三轮汽车车架结构强度可靠性分析

研究与分析 机械研究与应用 三轮汽车车架结构强度可靠性分析 付志杰 甘肃兰驼集团有限责任公司 甘肃兰州730050 摘要 三轮汽车产品的车架关键涉及到安全问题 车架强度可靠性设计是车辆设计的关键 在研究车架基本结构及 可靠性的基础上 建立有限元模型 由数据分析及验证对比得出结论 对车架结构的设计给出了合理建议 关键词 可靠性分析 车架结构 三轮汽车 中图分类号 TH123 文献标识码 A 文章编号 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 车架是三轮汽车的基本架构 是三轮汽车的各个 部分相互连接而组成的一个能够完成汽车各项功能 的一个整体基础 即将动力系统 发动机 操纵系 统 行驶系统 承载系统 信号系统都关联在一起 最 终组成一台完整的车辆 缺少车架则无法将各系统相 互联接 在工作过程中要承受车辆自身重量和发动机 运转 承载物体 道路不平等引发的各种动态 静态的 千须万变的载荷 起到了脊柱作用 在三轮汽车的设 计中保证车架的性能可靠性就成了保证整个三轮汽 车驾驶操作中的平稳性 驾驶操作的安全性 承载物 体的安全性及舒适性的基本要求 针对三轮汽车的车 架性能可靠性方面 笔者用结构强度有限元法对某型 车车架的结构性能进行分析 以便为三轮汽车产品的 结构可靠性分析及产品的优化设计打下基础 2车架的基本结构 现以我公司销售量较大的7YP一1450D2型三轮 汽车产品为标本进行分析 该车型的车架设计结构图 为边双层直梁结构式 上层直梁主要是用于固定车箱 和后桥及驾驶坐位 下层直梁主要是安装发动机和传 动系统及部分操纵系统 前部斜梁用于安装固定车辆 转向机构 上下直梁及斜梁都用矩形管和钢板焊接 而成的不可拆卸分割的一个整体 均一次在焊接胎具 上组焊而成 结构如图1所示 设计车架要考虑材 料 结构 运载物体方式 轴荷分配及操纵方式等 根 据设计与使用的要求 车架应具有足够的强度 具有 足够的刚度等可靠性要求 这样才能达到产品使用要 求 但过度的强度与刚度要求又造成材料的浪费与 成本的增加 因此 车架要有足够的强度及刚度 又要 合理的成本 这一矛盾必须合理解决 图1车架结构图 3建立有限元模型 3 1结构简化与假设 该车架是一种比较复杂的空间薄壁梁结构 使其 在有限元模型中真实地反映车架结构是非常困难的 需要进行必要的简化和假设 在确保能如实反映车 架结构力学的前提下 做了如下的简化和假设 忽 略了所有螺纹及工艺孔 因为其易引起网格畸变且对 结村I生能影响很小 以直角代替铸造圆角 以减小 模型规模 焊接处采用与梁等强度处理 位置接 近的杆件结合点 采用适当合并方式处理意见 忽 略了一些焊在车架上的附属零件 3 2网格划分 车架的纵 横 斜梁均属于外形比较规则的矩形 管梁 可细分为薄板 板的单元能较好的模拟各薄壁 梁的弯曲 扭转变形以及接头处的应力状况 计算精 收稿日期 201l l1 15 作者简介 付志杰 1961一 男 甘肃张掖人 工程师 主要从事三轮汽车 摩托车产品的开发与研究工作 30 机械研究与应用 度也比较高 能满足车架结构分析的需要 且与实际 单元相比 具有模型规模小 计算效率高的特点 因此 采用板单元作为离散单元 结合车架结构的特点 采用四节点单元作为主要 离散单元 在杆件连接处等应力集中部位进行网格细 化 离散化后的有限元模型包括542个单元和436 个节点 其模型如图2所示 图2车架有限元模型图 3 3约束处理与有限元分析 车架前部与前轮间为前悬架支撑 用一阻尼单元 模拟 后部与后桥间为两组钢板弹簧支撑 分别用两 个相同的弹簧阻尼单元模拟 