清障车副车架总成设计与建模研究概要.docx

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清障车副车架总成设计与建模研究概要

河北工业大学

毕业设计说明书（论文）

作者：

尚义全学号：

100270

学院：

河北工业大学

系（专业）：

车辆工程

题目：

清障车副车架总成设计与

建模研究

指导者：

王金刚教授

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

年月日

毕业设计（论文）中文摘要

清障车是指完成道路事故车辆托运转移任务的专用汽车。

随着汽车保有量逐渐的增加，清障车的前景越来越被看好。

副车架是安装工作装置的底座，可以使得车架受力更加合理，增加清障车长期工作的可靠性。

因此，副车架设计的好坏直接影响到清障车的性能和工作的可靠性。

首先对国内外清障车的发展趋势进行阐述，了解各结构清障车的工作原理。

根据给定的参数与相应的工作要求对副车架的外部形状及相关尺寸进行设计选择。

总体方案完成后，对其中的重要零部件进行设计并对部分零部件进行校核以满足相关要求。

最后，完成清障车副车架总成以及相关零件的二维图纸并对副车架总成进行三维建模工作。

关键词清障车副车架设计建模

毕业设计（论文）外文摘要

TitleWreckersubframeassemblydesignandmodelingstudies

Abstract

Wreckerreferstothecompletionofthetransferofroadhaulagevehicleaccidenttasksspecializedvehicles.WiththerapidincreaseincarownershipinChina,theprospectofsuchspecializedvehiclesmorewidely.Subframeisworkingdeviceinstalledbase,youcanmakeamorereasonableframeoftheforce,increasingthereliabilityoflong-termworkwrecker.Therefore,thesub-framedesignwillhaveadirectimpactontheperformanceandreliabilitywreckerwork.

Firstofalldomesticandinternationaltrendswrecker'selaborate,wreckerunderstandthestructureworks.Accordingtothecorrespondingoperatingparametersandrequirementsforagivensub-frameandtheoutershapeoftherelevantdimensionsofdesignchoice.Afterthecompletionoftheoverallprogram,oneoftheimportantpartsofthedesignandsomepartstobecheckedinordertomeettherelevantrequirements.Finally,tocompletethewreckersubframeassemblyandrelatedpartsofthetwo-dimensionaldrawingsandthree-dimensionalmodelingsub-frameassemblywork.

KeywordsWreckersubframedesignmodeling

目次

1绪论……………………………………………………………………………………………1

1.1课题研究的背景与意义……………………………………………………………1

1.1.1课题研究的背景………………………………………………………………1

1.1.2课题研究的意义………………………………………………………………2

2副车架总体方案设计………………………………………………………………4

2.1副车架截面形状及尺寸的设计……………………………………………5

2.2副车架前段形状的设计……………………………………………………7

2.3举升机构位置的设计………………………………………………………8

2.4连接机构安装位置的选择…………………………………………………9

2.5纵梁固定件位置的设计…………………………………………………11

3副车架及相关零部件结构设计…………………………………………………11

3.1纵梁的设计………………………………………………………………11

3.1.1纵梁的结构及材料…………………………………………………11

3.1.2纵梁的强度校核……………………………………………………12

3.2横梁的设计………………………………………………………………18

3.3连接结构的设计…………………………………………………………20

3.3.1副车架纵梁与横梁连接方式的选择………………………………20

3.3.2焊接强度的计算……………………………………………………20

3.3.3纵梁固定件的设计…………………………………………………21

3.3.4变幅油缸支座的设计………………………………………………22

4副车架总成的建模………………………………………………………………23

结论……………………………………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………………………………32

致谢……………………………………………………………………………………33

1绪论

1．1课题研究的背景与意义

1.1.1课题研究的背景

清障车全名为道路清障车，又称拖车、道路救援车、拖拽车，具有起吊、拽拉和托举牵引等多项功能，清障车主要用于道路故障车辆，城市违章车辆及抢险救援等。

随着我国经济的发展,公路建设的突飞猛进,汽车保有量将日益增多,道路清障车的社会需求量也将会越来越大。

根据汽车行业内有关专家预测,在未来5年内年需清障车2000辆以上。

清障车按类别主要分为：

拖吊连体型、拖吊分离型，一拖一型，平板一拖二型，多功能清障车，液压自动夹紧型。

按牵引吨位分为:

