重型自卸車主副一體式專用車架設(shè)計(jì)

1、-. z-. z重型自卸車主副一體式車架的設(shè)計(jì)摘要目前，國(guó)公路型重型載貨自卸汽車整車的生產(chǎn)，主要由改裝車廠在整車廠提供的根本型載貨汽車平臺(tái)上派生的自卸汽車底盤上，根據(jù)用戶需求進(jìn)展自卸作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改裝生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)最終的自卸汽車整車。隨著我國(guó)重型載貨汽車快速開展，專業(yè)用戶對(duì)自卸汽車綜合性能及可靠性要求的不斷提升，使得改裝設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式已經(jīng)不能適應(yīng)自卸汽車細(xì)分市場(chǎng)的開展需求。將重型自卸汽車以底盤與上裝一體化設(shè)計(jì)是解決該問(wèn)題的主要途徑。取消副車架自卸車的設(shè)計(jì)不僅能實(shí)現(xiàn)輕量化，而且可降低整車的重心，提高行駛穩(wěn)定性，因此，進(jìn)展取消副車架的重型自卸車主副一體式車架的設(shè)計(jì)研究具有十分重要的實(shí)際意義。本文從重型

2、自卸汽車車架與上裝作業(yè)局部一體化設(shè)計(jì)為主線，通過(guò)對(duì)裝有副車架的TY-1型自卸車車架為分析對(duì)象，提出設(shè)計(jì)硬點(diǎn)參數(shù)，在此根底上，取消副車架，提出直接與上裝作業(yè)局部實(shí)現(xiàn)對(duì)接的專用自卸車車架總成構(gòu)造設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)展分析，為專用自卸汽車整車一體化設(shè)計(jì)，提供核心部件的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。首先以裝有副車架的TY-1型自卸車車架為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元方法對(duì)其進(jìn)展靜載工況、卸載初工況和貨箱舉升至45工況的構(gòu)造強(qiáng)度分析，并分析其自由模態(tài)，獲得該車架的應(yīng)力分布情況和動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)該車架進(jìn)展了模態(tài)試驗(yàn)，得到車架前8階自由模態(tài)頻率和振型，驗(yàn)證有限元模型的可信性。在此根底上，取消了副車架，并重新設(shè)計(jì)主副一體式車架。該車架縱梁的

3、構(gòu)造形式為工字型，基于等強(qiáng)度考慮，縱梁前部采用變截面構(gòu)造，論文設(shè)計(jì)了四種縱梁截面尺寸的車架構(gòu)造，且車架的靜彎曲應(yīng)力都能滿足強(qiáng)度要求。其次，對(duì)所設(shè)計(jì)的新車架進(jìn)展一樣工況下穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析，并比較各車架構(gòu)造參數(shù)，通過(guò)綜合分析比照，確定TY-G3型車架為所設(shè)計(jì)車架形式，該車架的強(qiáng)度優(yōu)于TY-1型車架，重心降低14.35%，重量降低11.18%，滿足設(shè)計(jì)要求。TY-G3型車架的有限元模態(tài)分析結(jié)果顯示，車架的一階頻率有所提高，動(dòng)態(tài)性能得以改善。最后，結(jié)合尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)TY-G3車架構(gòu)造進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，車架的重量減少了0.29t，降低幅度為19.2%，在實(shí)現(xiàn)車架輕量化的同時(shí)，車架的材料布置更加合理，

4、強(qiáng)度也得以提高。關(guān)鍵詞：低重心，重型自卸車，副車架，變截面，優(yōu)化設(shè)計(jì)-. zHEAVY-DUTY DUMP TRUCK INTEGRAL FRAME DESIGNABSTRACTAt present, the domestic road type heavy duty truck dump truck production, the basic type of truck platform provided by the modified car factory in the vehicle on the dump truck chassis derived according to user

5、 needs to design the dump operation system and modified production, realize self unloading automobile final.With the rapid development of Chinas heavy truck, dump truck professional users requirements for prehensive performance and reliability of continuous improvement, make the modification design

6、mode of production has been unable to meet the development needs of market segments of the dump truck. Heavy dump truck chassis and is provided with integrated design is the main way to solve the problem.Cancel the au*iliary frame design of dump truck can not only realize the lightweight, but also c

7、an lower the center of gravity, improve driving stability. Therefore, has a very important significance for heavy duty dump truck integral frame design to cancelthe au*iliary frame.This paper with the frame of heavy dump truck is part of integrated design and operation as the main line, through to t

8、he TY-1 type with a subframe dump truck frame as the analysis object, puts forward the design point parameters, on the basis of this, to cancel the au*iliary frame, the direct part and is provided to the work to achieve special dump truck frame assembly structure design, and carries on the analysis,

9、 for the special dump truck vehicle integration design, provides the core ponents of the design reference.Based on the TY-1 type with a sub-frame of the dump truck frame as the research object, using the finite element method, analysis its structural strength in the condition of static state, the be

10、ginning of the unloading and cargo lift to 45 condition, and analysis of the free modal, stress distribution and dynamic characteristics of the frame was obtained. The e*perimental modal analyses have been done, obtaining first 8 order free modal frequency and vibration, validating the credibility o

11、f finite element model. On this basis, cancel the au*iliary frame, and redesign the integral frame. The structure of the frame longitudinal beam isI-shaped. Based on strength considerations, the front of thelongitudinal beam convertinto variable cross-section structure. This paper designed four kind

