載貨汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計
載貨汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計,載貨,汽車,車身,結(jié)構(gòu)設(shè)計
目錄
I
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內(nèi)外廂式貨車的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1 國外現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 2
1.3 貨車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計意義 3
2 廂式貨車車身設(shè)計方法 4
2.1 車廂用途 4
2.2 廂式貨車的車身結(jié)構(gòu) 4
2.3 廂式貨車的分類 4
2.4 廂式貨車車廂的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 5
2.4.1 車廂骨架結(jié)構(gòu) 5
2.4.2 蒙皮的選取與設(shè)計 6
2.4.3 門梯和門窗密封條的布局 6
2.5 廂式貨車駕駛室設(shè)計 7
2.6 廂式貨車的設(shè)計原則 7
3 廂式貨車車廂參數(shù)確定 8
3.1 車廂的基本參數(shù)確定 8
3.1.1 基本尺寸的選定 8
3.2 貨車車廂的骨架設(shè)計流程 9
3.2.1 底架 9
3.2.2 前圍骨架 15
3.2.3 后圍骨架 16
3.2.4 側(cè)圍骨架 17
3.2.3 頂圍骨架 17
3.2.4 整體骨架安裝 18
3.3 車廂蒙皮設(shè)計 18
3.3.1 概述 18
3.3.2 車廂蒙皮的設(shè)計過程 18
3.3.3 車身附件 19
4 駕駛室的參數(shù)確定 20
4.1 駕駛室骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計 20
4.2 駕駛區(qū)蒙皮的選取與設(shè)計 21
5 總結(jié)和展望 22
5.1 總結(jié) 22
5.2 展望 22
參 考 文 獻 23
附錄一：外文原文 24
附錄 2：外文翻譯 33
致 謝 42
摘 要
現(xiàn)代的車身結(jié)構(gòu)研究設(shè)計目光多集中在轎車，而載貨汽車也在汽車行業(yè)扮演不可或缺的角色。本次設(shè)計，以人機工程學和貨車設(shè)計標準為基礎(chǔ)，基于貨車原型的前提下對載貨汽車的駕駛室以及車廂進行設(shè)計，希望提高廂式貨車的作業(yè)性能和舒適性、符合人們的審美要求、具有人性化的設(shè)計要求，從而可以更加得到大眾的認可。
本次設(shè)計使用 SolidWorks 和 CATIA 軟件，從廂式載貨汽車的設(shè)計方法，貨車的基本尺寸的計算，選擇型號和設(shè)計需要達到的要求著手，對廂式貨車的駕駛室，車身骨架以及蒙皮進行了設(shè)計，并且給出了相應的設(shè)計步驟。繪出工程中需要的二維圖以及成型的三維圖形，并完成各個部件的裝配，得到貨車車身外觀， 然后對骨架進行蒙皮，然后得出最后特征外觀。
本次設(shè)計中骨架和蒙皮型號、材料的選取設(shè)計等都切合要求，車身設(shè)計較為合理。達到車身結(jié)構(gòu)完整、輕量化的目標要求。
關(guān)鍵詞：載貨汽車；SolidWorks；CATIA；車身結(jié)構(gòu)
I
ABSTRACT
Modern car body structure research focuses on cars, and trucks also play an indispensable role in the automotive industry. This design, based on ergonomics and freight car design standards, designs the cab and carriage of the truck based on the prototype of the truck, hoping to improve the performance and comfort of the van, meet the people's aesthetic requirements, and have the humanized design requirements, so that it can be more popular.
The design is based on SolidWorks and CATIA software, from the basic knowledge of van wagon, the calculation of the basic dimensions of the van, the selection of the vehicle and the requirements of the design, the design of the cab, the body skeleton and the skin of the van, and the corresponding design steps. The two-dimensional drawings and 3D graphics needed for the engineering production were drawn, and each component was assembled to get the overall appearance of the car body, and then the skeleton was skinned. Finally, the body shape needed for the design was obtained.
The design and selection of skeleton and skin in the body design conform to the design requirements, and the body reference of the truck body is more successful. Achieve the goal of complete and lightweight body structure.