2吨,3吨,5吨,8吨,10吨,15吨,25吨,30吨,50吨,80吨。

按品牌分为：

东风清障车,江淮清障车,斯太尔重型清障车,五十铃清障车,江铃清障车,红岩重型清障车,依维柯清障车。

[1]清障车按其使用特点可分为运载类、起吊牵引类。

运载类是将损坏的车辆牵引到运载车上运走；起吊牵引类是用车上安装的起吊牵引装置把损坏汽车的一端托起（或吊起）离开地面，另一端仍然着地，然后由起吊牵引式清障车拖离现场。

清障车基本上都是采用载货汽车的二类底盘改装的，按清障车结构型式可分为拖运、装运、吊运、救援（单臂式和双臂式）式清障车。

[2]

近几来,我国经济不断飞速发展,特别是最近几年。

我国的城市与公路建设迅猛发展。

我国2003年新增加的公路通车里程达到4.6万km，在这之中新增加的高速公路有4600km,全国的公路通车总里程为180万km,这之中高速公路将近有3万km。

全国有半数以上省份的高速公路里程高于1000km。

根据我国现有的城市建设规划,预计在未来的十年,我国将增加一百个新的城市。

城市的数量越来越多、城市的规模越来越大、城市的功能越来越强,由此而来对交通的压力与要求便随之增加。

但是上述的情况使得汽车产业在不断的发展，汽车保有量在逐年增加，这便使得清障车市场出现了不同以往的繁荣。

[3]

我国还处在社会主义初级阶段，属于发展中国家，无论是在科学技术还是经济水平上与世界上的发达国家之间还是有较大的差距。

随着公路交通的发展，汽车数量的增加，清障车的任务越来越重，与清障车相关的技术的研发工作以及生产在不知不觉中变成了推动我国科学技术领域发展一项基本任务。

[4]伴随着近几年我国公路的建设规划以及力度的增大，在高速公路发生事故的几率逐渐的增加，所以为了及时的清障确保交通的畅通，发展清障车技术是十分必要的。

综上所述，完善发展清障车的研发技术并增加对清障车的专业化生产并对现有清障车进行创新优化是发展的趋势，十分必要。

[5]

1.1.2课题研究的意义

专用汽车的各种专用装置都直接或间接地安装在汽车底盘车架（简称主车架）上,即主车架是专用汽车上专用装置的主要承载构件。

设计中,为了防止主车架纵梁的应力集中,使纵梁载荷均匀分布,一般在专用装置与主车架之间采用副车架过渡。

通过近几年对专用汽车使用情况的调查发现,专用汽车副车架出现裂纹、断裂及焊缝撕裂现象是专用汽车使用中存在的主要问题,而副车架的载荷分析是否正确、结构设计是否合理,则是产生这些现象的重要原因。

副车架的使用可以将主车架与工作装置分开，通过合理的副车架设计可以优化主车架载荷，避免载荷过于集中，保护主车架延长清障车的使用寿命。

清障车的设计主要是根据用户需求，在定型的二类底盘上合理布置车厢、举升机构等零部件，使汽车具有牵引举升功能。

清障车的副车架位于车厢底部与汽车底盘主车架之间。

副车架可以起到一个缓冲的作用，改善主车架的承载情况。

[6]

避免集中载荷。

副车架通常通过U形螺栓和连接板等与主车架固定，副车架实际上就是清障车工作装置与清障车主车架连接的一个缓冲带，在不破坏主车架的结构情况下，清障车车厢跟清障车主车架之间采用副车架过渡，可以改善自卸汽车主车架的承载情况，避免集中载荷。

