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底盤的設(shè)計與分析 本章的目的是: ? 介紹了車輛結(jié)構(gòu)上的載荷； ? 介紹了不同類型的車輛結(jié)構(gòu)及其用途； ? 如何使用計算機(jī)對這些載荷簡便的進(jìn)行分析； ? 完善的車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計需求的建議； ? 給出一個突出車輛結(jié)構(gòu)工序簡單分析的例子； 6.1負(fù)載情況介紹 本章中考慮荷載施加在正常運行的轎車或者輕型商用車的底盤或車身結(jié)構(gòu)上。即，由于車輛在不平的地面上和司機(jī)執(zhí)行各種動作而導(dǎo)致的載荷。 需要考慮五個基本的負(fù)載情況： 1.彎曲情況 彎曲，即在垂直平面加載，x-z平面由于部件的重量沿車架分部，從而導(dǎo)致了Y軸彎曲，見圖6.1（a）。 2.扭轉(zhuǎn)情況 車身的每個軸承受施加在軸中心向上和向下的載荷的情況，這些負(fù)載導(dǎo)致車輛的縱向軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)動作或扭矩，見圖6.1（b）。 3.彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合情況 在實際中，扭轉(zhuǎn)是不可能脫離于因為重力而產(chǎn)生的彎曲單獨存在的。因此，這兩種情況必須一起考慮才能代表真實的情況。見圖6.1（c）。 4.橫向載荷 發(fā)生這種情況，車輛行駛轉(zhuǎn)過一個角或者緊靠路緣滑動時，即載荷沿Y軸，見圖6.1（d）。 5.首尾加載 在加速和制動時縱向力產(chǎn)生（沿x軸）。牽引和制動力是質(zhì)量乘以加速度（減速度）產(chǎn)生的慣性力在輪胎和地面的接觸點上的反應(yīng)。見圖6.1（e）。 最重要的情況，即，1（彎曲），2（扭轉(zhuǎn)）和3（彎曲和扭轉(zhuǎn)）這些來確定一個令人滿意的結(jié)構(gòu)（帕羅斯基，1964）。橫向載荷和縱向載荷情況需要注意設(shè)計時懸架安裝點的結(jié)構(gòu)，作為一個整體不太明顯的結(jié)構(gòu)。其他局部加載條件如車門關(guān)閉一聲引起的荷載，安全帶負(fù)荷等，在這項工作中不考慮。 6.1.1 彎曲情況 彎曲的條件取決于車輛的主要部件的重量和有效載荷。首先考慮的是車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時的載荷分布。軸的應(yīng)力通過力和組件的重量取矩來解決（即靜力學(xué)方程）該結(jié)構(gòu)可以被視為一個大致對稱二維梁作為車輛的縱向軸。一個典型的中型客車荷載分布如圖6.2所示。 圖6.2檢查顯示的是車輛的主要部件的典型列表。分布載荷以車輛(包括內(nèi)飾細(xì)節(jié))的每單位長度重量進(jìn)行估算。懸掛質(zhì)量由車輪，剎車盤/鼓和懸架組成，當(dāng)然不包括它們不在結(jié)構(gòu)上施加的載荷。 利用載荷圖(圖6.2)，可以以正常的方式創(chuàng)建彎矩圖和剪力圖。圖6.3和圖6.4表示了這些圖以計算機(jī)電子表格的方式創(chuàng)建。從這些圖中的值可以確定車底盤或側(cè)框的應(yīng)力條件。 動態(tài)加載必須考慮車在不平的路面上行駛情況，例如，車輛可能在一個高速狀態(tài)下通過拱橋時，車輪離開了地面。車輛能返回地面的是由于懸架系統(tǒng)的緩沖造成的，但不可避免的導(dǎo)致在靜態(tài)條件下增加了一個相當(dāng)大的載荷。由汽車制造商的經(jīng)驗表明，道路上行走的車輛靜載荷應(yīng)被因素2.5至3.0增加。越野或越野車輛可以參照因素4設(shè)計（沃夫，1964）。 6.1.2扭轉(zhuǎn)情況 純扭轉(zhuǎn)的情況可以被簡單的認(rèn)為應(yīng)用在一個軸和反應(yīng)在其他軸上。純扭轉(zhuǎn)狀況不能單獨存在因為總是存在重力作用的垂直載荷，就如同簡介中提到的。然而，這是為了簡單的計算純扭轉(zhuǎn)情況下的假設(shè)。 最大扭矩是基于負(fù)荷較輕的軸上的載荷，并且它的值是車輪在輕負(fù)荷軸的負(fù)載乘以輪距。