毕业设计（论文）-32t矿用自卸车车架设计.doc

本科毕业设计（论文）32t矿用自卸车车架设计燕 山 大 学2015年6月 本科毕业设计（论文）32t矿用自卸车车架设计学 院：车辆与能源学院 专 业： 车辆工程 学生 姓名： 指导 教师： 答辩 日期： 2015-06-26 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：车辆与能源学院 系级教学单位：车辆工程与交通运输工程系 学号110113030052学生姓名张伟锟专 业班 级11级车辆题目题目名称32t矿用自卸车车架设计题目性质1.理工类：工程设计 （ 是 ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ 是 ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（是 ）自选题目（ ） 主要内容(1)查阅有关汽车车架设计的文献，了解车架设计的方法和步骤；(2)确定车架布置方案和结构形式；(3)确定车架的总体尺寸和结构参数，并进行结构设计；(4)绘制车架三维总成图和工程图；(5)绘制零部件二维工程图。基本要求(1) 完成32t矿用自卸车车架设计任务书要求的主要内容。(2)设计计算说明书字数不少于2万字。(3)查阅文献（不含教科书）15篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3千汉字。参考资料(1)汽车工程手册.北京：人民交通出版社，2001.(2)刘惟信主编.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001.(3)陈家瑞主编.汽车构造，机械工业出版社，1997(4)机械设计手册编委会.机械设计手册. 北京：机械工业出版社，2004周 次第 1 4 周第5 8 周第912周第1316周第17 18周应完成的内容调查研究，收集资料，翻译外文资料，确定车架布置方案和结构形式。确定车架的总体尺寸和结构参数，并进行结构设计。绘制车架总成图。绘制零部件二维工程图，整理资料，撰写毕业论文。答辩。指导教师：甄龙信职称：教授 2014年 12月 1 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要矿用自卸车工作在露天矿山或大型土建工地，其工作环境的路况非常恶劣，而自身系统又十分复杂，因此其结构件易损坏失效。车架是其关键部件，装载、运输和卸载中承受主要的载荷。车架的可靠性不仅关系到整车能正常行驶，且关系到整车的安全性，因此矿用自卸车车架设计十分重要。本文首先采用经典的材料力学、结构力学、弹性力学等力学理论对车架纵梁、横梁以及整体部件进行简化，建立了力学模型。在自卸车静止、举升、制动、扭转等工况下，对车架进行受力分析，得出纵梁、横梁等部件关键位置的应力和变形与部件截面尺寸的关系式，从而获得部件的初始尺寸。本文以中环动力公司BZKD32小型矿用自卸车为研究对象，本文最后绘制出了制动器的二维工程图和三维模型，利用ANSYS有限元软件分析了关键部件的受力情况。关键词矿用汽车车架， 力学模型，有限元I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractMine Dump Truck works in the open mines or large construction sites with very bad road conditions，but their systems were very complex，so it is easy to make the structural parts failedThe frame is a key component which bears the main loads when loading transporting and unloadingThe reliability of the frame not only related to the normal driving,but also to the vehicle safety，so