12、s of longitudinal beam cross-section size,and the frame static bending stress can meet the strength requirements.Secondly, under the same conditions, analyzing the steady-state of the redesigned frame, andparing the structure parameters of each frame. By prehensive analysis and parison, it was confi

13、rmed that its form is the TY-G3 frame. The new frame strength is better than TY-1 type, themass is reduced by 1.6% and the centre of gravity is decreased by 11.18%. The finite element modal analysis results show that the first-order frequency of new frame increased, the dynamic performance is improv

14、ed.Finally, optimization design is made on TY-G3 frame bined with the size optimization and topology optimization methods. The frame weightis reduced 0.29t, reduced by 19.2%. While the frameweight is lighted,the material layout more reasonable and the strength can also be improved.KEY WORDS:low grav

15、itational center,Heavy-duty dump truck,sub-frame，variable cross-section，optimization design目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358305867摘 要 PAGEREF _Toc358305867 h IHYPERLINK l _Toc358305868ABSTRACT PAGEREF _Toc358305868 h IIIHYPERLINK l _Toc358305869第一章 緒論 PAGEREF _Toc358305869 h 1HYPERLINK l _Toc3

16、583058701.1 課題的來(lái)源和意義 PAGEREF _Toc358305870 h 1HYPERLINK l _Toc3583058711.1.1 課題來(lái)源 PAGEREF _Toc358305871 h 1HYPERLINK l _Toc3583058721.1.2 課題研究的意義 PAGEREF _Toc358305872 h 1HYPERLINK l _Toc3583058731.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc358305873 h 3HYPERLINK l _Toc3583058741.2.1 國(guó)商用車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究 PAGEREF _Toc358305874 h

17、 3HYPERLINK l _Toc3583058751.2.2 國(guó)外商用車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究 PAGEREF _Toc358305875 h 5HYPERLINK l _Toc3583058761.3 本文研究的主要容 PAGEREF _Toc358305876 h 7HYPERLINK l _Toc358305877第二章 車架分析理論及有限元模型的建立 PAGEREF _Toc358305877 h 9HYPERLINK l _Toc3583058782.1 車架分析理論 PAGEREF _Toc358305878 h 9HYPERLINK l _Toc3583058792.1.1 車架

18、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 PAGEREF _Toc358305879 h 9HYPERLINK l _Toc3583058802.1.2 有限單元法在車架分析中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc358305880 h 10HYPERLINK l _Toc3583058812.2 TY-1型自卸車車架根本構(gòu)造 PAGEREF _Toc358305881 h 11HYPERLINK l _Toc3583058822.3 車架有限元模型的建立 PAGEREF _Toc358305882 h 12HYPERLINK l _Toc3583058832.3.1 有限元軟件及單元的選擇 PAGEREF _Toc35830

19、5883 h 12HYPERLINK l _Toc3583058842.3.2 網(wǎng)格劃分及質(zhì)量控制 PAGEREF _Toc358305884 h 14HYPERLINK l _Toc3583058852.3.3 懸架的模擬 PAGEREF _Toc358305885 h 16HYPERLINK l _Toc3583058862.3.4 零件連接方式的處理 PAGEREF _Toc358305886 h 18HYPERLINK l _Toc3583058872.3.5 車架整體有限元模型 PAGEREF _Toc358305887 h 19HYPERLINK l _Toc3583058882.

20、4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358305888 h 20HYPERLINK l _Toc358305889第三章 TY-1型車架性能分析 PAGEREF _Toc358305889 h 21HYPERLINK l _Toc3583058903.1 車架穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析 PAGEREF _Toc358305890 h 21HYPERLINK l _Toc3583058913.1.1 車架根本載荷確實(shí)定 PAGEREF _Toc358305891 h 21HYPERLINK l _Toc3583058923.1.2 靜載工況分析 PAGEREF _Toc358305892 h 23HYPER

21、LINK l _Toc3583058933.1.3 卸載初工況分析 PAGEREF _Toc358305893 h 27HYPERLINK l _Toc3583058943.1.4 貨箱舉升至45工況分析 PAGEREF _Toc358305894 h 30HYPERLINK l _Toc3583058953.1.5 應(yīng)力結(jié)果綜合分析 PAGEREF _Toc358305895 h 32HYPERLINK l _Toc3583058963.2 車架有限元模態(tài)分析 PAGEREF _Toc358305896 h 33HYPERLINK l _Toc3583058973.2.1 模態(tài)有限元模型 P

22、AGEREF _Toc358305897 h34HYPERLINK l _Toc3583058983.2.2 模態(tài)分析結(jié)果 PAGEREF _Toc358305898 h 34HYPERLINK l _Toc3583058993.3 車架的模態(tài)試驗(yàn) PAGEREF _Toc358305899 h 36HYPERLINK l _Toc3583059003.3.1 模態(tài)試驗(yàn)的實(shí)施 PAGEREF _Toc358305900 h 37HYPERLINK l _Toc3583059013.3.2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 PAGEREF _Toc358305901 h 38HYPERLINK l _Toc3583

23、059023.3.3 模態(tài)分析結(jié)果比照及評(píng)價(jià) PAGEREF _Toc358305902 h 40HYPERLINK l _Toc3583059033.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358305903 h 41HYPERLINK l _Toc358305904第四章 重型自卸車主副一體式車架的構(gòu)造設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358305904 h 43HYPERLINK l _Toc3583059054.1 主副一體式車架的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358305905 h 43HYPERLINK l _Toc3583059064.1.1 主副一體式車架的設(shè)計(jì)要求 PAGEREF

