说明书大运重卡车架设计

设计说明书大运重卡车架设计学生姓名： 学号： 学 院：_ _专 业：_ _ 指导教师：_ _ 20 年 月大运重卡车架设计摘要 牵引车车架是确保牵引车能够承载一定重量的货物和保证驾驶员安全的主要结构。因此牵引车车架的设计要保证其有足够的强度与刚度，并使其结构布置简单而合理。为了使牵引车车架的设计满足牵引车车架结构规则的要求保证车架具有足够的刚度和强度满足牵引车上各个零部件及总成的安装要求使牵引车车架的制造工艺尽可能的规范和简化，所以从车架的结构选择车架的总布置以及车架的制造工艺三个方面进行统一考虑对牵引车车架进行了设计。在牵引车车架的结构设计完成后，在CATIA软件中进行建模和装配。在检查无干涉后将模型导入ANSYS中，对车架进行了弯曲工况弯扭组合工况弯曲刚度以及扭转刚度的分析。并对分析结果中出现应力集中的部件的结构和尺寸参数进行了改进和优化。从优化后的分析结果可知，车架的应力在合理的范围内变形小刚度也足够大。牵引车车架的强度和刚度都达到了要求。关键词：牵引车，车架，有限元The DAYUN heavy truck frame designAbstractThe tractor frame is the main structure to ensure that the tractor can carry a certain weight of cargo and ensure the safety of the driver. So the design of the tractor frame to ensure that it has sufficient strength and stiffness.but also the structure of the frame should be simple and compact.In order to make the design of the tractor frame to meet the requirements of the rules of the structure of the tractor frame, to ensure that the frame has sufficient rigidity and strength to meet the requirements of the various parts and assembly of the tractor and the assembly of the tractor As far as possible the specification and simplification, so from the frame structure selection, the general layout of the frame and the frame manufacturing process three aspects of the unified consideration of the tractor frame was designed. After the structural design of the tractor frame is completed, the frame is modeled and assembled in CATIA software. After checking the interference, the model is introduced into ANSYS, and the frame is analyzed by bending condition, bending and bending combined condition, bending rigidity and torsional rigidity. And the structure and size parameters of the components with stress concentration in the analysis result are improved and optimized. From the results of the optimized analysis, we can see that the stress of the frame is within the reasonable range, the deformation is small and the stiffness is big enough. Tractor frame strength and stiffness have reached the requirements.Keywords: tractor, frame, finite element目录1 引言11.1 课题研究背景及意义11.2 牵引车车架国内外发展现状11.3 课题研究的主要内容22 牵引车车架的设计32.1 牵引车车架形式的选择32.2 牵引车车架设计的的原则32.3 设计参数32.4 牵引车车架的总体尺寸设计及布置42.4.1 牵引车车架最大外宽尺寸的确定42.4.2 牵引车车架断面尺寸的确定42.4.3 牵引车车架长度的确定42.4.4 牵引车车架横梁的设计及布置52.5 