副车架可以有效的保护主车架，延长清障车的使用寿命。

副车架总成的设计有着很重要的现实意义。

重型清障车托举牵引质量大，对副车架的的要求更加严格。

采用刚性足够的副车架，可以使主车架纵梁所承受的载荷均匀分布，所受应力值较小，有效的避免了载荷集中，有利于增加车架纵梁的强度和寿命。

本课题的基本内容为：

（1）根据给定的设计参数，确定副车架结构型式、尺寸；

首先，要根据前人经验预定好副车架的结构形式、尺寸，然后对副车架纵梁进行强度校核，使设计的副车架总成做到充分利用材料，以期达到用料结构性能与其经济性的良好结合。

（2）设计副车架连接结构，主、副车架连接结构；

根据所读资料，初步选定副车架的连接结构有焊接而不采用铆接。

焊接与铆接各自的特点在下文中会有叙述。

（3）绘制副车架总成图，主、副车架连接总成图，组件装配图、零件图；

根据给定的基本内容进行副车架总成设计时，需要留意以下几点。

尽量使所设计的副车架总成能够很好的满足清障车使用要求。

1）副车架截面形状及尺寸的设计；清障车副车架的截面形状一般与主车架的纵梁截面形状相同，多采用槽型结构。

在本设计中，副车架的纵梁初步设计成采用6mm钢板冲压成形。

2）副车架前端形状的设计；副车架的前端形状设计的优劣直接影响到主车架的应力分布情况。

3）副车架在二类底盘上的布置；副车架在汽车底盘上布置时其前端应尽可能的往驾驶室后围靠近。

在满足轴荷分配的前提下，车厢与驾驶室的距离不宜太大，副车架前端离主车架拱形横梁的距离，一般在100mm之内，固定副车架的前面第一个U形螺栓距拱形横梁的距离一般控制在500～800mm的范围内。

4）副车架与主车架之间连接结构的设计；当副车架固定在主车架上时，副粱与车架压紧缓冲垫后，副粱与车架上的连接支架之间还应保留20mm左右的间隙。

可采用多种结构形式的联接装置将副车架固定在主车架上。

主、副车架的连接有三种形式：

1、连接支架；2、止推连接板；3、U型螺栓。

5）副车架练接结构的设计；选择合适的焊接工艺，焊接材料。

使焊接残余应力降到最小。

6）材料的选择及强度校核；选定二类底盘后，进行副车架总体方案的设计时，应该在设计过程中考虑副车架自身结构、刚性分布等，要尽量符合主车架在承载状况下的变形规律，使副车架顺应主车架的扭曲，达到主、副车架的刚性尽量匹配合理。

副车架上还要设计出举升机构的安装位置。

在副车架的相关零部件结构设计中，根据主车架的横梁、纵梁的尺寸来确定副车架横梁、纵梁的尺寸。

根据主车架的纵梁截面形式选择副车架的纵梁截面形式。

主、副车架的截面形状一般相同。

主、副车架联接结构的设计。

连接支架应该和止推连接板配合使用。

一般布置是在后悬架前支座前用连接支架连接，后悬架前支座后用止推连接板连接，相邻的俩个止推连接板之间的距离在500～1000mm的范围内。

U形螺栓不能用在车架受扭转载荷最大的范围内。

（4）完成对副车架总成的三维建模，学习三维软件的使用安装方法，对零部件分别建模完成最后的拼装工作。

2副车架总体方案设计

在专用汽车设计时，为了改善主车架的承载情况，避免集中载荷，同时也为了不破坏主车架的结构，一般多采用副车架过渡。

在工作中可能会受较大的弯曲应力。

因此，本车副车架纵梁将采用抗弯性能较好的材料，材料为16MnL即Q345钢。

这种材料在工程上一般用于汽车纵梁的生产制造。

在增加副车架的同时，为了避免由于副车架刚度的急剧变化而引起主车架上的应力集中，所以对副车架的形状、安装位置及与主车架的连接方式都有一定的要求。

[7]