24、_Toc358305906 h 43HYPERLINK l _Toc3583059074.1.2 車架構(gòu)造形式的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358305907 h 44HYPERLINK l _Toc3583059084.1.3 縱梁斷面尺寸的選擇 PAGEREF _Toc358305908 h 46HYPERLINK l _Toc3583059094.1.4 車架構(gòu)造參數(shù)的比照 PAGEREF _Toc358305909 h 49HYPERLINK l _Toc3583059104.2 主副一體式車架穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析 PAGEREF _Toc358305910 h 49HYPERLINK l

25、_Toc3583059114.2.1 TY-G1型車架結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358305911 h 50HYPERLINK l _Toc3583059124.2.2 TY-G2型車架結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358305912 h 55HYPERLINK l _Toc3583059134.2.3 TY-G3型車架結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358305913 h 58HYPERLINK l _Toc3583059144.2.4 TY-G4型車架結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358305914 h 60HYPERLINK l _Toc3583059154.3 主副一

26、體式車架的選型 PAGEREF _Toc358305915 h 61HYPERLINK l _Toc3583059164.4 主副一體式車架的模態(tài)分析 PAGEREF _Toc358305916 h 63HYPERLINK l _Toc3583059174.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358305917 h 65HYPERLINK l _Toc358305918第五章 主副一體式車架構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358305918 h 67HYPERLINK l _Toc3583059195.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)理論 PAGEREF _Toc358305919 h 67HYPERL

27、INK l _Toc3583059205.2 車架構(gòu)造尺寸優(yōu)化 PAGEREF _Toc358305920 h 67HYPERLINK l _Toc3583059215.2.1 優(yōu)化模型的建立 PAGEREF _Toc358305921 h 68HYPERLINK l _Toc3583059225.2.2 優(yōu)化結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358305922 h 68HYPERLINK l _Toc3583059235.3 車架構(gòu)造拓?fù)鋬?yōu)化 PAGEREF _Toc358305923 h 70HYPERLINK l _Toc3583059245.3.1 優(yōu)化模型的建立 PAGEREF _T

28、oc358305924 h 71HYPERLINK l _Toc3583059255.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析 PAGEREF _Toc358305925 h72HYPERLINK l _Toc3583059265.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358305926 h 77HYPERLINK l _Toc358305927第六章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc358305927 h 79HYPERLINK l _Toc3583059286.1 全文總結(jié) PAGEREF _Toc358305928 h 79HYPERLINK l _Toc3583059296.2 工作展望 PAGERE

29、F _Toc358305929 h 80HYPERLINK l _Toc358305930參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358305930 h 81HYPERLINK l _Toc358305931致 PAGEREF _Toc358305931 h 85HYPERLINK l _Toc358305932攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與工程支持 PAGEREF _Toc358305932 h 87-. z第一章 緒論2012年，據(jù)國(guó)務(wù)院開展研究中心預(yù)測(cè)，今后10到15年，全國(guó)每年GDP新增量中將有16%-17%由汽車產(chǎn)業(yè)提供，汽車將成為對(duì)中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力最強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示

30、，2012年全國(guó)汽車產(chǎn)銷分別為1927.18萬(wàn)輛和1930.64萬(wàn)輛，中國(guó)汽車產(chǎn)銷雙雙再次刷新全球紀(jì)錄，連續(xù)四年蟬聯(lián)世界第一陳士華.2012年汽車及摩托車工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況N中國(guó)汽車報(bào)，2013-1-118。隨著汽車工業(yè)的快速開展，汽車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈，為滿足差異化的需求，市場(chǎng)細(xì)分成為一種必然趨勢(shì)。在商用車領(lǐng)域這種趨勢(shì)更加明顯，市場(chǎng)細(xì)分使得專用車的開展前景更加廣闊，商用車專用化時(shí)代已然到來(lái)。2012年我國(guó)自卸車共銷售14.7萬(wàn)輛，作為專用車領(lǐng)域所占比例較大的自卸車，其專用化具有很大的開展前景，工程專用自卸車是一個(gè)很有開展?jié)摿Φ男袠I(yè)孫博，胡順安，周俊等.國(guó)內(nèi)非公路礦用自卸車開展現(xiàn)狀研究J.煤礦機(jī)械

31、，2010，(08):15-16.。1.1 課題的來(lái)源和意義 課題來(lái)源本研究得到了省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工程工程名稱：工程專用自卸車開發(fā)，工程編號(hào)：2011-2368、省科技重大專項(xiàng)工程工程名稱：LNG液化天然氣重型載貨車，工程編號(hào)：20111101035、省自然基金工程工程名稱：基于用戶使用條件的典型工況重型自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性分析研究，工程編號(hào)：2012011024-2以及省優(yōu)秀研究生創(chuàng)新工程工程編號(hào)：2012-3025的支持。本文結(jié)合工程對(duì)重型自卸車車架進(jìn)展專用化設(shè)計(jì)。 課題研究的意義我國(guó)自卸車底盤的研發(fā)不能適應(yīng)工程專用自卸車開展的趨勢(shì)。雖然國(guó)家一直強(qiáng)調(diào)治理超載以及不斷推出節(jié)能減排政策，國(guó)專用車廠

