三轮汽车车架结构强度可靠性分析

研究与分析机械研究与应用三轮汽车车架结构强度可靠性分析付志杰甘肃兰驼集团有限责任公司，甘肃兰州730050摘要三轮汽车产品的车架关键涉及到安全问题，车架强度可靠性设计是车辆设计的关键，在研究车架基本结构及可靠性的基础上，建立有限元模型，由数据分析及验证对比得出结论，对车架结构的设计给出了合理建议。关键词可靠性分析；车架结构；三轮汽车中图分类号TH123文献标识码A文章编号10074414201201003002RELIABLEANALYSISOFPROPERTIESOFTHREEWHEELEDVEHICLEFRAMEFUZHIJIEGANSULANTUOGROUPCO，LTD，LANZHOU瑚“730050，CHINAABSTRACTTHEFRAMEDESIGNOFTHREEWHEELEDVEHICLESISAKEYABOUTTHESAFEISSUEITSSTRENGTHRELIABILITYDESIGNISTHEMAINPARTINTHEWHOLEDESIGNBASEDONTHERESEARCHOFTHESTRUCTUREANDITSRELIABILITYFORTHREEWHEELEDVEHICLES，THEFINITEELEMERITMODEISEATABHSHED，ACCORDINGTOTHEDATAANALYSISANDTHETESTDATACOMPARATION，THECONCLUSIONISPUTFORWARDWHICHCANGIVETHEREASONABLEREFERENCESTOTHEDESIGNKEYWORDSRELIABILITYANALYSIS；FRAMESTRUCTURE；THREEWHEELEDVEHICLES1前言车架是三轮汽车的基本架构，是三轮汽车的各个部分相互连接而组成的一个能够完成汽车各项功能的一个整体基础，即将动力系统发动机，操纵系统，行驶系统，承载系统，信号系统都关联在一起，最终组成一台完整的车辆，缺少车架则无法将各系统相互联接，在工作过程中要承受车辆自身重量和发动机运转、承载物体、道路不平等引发的各种动态、静态的千须万变的载荷，起到了脊柱作用。在三轮汽车的设计中保证车架的性能可靠性就成了保证整个三轮汽车驾驶操作中的平稳性、驾驶操作的安全性、承载物体的安全性及舒适性的基本要求，针对三轮汽车的车架性能可靠性方面，笔者用结构强度有限元法对某型车车架的结构性能进行分析，以便为三轮汽车产品的结构可靠性分析及产品的优化设计打下基础。2车架的基本结构现以我公司销售量较大的7YP一1450D2型三轮汽车产品为标本进行分析，该车型的车架设计结构图为边双层直梁结构式，上层直梁主要是用于固定车箱和后桥及驾驶坐位，下层直梁主要是安装发动机和传动系统及部分操纵系统，前部斜梁用于安装固定车辆转向机构。上下直梁及斜梁都用矩形管和钢板焊接而成的不可拆卸分割的一个整体，均一次在焊接胎具上组焊而成，结构如图1所示。设计车架要考虑材料、结构、运载物体方式、轴荷分配及操纵方式等。根据设计与使用的要求，车架应具有足够的强度、具有足够的刚度等可靠性要求，这样才能达到产品使用要求。但过度的强度与刚度要求又造成材料的浪费与成本的增加，因此，车架要有足够的强度及刚度，又要合理的成本，这一矛盾必须合理解决。图1车架结构图3建立有限元模型31结构简化与假设该车架是一种比较复杂的空间薄壁梁结构，使其在有限元模型中真实地反映车架结构是非常困难的，需要进行必要的简化和假设。