地面大吨位矿车车架设计总结.doc

地面大吨位矿车车架设计总结概述地面大吨位矿车主要指露天作业条件下，用于在非轨道路面的转移矿物的六轮自卸卡车。这种卡车因其单次作业载重量大，效率高，对路况要求低，广泛用于各种矿山之中，并成为矿山作业主力设备，在生产中占据了重要地位。矿用自卸轮式卡车依其动力传输的不同，形式上主要分为机械传动和电传动两种，其中考虑到效率和设计难度等的影响现在主流车型都朝着加大吨位的电传动设计方案发展。本人参与设计的几款车型中（150短吨 北方重汽、170短吨北汽福田、170吨徐工）也基本使用了电传动的设计思路。目录1总体设计思路简介地面所用的大吨位自卸矿车因其工作环境的要求,在承载能力和组建结构方面有独有的特征.例如,为实现整车结构上的稳定性,形式上通常采用对称的两根纵梁作为主支撑梁,同时设计有四根横梁以组成稳定的绗架结构,其中最前一根通常承担前保险杠的作用,并且决定了车辆”发动机室”的长度,以及车辆的前悬长,设计时也会将梯子安于此处,同时支撑驾驶室平台(走台);第二根结构上的”横梁”事实上是O型龙门梁,提供了安装前悬挂缸和驾驶室平台的底座,同时决定了”发动机室”的高度;第三根横梁为中部抗扭管,主要用于安装后桥三角架总成,并传递驱动力;最后一根横梁为尾部抗扭管,用于安装后悬挂缸和货箱,因为造型复杂,通常设计为铸件.1.1三视向图中主要元素的确定依据通常规定主视图为观察者站在车辆一侧看到的车辆投影图,此时能比较全面地观察到车辆悬挂、车架、货箱、走台、发动机等主要部件的基本结构和相对位置；前视图和俯视图按名称规定。车架主视图中通常取纵梁投影得到的最长的一条水平直线作为基准Y0线，以龙门投影图的对称中心线作为X0线（也有采用通过前轮轮心投影点的竖直线作为X0线）。此视图中可以看出以龙门为界，前部分纵梁呈现高度逐渐变小的趋势，符合悬臂梁的受力优化要求；纵梁后部分上平面具有一个向上的角度，一是为了配合前后悬挂缸的不同安装形式，而是为了匹配货箱卸货角度的要求并最终决定卸货效率，另外此处的受力形式与简支梁类似，所以在中部抗扭管处要求加大截面长度。俯视图中以对称中心线作为纵梁投影图从前向后呈收缩趋势，原因是前部分需要为发动机留出足够的安装空间， 后部分需要为左右各两个后轮留出空位.前视图通常作为上述两个视图的补充,主要为标示筋板的焊接位置而存在,同时也可以看到龙门、后桥三角架支座，以及横拉杆座的位置。1.2车架各部位的功能简介本小节结合上文所述内容，对车架各部件功能作尽可能详尽的总结：车架纵梁组件从主视图中可以看出呈前低后高中间较宽的钝边三角形的结构，在不同的设计方案中也有将纵梁在龙门处断开为两段焊接式的造型。功能上，纵梁为整车最重要的承重部件，需要满足前半部分悬臂梁，后半部分简支梁的受力要求。车架龙门组件为环状造型，所以也称作“圈梁”，在车架总成中的主要功能是作为前悬系统的安装基座。当车辆设计时轴距、轮距一定的条件下，龙门组件的宽度受到限制，其X轴向位置与前轴投影点基本重合，高度也会因车辆总高以及货箱设计的影响有一个极值。中部抗扭管组件主要提供来自后桥的驱动力和制动力，形式上为圆管焊接三角架，在于纵梁组件连接的部位通常需要焊接加强板以保证动力传输安全。尾部抗扭管组件在车架设计形式上为封闭该绗架结构，功能上需要满足安装后悬挂缸和货箱铰接点，同时为满足车辆侧滑时，车架的变形强度要求，通常在尾部抗扭管下方偏左或偏右的位置设计有一个横拉杆支座。