32、也對(duì)自身產(chǎn)品進(jìn)展了輕量化設(shè)計(jì)，但是結(jié)果并不理想。自卸車上裝企業(yè)與主機(jī)廠一般別離開來(lái)，自卸汽車上裝的開發(fā)和生產(chǎn)以改裝為主要渠道，通常是在整車廠家提供的根底通用底盤上加裝副車架的方式實(shí)現(xiàn)。這種以改裝為主要手段的自卸汽車的開發(fā)，使得自卸作業(yè)局部與底盤的匹配不盡合理、整車技術(shù)含量較低、整車性能和使用壽命降低。底盤專用化是實(shí)現(xiàn)工程專用自卸車開發(fā)的一種重要途徑，車架作為汽車的裝配基體和承載基體是底盤最重要的組成局部，其性能關(guān)系到整車的壽命，因此，開展適應(yīng)于自卸車專用底盤的車架設(shè)計(jì)具有重要意義。國(guó)許多自卸車車架存在變形、斷裂等問(wèn)題。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的自卸汽車副車架與主車架設(shè)計(jì)屬于經(jīng)歷性設(shè)計(jì)，在其它同類成熟車型車

33、架構(gòu)造的根底上，通過(guò)測(cè)繪等手段反求出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的構(gòu)造參數(shù)，借助類比方法設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，這種設(shè)計(jì)方式僅僅是驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)方案的可行性，不能主動(dòng)獲得所設(shè)計(jì)車架的構(gòu)造形狀和參數(shù)。即使是在原方案上所做出的改良設(shè)計(jì)，其方法并不科學(xué)，一般由改裝車廠家提出對(duì)車架進(jìn)展局部加強(qiáng)和安裝加強(qiáng)板、增加橫梁的數(shù)量等。其結(jié)果導(dǎo)致車架的局部強(qiáng)度不斷增大，出現(xiàn)剛度突變，使得易斷裂部位轉(zhuǎn)移到車架其他位置，構(gòu)造的整體強(qiáng)度不均勻，材料強(qiáng)度特性不能夠得到合理利用*紅濤，趙建霞，李芳等.前頂自卸車上裝減副探析前頂自卸車上裝構(gòu)造設(shè)計(jì)需打破傳統(tǒng)J.商用汽車,2010,(S9):57-60.。本文應(yīng)用有限元分析技術(shù)，采用構(gòu)造優(yōu)化的手段，旨在設(shè)計(jì)一

34、款自卸車專用底盤的車架，以期到達(dá)降低整車重心以及輕量化的目的。其意義如下：1底盤專用化的需求目前，國(guó)重型載貨自卸汽車的開發(fā)和生產(chǎn)以配置上裝方式改裝為主渠道。通常由具有改裝資質(zhì)的廠家，在整車廠家提供的根底通用底盤上進(jìn)展專用化二次設(shè)計(jì)進(jìn)展改裝生產(chǎn)。為了滿足不同工程環(huán)境及使用工況的需求，改裝廠家在上裝作業(yè)專用化設(shè)計(jì)時(shí)，往往對(duì)底盤提出專用化的構(gòu)造需求，但整車廠提供的批量生產(chǎn)的根底通用底盤又不可能實(shí)現(xiàn)這種多樣性構(gòu)造變化。由于上裝與底盤不協(xié)調(diào)，改裝廠家通常會(huì)根據(jù)上裝需求，局部改變底盤的構(gòu)造，同時(shí)對(duì)底盤承載系統(tǒng)也進(jìn)展改裝。這種以改裝為主要手段的自卸汽車的開發(fā)，使得自卸作業(yè)局部與底盤的匹配不盡合理、改裝本錢難

35、以降低、整車技術(shù)含量較低，整車性能和使用壽命降低，故障率較高，其故障模式統(tǒng)計(jì)通常以底盤故障率占較大比例。底盤專用化可以最大程度的實(shí)現(xiàn)整車的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品適應(yīng)性更佳，制造本錢降低；同時(shí)，掌握專用車總體開發(fā)技術(shù)是生產(chǎn)企業(yè)保持自主創(chuàng)新，占有國(guó)市場(chǎng)絕對(duì)份額的戰(zhàn)略需要。2有效降低汽車重心，提高汽車行駛穩(wěn)定性行駛穩(wěn)定性是衡量車輛性能的重要指標(biāo)，低重心在車輛行駛過(guò)程中具有無(wú)法比較的優(yōu)越性，如果在高重心狀態(tài)下顛簸行駛，稍有不慎便有側(cè)翻危險(xiǎn)，自卸車由于重心較一般載重貨車高，發(fā)生側(cè)翻的幾率更高，這也是自卸車需要迫切解決的問(wèn)題之一。自卸車副車架截面高度一般在200mm左右，去除副車架后，為保證車架強(qiáng)度，主車架縱梁

36、高度雖略有增加，但相對(duì)同車型車箱底部距地面高度明顯降低，從而使整車重心降低，行駛穩(wěn)定性提高。同時(shí)有效降低了道路顛簸造成的沖擊載荷，提高了車輛的可靠性。3輕量化的要求汽車輕量化可以降低燃油消耗，車輛每減重100kg。每百公里燃油消耗平均減少0.5LB.克萊恩.輕量化設(shè)計(jì)M.:機(jī)械工業(yè)，2010:1-5. 。車架的輕量化對(duì)自卸汽車獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性具有積極的意義,車架自重是整車整備質(zhì)量的重要奉獻(xiàn)源A.M.Sherman.Light weight materials for automotive applicationsJ.Materials Charactizaon,1995,35(1): 3-

