大运重卡车架设计说明书.docx
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大运重卡车架设计说明书
大运重卡车架设计
摘要
牵引车车架是确保牵引车能够承载一定重量的货物和保证驾驶员安全的主要结构。
因此牵引车车架的设计要保证其有足够的强度与刚度，并使其结构布置简单而合理。
为了使牵引车车架的设计满足牵引车车架结构规则的要求﹑保证车架具有足够的刚度和强度﹑满足牵引车上各个零部件及总成的安装要求﹑使牵引车车架的制造工艺尽可能的规范和简化，所以从车架的结构选择﹑车架的总布置以及车架的制造工艺三个方面进行统一考虑对牵引车车架进行了设计。
在牵引车车架的结构设计完成后，在CATIA软件中进行建模和装配。
在检查无干涉后将模型导入ANSYS中，对车架进行了弯曲工况﹑弯扭组合工况﹑弯曲刚度以及扭转刚度的分析。
并对分析结果中出现应力集中的部件的结构和尺寸参数进行了改进和优化。
从优化后的分析结果可知，车架的应力在合理的范围内﹑变形小﹑刚度也足够大。
牵引车车架的强度和刚度都达到了要求。
关键词：
牵引车，车架，有限元
TheDAYUNheavytruckframedesign
Abstract
Thetractorframeisthemainstructuretoensurethatthetractorcancarryacertainweightofcargoandensurethesafetyofthedriver.Sothedesignofthetractorframetoensurethatithassufficientstrengthandstiffness.butalsothestructureoftheframeshouldbesimpleandcompact.
Inordertomakethedesignofthetractorframetomeettherequirementsoftherulesofthestructureofthetractorframe,toensurethattheframehassufficientrigidityandstrengthtomeettherequirementsofthevariouspartsandassemblyofthetractorandtheassemblyofthetractorAsfaraspossiblethespecificationandsimplification,sofromtheframestructureselection,thegenerallayoutoftheframeandtheframemanufacturingprocessthreeaspectsoftheunifiedconsiderationofthetractorframewasdesigned.Afterthestructuraldesignofthetractorframeiscompleted,theframeismodeledandassembledinCATIAsoftware.Aftercheckingtheinterference,themodelisintroducedintoANSYS,andtheframeisanalyzedbybendingcondition,bendingandbendingcombinedcondition,bendingrigidityandtorsionalrigidity.Andthestructureandsizeparametersofthecomponentswithstressconcentrationintheanalysisresultareimprovedandoptimized.Fromtheresultsoftheoptimizedanalysis,wecanseethatthestressoftheframeiswithinthereasonablerange,thedeformationissmallandthestiffnessisbigenough.Tractorframestrengthandstiffnesshavereachedtherequirements.
