轻型卡车车架综合成本降低的设计方法
摘要
降低成本是满足产品定价竞争和提高组织盈利能力的重要且持续的方法。 综合削减成本的工作包括所有可能的途径，例如替代材料及其采购系统，批量大小，材料处理，制造工艺改进，物流，最后审查和更改，以最大限度地获得最佳设计和降低成本。
本文介绍了一种从设计中考虑降低现有5.7Tonnne LCV卡车车架成本的系统方法。 该方法涉及识别用于降低成本的车架组件，重新设计与降低成本需求相适应的现有车架，对当前车架的初步性能评估和成本降低车架，重新设计用于性能的车架，详细的成本评估，原型制造，实验室测试，车辆水平测试和批量生产的最终发布。 底盘设计人员为重大设计变更做出了贡献，以最大限度地降低成本，同时不会因现有车架的弯曲或扭转刚度变化而影响耐用性或性能下降。
在进行全面研究之后，确定了移除面板和用通道型横向构件替换管状横向构件将有助于节省车架的潜在成本。 通过这些输入，可以实现降低成本车架的概念设计。
底盘车架的重要性能特征是结构完整性（强度和刚度）和耐用性。 基于这些性能特征评估车架的陈本降低。
成本降低车架的最终设计是基于车架的结构完整性的CAE分析得出的，由于使用多学科优化（MDO）包而消除了迭代操作的数量。关注车架的强度和刚度不同载荷情况被认为是一个例子。
在试验台上还测量了现有车架和降低成本车架的弯曲和扭转刚度。发现成本降低车架的弯曲刚度比现有车架高9.15％，并且成本降低车架的扭转刚度更接近现有车架。还发现弯曲的现有车架和成本降低车架的耐久性几乎相同。测试规范是基于我们折磨轨道中现有车架的应变测量得出的。
上述方法帮助我们通过改进的车架设计得出了估计的每个成本节省311卢比。还有其他无形的好处，例如由于取消了面板而节省了人工成本，节省了面板焊接的加工成本等。预估的成本节省可能是上述金额的两倍，并且将导致减少3.5％的机箱车架总成本。
简介
其中一种塔塔汽车公司的流行LCV卡车型号在印度成功运营了十多年，每年销售量超过20,000个，被认为是通过名为“ICR-综合成本降低”的流程获得降低成本效益的典范。
制作此LCV模型的每个总成本/组件成本与其设计和价值工程方面一起被收集和分析。
确定并采取了以下有效方法：
）电子采购 - 例如 轴承，轮胎，电器
ii）替代采购，包括外部国家
iii）通过汇总的子汇总来增强供应商的最终价值
iv）部分保修更换而不是整个组件。
v）价值工程和设计修改
a）材料/厚度变化
b）将两个流体容器合并为一个
c）锻造部件改为低成本球墨铸铁铸件
d）将两个锻造部件组合成一个例如带拉杆臂的短轴
e）两个螺旋桨轴更换为单个螺旋桨轴，用于较短的轮距版本
f）底盘车架组件设计修改
为项目选择的车辆如下所示，通过在一年半的时间内纳入所有上述想法，这种特定的车辆模型成本降低了9000卢比。 这几乎是车辆成本的2％。
问题的定义和方法
现有底盘在印度和其他少数几个国家的所有不同的地区都在运行，这些地区存在各种滥用负载的情况，并且没有任何重大投诉。 这可以被视为正式接受和验证的设计。 我们的目标是在不牺牲对底盘设计有害的重要参数的情况下减少结构重量和成本，例如： 弯曲刚度，扭转刚度，固有频率，可制造性方面和装载位置。 由于有实现相同性能和减轻重量的压力，这使得降低成本的任务变得更加困难。
这项工作的目标是建立一个系统的程序，用于评估和优化现有LCV梯形底盘车架的耐久性，并在未来将其扩展到其他LCV底盘车架文正在详细阐述从改进的底盘车架设计选项中获得的降低成本的经验。
底盘车架由两个长构件和横向构件组成，它们通过螺栓连接和铆接连接。 该车架中的关键部件是长构件，因为它是扭转和弯曲中的主要承载构件。优化长构件的可靠性非常重要。
根据过去关键位置数据的分析历史和现有底盘车架的CAE计算，以下位置已成为最可能的临界区域，代表超过75％的材料屈服强度。
1）FSB前部上方的长构件底部轮缘（前弹簧吊架前支架）。
2）FSB后部和发动机安装横梁之间的长构件底部轮缘。
3）长部件顶部轮缘靠近驾驶室安装后支架。
4）在第一个防滑钉安装位置附近的长构件底部凸缘。
5）RSB前部附近的长构件顶部轮缘（后弹簧吊架后支架）。