牵引车车架纵梁与横梁连接方式的选择102.6 牵引车车架纵梁孔位布置设计102.6.1 孔径大小尺寸要求102.6.2 孔位工艺性布置要求112.6.3 孔的布置不应影响车架的强度122.7 铆接122.7.1 铆钉孔的中心距离连接板内侧的距离122.7.2 铆钉孔在在纵梁上的布置以及尺寸标注122.7.3 铆钉孔的工艺122.7.4 铆钉孔去毛刺132.7.5 铆钉长度的计算132.8 牵引车车架工艺孔的布置和设计132.9 牵引车车架的尺寸标注14II2.10 牵引车车架的设计技术要求规范152.11 牵引车车架设计的工艺性规范162.11.1 牵引车车架的铆接工艺性要求规范162.11.2 螺栓连接的要求规范162.12 牵引车车架零部件冲压成型的工艺性要求规范162.13 牵引车车架材料的选用172.14 牵引车车架三维模型的建立182.15 本章小结203 牵引车车架的有限元分析213.1 有限单元法的基本思想213.2 有限单元法分析的一般步骤213.2.1 结构的离散化213.2.2 单元的分析223.2.3 整体分析223.3 有限元分析软件ANSYS简介223.4 ANSYS Workbench模块的简介233.5 Static Structural模块简介243.6 对牵引车车架进行有限元分析的模型的建立243.6.1 添加材料信息243.6.2 设置网格参数进行网格划分243.7 对牵引车车架的强度进行分析253.7.1 弯曲工况分析253.7.2 弯扭组合工况分析273.8 牵引车车架的刚度分析303.8.1 弯曲刚度分析303.8.2 扭转刚度分析323.9 本章小结334 结论与展望344.1 全文总结34III4.2 展望34参考文献35致谢37IV1 引言1.1 课题研究背景及意义山西大运汽车制造有限公司是近年来新崛起的民营重卡制造企业，先后开发出了牵引车自卸车载货车等车型。其位于运城的生产基地主要以重卡的生产为主。近年来牵引车越来越受到市场的欢迎。其中大运牵引车系列驱动形式有很多，由于市场的需求，牵引车的设计和生产越来越受到重视。作为重卡牵引车重要的组成部分，车架的设计和制造技术也在不断地发展和创新。车架是牵引车总成中最主要的承载部件，在实际工作中它不仅要支撑牵引车上各部件的主要质量，还要承受发动机的动载荷地面通过减震装置等传来的支反力工作载荷和张紧缓冲力等的作用，因此车架的强度刚度以及动力性能对整车的行驶平顺性振动舒适性安全性及寿命都有很大的影响1。而车架设计的优劣对牵引车的行驶性和安全性有着最直接的影响。使用有限元分析的方法研究牵引车车架的结构和性能，同时在设计时考虑车架的优化，从而在在保证提高整车安全性行驶平顺性和震动舒适性的前提下大大缩短整车的研发周期2。1.2 牵引车车架国内外发展现状 由于限载和计重收费政策的进一步实施，轻量化重卡牵引车越来越受市场和制造厂商的欢迎，近年来国内外许多重卡制造商都已经陆续推出了很多轻量化牵引车，降低卡车车架的重量，将会给卡车用户更多的载货空间。随着高强度新材料在牵引车上的应用越来越多，以及制造水平的提高，市面上已经出现了采用单层车架的车型。中国重汽产品HOWO，采用高强度合金单层纵梁车架，单层车架的采用有效的降低了车架的自重。解放J6p为了降低其自重，同样采用高强度单层钢板车架。除此之外，陕汽09款轻量化牵引和上汽依维柯红岩轻量化杰狮也采用类似的设计，采用单层钢板车架不但重量轻，而且抗扭矩和抗冲击能力较之于传统的双层纵梁车架也都有所增强。采用这样的设计可有效降低整车高度，使牵引车的行驶稳定性得到改善。在不影响牵引车性能的同时，有效减轻牵引车的自重，非常满足市场的需求。在挂车方面，国内采用的结构形式大都是非承载式。在欧洲，已经开始大量采用承载式挂车。承载式挂车不同于传统的非承载式挂车，它没有车架，所以挂车的底部就充当了车架的作用，这就要求其结构的设计和材料的选用要更加合理，当然这种挂车的生产技术要求会更高。因为没有了贯通全车的车架，所以这种挂车较之于传统的非承载式挂车重量减轻了很多，虽然国内已经出现一些冷藏车和箱式挂车采用这种承载式车架，但这种挂车在国内的比例和应用范围都很低。在实际生产过程中，有很多几何形状不规则承受载荷和支撑情况复杂的各种结构及零部件。对于这些零部件传统的经典力学是很难计算出其力学性能的。由于牵引车车架的结构和承受的载荷的复杂性，可以采用有限元分析技术对其进行变形计算和应力分析，这种方法分析得到的结果直观准确，更容易发现结构在设计中存在的不足，可以对产品有针对性的进行优化，有效的减少工程技术人员的工作量。近年来随着计算机软硬件技术的飞速发展以及计算方法的创新，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善，有限元技术在汽车领域分析的问题越来越多样化。有限元技术已经成为汽车设计常采用的手段。马迅等人对车架刚度及模态进行有限元分析，并以总质量为目标，在动静刚度许可的范围内对其纵横梁的截面尺寸进行优化设计3；张铁山等人对轻型汽车车架进行了有限元分析；同济大学的吴宪等使用有限元方法对某新型燃料电池车架进行模态分析4；南昌大学的谢世坤等阐述了动力学分析的理论5；空军工程大学电信工程学院方英武提出了基于边界元的区域分割单元合成方法；的清华大学的桂良进范子杰等通过试验和数值模拟对“长安之星”车架的弯曲和扭转刚度进行了研究6。