Key Words：Truck; SolidWorks;CATIA;Body Structure
II
載貨汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 緒論
1.1 引言
廂式載貨汽車主要用途是為了載運貨物而設(shè)計和裝備的商用車輛。近年來， 隨著我國高速公路網(wǎng)的飛速發(fā)展與完善，我國也已經(jīng)進入了運輸行業(yè)大發(fā)展的時代。當今社會，貨車的功能也已經(jīng)不僅僅是單一的運載貨物了，逐漸成為了一種社會化服務工具。因此，貨車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要緊扣時代的步伐，滿足人們現(xiàn)如今的使用需求。
貨車車身由駕駛室和車廂組成。在效率成為主旋律的今天，貨車更是晝夜不停的運作，駕駛室作為駕駛員休息和工作的區(qū)間，其設(shè)計要滿足安全性、舒適性、耐用性等基本要求。車廂按不同需求設(shè)計成多種行式，其結(jié)構(gòu)也不同，在設(shè)計時需考慮的有車廂結(jié)構(gòu)強度、車箱尺寸及容量、前后軸載荷分配等因素，對于廂式車箱還要考慮空氣動力性能。
1.2 國內(nèi)外廂式貨車的發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國外現(xiàn)狀
近年來國際上的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計趨向于采用等強度、等剛度以及等壽命的設(shè)計原則，并能準確預測車身零部件的壽命，精確而高效的預測零部件的動態(tài)應力歷程。汽車結(jié)構(gòu)在實際工況下承受較為復雜的激勵載荷，車骨架開裂的情況時有發(fā)生。
現(xiàn)代大存儲容量計算機的出現(xiàn)，尤其是 CAD、CATIA 和 SolidWorks 技術(shù)的逐漸成熟，促進了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的革命性發(fā)展。
CATIA 在汽車等機械產(chǎn)品的開發(fā)中應用非常廣泛。在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的作用集中體現(xiàn)在三方面：
①極大地縮減了產(chǎn)品的研制周期。在建模和分析過程中采用實體造型和參數(shù)化，模型和參數(shù)修改都很方便，最終確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時間得到大幅縮減。
②減少了開發(fā)費用。利用 CATIA 對車身造型所需費用大幅減少。
③能夠在設(shè)計階段造型出更為優(yōu)越的整車車身結(jié)構(gòu)。譬如通過優(yōu)化車架和車身結(jié)構(gòu)減輕整車質(zhì)量。
在汽車工業(yè)中激光技術(shù)主要用于車身焊接、坯板拼焊和零件焊接。車身激光焊接工藝主要用于車頂焊，其應用可以減噪和適應新的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。Volvo 公司是最早開發(fā)車頂激光焊接技術(shù)的廠家。如今，德國大眾公司在 Audi A6、
9
Golf A4、Passat；寶馬公司的 5 系列；Opel 公司的 Vectra 等車型均采用了此技術(shù)。歐洲各大汽車廠的激光器絕大多數(shù)用于車頂焊接。車身激光焊可以提高車身強度及動態(tài)剛度。
日本最先開始雙相鋼的研發(fā)，其車身結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)先于其他國家。北美通用汽車和福特汽車用雙相鋼制造小汽車發(fā)動機罩蓋，是板厚由原來的 1.8mm 減少到了0.7mm，并保證了零件的剛度要求,在車身結(jié)構(gòu)制造方面具有廣闊的應用前景。
隨著空氣動力學的研究迅速發(fā)展，許多歐美、日本產(chǎn)商已經(jīng)將風阻系數(shù)降到
0.3 以下。因此，不難預計，下一代的車型將會更加光順。今天的車身外部造型設(shè)計，按照造型師的新理念，汽車外形的連續(xù)完整性不在是通過挺拔的棱角來表現(xiàn)，而是由各種曲面的連接以及各種光學效果和視覺效果顯示出來。日本各公司為了適應在 1990 年開始實施的車身新標準，對微型載貨汽車進行換型。整體換型的森巴（Sambar）、迷你卡布（Minicab）牌廂式車，森巴牌廂式車采用視野開闊的大玻璃，前門和后滑門采用了加強板，以提高橫向安全性。還通過擴大使用防銹鋼板的方法來提高防銹能力。迷你卡爾牌廂式車采用富有動感的流線型車身造型，并通過采用隱蔽式后踏板，使后座乘客出入更方便。另外，還采用高強度鋼板和防銹鋼板，提高了駕駛室強度、剛性以及防銹能力。另一方面，實行局部改型的的廂式貨車還有斯克拉姆、卡利、阿克泰、海杰特牌。他們在加大保險杠的同時，還改變了前格柵的周圍設(shè)計，并提高了周圍裝備的的等級。
在后車身方面，一方面是追求車廂內(nèi)空間的有效利用，另一方面是要有流行的車身造型。另外，為適應物資流通系統(tǒng)的冷藏等專用載貨車在逐年遞增，裝卸性也將通過減輕防護欄的質(zhì)量，減小操作力以及降低貨箱地板的離地高度等方法來改善。
1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀
從上世紀五十年代開始，我國的汽車工業(yè)已初步形成，發(fā)展到今天無論其規(guī)模還是品種，儼然已經(jīng)成為汽車大國，汽車工業(yè)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)。目前，我國汽車行業(yè)。汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計還只停留在引用外來技術(shù)層面。此外，過多的注重車身外觀而忽略結(jié)構(gòu)本身的受力特性，或是車身結(jié)構(gòu)中存在的不合理的傳力線路等也是存在的弊端。
國內(nèi)對汽車結(jié)構(gòu)的研究主要集中在對客車和轎車車身的強度和剛度方面。1998 年清華大學的陸秋海等人已通過實驗證明動應力過大是造成車身車架開裂的主要原因，而且應力隨車速提高而明顯增大。雖然通過試驗或路試能夠獲得較為精確的動態(tài)應力歷程，但前提是己制造出樣車。如果在設(shè)計階段就能在各種不同的人—車—路面系統(tǒng)仿真下，獲得車體骨架的動態(tài)應力歷程，則不僅可以較精