Keywords:
tractor,frame,finiteelement
1引言
1.1课题研究背景及意义
山西大运汽车制造有限公司是近年来新崛起的民营重卡制造企业，先后开发出了牵引车﹑自卸车﹑载货车等车型。
其位于运城的生产基地主要以重卡的生产为主。
近年来牵引车越来越受到市场的欢迎。
其中大运牵引车系列驱动形式有很多，由于市场的需求，牵引车的设计和生产越来越受到重视。
作为重卡牵引车重要的组成部分，车架的设计和制造技术也在不断地发展和创新。
车架是牵引车总成中最主要的承载部件，在实际工作中它不仅要支撑牵引车上各部件的主要质量，还要承受发动机的动载荷﹑地面通过减震装置等传来的支反力﹑工作载荷和张紧缓冲力等的作用，因此车架的强度﹑刚度以及动力性能对整车的行驶平顺性﹑振动舒适性﹑安全性及寿命都有很大的影响[1]。
而车架设计的优劣对牵引车的行驶性和安全性有着最直接的影响。
使用有限元分析的方法研究牵引车车架的结构和性能，同时在设计时考虑车架的优化，从而在在保证提高整车安全性﹑行驶平顺性和震动舒适性的前提下大大缩短整车的研发周期[2]。
1.2牵引车车架国内外发展现状
由于限载和计重收费政策的进一步实施，轻量化重卡牵引车越来越受市场和制造厂商的欢迎，近年来国内外许多重卡制造商都已经陆续推出了很多轻量化牵引车，降低卡车车架的重量，将会给卡车用户更多的载货空间。
随着高强度新材料在牵引车上的应用越来越多，以及制造水平的提高，市面上已经出现了采用单层车架的车型。
中国重汽产品HOWO，采用高强度合金单层纵梁车架，单层车架的采用有效的降低了车架的自重。
解放J6p为了降低其自重，同样采用高强度单层钢板车架。
除此之外，陕汽09款轻量化牵引和上汽依维柯红岩轻量化杰狮也采用类似的设计，采用单层钢板车架不但重量轻，而且抗扭矩和抗冲击能力较之于传统的双层纵梁车架也都有所增强。
采用这样的设计可有效降低整车高度，使牵引车的行驶稳定性得到改善。
在不影响牵引车性能的同时，有效减轻牵引车的自重，非常满足市场的需求。
在挂车方面，国内采用的结构形式大都是非承载式。
在欧洲，已经开始大量采用承载式挂车。
承载式挂车不同于传统的非承载式挂车，它没有车架，所以挂车的底部就充当了车架的作用，这就要求其结构的设计和材料的选用要更加合理，当然这种挂车的生产技术要求会更高。
因为没有了贯通全车的车架，所以这种挂车较之于传统的非承载式挂车重量减轻了很多，虽然国内已经出现一些冷藏车和箱式挂车采用这种承载式车架，但这种挂车在国内的比例和应用范围都很低。
在实际生产过程中，有很多几何形状不规则﹑承受载荷和支撑情况复杂的各种结构及零部件。
对于这些零部件传统的经典力学是很难计算出其力学性能的。
由于牵引车车架的结构和承受的载荷的复杂性，可以采用有限元分析技术对其进行变形计算和应力分析，这种方法分析得到的结果直观准确，更容易发现结构在设计中存在的不足，可以对产品有针对性的进行优化，有效的减少工程技术人员的工作量。
近年来随着计算机软硬件技术的飞速发展以及计算方法的创新，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善，有限元技术在汽车领域分析的问题越来越多样化。
有限元技术已经成为汽车设计常采用的手段。
