作可靠性、如何保证其使用寿命、如何与各零部件配合以及如何实现轻量化等等,已逐渐成为车架未来发展趋势。

  本课题是生产实际类课题,要求结合该款车的主要技术参数确定所设计车架的结构,并完成车架主要部件设计,确保其工作满足整车的性能要求。

  1.1课题的提出及背景

  为了弥补劳动力短缺和增加产量,对各种农业机械的发展和需求正在增加。在许多情况下已经开发了农业机械以提高农业生产率并减少工人的工作量。对于果园,农作物的运输在分工中是劳动密集型的。在本论文中,我将设计一种具有三路自卸系统功能的农用车辆,以满足当前农用运输车辆的需求。该设计负责车架设计部分,从而减轻了农作物运输的劳动强度,促进了中国农业的快速发展。

  1992年我国汽车的年产量达到新高度,第一次超过年产百万这道大门开始,至今汽车保有量接近饱和,汽车的类型、性能等早已丰富多彩,特别是乘用车领域,随着汽车技术的不断成熟,电动化、智能化等词语在汽车界已越来越普遍;在传统燃油车领域,人们对汽车乘坐舒适性的追求从未减弱的同时因能源消耗、生态环保等因素,相关文件指出传统燃油车必须向节能减排、低碳出行方向发展,这就给汽车的各个总成的设计开发提出了新要求,本次设计的农用车采用电力驱动,在农场运输中更加快捷便利,同时车架的设计也尽可能简单,减轻车架重量达到操作简单的目的。

  车架系统极其重要的汽车的组成部分,这是因为它的好坏程度直接关系到整个汽车各个方面的性能(例如操控性,安全性,舒适性等等)。大多数现代汽车的车架是整辆车的骨架。车架支撑连接到汽车上的各种组件,旨在承受汽车内外的各种负载。因此,汽车的总体设计要求车架具有足够的强度和刚度以安装相关的机构,汽车会在运动的过程中保持相对位置变化不大,基本固定,与此同时,车身变形还会以最小的程度发生。车架刚度不足会导致振动和噪音,还会降低乘坐舒适性,转向稳定性和某些机械零件的可靠性。

  应力条件对于车架来说可谓是非常的复杂。如果汽车所在的道路不平坦,则车架也会出现整体扭曲。当汽车行驶时,车架的各个部分在不同的方向上的受力是不同的,具体取决于汽车各部分的载荷及其工作时所受到的各种力,例如制动力,驱动力,转向力等。同时,因为某些已经安装的部件,车架上的安装负载可能很大。

  现今,多亏计算机技术的发展,人们早在产品开发的阶段就可以优先对车架进行有限元分析,它包括但不限于刚度,动、静态应力,以及碰撞安全性,而如何使得它的重量更轻,使用寿命更长,减轻振动和噪声,这些特征还要进一步研究。

  图1.1农用车概念图

  1.2国内外车架的发展现状

  很久以前国内的生产车架的厂家一般都以引进、测绘以及自主发展的形式进行发展。最主要的难题是较低的技术水平,开发模式落后,技术创新不足,计算机辅助设计的应用少。就国内的大部分中小型企业来说,测绘是他们在市场中主要发展的一种模式,并且具有较好的竞争力。但是测绘所需要的技术水平并不是很高,再加上能够提供的资金无法进行深入的研发,开发资金不足,一些小企业或民营企业专门从事市场上比较流行的汽车车架的测绘,制图和仿制,并将其出售给我国不完善的零件市场。这种发展方式不能从根本上提高中国车架产品的发展水平。

  从1960年开始,因为电子计算机技术的不断升级使得有限元方法大范围的运用在工程当中。有限元方法不需要严格简化所分析的结构。它不仅可以考虑各种计算要求和条件,还能够准确的对多种工作的情况进行计算。有限元方法的原理是把拥有无限自由度的连续体通过离散的方式转换成有限数量的元素单位,通过这样的过程简单化问题,变为适合数值解的问题。

  国内汽车车架的设计研究水平还是低于世界先进技术水平较多的。就算是一小部分的有实力的公司创建了属于自己的研发团队与机构,可是这些研发的团队或机构都才刚刚起步,还未开发出什么比较前沿的技术。在如今这个科技快速发展的时代,汽车当中的先进技术不断拓展,大量引进汽车新技术,研究团队质量的不断上升,这些都会帮助我国在设计生产车架取得有效的进步,在汽车零部件的设计与生产技术也不会落后于世界先进水平。

  但是近年来,我国汽车行业的高质量快速发展给我国的汽车车架市场带来飞跃,由于我国汽车产销量一年比一年好、产销量好了自然汽车的保有量也是逐年增加、在满足了国内汽车市场需求的同时还积极出口,扩张了汽车出口市场需求,水涨船高,整车的市场火热就大幅度带动了零部件车架的生产销售,年产量堪称历年来生产高峰。目前我国部分车架生产企业已经具有独立研发、自主制造和快速生产供货能力,汽车行业依然是我国制造工业的代表,所以车架的设计开发依然重要。在相关技术方面,我国完全可以为各种车型配备合适的车架,并且产品的可靠性和寿命等多项重要指标均可与国外产品相媲美。