確的預測車體骨架的安全性和壽命，而且可以通過重分析優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，降低整車重量。自行設(shè)計的車身骨架常因整車分配不合理而簡單采用局部加強筋的修補方法，這導致開裂部分的轉(zhuǎn)移，問題并沒有得到根本上的解決。而對載貨汽車如廂式貨車等的研究還很少，在載貨汽車的設(shè)計過程中，采用的大部分還是經(jīng)驗類比法。尤其是對車廂的設(shè)計，由于承擔了載重貨物的大部分重量，通常只是考慮幾何尺寸等方面的要求，對廂體剛度和強度方面的設(shè)計還需要更加雄厚的技術(shù)資本。不過，隨著國內(nèi)的汽車技術(shù)的不斷進步，對車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計也必然也會有更加良性的發(fā)展。
對于載貨汽車的平順性，除了評價汽車行駛時的震動對駕駛員的影響，還有振動對貨物的影響。由于貨廂的震動程度直接關(guān)系著貨物的運輸安全，因此低水平的貨廂振動一直是設(shè)計師的追求。由于技術(shù)水平的限制，各種貨廂振動還是存在區(qū)別的，存在之分。迄今為止，在我國還沒有載貨汽車的載貨振動的限值。評論貨廂振動的優(yōu)劣，還只能與同類車進行比較。國內(nèi)在進行貨車車體模態(tài)分析時， 都進行了大量的簡化，尤其在車身蒙皮的處理方面，簡單方法過于簡單，通常只是將蒙皮按照一定的折算系數(shù)加到車身骨架上，這樣處理所得結(jié)果很粗糙。
1.3 貨車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計意義
當今社會科技迅速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，優(yōu)越的生活條件下，人們的精神層面也有非常顯著的發(fā)展。汽車的普及，讓我們看到了如今汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，從原來的蒸汽汽車到如今的新能源汽車，我們看到的是機械的創(chuàng)新與發(fā)展。信息化時代全球化，物流業(yè)的崛起也就是意味著載貨汽車的大運輸時代已經(jīng)到來。隨著我國的交通條件的的改善和高速公路的普及，汽車的行駛速度有了普遍提高，最高車速從 90~100km/h 提升至 120~130km/h,甚至更高。這樣一來， 對貨車的結(jié)構(gòu)強度、剛度有了更為嚴格的要求。從目前國際、國內(nèi)的汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，載貨汽車在我國有很好的發(fā)展優(yōu)勢，是其發(fā)展的大好時機。
如今我們可以從設(shè)計時從材料的選擇到材料形狀的選定，都可以自行設(shè)定， 車身外形的審美度和實用度都可以達到我們的要求，使得汽車具有更好的使用性能，也有更輕的質(zhì)量，更符合了大眾的審美。
車身結(jié)構(gòu)設(shè)計就是以車身造型設(shè)計為基礎(chǔ)進行車身強化設(shè)計和功能設(shè)計，其設(shè)計質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到車身內(nèi)外造型能夠順利實現(xiàn)和車身各種功能是否能正常發(fā)揮。而且大物流時代，進行貨車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計很有意義。
2 廂式貨車車身設(shè)計方法
2.1 車廂用途
通用車箱主要用來運輸一些裝卸輕便，中轉(zhuǎn)次數(shù)較少的貨品，如運輸鋼材、木材、布料等。
專用車廂主要用于不宜暴露于裸露環(huán)境中貨物，如易損日用百貨、食物等可用廂式貨車運輸。
圖 2.1 廂式貨車
2.2 廂式貨車的車身結(jié)構(gòu)
廂式貨車一般是由車廂安裝在二類底盤基礎(chǔ)之上構(gòu)成。車廂裝有后門或側(cè)門，內(nèi)部有透風、采光設(shè)備，防雨、防曬等性能優(yōu)良。
圖 2.2 貨車車身結(jié)構(gòu)示意圖
2.3 廂式貨車的分類
按照駕駛室的一般分類方式，駕駛室有長頭駕駛室式以及平頭駕駛室式兩種。長頭式車體相對長度較短，空氣阻力較大；而平頭式長度上有所提高，外征協(xié)調(diào)。平頭駕駛室式裝有導流罩的貨車空氣阻力小，可以在高速上行駛。
2.4 廂式貨車車廂的結(jié)構(gòu)與設(shè)計
2.4.1 車廂骨架結(jié)構(gòu)
車廂骨架布局對車身自重、剛度以及強度等有很大影響。合理的車廂布置應滿足強度設(shè)計的要求，車身輕量化也需要考慮在內(nèi)。車骨架的質(zhì)料種類，截面形狀都與骨架的重量有關(guān)。在質(zhì)料截面積相等和壁厚厚度不變的條件下，抗扭能力如圖 2.2：
圖 2.2 抗扭能力示意圖
在完成對應車廂的骨架設(shè)計之后，還要考慮蒙皮選材以及截面形狀的選定。
骨架布局及加工方式：“井”字形的矩形線框。車廂骨架由六部分組成，分別是前圍、側(cè)圍、后圍以及底架。先設(shè)計各個模塊，再將各個模塊焊接到一起。
底架是車廂的安裝基礎(chǔ)，承受較大應力，底架的橫梁縱梁選用槽型鋼，然后依據(jù)車廂承載重量選擇能夠滿足需要的槽型鋼型號，安裝時橫縱搭接，以提高底架的使用性能。
圖 2.3 車廂底架結(jié)構(gòu)圖
2.4.2 蒙皮的選取與設(shè)計
蒙皮是一種薄殼鈑件，由某種方式相互連接，將其固定在骨架框架上，可以相互接合，構(gòu)成車廂內(nèi)外輪廓。其尺寸根據(jù)對應骨架尺寸來選定，設(shè)計時蒙皮與蒙皮應留有約 15mm 的搭接量，因此尺寸設(shè)計時需多加 30mm 的留量。
一般提高蒙皮的剛度主要手段主要是在蒙皮表面制各種形狀的加強筋?；⌒巫詈?，三角形矩形略次。
圖 2.4 外蒙皮的截面形狀
2.4.3 門梯和門窗密封條的布局
（1） 車廂門的設(shè)計
廂式貨車車廂一般設(shè)置成后門，由此貨品的運輸和交通方面出現(xiàn)的問題可以避免。另外，增設(shè)側(cè)門也是在較長車廂車廂中經(jīng)常出現(xiàn)的。對于后門不便開啟的情況下，可以打開側(cè)門替代后門。
