钢管式全地形四轮越野车车架设计与分析开题报告

开题报告
1．选题依据：
1.1、国内外研究现状
全地形越野车是一种在山地、沙滩、雪地、草地等不同路面行驶的休闲娱乐越野车[1]。

我国已有很多家企业生产沙滩系列,虽然获得了初步的成功,但相对国外那些世界大厂,国内的技术还不能与之相比。

在车架研究方面,王良等人对ATV的车架进行了有限元模态分析,探讨了摩托车发生共振的原因及共振频率,为改进车架结构提供了理论依据[2];王磊等人对ATV(All Terrain Vehicle)中、后桥双横臂平衡悬架的设计问题进行了研究,实现了恶劣路况下三轴全地形车中后桥垂直载荷的合理分配[3];杜子学等人利用CATIA建立了ATV(All Terrain Vehicle)的车架三维模型,对全地形车结构进行了静、动态分析,验证了车架设计的合理性[4];刘长虹等人进行了家用越野车车架的有限强度分析,认为空心圆截面车架主梁的最大应力明显低于其它截面,边梁采用槽钢的车架其最大应力最小[5]。

在虚拟技术研究方面,李曙生等人对虚拟技术应用到摩托车领域中,认为对提高企业产品的自主开发和增强产品市场的竞争力有极大作用[6];刘颖以摩托车车架为研究对象,认为将先进的虚拟试验技术应用于车架新产品的研发,利用修正模型进行虚拟实验的结果与物理样机试验结果接近[7]。

在限滑差速器研究方面,孙传祝等人针对现有差速器锁紧系数小、尺寸大等问题,研制了一种用于沙滩摩托车的轴向滑块凸轮式差速器,同时进行了三维模型和动态仿真分析,认为差速器在50～110N·m范围内的各合反转矩下,当左右差速轮的反转矩差≤24N·m
时,基本上都能正常差速运行,且有ω
1+ω
2
≈2ω
[8][9]。

虽然国内对沙滩车也进行了一些研究,但仍处于探索阶段,还不够深入和完善,各厂家以国外的机型为原型,仍停留在仿制阶段,往往导致拼凑出来的产品结构不合理,行驶稳定性差,可靠性差,乘骑舒适性差等一系列问题。

美国的A.shitey等人为全地形车设计了一种自适应模拟控制油门,以实现平稳油门运动和零稳态速度误差,并对全地形车油门提出粗放型的试验机制和油门控制计算方法[10];加拿大的J.Batelaan设计了一种适用于所有越野车的高效率悬架系统,经过测量负
载能力均高于预期值且滚动阻力小[11]。

加拿大的L.Dai等人建立了适合全地形车在不平路面上行驶的非线性力学分析模型,解析和假设了弱非线性动力学系统,为全地形车在高度粗糙地形表面上运动的研究铺垫基础;这是在虚拟技术方面的研究[12]。

美国的Q.Li等人对交通越野全地形车对土壤、植被的破坏和增加土壤侵蚀的方面进行了研究,在不同地形数据下,对8轮车和4轮车进行了实地试验,认为平均预测误差与理论模型误差相比,差值不到20%,这是在行驶环境方面的研究[13]。

1.2、设计内容
全地形车车架以四轮中心为支点，承载整车的基本载荷,包括成员载荷、发动机载荷、轮胎载荷、油箱载荷、前后悬架载荷等[14]。

由于全地形车必须适应各种复杂的工作环境,因此不但对车架的强度、刚度要求较高，还要求车架具有轻量化的特点[15]。

全地形车的行驶路况比较复杂，对其动态性能提出了更高要求。

发动机的整机振动是全地形车的主要振源，是影响整车动态性能的主要因素[16]。

全地形车车架是发动机、底盘、车身及其它总成和专用设施的安装基础和关键承载部件,车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的,因此车架的强度、刚度会影响全地形车构件的使用寿命、汽车的操纵稳定性以及乘坐人员的舒适性。