到下邊的章節(jié)(6.1.3)會做進(jìn)一步解釋。車輪荷載如圖6.1(b)。 扭轉(zhuǎn)力矩： （6.1） 前方和后方的軌道和分別可能會略有不同。對于現(xiàn)代轎車來說，即使?jié)M載情況下，后軸載荷通常小于。在這種情況下，為后軸載荷，對于滿載情況下的將小于相同滿載條件的前軸載荷。 但在這種情況下，公路車輛的動態(tài)因素通常是1.3(羅斯基，1964）。卡車通?？梢孕旭偣?.5，越野車可以使用因素1.8。 6.1.3彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合 如果彎曲和扭轉(zhuǎn)的靜載荷一起組合加載條件如圖6.1（c）所示。這代表了如果一個輕負(fù)荷軸的車輪沖擊一個足夠的高度會導(dǎo)致那個軸上的另一個輪子離開地面。(羅斯基，1964）建議，最大有200毫米的沖撞高度的大多數(shù)車輛都應(yīng)有一個獨立懸架來緩和到200毫米或更小。作者認(rèn)為，200毫米的沖擊高度將會使同一軸上的另一個車輪脫離地面。這種情況下，所有較輕軸上的負(fù)載都被施加到一個車輪上。 如果將這個原理應(yīng)用在圖6.2中的車輛，假設(shè)前輪輪距=1450毫米，和后輪輪距=1400毫米。 （輕載）后軸上右車輪上的負(fù)載的總軸重= 6184 N，車身上的扭矩為4328N-m和為5971N。 前軸車輪上的荷載為： 右車輪： （6.2） 左車輪： (6.3) 如果左前輪已經(jīng)脫離，代替的是右后輪同樣的情況也會發(fā)生。即左后輪的負(fù)荷將在右前輪之前減少到零。 6.1.4橫向載荷 轉(zhuǎn)彎時，橫向載荷在車輪與地面接觸處，被離心力所平衡，其中M是車輛的質(zhì)量。V是速度，r為圓角半徑（參見圖6.1（d））。 最壞的情況可能發(fā)生在車輪內(nèi)部轉(zhuǎn)動降到零，即車輛即將側(cè)翻。在這種情況下，主體結(jié)構(gòu)在X-Y平面彎曲。接近翻轉(zhuǎn)的條件在圖6.5中表示出其取決于車輛重心和軌道的高度。在這種情況下，離心力和重量的合理通過外部車輪接觸面（A）。 因此，橫向加速度= （6.4） 因此在重心的側(cè)向力 前輪的側(cè)向力 （6.5） 后輪 （6.6） 該結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是一個簡支梁在X-Y平面通過重心受橫向載荷。更精確的模型將考慮分部載荷以一個類似的方式描述在6.1.1節(jié)中的X-Z的平面彎曲。正常行駛條件下沒有這種狀況因為從方程6.4，現(xiàn)代汽車的H（以路面為基準(zhǔn)的 重心高度）通常是0.51米和1.45米的軌道。 橫向加速度 即，橫向加速度是重力加速度的1.42倍。這并不會發(fā)生在當(dāng)傳統(tǒng)道路輪胎側(cè)向力極限側(cè)向加速度約為0.75g。 特殊情況下，路邊的碰撞可能會導(dǎo)致高負(fù)載和側(cè)翻。高的橫向載荷在X-Y平面造成的彎曲并不重要，車輛的寬度（或梁）容易提供足夠的彎曲強(qiáng)度和剛度。懸架安裝支架必須，并且被設(shè)計成能承受高沖擊載荷。出于安全的原因，這些高的橫向沖擊載荷通常被認(rèn)為是隊車輪的兩倍的靜態(tài)垂直載荷。 6.1.5縱向載荷 當(dāng)車輛加速或減速時，產(chǎn)生質(zhì)量乘以加速度的慣性力。當(dāng)車輛的重心是路面以上的慣性力提供了一種負(fù)載從一個軸到另一軸上。當(dāng)加速時，重量從前軸傳遞到后軸，剎車或減速狀態(tài)反。為了得到完整的力作用于車身的的視圖，需要得到所有組件的重心高度。這些往往是未知的，因此沿車輛的一塊彎矩不得而知的。一個簡化的模型，考慮產(chǎn)生在車輛重心的一個慣性力提供了關(guān)于在軸位牽引力和制動力的局部加載的有用信息。 圖6.6展示出由于牽引和制動產(chǎn)生的（a）前輪驅(qū)動加速度，（b）后輪驅(qū)動加速度和（c）制動。 （a） 前輪驅(qū)動，反映在驅(qū)動輪為： （6.7） （b）后輪驅(qū)動，反映在驅(qū)動輪為： （6.8） （C）制動的情況下，軸的反應(yīng)： （6.9） 圖6.6荷載傳遞加速度引起的（a）前輪驅(qū)動；（b）后輪驅(qū)動；（c）制動（減速） （6.10） 限制的牽引和制動力被輪胎和路面的附著系數(shù)所控制。