the design of the frame plays a important role in the mine dump truck designIn order to build mechanical model，the beams and the overall components were simplified by using the classical mechanics of materials，structural mechanics and elasticity mechanicsthe relationships between the stress and deformation of critical location and the section dimensions were obtained by mechanical analysis in the stationary，lifting,braking，reversing and other operating conditionsIn this paper, taking a small tonnage mining dump truck BZKD32 of the Beijing Zhonghuan Kinetics Heavy Vehicles Company as the research object. In the end, the two-dimensional engineering graphics are protracted and set up the three-dimensional model of the brake. Use ANSYS software analyzed the stress of the key component.Keywords Mine dump truck frame，Mechanical model，Finite elementI 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 研究的基本内容3第2章 车架的主要形式及其选择42.1 车架的结构形式42.2 车架所受载荷52.3纵梁的构成52.4横梁的构成7（1)前端横梁7 (2)牵引横粱7 (3)尾部横梁82.5材质选择8小结8第3章 车架的受力分析93.1 整车架的受力分析93.2车架计算时的基本假设93.3静载时车架受力计算103.4举升时车架受力计算113.5弯矩差法计算弯矩133.6静载工况后桥受力分析153.7启动工况受力分析163.8制动工况受力分析183.9制动转向工况受力分析19小结20第4章 车架各部件的计算过程214.1车架强度评价指标21 (1)车架纯弯曲强度评价21（2)车架弯扭组合强度评价224.2车架刚度评价指标22（1）弯曲刚度23（2）扭转刚度234.3纵梁的设计25（1）纵梁外形的确定25（2）纵梁举升截面受力分析27（3）纵梁前端受力分析30（4）纵梁尾部受力分析304.4横梁的设计30（1）前横梁设计计算30（2）龙门梁设计计算32（3）牵引横梁设计计算34（4）尾部横梁设计计算35小结36第5章 利用ANSYS分析车架强度刚度375.1车架所受载荷375.2选用材料375.3各工况下的约束37（1）举升工况37（2）扭转工况38（3）启动工况39（4）制动工况405.4有限元分析结果40（1）举升工况结果40（2）扭转工况结果41（3）启动工况结果42（4）制动工况结果43小结44结论46参考文献47致谢48附录149附录254附录359附录466V第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景车架也称大梁。汽车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置前桥后桥支承在车轮上。具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。而车架在实际环境下要面对4种压力。影响车架刚性的外力，通常是来自于路面摩擦力以及加减速或过弯时产生的G值。