因此,有必要验证车架结构的强度和刚度,以保证车架的工作性能。

早期的车架有限元分析中大多使用梁单元和板单元,以梁单元的截面特性来反映车架的结构特性,但它不能正确反映车架纵、横梁的截面形状,无法仔细分析车架的应力集中问题。

而板单元在其节点处只有3个自由度,是用来模拟板件受垂直、平行于板平面的载荷产生弯曲的情况。

但在实际情况中,车架纵梁和横梁的腹板等结构除了承受以上的力外,还存在扭转、剪切等状况,所以使用板单元也不能有效地模拟车架受载时的各种变形。

而壳单元除有弯扭变形外,还存在中面的拉、压和剪切变形 ,更接近于车架受力真实状态。

对车架有限元分析：首先要确定车架的材料，然后要确定其约束，继而利用有限元软件对车架进行有限元静态分析；
1.3、实用价值和意义
全地形车，其功能的多样性较好的迎合了市场的需求，并在我国得到广泛的应用[17]。

人们日益增长的物质文化需求的同时，对汽车的需求量也越来越大，也呈现出面向
多元化需求的汽车市场，因此，一种适应各种地形的车辆（ATV）应运而生。

ATV是英文All Terrain Vehicle的缩写，称为“全地形四轮越野车”。

它具有适应各种地形的能力，如强劲的攀爬能力，强大的动力性，能在丛林、沼泽、沙漠等恶劣地形中穿行，堪称一种广泛使用的全能工具。

由于它安全性好，用途广泛，工作稳定强，因而受到市场的热烈欢迎。

随后全地形车开始迅速发展，四轮全地形车的广泛用途，使得其具有很大的经济价值和广阔的市场前景。

越野性能突出，能够适应沙地、沼泽地、泥地等各种地形，广泛应用于农业、地质勘测、娱乐休闲等行业，也可应用于军事、消防等领域[18]。

参考文献：
[1]上官文斌，王江涛.全地形越野车前双横臂独立悬架与转向系统的设计分析[J].汽车工程，2008,30(4):345-348
[2]王良,王健.沙滩摩托车车架的有限元模态分析[J].山东理工大学学报2004,18(2):
46-50.
[3]王磊,金达锋.全地形车中、后桥双横臂平衡悬架设计[J].拖拉机与农用运输车,2007,34(1):64-66
[4]杜子学,李芹英,文孝霞.全地形车车架结构的静动态分析[J].机械工程师,2006(12):64-66.
[5]刘长虹,石斌.家用越野车车架的有限元强度分析[J].河海大学常州分校学报,2005,19(3):56-57.
[6]李曙生,李晶华.虚拟技术在摩托车领域中的应用[J].摩托车技术,2003(2):15-17.
[7]刘颖.摩托车车架虚拟试验技术的研究[D].四川:西南交通大学,2005.
[8]孙传祝.轴向滑块凸轮式差速器的设计与分析[J].机械设计与研究,2007,23(03):32-36.
[9]孙传祝.轴向滑块凸轮式差速器的设计[J].农业机械,2007,549(05):86～87.
[10]A.shitey Trebi-Ollennu,John M.Dolan,Pradeep Khosla.Adaptive Fuzzy Throttle Control for an All Terrain Vehicle[C].The United States of America:IASTED International Conference,1999.
[11]J.Batelaan.Development of an all terrain vehicle suspension with an efficient ovaltrack[J].Journal of Terramechanics,1998,35(04):209-223. [12]L.Dai,J.Wu.Stability and vibrations of an all-terrain vehicle subjected to
nonlinear structural deformation and resistance[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical immolation,2007(12):72-82.
[13]Q.Li,P.D.Ayers,A.B.Anderson.Prediction of impacts of wheeled vehicles on terrain[J].Journal of Terramechanics,2007,44(3):205-215.
[14]王喻.某全地形车车架轻量化研究[D].硕士学位论文.重庆: 重庆理工大学，2011
[15]陈旭，钱益明，田云强，等.全地形车车架结构灵敏度分析及轻量化设计［J］.重庆大学学报，2013(6):91－ 97
[16]朱茂桃，蔡柄芳，谭建华等.全地形车车架的动态性能分析与减震研究[J].中国机械工程，2008,19（12）：1508-1511
[17]焦彦亮.ATV全地形车结构性能分析与研究[D].硕士学位论文.河北：河北工业大学，2014
[18]黄云涛.全地形车车架动态特性分析与结构优化[D].硕士学位论文.重庆：重庆理工大学，2015
开题报告
２．设计方案：
2.1、研究的具体内容
全地形车是一种全新概念的新车型,由于用途多,又不受道路和法规的限制,在西欧和北美广泛流行。

