底盘的设计与分析实习报告.doc

底盘的设计与分析本章的目的是: 介绍了车辆结构上的载荷； 介绍了不同类型的车辆结构及其用途； 如何使用计算机对这些载荷简便的进行分析； 完善的车辆结构设计需求的建议； 给出一个突出车辆结构工序简单分析的例子；6.1负载情况介绍本章中考虑荷载施加在正常运行的轿车或者轻型商用车的底盘或车身结构上。即，由于车辆在不平的地面上和司机执行各种动作而导致的载荷。需要考虑五个基本的负载情况：1.弯曲情况弯曲，即在垂直平面加载，x-z平面由于部件的重量沿车架分部，从而导致了Y轴弯曲，见图6.1（a）。 2.扭转情况车身的每个轴承受施加在轴中心向上和向下的载荷的情况，这些负载导致车辆的纵向轴产生扭转动作或扭矩，见图6.1（b）。 3.弯曲与扭转的组合情况在实际中，扭转是不可能脱离于因为重力而产生的弯曲单独存在的。因此，这两种情况必须一起考虑才能代表真实的情况。见图6.1（c）。 4.横向载荷发生这种情况，车辆行驶转过一个角或者紧靠路缘滑动时，即载荷沿Y轴，见图6.1（d）。 5.首尾加载在加速和制动时纵向力产生（沿x轴）。牵引和制动力是质量乘以加速度（减速度）产生的惯性力在轮胎和地面的接触点上的反应。见图6.1（e）。 最重要的情况，即，1（弯曲），2（扭转）和3（弯曲和扭转）这些来确定一个令人满意的结构（帕罗斯基，1964）。横向载荷和纵向载荷情况需要注意设计时悬架安装点的结构，作为一个整体不太明显的结构。其他局部加载条件如车门关闭一声引起的荷载，安全带负荷等，在这项工作中不考虑。6.1.1 弯曲情况弯曲的条件取决于车辆的主要部件的重量和有效载荷。首先考虑的是车辆处于静止状态时的载荷分布。轴的应力通过力和组件的重量取矩来解决（即静力学方程）该结构可以被视为一个大致对称二维梁作为车辆的纵向轴。一个典型的中型客车荷载分布如图6.2所示。 图6.2检查显示的是车辆的主要部件的典型列表。分布载荷以车辆(包括内饰细节)的每单位长度重量进行估算。悬挂质量由车轮，刹车盘/鼓和悬架组成，当然不包括它们不在结构上施加的载荷。利用载荷图(图6.2)，可以以正常的方式创建弯矩图和剪力图。图6.3和图6.4表示了这些图以计算机电子表格的方式创建。从这些图中的值可以确定车底盘或侧框的应力条件。动态加载必须考虑车在不平的路面上行驶情况，例如，车辆可能在一个高速状态下通过拱桥时，车轮离开了地面。车辆能返回地面的是由于悬架系统的缓冲造成的，但不可避免的导致在静态条件下增加了一个相当大的载荷。由汽车制造商的经验表明，道路上行走的车辆静载荷应被因素2.5至3.0增加。越野或越野车辆可以参照因素4设计（沃夫，1964）。 6.1.2扭转情况纯扭转的情况可以被简单的认为应用在一个轴和反应在其他轴上。纯扭转状况不能单独存在因为总是存在重力作用的垂直载荷，就如同简介中提到的。然而，这是为了简单的计算纯扭转情况下的假设。最大扭矩是基于负荷较轻的轴上的载荷，并且它的值是车轮在轻负荷轴的负载乘以轮距。到下边的章节(6.1.3)会做进一步解释。车轮荷载如图6.1(b)。扭转力矩： （6.1）前方和后方的轨道和分别可能会略有不同。对于现代轿车来说，即使满载情况下，后轴载荷通常小于。在这种情况下，为后轴载荷，对于满载情况下的将小于相同满载条件的前轴载荷。但在这种情况下，公路车辆的动态因素通常是1.3(罗斯基，1964）。卡车通常可以行驶公路1.5，越野车可以使用因素1.8。6.1.3弯曲与扭转的组合如果弯曲和扭转的静载荷一起组合加载条件如图6.1（c）所示。这代表了如果一个轻负荷轴的车轮冲击一个足够的高度会导致那个轴上的另一个轮子离开地面。(罗斯基，1964）建议，最大有200毫米的冲撞高度的大多数车辆都应有一个独立悬架来缓和到200毫米或更小。