矿用自卸汽车车架设计

设计试验研究矿用自卸汽车车架设计中环动力北京重型汽车有限公司徐乃镗【摘要】本文主要介绍矿用自卸汽车车架的设计特点和主要参数选择，重点说明车架的受力与强度计算程序。关键词矿用自卸汽车车架设计强度计算纵梁截面选择1矿用自卸汽车车架主要受力和结构型式车架设计是和整车设计有密切联系，它的设计主要包括两方面，即方案选择和设计计算初步设计与设计。在设计前应借鉴同类车型的车架见图1初步确定车架的结构型式，并对受载情况作受力分析。车架的主要作用是承受装载负荷，支撑整车各部件。车架变形分析车架在静动负荷下，产生多种变形，主要是11垂直弯曲变形它是车架纵梁的主要变形，是大梁框架支撑负荷和悬架反作用的结果。其它在汽车行驶中紧急制动，跨越障碍物，静止时翻斗举升，也是车架大梁产生不定弯曲变形的原因。因此设计时应首先考虑弯曲强度与刚度，并以此来选择图1纵梁横截面的形状与尺寸。12车架扭转变形一这种变形主要发生在汽车转向行驶和越过障碍时。此时整体车架围绕着纵向轴线像螺旋似的扭转变形，车架横梁是抗拒这种扭转变形的主要部分。故横梁的截面形状与尺寸选择以及在车架中的形式与固定方式，对提高车架的扭转刚度具有决定性的影响。矿用自卸汽车前悬架处多采用2011年第1期矿用汽车9设计试验研究注意超载量的要求。公路车允许值为2OX，矿山和工地用车允许值为1O；D最高车速和最大爬坡度依据用户和任务书要求。2使用条件A车辆用途为公路用车、公矿两用车、非公路工程用车和矿用汽车；B车辆类型为载重汽车、牵引车和专用汽车。3主要部件位置、外形和它们重心的分布A主要部件有，发动机及其辅助设备、变速器、车桥、驾驶室、转向机、散热器、油箱、电瓶、翻斗和轮胎等见重心计算及轴荷分配；B翻斗形状、容积和位置；C详尽地了解国家强制性法规和行业推荐标准，并细读各总成装配指导要求例如燃油箱不能与排气管和电瓶在一起。车架总体尺寸设计是车架结构的基础，它的设计关系到全局，设计的目标就是解决组成车架各构件间相对关系的合理性，满足车架具有足够的强度和刚度，确保装于车架上的动力与传动系统和各总成能正常工作，并具有节省材料、制造简单、寿命长的优点。矿用自卸汽车和公路用车的车架，通常均为框架式结构，由两根纵梁和若干横梁组成。受力工况也与一般载重汽车相似，唯一不同的就是它的工作环境比一般载重汽车恶劣。因此矿用汽车车架的两根纵梁多为封闭式矩形截面。设计方法也与一般车架设计理论相同，即用最大弯曲的法向应力计算车架纵梁强度，并确定截面尺寸。众所周知，矿山用自卸车毕竟与一般载重汽车不同，车架的力学特征和传力规律也有自己的特殊表2性，在设计过程必须给予重视。矿用汽车的两根纵梁，不再是等高的C型梁，而是等强度变截面的箱形结构，实践证明最优化的封闭截面尺寸条件为B1920T，T1一152T式中T梁腹板厚度；B上下翼板宽度；T梁的上下板厚度。前悬挂处的主横梁，通常为环形龙门框架，其余横梁多用圆形无缝管，目的是增强抗扭刚度。它与纵梁的连接也尽可能采用大过渡圆弧，或用铸钢件，一切都是为了增强车架的抗疲劳扭曲刚度见图2。车架是汽车的脊梁，为了使装在车架上的零部件，尤其是动力与传动部件能正常发挥作用，要求具有足够的强度和刚度。在初期设计阶段，没有资料时，通常是采用经典力学方法简支梁分析法进行计算的。这很难获得精确的解，只能是近似结果。此点我们必须清醒，应采用有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS和ADAMS等，进行模拟计算互相弥补。有条件时用应力测试验证。这里介绍的车架弯曲应力计算，只作为初级选取纵梁截面的基础，为提高它的可靠性，通常用高安全系数满足要求。弯曲应力安全系数为K三三254，扭转剪切应力安全系数为K18425。这里只简单地介绍“整体车架计算理论与弯曲应力的计算方法”，希望能达到抛砖引玉的目的。具体步骤如下1近似地确定整车各主要零部件的重心位置及它们的重量。开始设计时，可依据技术资料提供的参数，或同类车型统计值确定见表2。序号各主要部件名称重量备注和说明1水箱和冷却液包括液压油O82发动机和主要辅助设备65包括离合器和操纵杆3前传动轴O25包括减震联轴器4变速器包括液力缓速器285包括油料5后传动轴包括中间支承O356后桥包括A型架195包括油料和轮胎7前轴包括转向拉杆45包括转向节、车轮及轮胎2011年第1期矿用汽车设计试验研究续表序号各主要部件名称重量备注和说明8前悬架包括减震器369后悬架减震垫2910转向机12包括油料和油箱11车架包括副车架L75包括各种支架、管路与线路12车厢26513驾驶室82包括蓄电池、空滤器等14倾卸部件24包括油料及各种阀类15柴油、液压油箱和储气筒18包括油料16其他小型部件115空载总质量整备质量KGGO一100装载质量W满载质量GA注表中整车重量的百分数只是粗略的统计值，在缺少资料时可供参考。