三輪汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性分析

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研究與分析 機(jī)械研究與應(yīng)用 三輪汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性分析 付志杰 甘肅蘭駝集團(tuán)有限責(zé)任公司 甘肅蘭州730050 摘要 三輪汽車(chē)產(chǎn)品的車(chē)架關(guān)鍵涉及到安全問(wèn)題 車(chē)架強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)是車(chē)輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 在研究車(chē)架基本結(jié)構(gòu)及 可靠性的基礎(chǔ)上 建立有限元模型 由數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證對(duì)比得出結(jié)論 對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)給出了合理建議 關(guān)鍵詞 可靠性分析 車(chē)架結(jié)構(gòu) 三輪汽車(chē) 中圖分類(lèi)號(hào) TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007 4414 2012 01 0030 02 Reliable analysis of properties of three wheeled vehicle frame Fu Zhi jie Gansu Lantuo Group Co Ltd Lanzhou 瑚 730050 China Abstract The frame design of three wheeled vehicles is a key about the safe issue its strength reliability design is the main part in the whole design Based on the research of the structure and its reliability for three wheeled vehicles the finite ele merit mode is eatabhshed according to the data analysis and the test data comparation the conclusion is put forward which can give the reasonable references to the design Key words reliability analysis frame structure three wheeled vehicles 1前言 車(chē)架是三輪汽車(chē)的基本架構(gòu) 是三輪汽車(chē)的各個(gè) 部分相互連接而組成的一個(gè)能夠完成汽車(chē)各項(xiàng)功能 的一個(gè)整體基礎(chǔ) 即將動(dòng)力系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī) 操縱系 統(tǒng) 行駛系統(tǒng) 承載系統(tǒng) 信號(hào)系統(tǒng)都關(guān)聯(lián)在一起 最 終組成一臺(tái)完整的車(chē)輛 缺少車(chē)架則無(wú)法將各系統(tǒng)相 互聯(lián)接 在工作過(guò)程中要承受車(chē)輛自身重量和發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn) 承載物體 道路不平等引發(fā)的各種動(dòng)態(tài) 靜態(tài)的 千須萬(wàn)變的載荷 起到了脊柱作用 在三輪汽車(chē)的設(shè) 計(jì)中保證車(chē)架的性能可靠性就成了保證整個(gè)三輪汽 車(chē)駕駛操作中的平穩(wěn)性 駕駛操作的安全性 承載物 體的安全性及舒適性的基本要求 針對(duì)三輪汽車(chē)的車(chē) 架性能可靠性方面 筆者用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元法對(duì)某型 車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析 以便為三輪汽車(chē)產(chǎn)品的 結(jié)構(gòu)可靠性分析及產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ) 2車(chē)架的基本結(jié)構(gòu) 現(xiàn)以我公司銷(xiāo)售量較大的7YP一1450D2型三輪 汽車(chē)產(chǎn)品為標(biāo)本進(jìn)行分析 該車(chē)型的車(chē)架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 為邊雙層直梁結(jié)構(gòu)式 上層直梁主要是用于固定車(chē)箱 和后橋及駕駛坐位 下層直梁主要是安裝發(fā)動(dòng)機(jī)和傳 動(dòng)系統(tǒng)及部分操縱系統(tǒng) 前部斜梁用于安裝固定車(chē)輛 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 上下直梁及斜梁都用矩形管和鋼板焊接 而成的不可拆卸分割的一個(gè)整體 