矩形平面的布局形式在貨車車箱門的設(shè)計中是經(jīng)常使用的。車廂的后圍通常只有車門和門框，且車門可開啟 270°與外車廂折疊，不占空間，便利裝卸。左右對開式車門設(shè)計較為合理，是普遍使用的后門開啟的方式。
（2） 門梯的設(shè)計
地面與車廂下底面一般相距約 1100mm，一般在門的下部裝有門梯，使得可以更為輕松地裝卸貨品。固定式門梯直接將門梯固聯(lián)在車門的下部，布局簡單， 使用方便。
2.5 廂式貨車駕駛室設(shè)計
絕大多數(shù)貨車駕駛室都采用非承載式結(jié)構(gòu)，一般由蒙皮和駕駛室骨架焊合成殼體，通常是由轎車和小型客車駕駛區(qū)變形而來。
駕駛室的組成部分有頂蓋、后蓋、前圍和地板等。頂、后總成的板件大都是尺寸較大，尺寸展開多在 2000mm 以上。參照原有車型，本次駕駛室設(shè)計采用平頭式。
2.6 廂式貨車的設(shè)計原則
（1） 車輛的質(zhì)心高度應遵循法規(guī)規(guī)定，靜態(tài)空載狀態(tài)下，汽車的最小側(cè)傾角大于等于 35°。
（2） 貨車的車體經(jīng)過改裝后，車體質(zhì)量不能超過最大允許質(zhì)量，原車型最大軸載質(zhì)量的 3%為現(xiàn)軸載質(zhì)量的極限值。
（3） 車廂內(nèi)部需要相對足夠的空間，以滿足裝載和下卸貨品的需求。
3 廂式貨車車廂參數(shù)確定
3.1 車廂的基本參數(shù)確定
3.1.1 基本尺寸的選定
貨車車廂應在設(shè)計初就確定相應的尺寸。廂體長度設(shè)計主要基于前后軸荷分配系數(shù)的大小，以保持貨車底盤原有性能。廂體寬度主要是由輪距、使用要求及法規(guī)等決定。在同時滿足裝載容、裝載便利的情況下，貨廂高度由改裝后的質(zhì)心高度決定，盡量減小車廂設(shè)計時的高度，從而降低質(zhì)心，汽車運行性能可以提高。
初選車廂長×寬×高：5900×2300×2200（mm）
貨車實際承載容積由車廂內(nèi)框尺寸決定，設(shè)計時應充分考慮到貨車的各個情況，如行駛路況條件、裝載質(zhì)量、貨物密度、尺寸規(guī)格等，從而運輸效率可以得到提升。
貨車實際容積計算公式如下：
1 1 1
V=lx bx hx ×10-9
V ——車廂容積（m3）
lx1 ——廂內(nèi)有效長度（mm） bx1 ——廂內(nèi)有效寬度（mm） hx1 ——廂內(nèi)有效高度（mm）
初選載質(zhì)量利用系數(shù)為 0.8，整備質(zhì)量 6 噸，載質(zhì)量為 4.8 噸，考慮 5%超載率，可裝 5.04 噸貨物。初選內(nèi)框的長×寬×高為：
5580×2150×2150（mm）
3.1.2 車廂附件尺寸結(jié)構(gòu)
總成完成之后還需對一些附件進行設(shè)計，有如下幾項步驟：
（1） 不銹鋼角鐵 在各個蒙皮結(jié)合處，需要用不銹鋼角鐵進行包邊，選擇型號厚度為 1mm 的冷軋鋼，起到加固美觀的作用，其大小應該與骨架尺寸相當。
（2） 不銹鋼包角 在車廂頂角處應焊接不銹鋼包角，使蒙皮更加牢固，也更具美觀。
3.1.3 車廂剛度設(shè)計相關(guān)要求
對車身有關(guān)剛度的要求，除參考已有的靜剛度指標之外，因為一階頻率與車身剛度和質(zhì)量密切相關(guān)，對車身動態(tài)特性也有很大的影響，所以現(xiàn)階段常以車身結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率作為設(shè)計時的優(yōu)化目標或約束條件。對一些應變大或較大應變能的零部件，應采用加強板，以改變零件的截面尺寸或增加板厚；相對地，對
應應變能小的零件，設(shè)計時可相應地減小或撤除板料，合理利用材料，已達到減輕質(zhì)量的目的。
高剛度和輕量化在某種程度上彼此沖突，屬于多目標優(yōu)化。通常面臨設(shè)計時存在的一些比較矛盾的問題時，需權(quán)衡利弊，實現(xiàn)利益最大化。因此，設(shè)計時應充分認識汽車各性能之間的關(guān)系，有效集成各組件之間的規(guī)律。
大型板件的剛度不足，會引發(fā)板件之間的振動，同時也會產(chǎn)生共振，駕駛室內(nèi)部由此產(chǎn)生很大的噪聲，引起車內(nèi)人員的不適，更甚造成零件的損壞，且低剛度的零件在搬運時也會引起很大的不便。因此，零件的剛度是板殼時最先需要提高的，并且有如下注意點：
（1） 板殼零件的剛度主要由零件的板厚以及形狀，曲面、棱線等造型決定， 使零件成型過程中可冷作硬化，有利于提高板件剛度，相反，平直的零件造型并不可取。
（2） 內(nèi)部一些大型金屬板殼零件以及不裸露的大型覆蓋件可沖壓出加強肋提高性能。
（3） 車身最大受力是零件底架和橫梁，底架應最先進行剛度校核。
3.2 貨車車廂的骨架設(shè)計流程
本次骨架材料擬采用異型鋼和熱軋槽鋼。因為異形鋼管較普通鋼管而言，有較大的慣性矩和截面模數(shù)，有較強的抗彎扭能力，可大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量。槽鋼截面特征很好，強度較高。
3.2.1 底架
底架是整個車廂的安裝基礎(chǔ)，它承受載荷為整個車身部分中最大的，槽粱、縱梁選擇槽型鋼。橫、縱搭接的結(jié)構(gòu)，底架縱梁是副車架。
底架結(jié)構(gòu)設(shè)計為長 5900mm，寬為 2300mm 的骨架，各橫梁的位置根據(jù)后軸線的軸線位置確定，各橫梁之間的間距設(shè)定為 983mm，保證傳動軸有足夠傳動空間。如圖 3.1
（1） 底架材料的確定
圖 3.1 底架結(jié)構(gòu)示意圖
底架是全車受力最大的部件，設(shè)計時應考慮到足夠的疲勞極限和屈服極限， 然后較低的應力集中敏感性，較為良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳合金和中低碳合金可滿足設(shè)計要求。
拉伸尺寸較大，形狀復雜的沖壓件用沖壓性能較好的 09MnREL 等鋼板制造， 拉伸尺寸不大，形狀又不復雜的沖壓件用強度稍高的 16Mn.10WL 等高強度鋼板在伸長率上性能變差，不宜采用。
Q345 是一種低碳鋼，綜合力學性能良好、塑性、焊接性良好，一般用作強度設(shè)計，用于車輛、橋梁等承受動荷的結(jié)構(gòu)等，故本次選取 Q345 制造車架,其力學性能：
