机场牵引车的车架设计
目 录
1 引言 1
1.1 课题的研究意义 1
1.2国内外研究状况 2
1.3 本文的主要研究内容 3
2车架的设计和计算 3
2.1车架结构形式的设计 3
2.2车架的强度计算 4
2.3梁的弯矩和剪力的计算 4
2.4车架材料的确定 7
3 车架模型的建立 7
3.1 车架proe模型的建立 7
3.2 车架有限元模型的建立 11
3.3车架总他的2D工程图创建 12
4 静力分析 13
4.1 静力分析基础 13
4.2 刚度理论基础 15
4.3 车架静力工况分析 16
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 引言
1.1 课题的研究意义
目前，汽车整车制造市场竞争激烈，行李牵引车的制造技术不断的发展，完善，再加上市场对牵引车的需求不断的加大，种类要求变多，所以行李牵引车的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能如动力性、经济性、操纵稳定性。车辆设计中，在满足重型载货车运营中对底盘的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。
行李牵引车关重件主要由车架和其它承载车辆重量的构件组成。而车架是整个底盘结构的重要构件，起到承载整车质量、传导地面反力和装载底盘其它构件的作用，因此对车架结构进行研究显得十分重要。
车架也称大梁，车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机、底盘和车身等总成连成一个整体，即将各总成组成为一辆完整的汽车。同时，车架还承受汽车各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，即车架要承受各种静载荷和动载荷。一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架在实际环境下要面对4种压力即：负载弯曲、非水平扭动、横向弯曲、水平棱形扭动。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性(stiffness)不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。同样，车架的刚性对汽车的性能有很大的影响。影响车架刚性的外力，通常是来自于路面摩擦力以及加减速或过弯时产生的 值。汽车由于引擎及底盘设计不像现在发达，轮胎的抓地力也不如今日优异，因此车架刚性的重要性并不容易被关注。但是市售车所搭载的引擎已有不错的动力，而且轮胎有与地面的摩擦力更好的辐射层构造，低扁平薄胎与大直径化的设定也成为了市场的主流，因此在动力有所提升、轮胎与悬挂所承受的负荷增大并且转移至车架的情况下，车架本身承受的负荷肯定也会大幅提高。
行李牵引车车架静力学分析主要包括弯曲和扭转两种工况，这是评价车架质量最重要的指标。采用牵引力学理论及有限元原理，利用大型通用有限元分析软件ANSYS对某车型车架在弯曲、扭转两种工况下进行力学分析，得出了在弯曲和扭转工况下某轿车车架的刚度变化。并对不同荷载情况下的车架不同部位的应力、位移进行较为全面的数值模拟，为对车架的强度分析提供参考和依据。
采用ANSYS对行李牵引车车架进行结构优化设计，可以对结构的动态特性做出评价。
1.2国内外研究状况
1. 国内研究现状：
十九世纪四五十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核主要是依靠传统的经验和方法。对车架的结构作了大量的简化设计，设计的结果用实验的方法来验证，该方法具有一定的科学性和可行性。
传统经验分析设计方法，在我国目前的车辆设计计算中仍起到一定的作用，具有简单易行的优点。但是，该方法也有明显的缺陷，主要表现在以下的两个方面：
（1）经验设计具有相当大的盲目性，关重架如车架的设计得不到明显的改进。其整体刚度问题、结构的强度都不能得到合理的解决。然而设计周期长，使得车架的换代的速度比较慢，不能适应现代化商品生产的竞争。
（2）传统的经验设计，不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此，设计中不可避免的会出现车架各部分强度匹配不合理的现象。导致整个车架设计成本提高，而且某些部位强度不够，容易引起事故；若某些部位的强度过于富裕，造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的。由于经验分析设计方法有以上的不足之处，生产厂家迫切需要一种能与市场竞争相适应的新的设计方法。随着电子计算机的出现及结构强度分析和结构优化程序的投入使用，取代了高强度的手工劳动，结构分析、设计速度大大提高。有限元分析法就是其中的一种。
当代，我国对汽车车架的设汁与研究已经从主要依靠传统的经验分析设汁方法逐渐发展到有限元等现代设计方法，但是尚未像汽车整车和主要零部件的参数确定那样广泛应用优化设计方法。所以汽车车架结构参数化设计与优化仍是近些年的重要研究领域。
2. 国外研究现状：
进入90年代后，随着计算机的普及发展，国外研制了很多基于多体系统力学理论开发的仿真分析软件，如ADAMS和DADS等，用于对汽车车架进行仿真计算。