作者认为，200毫米的冲击高度将会使同一轴上的另一个车轮脱离地面。这种情况下，所有较轻轴上的负载都被施加到一个车轮上。如果将这个原理应用在图6.2中的车辆，假设前轮轮距=1450毫米，和后轮轮距=1400毫米。（轻载）后轴上右车轮上的负载的总轴重= 6184 N，车身上的扭矩为4328N-m和为5971N。前轴车轮上的荷载为：右车轮： （6.2）左车轮： (6.3)如果左前轮已经脱离，代替的是右后轮同样的情况也会发生。即左后轮的负荷将在右前轮之前减少到零。6.1.4横向载荷转弯时，横向载荷在车轮与地面接触处，被离心力所平衡，其中M是车辆的质量。V是速度，r为圆角半径（参见图6.1（d）。最坏的情况可能发生在车轮内部转动降到零，即车辆即将侧翻。在这种情况下，主体结构在X-Y平面弯曲。接近翻转的条件在图6.5中表示出其取决于车辆重心和轨道的高度。在这种情况下，离心力和重量的合理通过外部车轮接触面（A）。 因此，横向加速度= （6.4） 因此在重心的侧向力前轮的侧向力 （6.5）后轮 （6.6）该结构可以被认为是一个简支梁在X-Y平面通过重心受横向载荷。更精确的模型将考虑分部载荷以一个类似的方式描述在6.1.1节中的X-Z的平面弯曲。正常行驶条件下没有这种状况因为从方程6.4，现代汽车的H（以路面为基准的重心高度）通常是0.51米和1.45米的轨道。横向加速度即，横向加速度是重力加速度的1.42倍。这并不会发生在当传统道路轮胎侧向力极限侧向加速度约为0.75g。特殊情况下，路边的碰撞可能会导致高负载和侧翻。高的横向载荷在X-Y平面造成的弯曲并不重要，车辆的宽度（或梁）容易提供足够的弯曲强度和刚度。悬架安装支架必须，并且被设计成能承受高冲击载荷。出于安全的原因，这些高的横向冲击载荷通常被认为是队车轮的两倍的静态垂直载荷。6.1.5纵向载荷当车辆加速或减速时，产生质量乘以加速度的惯性力。当车辆的重心是路面以上的惯性力提供了一种负载从一个轴到另一轴上。当加速时，重量从前轴传递到后轴，刹车或减速状态反。为了得到完整的力作用于车身的的视图，需要得到所有组件的重心高度。这些往往是未知的，因此沿车辆的一块弯矩不得而知的。一个简化的模型，考虑产生在车辆重心的一个惯性力提供了关于在轴位牵引力和制动力的局部加载的有用信息。图6.6展示出由于牵引和制动产生的（a）前轮驱动加速度，（b）后轮驱动加速度和（c）制动。（a） 前轮驱动，反映在驱动轮为： （6.7）（b）后轮驱动，反映在驱动轮为： （6.8）（C）制动的情况下，轴的反应： （6.9）图6.6荷载传递加速度引起的（a）前轮驱动；（b）后轮驱动；（c）制动（减速） （6.10）限制的牵引和制动力被轮胎和路面的附着系数所控制。这些在路面上的牵引和制动力通过悬架系统施加到附加弯矩到车辆结构上。同样地，惯性力通过车架的重心由施加一个附加弯矩。纽科姆和斯布尔（1966）提出制动比例和轴载荷传递的更多信息细节。6.1.6对称加载这种加载条件如图6.7（a）所示，当发生一个轮胎撞击一个凸起的对象或者掉进一个凹坑里，它们都有一个凸起的边缘。由此产生的载荷垂直和纵向的应用在车辆的一角。这种情况导致了在汽车结构上非常复杂的加载。施加在轮子上的力和通过悬架施加在结构上的力的大小取决于车辆的速度，悬架刚度，车轮质量，车体质量，等等。作为冲击力只适用于很短的时间内可以嘉定车轮继续以稳定的速度。因此，冲击力通过轮胎中心作用。水平分量然后将是，垂直分量。的角度大约是。 假设轮胎不过分偏离。注意，水平分量会增加相对垂直的小半径的车轮。考虑到在自身上的垂直载荷额外导致轴向载荷，惯性力通过车辆重心，扭矩在车辆结构上（见图6.7（b）。