在确保能如实反映车架结构力学的前提下，做了如下的简化和假设忽略了所有螺纹及工艺孔，因为其易引起网格畸变且对结村I生能影响很小；以直角代替铸造圆角，以减小模型规模；焊接处采用与梁等强度处理；位置接近的杆件结合点，采用适当合并方式处理意见；忽略了一些焊在车架上的附属零件。32网格划分车架的纵、横、斜梁均属于外形比较规则的矩形管梁，可细分为薄板。板的单元能较好的模拟各薄壁梁的弯曲、扭转变形以及接头处的应力状况，计算精收稿日期201LL115作者简介付志杰1961一，男，甘肃张掖人，工程师，主要从事三轮汽车、摩托车产品的开发与研究工作。30机械研究与应用度也比较高，能满足车架结构分析的需要，且与实际单元相比，具有模型规模小，计算效率高的特点，因此采用板单元作为离散单元。结合车架结构的特点，采用四节点单元作为主要离散单元，在杆件连接处等应力集中部位进行网格细化。离散化后的有限元模型包括542个单元和436个节点，其模型如图2所示。图2车架有限元模型图33约束处理与有限元分析车架前部与前轮间为前悬架支撑，用一阻尼单元模拟；后部与后桥间为两组钢板弹簧支撑，分别用两个相同的弹簧阻尼单元模拟如图3所示，由于正常工作时车轮所受的激励通过悬架和板簧传递到车架上，故边界约束点确定在板簧、悬架和车架连接处，将5个连接处的所有移动和转动自由度全部约束掉，去除各种载荷，对车架进行有限元分析J，这样就消除了车架的刚体位移，保证了机架总刚体矩阵的非奇异和结构变形的精确度。图3车架5个自由度约图束图34载荷添加三轮汽车正常行驶过程中，存在3种工况；实车静止、实车牵引、实车制动。为便于与试验数据比较以验证模型，选用实车静止工况进行分析。将作用在机架上的外载荷简化为等效载荷加在机架的相应部位上。车厢的自重及载重以面力的形式加在车架的上层纵梁上，驾驶室及驾驶员的重量也分别以面力的形式加在车架下层的前端纵梁和横梁上，机架自生的重量由系统根据材料的密度以惯性载荷形式加载到结构上，发动机及附属部件的重量以集中力的形式加在发动机的两个支架梁上。添加的载荷如下发动机为HZS1115型的重量为145KG；驾驶员的重量为70KG；车厢重量为190KG；车架重量为210KG；后桥重量为170KG；载重量重量为1500KG由于用户经常在超负荷下使用，所以按设计承载载荷的3倍来计算载重量；其它负荷重量为50KG；以上载荷量合计为2335KG，将此外载载荷简研究与分析化为等效载荷加在机架的相应部位上。4有限元分析及模型验证41静态应力分析用有限元软件对上述模型进行静态应力分析，分析的结果表明车架最大的应力点为261MPA，出现在右上纵梁与第二竖梁连接处，其次为右下层纵梁与前竖梁的连接部位的后部处，为185MPA,再次为前斜梁与下前横梁连接处183MPA,其他部位的均在11MPA左右，上前横梁与上后横梁均在3MPA以下见表1所示。表1有限元分析结果与实测数据比较序号测量位置点第一横梁与纵梁连接处L019649第二竖梁与纵梁连接处26526115第三横梁与纵梁连接处L1812342下层纵梁与前竖梁连接处1921853742车架静载弯曲、扭转试验在车架有限元计算基础上进行车架静态应力测试，以验证有限元模型的正确性。弯曲应力是车架的基本应力，三轮汽车行驶在不平道路上时，产生的这种应力是车架强度的主要问题，根据被测点的应力状态确定布片原则，最后选取36个测点进行静态测试，测试电路和应变片布片方案如图4所示。电里应变片卜叫桥式电路接线盒1动查皇堕堕变H塑堡墨整堡一殛遁麴口图4车架测试电路系统及应变片贴片方案图实测数据表明实测应力分布与有限元分析结果基本吻合，应力值最大偏差不超过LO，有限元模型可用，表1列出了车架部分位置的实测应力和有限元分析对比结果。