2000年，Hidek Sugiura将ADAMS软件应用到了车架的设计中，分析了车架安装点位置、车架弹性、阻尼元件对车架运动学的影响。
2006年，Xiaobo Yang在ADAMS中建立了包括弹性车身在内的整车刚柔耦合模型，详细分析了车架中的关重件对脉冲激励下车身方向盘和座椅导航响应的影响。
2007年，伊朗khodro公司的Behzad Hamedi在ADAMS软件中建立了车架模型，分析了横梁不同的结构设计下车轮定位角的变化情况。
1.3 本文的主要研究内容
本文以型号为QCD30的行李牵引车的车架为例，建立了基于实体单元的结构有限元模型。通过对这车架的四种典型工况的静态分析，得出应力与应变集中的位置，并提出改进建议，其体实施步骤如下：
（1）建立车架，用proe软件建立车架模型，然后导入到ANSYS有限元软件进行网络划分。
（2）假定行李牵引车满载并牵引的情况下，对车架在匀速、弯曲、制动、急转弯四种工况下的受力和变形情况进行静态有限元分析。
2车架的设计和计算
2.1车架结构形式的设计
2.1.1车架类型的选择
边梁式车架由二根纵梁及若干根横梁组成。这种结构便于安装驾驶室、车厢和其它总成，被广泛用于载货汽车、大货车及其它的特种作业车上。机场行李牵引车，本设计采用边梁式车架。
2.1.2车架宽度的确定
车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。车架前部宽度的最小值取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮最大转角的限制。车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸确定。为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度，但本设计的牵引车时速较低，所以采用了前后等宽的车架上设计。
为了便于弯曲强度的计算，对车架进行以下基本设计因为车架结构是左右对称的左右纵梁的受力相差不大，故认为纵梁是支承在汽车前后轴上的简支梁空车时的簧载 （包括车架自身质量在内）均匀分布在左右二纵梁的全长上。其值可根据汽车底盘结构的统计数据大致估计。一般，对于轻型和中型载货汽车来说簧载质量约为汽车自身质量的2/3。汽车的有效载荷均匀分布在车厢全长上。所有作用力均通过载面的弯曲中心。实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸部件（如油箱、蓄电池等）而产生局部扭转，在设计时通常在此安装一根横梁，使得这种对纵梁的扭转变为横梁的弯矩。故这种假定不会造成计算的明显误差。
1 引言 1
1.1 课题的研究意义 1
1.2国内外研究状况 2
1.3 本文的主要研究内容 3
2车架的设计和计算 3
2.1车架结构形式的设计 3
2.2车架的强度计算 4
2.3梁的弯矩和剪力的计算 4
2.4车架材料的确定 7
3 车架模型的建立 7
3.1 车架proe模型的建立 7
3.2 车架有限元模型的建立 11
3.3车架总他的2D工程图创建 12
4 静力分析 13
4.1 静力分析基础 13
4.2 刚度理论基础 15
4.3 车架静力工况分析 16
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 引言
1.1 课题的研究意义
目前，汽车整车制造市场竞争激烈，行李牵引车的制造技术不断的发展，完善，再加上市场对牵引车的需求不断的加大，种类要求变多，所以行李牵引车的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能如动力性、经济性、操纵稳定性。车辆设计中，在满足重型载货车运营中对底盘的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。
行李牵引车关重件主要由车架和其它承载车辆重量的构件组成。而车架是整个底盘结构的重要构件，起到承载整车质量、传导地面反力和装载底盘其它构件的作用，因此对车架结构进行研究显得十分重要。
车架也称大梁，车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机、底盘和车身等总成连成一个整体，即将各总成组成为一辆完整的汽车。同时，车架还承受汽车各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，即车架要承受各种静载荷和动载荷。一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。车架在实际环境下要面对4种压力即：负载弯曲、非水平扭动、横向弯曲、水平棱形扭动。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性(stiffness)不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。同样，车架的刚性对汽车的性能有很大的影响。影响车架刚性的外力，通常是来自于路面摩擦力以及加减速或过弯时产生的 值。汽车由于引擎及底盘设计不像现在发达，轮胎的抓地力也不如今日优异，因此车架刚性的重要性并不容易被关注。但是市售车所搭载的引擎已有不错的动力，而且轮胎有与地面的摩擦力更好的辐射层构造，低扁平薄胎与大直径化的设定也成为了市场的主流，因此在动力有所提升、轮胎与悬挂所承受的负荷增大并且转移至车架的情况下，车架本身承受的负荷肯定也会大幅提高。
