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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車帶來的環(huán)境污染、能源短缺、資源枯竭和安全等方面的問題越來越突出。為了保持國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)人類居住環(huán)境和能源供給，各國政府不惜巨資，投入大量人力、物力，尋求解決這些問題的各種途徑。電動汽車具有良好的環(huán)保性能和可以以多種能源為動力的顯著特點(diǎn)，即可以保護(hù)環(huán)境，又可以緩解能源短缺和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全。目前發(fā)展電動汽車已成為各國政府和汽車行業(yè)的共識，電動汽車的研發(fā)已成為汽車行業(yè)的熱點(diǎn)。因此，無論是從設(shè)計(jì)、研究和開發(fā)的觀點(diǎn)，還是從實(shí)用的角度來看，了解和掌握電動汽車技術(shù)的社會需求會越來越大。
就像人的身體由骨架來支持一樣，電動車也必須有一幅骨架，這就是車架。車架作為汽車的承載基體，支承著發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身等有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。車架在其使用過程中，不僅要承受由懸架系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種反力的作用，而且要承受車輛行駛過程中所產(chǎn)生的各種動載荷的作用，從被動安全性考慮，乘車車架應(yīng)具有易于吸收撞擊能量的特點(diǎn)，因此，車架是一個受力很大且受載情況十分復(fù)雜的部件。
關(guān)鍵詞：能源短缺； 電動汽車； 車架； 承載；
ABSTRACT
As the car industry is developing at breakneck speed, the car, the environmental pollution, energy shortage, resources exhausted and safety problems are becoming increasingly evident. in order to maintain the sustainable development and protection of human living environment and energy supply and governments at and a lot of manpower and material resources to solve the problems of various channels. Electric car with a good environmental performance and can be in a variety of energy to power, can to protect the environment and may relieve the shortage of energy and energy restructuring, and ensure energy security. The development of electric cars became the governments and the car industry, electronic the development has become a hot car industry. therefore, whether by design, research and development, or from a practical point of view, understand and grasp the car technology and social needs.
Just as the human body from skeleton to support, electric car must have a skeleton, which is the frame. Frame as the car bearing base, bearing the engine, clutch, transmission, steering, non bearing body and other related parts, bear to its various forces and torques. The frame in the using process, not only to be under the suspension system produced by the reaction force, and to bear the traffic generated by the process of dynamic loads, from passive safety considerations, riding frame should be easy to absorb impact energy, therefore, the frame is a great force and the load condition is very complex components.
Key words：Shortage of energy; electric vehicle; frame; bearing;
目 錄
1緒論 1
1.1 汽車面臨的挑戰(zhàn)及對策 1
1.2 國內(nèi)電動汽車的發(fā)展 2
1.2.1我國電動汽車的發(fā)展概況 2