同样的，考虑到水平载荷在自身上，从图6.7（c）看出，在垂直平面（X-Z）附加弯矩和一个在Z轴上施加到结构上的力矩。于是从结构的荷载看，该荷载可有4种载荷状态叠加分析。6.1.7 许用应力在章节6.1.1到6.1.6讨论了导致应力发生在车辆结构上的载荷条件。非常重要的是，在最坏的负载条件下，应力造成的结构要保持在可接受的范围内。静态载荷系数因素为适当的应力需低于区服应力。例如，如果一个正在弯曲公路上行走的轿车，被认为是最大许用应力是有限范围如下： 这意味着即使在最糟糕的动态负载条件下的应力也不应超过67%的屈服应力。另外，对于最坏的负载条件，安全系数应为1.5。一个类似的准则应用于其他负载条件下。这个过程通常是满意的抗疲劳设计。但是，对疲劳的检查是非常必要的。特别是在应力集中发生的悬架安装点。6.1.8抗弯刚度前面的章节已经考虑载荷和应力，现在需要确定结构是否有足够强度。评价结构的刚度是同样重要的一个设计要求。事实上，很多的设计师考虑的是刚度比强度更为重要。很有可能设计的结构满足足够的强度但没有令人满意的足够的刚度。可接受的足够的刚度设计比足够的强度设计更重要。对于客车，弯曲刚度是由对侧框门孔径的可偏转限度确定。如果发生过度变形，然后门关闭不满意，即即门闩锁的对准使门不能轻松的开启或者关闭。地板的局部刚度对于乘客的认可度是很重要的。如果地板在乘客的脚下发生偏转会使乘客产生不安全感。地板通常使用加筋性砧压成板增加局部面积从而减少变形板。这样反而也能减少地板振动。一个扁平的薄金属板将像一个鼓皮一样振动，频率取决于面板的大小，厚度，等边界约束条件。一些豪华的现代汽车使用由两个薄板夹蜂窝材料的夹层从而制造一个非常安静的车辆环境。需要在结构内部许多地方增加局部刚度，例如在门口，罩/盖，开机/行李箱盖铰链安装点，悬挂连接点，座椅安装点和其他主要部件的安装点。这是通过增加加强板和支架本体部分在铰链点，门锁点，悬挂枢轴点，等。可接受的变形（或刚度）可被结构中某些组件决定。门的锁存器可接受的偏差将由锁存器的设计特征决定。其他成分如地板的刚度由汽车制造商或者汽车发展过程中的经验决定。6.1.9扭转刚度具体标准可以评估可接受的扭转刚度，而对于其他标准是基于经验和发展的，在上一节中有描述。一个典型的中性轿车（汽车）完全组装可以达到8000到10000 N-m/degree的扭转刚度（韦伯，1984）。即测量车辆的轮距。经验表明，这就是合格的道路客车。如果刚度低，司机的会感受到车辆前方与前翼结构要区域上下移动的摇晃。实际问题当车辆停在不平的地面上车门未能正常关闭时，比如一个车轮在路边。类似的问题会发生在位于车辆角落的顶升点（允许更换车轮）。扭转强度也受背光玻璃和挡风玻璃影响。韦伯（1984）的研究表明玻璃降低了约40%的扭转刚度。因此，玻璃承受载荷和应力，因此如果过量会导致玻璃破裂。这些汽车，车辆的处理是非常重要的，如果扭转刚度较低，这对操控性能会产生不利影响。因此，应注意确保足够的扭转刚度。6.2底盘类型介绍目前，加载在车辆结构或底盘上的情况已经被考虑到。应当使用和研究各种类型的结构，并对其所施加的负荷的适用性进行设计评价。各种结构类型将被审查其在承受不同负载的有效性和如何开发客车结构。6.2.1梯形框架早期的汽车在包含乘客座位的车体上建立梯形框架结构。最早的设计没有车顶，所以车身无法经受风吹日晒，而后台的设计提供了这种保护性车顶，门，等。即便如此，车身队车辆结构也没有多大贡献。与底盘相比，这通常是由刚度很低的木头制成的。因此，刚度大（弯曲）的梯形框架几乎承受了所有的弯曲和扭转载荷。梯形框架最大的有点是对多种车身形状与类型的适应性。它仍然广泛的使用在轻型商务车上。要平坦平台的车体，箱货车和油罐车可拆卸的容器都可以很轻易的连接到梯形框架。