行李牵引车车架静力学分析主要包括弯曲和扭转两种工况，这是评价车架质量最重要的指标。采用牵引力学理论及有限元原理，利用大型通用有限元分析软件ANSYS对某车型车架在弯曲、扭转两种工况下进行力学分析，得出了在弯曲和扭转工况下某轿车车架的刚度变化。并对不同荷载情况下的车架不同部位的应力、位移进行较为全面的数值模拟，为对车架的强度分析提供参考和依据。
采用ANSYS对行李牵引车车架进行结构优化设计，可以对结构的动态特性做出评价。
1.2国内外研究状况
1. 国内研究现状：
十九世纪四五十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核主要是依靠传统的经验和方法。对车架的结构作了大量的简化设计，设计的结果用实验的方法来验证，该方法具有一定的科学性和可行性。
传统经验分析设计方法，在我国目前的车辆设计计算中仍起到一定的作用，具有简单易行的优点。但是，该方法也有明显的缺陷，主要表现在以下的两个方面：
（1）经验设计具有相当大的盲目性，关重架如车架的设计得不到明显的改进。其整体刚度问题、结构的强度都不能得到合理的解决。然而设计周期长，使得车架的换代的速度比较慢，不能适应现代化商品生产的竞争。
（2）传统的经验设计，不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此，设计中不可避免的会出现车架各部分强度匹配不合理的现象。导致整个车架设计成本提高，而且某些部位强度不够，容易引起事故；若某些部位的强度过于富裕，造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的。由于经验分析设计方法有以上的不足之处，生产厂家迫切需要一种能与市场竞争相适应的新的设计方法。随着电子计算机的出现及结构强度分析和结构优化程序的投入使用，取代了高强度的手工劳动，结构分析、设计速度大大提高。有限元分析法就是其中的一种。
当代，我国对汽车车架的设汁与研究已经从主要依靠传统的经验分析设汁方法逐渐发展到有限元等现代设计方法，但是尚未像汽车整车和主要零部件的参数确定那样广泛应用优化设计方法。所以汽车车架结构参数化设计与优化仍是近些年的重要研究领域。
2. 国外研究现状：
进入90年代后，随着计算机的普及发展，国外研制了很多基于多体系统力学理论开发的仿真分析软件，如ADAMS和DADS等，用于对汽车车架进行仿真计算。
2000年，Hidek Sugiura将ADAMS软件应用到了车架的设计中，分析了车架安装点位置、车架弹性、阻尼元件对车架运动学的影响。
2006年，Xiaobo Yang在ADAMS中建立了包括弹性车身在内的整车刚柔耦合模型，详细分析了车架中的关重件对脉冲激励下车身方向盘和座椅导航响应的影响。
2007年，伊朗khodro公司的Behzad Hamedi在ADAMS软件中建立了车架模型，分析了横梁不同的结构设计下车轮定位角的变化情况。
1.3 本文的主要研究内容
本文以型号为QCD30的行李牵引车的车架为例，建立了基于实体单元的结构有限元模型。通过对这车架的四种典型工况的静态分析，得出应力与应变集中的位置，并提出改进建议，其体实施步骤如下：
（1）建立车架，用proe软件建立车架模型，然后导入到ANSYS有限元软件进行网络划分。
（2）假定行李牵引车满载并牵引的情况下，对车架在匀速、弯曲、制动、急转弯四种工况下的受力和变形情况进行静态有限元分析。
2车架的设计和计算
2.1车架结构形式的设计
2.1.1车架类型的选择
边梁式车架由二根纵梁及若干根横梁组成。这种结构便于安装驾驶室、车厢和其它总成，被广泛用于载货汽车、大货车及其它的特种作业车上。机场行李牵引车，本设计采用边梁式车架。
2.1.2车架宽度的确定
车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。车架前部宽度的最小值取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮最大转角的限制。车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸确定。为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度，但本设计的牵引车时速较低，所以采用了前后等宽的车架上设计。
为了便于弯曲强度的计算，对车架进行以下基本设计因为车架结构是左右对称的左右纵梁的受力相差不大，故认为纵梁是支承在汽车前后轴上的简支梁空车时的簧载 （包括车架自身质量在内）均匀分布在左右二纵梁的全长上。其值可根据汽车底盘结构的统计数据大致估计。一般，对于轻型和中型载货汽车来说簧载质量约为汽车自身质量的2/3。汽车的有效载荷均匀分布在车厢全长上。所有作用力均通过载面的弯曲中心。实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸部件（如油箱、蓄电池等）而产生局部扭转，在设计时通常在此安装一根横梁，使得这种对纵梁的扭转变为横梁的弯矩。故这种假定不会造成计算的明显误差。
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