毕业设计车架文献综述

编程辅助车架纵梁设计文献综述

摘要：本文介绍了有限元法设计车架的大致过程，发现其中的不足，提出利用经典力学的方法为有限元分析建立模型，运用编程辅助车架纵梁设计对有限元设计法进行改善。并介绍了车架相关的知识和纵梁的受力状况。

关键词：编程、车架、纵梁、有限元法、经典力学。

Abstract:This article describes the design of the finite element method generally frame the process and found that the lack of classical mechanics using the method proposed for the finite element analysis to model the design using a program supporting frame rails on the finite element method to improve the design. And introduced the frame rails of the relevant knowledge and practicing hand condition. Key words: Programming, frame, rails, finite element method, classical mechanics 1引言

无论重型、中型、或轻型载货汽车，吉普车或大型客车，都有车架总成]1[，只有部分小面包车和小轿车，其车架是与底盘和车身连在一起的，没有独立的车架总成，但是前后地板总成或副车架总成，也起到车架总成的作用。所以，车架的设计在汽车的设计中是必不可少的。车架是汽车的基础，其结构尺寸也最大，汽车上的其他几大总成都是装于车架总成之上，所以车架总成既是一个承载构件，又是一个传力构件。发动机总成直接装于车架的前端或后端。发动机的扭矩通过离合器、变速箱和传动轴传给后桥或前桥，驱动汽车前进或后退，这种前进的动力和承载力都是通过前后钢板弹簧支架传递给车架总成的。驾驶室总成、转向机总车、车厢总成都是直接装于车架上大客车的车身及面包车、吉普车和部分小轿车的车身都是直接装于车架之上。所以车架承受了来自汽车各部分总成传递的力]2[和地面传递的力，受力比较复杂，车架的设计也就很复杂，车架设计的好坏直接关系到整车的性能和质量]3[，为了简化繁琐的设计计算过程，我们可以将计算机技术应用到车架的设计中，利用计算机快速计算的技术优势，减小设计工作量，缩短设计周期，使车架设计更加简便快捷，从而减小研发成本。

2车架设计的发展趋势

为适应不同用途汽车的总布置需要，车架结构形式区别很大，种类复杂多样。在整车布置允许的条件下，应尽量采用前、后等宽式车架，以保证车架的制造质量]4[。在车架设计时，为了提高整车的横向稳定性和减小前、后桥的弯曲力矩，一般希望加大车架的宽度。决定车架宽度的因素主要由整车外宽、轮胎及悬挂的空间、安装发动机所需要的空间、转向所需要的空间等，在布置时应综合考虑。如为了布置大马力发动机，某平台车型为整体式车架，车架前宽940mm，后宽860mm，变宽位于驾驶室后悬置之前，奔驰为分段式车架，车架后部为860mm等宽结构，其后端为传统的槽型梁，后端为Z型纵梁，两段铆接在一起，铆接区域从发动机后悬置附近开始，往前约400mm。

3车架纵梁产生的几种应力]5[

1)弯曲应力。设计时常假定纵梁在某些集中载荷作用下只产生弯曲，可按材料力学

的原理采用弯矩差法或力多边形法进行分析。

2)局部扭转应力。开口断面纵梁在偏心载荷的作用下往往出现较大的局部扭转，在

载荷作用处及其邻近的翘曲约束处往往双力矩较大，可用薄壁杆件理论加以分析。局部扭转的判断如下：在纵梁的某处，受到扭转载荷的作用，如载荷处于两横梁之间，则该段纵梁呈现扭转状态，并在节点处受到横梁的约束，同时载荷通过纵梁使相邻横梁呈现弯曲，如载荷作用处设由横梁，，则该横梁将直接承受弯曲载荷，而纵梁扭转变形一般则可忽略不计。

3)整体扭转应力。车架处于整体扭转时，开口断面梁一般在其翘曲约束较强处出现

较大的扇形应力。

车架受力状态极为复杂，汽车静止时，在悬架系统的支撑下，承受着汽车各部分零部件及载荷的重力，引起纵梁的弯曲和偏心扭转，如果汽车所处的路面不平，车架还将呈现整体扭转，汽车在行驶时，载荷和汽车各部件的自身重量及其工作载荷（如驱动力、制动力和转向力等）将使车架各部分承受着不同方向、不同程度和随即变化的动载荷。