全地形车车架是整车的重要承载部件,在保证全地形车整车使用寿命和可靠性方面起着十分重要的作用,全地形车操纵的稳定性、行驶的安全性、乘坐的舒适性和在各种工况条件下的通过性都和车架结构有着不可分割的关系。

车架结构设计在满足足够的强度和刚度的同时,也要达到轻量化的要求,因此,对车架结构尺寸进行优化设计已成为全地形车开发设计过程中的重要环节。

基于新开发的四轮地形车,建立车架的有限元模型,对车架结构进行静动态有限元分析,并对车架结构进行优化设计,使车架达到轻量化和安全性的统一。

由于全地形车为非道路车,行驶工况较普通的汽车、客车有很大的区别,除了具备汽车车架的特性之外,全地形车车架主要是由薄壁圆管、方钢和矩形钢焊接而成的,对焊管的材料性能、焊接的质量、车架整体结构的合理性提出了更高的要求。

全地形车车架材料Q235,为碳素结构钢,在材料的化学成分上不允许有杂质出现,壁厚应均匀分布,否则在使用过程中经常会出现异常断裂等现象。

焊管焊接过程中应该注重焊接质量,任何虚焊、漏焊等现象都会存在安全隐患。

在车架结构设计上,最重要的是要考虑结构的合理性,避免不必要的重复,这不仅关系到整车的轻量化问题,还影响到整车的使用性能。

车架上各安装点的结构应尽量简化,而不影响强度和装配要求,力求达到力学与美学的和谐统一。

整体上考虑了整车装配的要求,结合全地形车的越野性能,在前后悬架的安装位置、发动机安装点、前后减速器安装点等采取适当的加强措施,在确定了整车各主要总成的位置之后,初步设计车架的基本模型。

2.2、研究拟采用的方法
熟悉全地形车车架结构，根据给定的参数：乘员2名，质量150kg ；发动机质
量32kg；油箱质量（含油）15kg；货物质量50kg；四条轮胎总质量30kg；路面最大附着系数0.8；最大爬坡度为0.25；对全地形车车架进行设计，对设计出的车架进行强度校核，对车架进行有限元建模，绘制出车架结构工程图并对车架进行静态有限元分析，
综合评价车架的结构性能，并结合道路进行一些可靠性试验，提出一系列改进措施，验证车架的合理性。

3.3、进度安排
2月13日指导教师与学生见面,指导学生选题,初步查找,收集相关资料。

2月14日-3月3日,学生应完成开题报告,并交给指导教师审阅。

3月4日-5月30日完成毕业设计或论文的初稿，交给指导教师审阅，学生根据指导教师提出的修改意见对论文(设计)进行修改,5月1日-5月19日以前完成设计图纸、说明书、毕业设计的修改完善的最终定稿,交指导教师和评阅教师评阅,并准备论文(设计)答辩.
开题报告
指导教师意见：
许庭荣同学针对所给的题目，查阅了相关资料，初步了解了国内外全地形四轮越野车的研发现状，了解了全地形越野车的车架结构，提出了自己有关全地形四轮越野车车架设计的思路方案。

拟采取的研究方案可行，研究方法合理，可以开题。

指导教师：
年月日。