钢管式全地形四轮越野车车架设计与分析.docx

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钢管式全地形四轮越野车车架设计与分析

钢管式全地形四轮越野车车架设计与分析

摘要：

汽车车架是发动机、底盘、车身各总成安装的基础和关键承载部件，车架设计的好坏直接影响到汽车的安全性、舒适性和动力性，直接关系到整车性能。

本文通过三维软件设计对钢管式全地形苏伦越野车的车架进行了设计，通过理论分，对汽车车架的常用分析进行了校核，然后利用ANSYSWorkbench对整个车架进行了静力学有限元分析，得到车架的最大变形与应力及其所在区域，可知该车架复合设计要求。

关键词：

车架，全地形，越野车，设计，分析

Designandanalysisofsteeltubetypefourwheeledoff-roadvehicleframe

Abstract：

Thevehicleframeistheengine,chassis,bodyassemblybaseandkeyinstallationofbearingparts,theframedesignwillhaveadirectimpactonvehiclesafety,comfortandpower,directlyrelatedtothevehicleperformance.Thispaperthroughthethree-dimensionalsoftwaredesignofframesteelpipetypeallterrainSuellenoff-roadvehiclesaredesigned,throughtheoreticalanalysis,analysisofthecommonlyusedautomobileframewerechecked,andthenuseANSYSWorkBenchforthewholeframeofthestaticfiniteelementanalysis,thedeformationoftheframewiththestressandtheregion,theframecompositedesignrequirements.

Keywords:

Frame,Allterrain,Off-roadvehicle,Design,Analysis

摘要…………………………………………………………………………………………IAbstract…………………………………………………………………………………II

目录………………………………………………………………………………………III

1绪论

1.1引言

进入二十一世纪以来，随着科学技术的不断飞速发展，人们的生活水平也在不断的提高，因此人们对生产制造业的要求也变得越来越高，尤其是近些年来对汽车行业的需求，已呈现多元化，全地形车（ATV）作为一种全新型的车，由于其可应用与多种车辆，且又不收道路与法规的限制，所以其在欧洲与北美等地方十分流行，全地形车架作为整车的重要承载部件，是保证整车运行可靠性以及行驶寿命的重要条件，整车的操作性，行驶的安全性以及乘坐的舒适性，在各种工况下的运动都与之具有重要的关系，作为一种可以在全天候下使用的车辆，它的工作环境一般比较复杂，车架上承载各种车辆的主要及辅助系统设施，所以车架的基础刚度，强度会影响全地形车的性能。

这样，对车架进行验证是很有必要的[1]。

在亚太地区，最先发展全地形的国家是日本，从上世纪七十年代开始，日本的一些著名做汽摩的公司开始着手推出自主开发的全地形三轮车，但由于技术等安全问题，无法在市场中进行竞争，逐渐被淘汰，后期研发的四轮全地形车逐渐开始取代三轮式，由于四轮车的用处更加广泛，且工作稳定性比三轮更加舒适，安全性更高，故受到市场顾客的热烈需求，因此开启了全地形车的全面发展潮流，使得该领域具有极大的市场，引来各大企业前来投资。

根据2005年国家汽车工业协会的数据统计显示：

国内的注册的全地形汽车公司数量巨大，已高达120多家，远超国外，当然这也伴随着国内汽车生产数量巨大，但在技术方面，整体上是与国外先进的公司具有较大的差距，近些年来，随着有限元等计算机的技术的发展及使用，国内的这种状况相对得到缓解。