  在国外,汽车行业很早就把舒适、环保节能作为发展方向,这也预示着国外车架的技术发展到达了一定的先进地步。据相关人士称,汽车行业未来发展的一个方向在以电机为动力源的汽车领域,当下就是考虑如何技术攻关以达到能与新能源车相融合,国外的汽车零部件制造企业正全面过渡转型,车架的创新设计也进入了新时代,为了减轻整体质量,保证新能源汽车的续航里程,不断地采用轻型材料,研发高质量的车架与新能源汽车更好地配对。

  在经济全球化的时代,国外不少车企与国有企业合作,同时也把先进的技术引进国内,结合市场的需求,生产出满足大家使用要求的产品,虽然市场竞争日益激烈,但对国内车架生产企业来说这是挑战同时也是机遇,需要技术改革、生产转型从而缩小差距。

  图1.2轿车车架

  1.3汽车车架的研究意义

  该设计中使用的农用车辆具有复杂的操作条件,并且其应力条件也非常复杂。随着车辆行驶条件(载荷和道路条件)的变化,车架上的载荷也发生很大变化,并且车架成为汽车的主要载荷。工件的质量直接关系到汽车性能的各个方面。而且,在设计车架的过程中,我们还需要对车架主要承重部件进行详细的检查,就比如车架纵梁的强度,在各种工作条件下,都必须要能够使得车架纵梁的弯曲强度满足它所使用的材料的弯曲强度极限,以免车架遭到不必要的损坏。

  在设计用于农用车的车架时,还得仔细选择结构参数,使得车架的质量尽可能地轻,这些不仅关系到汽车车架的使用寿命长短,还会涉及到汽车的动力功能和车辆的安全性。考虑新型车架材料不仅可以有效减车架重量,而且可以扩大行驶距离,提高装载质量,提高农作物运输效率。

  图1.3农用车整装图

  1.4课题研究的内容及设计参数

  1.4.1研究内容

  (1)根据农用车的使用要求,确定车架的基本参数、结构形式和材料类型;

  (2)选择合适的横纵梁连接和其他部件连接方式;

  (3)使用UG软件进行三维建模;

  (4)按照三维模型完成多种状态下的受力分析;

  (5)检验所设计的车架是否符合强度要求;

  (6)完成各零部件工程图纸的制作和分析;

  (6)制定合理的工艺制造方案。

  1.4.2设计参数

  本课题农用车车架的设计参数如下表1.1所示。

  表1.1农用车的设计参数

  总质量

  装载质量

  外形尺寸(长宽)

  2车架的总体设计

  2.1车架的设计要求

  车架一般需要承受来自车内外的各种载荷。为了达到车架的使用要求,接下来将列举出一些在设计车架时所需要到的标准:

  (1)需要足够的强度以防止在各种复杂的应力条件下损坏车架。想要有足够的可靠性和使用寿命就必须需要要有足够的疲劳强度。纵梁要承受非常复杂的应力但是不能让它遭到破坏。除了注意改善不同的应力的分布之外,设计还应避免在同一位置看到不同的峰值应力。

  (2)需要足够的弯曲刚度,保证车架上的各零部件不发生变形以致损坏。选择较大的横截面尺寸和合理的横截面形状(凹槽梁的横截面纵横比通常约为3:1)。

  (3)车架的构造不能太过于复杂,要有优良的加工技术,在生产维修方面要做到简便。

  (4)与悬架导向机构共同完成协调运动的任务,在车辆运作方面,要和转向机构具有一定的配合度。

  (5)为了汽车和地面之间的间隙达到标准,需要对外形尺寸进行合理的设计。

  2.2车架的结构设计形式

  2.2.1车架类型的选择

  边梁式车架、中梁式车架和综合式车架是车架的三种基本结构类型。其中,边梁式车架被广泛应用于各种车型。通过引用类似的模型,阐明了车架设计的技术要求,并选择了车架的特定结构形式。。

  2.2.2边梁式车架

  边梁式车架是随着缓冲技术的发展而开发的板式车架,如图2.1所示。构造横梁和下面的一些横梁,将这些横梁固定在车架上。

  边梁式车架通常是用槽型截面的低合金钢板构成,但有些横截面是Z形或盒形的。根据不同的车辆几何形状和结构布置的要求,纵梁可以在不相同的横截面上具有相同的载荷强度。

  它的横梁主要是支撑汽车的零部件,与纵梁连接确保车架的稳定性。边梁式车架的结构简单,制造工艺要求低,但又具备一定的强度和刚度。该组件可用于改装汽车和开发多种类型的汽车,但是缺点是钢梁的质量很重,车架的重量占了车辆总重量的很大一部分。此外,厚纵梁会穿过整辆车,从而影响车辆的布局和空间利用率,大梁的厚度会提高车架和与其相连的货物厢的地板,从而增加了车辆的重心。边梁式车架广泛用于货运卡车和大多数特种车辆。