马迅等人对车架刚度及模态进行有限元分析，并以总质量为目标，在动静刚度许可的范围内对其纵横梁的截面尺寸进行优化设计[3]；张铁山等人对轻型汽车车架进行了有限元分析；同济大学的吴宪等使用有限元方法对某新型燃料电池车架进行模态分析[4]；南昌大学的谢世坤等阐述了动力学分析的理论[5]；空军工程大学电信工程学院方英武提出了基于边界元的区域分割单元合成方法；的清华大学的桂良进﹑范子杰等通过试验和数值模拟对“长安之星”车架的弯曲和扭转刚度进行了研究[6]。
有限元分析技术已经成为国内外车架设计不可或缺的技术。
I.JOHANSSON等人提出一种基于有限元技术的整车分析方法[7]。
1.3课题研究的主要内容
课题的目标是通过对牵引车车架的组成结构和工作原理的了解设计出大运重卡CGC4251PB32WPD3B型号牵引车的车架，使用CATIA完成车架的建模工作，使用ANSYS对其进行静力学分析验证其可靠性。
在满足车架强度和刚度的前提下，降低车架质量达到优化设计的目的。
2牵引车车架的设计
2.1牵引车车架形式的选择
目前牵引车采用的大都是边梁式车架，这种车架是由两根纵梁及若干根横梁组成，两边的纵梁和横梁通铆接或焊接固连在一起。
基于这种结构原理，边梁式车架在支架的安装和总成的布置上具有很大的灵活性，所以边梁式车架在很多车型上都能得到广泛的应用[8]。
目前牵引车车架有前后等宽式和前宽后窄式这两种结构形式。
其中前后等宽式车架工艺简单﹑制造设备投入少成本低﹑不像前宽后窄式车架存在折弯部分的变形应力﹑前后等宽式车架纵梁腹板不存在斜面无需设计特殊的连接支架而且生产效率高，所以选用前后等宽的边梁式车架[9]。
2.2牵引车车架设计的的原则
如果说牵引车像一颗大树，那么牵引车的车架就像大树的躯干，车架上的各个部件就像大树的枝叶。
车架起到了连接﹑支撑和承受冲击载荷的作用[10]。
所以在设计牵引车车架的时候，还需要定位发动机﹑半轴﹑油箱等部件的位置。
此外在布置横梁时更要考虑各个横梁的位置﹑作用以及横梁的类型。
减少不必要的横梁出现的可能，使牵引车车架的结构布置简单而且合理。
为了实现以上目标牵引车车架应该根据牵引车车架的结构规则﹑牵引车实际工作时的结构和强度要求来进行设计。
2.3设计参数
本课题是对大运CGC4251PB32WPD3B型号的牵引车的车架进行设计，表2.1所示为该型号牵引车的主要设计参数。
表2.1大运CGC4251PB32WPD3B型号牵引车的参数
型号
CGC4251PB32WPD3B
总质量
25吨
类型
牵引车
牵引总质量
40吨
轴距
3200+1350mm
最高车速
120km/h
车身长度
6.855米
排量
9.726L
车身高度
3.515米
最大输出功率
276kw
轮距
前轮距2060mm后轮距1860mm
扭矩
1460NM
整车重量
8.84吨
额定转速
2200RPM
2.4牵引车车架的总体尺寸设计及布置
根据任务书中所给大运CGC4251PB32WPD3B车型的总体尺寸参数﹑轴距布置尺寸﹑轮距﹑前后悬尺寸﹑整车总质量以及车辆实际使用环境等进行综合分析，结合实际制造工艺和平台来确定牵引车车架的总体尺寸。
牵引车车架的总体尺寸设计包括了架总成的外轮廓形状和尺寸的确定﹑车架纵梁断面厚度尺寸的确定﹑车架上横梁的尺寸及断面厚度的确定。
2.4.1牵引车车架最大外宽尺寸的确定
牵引车车架的最大外宽尺寸是指车架上左右纵梁之间的最大宽度。
在牵引车设计中车架的宽度可以提高整车的横向稳定性，也会影响到牵引车的转向性，所以车架宽度的选择应当合理。
整车的宽度确定以后，就可以通过车桥轮距﹑发动机外廓尺寸﹑转向桥最大转向角以及悬架板簧的中心跨距等确定牵引车车架上纵梁的布置和尺寸。
目前大运重卡牵引车所采用的是前后等宽式车架。
大运CGC4251PB32WPD3B型号牵引车前轮轮距2060mm,后轮轮距是1860mm，发动机采用的是潍柴WP10.375型柴油发动机，其尺寸为1525×730×1063mm。