之所以叫梯形框架是因为它有类似一梯，两侧导轨和若干横梁。多数以槽型截面侧轨和开火或闭合的截面梁设计（图6.8）。当区域/横截面积的二次矩课优化时深梁的导轨面就得到良好的弯曲强度和刚度。法兰有利于区域上大的第二矩和整个法兰面上可承受高应力的能力。所以，这是材料的有效利用（图6.9）。开放的通道部分提供了易于安装托架和部件的接入部分。连接到高强度法兰孔上的套圈（图6.10）。通道毒粉的另一个特点是剪切中心偏离套圈（洛克，1975）。确保支架连接到它们可以防止侧架的局部扭转如图6.10所示。不幸的是，扭转恒定很小，因此扭转刚度较低。 简单的外围框架，最简单的梯形框架如图6.11。横梁上的扭转是弯曲的侧架和横梁在侧框架上的扭转反应。所有的组件都扭转加载，由于其较低的扭转常亮姑具有较低的扭转刚度。如果开放部分由封闭的箱型截面替换，则扭转刚度会大大提高。这个在汽车上有体现，例如路虎。然而，当最大弯曲发生在所有组件的接头处（图6.11），则接头的强度是非常重要的，支架的连接也变得更加复杂（图6.12）。6.2.2十字框架设计一个受扭转载荷的框架，该框架没有构件受扭力矩是可能的。十字框架如图6.13所示，由两个直梁和只受弯曲载荷的梁构成。 图6.9通道截面特性面积的二次矩：扭转常熟：剪切中心偏移： 框架的扭转= 扭转常数这种类型的框架已经在接头中心有了良好的抗扭刚度来满足设计要求。应该指出的是，最大弯矩发生在接头处，因此接头的设计成为了关键。结合十字框架与梯形框架的特性有助于获得良好的弯曲和扭转性能。横梁的前端与后端不仅协助承载扭矩而且协助承受悬架安装点的侧向载荷，如图6.14。 6.2.3 扭力管主干框架图6.12中说明，一个封闭的箱型截面的抗扭刚度比开放结构有了很大的改进。莲花型底盘开发的属性在图6.15中示出。其中主要的骨架是封闭截面通过变速箱和传动装置之间运行的传动轴。八字梁的前部和后部延伸到悬架安装点，而其他的横向构件配合在悬架安装点一起抵抗侧向载荷。这种类型的结构中，骨架受弯曲和扭转载荷。从悬架上传来的横向载荷使八字梁弯曲，使横向构件受压缩或拉伸。6.2.4空间框架前三节所描述的框架基本都是二维的或者至少它们的深度比起长度和宽度要小很多。增加深度可以大大的提高框架的抗弯强度和刚度（如桁架式桥梁）。三维空间框架已被用于专用汽车例如体育赛车；例如图6.16所示。这种车辆设计的类型可用于G.R.P车体小批量生产。 这种类型的结构是确保所有的平面都是完全的三角形以使梁单元是拉伸或者拉伸。由于焊接接头的原因，部分弯曲和扭转约束将发生在接头处。但依靠这些约束可使结构不过于僵硬。考虑图6.17（a）和（b）的情况。图（a）中“开放式”矩形框架的刚度取决于构件的弯曲，而（b）中刚度由斜构件直接受拉伸或压缩提供。实际的开放结构的孔对于挡风玻璃，背光灯，舱门通道等是必要的，但会导致这种类型的结构剪切刚度较低。6.2.5 整体式结构 现代大量生产的轿车几乎完全是用钢板冲压点焊在一起形成一个整体结构生产的。这是一个一个结构的部件提供的构造性与功能。一个结构的深度如空间框架，可以提高刚度，在整体结构，其深度和顶板整个边框都有要利于汽车的弯曲和扭转刚度。一个典型的轿车整体结构如图6.18所示。这样的结构式非常复杂的几何形状，详细的应力分布只能通过使用有限元方法确定（见6.4节）。该结构可被描述为一个“冗余结构”即某些部分可以删除，结构仍将保持效率较低或更大灵活性的载荷。结构的应力分布不仅是载荷的一个函数，也是多个组件的相对刚度。这个分析的细节超出了本章的范围（洛克，1975）整体结构有很多优点。它使弯曲和扭转更具刚性，它使使比使用底盘和车身时更低的重量，它可以降低生产成本，并为乘客提供安静的环境。