三輪汽車車架結(jié)構(gòu)強度可靠性分析

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研究與分析 機械研究與應用 三輪汽車車架結(jié)構(gòu)強度可靠性分析 付志杰 甘肅蘭駝集團有限責任公司 甘肅蘭州730050 摘要 三輪汽車產(chǎn)品的車架關(guān)鍵涉及到安全問題 車架強度可靠性設計是車輛設計的關(guān)鍵 在研究車架基本結(jié)構(gòu)及 可靠性的基礎上 建立有限元模型 由數(shù)據(jù)分析及驗證對比得出結(jié)論 對車架結(jié)構(gòu)的設計給出了合理建議 關(guān)鍵詞 可靠性分析 車架結(jié)構(gòu) 三輪汽車 中圖分類號 TH123 文獻標識碼 A 文章編號 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 車架是三輪汽車的基本架構(gòu) 是三輪汽車的各個 部分相互連接而組成的一個能夠完成汽車各項功能 的一個整體基礎 即將動力系統(tǒng) 發(fā)動機 操縱系 統(tǒng) 行駛系統(tǒng) 承載系統(tǒng) 信號系統(tǒng)都關(guān)聯(lián)在一起 最 終組成一臺完整的車輛 缺少車架則無法將各系統(tǒng)相 互聯(lián)接 在工作過程中要承受車輛自身重量和發(fā)動機 運轉(zhuǎn) 承載物體 道路不平等引發(fā)的各種動態(tài) 靜態(tài)的 千須萬變的載荷 起到了脊柱作用 在三輪汽車的設 計中保證車架的性能可靠性就成了保證整個三輪汽 車駕駛操作中的平穩(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 針對三輪汽車的車 架性能可靠性方面 筆者用結(jié)構(gòu)強度有限元法對某型 車車架的結(jié)構(gòu)性能進行分析 以便為三輪汽車產(chǎn)品的 結(jié)構(gòu)可靠性分析及產(chǎn)品的優(yōu)化設計打下基礎 2車架的基本結(jié)構(gòu) 現(xiàn)以我公司銷售量較大的7YP一1450D2型三輪 汽車產(chǎn)品為標本進行分析 該車型的車架設計結(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箱 和后橋及駕駛坐位 下層直梁主要是安裝發(fā)動機和傳 動系統(tǒng)及部分操縱系統(tǒng) 前部斜梁用于安裝固定車輛 轉(zhuǎn)向機構(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 設計車架要考慮材 料 結(jié)構(gòu) 運載物體方式 軸荷分配及操縱方式等 根 據(jù)設計與使用的要求 車架應具有足夠的強度 具有 足夠的剛度等可靠性要求 這樣才能達到產(chǎn)品使用要 求 但過度的強度與剛度要求又造成材料的浪費與 成本的增加 因此 車架要有足夠的強度及剛度 又要 合理的成本 這一矛盾必須合理解決 圖1車架結(jié)構(gòu)圖 3建立有限元模型 3 1結(jié)構(gòu)簡化與假設 該車架是一種比較復雜的空間薄壁梁結(jié)構(gòu) 使其 在有限元模型中真實地反映車架結(jié)構(gòu)是非常困難的 需要進行必要的簡化和假設 在確保能如實反映車 架結(jié)構(gòu)力學的前提下 做了如下的簡化和假設 忽 略了所有螺紋及工藝孔 因為其易引起網(wǎng)格畸變且對 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度處理 位置接 近的桿件結(jié)合點 采用適當合并方式處理意見 忽 略了一些焊在車架上的附屬零件 3 2網(wǎng)格劃分 車架的縱 橫 斜梁均屬于外形比較規(guī)則的矩形 管梁 可細分為薄板 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力狀況 計算精 收稿日期 201l l1 15 作者簡介 付志杰 1961一 男 甘肅張掖人 工程師 主要從事三輪汽車 摩托車產(chǎn)品的開發(fā)與研究工作 30 機械研究與應用 度也比較高 能滿足車架結(jié)構(gòu)分析的需要 且與實際 單元相比 具有模型規(guī)模小 計算效率高的特點 因此 采用板單元作為離散單元 