  图2.1边梁式车架

  2.2.3周边式车架

  周边式车架与边梁式车架相类似,其结构如图2.2所示。它的特点是前后纵向梁较窄,中央纵向梁较宽。前端的宽度取决于前轮的最大旋转角度,宽度取决于后轮到门槛梁的中心距离。

  车架的前部和中心以及后部和中心通过缓冲臂或扭力箱连接,这些缓冲臂或扭力箱可以使车辆在颠簸道路上平稳运行,并且可以吸收不平坦道路的撞击和减少内部噪音。在这种类型的车架中,由于驱动轴通道在车身地板上形成的凸起并不大,但是门槛很宽。这种类型的车架结构复杂,通常用于中高端车辆。

  图2.2周边式车架

  2.2.4中梁式车架

  中梁式车架,它由多个横梁组成,如图2.3所示。单个脊柱梁,即中心梁,可以是管状的,也可以是整体的,由于它会被贯穿,因此必须采用整体焊接。与其他类型的车架相比,它具有最大的尺寸和较大的上翻空间,并且车架的水平度和通过性较高。通常,脊柱横梁可以充当封闭的屏障。需要高精度,因此不能用于特定应用。

  图2.3中梁式车架

  2.2.5 X型车架

  如图2.4所示,X形车架具有一定的承载能力。这样的效果是,对于沿较短方向定向的车架,将基本矩形横截面的空中轴向横梁布置在沿X方向定向的对称平面上,该对称轴的前端是交叉横梁,前端的横梁用于支撑。后端用于后部安装,后横截面梁对应于多个侧梁,后端用于前部加固。车架的梁位于后排座椅中乘客的腿下方,因此不会阻止其中的板下降。

  图2.4 X型车架

  2.2.6综合式车架

  综合式车架是边梁式车架和中梁式车架的结合,其结构如图2.5所示,同时具备了两种车架的特点,具有较好的强度和刚度,但制造工艺复杂,成本较高,适用于高级轿车上。

  图2.5综合式车架

  综合以上所述可以看出,不同类型的车架都各自具有各自的优点,当然同时也有各自的不足,具体采用哪种类型的车架还需要根据应用对象及其具体要求来进一步确定。

  2.3汽车车架的材料

  根据车辆的使用要求选取合适的工程材料,首先要满足车架强度就必须选择屈服极限和疲劳极限高的材料,如果考虑轻量化就要考虑轻型材料。本次车架需要冲压和焊接,则车架材料应有良好的冲压性和焊接性能。根据对比各项性能,本次农用车采用疲劳强度为=220~260MPa的16Mn钢板制造车架最为合适。

  2.4汽车车架的制造工艺

  在车架横梁和其他零件的生产中,钢板的冷冲压工艺主要用于大型压力机的冲压和成型,以及槽钢,工字钢,硬管等的型材。设计时必须注意选择焊接规范,焊接布局和焊接顺序。卡车的车架大部分是通过冷铆钉工艺组装的。为了确保车架的组装尺寸,需要在组装时进行可靠的定位和紧固,特别是必须确保相关组件在车架上的定位尺寸和支撑点的相对定位精度

  2.4.1铆接工艺

  塑料热铆接技术--用来连接由不同材料制造的制件,使热固性塑料与热熔性塑料制件间实现相互连接,或使塑料制件与金属连接;是利用模塑件上预留固有的塑料铆柱、肋翼、立筋,对应穿过冲压成形金属板结构上预制孔压紧,金属表面凸出部分铆柱(热桩)在受控热融软化后再用特制金属成型铆头压紧冷却重新成型并夹紧,利用特定形状的铆头可以实现塑料铆柱的埋头铆接(齐平铆接)、半球铆接、圆弧翻边铆接、立筋肋条状铆接、机械锻压、折边镶嵌包覆等,实现不同材质的材料机械铆合组装在一起的连接方式,连接部位不易脆化、美观、牢固、密封性好,从而实现结构的最优化设计,充分利用各种材料的机械特性最佳组合,极大地提高整体组件的性能,整体结构耐冲击,从而达到最完美的配合,尤其适合于长期机械振动、环境温度及湿度变化范围大,自然环境极其恶劣的场合。

  图2.6车架铆接工艺

  2.4.2焊接工艺

  为了提高汽车车架焊接工艺技术有效性,在正式开始焊接前要选择适合的结构材料。当前,在对国内汽车车架焊接工艺技术进行研究中发现,适合焊接的车架结构材料主要包括了16Mn和Q235A低合金钢等材料,这种类型的材料不仅可以满足车架结构焊接对于材料的整体要求,而且因为材料整体厚度适当,具有较好的焊接特性,所以实际应用范围较广。在具体操作中,工作人员只需要根据要求科学利用焊接工艺技术,不需要进行多次热处理。所以,焊接操作中出现的裂纹、气泡数量较少,对于技术人员的操作能力要求相对较低。

