一種非公路基礎(chǔ)車型車架設(shè)計

元博 范騰飛 程寧 薛凱波 吳豪 田虎 王園剛 米浩鋒 趙強

摘 要：文章從車架要求分析，車架關(guān)鍵參數(shù)確定，車架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇，車架設(shè)計驗證幾個方面闡述一種非公路基礎(chǔ)車型車架設(shè)計經(jīng)驗，便于指導(dǎo)相應(yīng)車架設(shè)計。

關(guān)鍵詞：車架;CAE;非公路車型

中圖分類號：U463.32? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-95-02

Abstract： This paper expounds the experience of frame design of a non-highway model from several aspects： analysis of frame requirements， determination of key parameters of frame， main structure design and selection of frame， and verification of frame design， which is convenient to guide the corresponding frame design.

Keywords： Frame; CAE; Non-road model

CLC NO.： U463.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-95-02

引言

因非公路寬體礦用自卸車行駛路況極為惡劣，而其車架承載著整車發(fā)動機、變速箱、懸架、駕駛室、燃油箱、貨箱等主要零部件的重量和貨物重量，因而車架的設(shè)計對于一款礦用自卸車使用壽命異常的關(guān)鍵。設(shè)計不好會出現(xiàn)縱梁開裂、橫梁開裂、車架變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，本文針對此類車架設(shè)計談一些設(shè)計經(jīng)驗，方便設(shè)計人員參考使用。

1 車架要求分析

車架作為車輛布置的參考系，其上安裝著發(fā)動機、變速箱、懸架、駕駛室、燃油箱、貨箱等主要零部件，當(dāng)然受到這些主要零部件安裝條件的約束，需要綜合考慮，多方協(xié)調(diào)，在安裝孔徑和安裝孔位之間統(tǒng)一和平衡。車架設(shè)計需結(jié)合平臺現(xiàn)有車架，盡可能地采用現(xiàn)有車架資源，或在現(xiàn)有車架資源基礎(chǔ)上進行局部改進設(shè)計。在不影響整車總體設(shè)計要求的條件下，為了實現(xiàn)車架的通用性，必要時提出對參數(shù)進行調(diào)整。

2 車架關(guān)鍵參數(shù)確定

車架設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)有：車架長度，車架寬度，縱梁截面尺寸，橫梁長度，橫梁截面尺寸，橫梁布置間距，縱梁孔允許最小間距，縱梁形位公差，橫梁的形位公差，前板簧支架對角線公差，中后橋區(qū)域車架公差，懸架安裝位置尺寸，車輛牽引裝置布置，工藝孔形位尺寸，扎線孔形位尺寸，主要部件安裝孔位精度。

車架的長度由總布置根據(jù)整車布置確定，也可以參考同類車型類比設(shè)計，主要滿足布置要求和尺寸最小原則即可。車架寬度主要取決于懸架布置和轉(zhuǎn)向過程中的空間尺寸要求同時也要兼顧車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的考慮，一般采用最多的是類比設(shè)計方法確定?？v梁截面尺寸主要取決于車架設(shè)計承載能力和主要部件布置空間尺寸要求，主要貫徹簡單和節(jié)省的設(shè)計原則，遇到特殊的布置環(huán)境時可以通過變截面來滿足設(shè)計要求。橫梁長度主要取決于車架寬度和縱梁結(jié)構(gòu)形式及其連接方式，在考慮橫梁長度時也要關(guān)注油、氣管路和線束布置通道。橫梁截面尺寸主要由橫梁抗彎、抗扭需求和部件布置空間綜合因素決定，同時在車架設(shè)計中要盡量控制橫梁種類，這有利于成本控制和生產(chǎn)管理。橫梁布置間距主要考慮部件布置空間要求和車架局部強度、剛度要求。一、二橫梁布置要求間距滿足散熱器中冷器組件安裝維修空間尺寸要求，一般的推薦值為435mm～535mm，為了避開風(fēng)扇的空間需要，二橫梁往往設(shè)計成圓管V形梁結(jié)構(gòu)，必要時圓管局部允許壓扁處理。二橫梁與三橫梁之間需要布置發(fā)動機、變速箱，故需要預(yù)留一定的安裝空間，一般推薦值為2615mm～2715mm，在發(fā)動機變速箱布置允許的空間內(nèi)尺寸越小越好，當(dāng)然為了滿足車架的通用性，尺寸可以適當(dāng)加大。飛機梁布置在中后橋之間，距離飛機梁兩側(cè)1600mm～1700mm處應(yīng)布置橫梁，飛機梁一般為槽形結(jié)構(gòu)，為了增加強度，通常由兩個槽形梁（有的可以用四個槽形梁）鉚接在一起使用，通過上下連接板與車架相連，其余橫梁布置間距一般不超過1200mm不小于750mm。后橫梁在車架的后部（也稱為尾梁），通常為槽型結(jié)構(gòu)?？v梁孔一般規(guī)定：φ12以下孔一般允許最小間距大于24mm，φ14-φ19孔一般允許最小間距大于50mm 距離折彎處尺寸大于45mm。在前軸后和后軸前區(qū)域內(nèi)縱梁翼面上不允許有大于φ12的孔，孔離邊沿的距離大于40mm。同功能孔系及關(guān)聯(lián)孔組間孔距公差為±0.1，其余為±0.3，孔徑公差+0.3-0.1。縱梁折彎角度公差±1?。車架后橋I 、II中心線前、后1m范圍內(nèi)寬度公差為±1.5，其它橫梁連接處允許±3，前橋中心線前、后1m范圍內(nèi)寬度公差為±1.5，左右縱梁的平行度在全長范圍內(nèi)不大于5mm;車架在全長范圍內(nèi)對角線誤差不大于5mm，同組鋼板彈簧支架吊耳中心對角線誤差不大于3mm。

