2.1车身承载方式论证 3.doc

2.1 太阳能电动观光车车架方案论证2.1.1 太阳能电动观光车车身承载方式论证按车身承载形式不同分类共有三种：一种是非承载式车身，第二种是半承载车身，第三种是全承载车身。非承载式车身是指车架承载着整个车体，发动机、悬挂和车身都安装在车架上，车架上有用于固定车身的螺孔以及固定弹簧的基座的一种底盘形式。半承载式车身是一种介于非承载式车身与承载式车身之间的结构形式，他拥有独立完整的车架，并且车架与车身刚性连接，因此车身壳体可以承受部分载荷。承载式车身是汽车底盘结构的一种，其车身负载通过悬架装置传给车轮。这三种结构最大的不同在于非承载式车身和半承载式车身均有一刚性车架，即有一个明显的大梁存在；全承载式车身整个车身均为一体，底盘系统件都直接安装在车身结构上。1) 若为承载式车身或半承载式车身的车身结构分析非承载式、半承载式车身结构车辆在形式过程中产生的弯曲和扭转载荷主要是靠底盘车架承受，因而车身部分在设计中基本不加考虑。而全承载式车身结构由于主要采用小截面管材组焊而成，小截面管材一般抗弯、抗扭能力弱，而承受杆向力的能力强，因此通过合理的结构设计，使车辆在行驶过程中产生的弯曲和扭转力均由杆向力承受。这种结构设计时主要考察各杆自身的强度是否合适。全承载式车身没有底盘车架，整车行驶载荷靠组焊的小截面管材形成的稳定结构承受。然而全承载式车身的侧围是整车重要的承载部件，如图2.1。对于图中客车模型，车身与底架的界面点位于车身的侧围与上围形成的“环”结构上，底架受到悬架支撑点传来的力，然后将这些力通过这些“环”传递到车身上，这些“环”的承载度反映了车身的承载程度。图2.1 图2为普通观光车基本形式，显而易见，因为观光车的特殊使用要求上，其车身必须是开放式的，但若布置成承载式车身，车身结构上主要承载结构之一的“侧环”就难以布置。在这种情况下，应该放弃承载式车身和半承载车身，选取非承载式车身结构。图2.22.1.2 车架形式的论证电动节能车车架是承载电动机、电池和驾驶员的载体，也是安装转向系统，传动系统的基体。因此，车架必须满足足够的刚度和强度需求,使其在承受载荷之后,仍然可以保证各部件的安装定位准确。其次，车架的布置得离地面近一些，以使汽车重心位置降低，有利于提高汽车的行驶稳定性。目前，汽车车架结构形式基本上有三种：中梁式车架（脊骨式车架）、综合式车架和边梁式车架。1) 中梁式车架中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，因此也称脊骨式车架。中梁式车架重量轻，重心低，行驶稳定性好，其结构使车轮跳动空间比较大，便于布置独立悬架。车架刚度和强度较大，中梁还能对传动轴有防尘作用。但这种车架制造工艺复杂，精度要求高，使维护保养不方便。2) 综合式车架如图2.2所示车架前、后部是边梁式，而中部是中梁式的。这种车架称为综合式车架。它同时具有中梁式和边梁式车架的特点。但这种车架实际上还是属于中梁式，同样制造工艺复杂，精度要求高。图2.23) 边梁式车架边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接发或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性架构。目前广泛用在载货汽车、特种汽车和大客车上。边梁式车架有结构简单，对车身设计要求低，改装容易的特点。本课题中太阳能电动观光车因为其特殊的驱动方式，较传统燃油车省去了传动轴。而且并非大规模生产，不必选用制造工艺复杂，精度要求高的中梁式车架和综合式车架。目前应用广泛的边梁式车架显然更适合。在车架类型上，选用的是边梁式车架。2.1.3 车架的结构特点分析本课题设计的是电动观光车，在车架的结构选取上，首先，应该满足汽车的总布置要求。1) 在车架宽度的选取上，一方面要兼顾车架的宽度，另一方面要保证前轮转向所需的空间，通常将前方的车架设计得窄一些，整体为前窄后宽，如图2.3。这种前窄后宽的车架适用在轻型汽车、微型汽车和轿车。图2.32) 在车架纵梁的结构上，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，同时其形状应尽量简单,以简化其制造工艺。从纵梁的侧视图看，纵梁的形状可分为上翼面是平直的和弯曲的两种。当上翼面为平直时,可使车厢地板平整，纵梁制造方便,大多数载货汽车车架纵梁为这种形式。当上翼面弯曲时，纵梁部分区段降低，地板高度相应降低,改善整车的稳定性，且利于上、下车，其制造工艺复杂。在本课题中，太阳能电动观光车为小型电动汽车，在电池的布置上面，要尽量的离地面近一些，以使汽车的重心位置降低，有利于提高汽车的行驶稳定性。上翼面为弯曲的纵梁形式更适合本课题，如图2.4。图2.43) 在车架横梁形式的确定上，横梁其中一个作用就是用来支撑汽车的主要总成。