4有限元法简单介绍

运用有限元法设计车架，先要建立一个车架模型，然后进行网格划分，载荷处理，边界条件的确定。有限元法可以根据不同的边界条件模拟不同的工况，可以对车架进行静力学分析，模态分析，瞬态动力分析、特征值分析等]6[。通过静力分析可以得到

结构应力、位移分布情况，通过这些分布情况可以判断结构在工作载荷作用下是否安全、可靠，结构的哪些部位会产生应力集中，哪些部位强度不够，以便对结构进行改进设计。通过特征值分析可以求得结构的固有频率以及相应的振型，根据固有频率和振型可以帮助设计人员分析、查找引起结构振动的原因，并进而通过改进结构，避免发生共振。通过瞬态动力分析可以计算汽车结构在动载荷作用下的应力、位移等物理量的响应情况。综合以上数据就可以得到车架最佳的设计方案。但是有限元法也存在一定的盲目性，因为有限元法也要进行大量的重复工作，而且在车架的初步方案设计阶段，由于较成熟的结构方案尚未形成，还无法采用有限元法做强度分析]7[，设计者必需依靠经典力学计算确定纵梁的结构尺寸。

5车架总成的技术要求]8[

汽车是质量要求很高的行走机械，作为汽车的基础总成，当然要为保证整车装配质量打下良好的基础，主要有一下几组数据和部位要求严格些：

(1)装发动机的四个悬置孔位有公差要求。用专用量具测量，用专用夹具矫正两个后

悬置孔的宽度尺寸。

(2)前后钢板弹簧的左右支架的销孔有同心度的要求。

(3)车架总成的上翼面的平度及车架的扭曲度，还有纵向侧弯有公差要求。

(4)纵梁与横梁的装配垂直度，整个车架总成的对角线长度及车架宽度尺寸有严格的

公差要求。

6纵梁质量问题的分析与控制

（1）纵梁的质量问题

对于纵梁成形的主要质量问题就是开裂和回弹。压弯时开裂可以通过提高材料质量，合理的选择圆角半径等措施是不难解决的。而回弹影响着装配的难易程度和装配质量，所以须加以控制。

1)纵向回弹]9[。“解放”车纵梁的回弹值：中部回弹值为10mm左右，前端向外装配

位置回弹12～17mm，超出了技术条件中纵向变形不大于2：1000的规定。二汽的EQ—240和EQ—140两种车型纵梁的纵向回弹为13～18mm，也超出了规定。英国

的GKN公司生产的同类车型规定了纵向回弹值，不超过总长度的0.15%，美国史密斯公司在汽车纵梁的技术条件中也规定回弹范围，在6m内向外弯mm

，或

5.9

向内弯3mm，这比我国的规定稍严些，这种纵向回弹一般在装配中靠夹具来克服。

2)横向回弹，横向回弹是指上下翼面相对腹面的垂直度，如果大于90°角，则为正

回弹，小于90°角为负回弹。横向正回弹使铆接间隙大，负回弹使横梁装配困难。

因此各厂家都对横向回弹规定了范围。

3)纵梁扭曲质量问题。扭曲问题也是影响装配质量问题之一，一般是由中间开始，

到两端扭曲角逐渐增大，解放车纵梁扭曲值一般在3.8～6.7mm之间，二汽的EQ —240车纵梁前端扭曲3mm，后端扭曲5mm。我国对纵梁的扭曲角度范围没有具体的规定，主要靠装配时来纠正。而国外有的规定了限制范围。

（2）产生回弹的原因

影响回弹的原因很多，主要是产品结构，压床气垫压力，模具结构及材料的机械性能等。

1)产品结构对回弹的影响。一般载重汽车都是箱不等截面的宽板压弯件。箱形断面

在成形中，其圆角部分的内层和外层的应力状态及大小是不等的，圆角部分内层金属是受三向压应力状态，外层金属在厚度方向受压应力，其余两向是受拉应力。

当压弯结束，弹性变形要恢复，在纵向应力的作用下，使外层金属有趋向于纵向收缩，而内层金属趋向于纵向伸长，因而就产生纵向的拱起回弹。当然在横向，同样道理会产生正回弹趋势。对于不等断面纵梁，由于毛坯展开料的长度大于压弯后翼面的长度，在压弯过程中，翼面上由多余金属存在，更加剧了梁的纵向回弹。由的车纵梁腹面还有折弯区，在成形中，折弯处的两个翼面上就产生波纹区，实际上也是翼面上材料多余而造成波纹区。这部分材料也没有达到完全塑性屈服，因此当外力去掉后，也产生纵向伸长趋势，也增加了纵向回弹。这就是不等断面和腹面有折弯的梁产生纵向回弹的主要原因。实践证明，梁的断面越明显，翻边越高，则纵向回弹越明显。