5结论通过以上的对比结果分析，即可找出满足车架可靠性设计要求的注重关键点位置，因此在以后的设计中要注重对以下关键点的强度设计第二竖梁与上纵梁连接处；下层纵梁与前竖梁连接处；前斜梁与下前横梁连接处等，在满足了这几处的强度性能后即可满足整个车架的性能可靠性设计要求。下转第36页31砥穷与分析机械研究与应用边缘的尖角没有合理处理，导致应力集中。由图8、图9的XOY剖视图可知，螺纹牙槽的第一扣、第二扣、第三扣承受较大应力分布，且应力有减小的趋势，从第四扣到第十一扣的接触部位承受的应力较小，接触区域的应力基本符合实际中前三扣承受较大的应力情况。由应变云图所示，最大的锁模力最大变形02913MM，出现在抱闸机构载荷施加的边缘区域，分析结果基本符合实际情况。332抱闸分离图抱闸分离图如图10、LL所示。一图1O抱闸应力图图L1抱闸应变图333拉杆分离图拉杆分离图如图12、13所示。图12拉杆应力图图13拉杆应变图由抱闸应力应变云图L0、11所示，抱闸最大应力出现在拉杆螺纹接触的边缘区域，局部应力高达166MPA，主要原因是由于抱闸和拉杆接触第一牙型承受较大的轴向拉力，同时网格较粗和边缘的尖角没有合理处理，导致应力集中。由拉杆的应力应变云图L2可知，实际工作状况中由于作用在拉杆上载荷的非均匀分配，导致完全的中心载荷在实际生产过程中是不可能存在的。螺纹牙槽的第一扣、第二扣、第三扣承受较大应力分布，主要是拉杆螺纹和并非单一拉杆直径容易导致截面变化处产生应力集中。从第四扣到第十一扣的接触部位承受的应力逐渐减小，接触区域的应力基本符合实际中前三扣承受较大的应力情况。在7500KN锁模力最大变形02913MM，出现在抱闸载荷施加的边缘区域，分析结果识别薄弱环节，确定了危险截面区域，为拉杆螺纹的改进设计和工程实践提供理论依据。4结论1本文基于有限元数值分析，建立注塑机抱闸机构的有限元模型，并对抱闸机构进行整体结构分析，获得抱闸机构和拉杆螺纹的应力、位移、变形分布情况，识别薄弱环节。2分析过程中，使用面一面接触单元，考虑接触面间的摩擦力，保证了分析过程中数据的可靠性。3通过对对抱闸机构进行有限元接触分析，得到了在锁模工况下抱闸机构最大应力值。拉杆和抱闸的最大应力值均小于屈服应力值，螺栓连接合理、安全。而且利用计算机仿真的方法，可以在设计初期及时地发现问题，减少重复设计的次数，节约开发成本，因此有限元分析对新产品开发具有重要的理论意义和实用价值。参考文献1丁东升计算机辅助注塑机设计关键技术研究D南京东南大学，2OO62ARIESLIHYPERWOS中的ANSYS模板的应用ALTAIRENGINEERINGINNOVATIONINTELLIGENCE3王富耻ANSYS100有限元分析理论与工程应用M北京电子工业出版社，20064谢永和。罗琳撒注塑机拉杆螺纹的应力集中问题设计研究J塑料工业，2001，29424255龚雅萍材料力学测试与有限元分析技术在注塑机拉杆结构分析中的应用J设计与制造，2005215166王勖成有限单元法M北京清华大学出版社，20037赵延召高精密注塑机合模机构的有限元分析与拓扑优化D南昌华东交通大学，2011上接第31页解决以上几处满足强度可靠性的设计要求，在不改变原基本结构设计的前提下，可通过以下两种方法来满足车架的强度可靠性的设计要求加大设计强度系数来满足此处的强度及刚度的要求，但此方法可造成其它处的结构强度严重过剩，且可能因加大结构尺寸而使得整个车架结构空间发生变化，要重新布局设计而改变了原设计结构，同时也加大了材料成本的增加，而使得车辆的质量结构比要求无法达到技术标准要求，增加了工作量；在这些点通过微小的改进设计，即设计增加一些不同的三角加强胁