37、9. -王鐵，趙震，陳峙等.*車架構(gòu)造基于靈敏度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，20134:545-550.，自卸車副車架自身質(zhì)量一般在500700 kg，約占底盤總重的5%，去掉副車架的主副一體式車架能有效降低整車整備質(zhì)量，從而降低燃油消耗。對(duì)自卸車來(lái)說(shuō)，減輕自身質(zhì)量還能提高有效載質(zhì)量，即增大了質(zhì)量利用系數(shù)，從而提高了運(yùn)輸效率。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)商用車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究國(guó)在商用車車架分析設(shè)計(jì)方面亦做過(guò)大量研究，尤其是近些年取得很大進(jìn)步。2007年航空航天大學(xué)針對(duì)濰坊寶利汽車公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的WFG9280重型車車架進(jìn)展一系列的計(jì)算分析和試驗(yàn)研究，在詳細(xì)分析車架的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的根底

38、上，采用尺寸優(yōu)化的手段實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化設(shè)計(jì)，車架質(zhì)量降低了17.9%趙慧慧.重型汽車車架的構(gòu)造有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)研究D.*航空航天大學(xué)，2007.。2009年理工大學(xué)王興宇從貨箱和車架的改良設(shè)計(jì)方面對(duì)大噸位自卸車的輕量化做了研究。選取彎扭和舉升工況對(duì)該自卸車主副車架進(jìn)展了有限元穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)副車架做了改良，消除了副車架中間小橫梁與油缸拉桿支架接頭區(qū)域的應(yīng)力集中。以車架的體積最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)副車架局部零件截面尺寸進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后車架體積相比原設(shè)計(jì)方案降低了0.023138m3王興宇.大噸位自卸車的輕量化研究D.*理工大學(xué)，2009.。2012年，理工大學(xué)大學(xué)碩士研究生震

39、對(duì)TY-1型重型自卸車車架進(jìn)展了穩(wěn)態(tài)力學(xué)及動(dòng)態(tài)特性分析及試驗(yàn)研究，預(yù)測(cè)了車架在常用工況下易出現(xiàn)失效的位置，并對(duì)車架動(dòng)態(tài)性能做出了評(píng)價(jià)，提出車架輕量化和提高車架低階模態(tài)頻率的方案，對(duì)車架的構(gòu)造改良具有重要的指導(dǎo)意義趙震.重型自卸車車架的有限元分析及優(yōu)化D.*理工大學(xué)大學(xué)，2012.。經(jīng)過(guò)大量研究說(shuō)明，與在原車架構(gòu)造上進(jìn)展尺寸優(yōu)化與形狀優(yōu)化相比，整體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果能極改良車架構(gòu)造并實(shí)現(xiàn)輕量化Wang Jing-*in, Wang Tie, Yang Yan-chao, etc. Topology Optimization Design of a Heavy Truck FrameC.Proceedi

40、ngs of the FISITA 2012 World Automotive Congress: Lecture Notes in Electrical Engineering, 2013, (195): 219-227.。工業(yè)大學(xué)做過(guò)大量車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方面的工作，在車架設(shè)計(jì)之初，選取以車架實(shí)際尺寸的薄板作為拓?fù)鋬?yōu)化的基構(gòu)造，設(shè)定車架的縱梁為非設(shè)計(jì)區(qū)域，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域材料的分布尋找車架橫梁合理的布置位置，實(shí)現(xiàn)了車架的設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的車架進(jìn)展了有限元分析，結(jié)果說(shuō)明，車架的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能均得到提高盧利平.載貨汽車車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析D.*工業(yè)大學(xué)，2009. -柏林.重型載貨汽車車

41、架有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化D.*工業(yè)大學(xué)，2009.。燕山大學(xué)碩士研究生國(guó)仙以*型 SUV 車架為研究對(duì)象，在整體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果上得到實(shí)心構(gòu)造車架模型，然后根據(jù)彎曲剛度標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化為等剛度空心構(gòu)造車架，并對(duì)車架各縱、橫梁的壁厚值做了尺寸優(yōu)化。為防止縱橫梁連接處的應(yīng)力集中，對(duì)連接處進(jìn)展了形狀優(yōu)化*國(guó)仙.基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的車架設(shè)計(jì)及分析D.燕山大學(xué)，2011.。大學(xué)碩士研究生翟云龍?jiān)谡嚟h(huán)境下對(duì)車架進(jìn)展扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況的靜力分析，并提出了靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化理論，在不改變剛度的前提下減輕了車架重量翟云龍.整車環(huán)境下商用車車架的靜態(tài)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)D.*大學(xué),2011. 。國(guó)在自卸車無(wú)副車架設(shè)計(jì)方面也提出過(guò)大量可行性

42、建議并已生產(chǎn)過(guò)無(wú)副車架自卸車產(chǎn)品。國(guó)以前就有無(wú)副車架的自卸車用于工程作業(yè)和道路運(yùn)輸，比方航天泰特的礦用自卸車和徐工的非公路寬體自卸車產(chǎn)品。重汽集團(tuán)專用汽車公司研發(fā)的無(wú)副車架自卸車采用了等高等寬的箱型車架構(gòu)造，降低了整車重心，增加了行駛穩(wěn)定性和舉升平安性。汽車集團(tuán)*公司也推出了主副一體式車架前頂自卸車，采用了U形車廂，翻轉(zhuǎn)軸套式構(gòu)造，有效減少了整備質(zhì)量。但是現(xiàn)有產(chǎn)品大多未對(duì)車架做出合理設(shè)計(jì)，在使用過(guò)程中出現(xiàn)開縫、斷裂等問(wèn)題，或存在材料未得到合理利用，因此主副一體式車架自卸車在開拓市場(chǎng)過(guò)程中遇到較大阻力。2005年，國(guó)學(xué)者琦從底盤設(shè)計(jì)和舉升方式的選擇方面入手，著重分析了前舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，指出前舉升