专用汽车二类底盘根据要求选用ZZ1257N5847C，详情见表2-1。

表2-1原始数据和技术要求：

整车

型号

外部尺寸参数

车长（mm）

10645

车宽（mm）

2496

车高（mm）

3250/3240

轴距（mm）

5825+1350

最大总质量（kg）

32000

整备质量（kg）

19500

底盘

型号

ZZ1257N5847C

发动机

型号

WD615.95

WD615.96

功率（kw）

247/276

轮胎规格

11.00-20,12.00-20

专

用

装

置

起重机构

最大起吊质量（kg）（选装）

20000

最大起吊高度（mm）（选装）

5000/9600

吊臂伸缩行程（mm）（选装）

3530

绞盘额定牵引质量（kg）

10000

钢丝绳长度吗（m）

40

托举机构

托臂最大有效长度（mm）

3100

额定托举质量（kg）

12370

全伸出最大托举质量（kg）

7500

额定托牵质量（kg）

32000

2．1副车架截面形状及尺寸的设计

专用汽车副车架的截面形状一般和主车架纵梁的截面形状相同，多采用如图2-1所示的槽形结构，其截面形状尺寸取决于专用汽车的种类及其承受载荷的大小。

[8]对于随车起重运输车的副车架来说，在安装起重装置的范围内，应按如图2-2所示的方式用一块腹板将副车架截面封闭起来，以提高副车架的抗扭和抗弯能力。

图2-1副车架的截面形状

图2-2加强后的副车架截面形状

参考斯泰尔91系列重型专用汽车副梁的截面尺寸（见表2-2与2-3）

表2-2随车起重运输车的副梁尺寸

表2-3后栏板起重运输车的副梁尺寸

参考上表，初步选定副车架纵梁端面尺寸为210mm×80mm×6mm。

所设计的副车架截面形状如图2-1所示，腹板可根据实际情况补充添加，如果添加，其副车架的截面形状如图2-2所示。

2．2副车架前端形状的设计

为了避免由于副梁刚度的突然变化而引起主车架的应力集中,副梁的前端形状应采用逐步过渡的方式。

例如采用如图2-3所示的三种形状。

而对于这三种前端形状,在其与主车架纵梁相接触的翼面上都加工有局部斜面,斜面尺寸如表2-4所列：

h0=1mml0=15~20mm

图2-3副车架的三种前端形状

（a）U型（b）角型（c）L型

表2-4副车架前端的结构尺寸

如果加工上述形状困难时，可以采用如图2-4所示的副车架前端简易形状，此时斜面尺寸较大。

对于钢质副车架：

h0=57mm；l0=200mm～300mm。

对于硬木质副车架；h0=5mm～10mm；l0=H。

图2-4副车架前端简易形状

（a）钢质副车架（b）硬木质副车架

本课题采用图2-4副车架前端简易形状中的（a）钢质副车架，初步选定其尺寸h0=57mml0=200mm

2．3举升机构位置的设计

举升机构的液压油缸通过油缸支座铰接固定于副梁油缸支座横梁上，油缸可绕油缸下轴线在油缸支座内摆动。

油缸下销轴位于副车架对称面并平行于副梁的对称中心线。

[9]副车架上的副梁油缸支座横梁形状详情内容如下图：

图2-5油缸支座横梁

2．4连接机构安装位置的选择

副车架与主车架的连接常采用如下几种形式。

1）止推连接板

如图2-5所示是止推连接板的结构形状及其安装方式。

连接板上端通过焊接与副梁固定,而下端则利用螺栓与主车架纵梁腹板相联。

[10]止推连接板的优点在于可以承受较大的水平载荷,防止副梁与主车架之间产生相对水平移动。

图2-6止推连接板（斯泰尔91系列）

1-副梁2-止推连接板3-主梁

2）连接支架

连接支架由相互独立的上下托架组成,上下托架均利用螺栓分别与副梁和主车架纵梁的腹板固定,然后再利用螺栓将上、下托架相联,此时,上下托架之间留有间隙（图2-6）。

连接支架所能承受的水平载荷较小,因此一般与止推连接板配合使用:

在后悬架前支座之前采用连接支架,而在后悬架前支座以后采用止推连接板。

图2-7连接支架

1-上托架2-下托架3-螺栓

3）U形夹紧螺栓

当选用其它连接装置困难时,可采用U形夹紧螺栓,但在车架受扭转载荷最大的范围内不允许采用U形螺栓。

当采用U形螺栓固定时,为防止车架纵梁翼面变形,应在纵梁内侧衬以木块,但在消声器附近,必须使用角铁或钢管作内衬。

图2-7是一种U型螺栓的实物图。

图2-8一种U型螺栓的实物图

综合考虑三种连接方式的特点、以及装配工艺性，本课题的连接结构方式选择止推连接板和连接支架两种形式。

清障车车主车架、副车架的具体连接位置尺寸参见cad图纸。

2．5纵梁固定件位置的设计

本课题要求此清障车的吊臂与绞盘能够在中心线方向牵引提拉故障车辆，以满足不同工况下的使用情况。

在副车架的两根纵梁上内外两侧都安装纵梁固定件，便可满足这一要求为了。

减轻纵梁固定件上的载荷每根纵梁上采用6个纵梁固定件。

其安装位置如下图2-8所示：

图2-9纵梁固定件在纵梁上的位置

2．6副车架在二类底盘上的布置

清障车副车架在二类底盘上的布置应大体按照以下两个原则进行：

1）在保证清障车使用安全、可靠的前提下，为了提高挠曲性、减小副车架刚度，应尽量减少副车架横梁的数量，以减少对纵梁扭转的约束。

2）当副车架结构刚性要求较高时，可在主、副车架的中间增加一层橡胶垫或软木。

这样，当主车架变形时可以用弹性橡胶或软木的变形来减弱副车架对主车架的约束。

[11]