有限元分析技术已经成为国内外车架设计不可或缺的技术。I.JOHANSSON等人提出一种基于有限元技术的整车分析方法7。1.3 课题研究的主要内容 课题的目标是通过对牵引车车架的组成结构和工作原理的了解设计出大运重卡CGC4251PB32WPD3B型号牵引车的车架，使用CATIA完成车架的建模工作，使用ANSYS对其进行静力学分析验证其可靠性。在满足车架强度和刚度的前提下，降低车架质量达到优化设计的目的。2 牵引车车架的设计2.1 牵引车车架形式的选择目前牵引车采用的大都是边梁式车架，这种车架是由两根纵梁及若干根横梁组成，两边的纵梁和横梁通铆接或焊接固连在一起。基于这种结构原理，边梁式车架在支架的安装和总成的布置上具有很大的灵活性，所以边梁式车架在很多车型上都能得到广泛的应用8。目前牵引车车架有前后等宽式和前宽后窄式这两种结构形式。其中前后等宽式车架工艺简单制造设备投入少成本低不像前宽后窄式车架存在折弯部分的变形应力前后等宽式车架纵梁腹板不存在斜面无需设计特殊的连接支架而且生产效率高，所以选用前后等宽的边梁式车架9。2.2 牵引车车架设计的的原则如果说牵引车像一颗大树，那么牵引车的车架就像大树的躯干，车架上的各个部件就像大树的枝叶。车架起到了连接支撑和承受冲击载荷的作用10。所以在设计牵引车车架的时候，还需要定位发动机半轴油箱等部件的位置。此外在布置横梁时更要考虑各个横梁的位置作用以及横梁的类型。减少不必要的横梁出现的可能，使牵引车车架的结构布置简单而且合理。为了实现以上目标牵引车车架应该根据牵引车车架的结构规则牵引车实际工作时的结构和强度要求来进行设计。2.3 设计参数本课题是对大运CGC4251PB32WPD3B型号的牵引车的车架进行设计，表2.1所示为该型号牵引车的主要设计参数。表2.1 大运CGC4251PB32WPD3B型号牵引车的参数型号CGC4251PB32WPD3B总质量25吨类型牵引车牵引总质量40吨轴距3200+1350mm最高车速120km/h车身长度6.855米排量9.726L车身高度3.515米最大输出功率276kw轮距前轮距2060 mm后轮距1860mm扭矩1460NM整车重量8.84吨额定转速2200RPM2.4牵引车车架的总体尺寸设计及布置 根据任务书中所给大运CGC4251PB32WPD3B车型的总体尺寸参数轴距布置尺寸轮距前后悬尺寸整车总质量以及车辆实际使用环境等进行综合分析，结合实际制造工艺和平台来确定牵引车车架的总体尺寸。牵引车车架的总体尺寸设计包括了架总成的外轮廓形状和尺寸的确定车架纵梁断面厚度尺寸的确定车架上横梁的尺寸及断面厚度的确定。2.4.1牵引车车架最大外宽尺寸的确定 牵引车车架的最大外宽尺寸是指车架上左右纵梁之间的最大宽度。在牵引车设计中车架的宽度可以提高整车的横向稳定性，也会影响到牵引车的转向性，所以车架宽度的选择应当合理。整车的宽度确定以后，就可以通过车桥轮距发动机外廓尺寸转向桥最大转向角以及悬架板簧的中心跨距等确定牵引车车架上纵梁的布置和尺寸。 目前大运重卡牵引车所采用的是前后等宽式车架。大运CGC4251PB32WPD3B型号牵引车前轮轮距2060mm,后轮轮距是1860mm，发动机采用的是潍柴WP10.375型柴油发动机，其尺寸m。在确定牵引车车架宽度的时候，要考虑到车架的纵梁会不会与发动机及发动机上的配件产生干涉。 我国行业标准ZB/TT43003-89规定载货汽车车架宽度一般在700950mm之间，综合分析比较最终确定车架的总宽为930mm。2.4.2牵引车车架断面尺寸的确定目前中重型牵引车的车架纵梁采用都是容易冲压成型，抗弯抗扭的性能优良的槽型断面。纵梁的断面尺寸一般由牵引车的最大承载量来确定，一般牵引车牵引的质量越大则需要的断面尺寸也就越大。车架的断面尺寸主要包括腹面高度断面厚度和翼面宽度三个方面。牵引车在满载工况时，牵引车车架所承受的载荷较大。为保证车架在实际工作的时候，其能够满足使用的要求。同时由于组成车架的部件主要是通过冲压获得，所以结合现有冲压工艺，车架的纵梁的厚度不能过高。从冲压工艺以及车架的刚度和强度这两方面考虑，再结合以往牵引车车架设计的经验，最终确定纵梁采用双层梁结构。最终确定采用30080（8+5）mm的由内衬梁和主梁组成的双层纵梁结构。其中主梁的厚度是8mm，内衬梁的厚度是5mm。车架纵梁的倒角R1=12mm，为保证装配时倒角处不产生干涉，车架内衬梁的倒角R2=12mm。2.4.3牵引车车架长度的确定牵引车的整车的长度确定以后，可以根据前后悬的尺寸轴距布置和实际使用情况来确定车架的长度。设计时应该遵循如下原则：同一平台之间当驾驶室的大小不变时车架的前悬不变；当轴距变化而整车的长度不变时，车架的总长不变；当轴距变化不大且现有车架满足整车布置要求时，车架的总长不变。当大运重卡CGC4251PB32WPD3B的整车车身长度是6855mm，采用的是64的驱动形式，轴距为3200+1350mm，前后悬的长度分别为1430mm和875mm，保险杠的长度为300mm，所以综上计算可得车架的长度为6555mm。2.4.4牵引车车架横梁的设计及布置 牵引车车架的横梁是车架重要的组成部分，横梁的作用是作为牵引车上主要总成的载体，在实际工作中要承受足够的扭转刚度以及来自横向和纵向的载荷。在车架的设计过程中，应保证车架的中后部有较大的抗扭转能力。