這些在路面上的牽引和制動力通過懸架系統(tǒng)施加到附加彎矩到車輛結(jié)構(gòu)上。同樣地，慣性力通過車架的重心由施加一個附加彎矩。紐科姆和斯布爾（1966）提出制動比例和軸載荷傳遞的更多信息細(xì)節(jié)。 6.1.6對稱加載 這種加載條件如圖6.7（a）所示，當(dāng)發(fā)生一個輪胎撞擊一個凸起的對象或者掉進(jìn)一個凹坑里，它們都有一個凸起的邊緣。由此產(chǎn)生的載荷垂直和縱向的應(yīng)用在車輛的一角。這種情況導(dǎo)致了在汽車結(jié)構(gòu)上非常復(fù)雜的加載。施加在輪子上的力和通過懸架施加在結(jié)構(gòu)上的力的大小取決于車輛的速度，懸架剛度，車輪質(zhì)量，車體質(zhì)量，等等。作為沖擊力只適用于很短的時間內(nèi)可以嘉定車輪繼續(xù)以穩(wěn)定的速度。因此，沖擊力通過輪胎中心作用。水平分量然后將是 ，垂直分量。的角度大約是。 假設(shè)輪胎不過分偏離。注意，水平分量會增加相對垂直的小半徑的車輪。 考慮到在自身上的垂直載荷額外導(dǎo)致軸向載荷，慣性力通過車輛重心，扭矩在車輛結(jié)構(gòu)上（見圖6.7（b））。同樣的，考慮到水平載荷在自身上，從圖6.7（c）看出，在垂直平面（X-Z）附加彎矩和一個在Z軸上施加到結(jié)構(gòu)上的力矩。于是從結(jié)構(gòu)的荷載看，該荷載可有4種載荷狀態(tài)疊加分析。 6.1.7 許用應(yīng)力 在章節(jié)6.1.1到6.1.6討論了導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生在車輛結(jié)構(gòu)上的載荷條件。非常重要的是，在最壞的負(fù)載條件下，應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)要保持在可接受的范圍內(nèi)。靜態(tài)載荷系數(shù)因素為適當(dāng)?shù)膽?yīng)力需低于區(qū)服應(yīng)力。例如，如果一個正在彎曲公路上行走的轎車，被認(rèn)為是最大許用應(yīng)力是有限范圍如下： 這意味著即使在最糟糕的動態(tài)負(fù)載條件下的應(yīng)力也不應(yīng)超過67%的屈服應(yīng)力。另外，對于最壞的負(fù)載條件，安全系數(shù)應(yīng)為1.5。一個類似的準(zhǔn)則應(yīng)用于其他負(fù)載條件下。這個過程通常是滿意的抗疲勞設(shè)計。但是，對疲勞的檢查是非常必要的。特別是在應(yīng)力集中發(fā)生的懸架安裝點。 6.1.8抗彎剛度 前面的章節(jié)已經(jīng)考慮載荷和應(yīng)力，現(xiàn)在需要確定結(jié)構(gòu)是否有足夠強(qiáng)度。評價結(jié)構(gòu)的剛度是同樣重要的一個設(shè)計要求。事實上，很多的設(shè)計師考慮的是剛度比強(qiáng)度更為重要。很有可能設(shè)計的結(jié)構(gòu)滿足足夠的強(qiáng)度但沒有令人滿意的足夠的剛度?？山邮艿淖銐虻膭偠仍O(shè)計比足夠的強(qiáng)度設(shè)計更重要。 對于客車，彎曲剛度是由對側(cè)框門孔徑的可偏轉(zhuǎn)限度確定。如果發(fā)生過度變形，然后門關(guān)閉不滿意，即即門閂鎖的對準(zhǔn)使門不能輕松的開啟或者關(guān)閉。地板的局部剛度對于乘客的認(rèn)可度是很重要的。如果地板在乘客的腳下發(fā)生偏轉(zhuǎn)會使乘客產(chǎn)生不安全感。地板通常使用加筋性砧壓成板增加局部面積從而減少變形板。這樣反而也能減少地板振動。一個扁平的薄金屬板將像一個鼓皮一樣振動，頻率取決于面板的大小，厚度，等邊界約束條件。一些豪華的現(xiàn)代汽車使用由兩個薄板夾蜂窩材料的夾層從而制造一個非常安靜的車輛環(huán)境。需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部許多地方增加局部剛度，例如在門口，罩/蓋，開機(jī)/行李箱蓋鉸鏈安 裝點，懸掛連接點，座椅安裝點和其他主要部件的安裝點。