  (2)焊接方法

  1)车辆架构焊接过程需要考虑到车辆在行驶期间产生的最大动载作用力,所以车架要有较强的刚度。

  2)在车架焊接后期,会产生较大收缩作用力,因此要根据车架焊接过程中的工艺参数,得出最符合车辆整体性能的焊接工艺方法,以便技术人员对于不符合相关标准的部分进行及时地调整。

  (3)工艺流程

  为实现科学有效的汽车车架焊接,工作人员要在工艺技术应用中,确立合理的流程,具体为:

  1)根据汽车车架结构焊接的实际需求,将焊接过程中的变形量作为参考依据,并将总体焊接细化分为多个部分。在操作期间先将零件部分焊接组成小型组合件,之后将数量较少的零部件、小型组合件集成。

  2)为了减少焊接中出现变形问题,可以对出现变形的部分加工中,增加矫形工位,并在焊接期间使用点固焊方法,之后进行对称补焊操作。以机械焊接方法对总体架构进行矫正,如果出现严重变形问题,可以使用加热方法进行矫正。

  图2.7汽车焊接工艺

  3)二氧化碳气体保护焊方法作为一种半自动焊接方法。使用的原材料为二氧化碳气体,是一种比较容易获得的材料,所以焊接成本较低。另外,二氧化碳气体在焊接过程中能实现较强的保护作用,提高生产效率,降低锈蚀、裂纹、氧化问题发生率。

  3汽车车架的受载分析

  汽车的使用条件复杂,应力情况也非常复杂,当汽车的运行状态(车速或路况)发生变化时,车架上的负载变化很大。车架载荷大致可分为以下几种,静载荷、对称的垂直动载荷、斜对称的动载荷、其他载荷。

  综上所述,汽车车架实际上受空间力系统的影响,载荷情况复杂,车架的纵梁和横梁的横截面形状和接缝不同,车架的载荷变得更加复杂。

  4车架的设计

  4.1车架的结构形式

  4.1.1车架结构形式的确定

  本次设计采用梯形车架,它的结构简单,便于安装操作台、电池箱和驱动器,并且具有很强的承载能力和抗扭刚度,符合农作物的运输要求,制造成本低,能够减轻农业发展的压力。

  4.1.2车架纵梁形式的确定

  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。

  从纵梁的侧视图入手,它有着优点与缺点。优点:结构简单,可制造性好;如果横梁的顶面是直的,则床底板将是平坦的,并且垂直梁易于制造。轨道车架上的大多数垂直梁都使用这种类型。当横梁的上表面弯曲时,竖直梁的横截面减小,并且地面的高度相应地减小,这提高了整个车辆的稳定性并且有利于上下车。它用于货车的制造过程极为复杂。

  纵梁的顶部应尽可能笔直,且中心通常较大,两端较小以适应弯矩。也只有全长或相同部分的中央部分和后部部分。根据车辆布局要求,可以使用前端或后端或具有弯曲前端和后端的垂直梁。

  梁的横截面形状有几种,例如凹槽,安装,箱形,管形和Z型(如图3-1所示)。有着高截面,两端低的特点。

  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钢。

  图4.1纵梁形式

  4.1.3车架横梁形式的确定

  横梁连接左右纵梁以形成完整的车架,并确保车架具有足够的扭转刚度。横梁还用于支撑特定的组件。横梁通常由结构和用途不同的多个梁组成。

  (1)前横梁

  位于车架的前端,可以起到防撞的作用,将载荷有效传递给纵梁,达到吸能的目的;同时承担着前端组件的安装要求。

  图4.2前横梁

  (2)元宝梁

  它专门制成宽凹的形状(通常称为铸锭梁),以降低水箱和引擎车架的高度,并改善视觉性能。

  图4.3元宝梁

  (3)中横梁

  通常用作驱动轴的中间支撑。该结构为拱形,可在驱动轴上留出足够的跳跃空间。如果后板簧的前后车架承受较大的力和扭矩,则必须安装具有较大扭转刚度和较宽连接宽度的横梁。

  图4.4中横梁

  (4)后横梁

  由于后梁通常配备有带牵引钩的牵引装置,因此梁为K形,并使用对角撑杆来缩短梁的跨度并部分加固。

  图4.5后横梁

  本次设计的车架有五根横梁,采用截面恒定的笔直形状,每根横梁的结构和应用如下。

  第一个横梁是用于安装控制台的前横梁。第二和第三横梁是用于安装前轮的前轮车架。上下纵梁长度不同,以防止车轮干扰纵向纵梁。将电源箱安装在中央的横梁承受高应力并确保强度。第五根横梁是后部横梁,其将左右垂直梁连接起来形成车架。由于形成,因此车架具有足够的弯曲刚度。