6）中心轴承横梁接头附近的长构件。
7）RSB后方附近的长构件。
8）RSB前后管状横梁端部加固和固定。
用于可靠性的车架的设计优化应该集中在长构件的上述关键位置上。
可用数据：
1）自2002年1月起批量生产36个月的车架项保修数据。
2）剪切力和弯矩图。
3）车架的过去CAE分析结果。
4）LCV车架在试验台中测试的弯曲和扭转的耐久性。
5）车架的三维CAD模型
6）典型车架项的参数化模型
车架细节：
- 长构件部分：C形截面180X55X4mm厚，在正面长度有局部装箱
2）车架宽度：820mm
3）无。 交叉部件：6
4）横梁类型：横梁1和6的通道类型，横梁3和4的管状部分和横梁2的帽部分。车架的细节如下图所示
设计目标：
1）在保持刚度后，通过减轻重量约2％来降低底盘架的成本，强度参数与底架相同。考虑以下参数
a。扭转刚度=基值 /- 10％kN.m / deg
b。弯曲刚度=基础值 5％kN / mm
c。自然频率 - 第一模式=大约10赫兹，从远离干扰的前悬架固有频率转移。
2）车架组装生产周期缩短5％
3）根据我们的内部实践，DFMEA学习，以及如下所述，为上述每个设计目标提供了权重因子，
a）弯曲刚度 - 10
b）扭转刚度 - 9
c）固有频率 - 8
这些称重因子的范围为1到10个点。
设计变量：
在MDO过程中，以下设计参数被视为长构件（轨道）的变量，
1）车架各部分的厚度变化（附加修复）。
2）沿长度方向的可变截面横梁。
3）铆钉和螺栓的细木工的位置，尺寸和类型。
在开始项目之前，确定了每个设计变量的范围和类型。在研究期间没有必要考虑所有这些变量。这些被认为是可能被调查的变量类型的示例。
做法：
为确保设计的可靠性，疲劳寿命性能通常是当今CAE耐久性评估的一个组成部分。除了满足在规定的加载条件下允许的变形，应力和应变的设计目标之外，可靠的结构还应该按照预期的最小数量加载循环执行。疲劳寿命预测通常根据基于有限元的模拟结果计算。
当设计不能满足所有性能目标时，必须反复修改设计，直到找到合适的数据。如果手动完成，此过程效率非常低且成本高，因为必须构建，执行和评估许多CAE模型。
使用商业上可用的多学科设计优化软件包，其消除麻烦的手动迭代，同时为具有挑战性的设计问题提供更好和更有效的解决方案。它使用智能和自适应技术能有效地搜索广泛和复杂的设计空间，找到最符合所有性能规格的设计。该软件与现有的CAD和CAE工具配合使用，可以修改设计属性并预测设计的性能。在搜索最佳设计时，自动迭代地执行这些步骤。
该设计过程将应用于当前的底盘结构，以满足疲劳寿命可靠性和其他标准。 有限元计算和疲劳寿命评估将使用公司提供的工具进行，并将用于自动化迭代过程并智能地搜索满足所有设计目标的优化设计。 以下流程用于此多学科优化
使用此过程自动化功能，将为每个设计迭代执行以下步骤：
1）Pro-Engineer和IDEAS CAD工具用于创建几何模型，并根据用户指定的形状和厚度设计变量值，为每个提议的设计生成有限元网格。
2）有限元求解器NASTRAN用于预测每个设计的应力，应变，整体刚度和固有频率。
3）图1详细介绍了MDO工具与其他软件的接口
类似地，图2所示的过程的GUI(图形用户界面)是借助辅助工具建立的。
下面的幻灯片显示了优化所考虑的变量。
下面的幻灯片显示了被考虑用于模拟的响应。
从优化得到的最佳结果如图3所示。
该优化技术保证了车架的刚度性能与已有多年的车架结构保持一致。强度分析和耐久性分析 以确保演出符合要求。
在完成并保证了仿真性能的基础上，进行了一些具体的测试。(图4)
下面两张幻灯片描述了模拟结果与测试结果之间的关系。
结论
本文重点介绍了现有车型降低成本的各种可能途径，重点是底盘车架设计优化，保持其性能和耐久性要求。在这个过程中，我们可以减少每辆车的底盘车架的重量1.6公斤。这导致每年钢材消耗量减少超过32吨，达到近100万吨。 减少来自钢铁厂的二氧化碳和微粒污染项目，从而带来更好的环境效益。它还为修改现有的车架已证明的设计提供了方向。 在不进行昂贵和耗时的车辆和部件水平测试的情况下，对任何结构项目进行改装。这个小小的倡议优化练习肯定会使我们获得所有现有的车架设计，以获得最大的成本和减轻重量的好处。
