铰接式自卸汽车车架设计

摘要

车架是车辆的主要承载部件，要求具有好的强度、刚度和焊接性。在设计时，在满足工况要

求的情况下，确定出总体尺寸，以及板面梁的形状和尺寸。此外，依据前车架上发动机、变

速箱、散热器、驾驶室等间的位置，确定出支座位置。强度分析时，利用ANSYS软件进行有

限元分析。首先，在P。-Engineer工程软件中进行实体模型的建立，考虑到车架力的承载和

ANSYS中的强度分析，将结构部分省略和简化。之后，利用Prj-Eugiuwr和ANSYS的数据

交换接口，把模型导入ANSYS软件当中，通过前处理（设置材料属性），网格划分，约束和

加栽，求解等最终得出模型的应力云图和变形图。根据材料强度和设计工况的要求，最终确

定出合理的车架。

关键词：车架、有限元分析、强度分析。

Abstract

Fram.i.th.mai.vehicl.carryin.coinponent.i.require..goo.strength.stin'nes.an.welding.I.th.design.ref

crcncin.th.papcr.o.fram.dcsign.an.thc.wit.meetin.th.rcquiremcnt.o.th.condition.dctermin.th.overa

l.siz.an.th.shap.o.bea.cross>section.I.addition.o.th.basi.o.th.pQsitio.aengine.transmission.i*adiato^

n.cabs.identif.th.bearin.position.Durin.strengt.analysis.ANSY.softwar.i.use.fo.nnit.elemen.analysi

s.First.establis..soli.mode.i.th.Po-Enginee.softwar.works.takinjnt.accoun.th.loa.o.th.fram.an.anal

ysis.soni.structure.ar.omitte.an.simplincd.Acrface.o.Pro-Enginee.an.A

NSYS.th.niode.ca.b.iniportc.lnt.ANSY.softwarc.Throug.th.pre-trcatmcn.(sc.o.attrlbutcs).nicsh.co

nstraints.load.an.solution.i.ge.stres.an.deforn)atio.niap.?\ccordiii.t.tfi.n)ateria.strengt.an.th.reques

.o.th.status.determin..reasonabl.fina.frame.

Keywords:VehicleFrame,FinitElementMethods,StrengthAnalysis.

目录

摘要................................................................1

ABSTRACT.....................................................................................................................2

目录.................................................................3

1引言...............................................................4

245吨钱接车基本参数................................................5

345吨较接车的车架结构设计..........................................6

4建立车架模型......................................................10

5车架强度分析......................................................17

5.1网格化分.......................................................17

5.2弯曲结果分析..................................................17

6总结...............................................................20

参考文献............................................................21

致谢................................................................22

1引言

车架好比人体的脊梁，是承载车身部件，发动机，变速箱等的基础，是车辆的主要承载

部件，所以车架的强度和刚度在乍辆总体设计中十分重要。汽车的车架可分为：大梁式干

架、承载式车架、钢管式车架。

(1)大梁式车架。将粗壮的钢梁焊接或朔合起来成为一个纲架，然后在上面安装引擎、

悬架、车身等部件。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。缺点是质量沉重，其重量占去全军总重的相当部

分。大梁式车架适用于大载重量的货车、中大型客车，以及对车架刚度要求很高的车辆。

(2)承载式车架。承载式乍架用金属制成坚固的车身，再籽发动机、悬架等机械零件直

接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架，也叫做“无车架结构的承载式车

身”。承载式车架由薄钢板经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高。承载式车

架目前主要用于轿车。

(3)钢管式车架。钢管式车架就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。其生产工艺简单，适合小规模的作坊作业。时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量