现有的车架种类有大梁式、承载式、钢管式及特殊材料一体成型式等。白卸车架多采用大梁式，设计车架时，一般必须根据整车总布置的要求(总宽、前后轮距、前轮转向角、发动机的外形尺寸等)来确定车架的宽度。车架前段的宽度受前轮最大转向角的限制，最小值取决于发动机的外廓宽度车架后段的宽度受后轮距及悬挂安装方式的影响。为了方便前端发动机布置和前后桥及悬架的安装，车架前端一般较宽，后端必须比前端窄。矿用自卸车工作在露天矿山或大型土建工地，其工作环境的路况恶劣，矿用自卸车自身系统又十分复杂，因此其结构件易破坏失效，车架作为其关键零部件决定着矿用自卸车的寿命。因此，车架的设计对于整车设计来说，起着重中之重的作用。五六十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验及方法，即依靠经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对车架的结构作大量的简化进行分析设计，设计的结果依靠试验来验证，该法具有一定的可靠性和科学性。传统的经验分析设计方法，具有简单易行的优点，目前在我国的车辆设计计算中仍起一定的作用。同时，该法也有明显的不足，主要表现在经验设计带有相当的盲目性和不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。由于经验分析设计方法具有以上的不足，生产厂家迫切要求一种能与市场竞争相适应的新的设计方法，有限元方法就是其中的一种。国外很早就已经采用先进的CAD、CAE技术16J对矿用自卸车车架进行研究，如卡特彼勒(Caterpillar)、利渤海尔(Liebherr)等。同时，参数化设计方法在CAD软件中作为一种全新的设计方法现在己广泛被汽车工业界所采用。它所具有的高效性、实用性等特点使其成为设计工作的发展方向。 目前，参数化技术已成为CAD中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成为评价CAD系统优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代CAD中概念设计以及并行设计思想，工程设计人员在设计初始阶段就可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。参数化设计技术是新一代智能化、集成化CAD系统核心技术之一，也是当前CAD技术的研究热点，已经形成了诸如变量几何法、几何推理法、过程构造法和基于特征的造型方法等多种方法。根据用户需求不同，模型参数化有：二维图形参数化、三视图参数化和三维特征参数化等三种形式。其中基于特征的参数化技术可以提供很完整的工程信息和灵活的建模操作而成为重要的产品设计辅助手段。国外各汽车公司不仅在汽车设计和CAD应用方面积累了丰富的经验，而且还结合专业知识和专家经验对CAD软件进行二次开发，克服通用AD软件在汽车设计方面的局限性，开发适合公司内部设计需要的智能CAD专业模块，帮助其产品设计人员快速的开发和设计出更好的产品，以求在市场竞争中处于有利地位。例如：美国Ford汽车公司专门成立CAD软件的二次开发队伍结合公司需要开发一些汽车设计软件；法国雷诺公司在EUCLID上开发了适合汽车工业需求的用于钣金成型的OPTRIS模块和用于干涉检验的Megavision模块；日本的TOYOTA汽车公司与美国PTC软件公司合作在ProE软件的基础上开发的汽车模具型面设计模块ProDieface等等目前，国外用的比较多的CAD软件，主要有： CATIA(IBMDassault)、Unigraphics(EDS)、I-DEAS(SDRC)、PROE(PTC)、EUCLID(MATRA)、ADDS(ComputerVision)、SolidWorks等。SolidWorks具有在系统中作动态改的能力，是一个以功能为主的参数化实体造型系统，它提供双向数据关联，设计的修改能自动更新到出图、分析、制造以及其它CADCAM领域，并具有强大的装配功能。