将有限元技术理论应用到全地形车架的研究，在与传统车架设计相比，可以极大的节省时间与经费，更能直观的表达设计的缺陷，是产品迅速上市。

1.2国内外研究状况

全地形越野车最为一种常用于休闲娱乐的越野车，它可以适应各种不同的路面，如山地，草地等。

我国也有很有企业生产类似的车辆[2]。

在近些年来也获得不小的成功，但相对国外世界大厂家的生产技术，还有待进一步学习。

对车架的研究常规手段就是研究静力学分析，模态分析以及其在各种工况下的分析[3-10]。

在模态研究中，王良等人对某种型号的全地形车架进行有限元模态分析，得出其各阶模态振动频率，为该车设计时候提供了理论依据，从而可以避开共振的低阶频率；在静力学方面，王磊等人对一种全地形车平行悬架的设计进行了研究，实现了在恶略环境下三轴全地形车架的载荷合理分；在综合方面，杜子学等人先利用汽车常用软件CATIA对车架进行了三维建模，并将其到如有限元分析软件，对其进行了全面的分析，验证了车架设计的合理；在车架选材方面，刘长虹等人通过对某种家用越野车车架的强度放度分析，得出结论：

空心钢管的车架主梁应力明显低于其他几种截面，在边梁则需选用槽钢的车架最大应力最小。

在虚拟技术研究方面,李曙与刘颖分别利用虚拟技术对摩托车及车架进行了综述及研究开发，并将结果与物理样机进行对比。

在限滑差速器领域，孙传祝等人针对现有差速器的问题，通过三维建模及仿真，研制出一种新型凸轮式差速器，基本可以解决锁紧系数小，尺寸大等问题。

国外的研究领域及成果主要体现系统，以及虚拟技术方面。

相应的研究成果如下[11-14]。

作为全球技术发展强国，美国的A.shitey等人为某种全地形车机设计一种自适应的模拟控制油门，实现了平稳油门运动和零稳态速度差，为该领域的发展提供了一种新的创新，同时特他们也提出一种新的算法以适应油门控制，并进行了实验验证；而加拿大的J.Batelaan主要设计了一种新的系统用来适应所有的越野车架，实现其高效率，通过实验验证其测量的载荷能力高于预期值，且滚动阻力也比较小；在虚拟技术方面：

加拿大的L.Dai等人为了研究全地形车架在高度粗糙度地形表面上的运动，建立了不平路面行驶的非线性力学模型，解析假设了弱非线性动力系统。

为后续学者研究提供了手段。

在行驶环境方面，美国的Q.Li等人对交通越野全地形车对地形侵蚀与破坏的方面进行了研究,通过利用两辆试验车（8轮与4轮），在不同地形上进行试验，并建立理论模型，通过分析对比，误差值不到20%。

国内外差距：

单从研究的领域及手段可以看出，国内的研究手段比较通用，几乎没有跳跃性的创新，而国外发达国家的研究手段多样，且伴有试验验证，可以很好的对产品做出更加准确的分析结果。

在产品方面，国内研究深度不够，各厂家独一国外的机型进行防制，导致出现设计出的产品不能够具有高的可靠性性，舒适性问题。

1.3课题的研究意义

全地形四轮越野车，英文AllTerrainVehicle简称ATV，它是一种具有综合性能的全能工具，在国外已被应用于农业，娱乐，地质，军事等不同领域，它的特点是具有强大的动力性，攀爬能力，可以适应各种比较恶劣的环境，如丛林，沼泽，沙漠等，且其工作稳定性强，安全性好，使得其在国内外都具有广阔的市场前景。

目前，随着人们生活水平的提高与科学技术的不断进步，人们对物质文化的需求也在不断提升。

对车辆的要求同样是呈现多元化需求[15-16]。

车架作为一个全地形车的主体，具有重要的决定作用，它影响着整车的布局及工作性能，基本决定了一个车设计的性能，而钢管式车架作为一种特殊场合使用的车架，因其具有空间布局，导致其设计计算比较复杂，故本文在设计一种符合设计要求的钢管式车架具有一定的研究意义。