Qb =490～620MPa.(б-1=бb∕2) T б-1 =245～310（Mpa）.
（2） 彎曲應力的計算與校核
縱梁斷面的最大彎曲應力δ為： δ=Mmax∕W.
Mmax——最大彎矩。W——截面系數(shù)
以上式求得的彎曲應力應不大于材料的作用應力[б] [б]=бS/nS
式中：бS——材料的屈服極限，對于 Q345 鋼，бS =340-355MPa. nS——安全系數(shù)，一般 nS =1.2～1.5
則[б]=бS/nS =345/1.25=276MPa.
底 架 縱 梁 槽 鋼 應 力 分 析 ： q=G/nl=5.04×103×9.8/（2×5900）=4.18(KN/m).
G——載重量n——縱梁槽鋼板l——縱梁鋼長度
由剪力公式：FS=-qx，M=-1/2qx2.算出相應的剪力、彎矩，并畫出相應剪力圖、彎矩圖,如下圖 3.2 和圖 3.3 所示。
19
圖 3.2 剪力圖 圖 3.3 彎矩圖
由бmax=Mmax/W=1.89/W≤[б] T W≥18.19×1000/276×106=66cm3
由算出的值根據(jù)槽鋼（CB/T707—1998）標準，縱梁材料選擇型號為 36b， 其橫截面如下圖 3.4。
圖 3.4 底架縱梁結(jié)構(gòu)圖
橫梁設(shè)計選擇 ：熱軋槽鋼（G/BT707—1988）型號為 10。其截面如圖 3.5 所示。
圖 3.5 底架橫梁結(jié)構(gòu)圖
底架強度校核，底架材料為 Q345,汽彈性模量為 2.06E+11,泊松比為0.28，利用 ANSYS 軟件，將底架三維圖導入，建模：
：
圖 3.6 材料定義示意圖
圖 3.7 示意圖中等密度劃分網(wǎng)格
施加兩倍車身質(zhì)量加縱向載荷的力，整備質(zhì)量 6 噸，載質(zhì)量為 4.8 噸，即總的縱向載荷為 1.68×105N，承載面積為（5900×2300-983×728）×10-6m2。
圖 3.7 施加載荷示意圖
圖 3.8 底架應力變形示意圖
由 ANSYS 分析結(jié)果可知，底架承受載荷僅為 56000Pa，遠小于 Q345 鋼的許用應力，所以底架設(shè)計選材合理。
內(nèi)骨架初選異型管。
初選：A×B：40mm×50mm，t=5mm
3.2.2 前圍骨架
車廂前圍為封閉型，組成部分有外支撐架和內(nèi)骨架。
參照該原有車型，前圍結(jié)構(gòu)寬為 2400mm，高為 2200mm 的骨架。中間兩橫梁距 607mm，下橫梁距框架下端 853mm。見圖 3.6。
圖 3.9 前圍結(jié)構(gòu)圖
貨車前進或制動時，前圍受到一定沖擊，本次假設(shè)汽車以 0.75g 的制動減速來模擬，則單位載荷：
q =G/nl =503×103×0.75×9.8/（4×2300×10-3）=4.02（KN/m）
底架承受沖擊載荷大于前圍骨架所受沖擊載荷。因此前圍選擇的鋼材型號為Q235 鋼,[б]=235MPa.后由剪力圖得 Mmax=10.02KN/m,W≥8.03cm3。
所以支撐架選用矩形鋼管：初選 A×B（長×寬）：80mm×60mm。厚度 t=6mm 如圖 3.7。
圖 3.10 矩形鋼管截面圖
內(nèi)骨架選用矩形鋼管：初選 A×B：40mm×30mm，t=4mm 如圖 3.8。
圖 3.11 矩形鋼管截面圖
3.2.3 后圍骨架
貨車后圍組成有支撐框架和后門，框架結(jié)構(gòu)由矩形鋼管焊接之后得到。，車廂門設(shè)定為后門開啟，便于貨車裝載下卸，也有利于汽車的行駛安全。后門開啟與車廂外壁相疊。這樣的設(shè)計方式不占空間，狹窄地點作業(yè)時也便捷。后圍支撐架設(shè)計為寬 2400mm，高 2200mm 的骨架，中間橫梁距支撐架下端為 1550mm，如圖
3.9 所示。
圖 3.12 后圍支撐架結(jié)構(gòu)圖
支撐架選用矩形鋼管：A×B:80mm×60mm，t=6mm 后門骨架選用矩形鋼管：A×B:80mm×60mm，t=6mm
設(shè)計時注意到車門和支架之間需要鉸鏈連接，所以車門兩側(cè)在設(shè)計時應留出12mm 的空隙，由于支架和車門之間需要密封條，故車門上下各預留 6mm 的間隙。所以后門的尺寸設(shè)計為高 1550-12=1538mm，寬 2150÷2-12=1063mm 的骨架，再于支撐架中間焊兩條橫梁，距上下橫梁距離為 400mm，如圖 3.10 所示。
圖 3.13 后門結(jié)構(gòu)圖
3.2.4 側(cè)圍骨架
側(cè)圍外骨架初選為矩形骨架：A×B：40mm×30mm，t=4mm
其結(jié)構(gòu)為長 5900mm 高 2200mm 的骨架，中間橫梁分別相距 980mm，縱梁相距728mm 如圖 3.11 所示。
圖 3.14 側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)示意圖
3.2.3 頂圍骨架
在設(shè)計完前圍、側(cè)圍和后圍骨架的基礎(chǔ)上，頂圍骨架設(shè)計為為 6000mm，寬為2300mm。頂骨架結(jié)構(gòu)如圖 3.12 所示。其中橫向骨架之間間距均為 980mm。
圖 3.15 頂骨架結(jié)構(gòu)圖
3.2.4 整體骨架安裝
各部分設(shè)計完成之后，完成整體骨架的安裝。
3.3 車廂蒙皮設(shè)計
3.3.1 概述
設(shè)計車廂蒙皮時主要包括如下三個方面的內(nèi)容：1、根據(jù)設(shè)計好的車廂骨架進行蒙皮設(shè)計；2、對蒙皮的截面形狀進行設(shè)計；3、對一些必要的附件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計（如門鎖、包角等）。
3.3.2 車廂蒙皮的設(shè)計過程
結(jié)合已設(shè)計完成的車廂骨架尺寸，蒙皮采用 1.0mm 厚的冷軋鋼板，設(shè)計時通常事先會在薄板上加各種形狀的加強肋，以提高蒙皮的剛度。本次設(shè)計中，側(cè)圍截面和前圍截面采用矩形截面?？紤]到各個面受力情況不同，頂圍蒙皮和后圍蒙皮設(shè)計時不需要加加強肋。
（1） 前圍骨架蒙皮設(shè)計
本次設(shè)計過程中，前圍、側(cè)圍、后圍蒙皮設(shè)計均采用寬 100mm，高 40mm 的矩形截面，蒙皮與蒙皮接合的地方需要留有 15mm 左右的余量，這是設(shè)計結(jié)構(gòu)時所要求的；另一方面，由此補全骨架開檔和蒙皮本身存在的尺寸上的誤差。所以，
