燕山大学车辆与能源学院车架设计综合训练说明书.docx

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燕山大学车辆与能源学院车架设计综合训练说明书

燕山大学

综合训练说明书

题目：

长安之星S460SC6408A1K车架设计

随着计算机技术的发展，在汽车产品开发阶段，对其进行应力、刚度、振动模态及动应力和碰撞安全等进行有限元分析，对与汽车的轻量化、使用寿命，振动和噪声特性等做出初步判断，可以为缩短产品开发周期创造极为有利的条件。

车架作为汽车的承载基体，具有支撑发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的有关机件的作用，同时承受着车身传给它的各种力和力矩，是将汽车各零件连接成汽车整体的金属构架，其静力状态下以及工作状态下受力是十分复杂的，因此对其进行有限元分析是十分必要的。

本设计将结合现代技术发展趋势，从车架的功用及结构出发，建立几何模型，进行有限元分析，完成面包车车架的基本设计。

1车架功用及类型

1.1车架功用

车架俗称“大梁”，它是汽车的装配基体，汽车绝大多数的零部件、总成都要安装在车架上。

另外，车架不仅承受各零部件、总成的载荷，还要承受汽车行驶时来自地面各种复杂载荷的作用力，如汽车加速、制动时的纵向力，汽车转弯、侧坡行驶的侧向力，不良路面传来的冲击等等。

所以车架的功用可以分为两点，一是支承、连接汽车各零部件、总成；二是承受车内、外各种载荷的作用。

因此，车架是一个形状负载、强度和刚度要求较高的刚性结构。

1.2车架的类型和构造

汽车上采用的车架有4种类型：

边梁式车架、中梁式车架、综合式车架和无梁式车架。

目前汽车上多采用的是边梁式车架和无梁式车架。

1.2.1边梁式车架

边梁式车架如图1所示，它有两根纵梁和若干跟横梁构成。

纵梁和横梁之间通过铆接和焊接的方法连接起来。

这种车架结构简单、便于整车的布置，所以在各种类型的汽车上都广泛应用。

图1边梁式车身

边梁式车架的纵梁具有以下特点：

一是从宽度上看有前窄后宽、前宽后窄和前后等宽3种形式，前窄使前轮具有足够的偏转角度，提高了车辆的机动性能；后窄用于重型车辆，便于布置双胎。

二是从平面度上看有水平的和弯曲的两种形式，水平的纵梁便于零部件、总成的安装和布置；弯曲的纵梁可以降低车辆重心。

三是从断面形状上看有槽形、Z字形、工字形和箱形几种，这些形状主要为了满足质量小的前提下，车架具有足够的强度和刚度，以承受各种载荷，横梁多为槽形。

1.2.2无梁式车架

无梁式车架是用车身兼做车架，汽车的所有零部件、总成都安装在车身上，车身要承受各种载荷的作用，因而这种车身又称为承载式车身，广泛用于轿车和客车，如图2所示。

图2承载式车身

1.2.3中梁式车架和综合式车架

中梁式车架和综合式车架分别如图3、图4所示，由于这两种车架结构复杂，加工制造及维修困难，所以目前很少应用。

图3中梁式车身

图4综合式车身

2车架设计准则

2.1法规要求及国际惯例

车架总成在正常使用条件下，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。

2.2功能及性能要求

车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上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量最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性和寿命。

2.3设计过程的节点控制要求

车架总成要负责控制校核的内容如下：

协调发动机及其附件在车架纵梁上的安装孔及牛腿安装孔；横梁位置与底盘分总成（油箱、电瓶）及车身结构（前、中、后门、侧围立柱）的匹配；协调制动管路、暖风管路、电线束、油路等管线在车架中的分布及穿线管；校核底盘各总成间的运动干涉，相关总成的装缷空间（如缓速器、传动轴）

3车架设计

3.1设计内容

本设计以长安之星S460SC6408A1K标准型为例进行面包车车架的设计，主要包括：

车架宽度的确定，纵梁形式的确定，横梁形式的确定，横梁与纵梁连接形式的确定。

参考车型的基本参数如下

参考车型

长安之星S460SC6408A1K

前轮距

1425

发动机型号

JL474Q

后轮距

1435

动机功率

60KW

轴距

2605

发动机排量

1298ML

轴数

2

发动机类型

汽油发动机

整备质量

1100

外形尺寸

3995×1710×1910

额定载重

455

表格1参考车型基本参数

3.2设计流程分析

本设计是以CAE为驱动的设计，基本在车架设计的初期阶段，对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，以确定车架的断面尺寸。