副车架与主车架的连接将在装配图中予以表示，详情见CAD图纸。

3副车架及相关零部件结构设计

3．1纵梁的设计

3.1.1纵梁的结构及材料

副车架纵梁初步选用16MnL来制造，即Q345钢。

这种材料在工程上一般用于汽车纵梁的生产制造。

在本设计中，副车架纵梁已初步选定用6mm钢板冲压而成。

截面尺寸初步选为210mm×80mm×6mm。

腹板尺寸也为6mm，材料初步定为Q235。

结构如下：

图3-1纵梁组焊

3.1.2纵梁强度的校核

纵梁的弯矩计算。

在实际使用状况下，主、副车架的受力情况比较复杂。

在车架的初始设计时，一般把对车架的强度校核简化为对车架纵梁进行弯曲强度校核。

在对清障车车架纵梁进行强度校核时，作以下假设：

1、纵梁是支撑在悬架支座上的简支梁；2、所有作用力均通过车架纵梁断面的弯曲中心（即纵梁只发生纯弯曲）；空车簧载质量均匀分布在汽车左、右纵梁上；3、满载时的有效载质量为集中载荷（在平稳行驶工况下，满载时车厢内的货物易简化为均布载荷，卸货过程中并须按照集中力处理）；主、副车架为刚性连接，即主、副车架的桡度完全相同。

[12]

当满载时有效在质量作为集中力处理时，车架受力分析如下图3-2所示：

图3-2满载有效载荷作为集中载荷处理时的车架受力分析

其中Ge为有效载质量的集中载荷。

GefGer为前、后支架所承受的有效载质量。

由上装平衡条件计算可得：

Ff、Fr为前、后轴对车架的支反力。

由车架平衡条件计算可得：

Gs为空车簧载质量，取Gs=2m0g/3（m0是汽车整备质量）。

在这种情况下，车架纵梁弯矩计算公式见下：

在平稳行驶时，自卸汽车的有效载质量可以简化为均布载荷。

在这种情况下，自卸汽车车架受到的弯矩的计算方法与上述不同。

本课题中，汽车弯矩的计算方法取第二种，即自卸汽车的有效载质量简化为均布载荷。

其受力分析图如图3-3。

[13]

图3-3

在这种情况下：

Fa=ql/2（3-5）

Fb=ql/2（3-6）

剪力计算公式：

Fs=ql/2-qx（3-7）

弯矩计算公式：

M=qlx/2-qx2/2（3-8）

在本设计中，经过计算，副车架（横梁、纵梁、边横梁、边纵梁）的近似体积为：

纵梁：

V1=2×（21＋8＋8）×723×0.6=32101.2cm3

横梁：

V2=（36+11.2+11.2）×82.9×0.6+（26.6+8+8）×82.9×0.6+（18+8+8）×82.9×0.6+（8+8+8）×82.9×0.6+（14+7+7）×82.9×0.6=9301.38cm3

边横梁：

V3=（5+7+5）×78×0.5×2+（21+8+8）×78×0.6×6=11715.6cm3

边纵梁：

V4=（18.5+8+8）×112.9×0.6×2+（18.5+8+8）×152.2×0.6×2+（18.5+8+8）×69×0.6×2+（18.5+8+8）×66.7×0.6×2=16593.12cm3

V=V1+V2+V3+V4=69711.3cm3

又知道钢的密度为7.85g/cm3：

所以副车架的质量为m=v×ρ=0.547t

又因为底盘的整备质量为19.5t，清障车的最大允许质量为32t，故当汽车满载时，加在主、副车架上的质量共有11.953t。

均布载荷计算公式：

q=Mg/l（3-9）

M=11.953t

g为重力加速度，此处去10n/kg

L为副车架长度，即7.23m

经计算，均匀载荷为q=16.53kN/m

已知弯矩计算公式：

M=qlx/2-qx2/2。

代入数据q=16.53kn/m，0＜X＜7.23m

经过计算最大弯矩发生在车架中部，Mmax=120.36kN/m

主、副车架的弯矩计算：

设在车架最大弯矩处，主车架纵梁的弯矩为Mz，副车架纵梁所受的弯矩为Mf，则有以下关系式：

式中，yf、yz是副、主车架的挠度；Ez、Ef是主、副车架纵梁材料的弹性模量；Jz、Jf是主、副车架纵梁的截面惯性矩。

假设主、副车架纵梁的材料基本一致，即Ez=Ef，则可得出副车架的最大弯矩：

截面惯性矩的算法：

槽型钢跟腹板的组合可以近似认为为矩形截面粱，其近似形状见图3-4。

图3-4

矩形截面的对Z轴的截面惯性矩计算公式为：