一種非公路基礎(chǔ)車(chē)型車(chē)架設(shè)計(jì)

元博 范騰飛 程寧 薛凱波 吳豪 田虎 王園剛 米浩鋒 趙強(qiáng)

摘 要：文章從車(chē)架要求分析，車(chē)架關(guān)鍵參數(shù)確定，車(chē)架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇，車(chē)架設(shè)計(jì)驗(yàn)證幾個(gè)方面闡述一種非公路基礎(chǔ)車(chē)型車(chē)架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，便于指導(dǎo)相應(yīng)車(chē)架設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：車(chē)架;CAE;非公路車(chē)型

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.32? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-95-02

Abstract： This paper expounds the experience of frame design of a non-highway model from several aspects： analysis of frame requirements， determination of key parameters of frame， main structure design and selection of frame， and verification of frame design， which is convenient to guide the corresponding frame design.

Keywords： Frame; CAE; Non-road model

CLC NO.： U463.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-95-02

引言

因非公路寬體礦用自卸車(chē)行駛路況極為惡劣，而其車(chē)架承載著整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、懸架、駕駛室、燃油箱、貨箱等主要零部件的重量和貨物重量，因而車(chē)架的設(shè)計(jì)對(duì)于一款礦用自卸車(chē)使用壽命異常的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)不好會(huì)出現(xiàn)縱梁開(kāi)裂、橫梁開(kāi)裂、車(chē)架變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，本文針對(duì)此類(lèi)車(chē)架設(shè)計(jì)談一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，方便設(shè)計(jì)人員參考使用。

1 車(chē)架要求分析

車(chē)架作為車(chē)輛布置的參考系，其上安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、懸架、駕駛室、燃油箱、貨箱等主要零部件，當(dāng)然受到這些主要零部件安裝條件的約束，需要綜合考慮，多方協(xié)調(diào)，在安裝孔徑和安裝孔位之間統(tǒng)一和平衡。車(chē)架設(shè)計(jì)需結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)有車(chē)架，盡可能地采用現(xiàn)有車(chē)架資源，或在現(xiàn)有車(chē)架資源基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)。在不影響整車(chē)總體設(shè)計(jì)要求的條件下，為了實(shí)現(xiàn)車(chē)架的通用性，必要時(shí)提出對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2 車(chē)架關(guān)鍵參數(shù)確定

車(chē)架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)有：車(chē)架長(zhǎng)度，車(chē)架寬度，縱梁截面尺寸，橫梁長(zhǎng)度，橫梁截面尺寸，橫梁布置間距，縱梁孔允許最小間距，縱梁形位公差，橫梁的形位公差，前板簧支架對(duì)角線(xiàn)公差，中后橋區(qū)域車(chē)架公差，懸架安裝位置尺寸，車(chē)輛牽引裝置布置，工藝孔形位尺寸，扎線(xiàn)孔形位尺寸，主要部件安裝孔位精度。

車(chē)架的長(zhǎng)度由總布置根據(jù)整車(chē)布置確定，也可以參考同類(lèi)車(chē)型類(lèi)比設(shè)計(jì)，主要滿(mǎn)足布置要求和尺寸最小原則即可。車(chē)架寬度主要取決于懸架布置和轉(zhuǎn)向過(guò)程中的空間尺寸要求同時(shí)也要兼顧車(chē)輛側(cè)傾穩(wěn)定性的考慮，一般采用最多的是類(lèi)比設(shè)計(jì)方法確定。縱梁截面尺寸主要取決于車(chē)架設(shè)計(jì)承載能力和主要部件布置空間尺寸要求，主要貫徹簡(jiǎn)單和節(jié)省的設(shè)計(jì)原則，遇到特殊的布置環(huán)境時(shí)可以通過(guò)變截面來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。橫梁長(zhǎng)度主要取決于車(chē)架寬度和縱梁結(jié)構(gòu)形式及其連接方式，在考慮橫梁長(zhǎng)度時(shí)也要關(guān)注油、氣管路和線(xiàn)束布置通道。橫梁截面尺寸主要由橫梁抗彎、抗扭需求和部件布置空間綜合因素決定，同時(shí)在車(chē)架設(shè)計(jì)中要盡量控制橫梁種類(lèi)，這有利于成本控制和生產(chǎn)管理。橫梁布置間距主要考慮部件布置空間要求和車(chē)架局部強(qiáng)度、剛度要求。一、二橫梁布置要求間距滿(mǎn)足散熱器中冷器組件安裝維修空間尺寸要求，一般的推薦值為435mm～535mm，為了避開(kāi)風(fēng)扇的空間需要，二橫梁往往設(shè)計(jì)成圓管V形梁結(jié)構(gòu)，必要時(shí)圓管局部允許壓扁處理。二橫梁與三橫梁之間需要布置發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱，故需要預(yù)留一定的安裝空間，一般推薦值為2615mm～2715mm，在發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱布置允許的空間內(nèi)尺寸越小越好，當(dāng)然為了滿(mǎn)足車(chē)架的通用性，尺寸可以適當(dāng)加大。飛機(jī)梁布置在中后橋之間，距離飛機(jī)梁兩側(cè)1600mm～1700mm處應(yīng)布置橫梁，飛機(jī)梁一般為槽形結(jié)構(gòu)，為了增加強(qiáng)度，通常由兩個(gè)槽形梁（有的可以用四個(gè)槽形梁）鉚接在一起使用，通過(guò)上下連接板與車(chē)架相連，其余橫梁布置間距一般不超過(guò)1200mm不小于750mm。后橫梁在車(chē)架的后部（也稱(chēng)為尾梁），通常為槽型結(jié)構(gòu)。縱梁孔一般規(guī)定：φ12以下孔一般允許最小間距大于24mm，φ14-φ19孔一般允許最小間距大于50mm 距離折彎處尺寸大于45mm。在前軸后和后軸前區(qū)域內(nèi)縱梁翼面上不允許有大于φ12的孔，孔離邊沿的距離大于40mm。同功能孔系及關(guān)聯(lián)孔組間孔距公差為±0.1，其余為±0.3，孔徑公差+0.3-0.1。縱梁折彎角度公差±1?。車(chē)架后橋I 、II中心線(xiàn)前、后1m范圍內(nèi)寬度公差為±1.5，其它橫梁連接處允許±3，前橋中心線(xiàn)前、后1m范圍內(nèi)寬度公差為±1.5，左右縱梁的平行度在全長(zhǎng)范圍內(nèi)不大于5mm;車(chē)架在全長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)角線(xiàn)誤差不大于5mm，同組鋼板彈簧支架吊耳中心對(duì)角線(xiàn)誤差不大于3mm。