整個前圍的蒙皮寬度尺寸為 2300+30=2330mm，高度即為前圍骨架的高度 2200mm。
（2） 側(cè)圍骨架蒙皮設(shè)計
整個側(cè)圍的蒙皮寬度為 6000+30=6030mm，側(cè)圍骨架拉伸長度即為側(cè)圍骨架高度 2200mm。
（3） 后圍蒙皮設(shè)計
設(shè)計時由于后門需要安裝門鎖，所以后圍對剛度要求低于前圍和側(cè)圍，故后圍支撐架蒙皮采用 1mm 厚的鋼板即可。根據(jù)后圍支撐架的結(jié)構(gòu)，需做三塊薄鋼板， 后門兩塊，后圍上部一塊，計算后可得到后門上部鋼板尺寸長為 2200mm，寬為650mm。后門蒙皮尺寸為長 1538mm，寬為 1063mm，厚 1mm 的矩形鋼板。
圖 3.16 蒙皮示意圖
3.3.3 車身附件
設(shè)計時為使車廂蒙皮更加穩(wěn)固和美觀，通常在蒙皮對接處焊接上角度為90°，厚度為 1mm 的不銹鋼角鐵，在對接頂角處焊接 1mm 厚的不銹鋼包角。
4 駕駛室的參數(shù)確定
4.1 駕駛室骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計時相關(guān)車身總體尺寸由整車總布置確定，根據(jù)貨車行駛時各種因素產(chǎn)生的振動影響確定下貨車駕駛室大致的外形尺寸。
由對駕駛室拓撲結(jié)構(gòu)的分析，以及貨車運行中的實際要求，對駕駛區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行布置。本次設(shè)計計劃采用矩形材桁架結(jié)構(gòu)加 3mm 厚的鋼板蒙皮對駕駛室的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。骨架的合理布置和截面形狀的選擇是設(shè)計駕駛室骨架的主要求，因為駕駛室的強度要求主要是由骨架承擔。駕駛室骨架設(shè)計采用異型鋼制方管，選用截面為 30mm×30mm×4mm、60mm×40mm×4mm、80mm×60mm×4mm3 種鋼制方管骨架，基本骨架以截面為 60mm×40mm×3mm 的鋼制方管；支撐區(qū)選用的矩形管尺寸為 30mm×30mm×3mm 的；剛度要求較高的部分選用尺寸為 80mm×60mm
×4mm 的矩形鋼管，高強度的設(shè)計要求主要集中在前風窗下端部分。選取的材料的強度極限為 440Mpa，屈服極限為 353Mpa。駕駛室骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 4.1 所示。
圖 4.1 駕駛室骨架結(jié)構(gòu)圖
在車輛行駛過程中駕駛室存在多種極限工況，根據(jù) ECE-R29 法規(guī)中規(guī)定的部分試驗要求， 總結(jié)出載貨貨車駕駛室的 4 種基本工況，有彎曲工況、正碰工況、扭轉(zhuǎn)工況和頂壓工況。如表 4.1 所示。
23
表 4.1 各工況中施加的載荷和約束
工況類型
載荷施加
約束施加
彎曲工況
在駕駛室座椅的安裝位置處施加垂直向下的載荷，左、右
大小各取為 2 kN
分別施加 6 個自由度的約束在前、 后 4 個懸置點處
正碰工況
于駕駛室前部的左、右兩側(cè)施加由從前往后的力，取值為
0.8 kN
分別施加 6 個自由度的約束在前、 后 4 個懸置點處
扭轉(zhuǎn)工況
在后 2 個懸置點處豎直方向施加等大、反向的集中力，取
值 1.2 kN
施加 6 個自由度的約束在前
2 個懸置點處
頂壓工況
駕駛室頂部左、右處施加豎直
向下的力，取值為 2 kN
施加 6 個自由度的約束在
前、 后 4 個懸置點處
在各種工況條件下，材料所受應力均未超過駕駛骨架材料的強度極限和屈服極限，即表明本次骨架設(shè)計合理。
4.2 駕駛區(qū)蒙皮的選取與設(shè)計
駕駛室鐵板蒙皮有兩種主要設(shè)計形式：（1）對結(jié)構(gòu)強度并沒有發(fā)揮到作用， 蒙皮僅在美觀上起到作用；（2）蒙皮不僅美觀，而且也作為駕駛室結(jié)構(gòu)零件， 設(shè)計過程中需要與骨架件合成密封的盒狀截面結(jié)構(gòu)，也對整個駕駛室的強度方面起到作用。本駕駛室的蒙皮設(shè)計采用后一種設(shè)計方案，見圖 4.2。
圖 4.2 根據(jù)駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)構(gòu)建同尺寸駕駛室基本結(jié)構(gòu)
在此蒙皮結(jié)構(gòu)中，在引擎蓋、前風窗及其周圍處采用 3mm 厚的鋼板，與骨架合成密封的盒狀截面結(jié)構(gòu)，在其它部位采用 2mm 厚鋼板與骨架接合，形成盒狀截面結(jié)構(gòu)，蒙皮和骨架可以成為一個整體，對整個駕駛室強度方面起到加強作用。側(cè)圍按照前圍的形狀在側(cè)窗下面形成一條折痕線，把側(cè)面分成夾角 170°的兩個平面，這樣駕駛室的結(jié)構(gòu)整個也可以更加飽滿，內(nèi)部空間也得到擴大。
5 總結(jié)和展望
5.1 總結(jié)
綜合分析，現(xiàn)在設(shè)計師的研究重點普遍基于轎車，對于載貨汽車車身造型很容易被大眾忽略，當代物流業(yè)的發(fā)展正是大物流的發(fā)展，載貨汽車的車身結(jié)構(gòu)改進也需要得到大眾的目光。
本次設(shè)計中存在的一個比較大的問題就是，設(shè)計時沒有能夠提出一些新的改良等，較以前還是存在趨于定式化的問題。此外，車廂骨架設(shè)計中一些小附件才存在一些小小的誤差，也需要后期的一些妥善處理。
5.2 展望
（1） 鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計工作不易改型，需要開發(fā)鈑專門的鈑金沖壓模具，在專用車駕駛室開發(fā)制造中，成本偏高，并不實用。未來設(shè)計中希望可以通過拓撲優(yōu)化等手段構(gòu)建最終駕駛室，減輕駕駛室質(zhì)量。
（2） 以后設(shè)計中可以嘗試新材料，積極和國外接軌。
（3） 努力學習國外的新知識，希望未來可以在貨車車身方面做到更為細致的研究。
參 考 文 獻
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附錄一：外文原文
A Comprehensive Study of Single and Multiple Truck Crashes Using Violation and Crash Data