较少的跑车厂⑴。

245吨钱接车基本参数

汽车总体尺寸为11920mm*3600mm*3750mm,其轴距为6045mm,轮

距2725mm,初速40km/h,制动距离18.03m,减速度5.02m/s2o整

车载货量为45吨，满载时总重67吨。其前后车架之间由较接装

置连接。较接车由于性能的优越已备受关注，此45吨的设计则

是为了满足更大的载货能力，降低矿山运输的成本损耗。

345吨较接车的车架结构设计

首先以同类型的车辆为参照，根据前车架的主要部件发动机，变速箱，散热器以及较接点

连接处的尺寸参数确定出车架的总体尺寸(5234*1745*780)。较接车属于载货汽车，其前

桥载荷与后桥相比较小，而前车架所安装的部件其所施加的载荷与整车载荷分配给前桥的

更小。对于横梁的设计，考虑将其放在发动机安装位置下方，而U形梁则位于车架纵梁结构

变化处。

各部件在车架上的固结点主要考虑部件本身上的安装位置。以发动机为例，它采用三点固定,

在出厂时，各点之间的位置已经确定。因此在设计时，要考虑其相对位置，确定一点，其它

两点也就定了。将其中一点固定在U型梁上，其它两点则由于尺寸关系，需要在纵梁上焊接

支承座，由此，就确定下发动机在整个车架的位置.。而变速箱则根据动力传递位于发动机后,

为了保证整个车架重心位于前桥上，则将变速箱整体位置放在前桥后。然后根据其固定座，

确立在梁上的支承座。其它部件，如散热器座，油箱座，以及驾驶室支承座则根据其与发动

机，变速箱的关系进行布置。布置的原则是：合理布局，避免干涉。

前车架总图确定：

根据已知的发动机，散热器，变速箱，驾驶室等的整体尺寸，同时参照同类车架设计，运

用类比的方法，确定车架的基本结构，如下图：

图3.1前车架总图

图3.1为完成后的总体前车架设计图，其整体形状近似于I形，此种形状能够让各部件

之间的关系合理，左右，前后的整体受力分配比较均匀，各附件之间也见笑了干涉。同时,

它也安排出足够的空间，使得变速箱输出动力通过传动轴传递到前后桥上。

车架纵梁:

图3.2车架纵梁俯视图

图3.3车架纵梁剖面图

纵梁为车架的主要承载部件，在设计时需考虑其有一定的强度和刚度。车架梁的截面主要有

三块钢板焊接的工字型截面和四块板焊接的箱型截面。相比于工字型截面，箱型截面抗弯刚

度和稳定性更好，常用于跨度大且梁的强度和刚度要求高的情况。

图3.4抗扭梁

抗扭梁的设计主要是考虑车架在行驶时，各轮胎可能会不在同•平面，导致车架存在

扭转变形。

车架尾座

图3.5车架尾座俯视图

514__________,-

1(128

图3.6车架尾座左视图

车架尾座使得两根纵梁连接在一块，整个车架构成一个整

体。同时对于较接车尾座上含有较接孔，使得前后车架连接在一

起，构成整个承载车架。尾座由一块U形板，四块座板，和其增强

作用的筋板组成。U形板与两根纵梁连接，筋板的设置主要是由

于在较接点处，后车架会将部分里传于前面，因此要满足足够的

强度。

4建立车架模型

根据已设计出的车架尺寸,进行模型建立［2］。车架总长为5234.0mm,宽为1745.0mm,

纵梁钢板宽为170.0mm,厚为15.0mm.

第一步：确定车架整体形状

图4.2拉伸后的车架

第二步,获取纵梁

通过去除材料即可获得两根纵梁，由于车架是由钢板焊接而成，内部为空心，因此，在形

成纵梁后，要进行抽壳；

图4.3车架纵梁

第三步，绘制抗扭梁

根据抗扭梁距前悬的位置，确定出中心点位置。抗扭梁自身也为空心，此处笔者是通过四个

面的单独生成，得到实体：

图1.4抗扭梁

第四步，绘制U形梁

u形梁包含三个而:上侧面，下侧面以及侧而。卜.卜.侧面形状相同，在绘制时可以利用

镜像生成，然后通过拉伸在生成实体。而侧面则依据上下面的轮廓曲线，绘制出形状，然后

沿纵梁方向进行拉伸即可获得：

图4.5U行梁

第五步，绘制车架尾座

(1)绘制U形板，由于U形板的两个侧面在纵梁生成时已经表现出来，因此只需绘制底面,

以纵梁上表面为绘制平面，画出底面的投影形状，然后在竖直方向拉伸，

(2)通过孔操作，绘制出U形面的孔

图4.7U形面孔

(3)绘制陲板。以纵梁上平面为绘制平面，画出最上层座板的形状，然后通过沿竖直方

向拉伸获取。其余三个座板则通过镜像获得。

(4)绘制筋板。此处六块筋板直接通过拉伸获取。由于所处位置不同，光绘制中间两块

筋板，其余四块筋板先绘制一块，然后通过镜像获取：

图4.9筋板

（5）绘制销座。各筋板两侧的销座厚度不同，其与连接件接触的中间两块厚度为10mg

（6）倒角，孔。销座孔直径为100mm,倒角则由于上下表而销座厚度不同，各有选取。

非接触面为15nmi*15mm,接触面为10mm*15mm.