我国汽车行业经过十多年努力和发展，CAD技术、专家系统、知识库技术等新兴技术在我国汽车行业的应用已取得很大的进步，而且一些大学和科研机构也在独立地或与汽车公司合作开发一些在通用的CAD软件基础上的汽车设计专业模块，例如：吉林大学的福特中国研究与发展基金项目组率先探索KBE在汽车行业中的应用，在通用CAD软件的基础上开发专用基于ANSYS的矿用汽车车架设计的汽车专业设计模块；同济大学在UG平台上开发汽车总体设计专家系统等等。但是由于我国CAD技术起步较晚，加上现有通用CAD软件的专用性较差，CAD技术的应用与国外汽车公司相比还有很大的差距，国内各汽车公司普遍存在CAD软件利用率低，设计效率低下的问题。加大CAD软件在汽开发中的应用力度，并且结合汽车设计的专业经验开发一些通用CAD软件平台上的面向汽车设计的专业模块以帮助设计人员提高产品的开发效率和质量，是缩短我国与国外汽车设计水平的差距，早日实现我国轿车自主开发能力的有效措施之一。目前国内开发的具有参数化功能的CAD系统主要有高华计算机公司开GHMDS、中科院北京软件工程研制中心开发的PICAD-2D、华中理工大学开发的开目CAD等参数化系统，另外还有西湖电子信息工程公司的ZDDS，浙江大学的基于结构化变分几何的HVCAD变参数设计系统等。这些国产参数化CAD系统硬件要求低，适合我国国情。因此，本文采用传统的力学理论计算与有限元分析相结合的方法对车架设计进行了分析计算，并开发了基于ANSYS的矿用汽车车架参数化设计系统，显著缩短了产品的设计周期，提高了设计效率。1.2 研究的基本内容 1）查阅有关车架的文献，了解车架发展的国内外形势；2）选择车架的结构形式，选择和计算车架的基本参数；3）完成车架各零部件的结构设计；4）对车架的主要零部件的结构强度和扭矩进行分析（利用有限元法）；5）绘制总装配图、零件图和三维模型。79 第2章 车架的主要形式及其选择 第2章 车架的主要形式及其选择2.1 车架的结构形式矿用自卸车车架由两条纵梁与前横梁、中部龙门梁、牵引横梁、尾部横梁连接在一起构成的空间复杂结构。车架主要结构左右对称，两纵向主梁为封闭箱型断面，左右腹板与上下翼板焊接而成，内部不等间距加焊筋板多条。纵梁矩形断面，自前往后矩形高逐渐增加至牵引横梁处；牵引横梁往后矩形高递减，纵梁厚度不变。前端梁为封闭的矩形箱式断面，纵梁前端两侧为外伸的走台板。走台板为钢板折弯后分别焊在纵梁和前端梁上。车架纵梁中部前面有龙门梁，后面有牵引横梁，分别与车架两条纵梁焊接在一起，加强了车架中间部位的空间刚度。龙门梁下部由钢板焊成箱型断面的U形底梁，龙门梁上部用钢板拼焊成倒U形上梁，倒U形开口端焊接在纵梁上，形成一个由纵梁、龙门梁组成的高大的门。牵引横梁两端插入纵梁腹板里，交接处采用焊接。牵引横梁处于纵梁截面高宽比最大处。纵梁后部呈三角形，类似于鸡尾，两片平行的鸡尾形纵梁之间由尾部横梁相贯焊接。龙门梁通过前悬挂支撑于前桥，后轮通过后桥分两处支撑于车架，其一，后桥前端与车架牵引横梁铰接，其二，后桥通过后悬挂支撑在车架左右纵梁尾端。即车架有五个支撑。重型车架几乎都是采用焊接边梁式结构。其结构简单、制造容易、成本低和受力状况好。虽然各种车型的车架各有特点，但它一般都具有下列共同点：全焊接边梁式立体框架结构；纵梁采用箱形变截面，尽量做到等强度设计尽可能少的横梁(一般为34根)；应力高峰区采用铸钢件结构。重型车架一般要求前宽后窄，这是因为车架前部中央要装动力组件，上方要装驾驶室及维修平台；后部两侧要装双胎所致(如图3-2所示)。有的车架因结构的限制，前后宽度相差不大，为给驾驶室等另提供支承点，于是就另增加一副粱。目前重型车架采用铸钢件(或锻件)与高强度合金钢板组合焊接结构。如前后悬架支承点，举升缸销轴支承点等采用铸钢件。这些铸钢件均采用大直径圆弧过渡与钢板焊接，它起到降低车架应力消除或减少应力集中的作用。从而大大提高了车架使用寿命。采用铸钢件增加车架自重，但可减少许多支撑或加强件，而车架自重增加并不很多。统计表明，重型矿用自卸车载重量和车架自重之比一般在14273范围，百吨以上的电动轮卡车此值约在10左右。如果设计的车架自重在此范围内，那么其重量是可以接受的。重型车架应有适当的扭转刚度，即允许有一定扭转变形。但这种变形不能在装有总成的位置，否则影响整车稳定性和车斗正常举升。为降低车架整个扭转应力，允许其中部有一定量扭转变形，即减少车架中部扭转刚度，这样就形成了重型车架扭转刚度二头大中间小的格局。