這是通過增加加強(qiáng)板和支架本體部分在鉸鏈點，門鎖點，懸掛樞軸點，等。 可接受的變形（或剛度）可被結(jié)構(gòu)中某些組件決定。門的鎖存器可接受的偏差將由鎖存器的設(shè)計特征決定。其他成分如地板的剛度由汽車制造商或者汽車發(fā)展過程中的經(jīng)驗決定。 6.1.9扭轉(zhuǎn)剛度 具體標(biāo)準(zhǔn)可以評估可接受的扭轉(zhuǎn)剛度，而對于其他標(biāo)準(zhǔn)是基于經(jīng)驗和發(fā)展的，在上一節(jié)中有描述。一個典型的中性轎車（汽車）完全組裝可以達(dá)到8000到10000 N-m/degree的扭轉(zhuǎn)剛度（韋伯，1984）。即測量車輛的輪距。經(jīng)驗表明，這就是合格的道路客車。如果剛度低，司機(jī)的會感受到車輛前方與前翼結(jié)構(gòu)要區(qū)域上下移動的搖晃。 實際問題當(dāng)車輛停在不平的地面上車門未能正常關(guān)閉時，比如一個車輪在路邊。類似的問題會發(fā)生在位于車輛角落的頂升點（允許更換車輪）。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也受背光玻璃和擋風(fēng)玻璃影響。韋伯（1984）的研究表明玻璃降低了約40%的扭轉(zhuǎn)剛度。因此，玻璃承受載荷和應(yīng)力，因此如果過量會導(dǎo)致玻璃破裂。這些汽車，車輛的處理是非常重要的，如果扭轉(zhuǎn)剛度較低，這對操控性能會產(chǎn)生不利影響。因此，應(yīng)注意確保足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。  6.2底盤類型介紹 目前，加載在車輛結(jié)構(gòu)或底盤上的情況已經(jīng)被考慮到。應(yīng)當(dāng)使用和研究各種類型的結(jié)構(gòu)，并對其所施加的負(fù)荷的適用性進(jìn)行設(shè)計評價。各種結(jié)構(gòu)類型將被審查其在承受不同負(fù)載的有效性和如何開發(fā)客車結(jié)構(gòu)。 6.2.1梯形框架 早期的汽車在包含乘客座位的車體上建立梯形框架結(jié)構(gòu)。最早的設(shè)計沒有車頂，所以車身無法經(jīng)受風(fēng)吹日曬，而后臺的設(shè)計提供了這種保護(hù)性車頂，門，等。即便如此，車身隊車輛結(jié)構(gòu)也沒有多大貢獻(xiàn)。與底盤相比，這通常是由剛度很低的木頭制成的。因此，剛度大（彎曲）的梯形框架幾乎承受了所有的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。 梯形框架最大的有點是對多種車身形狀與類型的適應(yīng)性。它仍然廣泛的使用在輕型商務(wù)車上。要平坦平臺的車體，箱貨車和油罐車可拆卸的容器都可以很輕易的連接到梯形框架。之所以叫梯形框架是因為它有類似一梯，兩側(cè)導(dǎo)軌和若干橫梁。 多數(shù)以槽型截面?zhèn)溶壓烷_火或閉合的截面梁設(shè)計（圖6.8）。當(dāng)區(qū)域/橫截面積的二次矩課優(yōu)化時深梁的導(dǎo)軌面就得到良好的彎曲強(qiáng)度和剛度。法蘭有利于區(qū)域上大的第二矩和整個法蘭面上可承受高應(yīng)力的能力。所以，這是材料的有效利用（圖6.9）。開放的通道部分提供了易于安裝托架和部件的接入部分。連接到高強(qiáng)度法蘭孔上的套圈（圖6.10）。通道毒粉的另一個特點是剪切中心偏離套圈（洛克，1975）。確保支架連接到它們可以防止側(cè)架的局部扭轉(zhuǎn)如圖6.10所示。不幸的是，扭轉(zhuǎn)恒定很小，因此扭轉(zhuǎn)剛度較低。 簡單的外圍框架，最簡單的梯形框架如圖6.11。橫梁上的扭轉(zhuǎn)是彎曲的側(cè)架和橫梁在側(cè)框架上的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。所有的組件都扭轉(zhuǎn)加載，由于其較低的扭轉(zhuǎn)常亮姑具有較低的扭轉(zhuǎn)剛度。如果開放部分由封閉的箱型截面替換，則扭轉(zhuǎn)剛度會大大提高。這個在汽車上有體現(xiàn)，例如路虎。然而，當(dāng)最大彎曲發(fā)生在所有組件的接頭處（圖6.11），則接頭的強(qiáng)度是非常重要的，支架的連接也變得更加復(fù)雜（圖6.12）。 