2)压床气垫压力对回弹的影响。当气垫压力大，则梁的纵向回弹增大，横向为正回

弹；当气垫压力小，则纵向回弹小，而横向为负回弹。

3)模具结构对回弹的影响。为了无纺织纵向回弹，解放车的纵梁成形凸模都有事先

做成预回弹角，中间高，两端低，呈圆弧形。这样虽然抵消一部分纵向回弹，但也有负作用，使横向产生负回弹，所以也可以不要纵向预回弹角。

4)材料机械性能和厚度公差对回弹的影响。回弹大小预材料的屈服强度呈正比，因

此选择材料时，不要求屈服强度高，屈强比要低些，则回弹就小。另外材料厚度偏薄，则回弹大，材料偏厚，则回弹小。对同样的材料，材料厚度的偏差对回弹的影响比材料屈服强度对回弹的影响要显著，所以对材料厚度的偏差应要求严格。

（3）解决措施

解决回弹的措施是：如凸模做成预回弹角，改变凸模底部与退料的形状，改进产品结构，控制材料性能与厚度公差，适当地调整压床气垫压力等。

纵梁设计中，应从工艺角度考虑的几个问题：

1)在技术条件要去上应区别对待，该严的要严格要求，不该严的部位应一般要求，

这样可降低制造成本。如纵梁的横向回弹，在由装配横梁和支架之处，要求严些，在非装配处，应一般要求。

2)纵梁上的孔径应尽量统一，纵梁设计时应尽量使各支架、横梁等紧固面的厚度相

同，铆钉孔径或螺钉孔径应尽量统一，可减少铆钉螺钉的品种，也便于模具备件的管理和维修。

3)关于纵梁加强板的设计]10[。为防止车架纵梁在使用中的断裂问题，往往设计者在

纵梁易断裂的地方增加一个或多个加强板。加强板与纵梁的连接有铆接，也有点焊固定的，有的二者兼有之。由的军用车或越野车，在纵梁受力较大的地方不但加上内加强板，而外侧再加上一层加强板，即是腹面和上下翼面，内侧和外侧都有加强板，加强板还要铆接横梁或是各种支架类零件，这样就是四层板铆接在一起，而四层板的铆钉孔很难对准同心，所以铆钉插不进去，装配困难，如果再钻一次孔或铰孔，则有的孔为长圆孔，铆接后铆钉充不满，使用中容易松动，造成质量问题。因此，最好加一层加强板。

7总结

通过对文献资料的寻找和整理，学习了很多车架设计方面的知识，对车架的设计流程有了初步的认识，对目前车架设计的现状有一个充分的认识。在车架设计的初始

阶段，采用经典力学的方法，通过对载荷的简化和假设，建立模型，在此基础上计算出车架纵梁的结构参数，但是计算过程相当繁琐，所以，在计算过程中我们可以利用C语言程序进行计算，极大地减小计算工作量，很好的辅助纵梁的设计，纵梁设计出来过后，就可以建立一个合理的车架模型，再利用有限元法进行处理，模拟其他更复杂的运算，最终确定车架的最佳方案，完成车架的设计。

参考文献：

[1]王新华主编，汽车冲压技术，北京：北京理工大学出版社，1999.1

[2]王若愚，商恩义，陈勇.汽车车架的安全性分析[J]，辽宁工学院学报，2005年8月第25卷第4期

[3]郭立群，王登峰.车架刚度对商用车乘坐舒适性的影响，吉林大学学报（工学版），2010年7月第40卷第4期

[4]沈贱民,徐彪.商用车车架标准化设计与实践，武汉：东风商用车技术中心，2009.7

[5]陈传颖,车架纵梁局部扭转分析,武汉：东风汽车公司.1999.10

[6]柴山，CAE技术在汽车产品设计制造中的应用，数字化制造与装备，2005年第6期

[7]马建,大客车车架纵梁强度程序化计算模型探讨,西安：西安公路交通大学,2009.2

[8]王新华主编，汽车冲压技术，北京：北京理工大学出版社，1999.1

[9]王绍源,某型轻货车架结构特性分析,南昌大学学报（工科版）,2009年12月第31卷第4期

[10]姜丽娟，三段式车架断裂原因分析及改进，客车技术与研究，2009年第6期