2.2 车架所受载荷 (1)静载荷。车架所承受的静载荷，是指汽车静止时，悬架弹簧以上部分的载荷。即为车架质量、车身质量、安装在车架上的各总成与附属件的质量以及有效载荷的总和。 (2)对称的垂直动载荷。是当汽车在平坦的道路上以较高车速行驶时产生的。其大小与垂直振动加速度有关，与作用在车架上的静载荷及其分布有关，路面的作用力使车架承受对称的垂直动载荷。 (3)斜对称的动载荷。当汽车在崎岖不平的路上行驶，几个车轮可能不在同一平面上，使车架和车身一同歪斜，其大小与道路不平的程度以及车身、车架和悬架的刚度有关。这种动载荷使车架产生扭转变形。(4)其他载荷。转弯行驶时，离心力使车架受到侧向力的作用；加速或制动时，惯性力导致车架前后部载荷的重新分配；当一前轮正面撞在凸包上时，使车架产生水平方向的剪切变形等。2.3纵梁的构成 纵梁是重型车架的主要承载元件。重型车架的纵梁都为箱形变截面，即从车架前部向后端截面逐渐加大，到车斗举升缸支承位置处附近截面达最大值。(此处即车架最大弯矩处)纵梁上平面与水平夹角约为15。，这一角度应与车斗底部斜度保持一致。其箱形截面主要有两种焊合形成：一种是由上下底板及两边侧板拼焊而成)，另一种是由两条冲压(或滚压)的槽形钢板上下面重叠拼焊而成。后者由于省出了2条焊缝，减少了焊接变形因素，同时纵梁两边无凸缘便于安装其它附件。但是这种梁需要冲压(或滚压)，需要大型冲压滚压设备，纵梁板厚大于12mm就难以采用这种结构。大多数的箱形梁采用的形式。这种用四块板焊接的纵梁，必须高度注意其焊缝结构，图采用的是外侧板两边角焊，内侧板单板角焊，显然内侧板焊接强度欠佳。将内侧板开坡1：3，加定位块、采取透焊，当然这种焊接方法优于上种。用二块槽形钢板拼焊的箱形大梁除采用角焊外还增加了塞焊，塞焊的目的在于加强槽形板上下面的强度和刚度。 图2-1 焊接示意图 在纵梁与第一横梁连接处，采用高强度的铸钢件支承架后，纵梁前后断开，由支承架连接前后梁，横梁及前悬架。其特点是，龙门由上下横梁组成，它们通过螺栓与支承架上下面连接，支承架侧面用螺栓与前悬支架相连，外侧面通过大的过渡圆弧与本体相接，此过渡部分要求有较大的截面系数。支承架与纵梁一定要采用对接熔透焊，焊接时，要用夹具把纵梁钢板与支承架紧紧夹住，采用二氧化碳气体保护焊，低氢碱性焊条，焊缝宽度不小于3035mm，焊缝增高不大于2mm。不允许焊缝存在夹渣，气泡和裂纹等。焊缝必须作无损探伤检查。焊后作清除内应力退火。纵梁尾部铸钢件和纵梁的焊接法与支承架一样。这二处焊缝对车架疲劳寿命起着极为重要的作用，一定要保证焊接质量。 在纵梁侧板焊接其他部件及支架时，所有焊缝不准垂直于大梁纵向布置。垂直焊缝会大大削弱纵梁的抗弯强度，缩短车架寿命。改进的方法是改垂直焊缝为塞焊。 由四块板拼焊而成的纵梁，上下板突出侧板，若在侧板焊接支架时，最好采用增加垫板的办法而不用弯曲支架来躲避突出的凸缘，以达到减少等应力集中的目的。2.4横梁的构成 重型车架的横梁较少，第一横梁位于前悬架支承处，此处中央正好是动力组件安装的位置。因此，都设计成拱形梁；第二横梁，位于车斗举升油缸下支撑处附近，此横梁还是驱动桥A形架的前支承点，A形架的各种力通过横梁传给纵梁；第三横梁在车架尾部，后悬架和平斗枢轴附近。由于这三根梁都布置在车架载荷较大的位置，从而达到改善纵横受力状况的目的。 （1)前端横梁此梁有两种结构，一种如前面支承架所述，上下横梁支承架用螺栓连接成整体形成龙门达种结构多用在载重50t以下的车架，另一种是整个龙门粱与纵梁焊接成一整体，以大过渡圆弧连接。这种结构多用在载重50t以上的车型第一横粱要求本身刚度很大一般都采用抗扭能力很人的箱形截面断面尺寸取得较大。也有车架将前端横梁外延伸出大梁与前悬架安装架焊接成一整体，看上去其结构较简单，但由于前悬架离安装架根部距离太远，而横粱截面又难以足够丈结果造成根部开裂。可见第一横梁与独立悬架方式的前悬架的连接结构非常重要，连接方式，悬臂距离截面系数等都需认真核实。 对于等宽车架为了给驾驶室及维修平台提供支承点，必须增加一个副粱。此粱用矩形盒钢焊成。其各支承点及粱与纵梁的连接处必须采取定的加强措施。 (2)牵引横粱此梁一般都布置在车架中部扭转刚度较小的位置。它一般都采用矩形或圆形截面，一般都在纵梁截面虽大处。