横梁可以根据其前后顺序命名为第一横梁第二横梁第三横梁等；也可以根据其所处的位置和作用来命名如前横梁后横梁平衡轴横梁传动轴横梁等。横梁的主要作用就是连接左右的纵梁构成一个完整的框架，从而保证车架具有一定的扭转刚度，此外，还可以为安装牵引车的主要总成各种附件以及前后悬架提供悬置点。通常，牵引车车架装有56根横梁，对于不同轴距的车型，横梁的数量会有所增减。横梁的布置应根据牵引车的前后悬的尺寸牵引车的轴距布置发动机的位置和油箱等部件的位置有关11。（1） 第一横梁，也称作管状横梁或前横梁。管状横梁的作用是承载发动机前的散热板，其次起到传递转向摇臂横向力的作用。设计第一横梁时要保证其有足够的刚度，以使其不变形不开裂。圆管梁在发动机前，所以布置时应避开与发动机风扇皮带轮等的干涉。前横梁在同一平台和同一系列的发动机配合时应尽量通用，尽量不要更改。目前的使用的圆管梁尺寸有89和102两种，一般载荷较大工况比较复杂时选102，比如自卸车和矿用卡车，其它类型的卡车选择89。考虑到牵引车工作时车架的受载情况，牵引车的第一横梁选用89的管状横梁。管状横梁的钢管两端焊接有连接板，通过连接板与车架纵梁铆接在一起。连接板和管的厚度均为为6mm，其中连接板的长度为350mm，高为274mm。第一横梁的总长为904mm。根据以上规格设计出牵引车车架的管状横梁如图2.1所示。图2.1 牵引车车架的管状横梁（2）第二横梁，这种横梁的截面形状很像盆形，故也称作盆梁或者元宝梁，它位于前钢板弹簧前支架和后支架之间。它的作用是发动机前悬置的支座。因为发动机的体积大，而且纵向长度长，所以将盆梁设计成U型。设计第二横梁时应保证其有足够的强度和刚度，以保证其在工作时不会轻易的变形或者开裂；满足发动机前支承的位置尺寸要求；在定位其安装位置时避免它与发动机上的部件产生干涉，影响发动机的正常工作；同时横梁底部的上表面与应该和发动机保持足够的距离，使牵引车在正常工作过程中发动机上下跳动时不与之产生干涉，一般情况下间隙的大小不得小于30mm；第二横梁在同一平台和同一系列发动机配合时应尽量通用；盆梁是冲压件，在设计当中应该考虑到冲压工艺性，当拉伸的长度太长应该将梁分成几段分别冲压成型，然后焊接到一起。牵引车车架的第二横梁如图2.2所示。图2.2 牵引车车架第二横梁 （3）第三横梁同样是盆梁，它位于牵引车前钢板弹簧后支架处，此处在发动机后悬置和变速箱辅助支撑的附近，通常位于发动机飞轮壳后变速箱下，此处纵梁的偏心载荷较多而且很分散，所以有必要用盆梁来加强。由于发动机变速箱体积大纵向长度长，故将横梁的整体形状设计成U型，从而可以避开发动机以及变速箱的干涉。同时也可以通过加强发动机变速箱处车架的强度和刚度。在设计第三横梁是应注意第三横梁下部的最低点不得比前轴下底面低，下部上表面应该与发动机和变速箱留有一定的距离间隙从而保证牵引车在工作过程中上下跳动时不与其产生干涉，一般间隙的大小不得小于30mm；第三横梁是冲压件，设计的时候要考虑到冲压成型的工艺性，当拉伸的深度太大的时候需要将横梁分成几段分别冲压，最后焊接成型；盆梁种类较多，同一类型中这种梁有两种，其中一种是用于离合器推式操纵，另一种是用于离合器的下操纵，具体选用哪种类型依据实际情况而定。第三横梁的结构和形式如图2.3所示。图2.3 牵引车车架第三横梁 （4）第四横梁，又称作槽形梁。它的作用主要有安装传动轴的中间支撑，同时又加强了牵引车的车架中部抗扭转的能力。第四横梁一般布置在变速箱的后面，在布置和设计时要尽量避免其与变速箱和传动轴等部件产生干涉；传动轴在第四横梁处的位置相对较高，在设计第四横梁的结构时应该避免其与传动轴产生干涉，对于直接和牵引车变速箱和后桥连接的传动轴，应该考虑传动轴的动态跳动量；横梁的设计在情况允许的时候可以直接与纵梁的腹板相连接，这样可以提高车架的连接强度，但应该避免与纵梁的翼面接触；在同一个平台之间，在现有的横梁满足设计要求的时候，尽量采用现有车架，避免不断增加新的横梁种类。第四横梁的厚度选择6mm。根据规格设计出的槽梁结构和形式如图2.4所示。图2.4 牵引车车架第四横梁 （5）第五横梁，又称作背靠背槽形梁。它的作用与第四横梁一样，都是作为安装传动轴中间支撑的基座，加强牵引车车架中后部的抗扭转能力。在设计背靠背槽形梁的时候，应该避免其与传动轴产生干涉。保证其有足够的刚度和强度，在牵引车工作的过程中使车架的中后部有足够的抗扭转能力，保证牵引车在正常工作的时候牵引车的车架中后部有足够的抗扭转能力；在同一平台之间，牵引车的背靠背槽形横梁梁是通用的。第五横梁的结构和形式如图2.5所示。图2.5 牵引车车架第五横梁 （6）第六横梁，一般采用双后平衡桥车型的车架，后桥处的车架横梁通常叫做平衡轴横梁，也称作飞机梁。平衡轴横梁一般是槽形结构，为了增强其强度，通常是将两个槽形梁铆接在一起，通过上下连接板与车架纵梁连接在一起。 在设计平衡轴横梁的时候要注意，对于牵引车来说平衡轴桥梁处在牵引车工作时还会受到牵引支座的力；平衡轴推力杆的支座固定在平衡轴横梁上，对于装配同一种后桥的车架其平衡轴横梁位置的前后相对于平衡桥的中心是不发生变化的；平衡轴横梁上的推力杆支座上孔的位置是由平衡轴的结构要求决定的，平衡轴不同孔位也是不同的，当横梁的下平面和平衡悬架上平面的距离发生变化的时候要调整孔位的尺寸；平衡轴横梁在工作过程中在承受车架传递的力的同时，还会受到平衡轴推力杆传来的作用力和牵引座传递的力，在设计时要充分考虑到横梁的强度和刚度是否满足要求；在同一平台之间，对于同一型号的后桥，平衡轴横梁是可以通用的；同时作为牵引车的车架，要在平衡轴横梁处的纵梁左右两侧布置固定牵引车牵引座的连接板，平衡轴横梁连接板和牵引座连接板的长度均为1400mm，牵引座连接板的高度为308mm,在布置的时候其高度要高于纵梁上平面8mm。