在确定牵引车车架宽度的时候，要考虑到车架的纵梁会不会与发动机及发动机上的配件产生干涉。
我国行业标准ZB/TT43003-89规定载货汽车车架宽度一般在700~950mm之间，综合分析比较最终确定车架的总宽为930mm。
2.4.2牵引车车架断面尺寸的确定
目前中重型牵引车的车架纵梁采用都是容易冲压成型，抗弯抗扭的性能优良的槽型断面。
纵梁的断面尺寸一般由牵引车的最大承载量来确定，一般牵引车牵引的质量越大则需要的断面尺寸也就越大。
车架的断面尺寸主要包括腹面高度﹑断面厚度和翼面宽度三个方面。
牵引车在满载工况时，牵引车车架所承受的载荷较大。
为保证车架在实际工作的时候，其能够满足使用的要求。
同时由于组成车架的部件主要是通过冲压获得，所以结合现有冲压工艺，车架的纵梁的厚度不能过高。
从冲压工艺以及车架的刚度和强度这两方面考虑，再结合以往牵引车车架设计的经验，最终确定纵梁采用双层梁结构。
最终确定采用300×80×（8+5）mm的由内衬梁和主梁组成的双层纵梁结构。
其中主梁的厚度是8mm，内衬梁的厚度是5mm。
车架纵梁的倒角R1=12mm，为保证装配时倒角处不产生干涉，车架内衬梁的倒角R2=12mm。
2.4.3牵引车车架长度的确定
牵引车的整车的长度确定以后，可以根据前后悬的尺寸﹑轴距布置和实际使用情况来确定车架的长度。
设计时应该遵循如下原则：
同一平台之间当驾驶室的大小不变时车架的前悬不变；当轴距变化而整车的长度不变时，车架的总长不变；当轴距变化不大且现有车架满足整车布置要求时，车架的总长不变。
当大运重卡CGC4251PB32WPD3B的整车车身长度是6855mm，采用的是6×4的驱动形式，轴距为3200+1350mm，前后悬的长度分别为1430mm和875mm，保险杠的长度为300mm，所以综上计算可得车架的长度为6555mm。
2.4.4牵引车车架横梁的设计及布置
牵引车车架的横梁是车架重要的组成部分，横梁的作用是作为牵引车上主要总成的载体，在实际工作中要承受足够的扭转刚度以及来自横向和纵向的载荷。
在车架的设计过程中，应保证车架的中后部有较大的抗扭转能力。
横梁可以根据其前后顺序命名为第一横梁﹑第二横梁﹑第三横梁等；也可以根据其所处的位置和作用来命名如前横梁﹑后横梁﹑平衡轴横梁﹑传动轴横梁等。
横梁的主要作用就是连接左右的纵梁构成一个完整的框架，从而保证车架具有一定的扭转刚度，此外，还可以为安装牵引车的主要总成﹑各种附件以及前后悬架提供悬置点。
通常，牵引车车架装有5~6根横梁，对于不同轴距的车型，横梁的数量会有所增减。
横梁的布置应根据牵引车的前后悬的尺寸﹑牵引车的轴距布置﹑发动机的位置和油箱等部件的位置有关[11]。
（1）第一横梁，也称作管状横梁或前横梁。
管状横梁的作用是承载发动机前的散热板，其次起到传递转向摇臂横向力的作用。
设计第一横梁时要保证其有足够的刚度，以使其不变形不开裂。
圆管梁在发动机前，所以布置时应避开与发动机风扇﹑皮带轮等的干涉。
前横梁在同一平台和同一系列的发动机配合时应尽量通用，尽量不要更改。
目前的使用的圆管梁尺寸有Ф89和Ф102两种，一般载荷较大工况比较复杂时选Ф102，比如自卸车和矿用卡车，其它类型的卡车选择Ф89。
考虑到牵引车工作时车架的受载情况，牵引车的第一横梁选用Ф89的管状横梁。
管状横梁的钢管两端焊接有连接板，通过连接板与车架纵梁铆接在一起。
连接板和管的厚度均为为6mm，其中连接板的长度为350mm，高为274mm。
第一横梁的总长为904mm。
根据以上规格设计出牵引车车架的管状横梁如图2.1所示。
图2.1牵引车车架的管状横梁
（2）第二横梁，这种横梁的截面形状很像盆形，故也称作盆梁或者元宝梁，它位于前钢板弹簧前支架和后支架之间。
它的作用是发动机前悬置的支座。
因为发动机的体积大，而且纵向长度长，所以将盆梁设计成U型。