在本实验结束时，除了10 Hz的固有频率目标外，我们已经达到了所有设计目标。 我们可以达到6~7 Hz，这高于5.5Hz的基本版本。 本实验的基本目标是在不降低现有性能的情况下实现现有底盘车架的重量和成本降低。 因此，我们已经接受了一阶自然频率的30％的改善。
就车架装配生产率而言，目标时间仅减少3.5％而不是目标5％。 这是由于交叉部件的额外负载。
认证
本文作者对以下人士表示衷心的感谢：博士，主管技术，Mr(服务)，Mr(志愿)，Mr，Sr，GM，Ma 中银汽车有限公司副主任先生(实习主任)如果没有他们的支持和指导，这份文件就不可能以这种形式提出。
车架刚度对重型卡车的影响
摘要
车架的刚度对重型卡车的乘坐舒适性有很大影响。在乘坐舒适性方面，减小车架厚度被证明是不可接受的，这通过测试结果得到证实。卡车车架经过加固，以提高乘坐舒适性。模态分析表明，车辆的俯仰频率增加了0.5 Hz，频率响应减少了20％。为了研究车架刚度对重型卡车乘坐舒适性的影响，MSC.ADAMS建立了包括柔性车架，底盘悬架，驾驶室悬架，传动系统等的详细模型。仿真结果表明，通过加强车架可以提高乘坐舒适性，乘坐舒适性可提高5％~10％。这项研究的结果需要通过现场测试进一步检查。
介绍
乘坐舒适性简单地定义为由路面粗糙度激励的车辆的振动性能，通常当车辆以特定的恒定速度在道路轮廓上移动时。由于长途转移和长时间驾驶，乘坐舒适性是重型卡车的重要指标。设计一辆具有良好乘坐舒适性的卡车对工程师来说是一个挑战。
影响乘坐舒适性的因素有很多，包括激励源（如道路激励，车轮装配，动力传动装置等），以及底盘悬架，驾驶室悬架，椅子等。但是，弯曲模式车架也会影响乘坐舒适性。同时，原始设备制造商（OEM）希望减轻卡车的重量。轻型卡车的含义非常明显：它允许操作员运送更多货物。总是使用较薄的车架来减轻车辆的重量。然而，减小卡车车架会引起许多问题，例如可靠性，安全性，乘坐舒适性等。有一些与车架刚度有关的研究。 Gillespie [1]得出的结论是，弯曲模式可以显着增加驾驶室内产生的行驶振动，其方向和严重程度取决于驾驶室的位置，增加车架的刚度可以提高卡车的乘坐舒适性。 Ahmadian [2]介绍了车架厚度对重型卡车行驶的影响的实验研究，通过B柱垂直和前后加速度进行评估。结果表明，薄车架可以在B柱加速度中产生更大的车架光束贡献，特别是当卡车经受滚动输入时。根据研究[3,4,5,6,7,8]，卡车在车辆驾驶的关注范围内具有非常多的固有频率。通常，在该范围内可以发现大约20个频率和模式。车架具有多种振动模式，以不同的频率发生。最重要的模式是弯曲模式，也称为“发射”。发射频率通常是第一种振动模式，发生在6~9HZ之间[9]。
为了提高重型卡车的乘坐舒适性，MSC.ADAMS软件构建并组装了详细模型，包括柔性车架，底盘悬架，驾驶室悬架，动力总成，传动系统等。柔性车架和刚性车架之间的比较表明，刚性车架可以获得更好的乘坐舒适性。进行优化以增强车架的刚度。
仿真结果表明，优化后的车架舒适性得到了提高。
车辆多体动力学模型
车架模型
货车在道路上行驶时，车架的变形对行车舒适性有很大的影响。因此，在建立模型时必须考虑车架刚度的影响。第一 车架的三维模型将导入该软件。然后在软件中进行模态分析。自由模态的结果见表1。
所用卡车的前悬架是一种悬架。该模型主要包括前桥、前轴、激波等，并根据实际结构进行了适当的简化。副车通过支座连接到车架上，同时与前轴通过平顺连接，冲击连接在车架上， 前轴分别按托架。采用离散梁对模型进行建模。前面的悬架模型显示在。
准悬挂模型
后悬架由后轴等组成。后悬架的建模方法与前悬架相似。采用离散梁对模型进行建模。模型是如图3所示。
准悬挂模型
驾驶室悬挂采用固定四点悬吊系统.座椅设置为机械弹簧悬挂座椅。用四点悬架建模，就像弹簧一样。 在建模过程中对机械座椅进行仿真。所建立的CAB刚性模型如图4所示。
准模型
它被视为具有质量和惯性
资料编号：[5070]
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