飞机梁的结构和形式如图2.6所示。图2.6 牵引车车架平衡轴横梁 （7）牵引车车架尾梁。牵引车车架的后横梁在车架的尾部，通常为槽形结构。在设计尾梁的时候应保证其有足够的强度；尾梁的高度尺寸应为减公差，以保证其装配性；在同一平台间，对于纵梁高度尺寸相同的车架，要保证尾梁具有很强的通用性。尾梁的结构和形式如图2.7所示。图2.7 牵引车车架尾梁2.5 牵引车车架纵梁与横梁连接方式的选择汽车车架纵梁与横梁连接方式有焊接螺栓连接铆接和拉铆四种方式。其中焊接适用于刚性车架，一般在大型矿用汽车上使用。普通运输车的主车架不采用。螺栓连接的优点是预紧力大，便于上装改装和拆卸，在使用螺栓连接的时候，螺栓由内向外穿使螺母位于车架的外侧，这样可以使管线走向顺畅，避免螺栓磨穿线束还可以保证达到预期的扭矩。铆接的优点是不易脱落，装配效率高，适合大规模的生产要求。拉铆是国外普遍采用的连接方式。 本次设计的牵引车车架，横梁与纵梁主要采用的是铆接工艺，在牵引座与牵引座连接板的连接采用螺栓连接。2.6 牵引车车架纵梁孔位布置设计 牵引车车架纵梁上的孔除了有主要的总成和部件的安装孔之外，还有电器变速操纵制动和转向等的支架安装孔，电器管路固定孔过线孔和一些工艺孔，如冲压工艺孔铆接工艺孔涂装吊挂工艺孔等。由于纵梁上孔的数量较多，孔位的布置和孔径的大小是否合理直接影响到车架的强度影响到加工时工艺性的好坏与否影响到整车的管线布置是否合理。为了使牵引车车架的纵梁孔位规范化，所以在设计的时候要遵循如下的要求。2.6.1孔径大小尺寸要求为了保证牵引车车架上的孔的尺寸大小不影响到牵引车车架的强度，在实际加工时能够配合三面冲孔加工工艺，同时减少孔径的尺寸规格。所以对车架的上孔的尺寸要遵照如表2.2的规范要求。表2.2 牵引车车架上孔的尺寸规范序号孔类别孔径规格1过线控工艺孔3545602线束孔安装固定孔911131517192.6.2 孔位工艺性布置要求由于车架上孔的数量众多，在布置牵引车车架上孔的位置的时候，为了能方便孔的加工，使在进行冲孔和钻孔时不影响到车架的强度，所以制定如表2.3所示的加工工艺性的要求。表2.3 牵引车车架上孔的工艺性规范1冲孔钻孔工艺性冲孔钻孔的时候为了在保证孔的位置精度精度的同时提高钻孔的效率，一般的方法是制作钻孔胎具或钻孔模具。钻孔胎具和冲孔模具一般由上下模板定位装置钻套等组成。在加工孔的时候下模板一般放置在工件的内侧，它能起到支撑工件和落料口的作用。需要注意的是工件到落料口边缘的最小距离不应该小于15mm，同样车架的纵梁孔边缘到内壁的最小距离也不得小于这个值。冲孔钻孔的时候，需要冲头或者钻头与工件要钻孔的表面垂直，所以钻孔的位置尽量不要选择转折处斜面或者圆角处。2铆接螺母连接的工艺性在定位铆钉孔的时候，孔距离周围侧壁和零部件之间的间隙应大于铆钳或者扳手工作的最小距离，通常孔的中心距周围侧壁或者零部件之间的距离不得小于铆钳杆的半径或者套筒扳手的套筒的半径。在安装横梁的部位要留出足够大的空间，防止铆钉和螺栓与横梁产生干涉，防止铆钳或者扳手与横梁产生干涉。2.6.3孔的布置不应影响车架的强度 （1）相邻两孔之间的最小中心距要求 （2.1）式中，L是相邻两孔之间的中心距； d1d2分别是相邻两孔的直径。 （2）孔中心距离上下翼面的最小距离孔的中心距上下翼面的距离L35mm，孔不得破坏圆角。2.7 铆接 铆接的成本低，不易脱落，适合于大规模生产。采用铆接的时候横梁的弯曲刚度取决于铆钉的数目及其布置。2.7.1 铆钉孔的中心距离连接板内侧的距离 为了使铆钉孔的位置影响不到车架的强度，孔中心距连接板内侧的距离遵照表2.4的规范。表2.4 铆钉的中心距离连接板内侧最小距离规范铆钉直径d121416最小距离a2426282.7.2铆钉孔在在纵梁上的布置以及尺寸标注纵梁上的铆钉孔在布置位置的时候要尽量与其腹面的中心线对称，这样才能保证车架在铆接完成之后左右纵梁能够保持平行，防止出现车架左右纵梁不平齐上宽下窄的情况。所有在连接板上的铆钉孔都要标注其距离纵梁上下翼面之间的尺寸值。表2.5 铆钉及铆钉孔直径的规范铆钉直径d121416铆钉孔直径D131517允许偏差+0.3-0.1+0.3-0.1+0.3-0.12.7.3 铆钉孔的工艺 铆钉孔可以通过冲孔或者钻孔工艺获得，考虑到车架上孔的数量较多，本设计采用钻孔工艺。2.7.4 铆钉孔去毛刺 铆钉孔口的毛刺可能在铆接的时候对铆钉头的根部造成损伤从而使铆接的连接强度受到影响，纵梁以及横梁板的连接板的铆钉孔都要求求去掉毛刺，铆钉孔的倒角。2.7.5 铆钉长度的计算 本设计采用的是半圆头铆钉，它的长度可以根据经验公式（2.2）计算求得： （2.2）式中L半圆头铆钉的杆部长度； 被铆工件的总厚度；d半圆头铆钉杆部直径。计算后将计算的结果圆整，就进选取标准值。2.8 牵引车车架工艺孔的布置和设计牵引车车架上的工艺孔种类很多，主要分为涂装吊挂工艺孔过线孔铆接工艺孔和冲压成型工艺孔等，这些孔孔的直径一般不小于35mm，为了保证在进行孔位布置的时候不影响到牵引车车架的强度，所以在设计的时候要遵循如表2.6的工艺要求。