图4.11销座孔

（7）绘制前悬支架，由干在进行ANSYS分析时，约束点为耳板的孔处，将模型进行了

简化。只绘出与纵梁的连接座和耳板。

图4.12前悬支架

（8）绘制前横梁。绘制横梁主要是考虑车架在扭转情况下的受力。此处为计算方便，进行

了简化，省略了一些部件和将部件简化。

图4.13前横梁

5车架强度分析

5.1网格化分

由于模型已经通过Pro-Enginzer建立，因此只需要对其进行前处理，然后通过网格(mesh)

操作就可得到下图5.1。

对十前处理，主要是设定材料的属性，如弹性模量(2.06ell),泊松比(0.3),由十此车架

是壳体(15mm),因此还需设置钢板厚度(15mm)。

1.000

图5.1车架网格图

5.2弯曲结果分析

弯曲工况时，车架的应力云图

EqaivolentStress

TypeEquivalent(von-tfisos)Stress

Vn:t：PQ

Tin41

2008-6-511:22

.1.1866c8l<x

I1.0548cs

-9.2297e7

—7.9112©7

6.59284

一S.27444

—3.956^7

2.6376e7

1.3192e7

7433.6Bin

图5.2车架应力等值图

由图可以得出车架的最大应力为118.66MPa,其发生在与悬挂连接的耳板处，而前悬支

架与纵梁连接处的受力也很大。这主要是由于一方面此处为连接处，存在应力集中。另一方

面，加载的载荷为均布载荷，前端处于悬空状态，此处所受弯矩较大，所以会产生大的应

力。

变形图

T«talD»foraation

TypeTotal

Umt:•»

Tin4I

2008-6-5H24

00016612■“

00014766

00012^21

0001185

00009229

00873832

000055374

000036916

000018458

0802.003S：

图5.3车架变形图

从图中可以得出最大变形量为1.6612mmo产生这种情况的原因

是较接点和前悬的两个支点为固定端，车架前部悬空，因此在加

载时前端会产生较大的变形量。而较接点和支点之间，由于均布

载荷的作用，相对变形较小。

6总结

本文是针对45吨较接车前车架的设计和强度分析，通过现代设计方法，取得了以下成

果：

（1）设计出的前车架符合整车的尺寸要求，发动机、变速箱、水箱等也被合理的安排

在上面，不存在干涉问题。

（2）模型的建立采用Pro-Engineer工程软件，考虑到车架的强度主要为纵梁和横梁

承受，简化了整个车架，将一些支架附件省略，这样做使得在进行强度分析时会存在精度

上的欠缺，但是对整体车架的设计没有影响。同时简化的模型，有利于ANSYS中的分析。

（3）在静态分析下，车辆行驶在不平路面产生的应力和变形量大于行驶在光滑路面上产生

的应力和变形量，这主要是由于在不平路面上除了弯曲变形，两根纵梁间的相对错位产生

了扭转变形。

«）车架整体满足强度要求，但是局部存在应力偏大的情况，这主要是由于应力集中引起。

在使用时.，车架如果出现损坏等情况最先考虑的应是这些部位.

虽然本篇设计完成了前车架的设计和强度校核，但是仍有许多方面需要改进。如：选用质量

轻强度高的材料，以减轻整车质量，提高加速性、爬坡性和制动性能。此外还可对车架构件

进行优化等。

参考文献

[1]黄文重型汽车车架设计，广西工学院学报，第16卷增刊3,2005年10月

[2]严烈中文Pro/ENGINEERWildfire2.0应用基础教程冶金工业出版社2006.6

[3]王国强实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践西北工业大学出版社1999

[4]马治国夏毅敏，ANSYS软件应用介绍，