一种非公路基础车型车架设计

元博 范腾飞 程宁 薛凯波 吴豪 田虎 王园刚 米浩锋 赵强

摘 要：文章从车架要求分析，车架关键参数确定，车架主要结构设计和选择，车架设计验证几个方面阐述一种非公路基础车型车架设计经验，便于指导相应车架设计。

关键词：车架;CAE;非公路车型

中图分类号：U463.32  文献标识码：A  文章编号：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

因非公路宽体矿用自卸车行驶路况极为恶劣，而其车架承载着整车发动机、变速箱、悬架、驾驶室、燃油箱、货箱等主要零部件的重量和货物重量，因而车架的设计对于一款矿用自卸车使用寿命异常的关键。设计不好会出现纵梁开裂、横梁开裂、车架变形严重等现象，本文针对此类车架设计谈一些设计经验，方便设计人员参考使用。

1 车架要求分析

车架作为车辆布置的参考系，其上安装着发动机、变速箱、悬架、驾驶室、燃油箱、货箱等主要零部件，当然受到这些主要零部件安装条件的约束，需要综合考虑，多方协调，在安装孔径和安装孔位之间统一和平衡。车架设计需结合平台现有车架，尽可能地采用现有车架资源，或在现有车架资源基础上进行局部改进设计。在不影响整车总体设计要求的条件下，为了实现车架的通用性，必要时提出对参数进行调整。

2 车架关键参数确定

车架设计的关键参数有：车架长度，车架宽度，纵梁截面尺寸，横梁长度，横梁截面尺寸，横梁布置间距，纵梁孔允许最小间距，纵梁形位公差，横梁的形位公差，前板簧支架对角线公差，中后桥区域车架公差，悬架安装位置尺寸，车辆牵引装置布置，工艺孔形位尺寸，扎线孔形位尺寸，主要部件安装孔位精度。

车架的长度由总布置根据整车布置确定，也可以参考同类车型类比设计，主要满足布置要求和尺寸最小原则即可。车架宽度主要取决于悬架布置和转向过程中的空间尺寸要求同时也要兼顾车辆侧倾稳定性的考虑，一般采用最多的是类比设计方法确定。纵梁截面尺寸主要取决于车架设计承载能力和主要部件布置空间尺寸要求，主要贯彻简单和节省的设计原则，遇到特殊的布置环境时可以通过变截面来满足设计要求。横梁长度主要取决于车架宽度和纵梁结构形式及其连接方式，在考虑横梁长度时也要关注油、气管路和线束布置通道。横梁截面尺寸主要由横梁抗弯、抗扭需求和部件布置空间综合因素决定，同时在车架设计中要尽量控制横梁种类，这有利于成本控制和生产管理。横梁布置间距主要考虑部件布置空间要求和车架局部强度、刚度要求。一、二横梁布置要求间距满足散热器中冷器组件安装维修空间尺寸要求，一般的推荐值为435mm～535mm，为了避开风扇的空间需要，二横梁往往设计成圆管V形梁结构，必要时圆管局部允许压扁处理。二横梁与三横梁之间需要布置发动机、变速箱，故需要预留一定的安装空间，一般推荐值为2615mm～2715mm，在发动机变速箱布置允许的空间内尺寸越小越好，当然为了满足车架的通用性，尺寸可以适当加大。飞机梁布置在中后桥之间，距离飞机梁两侧1600mm～1700mm处应布置横梁，飞机梁一般为槽形结构，为了增加强度，通常由两个槽形梁（有的可以用四个槽形梁）铆接在一起使用，通过上下连接板与车架相连，其余横梁布置间距一般不超过1200mm不小于750mm。后横梁在车架的后部（也称为尾梁），通常为槽型结构。纵梁孔一般规定：φ12以下孔一般允许最小间距大于24mm，φ14-φ19孔一般允许最小间距大于50mm 距离折弯处尺寸大于45mm。在前轴后和后轴前区域内纵梁翼面上不允许有大于φ12的孔，孔离边沿的距离大于40mm。同功能孔系及关联孔组间孔距公差为±0.1，其余为±0.3，孔径公差+0.3-0.1。纵梁折弯角度公差±1?。车架后桥I 、II中心线前、后1m范围内宽度公差为±1.5，其它横梁连接处允许±3，前桥中心线前、后1m范围内宽度公差为±1.5，左右纵梁的平行度在全长范围内不大于5mm;车架在全长范围内对角线误差不大于5mm，同组钢板弹簧支架吊耳中心对角线误差不大于3mm。