均一次在焊接胎具 上組焊而成 結(jié)構(gòu)如圖1所示 設(shè)計(jì)車(chē)架要考慮材 料 結(jié)構(gòu) 運(yùn)載物體方式 軸荷分配及操縱方式等 根 據(jù)設(shè)計(jì)與使用的要求 車(chē)架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度 具有 足夠的剛度等可靠性要求 這樣才能達(dá)到產(chǎn)品使用要 求 但過(guò)度的強(qiáng)度與剛度要求又造成材料的浪費(fèi)與 成本的增加 因此 車(chē)架要有足夠的強(qiáng)度及剛度 又要 合理的成本 這一矛盾必須合理解決 圖1車(chē)架結(jié)構(gòu)圖 3建立有限元模型 3 1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與假設(shè) 該車(chē)架是一種比較復(fù)雜的空間薄壁梁結(jié)構(gòu) 使其 在有限元模型中真實(shí)地反映車(chē)架結(jié)構(gòu)是非常困難的 需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和假設(shè) 在確保能如實(shí)反映車(chē) 架結(jié)構(gòu)力學(xué)的前提下 做了如下的簡(jiǎn)化和假設(shè) 忽 略了所有螺紋及工藝孔 因?yàn)槠湟滓鹁W(wǎng)格畸變且對(duì) 結(jié)村I生能影響很小 以直角代替鑄造圓角 以減小 模型規(guī)模 焊接處采用與梁等強(qiáng)度處理 位置接 近的桿件結(jié)合點(diǎn) 采用適當(dāng)合并方式處理意見(jiàn) 忽 略了一些焊在車(chē)架上的附屬零件 3 2網(wǎng)格劃分 車(chē)架的縱 橫 斜梁均屬于外形比較規(guī)則的矩形 管梁 可細(xì)分為薄板 板的單元能較好的模擬各薄壁 梁的彎曲 扭轉(zhuǎn)變形以及接頭處的應(yīng)力狀況 計(jì)算精 收稿日期 201l l1 15 作者簡(jiǎn)介 付志杰 1961一 男 甘肅張掖人 工程師 主要從事三輪汽車(chē) 摩托車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研究工作 30 機(jī)械研究與應(yīng)用 度也比較高 能滿(mǎn)足車(chē)架結(jié)構(gòu)分析的需要 且與實(shí)際 單元相比 具有模型規(guī)模小 計(jì)算效率高的特點(diǎn) 因此 采用板單元作為離散單元 結(jié)合車(chē)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 采用四節(jié)點(diǎn)單元作為主要 離散單元 在桿件連接處等應(yīng)力集中部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì) 化 離散化后的有限元模型包括542個(gè)單元和436 個(gè)節(jié)點(diǎn) 其模型如圖2所示 圖2車(chē)架有限元模型圖 3 3約束處理與有限元分析 車(chē)架前部與前輪間為前懸架支撐 用一阻尼單元 模擬 后部與后橋間為兩組鋼板彈簧支撐 分別用兩 個(gè)相同的彈簧阻尼單元模擬 如圖3所示 由于正 常工作時(shí)車(chē)輪所受的激勵(lì)通過(guò)懸架和板簧傳遞到車(chē) 架上 故邊界約束點(diǎn)確定在板簧 懸架和車(chē)架連接處 將5個(gè)連接處的所有移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全部約束掉 去除各種載荷 對(duì)車(chē)架進(jìn)行有限元分析 J 這樣就消 除了車(chē)架的剛體位移 保證了機(jī)架總剛體矩陣的非奇 異和結(jié)構(gòu)變形的精確度 圖3車(chē)架5個(gè)自由度約圖束圖 3 4載荷添加 三輪汽車(chē)正常行駛過(guò)程中 存在3種工況 實(shí)車(chē) 靜止 實(shí)車(chē)牽引 實(shí)車(chē)制動(dòng) 為便于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較 以驗(yàn)證模型 選用實(shí)車(chē)靜止工況進(jìn)行分析 將作用在機(jī)架上的外載荷簡(jiǎn)化為等效載荷加在 機(jī)架的相應(yīng)部位上 車(chē)廂的自重及載重以面力的形 式加在車(chē)架的上層縱梁上 駕駛室及駕駛員的重量也 分別以面力的形式加在車(chē)架下層的前端縱梁和橫梁 上 機(jī)架自生的重量由系統(tǒng)根據(jù)材料的密度以慣性載 荷形式加載到結(jié)構(gòu)上 發(fā)動(dòng)機(jī)及附屬部件的重量以集 中力的形式加在發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)支架梁上 添加的載 荷如下 發(fā)動(dòng)機(jī)為HZS1115型的重量為145kg 駕駛員的重量為70kg 車(chē)廂重量為190kg 車(chē)架 重量為210kg 后橋重量為170kg 載重量重量為 1500kg 由于用戶(hù)經(jīng)常在超負(fù)荷下使用 所以按設(shè)計(jì) 承載載荷的3倍來(lái)計(jì)算載重量 其它負(fù)荷重量為 50 kg 以上載荷量合計(jì)為2335kg 將此外載載荷簡(jiǎn) 研究與分析 化為等效載荷加在機(jī)架的相應(yīng)部位上 4有限元分析及模型驗(yàn)證 4 