1.2.2我國電動汽車的發(fā)展模式 3
1.3 國外主要國家電動汽車發(fā)展情況 3
2車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.1車架的結(jié)構(gòu)型式 4
2.1.1周邊式車架 4
2.1.2 X形車架 5
2.1.3梯形車架 6
2.1.4脊梁式車架 7
2.1.5綜合式車架 7
3車架的設(shè)計(jì) 7
4主要尺寸參數(shù)的確定 8
4.1設(shè)計(jì)要求 8
4.2 質(zhì)量參數(shù) 8
4.2.2 整備質(zhì)量 8
4.2.3 滿載質(zhì)量 9
4.3 車架寬度 9
4.4 軸距L 9
5車架總成設(shè)計(jì) 9
5.1車架選材 9
5.2車架結(jié)構(gòu) 9
5.3車架的技術(shù)要求 10
6車架的計(jì)算 11
6.1車架載荷分析 11
6.1.1 對稱的垂直動載荷 11
6.1.2 斜對稱的動載荷 11
6.2車架彎曲強(qiáng)度計(jì)算 11
6.2.1受力分析 11
6.2.2彎矩計(jì)算 12
6.2.3強(qiáng)度驗(yàn)算 13
7結(jié) 論 15
參考文獻(xiàn) 16
致 謝 17
1緒論
1.1 汽車面臨的挑戰(zhàn)及對策
汽車自誕生起已有100多年的歷史，其發(fā)展速度不斷的加快，與人們的聯(lián)系越來越緊密。汽車已不再是一個簡單的代步的運(yùn)輸工具，已成為許多人的生活必需品和文化生活的一部分，甚至成為一些人的流動辦公室。汽車的普及程度和技術(shù)水平已成為一個國家或地區(qū)現(xiàn)代話程度的標(biāo)志。
汽車已成為當(dāng)今人類社會不可缺少的交通工具，它對人類的進(jìn)步產(chǎn)生了不可替代的巨大推動作用。但同時(shí)也面臨著來自環(huán)境保護(hù)、能源短缺、道路交通事故等方面越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并帶來了一系列的負(fù)面效應(yīng)。汽車在其生命的全周期內(nèi)對公共環(huán)境和公眾健康甚至生命產(chǎn)生了一系列的危害，此即汽車的環(huán)境危害。汽車的環(huán)境危害包括汽車在生產(chǎn)過程中、使用中和報(bào)廢后的環(huán)境大氣污染（包括溫室氣體、臭氧層破壞和空氣污染）、水質(zhì)污染、廢棄物、環(huán)境噪聲、電波對人體的危害及對用電器的干擾等。汽車的環(huán)境大氣污染包括兩層含義：其一是汽車排放的二氧化碳、硫化物、氮氧化物等使溫室效應(yīng)加劇、臭氧層破壞和形成酸雨等大氣環(huán)境問題；其二是汽車尾氣排放的各種化合物和臭味氣體等造成的局部空氣污染（特別是城市空氣污染），進(jìn)而對人類和動植物產(chǎn)生危害，嚴(yán)重威脅著人類的身體健康。
隨著人民生活水平的提高，人類對生存環(huán)境的要求也越來越高，降低汽車的有害排放物的呼聲與日俱增，在美國已經(jīng)出臺了部分汽車零排量的法規(guī)，在我國也正在籌劃實(shí)施用于北京2008年的“零排放”車隊(duì)。因此，就目前的情況來看，環(huán)境公害是汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。
汽車面臨的挑戰(zhàn)之二就是能源供應(yīng)問題。從人類對可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)的出發(fā)，人類應(yīng)設(shè)法減少對有限的石油資源的消耗，并且應(yīng)積極研究石油枯竭后汽車的能源問題。目前時(shí)間范圍內(nèi)使用的主要能源有石油、煤、天然氣、核能（原子能）、水能、風(fēng)能以及可再生資源等。雖然每年都有新的油田、氣田的發(fā)現(xiàn)，但是這些資源都是有限的，總有一天會消耗殆盡。
我國面臨的形式也十分嚴(yán)峻，國內(nèi)的石油儲藏量和開采量相當(dāng)有限，隨著汽車保有量的增加，石油需求越來越多，目前已不能自給，不足部分主要通過進(jìn)口來滿足，而且每年成遞增趨勢。
由于電動汽車具有突出的環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā)和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用于發(fā)電的一切能源。因此使用電動汽車可以擺脫汽車對化石燃料的依賴，改善能源結(jié)構(gòu)，使能源供給多樣化，使能源的供給有保障。電動汽車在解決道路交通事故方面和傳統(tǒng)汽車相比也具有一定優(yōu)勢。因此，開發(fā)電動汽車是迎接汽車面臨挑戰(zhàn)的重要對策之一。
1.2 國內(nèi)電動汽車的發(fā)展
1.2.1我國電動汽車的發(fā)展概況
與世界其他國家一樣，電動汽車研發(fā)工作在我國也正在如火如荼的進(jìn)行著。"十五"期間，國家從維護(hù)我國能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競爭力、實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，設(shè)立"電動汽車重大科技專項(xiàng)"，通過組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，集中國家、地方、企業(yè)、高校、科研院所等方面的力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。為此，從2001年10月起，國家共計(jì)撥款8.8億元作為這一重大科技專項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)。