完成基本参数设定之后，利用CATIA软件进行三维立体模型的设计。

以此模型为例，利用Hypermesh软件进行有限元分析，完成刚度强度校核。

3.3车架宽度的确定

车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。

车架前部宽度的最小值取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮最大转角的限制。

车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸确定。

为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度。

考虑到车身总宽度的要求以及悬架的安装，本车架采用由前到后阶梯状增宽的的设计结构。

前部宽度为950mm，中部设计为1150mm，后部设计为1250mm。

3.4纵梁结构设计

纵梁是车架总成中主要承载元件，也是车架中最大的加工件。

纵梁沿全长方向多取平直且断面不变或少变，以简化工艺，有时也采取中间断面高、两边较低来保证纵梁各断面应力接近。

车架的纵梁结构，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，同时形状应尽量简单，以简化其制造工艺。

采用封闭断面纵梁构成的车架，其抗弯刚度大，通常客车的车架也是采用此种断面。

纵梁的长度一般接近汽车长度，其值约为1.4—1.7倍汽车轮距。

多品种生产时，常使不同轴距、不同装载质量的系列车型采用内高相同的槽形断面纵梁，通过变化钣料厚度或翼缘宽度获得不同强度。

根据本设计的要求，综合考虑纵梁截面的特点，本方案设计的纵梁采用上、下翼面是平直等高的矩形钢。

截面具体参数经过计算后确定，进行有限元分析后进行修改，纵梁总长为3600mm。

在纵梁的中间部位加装加强梁，以满足刚度强度要求，结合部位采用焊接方式。

3.5横梁设计

在车架结构设计中，处理纵梁局部扭转的结构设计是最为重要的方面。

其关键在于足够的横梁弯曲刚度、合理的连接设计，以及横梁在纵梁上的正确布置。

横梁将左、右纵梁联接在一起构成一个完整的框架，以限制其变形和改善某些部位的应力，有的横梁还同时作为发动机、散热器、以及悬架系统等的紧固点，这些都是在结构设计中的主要依据。

参考车型共采用大小6根横梁，第一根横梁用来支撑水箱第二根横梁即元宝梁，用来支撑发动机，第三根横梁用于满足车架的扭转和强度要求，第四、五根为后钢板弹簧支撑横梁,第六根横梁使车架组成封闭结构以增加强度和刚度。

在车架的设计过程中还应该综合考虑横梁的断面形状，加工工艺要求，连接形式等。

横梁的断面形状以及连接方式常采用如下图5所示的方式：

图5横梁断面及连接方式

本设计主要进行的是后纵梁上横梁的设计，第三横梁设计在整车弯矩受力最大处，起到强化汽车抗弯能力的作用。

第四横梁设计作为传动轴的中间支承。

一般情况下，为了保证传动轴有足够的跳动空间，应将其结构做成上拱形，但考虑到面包车的实际结构并无上拱形，且在后钢板弹簧前、后支架附近所受到的力或转矩大，所以在此处设置一根抗扭刚度较大的横梁。

第五横梁设计在钢板弹簧的后支架附近，以满足钢板弹簧后支架处所受到的比较大的力和弯矩。

第六横梁一般设有拖曳装置，装有拖钩，故将横梁做成K形结构，利用斜撑来局部加强横梁。

考虑到轻量化设计的要求，各横梁采用中空管式，同时还能够保证强度的要求。

由于纵梁的截面为矩形的，考虑到安装和强度要求，采

用局部焊接的连接方式，具体结构参见三维几何模型。

4纵梁弯矩及剪力计算

面包车可以简化为以下均布载荷的梁：

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（如图），可得

FRB——为前轮中心支座对一根纵梁的前支撑反力；

FRC——为后轮中心支座对一根纵梁的后支撑反力；

l1——车架前端到前轴的距离，497mm；

l2——车架中心位置到前轴的距离，1353mm；

l3——车架中心位置到后轴的距离，1252mm；

l4——车架后端到后轴的距离，598mm；

Gs——空车时的簧上载荷，约7333.33N；

Gε——满载时的有效载荷，4550N；

q——载荷集度，1.6N/mm;