43、方式將逐步取代機(jī)構(gòu)舉升方式，并與取消副車架的重型自卸車相結(jié)合并最終做出輕量化是今后自卸車技術(shù)開展趨勢(shì)。但文中僅提出取消副車架后車架設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題，并未給出具體設(shè)計(jì)思路或相關(guān)產(chǎn)品，未驗(yàn)證取消副車架的可行性曹琦.無(wú)副車架的重型自卸汽車J.重型汽車，2005，(04):16-17. 。2009年陜汽集團(tuán)技術(shù)研發(fā)人員介紹了主副一體自卸專用車架的設(shè)計(jì)過(guò)程俞東海,蘇軍琪,田海洲.自卸車專用車架設(shè)計(jì)J.專用汽車,2009,(12):48-50.：取消副車架后，在彎曲應(yīng)力較為集中的自卸車駕駛室后的位置增加第三層縱梁，車架縱梁前端由雙層6+5mm改為6mm的單層，并對(duì)縱梁做了強(qiáng)度校核，縱梁危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力小

44、于材料的許用應(yīng)力，車架縱梁滿足要求。該設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證了自卸車通過(guò)加強(qiáng)主車架的方式取消副車架的可能性。2010年12月，訊力特種汽車技術(shù)中心研究人員詳細(xì)分析了前頂式自卸車上裝減負(fù)的可行性。并對(duì)無(wú)副車架自卸車構(gòu)造存在的問(wèn)題以及其自身優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)作了詳細(xì)介紹。最后給出了HOWO84 前頂式自卸車無(wú)副車架構(gòu)造示意圖。他們認(rèn)為目前前頂式自卸車取消副車架不存在底盤承載技術(shù)和上裝構(gòu)造設(shè)計(jì)問(wèn)題，而是要盡早打破傳統(tǒng)觀念，創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念3。從以上車架設(shè)計(jì)研究狀況可以看出車架的研究主要集中在重型化，輕量化，以及降低重心等三方面。重型化是為了滿足載重的需求，提高運(yùn)載效率；汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)開展過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題；低

45、重心可有效提高車輛行駛穩(wěn)定性。取消副車架可以降低整車的整備質(zhì)量和重心，并提高自卸車行駛的穩(wěn)定性和平安性。汽車行業(yè)技術(shù)人員對(duì)自卸車去除副車架的態(tài)度是承受的，只不過(guò)推行無(wú)副車架還面對(duì)一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。但是現(xiàn)今，對(duì)主副一體式自卸車車架的研究還處于理論研究階段，相關(guān)學(xué)者僅給出設(shè)計(jì)思路，并沒有給出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。市場(chǎng)上現(xiàn)有的主副一體式自卸車車架采用的是直接取消副車架，通過(guò)加強(qiáng)縱梁的方式實(shí)現(xiàn)，該類型車架存在許多不合理的地方。1.2.2國(guó)外商用車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究國(guó)外的汽車工業(yè)歷史悠久，在車架設(shè)計(jì)和構(gòu)造改良方面積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析經(jīng)歷，形成了系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)改正記錄和設(shè)計(jì)規(guī)。建立在分析和試驗(yàn)

46、根底上的各種優(yōu)化方法為車架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的選擇方案，使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)歷設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)跨出了一大步*威.*重型載貨汽車車架的設(shè)計(jì)分析與實(shí)驗(yàn)研究D.*大學(xué),2011. ?，F(xiàn)階段，作為先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的代表，CAE技術(shù)已成為汽車企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的有效手段，已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及樣車驗(yàn)證中丁渭平.汽車CAE技術(shù)M.*：西南交通大學(xué)，2010:1-15. 。車架是汽車最早應(yīng)用有限元計(jì)算的總成之一。伯明翰大學(xué)機(jī)械工程系D.T. Anderson和B. Mills使用有限元法得到汽車底盤構(gòu)造前9階固有頻率，他們提出相對(duì)簡(jiǎn)單構(gòu)造、理想化模型的有限元分析結(jié)果更準(zhǔn)確。美國(guó)和其它國(guó)家的構(gòu)造

47、分析人員定義了汽車有限元整車模型。Kamal和Wolf全面評(píng)述了有限元技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況。Li Haigan等人在Anays中建立了自卸式垃圾車副車架的有限元模型，分析了該車架在彎扭工況和制開工況下的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，基于以上分析提出了改良建議Li Hai-gan.Finite element analysis of heavy-duty dump tuck sub-frame based on ansysJ.Advanced Materials Research,2007.。2005年HelmutDarnnbauer等人對(duì)車架構(gòu)造的焊縫和點(diǎn)焊連接進(jìn)展了疲勞壽命分析Helmut Dann

48、bauer,ChristianGai,Klaus Hofwimme. Fatigue Analysis of welding Seams and Spot Joints in Automotive StrueturesJ.SAE Paper,2005:46-50. 。汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)開展過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題。Ming-Tsung Chang通過(guò)改變材料和連接方式，對(duì)電動(dòng)車車架做出輕量化研究，在保證車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度前提下，實(shí)現(xiàn)車架減重25%Ming-Tsung Chang.The Development of Ligtweight Electric Vehicle FrameC