在横梁的位置和数量上，要满足汽车的总布置要求。其次，车架还应具有足够的强度和适当的刚度。汽车横梁将左右纵梁连接在一起，构成一个框架，使车架有足够的抗扭刚度。车架纵梁与横梁的连接形式对车架的受力有很大的影响。连接方式分为几类：1) 横梁与纵梁的腹板相连接。这种方式制造工艺简单，连接刚度较差，但纵梁不会出现大的应力，一般中部横梁采用这种方法。2) 横梁同时和纵梁的腹板及任一翼缘相连接。这种方式制造工艺不是很复杂，连接刚度得到加强，故广泛应用。3) 横梁同时和上、下翼缘相连接。这种方式具有较好的加强角撑，可产生良好的斜支撑作用，是整个车架的刚度增加，但是制造工艺复杂。纵梁和横梁的固定方法可分为铆接、螺栓连接和焊接等方式。1) 大多数车架用搭铁板通过铆钉连接。成本低，刚度与铆钉的数目及分布有关。但是此种固定方式，会大大增加车架的质量，不利于经济性。2) 螺栓连接为了适用于各种特殊适用条件的汽车车架上采用，以便装在车架上的某些部件可以拆卸或互换。3) 焊接连接牢固，不致产生松动，能保证大的刚度，但是有较大的内应力。但是车架整体的质量低。2.1.4 纵梁断面形状纵梁多采用抗弯能力较强的槽型截面，也有采用Z字形或等截面形状。因纵梁中部受弯曲力矩最大，中部断面宽，由中部至两端逐渐减少，构成等强度梁。因为生产工艺条件的限制，也有将纵梁做成等截面的。为了汽车结构布置的要求，纵梁可在上下及左右方向做成弯曲的。为了固定转向器、钢板弹簧、蓄电池等的需要，在纵梁上要打出相应的安装孔。1) 槽型断面槽型断面的纵梁有较好的抗弯强度，又便于安装各种汽车部件，因此得到了广泛应用，但是此种断面的抗扭性较差。从降低车架纵梁的抗弯应力方面考虑，增大槽型断面高度最有利，但是会使汽车的质心高度增加。增加上、下翼面的宽度,也可以提高纵梁的抗弯强度。综合考虑上述因素的影响，通常高和宽的比值为2.83.5。2) Z字型断面这种纵梁断面形状优点是：工艺简单，能使车架前后等宽，可以提高车架的适用寿命；缺点是纵梁与横梁的连接结构复杂，须在纵梁上翼面上增加一块垫板，使在纵梁腹板上装置有关总成不方便。3) 工字型断面工字形截面和Z形断面的车架,工艺简单,但纵梁和横梁连接处的结构复杂。4) 管型截面管形截面的优点是结构简单,易于弯曲,工艺简单。缺点是在具有相同的转动惯性矩下用材较多,构件之间的连接不方便。横梁的作用是连接左右两纵梁而构成一个框架，从而保证车架具有足够的抗扭刚度。此外还要有支承各主要总成的作用。其截面形状和纵梁一样有槽形、工字型、箱形、管形和Z形等几种。2.1.5 车架材料的选择在现阶段，电池技术发展缓慢，电动汽车普遍的技术难题就是续航里程不理想，这就使太阳能电动观光车的设计必须遵循轻量化的设计原则。所谓轻量化，就是在它的性能的前提下，尽量减轻自身的重量，它是指同一它是指同一台车在同样的尺寸或同一种车型在同样功率的前提下重量的减轻。一般内燃机汽车车架的重量在整车的重量中占有较大的比重(大约占10%左右)，太阳能电动车的车架更是如此(大约占20%左右)，所以车架轻量化就可以在很大程度上减轻整车的重量。从对材料性能的要求分析，主要有三个方面：材料的耐蚀性、耐磨性和耐疲劳性。其次是常温强度和焊接性要恰巧和当前设计产品失效的原因相吻合。钢材利用率的高低是材料技术水平的一个重要指标，各工业发达国家都努力提高钢材的利用率，以提高机械制造的经济效益。提高钢材的利用率，应进一步调整钢材结构，提高合金钢、低合金钢和板材、管材的比例。此外，应通过合理选材用材，推广使用无切削工艺和保护加工技术，发展焊接结构来达到节材的目的。对于设计的产品采用低合金高强度钢轧材代替普通炭素钢，可使金属消耗量降低30；采用冷轧钢板代替热轧钢板可降低材料消耗量25；用钢板和带钢冷弯成异型材代替热轧型钢，材料消耗量可降低25；用冷拔型钢代替热轧型材可降低消耗15。选材中还要注意到材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能，如：车架设计中所需要的弹性模量、强度、韧性、焊接性能、淬透性、回火脆性等。车架的材料一般选择优质碳素结构钢板、碳素结构热轧钢板和低合金高强度钢板。对于优质碳素钢板，如一些量产车后轴轴管主要用的就是20钢，一些支架则主要是采用08Al等，而控制臂和拖曳臂等大部分都是采用的SPHC。对于碳素结构热轧钢板用降低钢种的碳含量，增加钢种的锰含量、甚至其它元素来强化，在提高强度时，伸长率下降较少。对于低合金高强度热轧钢板在载货汽车上的用量很大，主要用于汽车车架的纵梁和横梁，车厢的纵梁和横梁等受力结构件和安全件。这些件的强度级别有两种其抗拉强度分别为390Mpa 和510Mpa。2.2 主要参数2.2.1 总体参数根据总布置技术要求，太阳能电动观光车的外廓尺寸如下：长：3 900 mm；宽：1 370 mm；高：1 950 mm；轴距：2 750 mm；轮距：1 070 mm；质量