我國電動汽車重大科技專項(xiàng)實(shí)施4年來，經(jīng)過2000多名技術(shù)骨干的努力，目前已取得重要進(jìn)展：燃料電池汽車已經(jīng)成功開發(fā)出性能樣車，燃料電池轎車?yán)塾?jì)運(yùn)行4000km，燃料電池客車?yán)塾?jì)運(yùn)行8000km；混合動力客車已在武漢等地公交線路上試驗(yàn)運(yùn)行超過14萬km；純電動轎車和純電動客車均已通過國家有關(guān)認(rèn)證試驗(yàn)。
1.2.2我國電動汽車的發(fā)展模式
燃料電池汽車：在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到較大的提高。2004年5月在北京召開的世界氫能大會上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車樣車與世界領(lǐng)先的奔馳公司樣車同堂展示，引起世界的驚贊。在10月舉行的必比登世界清潔汽車挑戰(zhàn)賽上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車在7個單項(xiàng)獎中獲得5個A(在高速蛇行障礙賽、噪音、排放、能耗、溫室氣體減排5個單項(xiàng)指標(biāo)方面的最高等級)的好成績，燃料電池城市客車也以較高的技術(shù)性能和可靠性在挑戰(zhàn)賽中取得了良好的成績。
混合動力汽車：一汽、東風(fēng)、長安、奇瑞等汽車公司對此都投入了較大的人力、物力。各車型均已完成功能樣車開發(fā)。2003年11月8日，湖北省啟動武漢電動汽車試驗(yàn)示范運(yùn)行工作，先后投入6輛由東風(fēng)電動車輛股份有限公司研制的混合動力客車，已累計(jì)運(yùn)行14萬km，載客15萬人次；混合動力轎車按ECE城市工況與基本車型進(jìn)行的對比試驗(yàn)顯示，其燃料經(jīng)濟(jì)性提高40%左右，達(dá)到了節(jié)油的目的。長安汽車公司采用同軸ISG輕度混合方案，成功開發(fā)了第二輪功能樣車和第三輪性能樣車，并在國內(nèi)率先開展了混合動力專用發(fā)動機(jī)開發(fā)。經(jīng)過國家檢測機(jī)構(gòu)測試，動力性能接近參考車的水平，綜合油耗降低17%，排放達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。[1]
純電動汽車：目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。天津清源電動車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動轎車，其整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程、噪聲等指標(biāo)已超過法國雪鐵龍公司贈送的純電動轎車和箱式貨車，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。北京理工大學(xué)等單位初步完成了北京理工科凌電動車輛股份有限公司密云電動車輛產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的建設(shè)，并于2003年12月30日順利通過北京市公共交通總公司組織的示范運(yùn)行車組驗(yàn)收。小批量研發(fā)生產(chǎn)的4種車型、近40輛公交車即將投入北京市奧運(yùn)電動示范車隊(duì)的示范運(yùn)行。
1.3 國外主要國家電動汽車發(fā)展情況
世界各國著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動汽車，并且取得了一定程度的進(jìn)展和突破。
一直以來，出于對能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注及占領(lǐng)未來世界市場的考慮，日本十分重視電動汽車的研制與開發(fā)。目前，世界上能夠批量產(chǎn)銷混合動力汽車的企業(yè)，只有日本的豐田和本田兩家汽車公司。1997年12月，豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動力轎車PRIUS。該轎車于2000年7月開始出口北美，同年9月開始出口歐洲，現(xiàn)在已經(jīng)在全世界20多個國家上市銷售。目前推出的產(chǎn)品已經(jīng)是多次改進(jìn)后的第二代產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝更為成熟。根據(jù)豐田汽車公司的測試，PRIUS轎車在城市工況下比同等排量的花冠轎車節(jié)油44.4%；在市郊節(jié)油29.7%，綜合節(jié)油40.5%。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，豐田汽車公司已占有全球混合動力汽車市場90%的份額。2004年9月15日，一汽集團(tuán)與日本豐田汽車公司在北京舉行了混合動力汽車合作項(xiàng)目簽字儀式，宣布雙方在2005年內(nèi)，共同生產(chǎn)豐田PRIUS混合動力轎車。PRIUS混合動力轎車將在同年進(jìn)入中國市場。
美國能源部與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動力電動汽車開發(fā)合同，其中通用汽車公司投入1.48億美元，福特汽車公司投入1.38億美元，克萊斯勒汽車公司投入8480萬美元，進(jìn)行為期5年的研制開發(fā)工作，并于1998年北美國際汽車展上展出了樣車。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)已推出三款混合動力概念車GM。