2分组件介绍车架焊接总成车架焊接总成一般指车架搭建成型后最基本的结构，在此基础上已经可以对一些关键数据进行测量和校准，其它零件可以分组件焊接后再与车架或装配或焊接。内容上一般包括两根纵梁和四根横梁。各组件介绍时，长指X轴向长度，宽指Z轴向长度，高指Y轴向长度。2.1龙门(圈梁)龙门组件的长由前悬挂缸的外径或是其安装板的宽度决定，对于独立烛式悬挂系统，龙门组件的左右两端应设计有一块比较大的平面，以供装配需要，该平面所选用的钢板应比组件总图中标示数据厚，以满足在保证两平面平行度等的前提下加工余量的要求。龙门组件的宽度由轮距，准确地讲是主销距决定，最高点位置由驾驶室平台（走台）决定，当使用断开式五连杆机构转向时，由于需要在龙门组件上焊接一套用于安装转向中臂的支座，最低点位置也会受此影响。设计时，龙门的上弧面还需要布置一套对称的支座用于支撑走台，而下弧面又要考虑到转向缸动作时的干涉问题，对造型要作一些处理。另外在与转向中臂安装面对称的另一面需要设计一个用于安装动力总成保护板的小支座。龙门内圈的设计原则需要考虑动力总成由其是发动机的造型、装配要求。由于该种车辆装配时通常为从前向后吊装，所以龙门内圈上表面距离发动机对应位置应有一定的余量便于起吊，同时下表面又要考虑油底壳的造型，不能出现干涉。龙门组件的筋板在纵梁断开式车架设计中，主要为内部筋板，其布置形式主要为发散式，通常需要三面焊接，即前、后腹板和内圈板，但是考虑到左右悬挂缸安装位置受力过大，此处的焊接应尽量保证为四边焊接，最后覆盖上下盖板，封闭整个组件。对于纵梁整体式造型的设计方案，龙门组件通常为上下分开的两部分，断开处因设计思路的不同有所改变，但通常不得于左右悬挂缸安装板处断开，且下盖板应能遮挡接口焊缝，保证不会出现焊缝重叠影响强度。在龙门组件断开后，其内部筋板的布置思路基本与前一种情况一致，但是设计时可以适当考虑对龙门组件中的部分合适位置的零件加大尺寸、延长焊缝，将龙门组件的零件与筋板的功能统一起来，优化设计。对于独立式前悬挂缸的设计，通常在龙门左右两侧的钢板上各设计两排螺栓孔用于安装，同时为了防止螺栓受剪，还要设计一道键槽，利用键承担主要载荷，同时提高安装精度。2.2中部抗扭管中部抗扭管组件主要由三部分组成，最外侧两端为与纵梁连接的部件，造型上要有比较长的焊缝以保证强度，必要时还应设计加强板。中间部位设计有与后桥三角架连接的一套支座，以及一根强度较高的轴。最后组件还应包括一根连接上述两部件的大直径圆管。中部抗扭管组件的长度主要由抗扭管直径决定，当这个尺寸确定以后，各部位的加强板、筋板就可以得到最大尺寸，进而确定组件长度。而抗扭管因为其位置处于车架纵梁之间，在主视图上应该被完全遮挡，其直径主要限制为后桥桥壳直径与后桥三角架尺寸以及轴距，同时中部抗扭管与龙门组件之间的距离还需要布置一部分动力总成，传动轴和油泵组件，以及风道、电缆通道等。虽然作为一个主要承担扭矩的零件，中部抗扭管外径应该越大越好，但是考虑到以上限制条件，以及国标、工艺等的有关要求，设计时只能是选用适当的尺寸。中部抗扭管组件的宽度由纵梁相对位置的焊接宽度决定，在本小节所讨论的内容中没有直接的影响因数。高度由抗扭管与三角架轴的间距决定，同时还受到纵梁相对位置的高度的影响。有些设计中，在组件两端的加强板类零件上通常需要设计一个轴座用于安放举升缸轴，由于是对称设计，在工作时可能会出现大扭矩变形的情况。为了避免这种危险情况，通常要设计一根额外的轴或是筋板，连接左右举升缸轴，将其额外的载荷互相抵消掉。