6.2.2十字框架 設(shè)計一個受扭轉(zhuǎn)載荷的框架，該框架沒有構(gòu)件受扭力矩是可能的。十字框架如圖6.13所示，由兩個直梁和只受彎曲載荷的梁構(gòu)成。 圖6.9通道截面特性 面積的二次矩： 扭轉(zhuǎn)常熟： 剪切中心偏移： 框架的扭轉(zhuǎn)= 扭轉(zhuǎn)常數(shù) 這種類型的框架已經(jīng)在接頭中心有了良好的抗扭剛度來滿足設(shè)計要求。應(yīng)該指出的是，最大彎矩發(fā)生在接頭處，因此接頭的設(shè)計成為了關(guān)鍵。結(jié)合十字框架與梯形框架的特性有助于獲得良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能。橫梁的前端與后端不僅協(xié)助承載扭矩而且協(xié)助承受懸架安裝點的側(cè)向載荷，如圖6.14。 6.2.3 扭力管主干框架 圖6.12中說明，一個封閉的箱型截面的抗扭剛度比開放結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)。蓮花型底盤開發(fā)的屬性在圖6.15中示出。其中主要的骨架是封閉截面通過變速箱和傳動裝置之間運行的傳動軸。八字梁的前部和后部延伸到懸架安裝點，而其他的橫向構(gòu)件配合在懸架安裝點一起抵抗側(cè)向載荷。這種類型的結(jié)構(gòu)中，骨架受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。從懸架上傳來的橫向載荷使八字梁彎曲，使橫向構(gòu)件受壓縮或拉伸。 6.2.4空間框架 前三節(jié)所描述的框架基本都是二維的或者至少它們的深度比起長度和寬度要小很多。增加深度可以大大的提高框架的抗彎強(qiáng)度和剛度（如桁架式橋梁）。三維空間框架已被用于專用汽車?yán)珞w育賽車；例如圖6.16所示。這種車輛設(shè)計的類型可用于G.R.P車體小批量生產(chǎn)。 這種類型的結(jié)構(gòu)是確保所有的平面都是完全的三角形以使梁單元是拉伸或者拉伸。由于焊接接頭的原因，部分彎曲和扭轉(zhuǎn)約束將發(fā)生在接頭處。但依靠這些約束可使結(jié)構(gòu)不過于僵硬?？紤]圖6.17（a）和（b）的情況。圖（a）中“開放式”矩形框架的剛度取決于構(gòu)件的彎曲，而（b）中剛度由斜構(gòu)件直接受拉伸或壓縮提供。實際的開放結(jié)構(gòu)的孔對于擋風(fēng)玻璃，背光燈，艙門通道等是必要的，但會導(dǎo)致這種類型的結(jié)構(gòu)剪切剛度較低。 6.2.5 整體式結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代大量生產(chǎn)的轎車幾乎完全是用鋼板沖壓點焊在一起形成一個整體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的。這是一個一個結(jié)構(gòu)的部件提供的構(gòu)造性與功能。一個結(jié)構(gòu)的深度如空間框架，可以提高剛度，在整體結(jié)構(gòu)，其深度和頂板整個邊框都有要利于汽車的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。一個典型的轎車整體結(jié)構(gòu)如圖6.18所示。 這樣的結(jié)構(gòu)式非常復(fù)雜的幾何形狀，詳細(xì)的應(yīng)力分布只能通過使用有限元方法確定（見6.4節(jié)）。該結(jié)構(gòu)可被描述為一個“冗余結(jié)構(gòu)”即某些部分可以刪除，結(jié)構(gòu)仍將保持效率較低或更大靈活性的載荷。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布不僅是載荷的一個函數(shù)，也是多個組件的相對剛度。這個分析的細(xì)節(jié)超出了本章的范圍（洛克，1975）整體結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點。它使彎曲和扭轉(zhuǎn)更具剛性，它使使比使用底盤和車身時更低的重量，它可以降低生產(chǎn)成本，并為乘客提供安靜的環(huán)境。