1靜態(tài)應(yīng)力分析 用有限元軟件對(duì)上述模型進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析 分 析的結(jié)果表明 車(chē)架最大的應(yīng)力點(diǎn)為26 1MPa 出現(xiàn) 在右上縱梁與第二豎梁連接處 其次為右下層縱梁與 前豎梁的連接部位的后部處 為18 5MPa 再次為前 斜梁與下前橫梁連接處18 3MPa 其他部位的均在 11MPa左右 上前橫梁與上后橫梁均在3MPa以下 見(jiàn)表1所示 表1有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較 序號(hào) 測(cè)量位置點(diǎn) 第一橫梁與縱梁連接處 l0 1 9 6 4 9 第二豎梁與縱梁連接處 26 5 26 1 1 5 第三橫梁與縱梁連接處 l1 8 12 3 4 2 下層縱梁與前豎梁連接處 19 2 18 5 3 7 4 2車(chē)架靜載彎曲 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 在車(chē)架有限元計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行車(chē)架靜態(tài)應(yīng)力測(cè) 試 以驗(yàn)證有限元模型的正確性 彎曲應(yīng)力是車(chē)架的基本應(yīng)力 三輪汽車(chē)行駛在不 平道路上時(shí) 產(chǎn)生的這種應(yīng)力是車(chē)架強(qiáng)度的主要問(wèn) 題 根據(jù)被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)確定布片原則 最后選取 36個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試 測(cè)試電路和應(yīng)變片布片方 案如圖4所示 電里應(yīng)變片卜叫 橋式電路接線盒 1動(dòng)查皇墮墮變 H塑堡墨整堡 一 殛遁麴口 圖4車(chē)架測(cè)試電路系統(tǒng)及應(yīng)變片貼片方案圖 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明 實(shí)測(cè)應(yīng)力分布與有限元分析結(jié)果 基本吻合 應(yīng)力值最大偏差不超過(guò)lO 有限元模型 可用 表1列出了車(chē)架部分位置的實(shí)測(cè)應(yīng)力和有限元 分析對(duì)比結(jié)果 5結(jié)論 通過(guò)以上的對(duì)比結(jié)果分析 即可找出滿(mǎn)足車(chē)架可 靠性設(shè)計(jì)要求的注重關(guān)鍵點(diǎn)位置 因此在以后的設(shè)計(jì) 中要注重對(duì)以下關(guān)鍵點(diǎn)的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 第二豎梁與上 縱梁連接處 下層縱梁與前豎梁連接處 前斜梁 與下前橫梁連接處等 在滿(mǎn)足了這幾處的強(qiáng)度性能后 即可滿(mǎn)足整個(gè)車(chē)架的性能可靠性設(shè)計(jì)要求 下轉(zhuǎn)第36頁(yè) 31 砥窮與分析 機(jī)械研究與應(yīng)用 邊緣的尖角沒(méi)有合理處理 導(dǎo)致應(yīng)力集中 由圖8 圖9的xoy剖視圖可知 螺紋牙槽的第一扣 第二扣 第三扣承受較大應(yīng)力分布 且應(yīng)力有減小的趨勢(shì) 從 第四扣到第十一扣的接觸部位承受的應(yīng)力較小 接觸 區(qū)域的應(yīng)力基本符合實(shí)際中前三扣承受較大的應(yīng)力 情況 由應(yīng)變?cè)茍D所示 最大的鎖模力最大變形0 2913mm 出現(xiàn)在抱閘機(jī)構(gòu)載荷施加的邊緣區(qū)域 分析 結(jié)果基本符合實(shí)際情況 3 3 2抱閘分離圖 抱閘分離圖如圖10 ll所示 一 圖1O抱閘應(yīng)力圖 圖l1抱閘應(yīng)變圖 3 3 3拉桿分離圖 拉桿分離圖如圖12 13所示 圖12拉桿應(yīng)力圖 圖13拉桿應(yīng)變圖 由抱閘應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍Dl0 11所示 抱閘最大應(yīng)力 出現(xiàn)在拉桿螺紋接觸的邊緣區(qū)域 局部應(yīng)力高達(dá) 166MPa 主要原因是由于抱閘和拉桿接觸第一牙型 承受較大的軸向拉力 同時(shí)網(wǎng)格較粗和邊緣的尖角沒(méi) 有合理處理 導(dǎo)致應(yīng)力集中 由拉桿的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D l2可知 實(shí)際工作狀況中由于作用在拉桿上載荷的 非均勻分配 導(dǎo)致完全的中心載荷在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 是不可能存在的 螺紋牙槽的第一扣 第二扣 第三 扣承受較大應(yīng)力分布 主要是拉桿螺紋和并非單一拉 桿直徑容易導(dǎo)致截面變化處產(chǎn)生應(yīng)力集中 從第四 扣到第十一扣的接觸部位承受的應(yīng)力逐漸減小 接觸 區(qū)域的應(yīng)力基本符合實(shí)際中前三扣承受較大的應(yīng)力 情況 在7500kN鎖模力最大變形0 2913mm 出現(xiàn) 在抱閘載荷施加的邊緣區(qū)域 分析結(jié)果識(shí)別薄弱環(huán) 節(jié) 