3 车架主要结构设计和选择

车架主要结构设计和选择包括：纵梁结构设计，横梁结构设计，纵、横梁连接结构设计，中间支座结构设计，车辆牵引装置的结构设计等。

常用纵梁结构多为槽钢结构，一般腹、翼尺寸比控制在3.1～4.1之间，车架腹板尺寸越大，腹、翼尺寸比越小，反之越大。常用横梁结构的主要有槽钢、连接板铆接结构和管梁焊接结构。横梁主设计要关注重量、抗扭截面系数、抗弯截面系数，一般重量越小越好，方便转运和安装，抗扭截面系数一般大于3.5cm3，抗弯截面系数一般大于85cm3。飞机梁上下连接板长度尺寸范围为1300～2150mm，尾横梁上下连接板长度尺寸范围为400～450mm，其余横梁上下连接板长度尺寸范围500～1100mm，折弯角度公差±1?[1]。中间支座采用铸件结构通过螺栓、双头螺柱与车架和平衡轴连接，此处为关键受力部位，标准件必须考虑性能等级（一般10.9级以上）和结构防松设计（如防松垫片）。当后横梁需安装拖钩时，需增加一水平 K 形梁，以承受拖挂车带来的拉力。

4 车架设计验证

车架设计验证主要采用CAE分析软件（如：midas NFX）从车架静强度、静刚度和模态三个方面开展。

静强度分析包括：彎曲工况（将前后轮固定，油箱重量均布在油箱支架上，电瓶重量均布在电瓶箱支架上，货箱质量、设计装载质量均布在车架纵梁上，其他载荷以集中力形式加在作用位置，计算弯曲工况的应力），前轮悬空工况（弯曲工况的基础上，使右前轮下移 300mm，计算前轮悬空时的弯扭组合工况的应力。），后轮抬高工况（在弯曲工况的基础上，使右后轮上移 300 mm，计算后轮抬高时的弯扭组合工况的应力）。计算时，通过对重力加速度取 1.5 倍，来模拟弯曲工况动载系数 1.5，将应力结果与σs进行比较。 扭转工况是车辆运行时最常见的工况（一般视为反映疲劳破坏），一般将最大应力乘 1.5 倍动载系数后与σ-1比较（对结构钢，有σ-1=0.43×σb）。对于常用车架材料（如16MnL），建议将其最大应力应控制在（280～320）MPa。

静刚度评价按照两种标准评价：车架扭转刚度曲线图 （按照各类汽车车架扭转刚度曲线图进行对比，看所得到的车架扭转刚度是否接近图中所示的刚度值。由公式： [2]得图 1所示），车架扭转角曲线连续性（检查车架扭转角曲线是否有急剧变化和不连续部分，如果没有，则说明前后轴距间的刚度是一致的）。

模态计算结果评价：对于车架的自由模态，车架低阶频率，即一阶扭转和弯曲频率的值，应高于悬挂下结构的固有频率，低于发动机机怠速运转频率，以避免发生整体共振现象;车架弹性模态频率应尽可能避开发动机经常工作的频率范围;车架振型应尽可能光滑，避免有突变;各支架应尽量安排在车架振型的节点上。

5 结论

通过车架要求分析，设计车架基本参数，确定主要结构。借助midasNFX等分析工具校核车架静强度、静刚度、开展模态评价，合理调整布置进一步完善车架设计。

参考文献

[1] Q/SQ 104013-2014 车架连接板加工技术规范.

[2] 林秉华.最新汽车设计实用手册[M]黑龙江人民出版社第1版.