  4.1.4车架纵梁与横梁连接形式的确定

  (1)横梁和纵梁的腹板相连接

  该连接方法的装配简单,容易安装但刚度不足,由于其不会对横梁传递较大的应力,因此通常用于车架的中间横梁。

  (2)横梁同时和纵梁的腹板与任一翼缘(上或下)相连接

  该连接方法的制造过程并不那么复杂,并且由于其提高了连接刚性而被广泛使用。但是,由于作用在车架后端的力通过纵梁传递到前横梁,使车架整体承受较大的载荷。因此,在车架设计的过程时,应将悬架伸长率降至最低,以使受力的点靠近纵向梁的弯曲中心。对于较大的偏心载荷,纵梁可以具有部分封闭的横截面。也可以将横梁扩展为纵梁,并将载荷直接传递至横梁。

  (3)横梁同时和上、下翼缘相连接

  这种连接方式具有良好的倾斜角度,产生良好的倾斜支撑作用,增加了整个车架的强度,并且妨碍了翼尖横梁的正常使用。但是,在该方法中,当梁变大时,梁的截面不能自由地弯曲,产生转矩变大的现象。

  本设计方案中,横梁与纵梁的连接使用铆钉连接和焊接,如图4.6所示。

  图4.6横梁与纵梁的连接形式

  4.1.5车架加强板的布置

  (1)车架加强板的布置位置

  在车架的前部,为了减少的弯曲和扭曲,需要安装加强板,因为车架中间也有最多的水平弯曲,且弯曲和扭曲最大。车架的后部通过悬架支撑固定在车架垂直梁上。因此,前横梁和后横梁受到对悬架车架的反作用力的大力支撑,尤其是对于大型6x4车辆,采用平衡悬架以单点支撑增加前横梁和后横梁的反作用力。为了确保该区域的抗弯强度和抗扭刚度,在设计车架的中央和背面均装有加固板。

  (2)车架加强板的布置方式

  这是因为施加于车架纵梁的下部横梁的应力大而施加于纵梁的上部横梁的应力小。但是,在布置车架加劲扳手时不能考虑这一点,但是在加载荷到上下翼板时,车架会交替加载,从而增强了整个横梁。如果分别增强车架纵梁的不同部分的上,下翼板的强度,则车架纵梁的上,下翼板的强度将不同。对车架造成过早损坏。所以要选择弯曲应力较高的叶板。

  (3)车架加强板形式的确定

  在设计车架加强板时,应特别注意车架局部区域的应力集中,主要是指加强板的端头区域。为了降低应力集中,加强板的端头可采用以下三种设计方式如图4.7。

  a b c

  图4.7加强板端头形式

  本方案设计的加强板采用了“b方式”。

  也就是说,在车架结构的设计中,应考虑车架的车辆布局和公司的生产能力的要求,在车架加固中应考虑横梁的横截面高度,横梁的结构形状,横梁与纵梁的连接方法以及应力计算。合理安排板子,使车架结构符合汽车的要求。以取得更好的经济效益和社会效益。

  4.2车架的尺寸

  4.2.1车架长度的确定

  车架的长度就是纵梁的长度,根据汽车总长为,考虑操作台的安装和堆栈的长度,以及两者间的间隙,满足各部件的安装,可以确定纵梁的长度为。

  4.2.2车架宽度的确定

  车架的宽度是左侧和右侧梁的外侧之间的宽度。发动机的尺寸和转向角度影响车架的前部宽度,车架后部的最大宽度主要由轮胎尺寸和车架外板簧的宽度决定。尝试增加车架的宽度,以提高汽车的横向稳定性。

  通常,车架的宽度是根据车辆整体布局的参数确定的,车辆的整体宽度不应超过2.5m,往往很难同时满足上述要求。车架的宽度设计为:

  (1)将车架做成前窄后宽

  这样的布置避免了车轮与纵梁发生干涉,适用于轻型汽车,轻型汽车和汽车。

  (2)将车架做成前宽后窄

  在大型卡车中,后轴的负荷大,轮胎大,后板簧的宽度大,同时为了安装大型发动机,有必要减小前轮转向角。

  根据农用车车架的结构设计,将载荷设置为300kg,将车宽设置为960mm,因此将车架设计为与前后相同,以简化制造过程。根据车辆宽度和长度要求,此设计车架宽度为654mm。

  4.2.3车辆轴距确定

  在确定车辆的轴距时,必须综合考虑车辆的关键性能,载荷区域和车轴载荷分布。对于小型载货汽车,选取较小轴距有利于车辆的稳定性,保证运输的安全。各类载货汽车的载荷分配范围如表4.1所示:

  表4.1各类载货汽车轴荷分配

  型式空载(%)满载(%)

  42后轮单胎

  42后轮双胎,长,短头

  42后轮双胎,平头

  64后轮双胎前轴后轴前轴后轴

  5059 4150 3240 6068

  4449 51 2530 7075

  4854 4652 3035 6570

  3137 6369 2025 7580

  根据经验公式可得轴距为:

  式中:

  ——汽车轴距,;

  ——堆栈长,;

  ——纵梁后端到后轴之间的距离,;

  ——操作台后端到堆栈前端的距离,;

  ——纵梁末端到堆栈末端的距离,。

  对于这辆农用车,堆栈的尺寸为,这里选操作台后端到堆栈前端的距离为,纵梁末端到堆栈末端的距离为,纵梁后端到后轴之间的距离为。

  所以农用车的轴距为:

  4.2.4堆栈位置的确定

  为防止紧急制动时堆栈可能向前窜动撞击操作台,通常堆栈与操作台之间留有的间隙。为满足汽车的轴荷分配,保证货物运输时车辆的稳定性,选定堆栈与操作台间距离为。堆栈长度为,堆栈后端到后轴的距离为。同时设计了个承重耳来限制堆栈的位置,保证堆栈不发生位移。

  4.2.5车辆的前悬和后悬的确定

  根据车辆的通过角的要求,结合驾驶室的尺寸选取合适的前悬长度;同时比较爬坡的时候,避免车辆后端与地面接触,以及考虑堆栈的长度,得出后悬长度。

  这次设计的农用车辆是小型运输车辆,前悬架的根控制台的长度和每个部件的安装位置设置为前悬架为300mm,后悬架为200mm。

  4.2.6车辆车前、后轮距

  前轮距考虑到前轮是否与纵梁发生干涉,以及转向角度的大小;后轮距根据驱动器的尺寸以及车架宽度,使车轮与传动轴相配合运行。

  本次设计的农用车前轮距比后轮距大,为了避免前轮与纵梁发生干涉,则前轮安装在纵梁外,选取前轮距为;后轮直接安装在驱动器上,驱动器箱安装在纵梁上,所以后轮距与车架宽度相等为。

  4.2.7其他部件尺寸的确定

  其他部件都安装在横梁上,要确定各部件的的尺寸,才能确定横梁的位置上。操作台安装在前横梁和第二根横梁之间,则操作台宽度为;电源箱位于车架底部,其大小要考虑两个电池的大小,选其宽度为;后轮驱动器箱宽度为。

  4.2.8车辆的最大举升角

  确定了最大举升角,对车辆举升状态进行受力分析,才能对车架进行各种状态下的强度校核,保证车架符合强度要求,可以安全使用。

  5车架强度校核

  完成车架的基本设计以后,接下来就是要通过计算得到的载荷来计算强度,通过这样的方式来让其强度与寿命得到保障,在运转的过程中也更加的安全。校核的时候把车架由一个静不定的平面车架结构,简化成为一个位于车架上的静定结构。

  5.1堆栈未举升时车架纵梁的计算

  5.1.1纵梁的弯矩和剪力的计算

  对堆栈未起升时的车架进行受力分析,计算车架纵梁的弯矩,先计算车架前车架反作用力,向后轮中心车架处求矩可得

  …………………………………………………(5.1)

  …………………………………………………………(5.2)

  式中:

  ——前轮中心车架对任一纵梁(左纵梁或右纵梁)的反作用力,;

  ——后轮中心车架对任一纵梁(左纵梁或右纵梁)的反作用力,;

  ——纵梁的总长,;

  ——汽车轴距,;

  ——纵梁前端到前轴之间的距离,;

  ——纵梁后端到后轴之间的距离,;

  ——堆栈长,;

  ——堆栈前端到后轴的距离,;

  ——堆栈后端到后轴的距离,;

  ——空车时的簧上质量,;

  ——满载时有效装载质量,;

  ——重力加速度,;

  其中:

  计算得:

  在计算纵梁的弯矩时,将纵梁分为两个部分,并且可以将每个部分的均匀分布载荷简化为作用在该部分中点的集中力。垂直梁两端弯矩的计算采用弯矩差法,可以大大减轻计算弯矩的负担。弯矩差法认为,在该截面到达该点之前,纵梁端面上的弯矩是该端上所有扭矩的总和。

  (1)操作台段纵梁的弯矩计算

  在该区段内,根据弯矩差法,则有:

  纵梁AB段的剪力和弯矩:

  …………………………………………………………………(5.3)

  ………………………………………………………………(5.4)

  当时,,;

  当时,,。

  式中:

  ——纵梁上某一段截面的弯矩,;

  ——纵梁上某一段截面的剪力,;

  ——截面到前轮中心的距离,;

  (2)操作台后端到后轴段纵梁的弯矩计算

  在该区段内,根据弯矩差法,纵梁某一断面的弯矩为:

  …………………………………(5.5)

  纵梁某一断面上的剪力为该断面之前所有力的和:

  ………………………………………(5.6)

  由上式可知,纵梁的最大弯矩一定发生在该段纵梁内,其位置可采用求对的导数并令其为零的办法得到:

  ……………………………………………………………(5.7)

  将数据代入可得:。

  由上式计算求得纵梁发生最大弯矩的位置,则可求得纵梁受到的最大弯矩:

  纵梁受到的最大剪力则发生在汽车前轴附近,则当时可求得纵梁受到的最大剪力:

  纵梁BC段的剪力和弯矩:

  当时,,;

  当时,,。

  上面仅考虑了在静态载荷条件下汽车纵梁横截面的弯矩和剪力的计算。实际上,汽车在行驶时会承受各种动态负载。因此,汽车行驶过程中实际受到的最大弯矩和最大剪力为:

  …………………………………………………………(5.8)

  ……………………………………………………………(5.9)

  式中:

  ——材料的疲劳安全系数,;

  ——动载荷系数,。

  为了安全考虑,安全系数取最大值,,动载荷系数取,则有:

  5.1.2纵梁截面特性计算

  车架纵梁和横梁截面系数按材料力学的方法进行计算。对于槽形截面,截面系数为:

  …………………………………………………………………(5.10)

  式中:

  ——槽型梁的厚度,;

  ——槽型梁的高度,;

  ——槽型梁的上翼宽度,。

  取,,,则

  表5.1截面系数计算公式

  截面形状

  截面系数

  计算公式

  式中:

  5.1.3弯曲应力的计算和校核

  纵梁断面的最大弯曲应力为:

  …………………………………………………………………………(5.11)

  许用应力为:

  ……………………………………………………………………………(5.12)

  式中:

  ——材料的疲劳极限,对于16Mn材料,;

  将数据,,,代入可得:

  ,

  则有:,即纵梁的弯曲应力不超过材料的许用应力,安全。

  最后,纵向梁的纵向截面尺寸确定如下:t=12mm,h=140mm,b=50mm(经验:纵向梁也应位于高弯矩区域。加强板厚度为4mm,加强板为EC段和CD段)。

  5.1.4临界弯曲应力计算和校核

  如果纵梁在力的作用下变形,它的结构被压缩和拉伸,从而导致断裂。因此,应根据薄板理论进行检查。其临界弯曲应力为:

  ……………………………………………………………(5.13)

  式中:

  ——材料的弹性模量,;

  ——泊松比,对于16Mn,。

  由上式可得:

  将数据,代入可得:,则车架纵梁截面的尺寸满足临界弯曲应力的要求。

  5.1.5纵梁抗弯刚度校核

  应限制纵梁的最大挠度,以确保整个车辆及相关部件正常运行。这需要检查纵梁的弯曲刚度。

  其跨距中间受集中载荷F作用时,梁的挠度最大值为:

  ………………………………………………………………………(5.14)

  式中:

  ——纵梁的截面惯性矩,;

  纵梁的截面惯性矩为:

  ………………………………………………(5.15)

  将数据,,,代入可得:

  根据使用经验和要求,当车架纵梁中间受集中载荷作用时,纵梁的最大挠度不得超过,即:

  ………………………………………………………………………(5.16)

  因此要求:

  …………………………………………………………………………(5.17)

  将数据,代入可得:

  则车架纵梁抗弯刚度校核合格。

  5.2堆栈刚刚举升时车架纵梁的计算

  提升机构启动后,立即需要最大推力,并且支撑装置受到最大的向上力。为了分析此时的升举力,首先要计算起重杆的支撑力,向堆栈后绞支点求距,则有:

  …………………………………………………………………(5.18)

  式中:

  ——举升杆对任一纵梁的反作用力,;

  ——堆栈的质量,;

  ——举升杆到纵梁末端的距离,;

  ——纵梁末端到堆栈末端的距离,。

  将数据,,及其他数据代入可得:

  由车辆Y方向的受力平衡可得:

  …………………………………………………………(5.19)

  所以堆栈在后绞支点对任一纵梁的反作用力为:

  对车架纵梁弯矩计算时,由力矩平衡可得:

  ……………………………………(5.20)

  式中:

  ——操作台的质量,;

  ——除去和的簧上质量,;

  ——操作台后端到纵梁末端的距离,。

  则有前车架反作用力为:

  ……………………(5.21)

  将数据,,代入可得:

  由车辆Y方向的受力平衡可得后车架反作用力为:

  ……………………………………………………………(5.22)

  将数据代入可得:。

  在计算纵梁弯矩时,将纵梁分为三段区域,每一段的均布载荷可简化为作用在该区段中点的集中力。

  (1)操作台段纵梁的弯矩计算

  在该区段内,根据弯矩差法,则有:

  纵梁AB段的剪力和弯矩:

  ……………………………………………………………(5.23)

  ……………………………………………………………(5.24)

  式中:

  ——纵梁前端到操作台后端的距离,。

  当时,,;

  当时,,。

  (2)操作台后端到举升杆段纵梁的弯矩计算

  在该区段内,根据弯矩差法,纵梁某一断面的弯矩为:

  ………………………………………(5.25)

  纵梁某一断面上的剪力为:

  ……………………………………………………(5.26)

  纵梁BC段的剪力和弯矩:

  当时,,;