如图3所示 由于正 常工作时车轮所受的激励通过悬架和板簧传递到车 架上 故边界约束点确定在板簧 悬架和车架连接处 将5个连接处的所有移动和转动自由度全部约束掉 去除各种载荷 对车架进行有限元分析 J 这样就消 除了车架的刚体位移 保证了机架总刚体矩阵的非奇 异和结构变形的精确度 图3车架5个自由度约图束图 3 4载荷添加 三轮汽车正常行驶过程中 存在3种工况 实车 静止 实车牵引 实车制动 为便于与试验数据比较 以验证模型 选用实车静止工况进行分析 将作用在机架上的外载荷简化为等效载荷加在 机架的相应部位上 车厢的自重及载重以面力的形 式加在车架的上层纵梁上 驾驶室及驾驶员的重量也 分别以面力的形式加在车架下层的前端纵梁和横梁 上 机架自生的重量由系统根据材料的密度以惯性载 荷形式加载到结构上 发动机及附属部件的重量以集 中力的形式加在发动机的两个支架梁上 添加的载 荷如下 发动机为HZS1115型的重量为145kg 驾驶员的重量为70kg 车厢重量为190kg 车架 重量为210kg 后桥重量为170kg 载重量重量为 1500kg 由于用户经常在超负荷下使用 所以按设计 承载载荷的3倍来计算载重量 其它负荷重量为 50 kg 以上载荷量合计为2335kg 将此外载载荷简 研究与分析 化为等效载荷加在机架的相应部位上 4有限元分析及模型验证 4 1静态应力分析 用有限元软件对上述模型进行静态应力分析 分 析的结果表明 车架最大的应力点为26 1MPa 出现 在右上纵梁与第二竖梁连接处 其次为右下层纵梁与 前竖梁的连接部位的后部处 为18 5MPa 再次为前 斜梁与下前横梁连接处18 3MPa 其他部位的均在 11MPa左右 上前横梁与上后横梁均在3MPa以下 见表1所示 表1有限元分析结果与实测数据比较 序号 测量位置点 第一横梁与纵梁连接处 l0 1 9 6 4 9 第二竖梁与纵梁连接处 26 5 26 1 1 5 第三横梁与纵梁连接处 l1 8 12 3 4 2 下层纵梁与前竖梁连接处 19 2 18 5 3 7 4 2车架静载弯曲 扭转试验 在车架有限元计算基础上进行车架静态应力测 试 以验证有限元模型的正确性 弯曲应力是车架的基本应力 三轮汽车行驶在不 平道路上时 产生的这种应力是车架强度的主要问 题 根据被测点的应力状态确定布片原则 最后选取 36个测点进行静态测试 测试电路和应变片布片方 案如图4所示 电里应变片卜叫 桥式电路接线盒 1动查皇堕堕变 H塑堡墨整堡 一 殛遁麴口 图4车架测试电路系统及应变片贴片方案图 实测数据表明 实测应力分布与有限元分析结果 基本吻合 应力值最大偏差不超过lO 有限元模型 可用 表1列出了车架部分位置的实测应力和有限元 分析对比结果 5结论 通过以上的对比结果分析 即可找出满足车架可 靠性设计要求的注重关键点位置 因此在以后的设计 中要注重对以下关键点的强度设计 第二竖梁与上 纵梁连接处 下层纵梁与前竖梁连接处 前斜梁 与下前横梁连接处等 在满足了这几处的强度性能后 即可满足整个车架的性能可靠性设计要求 下转第36页 31 砥穷与分析 机械研究与应用 边缘的尖角没有合理处理 导致应力集中 由图8 图9的xoy剖视图可知 螺纹牙槽的第一扣 第二扣 第三扣承受较大应力分布 且应力有减小的趋势 从 第四扣到第十一扣的接触部位承受的应力较小 接触 区域的应力基本符合实际中前三扣承受较大的应力 情况 由应变云图所示 最大的锁模力最大变形0 2913mm 出现在抱闸机构载荷施加的边缘区域 分析 结果基本符合实际情况 3 3 2抱闸分离图 抱闸分离图如图10 ll所示 一 图1O抱闸应力图 图l1抱闸应变图 