2車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1車架的結(jié)構(gòu)型式
根據(jù)縱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車架可分為以下幾種結(jié)構(gòu)型式:
2.1.1周邊式車架
周邊式車架用于中級以上的轎車。如圖1-1(a)所示，在俯視圖上車架的中部寬、兩端窄。中部寬度取決于車身門檻梁的內(nèi)壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉(zhuǎn)角；后端寬度則由后輪距確定。左右相關(guān)縱梁由橫梁連接。其最大特點(diǎn)是前后兩段縱梁系經(jīng)所謂的緩沖臂或
圖1-1 轎車車架
（a）周邊式車架：（b）X型車架（c）梯形車架
抗扭盒與中部縱梁焊接相連。前緩沖臂位于車廂前圍板下部傾斜踏板前方;后緩沖臂位于后座下方。其結(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來自不平路面的沖擊和降低車內(nèi)噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又減短了車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度。在側(cè)視圖上，與其他型式的轎車車架類似，在前后車輪處縱梁向上彎曲以讓出前后獨(dú)立懸架或非斷開式后橋的運(yùn)動空間。采用這種車架時(shí)車身地板上的傳動軸通道形成的鼓包不大，但門檻較寬（見圖1-2（a））。
2.1.2 X形車架
如圖1-1(b)所示，這種車架為一些轎車所采用。車架的中部為位于汽車縱向?qū)ΨQ平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成俯視圖上的X形狀。前端的叉形梁用于支承動力一傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強(qiáng)前、后懸架的支承。管梁部分位于后座乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大（見圖1-2（b）），雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強(qiáng)度與剛度。
2.1.3梯形車架
又稱邊梁式車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。其彎曲剛度較大，而當(dāng)承受扭矩時(shí)，各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變型，因此被廣泛地用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上。在中、輕型客車上也有圖1-2 采用不同車架時(shí)的車身底板
（a）采用周邊式車架時(shí)；（b）采用X形車架時(shí)；（c）采用梯形車架時(shí) 1-傳動軸通道；2-地板；3-門檻；4-車架
所采用，轎車則較少采用。用于轎車的梯形車架（圖1-1（c）），為了降低地板高度，可局部地減小縱梁及橫梁的斷面高度并相應(yīng)地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復(fù)雜化且其車身地板仍比采用其他車架時(shí)為高，當(dāng)然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了（見圖1-2（c））。
如果也包括固定車身的支架，則上述三種轎車車架的自身質(zhì)量差別不大。無論哪一種轎車車架，在前、后橋處均要求有大的扭轉(zhuǎn)剛度，為此，相關(guān)的縱、橫梁可采用封閉式斷面，這種封閉斷面可由相配的一對且以垂向面為開口的沖壓成型的槽型梁相互插人并用電弧焊焊接而成。對于不承受扭矩的車架元件、用于固定動力總成的橫梁以及車架兩端位于基本橫梁以外的縱梁，均采用沖壓成型且具有開口的槽型斷面。
圖 1-3 載貨汽車的梯形車架
載貨汽車的梯形車架如圖1-3所示，由兩根相互平行且開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可根據(jù)應(yīng)力情況，適當(dāng)?shù)叵蛏鲜湛s。即縱梁中部相當(dāng)長的范圍內(nèi)具有最大高度和寬度，而兩端可根據(jù)應(yīng)力情況相應(yīng)地縮小。車架寬度多為全長等寬。有些國家對車架寬度作了規(guī)定，SAE規(guī)定7. 50-14. 00型雙后胎的貨車車架為864mm，前蘇聯(lián)也采用了類似數(shù)據(jù)。車架寬度的標(biāo)準(zhǔn)化有利于產(chǎn)品的三化，例如可使車架橫梁、前后橋及駕駛室、貨箱等進(jìn)行互換。車架等寬也簡化了縱梁的沖壓工藝且在縱梁上不會產(chǎn)生附加扭矩。有時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求需將車架前、后端的寬度做得窄些或?qū)捫?，但其尺寸?yīng)與限定的汽車輪廓寬度2. 5m相適應(yīng)。車架的長度大致接近整車長度，約為軸距的1. 4~1. 7倍。
2.1.4脊梁式車架
如圖1-4所示，脊梁式車架由一根位于汽車左右對稱中心的大斷面管形梁和某些懸伸托架構(gòu)成，猶如一根脊梁。管梁將動力一傳動系連成一體，傳動軸從其中間通過，故采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)驅(qū)動橋必須是斷開式的并與獨(dú)立懸架相匹配。與其他類型的車架比較，其扭轉(zhuǎn)剛度最大。容許車輪有較大的跳動空間，使汽車有較好的平順性和通過性。但車架的制造工藝復(fù)雜，維修不便，僅用于某些對平順性、通過性要求較高的汽車上。