Abstract
Around 4,000 people died in crashes involving trucks in 2016 alone in the U.S., with 21 percent of these fatalities involving only single-unit trucks. Many studies have identified the underlying factors for truck crashes. However, few studies detected the factors unique to single and multiple crashes, and none have examined these underlying factors in conjunction with violation data. The current research assessed all of these factors using two approaches to improve truck safety. An injury/fatal crash was defined as a crash that results in an injury or fatality. The first approach investigated the contributory factors that increased the odds of injury/fatal single truck and multiple vehicle crashes with involvement of at least one truck. The literature has indicated that previous violations can be used to predict future violations and crashes. Therefore, the second approach used violations related to driver actions that could result in truck crashes. The analysis for the first approach indicated that driving on dry-roadway surfaces, driver distraction, and rollover/jackknife types of truck crashes, speed compliance failure, and higher posted speed limits are some of the factors that increased the odds of injury/fatal single and multiple vehicle crashes. With the second approach, the violations related to risky driver actions, which were underlying causes of truck crashes, were identified and analyses were run to identify the groups at increased risk of truck involved crashes. The results of violations indicated that being nonresident, driving off peak hours, and driving on weekends could increase the risk of truck involved crashes.
1. INTRODUCTION
Trucks are a crucial part of the United States economy. Trucks transport 80% of all freight in the
U.S. annually, which accounts for over $700 billion worth of goods [1]. The trucking industry in the U.S. moves about 10.5 billion tons annually, which is expected to increase to 27 billion tons by 2040 [2]. Moreover, seven million people, including more than three million drivers, are employed through this industry. However, truck crashes place a huge burden on the nation in terms of death, injury, and lost productivity. According to the Federal Motor Carrier Safety
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Administration (FMCSA), there were 667 truck occupant deaths (driver and passenger), and of those 667 deaths, 398 deaths occurred in single-vehicle crashes [3].
Wyoming has the highest fatality rate (24.7 death per 100,000 population) in the nation [4]. Wyoming also has the highest truck crash rate in the United States [5]. These high truck crash and fatality rates result from the high amount of through truck traffic on Wyoming interstates, adverse weather conditions, and mountainous geometric conditions.