根据力的平衡方程可以求得B、C两点支反力：

FRB=2855.649392NFRC=3086.017274N

计算纵梁弯矩时将整车架划分为AB、BC、CD三个区间，则，

（一）AB区间（

单位米下同）某一点受的弯矩和剪力分别为：

（二）BC区间（

）某一点受的弯矩和剪力分别为：

（三）CD区间（

）某一点受的弯矩和剪力分别为：

计算得

最大弯矩

最大剪力

根据以上式子画出梁的弯矩图和剪力图：

以上计算仅仅考虑了汽车静载的情况，实际上汽车行驶还会受到各种动载荷的作用。

因此，汽车行驶时实际受到的最大弯矩Mdmax和最大剪力Fdmax为：

上式中Kd为动载系数，根据经验取Kd=2.0，则：

四、纵梁截面特性的选择

车架纵梁和横梁截面系数W按材料力学的方法计算：

矩形断面取h=60mm，b=50mm,厚度t=3mm时断面系数W为：

，其中

，

为惯性矩

计算得

五、弯曲应力计算与校核

纵梁断面处的最大弯曲应力计算方法如下：

材料的许用应力为：

为45钢的屈服极限，n为安全系数

由上两式可知

即最大弯曲应力小于许用应力，符合要求。

所以最终确定矩形截面尺寸h=60mm，b=50mm,t=3mm。

根据经验：

纵梁还须在弯矩大的区域布置加强板，加强板厚为5mm

六、临界弯曲应力

计算和校核

当纵梁受力变形时，翼缘可能会受力破裂，按照薄板原理进行校核，由于临界弯曲应力为：

上式中：

E--材料的弹性模量，对于45钢：

；

μ--泊松比，对于45钢，μ=0.269；

t--纵梁断面的厚度；

b--纵梁槽型断面的翼缘宽度。

带入计算得，

，取b=40mm,t=4mm

40

63.64

因此车架满足临界弯曲应力的要求。

5车架CATIA三维建模

计算机技术在工业领域的应用越来越广泛，以CAE为驱动进行工业实体的设计分析成为设计分析的主流。

三维模型的建立是CAE分析的第一步，三维结构模型的设计可以提高设计质量，缩短产品开发周期，同时使设计更为直观。

在对车架结构形式的设计、车架弯矩和剪力的计算，以及纵梁断面参数的设计与校核完成的基础上，需利用CATIAV5软件进行了车架三维模型的建立，为CAE分析制作几何模型。

5.1纵梁的建模

1.根据计算所得截面形状在零件设计模块中绘制截面草图：

2.根据面包车纵梁的结构形式，在零件设计中绘制纵梁俯视和主视的结构走向：

3.利用混合功能将俯视和主视走向曲线结合，得到纵梁结构的空间结构曲线

4.利用肋功能拉伸得出纵梁的基本模型。

5.根据纵梁的与横梁的接口形状及位置及两纵梁的接头位置，绘制相应的草图

6利用拉伸，凹槽等功能进行细节处理得到最终的纵梁形式，之后利用镜像功能得到两根纵梁：

5.2横梁的建模

横梁的断面较为简单，走向单一，下面以第三根横梁的建模过程为例简单介绍三维模型的建立：

1打开CATIA零件零件设计模块，建立横梁的断面形状草图如下图，之后利用凸台功能，拉伸草图，建立横梁主体零件：

2在横梁上表面确定位置建立草图，画出孔位置如图：

3利用凹槽功能打孔，之后利用阵列和对称功能得到所有的孔：

侧壁上的的孔和主视图上的孔建模方式相同

4在主梁主体部位侧面上建立焊接面草图如下，完全约束后，利用凸台功能建立凸台，完成横梁侧面凸台的建立：

5在建立好的主体上经过倒圆角等细节处理，得到最终效果图如下：

剩余横梁的建模过程类似，不再赘述，下面是各根横梁的最终效果图：

5.3装配图

完成了各个零件的三维建模之后，在装配模块进行装配，得到最终装配图：

为了清晰的表达各个零件之间的装配关系，生成爆炸图：

6车架有限元分析

计算机辅助工程（CAE）已经在汽车工业中得到了广泛的应用，在没有建立物理模型前，采用CAE进行数值评价技术预测汽车结构性能和设计方案的优化，可以提高汽车结构性能，缩短产品开发周期，减少试验次数，降低开发成本。

完成几何模型的建立之后，利用Hypermesh软件进行分析，分析过程如下。

6.1前处理

6.1.1模型导入

6.1.2设置模板

将求解器设置为nastran

6.1.3几何清理

经检查，此模型不存在重复边、点、自由边等影响求解的拓扑，进行中性面抽取。

6.2有限元网格划分

根据装配图的不同零件，依次新建component，存储2D网格

使用Automesh面板划分2D网格

使用qualityindex面板进行2D网格质量检查与修改

6.3设定单元属性

6.3.1建立材料卡片

6.3.2建立属性卡片

6.3.4将材料与属性赋予二面体单元

6.4设置工况

6.4.1建立并设定约束及载荷集

6.4.2施加约束

6.4.3施加载荷

6.4.4建立loadsteps载荷步

6.4.5设定其他控制卡片，设置求解控制参数

其中PARAM.POST设置为-2，是为了输出op2文件

6.5输出有限元文件

6.6求解

6.6.1求解并输出op2结果文件

使用OptiStruct求解器求解，输出op2结果文件

6.4.2转换为res结果文件

使用hmnasto2子功能将op2结果文件转换为hypermesh可识别的res结果文件

6.5结果分析

6.5.1变形云图

6.5.2应力云图

6.5.3结果分析

由变形云图可知，在扭转工况下，分别在车架左右两侧施加了方向相反的1000N的力后，最大变形为7.64mm，最大应力为112MPa<350MPa，符合要求,设计满足刚度挠度要求，设计结构正确。