车架毕业设计

DA180 低速汽车车架设计 摘要 汽车车架特别是重型汽车的车架 在使用中承受着沉重而又复杂 的外力 容易引起各种形式的变形 例如 汽车的静负荷和动负荷 能引起车架的垂直弯曲变形 汽车转弯时 会引起车架侧向弯曲变 形 汽车在坑洼的路面上行驶 尤其是斜向过沟时 会引起车架的 扭曲变形 拖带挂车猛起步时 会引起车架纵向拉伸变形 还有因 局部受力而产生的局部变形等 由于各种变形均会使车架出现一种 内应力 当该内应力超过车架金属材料的应力极限时 车架就会损 坏 本文对车架的结构进行选择 基于 DA180 低速汽车车架所测 得和收集到的相关数据 在忠实于结构主要力学特性的前提下 对 车架结构进行了必要的简化 运用所学材料力学等知识 然后对 DA180 的纵梁进行受力分析 校核其各个强度 通过对计算数据与 材料的强度数据进行对比 分析车架材料 形状 大小的可行性 找出了车架结构中需要改进的部位 对车架结构参数或材料进行优 化设计 使车架不但符合强度要求 而且能减小其质量 从而减小 汽车的簧上质量 进而达到节约燃料 提高燃油经济性 并对车架 进行了性能评价 探索汽车车架的结构优化方案 关键词 低速汽车 车架 强度计算 目录 1 1 引言 1 1 2 车架的组成与功用 2 1 3 国内外研究动态及重要意义 3 1 4 课题研究的内容 5 第二章 汽车车架的介绍 6 2 1 汽车车架的几种结构形式与特点 6 2 2 汽车车架的制造工艺与材料 7 第三章 汽车车架的受载分析 8 第四章 DA180 低速汽车主要尺寸确定和计算 10 一 汽车轴距 10 二 车厢的布置 10 三 汽车的前悬后悬 10 四 汽车的前后轮距 11 五 汽车外廓尺寸 12 六 货车车头长度 12 七 车架材料选择 12 第五章 车架强度计算 12 第五章 车架强度计算 12 一 弯曲强度计算时的基本假设 12 二 纵梁弯矩计算 13 三 纵梁截面特性计算 16 四 纵梁弯曲应力计算 17 五 车架刚度校核 18 第六章 结论与展望 31 6 1 总结 31 6 2 工作展望 32 参考文献 33 致 谢 35 第一章第一章 绪论绪论 1 1 引言引言 车架系统是汽车设计的重要部分 因为它们的好坏直接关系到 汽车各个方面 操控 性能 安全 舒适 性能 现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架 汽车绝大多数 部件和总成都是通过车架来固定其位置的 如发动机 传动系统 悬架 转向系统 驾驶室 货箱和有关操纵机构 车架是支撑连接 汽车的各零部件 并承受来自车内 外的各种载荷 所以在车辆总 体设计中车架要有足够的强度和刚度 以使装在其上面的有关机构 之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小 车架的刚度不足会引起振动和噪声 也使汽车的乘坐舒适性 操纵 稳定性及某些机件的可靠性下降 过去对车辆车架的设计与计算主 要考虑静强度 当今 对车辆轻量化和降低成本的要求越来越高 于是对车架的结构形式设计有高的要求 首先要满足汽车总布置的 要求 汽车在复杂多变的行驶过程中 固定在车架上的各总成和部 件之间不应发生干涉 汽车在崎岖不平的道路上行驶时 车架在载 荷作用下可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形 车架布 置的离地面近一些 以使汽车重心位置降低 有利于提高汽车的行 驶稳定性 1 1 2 车架的组成与功用车架的组成与功用 车架是一般由左右纵梁和 4 6 根横梁组成 是汽车的装配基体和 承载基体 其功用是支承连接汽车的各总成或零部件 将它组成一 个完整的汽车 同时 车架还承受来自车内外的各种载荷 车架主 要为货车 中型及以下的客车 中和高级轿车所采用 为了车架完成上述功能 通常对车架有如下要求 1 要求有足够的强度 保证在各个复杂受力的情况下车架不受 破坏 要求有足够的疲劳强度以保证其有足够的可靠性与寿命 纵 梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂 2 要求有足够的弯曲刚度 保证汽车在各个复杂受力的使用条 件下 安装在车架上的各总成不致因为车架的变形而早期损坏或失 去正常的工作能力 载货汽车车架的最大弯曲扰度通常应小于 10mm 3 要求有适当的扭转刚度 当汽车行驶于不平路面 时 为了保证汽车对路面不平度的适应性 提高汽车的平顺性和通 过能力 要求车架具有合适的扭转刚度 但车架扭转刚度不宜过大 否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差 使通过性变坏 通常在使用中其轴间扭角约为 10 m 4 要求尽量减轻质量 在保证强度 刚度的前提下 车架的自 身质量应尽可能小 以减小整车质量 因此 车架应按等强度的原 则进行设计 通常 要求车架的质量应小于整车装备质量的 10 从被动安全性考虑 乘用车车架应具有易于吸收撞击能量的特点 此外 车架设计还应考虑车型系列化及改装车等方面的要求 2 3 1 3 国内外研究动态及重要意义国内外研究动态及重要意义 1 3 1 国内外对汽车车架的研究国内外对汽车车架的研究 4 5 6 7 8 据美国统计 因交变载荷引起机械结构疲劳断裂的事故占其失效 破坏总数的 95 疲劳破坏的危险性表现在达到疲劳寿命时无明显 先兆 显著变形 结构就会突然断裂解体 为了保证安全 精确合 理地确定使用寿命至关重要 作为轻型载货汽车的重要组成部分 车架除了承受结构及载荷施加的静载荷外 还承受在不平路面行驶 时由于振动和冲击产生的动载荷 为了在预定寿命下对承受交变载 荷的车架进行结构可靠性设计 必须对车架进行疲劳强度计算和寿 命预测 近年来 国内外学者对此进行了大量研究 9 10 11 12 如 1 储佳章 王建一 学科交叉融合寿命定量设计 我国机械 设计的当务之急 J 中国机械工程 1998 11 9 1 2 2 Sridhar Snkantan Shekar Yerrapalli Hamid Keshtkar Durability design process for truck body structures J International Journal Of Vehicle Design 2000 23 1 2 95 108 他将有限元分析与多体动力学相结合 先建立车体结构的多体动 力学模型 并根据中国路况得出的仿真路面谱作为输入 计算车体 11 个关键部位的载荷历程 然后在车体有限元模型中计算了相应的 应力影响因子 同时根据车架材料的 S N 曲线和车架本身的特点拟 合了车架结构的 S N 曲线 最好 利用 MSC FATIGUE 软件基于准 静态应力法的疲劳分析技术 预测了车架结构的疲劳寿命 另外 国内外对货车车架还进行了大量其他方面的研究 12 13 14 15 16 其中主要集中在一下几个方面 1 汽车车架结构参数的优化设计 2 汽车车架的轻量化优化设计 3 汽车车架的静动态特性分析 4 汽车车架产生裂纹的原因及其维修方法 1 3 2 汽车车架的研究意义汽车车架的研究意义 汽车的使用条件复杂 其受力情况也十分复杂 随着汽车行驶 条件 车速和路况 的变化 车架上的载荷变化也很大 而车架 作为汽车的主要承载工件 它的好坏直接关系着汽车的各方面性能 如操作稳定性 安全性 舒适性 燃油经济性等 而广西都安建兴 机械有限公司生产的 DA180 低速汽车车架 在使用过程中 由于使 用环境复杂恶劣 存在着断裂的危险 也有过汽车在使用过程中 车架断裂的情况发生 所以对车架的主要受力件车架纵梁的强度进 行校核 有着至关重要的意义 确保车架在各个工况下 车架纵梁 的弯曲强度都符合材料的弯曲强度极限要求 如果不符合要求的 找出解决的方案 保证人与财产的安全 另外 随着油价的上涨和国家对汽车尾气排放标准的不断提高 对载货汽车车架进行设计 不管是对其结构参数的优化设计 对其 进行轻量化的优化设计 还是对汽车车架进行疲劳寿命预测分析等 都是出于对汽车动力性 安全性 燃油经济性的考虑 是非常有必 要的 研究新的车架材料 减轻其质量 