设计第二横梁时应保证其有足够的强度和刚度，以保证其在工作时不会轻易的变形或者开裂；满足发动机前支承的位置尺寸要求；在定位其安装位置时避免它与发动机上的部件产生干涉，影响发动机的正常工作；同时横梁底部的上表面与应该和发动机保持足够的距离，使牵引车在正常工作过程中发动机上下跳动时不与之产生干涉，一般情况下间隙的大小不得小于30mm；第二横梁在同一平台和同一系列发动机配合时应尽量通用；盆梁是冲压件，在设计当中应该考虑到冲压工艺性，当拉伸的长度太长应该将梁分成几段分别冲压成型，然后焊接到一起。
牵引车车架的第二横梁如图2.2所示。
图2.2牵引车车架第二横梁
（3）第三横梁同样是盆梁，它位于牵引车前钢板弹簧后支架处，此处在发动机后悬置和变速箱辅助支撑的附近，通常位于发动机飞轮壳后变速箱下，此处纵梁的偏心载荷较多而且很分散，所以有必要用盆梁来加强。
由于发动机﹑变速箱体积大纵向长度长，故将横梁的整体形状设计成U型，从而可以避开发动机以及变速箱的干涉。
同时也可以通过加强发动机﹑变速箱处车架的强度和刚度。
在设计第三横梁是应注意第三横梁下部的最低点不得比前轴下底面低，下部上表面应该与发动机和变速箱留有一定的距离间隙从而保证牵引车在工作过程中上下跳动时不与其产生干涉，一般间隙的大小不得小于30mm；第三横梁是冲压件，设计的时候要考虑到冲压成型的工艺性，当拉伸的深度太大的时候需要将横梁分成几段分别冲压，最后焊接成型；盆梁种类较多，同一类型中这种梁有两种，其中一种是用于离合器推式操纵，另一种是用于离合器的下操纵，具体选用哪种类型依据实际情况而定。
第三横梁的结构和形式如图2.3所示。
图2.3牵引车车架第三横梁
（4）第四横梁，又称作槽形梁。
它的作用主要有安装传动轴的中间支撑，同时又加强了牵引车的车架中部抗扭转的能力。
第四横梁一般布置在变速箱的后面，在布置和设计时要尽量避免其与变速箱和传动轴等部件产生干涉；传动轴在第四横梁处的位置相对较高，在设计第四横梁的结构时应该避免其与传动轴产生干涉，对于直接和牵引车变速箱和后桥连接的传动轴，应该考虑传动轴的动态跳动量；横梁的设计在情况允许的时候可以直接与纵梁的腹板相连接，这样可以提高车架的连接强度，但应该避免与纵梁的翼面接触；在同一个平台之间，在现有的横梁满足设计要求的时候，尽量采用现有车架，避免不断增加新的横梁种类。
第四横梁的厚度选择6mm。
根据规格设计出的槽梁结构和形式如图2.4所示。
图2.4牵引车车架第四横梁
（5）第五横梁，又称作背靠背槽形梁。
它的作用与第四横梁一样，都是作为安装传动轴中间支撑的基座，加强牵引车车架中后部的抗扭转能力。
在设计背靠背槽形梁的时候，应该避免其与传动轴产生干涉。
保证其有足够的刚度和强度，在牵引车工作的过程中使车架的中后部有足够的抗扭转能力，保证牵引车在正常工作的时候牵引车的车架中后部有足够的抗扭转能力；在同一平台之间，牵引车的背靠背槽形横梁梁是通用的。
第五横梁的结构和形式如图2.5所示。
图2.5牵引车车架第五横梁
（6）第六横梁，一般采用双后平衡桥车型的车架，后桥处的车架横梁通常叫做平衡轴横梁，也称作飞机梁。
平衡轴横梁一般是槽形结构，为了增强其强度，通常是将两个槽形梁铆接在一起，通过上下连接板与车架纵梁连接在一起。
在设计平衡轴横梁的时候要注意，对于牵引车来说平衡轴桥梁处在牵引车工作时还会受到牵引支座的力；平衡轴推力杆的支座固定在平衡轴横梁上，对于装配同一种后桥的车架其平衡轴横梁位置的前后相对于平衡桥的中心是不发生变化的；平衡轴横梁上的推力杆支座上孔的位置是由平衡轴的结构要求决定的，平衡轴不同孔位也是不同的，当横梁的下平面和平衡悬架上平面的距离发生变化的时候要调整孔位的尺寸；平衡轴横梁在工作过程中在承受车架传递的力的同时，还会受到平衡轴推力杆传来的作用力和牵引座传递的力，在设计时要充分考虑到横梁的强度和刚度是否满足要求；在同一平台之间，对于同一型号的后桥，平衡轴横梁是可以通用的；同时作为牵引车的车架，要在平衡轴横梁处的纵梁左右两侧布置固定牵引车牵引座的连接板，平衡轴横梁连接板和牵引座连接板的长度均为1400mm，牵引座连接板的高度为308mm,在布置的时候其高度要高于纵梁上平面8mm。