圖 1-4 具有脊梁式車架的汽車底盤
2.1.5綜合式車架
圖 1-5 綜合式車架
系綜合上述脊梁式和邊梁式兩種型式而成，如圖1-5。這時(shí)，主減速器與脊梁相固定，該驅(qū)動橋應(yīng)為斷開式的且與獨(dú)立懸架相匹配。其實(shí)，圖1-1（b）的X形車架也應(yīng)歸于這一類型，但該車架可與非斷開式驅(qū)動橋及非獨(dú)立懸架相匹配[2]。
3車架的設(shè)計(jì)
就像人的身體由骨架來支持一樣，汽車也必須有一幅骨架，這就是車架。車架的作用是承受載荷，包括汽車自身零部件的重量和行駛時(shí)所受的沖擊、扭曲、慣性力等。現(xiàn)有的車架種類有大梁式、承載式、鋼管式及特殊材料一體成型式等。
大梁車架的原理很簡單：將粗壯的鋼梁焊接或鉚合起來成為一個鋼架，然后在這個鋼架上安裝引擎、懸架、車身等部件，這個鋼架就是名附其實(shí)的“車架”。
大梁式車架的優(yōu)點(diǎn)是鋼梁提供很強(qiáng)的承載能力和抗扭剛度，而且結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)容易，生產(chǎn)工藝的要求也較低。致命的缺點(diǎn)是鋼制大梁質(zhì)量沉重，車架重量占去全車總重的相當(dāng)部分；此外，粗壯的大梁縱貫全車，影響整車的布局和空間利用率，大梁的厚度使安裝在其上的坐廂和貨廂的地臺升高，使整車重心偏高[3]。
在確定電動汽車的基本參數(shù)和外形特征時(shí)，由于要最大可能借用現(xiàn)代汽車的零部件,如前后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、儀表板、座椅等，所以充分考慮了類似汽車的基本參數(shù)和外形，基本做到各種參數(shù)與汽車的相同或相近，然后，在草圖上進(jìn)行初步布置。旅游電動車的各個動力總成部件被分別布置在車架的前艙、后行李箱、客艙地板下方。
車架是車輛的骨架，是車輛上用以安裝和固定各主要總成、零部件、乘客、專用設(shè)備及裝置的主要承載件。車架在其使用過程中，不僅要承受由懸架系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種反力的作用，而且要承受車輛行駛過程中所產(chǎn)生的各種動載荷的作用，因此，車架還是一個受力很大且受載情況十分復(fù)雜的部件。
車架設(shè)計(jì)的基本原則是：(1)滿足電動汽車總布置的要求：當(dāng)電動汽車在復(fù)雜的行駛過程中，固定在車架上的總成和零部件之間，不應(yīng)當(dāng)發(fā)生運(yùn)動干涉。（2）具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠龋畲髲澢鷵隙葢?yīng)小于10mm，以免車架上的總成因變形過大而早期損壞。（3）結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量盡可能小，一般應(yīng)在汽車整備質(zhì)量的10%左右。（4）車架應(yīng)布置得離地面近一些，盡可能地降低汽車的重心和獲得較大的前輪轉(zhuǎn)向角，有利于提高汽車的穩(wěn)定性和機(jī)動性。
4主要尺寸參數(shù)的確定
4.1設(shè)計(jì)要求
電動車載重300kg（或兩人），時(shí)速40km,要求有減震，剎車靈敏，轉(zhuǎn)向靈活。這里我們標(biāo)致206車身尺寸并作改進(jìn)。
標(biāo)致206數(shù)據(jù)如下：
車身尺寸（長×寬×高）：3825×1673×1383mm
軸距：2442mm
重量：1177kg
4.2 質(zhì)量參數(shù)
4.2.1 裝載質(zhì)量
按要求取
4.2.2 整備質(zhì)量
汽車的裝載量與整備質(zhì)量之比/稱為汽車的整備質(zhì)量利用系數(shù)。它表明單位汽車整備質(zhì)量所承受的汽車裝載質(zhì)量。參考國內(nèi)外同類型同級別的汽車整備質(zhì)量利用系數(shù)和查《汽車設(shè)計(jì)》表2-9，所以：
本設(shè)計(jì)為電動汽車，在部件上少了1.6L汽油發(fā)動機(jī)、手動/自動變速箱、油箱等，而以電動機(jī)、減速器和蓄電池代替使得整備質(zhì)量大幅降低，本著輕便靈活原則這里為本電動汽車的整備質(zhì)量取為1000kg
4.2.3 滿載質(zhì)量
4.3 車架寬度
車架寬度是指左右縱梁腹板外側(cè)面之間的寬度。在總體設(shè)計(jì)中，整車寬度確定后，車架前后部分寬度就可以根據(jù)前輪最大轉(zhuǎn)向角、輪距、鋼板彈簧片寬、裝在車架內(nèi)側(cè)的發(fā)動機(jī)外廓寬度及懸置等尺寸確定。從提高整車的橫向穩(wěn)定性以及減小車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度來看，車架盡量寬些，同時(shí)前后部分寬度應(yīng)相等。以便簡化制造工藝和避免縱梁寬度變化處產(chǎn)生應(yīng)力集中。依據(jù)總體設(shè)計(jì)與懸架設(shè)計(jì)，這里取車架寬970mm。
4.4 軸距L
由總體設(shè)計(jì)取軸距2442mm
5車架總成設(shè)計(jì)
5.1車架選材
車架采用鋼管焊接制成。在查詢了國內(nèi)外已完成的車架的資料，結(jié)合本車架結(jié)構(gòu)和承載的特點(diǎn)，初步確定采用Q235B管徑分別為89mm、60mm壁厚為2.8mm的鋼管。
另外車架上的安裝或焊接的零件，例如電瓶固定架、地板鋼、彈簧鋼板吊耳均采用合適厚度的鋼板制成。