可以有效减少其整备质量 特别是对重型载货汽车来说 车架的质量占了汽车整备质量很大以 部分 如果可以将其质量减小 将可以大大增加装载质量 抵消因 满足安全标准 排气标准和噪声标准所带来的准备质量的增加 降 低其燃油消耗 1 4 课题研究的内容课题研究的内容 本课题的目的旨在根据 DA180 低速汽车的总质量 整备质量 簧上质量 车架纵梁的相关尺寸 了解 DA180 车架的结构形状和所 用的材料类型 然后通过计算车架纵梁在各个区段内的弯曲强度 并将计算结果与材料的弯曲强度极限相对比 确定车架的强度是否 符合强度要求 若有危险截面 找出危险截面的位置 并找出汽车 车架的改进方案 主要研究内容如下 表 2 1 DA180 低速汽车的主要设计参数 技术性能要求 1 汽车满载荷在崎岖不平的道路上行驶时 大梁 在载荷作用不能产生扭转变形及弯曲变形 2 汽车满载荷行驶时 当一边车轮遇到障碍时 整个大梁不产生菱形变形 3 汽车在行 驶过程中 固定在大梁上各总成和部件之间不应发生干涉 第二章第二章 汽车车架的介绍汽车车架的介绍 本章主要是介绍汽车车架的几种结构形式与特点 制造工艺和材 料 车架的结构形式主要有梯形车架 周边型车架 脊梁式车架 桁梁式车架 2 1 汽车车架的几种结构形式与特点汽车车架的几种结构形式与特点 2 1 1 梯形车架梯形车架 梯形车架 也称大梁式车架或是边梁式车架 是随着冲压技术发展 起来的钢板冲压车架 其结构如图 2 1 所示 通常由两根纵梁和若 干根横梁组成 其基本功能优于以前采用的木质车架 后来梯形车 架的纵梁由槽形截面改为较低的箱形截面 横梁也做了一定的简化 以利于整车高度的降低 大梁式车架的优点是钢梁提供很强的承载能力和抗扭刚度 而且 结构简单 开发容易 生产工艺的要求也较低 致命的缺点是钢制 大梁质量沉重 车架重量占去全车总重的相当部分 此外 粗壮的 大梁纵贯全车 影响整车的布局和空间利用率 大梁的厚度使安装 在其上的车厢和货厢的地台升高 使整车重心偏高 1 2 梯形车架适用于要求有大载重量的货车 中大型客车 以及对车架 刚度要求很高的车辆 如越野车 2 1 2 周边式车架周边式车架 周边式车架的特点是前后两端纵梁变窄 中部纵梁加宽 前端 宽度取决于前轮最大转角 后端宽度取决于后轮距 中部宽度取决 于车身门槛梁的内壁宽 其主要构件为封闭断面 这种车架在撞车 时可吸收部分能量 主要用于中级以上的轿车 2 1 3 脊骨式车架脊骨式车架 脊骨式车架也被称为中梁式车架 脊梁式车架由一根位于汽车 左右对称中心的大断面管形梁 圆形或是箱形断面 和某些悬伸托 架构成 犹如一根脊梁 管梁将动力 传动系连成一体 传动轴从 其中间通过 故采用这种结构时驱动桥必须是断开式的并与独立悬 架相匹配 与其他类型的车架比较 其扭转刚度最大 容许车轮有 较大的跳动空间 使得汽车有较好的平顺性和通过性 但这种车架 制造工艺复杂 精度要求高 给维护和修理造成诸多不便 因而未 能在轿车上大量采用 2 1 4 桁梁式车架桁梁式车架 桁梁式车架 又称空间车架 这种立体结构式车架是用很多钢 管焊接成一个框架 再将零部件装在这个框架上 兼有车架和车身 的作用 它的刚度大 质量轻 但是制造工艺差 主要是用于竞赛 汽车及特种汽车身上 上世纪 50 70 年代英国有很多小规模的车厂 生产各式各样的汽车 都是用自行开发制造的钢管车架 是钢管车 架的全盛时期 时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑 车厂 原因是可以省去冲压设备的巨大投资 由于对钢管车车架进 行局部加强十分容易 只须加焊钢管 在质量相等的情况下 往往可 以得到比承载式车架更强的刚度 这也是很多跑车厂仍乐于用它的 原因 2 1 5 x 形车架形车架 随着动力性的改善 车速的提高 迫使整车高度逐年下降 在 装有 X 横梁的梯形车架被广泛采用之后 又发展出了 X 形车架 它 放弃了梯形车架的左右纵梁 将梯形车架的 x 横梁向前后延伸 形 成两根互相交叉的纵梁 其扭转刚度很大 而车身底板在放脚处即 可下降到车架上平面之下 