希望有条件时最好使用实际数据。2按适当比例最好为1IO绘制车架草图，后桥非悬挂质量为后桥后悬挂质量一并同时建立初步力学模型，在满足轴荷分配前提下，195291GO一0224GO见表2。标定主要部件的重心位置。整车总悬挂质量为1一00810224GO一3计算悬挂和非悬挂质量，同时设定车架的0695GO载荷分布均布或集中载荷并同步确定作用位置。为简化计算，假定除装载重量外，所有悬挂部件4计算车架作用力和支承反力，并标定作用的重量均匀地作用在二根纵梁上，则每根纵梁承受位置与具体数值见图3A。作用载荷为0695GO2，并假设装载重量为集中载5主要计算车架纵梁的力学性能弯曲、扭转荷作用在每根纵梁上，它的负荷为，作用点的位置和剪切，重点是两纵梁的弯矩，以便确定截面尺寸。类车型绘制初步车架结构草图图3B、C为物矍篙见图3A，按力学关系求出支座反N_0、IJIHJ一一，、BOLRNNB竺绘制简的车ADA架M刀箍载状态，车架承受均布载荷时的R1，ANSYSADAMS性能计算和与模拟计算。同时处时芯术。又微“理局部加强和改进，基本接近设计目标。“22车架纵梁的作用力和支撑反力计算尺LLQLOL3LOL3QLAXL0车架的设计是复杂的，只采用简单的弯曲与扭转强度计算是非常不够的。为弥补不足和考虑动载与疲。FFLOI，1劳影响，建议除在计算中采用较大安全系数K25R一_4外，还应辅以ANSYS和ADAMS模拟计算。这里只R介绍车架纵梁简单的弯曲应力计算，对于扭转和举升QLO一L3等工况，不再赘述，希望达到抛砖引玉之功效。12一QL。“。L依前面各主要部件重量表，进行车架纵梁作用力计算。假设整车的整备质量一GO，装载质量一W前轴非悬挂质量为前轴前悬挂质量3645GO一0081GO见表2。F一挚卜半2装载物料假设为集中载荷，此时支承反力12矿用汽车2011年第1期截面优化比例关系1920G219626L152621562删3_BH326一89H图32011年第1期矿用汽车设计试验研究W1LW2L一0W。一WZW一W一一一IT3车架承受的反力N，N。N一RW一QLO广L3QL。每一L。L。L一LOL。WLRWN222一一后桥油气悬架的支承位置，在静止满载工况时，油气悬架和A形架前端支承点处的支承力设定为P一PSINA；PXPCOSA；F一FCOSO；FSINO静止工况时，PX，它们是平衡的，对车架纵梁不产生弯矩，只有与F具有支承反力P。L3一NZL3一O，P。N2L3IF以L。一NZ口一0，故P一QLOLL3FWL1一AL3LL32F一一QLOLL3FWL1AL3L323车架的剪切力和弯曲应力计算与弯矩图1概述应力计算是车架结构的最后步骤，车架支承反力求得后，就进入车架应力计算程序。传统车架的设计弹论认为危险截面是车架的最大静弯矩处，只要该截面的弯曲法向应力小于材料的许用应力，并具有足够安全系数，就认为车架已满足设计要求。一般工程设计中，只需静动结合，弯、剪、扭兼顾就可以。但这并不完善，在矿用汽车变截面梁中还有一个部位，就是纵梁与前端环形龙门横梁的联接处，该截面承受着较大的扭转与冲击剪应力。从绘制的应力图中，清楚地看出，在设计负荷的作用下，各主要截面内应力的变化规律，从而可获取等强度纵梁的形状尺寸。通常车辆起步、转向、制动等工况下，所引起的纵向和侧向力，对车架产生的各种附加应力和框形的刚性车架影响很小，在初步设计中可不予考虑。但建议采用ANSYS和ADAMS仿真分析，对车架设计合理性与不足给予完善。举升工况的车架应力也需要校核，方法与之相似不再赘述，希望能举一反三。2车架的内力计算车架的剪力和弯矩计算与弯矩图绘制，目的是达到能清楚地看出设计负荷作用下，各截面内力变化规律，从而获取危险断面的尺寸和位置，并达到等强度梁设计功效。车架支承反力求得后，就可以用下列公式获取剪力和弯矩。剪力QQ4F口弯矩M64MQ曲式中Q，Q为A截面或B截面的剪力；，为A截面或B截面的弯矩；FQ为A，B两截面间线负荷Q图的代数和；MO为N，B两截面间剪力Q图形面积的代数和。应用上述公式时注意事项1假设口截面在B截面左侧，则FQ击，当Q向上时为正，向下为负。2车架上的集中力W，和集中力偶M，在口或B截面之左时，向上为正，向下为负，M以顺时针为正，逆时针为负。24车架纵梁的最大截面尺寸计算截面模量计算公式见表3。14矿用汽车2011年第1期2一、，阢一L设计试验研究表3断面形状FW；J1D4I一1IL、LJILLJF2B一HBH。一。H一L1、,NI1LLII已知，求H一厂关系函数关系推荐优化关系B一192020，L一152一282故HH281一H一4，0一一一1W弯一南BH。一。一62OH。一18H一4。一。、2H。