表2.6 车架上工艺孔的设计1工艺孔的布置应该在车架纵梁腹面的中部，孔的中心到纵梁上下翼板的距离一般不应小于80mm。2因为牵引车在工作时，车架平衡轴横梁处受到的力和扭矩较大，所以为了保证牵引车的使用过程中车架有足够的强度和刚度，在平衡轴横梁处尽量不要布置工艺孔，同时在距平衡轴中心前后150mm的范围之内不得有工艺孔的存在。3在发动机支架，钢板弹簧前后支架和变速箱支架这样的车架主要受力点的周围不应该有工艺孔的存在。4工艺孔的大小选择35，45，60这三种规格。5为保证车架的使用强度，两个相邻的工艺孔之间的距离不应太近，孔的中心距不应小于100mm。6涂装吊具用的工艺孔必须符合SQB200的要求。2.9 牵引车车架的尺寸标注 牵引车车架在投入制造之前要绘制出二维的图纸。尺寸的标注要根据国标：GB/T1804-2000一般公差 未注公差的线性和角度尺寸公差GB/T4458.5-2003机械制图尺寸公差与配合注法GB/T1184-1996形状和公差 未注公差值的要求进行规范化标注。在对二维图纸的尺寸进行标注的时候进行如表2.7的规范。表2.7 牵引车车架的尺寸标注1配合尺寸标注零件和零件零件和部件以及部件与部件之间的配合公差要标注出来。总成件在上级总成件中的外廓尺寸和安装尺寸要标注出来。标注出的总成件包含的部件或零件的位置关系尺寸就是定位尺寸。要根据产品在实际加工装配中所需的配合要求进行合理的标注，例如在标注安装在纵梁内侧的横梁的时候应该标注减公差来满足车架铆接的工艺要求；在标注位于连接板上下翼面内侧后横梁的时候，为满足尾梁能与连接板铆接在一起，在标注其高度的时候应该标注减公差，而连接板与尾梁配合处的高度尺寸应该标注加公差。2尺寸标注当一组孔只有两个孔的时候，只需要标注两个孔之间的尺寸公差。当一组孔的尺寸大于两个的时候，应该标注位置度公差。标注尺寸的时候不可以使标注出现交叉的现象，尺寸的标注要有层次感，整体布局简洁美观。如果存在弯曲成型件，在标注的时候应该标注出内圆角半径。同一组孔标注的时候只需标注出一组定位尺寸，而且只选取一个定位基准，不允许出现分开定位的情况。如果同一组孔所连接的支架出现同时与翼面和腹板连接的情况，则应该选择与之相连接的翼面为标注定位尺寸的基准面，定位尺寸应该标注减公差。当同一组孔之间的相隔距离较远或存在孔与之相类似的情况出现时，为了加以分辨，应该画上分辨的标记。当存在非配合尺寸单一孔的时候，不需要标注定位尺寸公差，可以直接标注名义尺寸。2.10 牵引车车架的设计技术要求规范车架的设计要求是车架设计中的通用技术要求，本设计中会对车架总成以及车架纵梁的技术要求进行规范说明如表2.8所示。表2.8 车架的设计规范要求1车架总成的技术要求规范车架总成上所有的零件要在检查满足设计要求之后才能进行装配，装配时零件一定要齐全，不得出现错装和漏装的现象。车架总成上应该进行去毛刺处理，不得存在刮痕和凹坑等影响车架装配和使用性能的缺陷。所有零件在铆接之后需仔细检查，不得出现裂纹，否则就要更换重铆。整个车架的对角线误差不得大于5mm。左右纵梁的平行度不得大于5mm，在1m长度范围内平面度误差不得大于1mm，在平衡轴横梁连接处的车架外宽偏差为1mm，其它横梁的连接处外宽偏差在2mm左右。左右纵梁的上下翼面应该在同一个平面内，在全长范围内的平面度误差不得大于4mm，在1m的长度范围内的平面度误差不得大于1mm。车架在装配前要经过除油污除锈蚀除焊渣等前期处理。铆接在一起的零件的结合要紧密，铆接后接合面之间的缝隙必须小于0.2mm,铆钉结合面的直径必须大于铆钉直径的三倍，在铆接后铆钉头部的直径不得小于铆钉杆直径的1.5倍，铆钉不可以在铆接之后出现严重的变形。铆钉圆头和铆钉杆的中心线的同轴度必须小于1。铆接的前期准备和结构形式的选择遵照SQB10023-2005的规定。2车架纵梁技术规范整个车架的表面应平整，光滑。不得出现裂纹和凹凸不平的现象出现。纵梁的腹板和上下翼面在全场范围内的平面度误差应该小于4mm，在1m范围内的平面的误差应该小于1mm。纵梁在装配钢板弹簧的前后钓耳支架处的上下翼面和腹板的垂直误差要小于0.5mm，其它部位的的误差不得大于1mm。没有标注尺寸的公差，其公差应该按照SQB0320-01-88执行。没有标注的同组孔之间的位置度公差小于3。2.11 牵引车车架设计的工艺性规范 在设计牵引车车架的时候，不但要使其有足够的强度和刚度来满足整车的性能的要求，还应该满足车架的工艺性要求。车架设计的工艺性要求主要包括车架的铆接工艺性和冲压成型工艺性等。2.11.1牵引车车架的铆接工艺性要求规范牵引车车架主要采用铆接连接，为了保证车架在铆接之后具有足够的强度和扭转刚度，并在实际工作过程中不轻易脱落，所以在设计车架的时候要遵照如表2.9所示的工艺性要求。表2.9 车架铆钉的规范铆钉的规格12141618铆钉的标准号Q450铆钉所使材料ML10或者ML15铆钳的空间工作位置要求在设计工件或者布置铆钉位置的时候，要考虑到工件上铆接点的周围是否有足够的空间位置来实现铆接。孔中心到弯曲边的最小距离，mmd=10时，；d=12时，；d=14时，；d=16时，(d铆钉直径；a铆钉孔的中心到弯曲边的距离）铆钉的长度，mm（根据铆钉长度的标准值进行圆整）（d铆钉的直径；被连接件的厚度）2.11.2 螺栓连接的要求规范本课题中的螺栓连接主要用在牵引车车架平衡轴横梁的位置处。