其不足之处是 在后部放脚处 略显拥 挤 其前部放脚处则较高 2 2 汽车车架的制造工艺与材料汽车车架的制造工艺与材料 2 2 1 汽车车架的制造工艺汽车车架的制造工艺 1 2 3 车架纵横梁和其他零件的制造 多采用钢板的冷冲压工艺在大 型压力机上冲孔及成形 也有采用槽钢 工字钢 管刚等型材制造 的 轿车车架的组装多采用二氧化碳保护焊 塞焊和点焊 设计应 注意对焊接规范 焊缝布置及焊接顺序的选择 货车车架的组装多 采用冷铆工艺 必要时可采用特制的放松螺栓链接 为保证车架的 装配尺寸 组装时必须有可靠的定位和加紧 特别应保证有关总成 在车架上的定位尺寸及支承点的相对布置精度 2 2 2 汽车车架的材料汽车车架的材料 车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限 低的应力集中 敏感性 良好的冷冲压性能和焊接性能 低碳和中碳低合金钢能满 足这些要求 车架材料与所选定的制造工艺密切相关 拉伸尺寸较 大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢 08 09MnL 09MnREL 等钢板制造 拉伸尺寸不大 形状又不复杂 的冲压件常采用强度稍高的 20 25Mn 09SiVL 10TiL 等钢板制造 强度更高的钢板在冷冲时易开裂且冲压回弹较大 故不宜采用 有 的重型货车 自卸车 越野车为了提高车架强度 减小质量而采用 中碳合金钢板热压成形 再经热处理 例如采用 30Ti 钢板的纵梁经 正火后抗拉强度即由 450MPa HB156 提高到 480 620MPa HB170 用 30Ti 钢板制造纵横梁也可采用冷冲压工艺 钢板经过冷却冲成形后 其疲劳强度要降低 静强度高 延伸 率小的材料的降低幅度更大 常用车架材料在冲压成形后的疲劳强 度约为 140 160 Mpa 轿车车架纵 横梁的钢板厚度约为 3 0 4 0mm 货车根据其装载质量的不同 轻 中型货车冲压纵梁 的钢板厚度约为 5 0 7 0mm 重型货车冲压纵梁的钢板厚度约为 7 0 9 0mm 槽形断面纵梁上 下翼缘的宽度尺寸约为其腹板高度尺 寸的 35 40 第三章第三章 汽车车架的受载分析汽车车架的受载分析 3 1 汽车车架的受载种类汽车车架的受载种类 汽车的使用条件复杂 其受力情况也十分复杂 随着汽车行驶 条件 车速和路况 的变化 车架上的载荷变化也很大 车架承受 的载荷大致可以分为以下几种 1 静载荷 静载荷是指汽车静止时 车架所承受的悬架弹簧以上部分的载 荷 它包括 车架质量 车身质量 安装在车架上的各总成与附属 的质量以及有效载荷 乘客或货物的总质量 的总和 2 对称的垂直动载荷 这种载荷是当汽车在平坦的道路上以较高的车速行驶时产生的 其大小与作用在车架上的静载荷及分布有关 还取决于静载荷作用 处的垂直振动加速度大小 路面的反作用力使车架承受对称垂直动 载荷 这种动载荷会使车架产生弯曲变形 3 斜对称的动载荷 这种载荷是当汽车在崎岖不平的道路上行驶时产生的 此时汽 车的前后几个车轮可能不在同一个平面上 从而使车架连同车身一 同歪斜 其大小与路面不平的程度以及车身 车架和悬架的刚度有 关 这种动载荷会使车架车身扭转变形 4 其他载荷 汽车转弯行驶时 离心力将使汽车受到侧向力的作用 汽车加 速或制动时 惯性力会导致车架前后部载荷的重新分配 当一前轮 正面撞在路面凸起物时 将使车架产生水平方向的剪切变形 安装 在车架上的各总成 如发动机 转向摇臂及减振器等 工作时所产 生的力 由于载荷作用线不通过纵梁截面的弯曲中心 如油箱 备 胎和悬架等 而使纵梁产生附加的局部转矩 综上所述 汽车车架 实际上是受到空间力系的作用 受载情况错综复杂 而车架纵梁与 横梁的截面形状和接合点又是多种多样 从而使车架受载更加复杂 化 1 2 第四章第四章 DA180 低速汽车主要尺寸确定和计算低速汽车主要尺寸确定和计算 4 1 DA180 低速汽车车架的结构参数的确定低速汽车车架的结构参数的确定 4 1 1 DA180 低速汽车车架结构形式的确定低速汽车车架结构形式的确定 