結(jié)合車架結(jié)構(gòu)的特點 采用四節(jié)點單元作為主要 離散單元 在桿件連接處等應力集中部位進行網(wǎng)格細 化 離散化后的有限元模型包括542個單元和436 個節(jié)點 其模型如圖2所示 圖2車架有限元模型圖 3 3約束處理與有限元分析 車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 個相同的彈簧阻尼單元模擬 如圖3所示 由于正 常工作時車輪所受的激勵通過懸架和板簧傳遞到車 架上 故邊界約束點確定在板簧 懸架和車架連接處 將5個連接處的所有移動和轉(zhuǎn)動自由度全部約束掉 去除各種載荷 對車架進行有限元分析 J 這樣就消 除了車架的剛體位移 保證了機架總剛體矩陣的非奇 異和結(jié)構(gòu)變形的精確度 圖3車架5個自由度約圖束圖 3 4載荷添加 三輪汽車正常行駛過程中 存在3種工況 實車 靜止 實車牽引 實車制動 為便于與試驗數(shù)據(jù)比較 以驗證模型 選用實車靜止工況進行分析 將作用在機架上的外載荷簡化為等效載荷加在 機架的相應部位上 車廂的自重及載重以面力的形 式加在車架的上層縱梁上 駕駛室及駕駛員的重量也 分別以面力的形式加在車架下層的前端縱梁和橫梁 上 機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)動機及附屬部件的重量以集 中力的形式加在發(fā)動機的兩個支架梁上 添加的載 荷如下 發(fā)動機為HZS1115型的重量為145kg 駕駛員的重量為70kg 車廂重量為190kg 車架 重量為210kg 后橋重量為170kg 載重量重量為 1500kg 由于用戶經(jīng)常在超負荷下使用 所以按設計 承載載荷的3倍來計算載重量 其它負荷重量為 50 kg 以上載荷量合計為2335kg 將此外載載荷簡 研究與分析 化為等效載荷加在機架的相應部位上 4有限元分析及模型驗證 4 1靜態(tài)應力分析 用有限元軟件對上述模型進行靜態(tài)應力分析 分 析的結(jié)果表明 車架最大的應力點為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 見表1所示 表1有限元分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較 序號 測量位置點 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車架靜載彎曲 扭轉(zhuǎn)試驗 在車架有限元計算基礎上進行車架靜態(tài)應力測 試 以驗證有限元模型的正確性 彎曲應力是車架的基本應力 三輪汽車行駛在不 平道路上時 產(chǎn)生的這種應力是車架強度的主要問 題 根據(jù)被測點的應力狀態(tài)確定布片原則 最后選取 36個測點進行靜態(tài)測試 測試電路和應變片布片方 案如圖4所示 電里應變片卜叫 橋式電路接線盒 1動查皇墮墮變 H塑堡墨整堡 一 殛遁麴口 圖4車架測試電路系統(tǒng)及應變片貼片方案圖 實測數(shù)據(jù)表明 實測應力分布與有限元分析結(jié)果 基本吻合 應力值最大偏差不超過lO 有限元模型 可用 表1列出了車架部分位置的實測應力和有限元 分析對比結(jié)果 5結(jié)論 通過以上的對比結(jié)果分析 即可找出滿足車架可 靠性設計要求的注重關(guān)鍵點位置 因此在以后的設計 中要注重對以下關(guān)鍵點的強度設計 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 在滿足了這幾處的強度性能后 即可滿足整個車架的性能可靠性設計要求 下轉(zhuǎn)第36頁 31 砥窮與分析 機械研究與應用 邊緣的尖角沒有合理處理 導致應力集中 由圖8 圖9的xoy剖視圖可知 螺紋牙槽的第一扣 第二扣 第三扣承受較大應力分布 且應力有減小的趨勢 從 第四扣到第十一扣的接觸部位承受的應力較小 接觸 區(qū)域的應力基本符合實際中前三扣承受較大的應力 情況 由應變云圖所示 最大的鎖模力最大變形0 2913mm 出現(xiàn)在抱閘機構(gòu)載荷施加的邊緣區(qū)域 分析 結(jié)果基本符合實際情況 3 3 2抱閘分離圖 抱閘分離圖如圖10 ll所示 一 圖1O抱閘應力圖 圖l1抱閘應變圖 3 3 3拉桿分離圖 拉桿分離圖如圖12 