如果利用三角架轴连接左右，就意味着从主视图方向出现了一根贯通轴，这样就需要综合考虑中部抗扭管组件的高度、X轴位置等参数对车架整体设计和纵梁造型的影响。2.3尾部抗扭管尾部抗扭管组件作为车架横向造型中最后一根梁，起到了封闭整体车架的作用，所以承受了比较大的载荷，尤其是后悬挂系统与货箱铰支点也被设计安置在此处，这种载荷集中的影响更为突出。造型上，尾部抗扭管组件在主视图中主要呈现为一个大耳朵的形状，这是因为主视向中需要布置3个圆：抗扭管、后悬挂缸安装支点、货箱铰接点，其过渡均为圆弧。因为这种造型比较复杂，所以通常选用铸件以满足要求（龙门处有时也会采用同样工艺）。尾部抗扭管组件的长度主要由后悬挂缸的安装尺寸决定，同时参考组件与纵梁之间的焊接距离；宽度由左右内侧后轮间距决定；高度由货箱、后悬挂缸安装要求统一决定。在尾部抗扭管组件上需要额外设计一个支座用于连接横拉杆（防止车辆侧滑时由悬挂缸承担径向载荷），通常在左或右一端设计，同时焊接于抗扭管和铸件上，保证强度。也有的设计中，减小铸件尺寸，则横拉杆座就需要同时焊接在抗扭管、铸件，以及车架纵梁上。2.4纵梁纵梁组件从主视图上呈一个前低后高的钝边三角形的形状，符合前文所说的承重要求。其长度从龙门处断开前半部分由车辆前悬长决定，后半部分由轮距、后悬挂缸安装位置、货箱铰接点位置决定。组件高度由货箱铰接点位置决定，另外通常会将纵梁上最长的一段水平面作为Y0线。组件宽度主要指两根纵梁焊接后的相对宽度，从俯视图中可以看到呈前宽后窄的造型，理由是靠前内部需要安装动力总成，外部仅仅考虑左右各一个轮子的转向空间；靠后内部没有布置零件，外部需要留出左右各两个后轮的空间。在纵梁设计的过程中，需要注意几个地方：一是主视图中纵梁上表面与水平面的夹角，它会直接影响货箱容量和卸货效率，间接影响举升系统的设计；二是纵梁与尾部抗扭管连接处下表面与水平面的夹角，这个值会影响到纵梁组件与尾部抗扭管组件的焊接性能，同时若此处角度太大，则意味着纵梁有可能与后桥桥壳干涉，若太小，则举升缸轴不容易与三角架轴同心，由此可能导致后桥三角架的重新设计。2.5加强筋板在车架焊接总成中，需要在最后的装配过程中补充一部分筋板以保护焊缝免受折弯受力条件的应力影响。主要位置在龙门同纵梁的焊接位置，一般包括纵梁外侧前后以及下侧前方。筋板厚度应该不超过所连接两块板中较厚的一片，其长宽由焊缝长宽、焊接位置决定。对于某些筋板，由于设计时在同样的位置要安置其它零部件，所以除了加强原有结构外，这种筋板还充当支座、连接过渡板等功能。3分组件介绍车架悬置总成车架悬置总成只在车架焊接总成的基础上，所有需要焊于车架表面的零件的总成，包括支撑走台的走台支座，用于装配转向缸的转向中座，发动机、油泵支架，前保险杠上方的梯子支座，中部抗扭管处的贯通轴组件，以及其它零碎的小零件。3.1走台(驾驶室平台)支座走台支座通常对称焊于龙门的两肩处，设计有螺栓孔以便连接走台。设计时应注意，此处焊缝通常受拉伸载荷，需要适当修改焊缝位置，让其尽可能与龙门内部筋板对齐以增加强度；考虑到螺栓不应承受剪切载荷，所以在支座上平面设计有限位档块，首先装于走台上，然后配焊在支座上。3.2转向中座转向中座主要是为安装转向缸提供一个支点，对于断开式转向系统，该支座同时充当转向中臂的支撑点。设计时需要注意支座与龙门腹板处的焊缝强度要足够，长度要有保证，同时需要避开龙门下盖板的焊缝；另外，由于本部件的焊接位置对最后转向系统的几个定位尺寸有比较大的影响，所以需要更高的加工精度，必要时应该使用工装。