216。H。一86432。H11526“2B一丁H236。H一144。又已知一K，一代人后即获取下面关系K254一一訾W弯W弯一一H23682。H144323AS上1924H简化上式得三次方程H。10862H。一3尝144H576S0式中材料的屈服强度；M弯一计算出的纵梁最大弯矩；纵梁的材料弯曲府力K纵粱的寄全系数，通常推荐为254。注的计算方法相同，可依上述程序推演，H一282。25结果说明1纵梁截面模数的推演证明，当车架纵梁最大弯矩满足后，就能依据计算值初步计算出该车架纵梁的截面尺寸。2两纵梁的材料OS与侧板厚度初选后，依纵梁的最大弯矩值M弯，采用三次方程式HS108HZ一3F414432Z1H576。0求其根，就可获取H值。3前悬挂框形龙门梁处与纵梁连接处的H一2350T矿用汽车计算实例空载时每支纵梁的均布载荷与载重量空载时均布载荷Q，Q一一2014KGMM兰2KGMM装载物料时的集中载荷，W一5000025OOOKG支承反力计算一QLOL3QWL22X69026920247725000X68913245KGP一QLOLL广QL3WL1L32X690244004773451Q25000X37114400V4771968450492775000、，477219O440021905567KGF。一25559171371347719992KG2OL1年第1期矿用汽车15设计试验研究各截面的剪切力N1左QLOLL3一一220254050KGNL右一一4050NLWM一一40501324534775718KG式中一堕3477KG48776P琵一5718一QLA一571822687344KGPZ右一344P一34455675911KGFZ左5911一QAL3一WFZ591121713477一15956一一14425KGW尼一一堕一15956KG48770FZ右一一14425FZ一19992144255567KG各截面的弯矩MNL一一1X4050XL。一LL3一一40506902440477一一4100KGMMPZ一一4100十13445718XL一口一一4100303L4400一L713一4044KGMMW一404415911XNL2一4044295551713689一7O71KGM一7071一百114425L2LA一707172125689477一一1339KGM车架截面力学性能计算为了方便计算，车架主要危险断面的截面模量，公式如下矩形断面的截面模量W弯一南BH。一BH。W扭一281B一H一81一一一。_JT_B210MMH841MMHL一546MM120RAM一12MM车辆静止或等速行驶时，在车架上方各种悬挂载荷和载重量垂直作用在车架纵梁上，引起纵梁的弯曲应力，最危险断面主要在物料重心处，即车架的最大断面位置，此处的弯曲截面模量为W弯一南BH。一BH。一击丽O21X0841O186X0801。一5810MM。MW70711057071一一I_一一122NMMK一_385K_2545车轮在不平路面上行驶时，引起车架的扭转，它是通过悬架的支承传递到纵梁，一般在前桥环形龙门梁与纵梁前部的连接处，实践证明这里是纵梁扭转剪切应力的危险断面，此扭转剪切截面模量为一2LB一H一1一2002O210012056400200401980544000431M0431100MM。扭矩M一0631442590878KGM见附录车架图，纵梁宽B。一1260MM一一堕一旦墨垒一W扭43110431211NMMK一一R223K_1825从以上的验算可知，该车所选的纵梁截面尺寸是合理的，其安全系数均在允许范围内，能满足设计要求。该数值与在新加坡新科动力测试结果基本一致，实测的弯曲应力的安全系数为43，扭转安全应力为25。下转第2O页L6矿用汽车2011年第I期设计试验研究液压泵补油。液压泵补油的方式主要有三种定量泵卸荷阀、恒压变量泵、恒压变量泵压差溢流阀。矿用自卸车的举升系统由多级液压缸、举升四功能控制阀和油源组成，由于系统负载较大，而工作压力又不能超过20MPA，再加上举升时间的限制，因而举升系统的流量很大。电传动矿用自卸车的制动分为电制动和机械制动，而机械制动一般采用全液压制动系统，全液压制动系统一般由转向蓄能器供油，并设置2个或者3个制动蓄能器，而且每个制动油路通过单向阀相互隔离，并各自带有制动压力调节阀，来保证在转向蓄能器等元件故障时可以安全的停车。电动轮液压系统实质上是一种保压系统，即由定量泵、单向阀和蓄能器组成的保压系统。在车辆的行驶过程中，双联叶片泵的轴端泵只在举升时才输出大的功率这个时间很短20S左右，其余大部分时间处于卸荷状态，盖端泵在举升时与轴端泵双泵合流，向举升缸供油，在其它时问要么向转向、制动系统供油加载，要么就是卸荷，所以盖端泵在绝大部分时间里处于供