梯形车架便于安装车身 车厢和布置其他总成 易于汽车的改 装和变型 而 DA180 低速汽车所要求的就是易于改装和变型 所 以这里选择用梯形车架 4 1 2 DA180 低速汽车各梁结构的确定低速汽车各梁结构的确定 纵梁是车架的主要承载部件 也是汽车中的最大工件 其形状 应力求简单 载货汽车的车架纵梁沿全长多取平直且截面不变或少 变 这里纵梁选用平直而且截面不变 形状为槽形 横梁将左右纵梁联在一起 构成一个完整的车架 并保证车架 有足够的扭转刚度 横梁还起到支承某些总成的作用 DA180 汽车 各横梁除了发动机前后悬挂横梁为了便于支撑发动机而做成向下凹 形的外 其余也是做成平直而且截面不变的槽形 车架一般有 4 6 根横梁 其布置与有关总成 驾驶室 货箱或车身的支承位置有关 横梁的截面形状及纵梁的链接形式如图 4 1 图 4 1 横梁的截面形状及纵梁的链接形式 DA180 低速汽车横梁与纵梁的链接形式如图 4 2 4 1 3 DA180 汽车车架材料的确定 Q235 碳素结构钢用于结构件 钢板 螺纹钢筋 型钢 螺栓 螺母 铆钉 拉杆 齿轮 轴 连杆 DA180 低速汽车车架所用的 就是钢板折弯成槽形梁的 所以这里选用 Q235 的碳素结构钢 其 屈服极限为 s 235MPa 10 4 2 车架尺寸的确定 4 2 1 汽车轴距确定 17 18 在确定汽车轴距时 应综合考虑汽车的主要性能 装载面积和 轴分配等各方面的要求 在各方面均得到满足的前提下 以轴距短 些为宜 一般来说 轻型载货汽车对发动机性能要求高 故轴距应 取短些 各类载货汽车的轴距选用范围如表 4 1 所示 表 4 1 根据有关公路规定车辆法则 公路允许车辆的单后轴轴载质量为 13t 双后轴轴质量为 24t 注 该表选自 汽车现代设计制造 人 民交通出版社 龚微寒主编 230 页 表 10 1 轴距对准备质量 汽车总长 最小转弯半径 传动轴长度 纵 向通过半径等都有影响 当轴距短时 上述各指标减小 此外 轴 距还对轴荷分配有影响 轴距过短时 会使得车厢的长度不足或是 为了加长车厢长度 使得后悬又过长 上坡或制动的时候轴荷转移 过大 汽车制动性和操纵稳定性变坏 车身纵向角振动增加 对汽 车的平顺性不利 万向节传动轴的夹角增加 一般 车架的长度大 致接近整车的长度 约为轴距的 1 4 1 7 倍 在整车选型初期 可 根据要求货箱的长度及驾驶室布置尺寸初步确定轴距 l 对于 DA180 低速汽车 车厢是自己生产的 如果客户没有特殊 的要求 则车厢的型号基本是不变的 这里选的为长 c 2200mm 这里选驾驶室与车厢之间的间隙为 100mm 驾驶室也是公司自行生产 长度尺寸基本不变 汽车的前悬为 709mm 驾驶室总长为 2085mm 所以lj 1376mm 汽车后悬为lR 934 5mm 所以 DA180 低速汽车的 轴距为 l 2200 1376 100 934 5 2741 5mm 根据设计参数选择 4 2 后轮双胎 平头 4 2 2 车厢的布置车厢的布置 为防止紧急制动时货厢可能向前窜动撞击驾驶室 通常车厢与 驾驶室之间留有 50 100mm 的间隙 为满足汽车的轴荷分配 车厢 和货物的质心离后桥中心线的距离为 对于后轮为双胎的平头车 该距离一般为轴距的 12 22 根据车厢质心到后桥中心线的 距离以及驾驶室后壁的位置 可确定车厢的长度 选定车厢与驾驶室间距离为 50mm 车厢长度可选为 2750mm 前轮中心到驾驶室后壁的距离选为 1367mm 4 2 3 汽车的前悬和后悬汽车的前悬和后悬 汽车的前悬是通过两前轮中心的垂面与抵靠在车辆最前端并垂 直于汽车纵向对称平面的垂面之间的距离 其长度应能布置发动机 水箱 转向器等部件 但不能过长 不然接近角太小 影响汽车的 通过能力 汽车的后悬是通过汽车最后车轮轴线的垂面与抵靠在汽车最后 端并垂直于汽车纵向对称平面的垂面之间的距离 其长度主要取决 于货箱的长度 轴距和轴荷分配的要求 一般载货汽车的后悬在 1 2 2 2m 的之间 微型载货汽车的后悬要小些 特长货箱载货汽车 的后悬较大 但可达 2 6m 左右 