However, truck crashes can be mitigated by improving truck safety through policies and regulations, which enhance the performance of the trucking industry without compromising safety. Various countermeasures have been taken in the United States organized into 4 E’s of safety. The 4 E’s include enforcement, education, engineering, and emergency response. Enforcement is one of the 4 E’s that can improve traffic safety. The performance of Wyoming highway patrol (WHP), and consequently road safety, could be improved by identification of the factors that increase the odds of future violations, and consequently future crashes [6, 7]. Thus, this study incorporates violation data, in addition to crash data, to identify the contributory factors to the violations that are likely to increase the odds of future crashes. Identification of these factors can help the WHP to put more emphasis on the contributory factors of risky violations resulting in traffic safety.
Truck crashes are complex events. They can involve single vehicles or two or more vehicles. Out of 700 truck occupant deaths that occur every year in the U.S., about 60% occur in single-vehicle truck crashes [8]. For each type of event, different contributory factors may play roles. Previous research indicated that there are significant differences between single and multiple vehicle crashes [9, 10]. Therefore, this study analyzed single truck and multiple vehicle crashes, with truck involvement, separately. This study investigated factors impacting different types of truck crashes by including vehicle, driver, and environmental factors. In addition, this study included violation data to identify the groups at higher risk of truck crashes by including only the violations contributing to truck crashes in this state. For the purpose of this study, a truck is defined as a commercial vehicle with gross vehicle weight rating greater than 10,000 pounds.
2. BACKGROUND
Based on FMCSA, the critical reasons for large truck crashes can be assigned to driver (87%), non-performance (12%), recognition (28%), decision (38%), performance (9%), and vehicle (10%) [11]. Lemp et al. (2011) used the ordered probit model to investigate the impact of vehicle, occupant, driver, and environmental characteristics on crash severity for those involved in heavy-duty truck crashes [12]. The results indicated that the odds of fatalities increase with the number of trailers and fall as the truck gross vehicle weight rating decreases. Khattak et al. (2003) used crash data in North Carolina during 1996-1998 to investigate the impact of truck rollovers and occupant injuries in single-vehicle crashes [8]. The results indicated that higher risk factors in single-truck-crashes inclu
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