2车架的基本理论

2.1车架的类型

车架概述：

就如人的骨架一样，车辆也需要有自身的一副骨架来支撑各个部件，这就是车架。

车架的作用：

1）连接汽车各个系统与零部件；

2）承受汽车整车及部件的重量；

3）承载各种工况下所受到的冲击与扭曲力。

车架的类型：

广义上定义的车架包含两大类，我们常说的车架主要有：

1.传统式车架，多用于非承载。

如下图所示。

图2.1传统式车架

2.承载式车身：

车身兼车架作用。

示意图如下如所示。

图2.2承载式车架

狭义上定义，一般将车架分为三类

1）边梁式车架

主要由两根纵梁和若干根横梁组成，采用铆接或焊接将其固定。

图2.3边梁式车架

2）中梁式车架

只有一根位于中央贯穿前后的纵梁。

图2.4中梁式车架

3）综合式车架

车架分为两部分，前部为边梁式，后半部为中梁式，。

图2.5综合式车架

2.2车架的发展

车架发展过程：

梯形车架----中梁式车架---承载式车架---其他形式

梯形车架是最早出现的车架形式。

它是最早的名副其实的车架，就是一种通过各种钢梁焊接或铆合起来的架子，然后将各种系统和部件安装在上面，显而易见这种车的性能比较差。

中梁式车架：

在车架的正中心，只要一根贯穿前后的纵梁，因此也叫脊骨式车架，中梁的断面可以是管形或箱形。

承载式车身：

车身亦充当车架，承受所有的载荷。

钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架。

碳纤维车架作为一种新型领域，它是一种特殊的材料集成框架。

车架的刚度很高，但重量比其他车架轻，重心也较低。

但是制造成本极高，所以现在它只用于那些专用赛车和其他少量车上。

2.3各种车架的优缺点

1.边梁式车架的特点：

优点：

1）结构简单、容易制造；

2）便于改装；

3）便于布置和安装；

4）具有较高的强度和刚度；

5）车架与驾驶室是分开的，使用弹性悬置安装，隔振效果好。

缺点：

1）重量较大；

2）车身不起承载作用，不利于扭转刚度；

3）不利于降低底板高度。

2.中梁式车架

特点：

1）车架的扭转刚度大；

2）质量轻，减少了整车的重量；

3）中梁能够封闭传动轴，有利于防尘隔振；

4）可以降低底板高度和整车的重心高度；

5）整车布局较为复杂,安装与工艺比较困难,且精度要求高,后期不便。

3.综合式车架的特点：

中梁+边梁的综合车架。

4.其他形式车架

钢管焊接的桁架式车架结构：

刚度强度较高，质量，适合用于赛车。

平台式车架：

降低底板高度，利于公用底板，便于改型车。

ISR型车架：

可便变更轴矩，产生不同轴矩，利于采用后独立悬架；可提高车辆的形式平顺性。

半车架：

整车前部刚度较大；局部得到加强；有利于汽车的轻量化。

承载式车身

优点：

质量轻；降低底板高度和重心高度；便于批量化生产；车身参与承载，整体刚度好。

缺点：

制造成本高；不容易改型；需要采取隔振措施。

2.4车架基础理论

车架的布局应该具有一定合理的目标，所谓合理指的是，在满足刚度，强度即所说的静力学要求以及整体布局的前提下，达到后期便于安装与维修。

要评价一个车架的设计结构的好坏，我们必须清楚车辆在各种工况下的不同受力情况，即使有再好的悬挂系统，如果车架某一方面的性能达不到要求，也无法达到良好的操控。

在实际中，车架常面临以下四受力：

1.负载弯曲

部分汽车采用的车架是整车的主要车载体，然后通过轮轴传到地面，而这受力主要集中在轴距的中心，因此设计要求底部的承受梁具有较强的强度。

2.非水平扭动

当汽车行驶时候，前后车轮因遇到路面不平产生滚动，则梁柱需要承受纵向的扭曲压力。

3．横向弯曲

横向弯曲主要发生在汽车进入弯道时，整车的产生离心力，使汽车有向弯道