5.2車架結(jié)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)輕型電動汽車車架的簡圖如5-1圖所示
圖 5-1 車架結(jié)構(gòu)圖
5.3車架的技術(shù)要求
a.車架左右縱梁間的距離為970，而在車架前橫梁及轉(zhuǎn)向器范圍內(nèi)應(yīng)為970mm。
b.車架總成左右縱梁上表面應(yīng)在同一平面內(nèi)，其不平度在全長上不大于3.0，且在轉(zhuǎn)向器固定處，該表面與縱梁側(cè)面的垂直度應(yīng)不大于0.5。
c.車架總成駕駛室前后固定點(diǎn)的相對位置尺寸應(yīng)符總裝圖要求，駕駛室后支點(diǎn)與前支點(diǎn)高度差為10mm。
d.在車架總成上，左右對稱的前后懸架安裝位及支架中心線應(yīng)在同一直線上，且與車架中心線垂直，偏差不大于1000：1.5，左右對稱支架的相對位置尺寸應(yīng)符合要求。
e.在靈活的部件配置下，本車預(yù)計(jì)可以擁有最佳的50：50軸荷分配。但為保證一定的操控穩(wěn)定性，應(yīng)該將中心前移以提供不足的轉(zhuǎn)向特性和提供更大的前輪抓地力，同時(shí)前輪載荷的增加也有利于前驅(qū)車輛的起步和加速。故而，設(shè)計(jì)其軸荷分配定為45：55.則重心縱向位置為水平距離前端1098.9mm。
f.在車架焊接時(shí)為避免焊接處的應(yīng)力集中或熱變形，焊接時(shí)應(yīng)采用斷續(xù)焊，中斷長度應(yīng)為焊縫長度的兩倍。
g.焊接后應(yīng)慢慢冷卻，室內(nèi)外溫度相差較大時(shí)，應(yīng)將焊接部位預(yù)加熱至100～150℃后再進(jìn)行焊接，以防焊縫產(chǎn)生裂紋。
h.焊接時(shí)，要嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行。焊條直徑為3.2mm，電流應(yīng)在80～120A范圍內(nèi)選擇。焊縫端頭易產(chǎn)生裂紋，滅弧時(shí)要注意在端點(diǎn)處不能產(chǎn)生缺陷[4]。
i.車架焊接組裝完畢后，噴防銹漆。
6車架的計(jì)算
6.1車架載荷分析
汽車靜止時(shí)，車架上只承受彈簧以上部分的載荷稱為靜載荷。汽車在行駛過程中，隨行駛條件(車速和路面情況)的變化，車架將主要承受對稱的垂直動載荷和斜對稱的動載荷。
6.1.1 對稱的垂直動載荷
這種載荷是當(dāng)汽車在平坦道路上以較高車速行駛時(shí)產(chǎn)生的，其值取決于作用在車架上的靜載荷及其在車架上的分布，還取決于靜載荷作用處的垂直加速度之值。這種動載荷會使車架產(chǎn)生彎曲變形。
6.1.2 斜對稱的動載荷
當(dāng)汽車在不平道路上行駛時(shí)，汽車的前后幾個車輪可能不在同一平面上，從而使車架連同車身一起歪斜，其值取決于道路不平坦的程度以及車身、車架和懸架的剛度。這種動載荷將會使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
由于汽車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用工況多變，除了上述兩種主要載荷的作用外，汽車車架上還承受其他的一些載荷。如汽車加速或制動時(shí)會導(dǎo)致車架前后載荷的重新分配；汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，慣性力將使車架受到側(cè)向力的作用。一般來說，車架主要損壞的疲勞裂紋起源于縱梁和橫梁邊緣處，然后向垂直于邊緣的方向擴(kuò)展。在縱梁上的裂紋將迅速發(fā)展乃至全部斷裂，而橫梁上出現(xiàn)的裂紋則往往不再繼續(xù)發(fā)展或擴(kuò)展得很緩慢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料可知，車架的使用壽命主要取決于縱梁抗疲勞損傷的強(qiáng)度。因此，在評價(jià)車架的載荷性能時(shí)，主要應(yīng)著眼于縱梁。
6.2車架彎曲強(qiáng)度計(jì)算
由于結(jié)構(gòu)的限制，車架必須滿足強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。
6.2.1受力分析
為簡化計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)做以下幾點(diǎn)假設(shè)：
a．縱梁為支撐在前后軸上的簡支梁
b．空車時(shí)簧載質(zhì)量均布在左、右縱梁的全長上．
c．所有作用力均通過截面的彎心(局部扭轉(zhuǎn)的影響忽略不計(jì))
其中=669mm,=259mm,=474mm,=474mm,=656mm,,
所以
6.2.2彎矩計(jì)算
總體設(shè)計(jì)中又知：車載質(zhì)量為=300kg ，簧上整備質(zhì)量1000kg。
A．所以均布載荷集度q為：
749 2442 523
F1 F2
B.求支反力：
由平衡方程 得：
得：
把車架縱梁分為六段。如圖5-3所示：
l7 l6 l5 l4 l3 l2 l1
當(dāng)時(shí)：
剪力
彎矩
當(dāng)時(shí)：
剪力
彎矩
當(dāng)時(shí)：
剪力
彎矩
a. 變載面處的剪力和彎矩：
當(dāng)時(shí)：
當(dāng)時(shí)：
當(dāng)時(shí)：
當(dāng)時(shí)：
當(dāng)時(shí)：
當(dāng)時(shí)：
b. 求最大彎矩：
因?yàn)椋援?dāng)Q=0時(shí)，彎矩最大
即，時(shí)，彎矩最大
又因懸架設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)其軸荷分配為45：55，重心取x=1904.9mm位于第四橫梁處