49、.The 25th World Battary,Hybrid and Fule Cell Electric Vehicle SymposiumE*hibition,2010. 。Alusuisse RoadRail公司采用焊接的鋁制車架實(shí)現(xiàn)了自卸車車架的輕量化設(shè)計(jì)，如圖1-1所示，其縱梁由兩根不同形式的T形鋁材AlMgSi1F31制造。考慮到鋁材焊接處強(qiáng)度低的特性，下端T形鋁材的短輻板保證兩條縱向焊縫不是出現(xiàn)在應(yīng)力大的翼面上而是位于主要承受彎曲載荷的橫截面中性層上。縱梁前端鵝頸形斜坡通過(guò)冷彎曲加工成型。上端T形鋁材的高輻板一直延續(xù)到前端，在前端將邊緣切除，以便彎曲成所希望的斜坡形Erich H

50、oepke.載貨汽車技術(shù)M.:機(jī)械工業(yè)，2007:159-160.。圖1-1Alusuisse RoadRail公司采用焊接的鋁制車架Fig.1-1 Welding aluminum frame of Alusuisse RoadRail pany底盤剛度對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性以及平安性有至關(guān)重要的影響，辛辛那提大學(xué)William Steed 提出一種測(cè)量底盤抗扭剛度的新方法應(yīng)用于一級(jí)方程式底盤設(shè)計(jì)，文中采用多種測(cè)試方式并利用有限元模型分析法檢測(cè)F1車架可靠性，最終通過(guò)車架臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了上述分析的正確性William steed.Torsional Stiffness Measuring Machi

51、ne (TSMM) & Automated Frame Design ToolsD. University of Cincinnati,2010. 。一般情況下，車架在平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下不易遭到破壞，其動(dòng)態(tài)性能對(duì)車架的壽命起決定性影響。英國(guó)利茲大學(xué)I.M. Ibrahim等人做了車架彈性對(duì)汽車行駛平順性影響的研究，利用有限元法獲得的車架動(dòng)態(tài)特性與之前的試驗(yàn)數(shù)值一致，結(jié)果說(shuō)明，車架彈性對(duì)車身和駕駛室的振動(dòng)影響較大I.M. Ibrahim, D.A. Crolla, D.C. Barton. Effect of frame fle*ibiliTY-1 on the ride vibration of

52、trucksJ. puters & Structures,1996, 58(4 ):709713.。皮特什蒂大學(xué)Stefan Tabacu等人對(duì)越野汽車車架進(jìn)展動(dòng)態(tài)分析，提出越野車多體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究方法，得出車架縱梁受力變形仿真結(jié)果。然后運(yùn)用有限元法進(jìn)展構(gòu)造分析，通過(guò)比較二者分析變形曲線得出一致的結(jié)果，并且分別分析了二者優(yōu)缺點(diǎn)，為車架分析提供參考Stefan Tabacu.Dynamic analysis of an off-road vehicle frame. Non-Linear Analysis,2006,16:263-290. 。近年，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品之中。Altair

53、公司以福特汽車中的一款 SUV 車架為研究對(duì)象，在不犧牲任何剛度的條件下實(shí)現(xiàn)了該車架輕量化設(shè)計(jì)。在車架設(shè)計(jì)之初采用建立概念設(shè)計(jì)模型整體拓?fù)鋬?yōu)化的方法尋找出該優(yōu)化空間的最正確材料布局，整體拓?fù)鋬?yōu)化方法在實(shí)際約束條件的前提下所求結(jié)果已接近設(shè)計(jì)目標(biāo)，防止了盲目設(shè)計(jì)。然后采用局部拓?fù)鋬?yōu)化的方法重新定義車架中部的設(shè)計(jì)空間，使該部位的材料分布更加合理。最終通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)車架的全新設(shè)計(jì)李楚琳，*勝蘭，馮櫻等Hyper Works分析應(yīng)用實(shí)例M：機(jī)械工業(yè)，2011 。Chen C J等人應(yīng)用多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)車架進(jìn)展了改良設(shè)計(jì)ChenCJ,UsmanM. Design Optimization fo

54、r automotive applieationJ.Int.J.Vehiele Design,2001,25(2):126-139.。國(guó)外學(xué)者利用LS-DYNA軟件對(duì)城市清掃車車架進(jìn)展了構(gòu)造分析及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，提高了車架的剛度和動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)減輕了車架質(zhì)量Zhou Bing.Structural Analysis and Topology Optimization Design for a Sweeper Vehicle Frame J.Insititute of Space Teconology,2010, 6.?？偟膩?lái)講，國(guó)外將有限元法應(yīng)用于車架分析計(jì)算比較早，從上世紀(jì)70年代就開場(chǎng)了對(duì)車

55、架的有限元分析，國(guó)外十分重視利用有限元方法對(duì)車架構(gòu)造進(jìn)展輔助設(shè)計(jì)，分別從車架的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性和構(gòu)造優(yōu)化方面做了研究，并取得了大量的研究成果。1.3本文研究的主要容本文基于降低自卸車重心并實(shí)現(xiàn)車架輕量化的目的，設(shè)計(jì)一款主副一體式重型自卸車專用車架。在新車架設(shè)計(jì)之前，首先對(duì)根底對(duì)標(biāo)車架TY-1型自卸車車架，進(jìn)展有限元穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析和模態(tài)分析。然后根據(jù)TY-1型車架的分析結(jié)果進(jìn)展新車架的設(shè)計(jì)，并對(duì)新型車架進(jìn)展尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，為新型主副一體式車架設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。具體容分為以下幾個(gè)局部：1論述了車架分析的根本理論，介紹了傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法和CAE技術(shù)在車架分析和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。根據(jù)TY-1型車架