確定了危險(xiǎn)截面區(qū)域 為拉桿螺紋的改進(jìn)設(shè)計(jì)和 工程實(shí)踐提供理論依據(jù) 4結(jié)論 1 本文基于有限元數(shù)值分析 建立注塑機(jī)抱閘 機(jī)構(gòu)的有限元模型 并對(duì)抱閘機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分 析 獲得抱閘機(jī)構(gòu)和拉桿螺紋的應(yīng)力 位移 變形分布 情況 識(shí)別薄弱環(huán)節(jié) 2 分析過(guò)程中 使用面一面接觸單元 考慮接 觸面間的摩擦力 保證了分析過(guò)程中數(shù)據(jù)的可靠性 3 通過(guò)對(duì)對(duì)抱閘機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元接觸分析 得 到了在鎖模工況下抱閘機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力值 拉桿和抱 閘的最大應(yīng)力值均小于屈服應(yīng)力值 螺栓連接合理 安全 而且利用計(jì)算機(jī)仿真的方法 可以在設(shè)計(jì)初期 及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 減少重復(fù)設(shè)計(jì)的次數(shù) 節(jié)約開(kāi)發(fā)成 本 因此有限元分析對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有重要的理論意 義和實(shí)用價(jià)值 參考文獻(xiàn) 1 丁東升 計(jì)算機(jī)輔助注塑機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究 D 南京 東南 大學(xué) 2Oo6 2 Aries Li Hyperwo s中的ANSYS模板的應(yīng)用 Altair Engineering Innovation Intelligence 3 王富恥 ANSYS10 0有限元分析理論與工程應(yīng)用 M 北京 電 子工業(yè)出版社 2006 4 謝永和 羅琳撒 注塑機(jī)拉桿螺紋的應(yīng)力集中問(wèn)題設(shè)計(jì)研究 J 塑料工業(yè) 2001 29 4 24 25 5 龔雅萍 材料力學(xué)測(cè)試與有限元分析技術(shù)在注塑機(jī)拉桿結(jié)構(gòu)分 析中的應(yīng)用 J 設(shè)計(jì)與制造 2005 2 15 16 6 王勖成 有限單元法 M 北京 清華大學(xué)出版社 2003 7 趙延召 高精密注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化 D 南昌 華東交通大學(xué) 2011 上接第31頁(yè) 解決以上幾處滿(mǎn)足強(qiáng)度可靠性的設(shè)計(jì)要求 在不 改變?cè)窘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下 可通過(guò)以下兩種方法 來(lái)滿(mǎn)足車(chē)架的強(qiáng)度可靠性的設(shè)計(jì)要求 加大設(shè)計(jì)強(qiáng) 度系數(shù)來(lái)滿(mǎn)足此處的強(qiáng)度及剛度的要求 但此方法可 造成其它處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度嚴(yán)重過(guò)剩 且可能因加大結(jié)構(gòu) 尺寸而使得整個(gè)車(chē)架結(jié)構(gòu)空間發(fā)生變化 要重新布局 設(shè)計(jì)而改變了原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 同時(shí)也加大了材料成本的 增加 而使得車(chē)輛的質(zhì)量結(jié)構(gòu)比要求無(wú)法達(dá)到技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn)要求 增加了工作量 在這些點(diǎn)通過(guò)微小的改進(jìn) 設(shè)計(jì) 即設(shè)計(jì)增加一些不同的三角加強(qiáng)脅來(lái)提高此處 36 的剛性來(lái)滿(mǎn)足此處的強(qiáng)度要求 此方法雖增加了制造 成本 但相比之下 第二種方法增加的成本費(fèi)用較低 最關(guān)鍵的是能達(dá)到滿(mǎn)足車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求同時(shí)又 能達(dá)到車(chē)輛質(zhì)量結(jié)構(gòu)比的技術(shù)要求 使總的工作量增 加不多 這使車(chē)輛總成本能滿(mǎn)足市場(chǎng)要求 為滿(mǎn)足車(chē) 架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選方法 參考文獻(xiàn) I 孫文星 姜巖 基于有限元法的三輪摩托車(chē)車(chē)架承載極限的 適應(yīng)性分析 J 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē) 2007 34 2 35 37 2 魏英俊 李 晟 摩托車(chē)車(chē)架振動(dòng)模態(tài)測(cè)試與有限元法計(jì)算 J 中南林學(xué)院學(xué)報(bào) 2003 23 4 78 81 i l懿