但各类载货汽车的后悬不得超过轴 距的 55 对于三轴汽车 若二 三轴为双后轴 其轴距应按第一 轴至双后轴中心线的距离计算 若一 二轴为装向轴 其轴距应按 一 三轴的轴距计算 对于货车来说 前悬架 0 26 0 35 轴距 后悬架 0 35 0 45 轴距 选汽车后悬为 1033mm 4 2 4 汽车前 后轮距汽车前 后轮距 载货汽车的轮距与汽车的结构布置有关 前轮距主要取决于车 架前部的宽度 前悬架宽度 前轮最大转角和轮胎宽度 同时还需 要考虑转向拉杆 转向轮和车架之间的运动间隙等 后轮距主要取 决于车架后部宽度 后悬架宽度和轮胎宽度 同时还需要考虑车轮 和车架之间的间隙 各类载货汽车的轮距选用范围如表 3 2 所示 表 4 2 注 该表选自 汽车现代设计制造 人民交通出版社 龚微寒主编 230 页 表 10 2 根据设计参数选择总质量 3 5 5 0t 可根据车厢的长度及驾驶室 布置尺寸初步确定轴距 l 式中 l 为汽车轴距 mm c 为车厢长 mm lj为前轮中心到驾驶室后壁的距离 mm s 为驾驶室与车厢之间的间隙 一般取 50 100mm lR为汽车的后悬尺寸 mm 根据上述参数选择 可得 l 2750 1367 50 1033 3134mm 纵梁的长度一般接近汽车的长度 其值约为 1 4 1 7 倍汽车轴 距 根据设计要求的外形尺寸结合车辆的承压和载物情况 纵梁总 长设计为 4770mm 轴距设计为 3134mm 其比值为 1 52 符合要 求 4 2 5 汽车的外廓尺寸汽车的外廓尺寸 我国法规对载货汽车外廓尺寸的规定是 总高不得大于 4m 总宽 不包括后视镜 不大于 2 5m 外开窗 后视镜等突出部分不大于 250mm 总长不大于 12m 牵引车拖半挂不大于 16m 汽车拖带挂 车不大于 20m 一般载货汽车的外廓尺寸随载荷的增大而增加 在 保证汽车主要使用性能的条件下应尽量减小外廓尺寸 4 2 6 货车车车头长度货车车车头长度 载货汽车的架势室一般有长头式 短头式 平头式三种 平头式是 将驾驶室放在发动机上面 即将发动机布置在驾驶室里面 这种布 置的优缺点正好和长头式的相反 这种布置在各种等级的载重汽车 上得到广泛采用 一般来说 平头型货车车头一般控制在 1400 1500mm 4 3 汽车最大举升角的确定汽车最大举升角的确定 4 3 1 最大举升角度的确定最大举升角度的确定 16 确定车厢最大举升角的依据是倾卸货物的安息角 细沙 干 静止时的安息角为 50 考虑到 DA180 低速货车有可能装载细沙 所 以设计的车厢最大举升角 max 必须大于货物安息角 以保证把车厢 内的货物卸净 设计时 自卸车车厢的最大举升角可在 50 70 之间 选取 以 50 55 居多 这里 DA180 低速汽车的最大举升角选 50 因为如果最大举升角选得太大的话 当车厢举升到最大角度时 汽 车的整体重心会向后移动 而且车厢后绞支点对车架纵梁的压力也 会增加 这样很容易导致汽车前轮在举升到最大角度时离开地面 所以 为了将货物全部卸净而又不导致前轮翘起 这里 DA180 汽车 的最大举升角选的是 50 第五章第五章 DA180 车架的强度校核车架的强度校核 本章主要是对前面设计的车架进行强度校核 分析车架纵梁在 车厢未举升时 车厢刚刚举升时 车厢举升到最大角度时的剪力和 弯矩分布 横梁的受力分析 进而分析车架的强度是否符合要求 5 1 车厢未举升时车架纵梁的计算车厢未举升时车架纵梁的计算 5 1 1 纵梁的弯矩计算纵梁的弯矩计算 1 19 低速汽车的简单受力图如图 5 1 要计算车架纵梁的弯矩 先计算车架前支座反作用力 向后轮 中心支座处求矩 可得 式中 在计算纵梁弯矩时 将纵梁分为二段区域 每一区段的均布载荷 化为作用于区段中点的集中力 纵梁各端面上的弯矩计算采用弯矩 差法 可使计算工作量大大减少 弯矩差法认为 纵梁上某一端门 上的弯矩为该断面之前所有力对这点的转矩之和 1 驾驶室长度段纵梁的弯矩计算 在该区段内 根据弯矩差法 则有 2 驾驶室后端 车厢前段 到后轴段纵梁的弯矩计算 在该区段内 根据弯矩差法 