56、的構(gòu)造參數(shù)，在HyperMesh軟件中建立了車架的有限元模型。2針對(duì)靜載、卸載初、貨箱舉升至45等三種典型工況對(duì)TY-1型自卸車車架進(jìn)展有限元穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析。通過(guò)有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗(yàn)對(duì)車架的動(dòng)態(tài)性能作出了評(píng)價(jià)。3結(jié)合車架傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和有限元分析方法，重新設(shè)計(jì)車架的構(gòu)造形式，選取了四種縱梁截面尺寸分別進(jìn)展了有限元穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)展了車架選型，并對(duì)所選車架做了模態(tài)分析。4建立主副一體式車架的尺寸優(yōu)化模型，設(shè)定車架構(gòu)件的厚度為變量，實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化設(shè)計(jì)，尺寸優(yōu)化結(jié)果顯示車架前部仍具有輕量化空間，所以對(duì)車架縱梁前部做了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，尋求最優(yōu)材料分布。-. z第二章車架分析理論及有限元模

57、型的建立2.1車架分析理論車架傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法車架傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是按照靜彎曲載荷來(lái)確定車架縱梁的斷面尺寸。車架彎曲計(jì)算的核心是計(jì)算縱梁各段的彎矩，然后通過(guò)選擇合理的材料許用應(yīng)力可算出縱梁截面系數(shù)。作用在車架縱梁上的載荷很多，采用彎矩差法可以將作用在縱梁上的彎矩M的計(jì)算大為簡(jiǎn)化車架設(shè)計(jì)J.汽車技術(shù),1974,(02):1-13.。縱梁上所受的力如圖2-1所示，在力作用的i點(diǎn)的彎矩為前面所有力對(duì)這點(diǎn)的力矩和，即 2-1此處為k=1至k=i-1各點(diǎn)到i點(diǎn)的距離。同樣在i-1點(diǎn)的彎矩為 2-2和的關(guān)系為2-3此處：= 在處的剪力；即和力作用點(diǎn)之間的距離，用表示。故相鄰二個(gè)力作用點(diǎn)的彎矩關(guān)系為 2-4按式2-

58、4計(jì)算縱梁面的彎矩最后一個(gè)力作用點(diǎn)處彎矩值應(yīng)零。圖2-1用彎矩差法求彎矩Fig.2-1 Solving bending moment by moment difference有限單元法在車架分析中的應(yīng)用在外力作用下，任何一個(gè)彈性體與支撐構(gòu)造都會(huì)發(fā)生變形，變形導(dǎo)致扭曲，扭曲則導(dǎo)致應(yīng)力。由于車架構(gòu)造比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)解析方法不可能求出車架各處的應(yīng)力和位移。有限元法可有效求解構(gòu)造的力學(xué)問(wèn)題，其本質(zhì)是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元，選擇一些適宜的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，單元上所作用的力等效到節(jié)點(diǎn)上，將微分方程離散求解徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程M：高等教育，1999.。通過(guò)建立彈性

59、體平衡微分方程可以得出平面問(wèn)題中應(yīng)力分量和體力分量的關(guān)系，通過(guò)建立幾何方程可以導(dǎo)出微分線段上的形變分量和位移分量之間的關(guān)系，然后建立材料的物理方程導(dǎo)出形變分量和應(yīng)力分量之間的關(guān)系，并加載邊界條件即可求得個(gè)分量。通過(guò)車架構(gòu)造強(qiáng)度和剛度的有限元靜力分析，能夠找到車架在各種工況下各個(gè)部件變形和應(yīng)力的分布情況及最大值?；诜治鼋Y(jié)果，可獲得車架性能的相關(guān)參數(shù)，對(duì)下一步車架的構(gòu)造改良和開發(fā)設(shè)計(jì)新的車架形式具有重要意義。在有限元分析過(guò)程中，連續(xù)體被離散為單元后，由單元的位移函數(shù)和彈性體的幾何方程可以得到單元體的應(yīng)變、應(yīng)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系： 2-5 2-6其中：u為單元任一點(diǎn)位移矢量；N為單元的形函數(shù)；為

60、單元節(jié)點(diǎn)位移矢量為應(yīng)變；L為單位位移的微分矩陣；u為位移矢量通過(guò)上式可求得節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力結(jié)果，然后根據(jù)強(qiáng)度要求和材料的特性，選擇最大應(yīng)力對(duì)構(gòu)件進(jìn)展強(qiáng)度校核11。2.2TY-1型自卸車車架根本構(gòu)造1本文研究的TY-1型車架為64重型自卸車車架，該自卸車相關(guān)參數(shù)如表2-1。表2-1 TY-1型自卸車參數(shù)Table 2-1 TY-1 dump truck parameters發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)WP10.340E32整車長(zhǎng)寬高mm843524963490軸距mm3800+1350前輪距/后輪距mm2020/1860總質(zhì)量/整備質(zhì)量t25/12.5整車前懸/后懸mm1430/1850車架的三維模型如圖2-2所示