飞机梁的结构和形式如图2.6所示。
图2.6牵引车车架平衡轴横梁
（7）牵引车车架尾梁。
牵引车车架的后横梁在车架的尾部，通常为槽形结构。
在设计尾梁的时候应保证其有足够的强度；尾梁的高度尺寸应为减公差，以保证其装配性；在同一平台间，对于纵梁高度尺寸相同的车架，要保证尾梁具有很强的通用性。
尾梁的结构和形式如图2.7所示。
图2.7牵引车车架尾梁
2.5牵引车车架纵梁与横梁连接方式的选择
汽车车架纵梁与横梁连接方式有焊接﹑螺栓连接﹑铆接和拉铆四种方式。
其中焊接适用于刚性车架，一般在大型矿用汽车上使用。
普通运输车的主车架不采用。
螺栓连接的优点是预紧力大，便于上装改装和拆卸，在使用螺栓连接的时候，螺栓由内向外穿使螺母位于车架的外侧，这样可以使管线走向顺畅，避免螺栓磨穿线束还可以保证达到预期的扭矩。
铆接的优点是不易脱落，装配效率高，适合大规模的生产要求。
拉铆是国外普遍采用的连接方式。
本次设计的牵引车车架，横梁与纵梁主要采用的是铆接工艺，在牵引座与牵引座连接板的连接采用螺栓连接。
2.6牵引车车架纵梁孔位布置设计
牵引车车架纵梁上的孔除了有主要的总成和部件的安装孔之外，还有电器﹑变速操纵﹑制动和转向等的支架安装孔，电器管路固定孔﹑过线孔和一些工艺孔，如冲压工艺孔﹑铆接工艺孔﹑涂装吊挂工艺孔等。
由于纵梁上孔的数量较多，孔位的布置和孔径的大小是否合理直接影响到车架的强度﹑影响到加工时工艺性的好坏与否﹑影响到整车的管线布置是否合理。
为了使牵引车车架的纵梁孔位规范化，所以在设计的时候要遵循如下的要求。
2.6.1孔径大小尺寸要求
为了保证牵引车车架上的孔的尺寸大小不影响到牵引车车架的强度，在实际加工时能够配合三面冲孔加工工艺，同时减少孔径的尺寸规格。
所以对车架的上孔的尺寸要遵照如表2.2的规范要求。
表2.2牵引车车架上孔的尺寸规范
序号
孔类别
孔径规格
1
过线控﹑工艺孔
Ф35﹑Ф45﹑Ф60
2
线束孔﹑安装固定孔
Ф9﹑Ф11﹑Ф13﹑Ф15﹑Ф17﹑Ф19
2.6.2孔位工艺性布置要求
由于车架上孔的数量众多，在布置牵引车车架上孔的位置的时候，为了能方便孔的加工，使在进行冲孔和钻孔时不影响到车架的强度，所以制定如表2.3所示的加工工艺性的要求。
表2.3牵引车车架上孔的工艺性规范
1
冲孔﹑钻孔工艺性
冲孔﹑钻孔的时候为了在保证孔的位置精度精度的同时提高钻孔的效率，一般的方法是制作钻孔胎具或钻孔模具。
钻孔胎具和冲孔模具一般由上下模板﹑定位装置﹑钻套等组成。
在加工孔的时候下模板一般放置在工件的内侧，它能起到支撑工件和落料口的作用。
需要注意的是工件到落料口边缘的最小距离不应该小于15mm，同样车架的纵梁孔边缘到内壁的最小距离也不得小于这个值。
冲孔﹑钻孔的时候，需要冲头或者钻头与工件要钻孔的表面垂直，所以钻孔的位置尽量不要选择转折处﹑斜面或者圆角处。
2
铆接﹑螺母连接的工艺性
在定位铆钉孔的时候，孔距离周围侧壁和零部件之间的间隙应大于铆钳或者扳手工作的最小距离，通常孔的中心距周围侧壁或者零部件之间的距离不得小于铆钳杆的半径或者套筒扳手的套筒的半径。
在安装横梁的部位要留出足够大的空间，防止铆钉和螺栓与横梁产生干涉，防止铆钳或者扳手与横梁产生干涉。
2.6.3孔的布置不应影响车架的强度
（1）相邻两孔之间的最小中心距要求
（2.1）
式中，L—是相邻两孔之间的中心距；
d1﹑d2—分别是相邻两孔的直径。
（2）孔中心距离上下翼面的最小距离
孔的中心距上下翼面
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