則
6.2.3強(qiáng)度驗(yàn)算
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)車速約40 km／h時(shí)，汽車在對稱的垂直動載工況下，其最大彎矩約為靜載荷下的3(卵石路)～4.7(農(nóng)村土路)倍，同時(shí)，考慮到動載荷作用下，車架處于受疲勞應(yīng)力狀態(tài)，如取疲勞安全系數(shù)為1.15～1.4，可求得動載荷下的最大彎矩：
可用下式來校核縱梁的彎曲強(qiáng)度：
(5-7)
式中： —— 縱梁的彎曲強(qiáng)度
—— 抗彎模量
截面系數(shù)：
得管徑為89mm、60mm鋼管截面系數(shù)分別為：
比較車架全長上受力分析可知：
最大受力可能發(fā)生在最大彎矩處或變載面處，求兩點(diǎn)的受力值加以比較求出安全系數(shù)：
其中為材料的屈服應(yīng)力，取其值為390MPa
綜上所述：車架發(fā)生最大受力時(shí)，靜載安全系數(shù)不小于1.42， 按上式求得的彎曲應(yīng)力不超過縱梁材料的疲勞極限。
7結(jié) 論
電動汽車有許多優(yōu)勢，它清潔、無污染或低污染；結(jié)構(gòu)簡單，維修使用方便；能節(jié)省高新技術(shù)，它的能源效率更高，已大大超過了普通內(nèi)燃機(jī)汽車的熱效率，而且在制造過程中電動汽車的電動機(jī)能自動轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)，給電池充電而把制動能量儲存起來，因此電動汽車具有節(jié)能的先天優(yōu)勢。同時(shí)電動汽車還有許多的不足之處，但相信不用多久，這些問題都能迎刃而解，電動汽車的優(yōu)勢更加明顯。相信電動汽車因其環(huán)保節(jié)能等很多優(yōu)點(diǎn)必定會在21世紀(jì)發(fā)揮重大的作用。
車架是車輛的骨架，是車輛上用以安裝和固定各主要總成、零部件、乘客、專用設(shè)備及裝置的主要承載件。車架在其使用過程中，不僅要承受由懸架系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種反力的作用，而且要承受車輛行駛過程中所產(chǎn)生的各種動載荷的作用，因此，車架還是一個受力很大且受載情況十分復(fù)雜的部件。在設(shè)計(jì)電動車車架時(shí)，必須使車架在結(jié)構(gòu)上和選材上都滿足足夠的強(qiáng)度要求，抗彎剛度還有扭轉(zhuǎn)剛度，這是車架設(shè)計(jì)的基本原則。
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致 謝
為期五個多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)已經(jīng)結(jié)束?；仡櫿麄€畢業(yè)設(shè)計(jì)過程，雖然出現(xiàn)了許多困難，但走完整個過程覺得受益匪淺。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是DDQC-1電動汽車車架的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是為了解決電動汽車在生產(chǎn)實(shí)際過程中的一些問題，因此對設(shè)計(jì)的要求很嚴(yán)格。本設(shè)計(jì)是學(xué)完所有大學(xué)期間修的課程以后所進(jìn)行的，是對三年半來所學(xué)知識的一次大檢驗(yàn)。并且加深對知識的理解，使我能夠在畢業(yè)前將理論與實(shí)踐再一次結(jié)合，使所學(xué)的知識更加融會貫通，加深了我對理論知識的理解，強(qiáng)化了各個方面的能力。
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我基本上掌握了電動汽車車架設(shè)計(jì)的方法和步驟，以及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題等，另外還更加熟悉運(yùn)用查閱各種參考資料和相關(guān)手冊。
總的來說，這次設(shè)計(jì)，使我在基本理論的綜合運(yùn)用以及正確解決實(shí)際問題等方面得到了一次很大的提升，提高了我獨(dú)立思考問題、解決問題以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，縮短了我與工廠工程技術(shù)人員的差距，為我以后從事實(shí)際工程技術(shù)工作奠定了一個堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本次設(shè)計(jì)任務(wù)業(yè)已順利完成，但由于本人水平有限，缺乏經(jīng)驗(yàn)，難免會出現(xiàn)一些錯誤，在此懇請各位老師及同學(xué)指正。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在王澤河老師的認(rèn)真指導(dǎo)下進(jìn)行的。王老師經(jīng)常為我解答一系列的疑難問題，以及指導(dǎo)我的思想，引導(dǎo)我的設(shè)計(jì)思路。在歷經(jīng)五個多月的設(shè)計(jì)過程中，一直熱心的輔導(dǎo)我。在此，我忠心地向他表示誠摯的感謝和敬意！
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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題目 DDQC-1電動汽車車架設(shè)計(jì)
系 別 工程技術(shù)系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)生姓名 趙東亮