13所示 圖12拉桿應力圖 圖13拉桿應變圖 由抱閘應力應變云圖l0 11所示 抱閘最大應力 出現(xiàn)在拉桿螺紋接觸的邊緣區(qū)域 局部應力高達 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 同時網(wǎng)格較粗和邊緣的尖角沒 有合理處理 導致應力集中 由拉桿的應力應變云圖 l2可知 實際工作狀況中由于作用在拉桿上載荷的 非均勻分配 導致完全的中心載荷在實際生產(chǎn)過程中 是不可能存在的 螺紋牙槽的第一扣 第二扣 第三 扣承受較大應力分布 主要是拉桿螺紋和并非單一拉 桿直徑容易導致截面變化處產(chǎn)生應力集中 從第四 扣到第十一扣的接觸部位承受的應力逐漸減小 接觸 區(qū)域的應力基本符合實際中前三扣承受較大的應力 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)果識別薄弱環(huán) 節(jié) 確定了危險截面區(qū)域 為拉桿螺紋的改進設計和 工程實踐提供理論依據(jù) 4結(jié)論 1 本文基于有限元數(shù)值分析 建立注塑機抱閘 機構(gòu)的有限元模型 并對抱閘機構(gòu)進行整體結(jié)構(gòu)分 析 獲得抱閘機構(gòu)和拉桿螺紋的應力 位移 變形分布 情況 識別薄弱環(huán)節(jié) 2 分析過程中 使用面一面接觸單元 考慮接 觸面間的摩擦力 保證了分析過程中數(shù)據(jù)的可靠性 3 通過對對抱閘機構(gòu)進行有限元接觸分析 得 到了在鎖模工況下抱閘機構(gòu)最大應力值 拉桿和抱 閘的最大應力值均小于屈服應力值 螺栓連接合理 安全 而且利用計算機仿真的方法 可以在設計初期 及時地發(fā)現(xiàn)問題 減少重復設計的次數(shù) 節(jié)約開發(fā)成 本 因此有限元分析對新產(chǎn)品開發(fā)具有重要的理論意 義和實用價值 參考文獻 1 丁東升 計算機輔助注塑機設計關(guān)鍵技術(shù)研究 D 南京 東南 大學 2Oo6 2 Aries Li Hyperwo s中的ANSYS模板的應用 Altair Engineering Innovation Intelligence 3 王富恥 ANSYS10 0有限元分析理論與工程應用 M 北京 電 子工業(yè)出版社 2006 4 謝永和 羅琳撒 注塑機拉桿螺紋的應力集中問題設計研究 J 塑料工業(yè) 2001 29 4 24 25 5 龔雅萍 材料力學測試與有限元分析技術(shù)在注塑機拉桿結(jié)構(gòu)分 析中的應用 J 設計與制造 2005 2 15 16 6 王勖成 有限單元法 M 北京 清華大學出版社 2003 7 趙延召 高精密注塑機合模機構(gòu)的有限元分析與拓撲優(yōu)化 D 南昌 華東交通大學 2011 上接第31頁 解決以上幾處滿足強度可靠性的設計要求 在不 改變原基本結(jié)構(gòu)設計的前提下 可通過以下兩種方法 來滿足車架的強度可靠性的設計要求 加大設計強 度系數(shù)來滿足此處的強度及剛度的要求 但此方法可 造成其它處的結(jié)構(gòu)強度嚴重過剩 且可能因加大結(jié)構(gòu) 尺寸而使得整個車架結(jié)構(gòu)空間發(fā)生變化 要重新布局 設計而改變了原設計結(jié)構(gòu) 同時也加大了材料成本的 增加 而使得車輛的質(zhì)量結(jié)構(gòu)比要求無法達到技術(shù)標 準要求 增加了工作量 在這些點通過微小的改進 設計 即設計增加一些不同的三角加強脅來提高此處 36 的剛性來滿足此處的強度要求 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用較低 最關(guān)鍵的是能達到滿足車架結(jié)構(gòu)強度的要求同時又 能達到車輛質(zhì)量結(jié)構(gòu)比的技術(shù)要求 使總的工作量增 加不多 這使車輛總成本能滿足市場要求 為滿足車 架結(jié)構(gòu)設計的首選方法 參考文獻 I 孫文星 姜巖 基于有限元法的三輪摩托車車架承載極限的 適應性分析 J 拖拉機與農(nóng)用運輸車 2007 34 2 35 37 2 魏英俊 李 晟 摩托車車架振動模態(tài)測試與有限元法計算 J 中南林學院學報 2003 23 4 78 81 i l懿