纵梁某一断面的弯矩为 纵梁某一断面上的剪力为该断面之前所有力的和 图 5 2 车架的剪力及弯矩分布 以上是仅仅考虑到汽车在静载工况下 纵梁断面所受到的弯矩 和剪力的计算 实际上 汽车在行驶过程中 还会受到各种动载荷 的作用 因此 汽车行驶过程中实际受到的最大弯矩 Md max和最大 剪力 Qd max为 这里为了安全考虑 安全系数取最大值 n 1 40 动载系数取 kd 2 5 则有 5 1 2 纵梁截面特性计算纵梁截面特性计算 车架纵梁和横梁截面系数 W 按材料力学的方法进行计算 对于 槽形截面 截面系数 W 为 6 6 12 140 6 140 6 50 123200 5 8 5 1 3 弯曲应力的计算 纵梁断面的最大弯曲应力 为 按上面的式子求得的弯曲应力不应该大于材料的许用应力 许用 应力的大小可以按照下面的式子计算 5 1 4 临界弯曲应力临界弯曲应力 c的计算的计算 当纵梁受力变形时 上下翼缘分别受到压缩和拉伸的作用 可能 会造成翼缘的破裂 因此应按薄板理论进行校核 对于槽形截面纵 梁来说 其临界弯曲应力 c 为 W 16t 5 12 将 DA180 低速汽车车架纵梁的数据 w 50mm t 12mm 代入可得 50 16 12 192 则纵梁的宽度 厚度尺寸符合要求 5 1 5 车架的刚度校核车架的刚度校核 5 1 5 1 车架纵梁抗弯刚度校核车架纵梁抗弯刚度校核 为了保证汽车整车及有关部件的正常工作 应对纵梁的最大挠 度予以限制 这就要求对纵梁的抗弯刚度进行校核 由材料力学可知 对于简支梁来说 其跨距中间受集中载荷 F 作用时 梁的挠度最大值ymax按下式计算 5 2 车厢刚刚举升时车架纵梁的计算车厢刚刚举升时车架纵梁的计算 当举升机构刚刚工作时 所需要的推力是最大的 相应的 对车 厢支撑处会有向上的最大力 对此时车厢的受力进行分析 先计算 举升杆的支撑力 向车厢后绞支点求距 整辆车的受力如图 5 3 在计算纵梁弯矩时 将纵梁分为三段区域 每一段的均布载荷可 简化为作用在该区段中点的集中力 1 驾驶室长度段内的弯矩计算 在该区段内 根据弯矩差法 则有 2 驾驶室后端到举升杆长度段纵梁的弯矩计算 在该区段内 根据弯矩差法 纵梁某一段断面的弯矩为 这段长度内的剪力为 从式中可以看出 x 越大 弯矩越小 当 x 2741 5mm 时 Mx2 958192 56MPa 这样可以知道 车架纵梁的最大弯矩发生在 x 2636mm 处 考 虑动载荷系数和安全系数 则有 在这种情况下 若是司机超载 载货量为 6000kg 则有 在计算纵梁弯矩时 将纵梁分为三段区域 每一段的均布载荷 可简化为作用在该区段中点的集中力 1 驾驶室长度段内的弯矩计算 在该区段内 根据弯矩差法 则有 2 驾驶室后端到举升杆长度段纵梁的弯矩计算 在该区段内 根据弯矩差法 纵梁某一段断面的弯矩为 3 举升杆到汽车后轮中心长度段纵梁的弯矩计算为 从式中可以看出 x 越大 弯矩越小 当 x 2741 5mm 时 Mx2 1472327 08MPa 这样可以知道 车架纵梁的最大弯矩发生在 x 2636mm 处 考虑动载荷系数和安全系数 则有 这处的弯曲应力小于材料的许用应力 则其余的就都小于许用应力了 所以没有断裂的危险 5 3 车厢举升到最大角度时车架纵梁的计算车厢举升到最大角度时车架纵梁的计算 5 3 1 车厢的受力分析车厢的受力分析 当车厢举升到最大角度 50 时 其受力图如下图 5 5 所示 因为车厢在举升的过程中 车厢内的货物会倾卸出来 而且具 体倾卸了多少是没有个定数的 所以对于车厢举升到最大角度时车 厢内的货物质量及其分布情况是无法确定的 所以也就无法计算出 举升杆和车厢后铰支点对车厢的支撑力 相应的举升杆和车厢后铰 支点对车架纵梁的作用力也就无法确定 所以 这里 由于条件不 足 车厢举升到最大角度时的纵梁受力在简化计算中是无法完成的 但是 随着计算机技术的发展 现在对车架的受力分析是可以进行 建模 模拟汽车在倾卸时车架的受力从而进行分析的 而且这样的 分析更加贴近现实 5 4 车架横梁的校核车架横梁的校核 汽车车架前横梁通常用作水箱和发动机是前支承 