  当时,,。

  (3)举升杆到后轴段纵梁的弯矩计算

  在该区段内,根据弯矩差法,纵梁某一断面的弯矩为:

  ……………(5.27)

  纵梁某一断面上的剪力为:

  …………………………………………(5.28)纵梁CD段的剪力和弯矩:

  当时,,;

  当时,,。

  从而可以看出,越大,弯矩越小,则车架纵梁的最大弯矩发生在处,考虑动载荷系数和安全系数,则有

  纵梁断面的最大弯曲应力为:

  即纵梁的弯曲应力不超过材料的许用应力,安全。

  5.3堆栈举升到最大角度时车架纵梁的计算

  随着堆栈被提升时,在堆栈中的货物将被倾倒出来,但提升杆的相应的力和在所述车架纵梁的后铰链点的支撑力不能被确定时。所以导致条件不足,它被提升到最大角度不能在简化计算完成。

  但是,计算机技术的进步使建模车架力分析成为可能,从而在堆栈举升过程中模拟车架力,从而使这种分析更加现实。

  5.4车架横梁的校核

  汽车车架的前横梁用作操作台的前支承,汽车的大部分重量由车架的纵梁承载,车辆行驶时,纵梁的这种扭曲就是横梁的弯矩。该梁通常也开槽,钢板厚度为t=6mm,槽钢宽度为140mm。这些数据的选择是由工厂主根据经验方法选择的,但是从这些数据中,通过铆接两种厚度为6mm的槽钢来形成车架纵梁的槽钢。该材料不会在这样的弯矩下有破裂的风险,然后仅由驱动器和电池的重量形成,这样的弯矩足以使梁承受。一般来说,车架横梁不需要检查其弯矩强度。

  6车架主要零件建模

  6.1概述

  本设计中使用的建模软件是UG。UG包括世界上功能最强大,功能最广泛的产品设计应用程序模块。UG的高性能机械设计和绘图功能可在制造设计中提供高性能和灵活性,以满足客户设计复杂产品的需求。该软件功能强大,具有许多组件,主要有三个功能:功能强大,易于学习和使用以及具有创新性。UG提供了多种设计解决方案,以减少设计过程中的错误并提高产品质量。通过在学校学习。通过在校课程的学习,大致掌握了UG的使用方法,而且使用这款软件建模完全符合本次设计的要求。

  其特点有以下几条:

  (1)参数化设计

  (2)基于特征建模

  (3)单一数据库

  (4)直观装配管理

  6.2车架各零部件的建模

  在零件的建模分析中,参数化设计的过程中应用了大量的参数与关系式。大致过程如下:

  (1)输入所选参数,和相关公式

  (2)单独的建立出横纵梁等多个独立结构的模型

  (3)分别对基准轴、基准点以及渐开线等进行建造,同时生成镜像渐开线

  (4)创建第一个梁

  (5)扫描混合

  (6)阵列轮齿

  6.2.1纵梁的建模

  此次设计的模型均采用UG-NX软件建立,纵梁主要尺寸为U型槽钢的尺寸和纵梁长度。确定了相关尺寸后便可进入建模,建模方法有很多,在这里根据其相关的结构及尺寸使用先草图后拉伸等操作进行。建立几何模型如图6.1所示。

  图6.1纵梁

  6.2.2横梁的建模

  与纵梁一样,横梁的几何模型用UG-NX软件建立,考虑到其结构特点并不是很复杂,故同样是采取先画草图后再拉伸的方法来建立三维模型,横梁的建模要考虑销钉孔和纵梁之间的关系以保证装配,以及相关尺寸。建立几何模型如图6.2所示。

  图6.2横梁

  6.2.3前悬及支撑的建模

  所用软件和基本的建模步骤均与其他零件一样,不同之处在于前悬要考虑到安装前轮以及与横梁之间的安装关系,从而确定相关结构以及尺寸,主要有三点,第一点是前轮的轮距高度尺寸,因为前轮与纵轴之间要有足够的空间用来避免运动干涉;第二点就是其与前轮的对应关系,根据前后轮的尺寸保证前后高度一致;第三点就是前悬与横轴的安装关系,保证高度一致需要添加一个合适尺寸的支撑块。故建立几何模型如图6.3和6.4所示。

  图6.3前悬

  图6.4前悬支撑

  6.2.4承重耳的建模

  承重耳的尺寸比较简单,主要考虑其在纵梁上的安装位置,保证堆栈的平衡,以及车辆行驶过程中限制堆栈的位移。故建立几何模型如图6.5所示。

  图6.5承重耳

  6.2.5电池箱和齿轮箱的建模

  驱动系统的尺寸要求,保证不托底和足够的空间安装电池的驱动器,以及连接在横纵梁的位置。故建立几何模型如图6.6所示。

  图6.6电池箱

  图6.7齿轮箱

  6.3车架总成装配图

  将上述各个零件按照设计的位置进行装配,得到车架总成装配图,如图6.8所示。