用于牵引车的牵引座和牵引座连接板之间的连接。其目的在固定牵引车牵引座实现牵引车牵引挂车功能的同时，还能够方便牵引座的更换。为了防止连接螺栓在长期使用之后出现疲劳松动甚至折断，一般选择使用机械性能在10.9级的M121.5或者M141.5的法兰面带齿和法兰面带齿自锁的高强度螺栓螺母。2.12 牵引车车架零部件冲压成型的工艺性要求规范车架作为汽车的骨架，目前其上的绝大多数零件都是通过冲压成型获得的，每个零件都有其功能要求，所以对冲压工艺的要求也不尽相同，另一方面，由于零件的尺寸差别很大，在进行冲压的时候一定要考虑其工艺性要求，例如，当盆梁的拉伸长度太长的时候，可以将其分成几部分分别进行冲压，然后将分散的冲压件焊接在一起，得到完整的盆梁12。在实际生产过程中，为了降低零件模具的设计周期和设计的成本，好的冲压工艺是不可或缺的。所以在车架的零部件加工的时候要遵照如表2.10所示的要求和工艺规范。表2.10 冲压工艺的工艺性规范1在实际生产中，为了减少原料的使用，简化制造工艺，降低冲压模具的成本以及工件的成本，提高工件的使用寿命，冲压件的设计应该尽量简单规则对称。2对于形状较为复杂，拉伸长度比较大的零件，应该将其分割成若干部分，然后分别进行冲压最后连接在一起。3对于压弯成型的零件，为了保证其在被压弯之后仍然有足够的使用强度，其成型之后的内圆角半径应该不小于其应用的材料允许的最小压弯半径值。弯曲成型件最小压弯半径遵照下表。序号成型件材料压弯线与扎制纹的垂直最小压弯半径压弯线与扎制纹的平行最小压弯半径116MnL1.3t1.7t2Q2350.8t1.2t308A10.2t0.4tt为压弯成型材料的厚度。4对于平板冲孔件，孔的中心距离零件的边缘，两孔的中心距要不小于板料厚度的1.5倍。5位于拉伸零件底部的圆角半径一般为板料厚度的35倍，其最小值必须大于板料的厚度；位于拉伸零件凸缘的圆角半径一般为板料厚度的58倍，其最小值必须大于板料厚度的两倍。2.13牵引车车架材料的选用为了保证牵引车车架的强度和刚度满足牵引车实际工作的需要，就要选用合适的材料。如果车架材料的性能达不到要求，会影响牵引车在工作过程的安全性要求。选择的材料过于优良又会增加生产成本。所以对牵引车车架车架材料的选择遵照如表2.11的规范要求。表2.11 牵引车车架使用材料的规范名称断面形状常用材料的厚度材料的编号车架纵梁槽形816MnL车架内衬梁槽形516MnL车架横梁管状横梁圆管89热轧管10第二横梁元宝形616MnL第三横梁元宝形616MnL第四横梁槽形616MnL第五横梁槽形616MnL平衡轴横梁槽形816MnL尾梁槽形816MnL车架牵引座连接板816MnL横梁连接板616MnL平衡轴横梁及尾梁连接板816MnL2.14 牵引车车架三维模型的建立 在确定牵引车车架的总体尺寸以及其上各个零部件的尺寸之后，就可以用CATIA三维软件对车架进行三维建模。CATIA软件在机械设计领域都有着相当广泛的应用。CATIA的曲面造型能力的强大体现在它给用户提供了丰富的命令来满足各种造型的曲面的设计。它能够满足特殊行业对曲面光滑性的较高的要求。而且CATIA软件的设计可以达到很高的标准，在一些对曲面连续要求较高的产品的设计CATIA是可以完全胜任的。 本设计采用CATIAV5R20软件进行牵引车车架的三维建模，建立零件的三维模型能够直观准确的反应车架的结构，而且更加容易发现车架在设计当中的不足之处，然后尽快的做出调整。在车架建模完成之后，将其导入ANSYS有限元分析软件当中会自动形成接触识别，便于对牵引车车架的结构进行有限元分析，计算其结构是否满足要求。如果不满足要求，可在CATIA软件中对牵引车车架结构的尺寸参数进行修改。由于CATIA软件的修改参数的灵活性，修改车架的三维模型不会花费太长的时间，这对牵引车车架的二次开发来说是至关重要的。牵引车车架转配图如图2.9所示。图2.9 牵引车车架装配图 在绘制完成牵引车车架的三维模型之后要确保车架上各个梁的尺寸准确，要符合牵引车车架设计的尺寸要求，在进行车架装配时要保证横梁位置相对于纵梁位置的准确性，还要保证各个零部件之间不会产生干涉。干涉检查如图2.10所示。图2.10 牵引车车架三维模型干涉检查2.15本章小结 本章对牵引车的总体尺寸的确定以及横梁的布置和结构的选择方法进行了介绍，选定了车架的连接方式为铆接。对牵引车车架纵梁上的空位布置钻孔工艺铆接要求车架的总体工艺尺寸标注和车架材料的选择等进行了规范说明。并在CATIA软件中队牵引车车架进行了三维建模。为后续有限元分析提供了模型基础。第 45 页 共 37 页3 牵引车车架的有限元分析 随着计算机辅助工程软件（CAE）在生产领域中的应用范围不断的扩大，人们已经逐渐意识到其在产品设计过程中的重要性。目前，CAE分析的能力已经不再仅限于单一的零部件，它已经足以有分析复杂装配体的能力，甚至可以高效的完成汽车和飞机整体的仿真。而且随着有限元技术的不断完善，他已经由单一的结构力学领域拓展到流体力学电磁学热力学多场耦合等更加丰富的分析领域。而且，对产品的有限元分析已经不再是专职技术人员的工作，设计人员参与CAE分析已经是当代产品研发的必然趋势。