为了降低水 箱和发动机的支承高度 以改善视野性 前横梁通常做成宽而向下 凹的形状 DA180 低速汽车的发动机前支承点不住前横梁上 所以 它的前横梁可减少宽度 而 DA180 低速汽车的横梁与纵梁的链接如 上图 4 2 所示 都是铆接在车架纵梁的内部 所以 对于汽车 的大部分重量 都是由车架的纵梁支承的 只是在少数纵梁的某些 部位会安装外伸部件 如油箱 蓄电池等 而产生局部扭转 在设 计时通常在此安装一根横梁 使得这种对纵梁的扭转变为对横梁的 弯矩 横梁 一般也是做成槽形 这里 DA180 低速汽车的横梁 除 了发动机前后支架横梁外 都是做成槽形 钢板的厚度为 t 6mm 槽钢宽度为 180mm 或者是 140mm 这些数据的选择都是 厂里的师傅根据经验法选择的 但是 从这些数据我们可以看出 车架纵梁的槽钢是由两根厚度为 6mm 的槽形钢铆接在一起而成的 它们在受到那么大的弯矩作用下都没有折断的危险 那么 对于只 是承受油箱 蓄电池的重量形成的这样一个弯矩 对于横梁来说 承受这样一个弯矩还是绰绰有余的 所以 一般来说 车架的横梁 不需要对其弯矩强度校核 5 5 本章小结本章小结 本章主要介绍了 DA180 低速汽车车架的一些基本资料 以及对 车架纵梁在车厢完全未受举升杆支撑力作用 车厢刚刚受举升杆作 用 车厢举升到最大角这三种情况下的受力进行分析 计算出在这 三种情况下的最大弯矩 在并在这三种情况下 考虑动载荷系数和 安全系数 计算车架纵梁实际受到的最大弯曲应力 然后与车架材 料 Q235 碳素结构钢的许用弯曲应力相比较 它们的最大弯曲应力 都小于材料的许用弯曲应力值 这样 经过对车架纵梁在三种特殊 情况下的受力分析和强度校核 可得出的结论是 汽车车辆纵梁的 强度符合要求 不存在危险断面 另外 还对车架横梁不用进行弯 曲强度校核的原因进行说明 所以 总的来说 DA180 低速汽车车 架的弯曲强度是足够承受汽车在各种工作状况下的载荷的 第六章第六章 结论与展望结论与展望 6 1 总结总结 6 1 1 主要完成工作主要完成工作 本文通过运用材料力学对车架纵梁在车厢未被举升时 车厢刚 刚举升时及车厢被举升到最大角度时的进行受力分析 计算出车架 纵梁在这三种情况下的最大弯矩 并将计算出的数据与材料的许用 弯曲应力进行对比 判断其是否存在危险截面 主要完成的工作如 下 1 查询资料 研究国内外汽车车架的几种典型结构及其各个结 构车架的特点 车架的加工工艺 材料及国内外对汽车车架优化设 计等 2 查询汽车设计的相关资料 确定 DA180 低速载货汽车车架 选用的材料 结构特点 轴距 最大举升角 3 分析低速载货汽车车架在使用过程中的受力情况 选择三种 特殊的情况 对车架纵梁进行受力分析 计算其最大弯矩 并将计 算出来的最大弯矩与材料的许用弯曲应力做比较 分析车架纵梁是 否存在危险截面 6 1 2 误差分析误差分析 本文通过对车架纵梁在车厢未举升时 车厢刚刚举升时 车厢 举升到最大角度时的受力进行分析 计算其在三种特殊情况下的弯 矩情况 找出其最大弯矩的受力点 并与材料的许用弯曲应力进行 比较 找出危险截面 虽然最后计算的结果都小于材料的弯曲极限 但是 因为是对车架纵梁进行简化计算 所以在计算时做了很多的 假设 假设车架纵梁上承受的重量是均匀的分布在车架纵梁上面的 假设车厢举升到最大角度时货物还是均匀的分布在车厢上 这些假 设与汽车在实际使用过程中的情况是不相同的 所以经过假设后的 受力分析与车架纵梁实际的受力情况也是不同的 计算出来的最大 弯矩也就不是汽车实际的最大弯矩 另外 汽车在行驶过程中 还 会受到各种各样的外力作用 这样的简化计算出来的最大弯矩虽然 小于材料的许用弯曲应力 但是也不能完全排除危险截面的存在 通过将计算出的在三种特殊情况下车架纵梁受到的最大弯矩与 材料的许用弯曲应力进行比较我们可以看出 车架的最大弯矩都比 材料的许用弯曲应力小 而且 在计算过程中 我们选择的安全系 数是最大的 动载荷系数也是较大的 而汽车在实际使用过程中 特别是汽车在倾卸货物时 一般是在停车工况下或是缓慢行驶工况 下