3 車(chē)架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇

車(chē)架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇包括：縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縱、橫梁連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中間支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，車(chē)輛牽引裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

常用縱梁結(jié)構(gòu)多為槽鋼結(jié)構(gòu)，一般腹、翼尺寸比控制在3.1～4.1之間，車(chē)架腹板尺寸越大，腹、翼尺寸比越小，反之越大。常用橫梁結(jié)構(gòu)的主要有槽鋼、連接板鉚接結(jié)構(gòu)和管梁焊接結(jié)構(gòu)。橫梁主設(shè)計(jì)要關(guān)注重量、抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)，一般重量越小越好，方便轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝，抗扭截面系數(shù)一般大于3.5cm3，抗彎截面系數(shù)一般大于85cm3。飛機(jī)梁上下連接板長(zhǎng)度尺寸范圍為1300～2150mm，尾橫梁上下連接板長(zhǎng)度尺寸范圍為400～450mm，其余橫梁上下連接板長(zhǎng)度尺寸范圍500～1100mm，折彎角度公差±1?[1]。中間支座采用鑄件結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓、雙頭螺柱與車(chē)架和平衡軸連接，此處為關(guān)鍵受力部位，標(biāo)準(zhǔn)件必須考慮性能等級(jí)（一般10.9級(jí)以上）和結(jié)構(gòu)防松設(shè)計(jì)（如防松墊片）。當(dāng)后橫梁需安裝拖鉤時(shí)，需增加一水平 K 形梁，以承受拖掛車(chē)帶來(lái)的拉力。

4 車(chē)架設(shè)計(jì)驗(yàn)證

車(chē)架設(shè)計(jì)驗(yàn)證主要采用CAE分析軟件（如：midas NFX）從車(chē)架靜強(qiáng)度、靜剛度和模態(tài)三個(gè)方面開(kāi)展。

靜強(qiáng)度分析包括：彎曲工況（將前后輪固定，油箱重量均布在油箱支架上，電瓶重量均布在電瓶箱支架上，貨箱質(zhì)量、設(shè)計(jì)裝載質(zhì)量均布在車(chē)架縱梁上，其他載荷以集中力形式加在作用位置，計(jì)算彎曲工況的應(yīng)力），前輪懸空工況（彎曲工況的基礎(chǔ)上，使右前輪下移 300mm，計(jì)算前輪懸空時(shí)的彎扭組合工況的應(yīng)力。），后輪抬高工況（在彎曲工況的基礎(chǔ)上，使右后輪上移 300 mm，計(jì)算后輪抬高時(shí)的彎扭組合工況的應(yīng)力）。計(jì)算時(shí)，通過(guò)對(duì)重力加速度取 1.5 倍，來(lái)模擬彎曲工況動(dòng)載系數(shù) 1.5，將應(yīng)力結(jié)果與σs進(jìn)行比較。 扭轉(zhuǎn)工況是車(chē)輛運(yùn)行時(shí)最常見(jiàn)的工況（一般視為反映疲勞破壞），一般將最大應(yīng)力乘 1.5 倍動(dòng)載系數(shù)后與σ-1比較（對(duì)結(jié)構(gòu)鋼，有σ-1=0.43×σb）。對(duì)于常用車(chē)架材料（如16MnL），建議將其最大應(yīng)力應(yīng)控制在（280～320）MPa。

靜剛度評(píng)價(jià)按照兩種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)：車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)圖 （按照各類(lèi)汽車(chē)車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)圖進(jìn)行對(duì)比，看所得到的車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度是否接近圖中所示的剛度值。由公式： [2]得圖 1所示），車(chē)架扭轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)連續(xù)性（檢查車(chē)架扭轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)是否有急劇變化和不連續(xù)部分，如果沒(méi)有，則說(shuō)明前后軸距間的剛度是一致的）。

模態(tài)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)：對(duì)于車(chē)架的自由模態(tài)，車(chē)架低階頻率，即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值，應(yīng)高于懸掛下結(jié)構(gòu)的固有頻率，低于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象;車(chē)架彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡可能避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的頻率范圍;車(chē)架振型應(yīng)盡可能光滑，避免有突變;各支架應(yīng)盡量安排在車(chē)架振型的節(jié)點(diǎn)上。

5 結(jié)論

通過(guò)車(chē)架要求分析，設(shè)計(jì)車(chē)架基本參數(shù)，確定主要結(jié)構(gòu)。借助midasNFX等分析工具校核車(chē)架靜強(qiáng)度、靜剛度、開(kāi)展模態(tài)評(píng)價(jià)，合理調(diào)整布置進(jìn)一步完善車(chē)架設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] Q/SQ 104013-2014 車(chē)架連接板加工技術(shù)規(guī)范.

[2] 林秉華.最新汽車(chē)設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]黑龍江人民出版社第1版.