因此用圆形管时。该管往往贯穿两边纵粱通过法兰与纵梁焊接，这种连接方法工艺性好，也避免了纵梁上的垂直焊缝。用箱形截面作第二横粱时，横粱与纵粱焊接时，一定要采用大圆弧过渡连接。连接处增加加强板时，不允许有隐蔽焊缝及重叠交叉焊缝：并应尽可能减少焊缝。 (3)尾部横梁 此横梁的截面有菱形和箱形两种，其连接形式也有对接式和贯穿式两种。由于纵梁尾部采用了铸钢件，第三横梁往往都是与铸钢件相焊，当采用对接式连接时，横梁与铸钢件要采用对接透焊，此外横梁不要布置在铸钢件与纵梁连接处。贯穿式第三横梁一般都采用圆菱形截面，其结构形式和焊接方法与贯穿式第二横梁相同。2.5材质选择 低合金高强度钢板阳是目前重型车架采用的主要材质，钢板屈服强度350MPa，抗拉强度600700MPa，铸件屈服强度为240MPa。公路车常用的大梁材料对于重型车架特别是载重量大于50t以上的车架强度显得略小，一般不宜采用。 重型主架的破坏往往是由于疲劳应力超过了材料或焊缝的疲劳极限而造成的。重型车架在方向和数值都变化很大的交变重复负荷作用下，不仅在小于强度极限的应力值下发生损坏，甚至在小于屈服极限强度的应力值下也可能发生损坏。因此重型车架设计中必须保留有足够的储备强度。小结 在查找书籍和网上查找的方式下，车架采用的主要形式基本确定，采用由两条纵梁与前横梁、中部龙门梁、牵引横梁、尾部横梁连接在一起构成的空间复杂结构作为自卸车车架的结构。第3章 车架的受力分析 第3章 车架的受力分析3.1 整车架的受力分析随着计算机辅助设计及有限元法的广泛应用，动态设计计算日益显得重要。但由于条件的限制，动态设计计算的准确性和可靠性尚显不足，而且大部分车架设计还难以进行动态设计计算，因此，静态计算仍然是基本的设计计算手段。本文用静态计算的方法对车架的主要构件一车架纵梁(简称纵梁)及横梁进行设计计算并予以讨论分析。3.2车架计算时的基本假设目前设计汽车车架时，一般是通过弯曲强度计算来确定车架杆件的断面尺寸。下面是车架弯曲强度的计算方法： （1）弯曲强度计算时的基本假设在计算时，对于车架作如下的简化： 因为车架结构是对称的，左、右载荷的差额不大，故可以认为车架是支承在悬架支座和A形架上的梁。若左、右两纵梁所受的载荷不全相等，计算时应取载荷较大的一根进行。 所有作用力都通过杆件断面的弯曲中心。实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸的部件(如油箱、蓄电池箱等)而产生局部扭转，但在设计时往往在该处安置一根横梁，使得这种对纵梁的扭矩转变为对横梁的弯矩。因此，一般说来这种假定不会给计算带来明显的误差。由于这两个假设，使车架由一个静不定的平面框架结构，简化成为一个于支座上的静定结构。 （2）静载弯曲强度计算步骤车架弯矩的计算依照汽车设计中推荐的简化方法进行。但计算时，应充分考虑到非公路矿用自卸汽车车架的受力特点，下图为自卸车的结构模型。 对于自卸汽车来说，在静止或匀速直线行驶时，货物对车架的作用力按均布载荷处理，但在卸货过程中，则按集中力处理。其中的一个危险工矿就是自卸汽车车架的危险工况发生在刚开始卸货的瞬间，下图是自卸汽车车架和车厢在刚开始卸货时的受力分析。 其中，1一前悬挂铰接点；2-货箱支撑面；3-货箱铰接点；4-后悬挂铰接点；5-两侧举升缸铰接点 图3-1自卸车的整车模型3.3静载时车架受力计算 图3-2 静载工况车架受力图 确定支点反作用力(即油气悬挂、A形架反作用力)： 由车架的静力平衡条件，得出：（3-1） g车架自重m，产生的均匀载荷线密度=； 满载货物质量=23000Kg； 货箱自重=3500Kg； 前轴、A形架、后轴对车架的支反力； L车架的总长=6560mm； a前轴距车架端部的距离=1970mm； b后轴距车架端部的距离=1050mm； cA形架距后轴的距离=2550-1050=1500mm； e货箱重心距车架最末端的距离=2055mm。 由上式联立计算得 由此计算出车架所受的弯矩M： （3-2）3.4举升时车架受力计算(1)货箱的受力分析 图3-3举升工况货箱受力示意图 由货箱的平衡条件可求出举升缸支反力及尾部梁支撑力： (3-3)2) 自卸车车架和货箱在刚开始卸货时的受力分析 图3-4 举升工况车架受力示意图 由车架的平衡条件可求得前后轴及A形架的支反力： （3-3） F油缸对车架的作用力： a举升油缸的初始水平倾角； R铰链对车架的竖直支反力； B敏链对车架的水平支反力； d油缸支撑点距车架最前端的距离。 