3 3 3拉杆分离图 拉杆分离图如图12 13所示 图12拉杆应力图 图13拉杆应变图 由抱闸应力应变云图l0 11所示 抱闸最大应力 出现在拉杆螺纹接触的边缘区域 局部应力高达 166MPa 主要原因是由于抱闸和拉杆接触第一牙型 承受较大的轴向拉力 同时网格较粗和边缘的尖角没 有合理处理 导致应力集中 由拉杆的应力应变云图 l2可知 实际工作状况中由于作用在拉杆上载荷的 非均匀分配 导致完全的中心载荷在实际生产过程中 是不可能存在的 螺纹牙槽的第一扣 第二扣 第三 扣承受较大应力分布 主要是拉杆螺纹和并非单一拉 杆直径容易导致截面变化处产生应力集中 从第四 扣到第十一扣的接触部位承受的应力逐渐减小 接触 区域的应力基本符合实际中前三扣承受较大的应力 情况 在7500kN锁模力最大变形0 2913mm 出现 在抱闸载荷施加的边缘区域 分析结果识别薄弱环 节 确定了危险截面区域 为拉杆螺纹的改进设计和 工程实践提供理论依据 4结论 1 本文基于有限元数值分析 建立注塑机抱闸 机构的有限元模型 并对抱闸机构进行整体结构分 析 获得抱闸机构和拉杆螺纹的应力 位移 变形分布 情况 识别薄弱环节 2 分析过程中 使用面一面接触单元 考虑接 触面间的摩擦力 保证了分析过程中数据的可靠性 3 通过对对抱闸机构进行有限元接触分析 得 到了在锁模工况下抱闸机构最大应力值 拉杆和抱 闸的最大应力值均小于屈服应力值 螺栓连接合理 安全 而且利用计算机仿真的方法 可以在设计初期 及时地发现问题 减少重复设计的次数 节约开发成 本 因此有限元分析对新产品开发具有重要的理论意 义和实用价值 参考文献 1 丁东升 计算机辅助注塑机设计关键技术研究 D 南京 东南 大学 2Oo6 2 Aries Li Hyperwo s中的ANSYS模板的应用 Altair Engineering Innovation Intelligence 3 王富耻 ANSYS10 0有限元分析理论与工程应用 M 北京 电 子工业出版社 2006 4 谢永和 罗琳撒 注塑机拉杆螺纹的应力集中问题设计研究 J 塑料工业 2001 29 4 24 25 5 龚雅萍 材料力学测试与有限元分析技术在注塑机拉杆结构分 析中的应用 J 设计与制造 2005 2 15 16 6 王勖成 有限单元法 M 北京 清华大学出版社 2003 7 赵延召 高精密注塑机合模机构的有限元分析与拓扑优化 D 南昌 华东交通大学 2011 上接第31页 解决以上几处满足强度可靠性的设计要求 在不 改变原基本结构设计的前提下 可通过以下两种方法 来满足车架的强度可靠性的设计要求 加大设计强 度系数来满足此处的强度及刚度的要求 但此方法可 造成其它处的结构强度严重过剩 且可能因加大结构 尺寸而使得整个车架结构空间发生变化 要重新布局 设计而改变了原设计结构 同时也加大了材料成本的 增加 而使得车辆的质量结构比要求无法达到技术标 准要求 增加了工作量 在这些点通过微小的改进 设计 即设计增加一些不同的三角加强胁来提高此处 36 的刚性来满足此处的强度要求 此方法虽增加了制造 成本 但相比之下 第二种方法增加的成本费用较低 最关键的是能达到满足车架结构强度的要求同时又 能达到车辆质量结构比的技术要求 使总的工作量增 加不多 这使车辆总成本能满足市场要求 为满足车 架结构设计的首选方法 参考文献 I 孙文星 姜岩 基于有限元法的三轮摩托车车架承载极限的 适应性分析 J 拖拉机与农用运输车 2007 34 2 35 37 2 魏英俊 李 晟 摩托车车架振动模态测试与有限元法计算 J 中南林学院学报 2003 23 4 78 81 i l懿