3.1 有限单元法的基本思想 有限单元法的基本思想就是将要进行分析的物体离散成按一定方式相互联结在一起的有限个单元的组合，来近似代替要被分析的物体，用一个离散的有限自由度问题来取代一个连续的无限自由度问题的一种分析方法。物体被离散化以后，通过对其中的每一个单元进行分析，最终得到对整体的分析的结果。网格划分完毕之后，每一个小的块体就是单元。单元之间相互连接的点称为节点。节点上的结构内力称作节点力，外力称作节点载荷13。3.2 有限单元法分析的一般步骤3.2.1结构的离散化 将结构分为有限个小的单元体就是结构的离散化，离散化之后单元和单元单元和边界之间都是通过节点连接的。有限元分析法的第一步就是结构的离散化，它是有限单元法的基础步骤，直接关系到计算的效率与计算的精度，主要包含以下三方面的内容：（1）单元类型的选择。离散化分析的首要步骤是选定单元类型，主要包括单元形状单元自由度数和单元节点数三个方面的内容。（2）单元的划分。划分单元的时候网格划分的越细，计算的结果也会随着节点数的增加而变得精确。然而网格划分细致到一定程度的时候计算的结果精度的提高程度就不再明显，所以在划分网格的时候要依据结构区域的受力的不同来合理控制网格划分的疏密程度；单元的形状应该尽量接近正多边形或者正多面体，尽量避免出现钝角，矩阵单元的长宽尺寸相差不宜过大；相邻的单元与边界之间的节点应该相互连接，不能出现在与之相邻的单元的边界上；同一单元选择同一种材料；网格划分的时候应该尽量有规律，这样有助于计算机自动的生成网格。（3）节点编码。3.2.2单元的分析 通过对单元进行力学分析建立单元的刚度矩阵Ke。3.2.3整体分析 整体的分析包括如下的几个内容：（1）集成整体的节点载荷向量P。在把整体结构离散化之后，离散化的单元之间是通过节点传递力的，所以在进行有限元分析的时候对于结构的分析只采用节点上的载荷，作用在单元上的集中力表面力和体积力都必须等效到节点上，生成等效的节点载荷。最终，系统依据节点的编码顺序将所有的节点载荷组集成整体节点的载荷向量。（2）集成整体的刚度矩阵K，得到总体的求解平衡方程（3）引进边界的约束条件，解出总体的平衡方程求出节点的位移。3.3 有限元分析软件ANSYS简介有限元ANSYS软件是融合结构电磁场流体声场和耦合场分析于一身的全球主流的大型通用有限元分析软件。它是由世界最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发。在交通运输石油化工机械制造造船以及汽车领域都有广泛的应用。作为目前世界上发展最快的计算机辅助工程软件，ANSYS实现了与多数计算机辅助设计软件的接口，实现了数据共享和交换，是现代产品设计当中不可或缺的分析软件。近些年来，ANSYS在以下方面取得了显著的进步：（1）开发和提供的求解器技术已经达到世界一流水准。（2）对ANSYS的网格技术进行了整合并生成统一的网格环境。（3）针对复杂的多物理场耦合的仿真提供了解决方法。（4）不断改进和优化先进的CAE集成环境ANSYS Workbench。（5）对先进的流体动力学技术不断地进行融合。（6）开发出功能更为强大的显示动力学分析模块。（7）通过ANSYS VT加速器，基于ANSYS的变分技术，减少迭代总步骤以加速多步分析的数学方法来加速多步求解。（8）网格的变形和优化。（9）对大规模软件的求解效率变高。3.4 ANSYS Workbench模块的简介 全球最大的CAE软件供应ANSYS公司在2002年开发出ANSYS Workbench这一产品研发平台，新一代的研发平台继承了经典平台在有限元分析方面的所有功能，而且融合了Pro/E和UG等软件的建模功能和一些优化类型的软件在优化设计方面的功能，从而实现了集产品设计仿真和优化于一身的强大功能过功能。这样就方便了技术人员在同一平台完成产品研发所需要做的所有工作，这样省去了产品研发过程中的一些不必要的流程，加快了产品的研发周期。ANSYS目前已经把ANSYS Workbench作为自的主打产品，这一全新平台将来也将会代替之前的经典平台14。 拥有独特产品构架和众多支撑性产品模块的ANSYS Workbench Environment(AWE)是新一代多物理场协同CAE仿真环境，它主要包含以下三个主要的模块：几何建模模块有限元分析模块以及优化设计模块，这三个模块将设计仿真和优化集成在一起，使设计人员能够能够方便的进入不同的模块对设计的产品进行操作，AWE主要具有以下特点：（1）强大的装配体自动分析功能。对于结构复杂的装配体，AWE可以自动识别相邻的零件并设置接触关系，这样大大减少了建立模型的时间。（2）自动化网格划分功能。（3）协同的多物理场分析环境及行业化定制功能。（4）拥有快捷的优化工具。 如今市面上的有限元分析软件，如ANSYSABAQUSANINA等，虽然这些软件的界面和风格不同，操作步骤也有略微的差异。但对产品进行有限元分析的时候基本过程都可以概括为九步：（1）导入CAD软件创建的三维模型；（2）添加材料信息；（3）导入的是装配体要设置接触选项；（4）设定网格划分的参数并进行网格的划分；（5）选择分析类型；（6）施加约束以及载荷；（7）设定求解参数，设定要求解何种问题以及想要的哪些物理量；（8）求解；（9）观察求解结果。3.5 Static Structural模块简介 ANSYS软件AWE模块中的Static Structural具有强大的静力分析功能，静