由上计算得 由此可计算出车架纵梁的受力弯矩： （3-4）3.5弯矩差法计算弯矩 图3-5 用弯矩差法求弯矩 设纵梁上的作用力有中力作用点处的弯矩为前面所有力对这点的力矩和： （3-5）式中L是力至作用点之间的距离。 同理，在作用点处的弯矩为 （3-6） 与之间的关系为： （3-7）式中是作用点上的剪力。 （3-8） 是和力作用点之间的距离，用。 故相邻俩力作用点的弯矩关系是 （3-9） 按上式计算纵梁各断面的弯矩，在最后一个力作用点处的弯矩值应该为零。3.6静载工况后桥受力分析 汽车静载时，以后桥平衡列方程进行受力分析。 图3-6 后桥静载荷 作用在后桥上的静载荷： （3-10） 列平衡方程： （3-11）式中 重载整车质量=55400Kg： 后桥非悬上质量=10387.5Kg； R车轮静力半径=18.8m； _A形架支撑力； 后悬支撑力； 地面对后轮的作用力。 解得： 3.7启动工况受力分析 图3-8整车受惯性载荷示意图 如图所示，由平衡条件得： （3-12） 式中 一启动惯性力。 解得： 图3-9 后桥受启动载荷作用示意图 如图所示，后桥载荷计算： （3-13）式中 后轮电机最大输出扭矩=176542； i齿轮系传动比=2.4； r车轮静力半径=18.8m。 由得： 由得： 由得： 所以，A形架对牵引横梁水平方向上的作用力： 3.8制动工况受力分析 由于制动时整车会产生一个加速度，惯性力，如下图 图3-10整车制动时的受力示意图 由得： （3-14） 解得： 图3-11后桥制动时载荷作用示意图 后桥载荷计算，类似于加速载荷情况 （3-15） 其中 -后轮的最大制动力矩= 由得： 所以 =18711N 由得：= 由得：3.9制动转向工况受力分析 假设汽车以v=10的速度右转弯，并在转向时制动，那么后桥受制动工况下的、外，还受一个离心力的作用。为简化计算离心力全部加在后桥上，作用在横拉杆处。 （3-16） 因此，横拉杆对车架的反作用力： （3-17）式中 一车轮右转弯半径； 一转弯时横拉杆对后桥的作用： 横拉杆对车架的反作用力。小结 本章首先介绍了矿用汽车车架的基本结构形式以及车架所受的载荷情况，然后在假设条件下建立了车架的数学模型，得出了整车架的弯矩计算式和局部应力。为后续对具体零件尺寸的计算奠定了基础。 第4章 车架各部件的计算过程 第4章 车架各部件的计算过程4.1车架强度评价指标(1)车架纯弯曲强度评价初始设计中，一般车架的校核主要是对车架纵梁进行弯曲强度的校核。车架的弯曲强度设计或校核是基于传统经典力学的基础上来进行的。一般而言，主要是根据材料力学中简支梁的设计、校核来对车架(主要考虑纵梁，不考虑横梁)进行简化和处理。这样，对于整个纵梁来说，只要危险截面上危险点的弯曲应力不超过梁材料的许用应力，就认为是安全的。即需要满足： =350 （4-1）式中 一危险截面上所受弯矩值； 一抗弯截面模量。 许用应力可按下列公式计算： （4-2）式中一材料的屈服极限； 一安全系数。值是考虑影响车架强度的各种因素(如应力集中、车架加工、质量、材料的金相组织和表皮质量等)的一个系数。根据道路试验和统计核算结果，一般值在13-18范围内，的选择应根据车辆工况或参照同类设计给定。在这里，由于自卸车工作环境的考虑取1.8。如果考虑到动载荷，则车架强度应满足下列条件： 或者 （4-3）式中 一动载荷产生的弯曲应力； 一动载荷系数。根据道路试验结果，局值一般在2-4范围内。 如果按第一个式计算的数值满足于最后一个公式，则车架强度可以认为是够的。在按前述方法进行强度核算以后，还应该和同吨位汽车车架的统计、试验数据进行比较。 车架纵梁初步设计时，为防止设计的自目性以及提高开发效率，一般应先参照同类(或者载重相仿)机型或者根据设计者的经验进行设计，然后对所确定的数据按照一定的评价原则进行校核。本课题中的矿用自卸车车架的纵梁沿车架纵向取为变截面近似等强度设计。（2)车架弯扭组合强度评价车架的材料多为低碳钢和合金钢，结构的破坏形式一般为塑性屈服。因而在强度分析中采用第三强度理论或者第四强度理论。