3.3发动机、油泵支架在传统设计时通常使用副车架以便于安装动力总成等体型较大、质量较重的部件，在经过多次设计优化后可以发现，随着材料和加工工艺的进步，简单的支架即可完成原本复杂副车架的作用，而不必大范围的修改主车架的造型，这样无论是设计还是加工都比较简单；不过为了满足强度要求，优化后的简单支架，在受力面积和加强肋板的设计中需要更多的冗余量，以保证在疲劳强度下，系统的可靠性。对于以发动机为主的动力总成，除了受到来自车架的低频振动信号外，自身还会产生高频振动，所以支架上必须设计有尺寸经过验算的橡胶垫以减振缓冲。同时，虽然本部件通常四点支撑安装于车架上，但是考虑到焊接位置可能存在误差，应该设计必要的铰接点，保证总成能够稳定牢固地装于车架上，尽可能地避免缝隙等加工误差。在安装泵的时候，由于泵的安装面通常与支架的安装面垂直，需要焊接一块立板以完成装配，设计上应同时留取空间已支撑泵的后半部分，保证泵轴与动力总成输出轴共线。3.4梯子支座梯子支座在整车设计中除了上下驾驶室平台的功能外，一定程度上为走台提供着前支撑点，所以除了人体工程学的要求外，该支座还应满足一定的强度要求。3.5贯通轴组件设计时需要考虑轴承的拆装，以及螺栓的放松，由于除了最外端和中间的轴需要承受径向力，其余过渡部位的轴仅仅承受轴向力，可以考虑使用钢管轴，以减轻重量，节约成本。焊接时，焊缝应避开变径处（应力集中）。3.6货箱限位板由于货箱装于车架上时仅有靠后的两个铰接支座限位，当车辆高速过弯时，强度不足以保证要求，所以在货箱放下后需要设计挡块焊于车架靠前部位，为货箱提供Z轴向支撑，保护后铰接点。4工艺要求通过对加工厂的寻访，可以得到如下结论：A、机加工的成本大于焊接，所以对于强度不高的部位，可以使用搭焊和角焊，不必开坡口；B、较薄的钢板折弯臂焊接要简单，通常折弯内径至少为板厚的1.5-2倍，对于大半径可以考虑滚弯工艺；C、国内铸造工艺不达标，所以虽然铸件可以实现比较复杂的造型，但是不同批次之间质量相差太大，设计时应通过优化布局减少铸件的使用；D、对于对称的设计，应根据实际需要保证平行度、对称度、同轴度等要求，所以加工时应组件装配后进行。5有限元分析车架设计主要为非运动机架设计，所以使用有限元分析软件进行静力学、疲劳、模态分析是比较合适的，如果需要更为精确的结论，还可以考虑谐响应分析。在工程机械领域，通常使用基于parasolid格式基础的pro/E、solidedge软件，偶尔也会使用solidworks、CATIA等三维设计软件，在进行分析时，可以使用这些软件自带的有限元分析模块进行简单预处理，但是，要想得到比较好的结果，专业的ANSYS、abaqus还是需要的。5.1约束简介车架的约束主要由6个位置组成，首先是前后左右四个悬挂支撑点，其次为后桥三角架与车架的连接处，最后是位于尾部抗扭管下方的横拉杆支座。车架四角的悬挂支撑约束定义时需要注意，X轴向车架可以简化为简支梁分析，若认为前桥不动，则后桥应释放X轴向的位移约束，且前后桥均应释放Y轴向的转动约束，同时四点Y轴方向都为固定。Z轴向车架前桥受到轮胎与地面摩擦力的制约（对于独立悬挂，缸体固连在龙门上），参考面为油缸安装面，参考点为轮胎与地面的接触点，由于轮胎有一定的变形，可以设置左前点为Z轴转动释放，移动固定；右前点为Z轴向转动、移动均释放。后桥因为悬挂缸为铰接，所以参考面为销轴安装面，参考点为关节轴承中心，YZ平面的约束设置可以参考前桥。另外对于非独立前悬挂系统，缸体与车架的连接类似于后悬挂