學(xué) 號 05208729
指導(dǎo)教師 王澤河
職 稱 教授
2012 年 5 月 1 日
摘 要
隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車帶來的環(huán)境污染、能源短缺、資源枯竭和安全等方面的問題越來越突出。為了保持國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)人類居住環(huán)境和能源供給，各國政府不惜巨資，投入大量人力、物力，尋求解決這些問題的各種途徑。電動汽車具有良好的環(huán)保性能和可以以多種能源為動力的顯著特點(diǎn)，即可以保護(hù)環(huán)境，又可以緩解能源短缺和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全。目前發(fā)展電動汽車已成為各國政府和汽車行業(yè)的共識，電動汽車的研發(fā)已成為汽車行業(yè)的熱點(diǎn)。因此，無論是從設(shè)計(jì)、研究和開發(fā)的觀點(diǎn)，還是從實(shí)用的角度來看，了解和掌握電動汽車技術(shù)的社會需求會越來越大。
就像人的身體由骨架來支持一樣，電動車也必須有一幅骨架，這就是車架。車架作為汽車的承載基體，支承著發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身等有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。車架在其使用過程中，不僅要承受由懸架系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種反力的作用，而且要承受車輛行駛過程中所產(chǎn)生的各種動載荷的作用，從被動安全性考慮，乘車車架應(yīng)具有易于吸收撞擊能量的特點(diǎn)，因此，車架是一個受力很大且受載情況十分復(fù)雜的部件。
關(guān)鍵詞：能源短缺； 電動汽車； 車架； 承載；
ABSTRACT
As the car industry is developing at breakneck speed, the car, the environmental pollution, energy shortage, resources exhausted and safety problems are becoming increasingly evident. in order to maintain the sustainable development and protection of human living environment and energy supply and governments at and a lot of manpower and material resources to solve the problems of various channels. Electric car with a good environmental performance and can be in a variety of energy to power, can to protect the environment and may relieve the shortage of energy and energy restructuring, and ensure energy security. The development of electric cars became the governments and the car industry, electronic the development has become a hot car industry. therefore, whether by design, research and development, or from a practical point of view, understand and grasp the car technology and social needs.
Just as the human body from skeleton to support, electric car must have a skeleton, which is the frame. Frame as the car bearing base, bearing the engine, clutch, transmission, steering, non bearing body and other related parts, bear to its various forces and torques. The frame in the using process, not only to be under the suspension system produced by the reaction force, and to bear the traffic generated by the process of dynamic loads, from passive safety considerations, riding frame should be easy to absorb impact energy, therefore, the frame is a great force and the load condition is very complex components.
Key words：Shortage of energy; electric vehicle; frame; bearing;
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