3 車架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇

車架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇包括：縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，縱、橫梁連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間支座結(jié)構(gòu)設(shè)計，車輛牽引裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

常用縱梁結(jié)構(gòu)多為槽鋼結(jié)構(gòu)，一般腹、翼尺寸比控制在3.1～4.1之間，車架腹板尺寸越大，腹、翼尺寸比越小，反之越大。常用橫梁結(jié)構(gòu)的主要有槽鋼、連接板鉚接結(jié)構(gòu)和管梁焊接結(jié)構(gòu)。橫梁主設(shè)計要關(guān)注重量、抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)，一般重量越小越好，方便轉(zhuǎn)運和安裝，抗扭截面系數(shù)一般大于3.5cm3，抗彎截面系數(shù)一般大于85cm3。飛機梁上下連接板長度尺寸范圍為1300～2150mm，尾橫梁上下連接板長度尺寸范圍為400～450mm，其余橫梁上下連接板長度尺寸范圍500～1100mm，折彎角度公差±1?[1]。中間支座采用鑄件結(jié)構(gòu)通過螺栓、雙頭螺柱與車架和平衡軸連接，此處為關(guān)鍵受力部位，標(biāo)準(zhǔn)件必須考慮性能等級（一般10.9級以上）和結(jié)構(gòu)防松設(shè)計（如防松墊片）。當(dāng)后橫梁需安裝拖鉤時，需增加一水平 K 形梁，以承受拖掛車帶來的拉力。

4 車架設(shè)計驗證

車架設(shè)計驗證主要采用CAE分析軟件（如：midas NFX）從車架靜強度、靜剛度和模態(tài)三個方面開展。

靜強度分析包括：彎曲工況（將前后輪固定，油箱重量均布在油箱支架上，電瓶重量均布在電瓶箱支架上，貨箱質(zhì)量、設(shè)計裝載質(zhì)量均布在車架縱梁上，其他載荷以集中力形式加在作用位置，計算彎曲工況的應(yīng)力），前輪懸空工況（彎曲工況的基礎(chǔ)上，使右前輪下移 300mm，計算前輪懸空時的彎扭組合工況的應(yīng)力。），后輪抬高工況（在彎曲工況的基礎(chǔ)上，使右后輪上移 300 mm，計算后輪抬高時的彎扭組合工況的應(yīng)力）。計算時，通過對重力加速度取 1.5 倍，來模擬彎曲工況動載系數(shù) 1.5，將應(yīng)力結(jié)果與σs進行比較。 扭轉(zhuǎn)工況是車輛運行時最常見的工況（一般視為反映疲勞破壞），一般將最大應(yīng)力乘 1.5 倍動載系數(shù)后與σ-1比較（對結(jié)構(gòu)鋼，有σ-1=0.43×σb）。對于常用車架材料（如16MnL），建議將其最大應(yīng)力應(yīng)控制在（280～320）MPa。

靜剛度評價按照兩種標(biāo)準(zhǔn)評價：車架扭轉(zhuǎn)剛度曲線圖 （按照各類汽車車架扭轉(zhuǎn)剛度曲線圖進行對比，看所得到的車架扭轉(zhuǎn)剛度是否接近圖中所示的剛度值。由公式： [2]得圖 1所示），車架扭轉(zhuǎn)角曲線連續(xù)性（檢查車架扭轉(zhuǎn)角曲線是否有急劇變化和不連續(xù)部分，如果沒有，則說明前后軸距間的剛度是一致的）。

模態(tài)計算結(jié)果評價：對于車架的自由模態(tài)，車架低階頻率，即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值，應(yīng)高于懸掛下結(jié)構(gòu)的固有頻率，低于發(fā)動機機怠速運轉(zhuǎn)頻率，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象;車架彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡可能避開發(fā)動機經(jīng)常工作的頻率范圍;車架振型應(yīng)盡可能光滑，避免有突變;各支架應(yīng)盡量安排在車架振型的節(jié)點上。

5 結(jié)論

通過車架要求分析，設(shè)計車架基本參數(shù)，確定主要結(jié)構(gòu)。借助midasNFX等分析工具校核車架靜強度、靜剛度、開展模態(tài)評價，合理調(diào)整布置進一步完善車架設(shè)計。

參考文獻

[1] Q/SQ 104013-2014 車架連接板加工技術(shù)規(guī)范.

[2] 林秉華.最新汽車設(shè)計實用手冊[M]黑龍江人民出版社第1版.