第三强度理论未考虑主应力的影响，它虽然可以较好的表现塑性材料(如低碳钢)塑性屈服现象。但只适用于拉伸屈服极限和压缩屈服极限相同的材料。第四强度理论考虑了主应力的影响，而且和实验较符合，与第三强度理论相比更接近实际情况。因而在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力(又称Von Mises应力)来评价。第四强度的含义就是：在任意应力状态下，材料不发生破坏的条件是： （4-4）式中 分别为第一、第二、第三主应力； 许用应力； 安全系数。由于上式，所以使用Von Mises应力进行强度评价实质上就是使用第四强度理论进行强度评价。4.2车架刚度评价指标 由材料力学可知，机械结构进行弯曲强度指标设计后，往往需要用弯曲刚度评价指标对结构进行校核才能满足设计要求。在进行车架静态评价时，国内车辆生产厂家往往偏重强度指标，以结构强度试验结果作为关键指标进行产品定型，而国外汽车企业则将刚度指标也作为产品定型的关键指标之一。有资料认为，当按满足刚度准则的要求来确定结构时，则可同时充分满足强度准则。汽车车架刚度主要是指整体弯曲刚度和整体扭转刚度。弯曲刚度可用车架在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述，也可以用单位轴距长度最大挠度量评价。扭转刚度可以用车架在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述，也可以用单位轴距长度轴问相对扭转角评价。车架刚度中最重要的是车架的弯曲刚度和扭转刚度。参照车架的刚度试验方法可计算确定车架的弯曲刚度和扭转刚度。（1）弯曲刚度计算时约束前后桥在车架纵梁上的竖直投影点的垂直位移，让车架形成一简支梁结构，并在前后支承点中点处加一垂直向下的力，让车架产生纯弯曲变形，如图所示。 图4-1 车架弯曲刚度计算示意图车架弯曲刚度计算公式为： （4-5）式中 弯曲刚度； 集中载荷； 轴距； 载荷作用点处的挠度。（2）扭转刚度约束前桥在车架左纵梁上的竖直投影点的垂直位移，约束后桥在车架右纵梁上的竖直投影点的垂直位移，在后桥在车架左纵梁上的竖直投影点上施加一垂直向上的载荷，让车架产生纯扭转变形，如下图所示。 图4-2 车架扭转刚度计算示意图车架的扭转刚度计算公式为： （4-6）式中 为扭转刚度； 为载荷； 为力臂； 为挠度。 目前，车架结构的弯曲刚度和扭转刚度并没有统一的规定。车架的弯曲刚度和扭转刚度的常规设计要求为：车架的弯曲刚度应保证车架在满载工况下，前、后轴中点外车架的弯曲挠度保证在lkN载荷作用时值不大于0085cm；而扭转刚度应保证车架在正常使用条件下，车架动力扭角低于每米轴距1。的变化值。所以，车架的弯曲刚度指标定义为：CRNm；扭转刚度指标定义为。车架刚度指标一般适用于轻型车架，对于重型车架或其它类型的车架则所定义的刚度指标值偏小。 此外，由前述公式计算所得的弯曲刚度与扭转刚度数值以及常规设计要求数值在一定程度上反映了整体车架的刚度指标，但是作为受力复杂的车架，这样的简化计算得到的数值不能完全刻画车架在实际受载情况下的弯曲和扭转变形，如该简化模型不能兼顾到车架轴距之外的前、后段局部刚度值等。因此，本文认为车架的刚度指标应以实际受载工况下的最大挠度或最大转角数值描述更为准确。本车架主要考虑弯曲刚度，不考虑车架的扭转刚度要求。对于车架弯曲刚度的要求是： （4-7）式中 一车架的最大挠度； 一车架的许用挠度。在校核自卸车车架刚度时，车架允许纵梁的最大变形量为。4.3纵梁的设计4.3.1纵梁外形的确定纵梁由上下两块盖板和两块垂直腹板组成，为封闭的箱形截面结构。这些梁的截面，绝大多数都是根据全梁的最大弯矩来设计的。因此除了最大弯矩的截面外，其余的截面材料将末发探其应有的作用，而有些强度储备。显然这对材料的使用来说是很不经济的。因此对于梁的各个截面，最好是根据各截面所受的弯矩来进行设计，这样可以节省材料。此时各截面的最大正应力都同样等于材料的许用应力，亦即各个截面具有相等的强度，我们称这样的梁为等强度梁。应用等强度梁能使材料节省，另外为了工程上的需要或其他原因(如需要增加梁的柔度)也要采用等强度梁，使在满足强度的情况下，又