柴油动力SUV汽车车架与制动系统设计

1第一章前言自1886年第一辆汽车产生以来，汽车工业从无到有，迅速发展，产量大幅度的增加，技术月新日异。汽车的种类也不断的增多，功能也在不断增加，其性能得到不断的提高，SUV汽车就是在这样的形势产生的。SUV是英文SportsUtilityVehicles的缩写，中文意思是运动型多用途汽车，它既具备中高档轿车的舒适性外，还要有更高的越野性和安全性，并有运动感，便于日常生活、外出旅行和野外休闲。因此，SUV汽车车架和制动系统的性能要求就会更高些，以适应其特点的要求。车辆的主要的总成，部件等都安装在车架上，车架是个重要的承载总成，它还承受各机构产生的反作用力和行驶中的动载荷，因此，车架的设计要求有高的强度和刚度，尽量结构简单，轻量化。制动系统性能的好坏直接影响汽车的安全制动，所以设计时要尽量提高其制动器的制动性能，以保证汽车制动的安全性。本次设计的主要任务是设计柴油动力的SUV汽车的车架和制动系统的设计，通过对汽车车架和制动系的结构分析，和参数的选择，最终确定其布置设计方案。车架设计部分，重点对车架的结构形式进行分析，选择车架形式，初选其主要的结构尺寸，然后根据车架在实际的运行过程中的受力状况进行强度和刚度校核，最终确定其结构尺寸。同样制动系统的设计本着结构设计简单，经济使用的原则，其行车制动选择前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器的前盘后鼓式制动，驻车制动采用结构简单的机械式后轮驻车制动。在设计的过程中，我得到李老师和同学们的帮助，并且参考了不少的专业书籍和行业杂志和标准，在此一并感谢。由于汽车车架和制动系统的设计涉及到机械，液压，焊接等多学科的知识，而本人由于能力有限，在设计的过程中，难免会有不少疏漏，不足之处，敬请各位老师，同学指正。2第二章车架设计§2.1概述车架是汽车的装配基体和承载基体，其功用是支撑连接汽车的各总成或零部件，将它组成一完整的汽车。同时，车架还承受来自车内外的各种载荷。为了车架完成上述功能，通常对车架有如下要求：（1）要求有足够的强度，保证在各个复杂受力的情况下车架不受破坏。要求有足够的疲劳强度以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重的变形和开列。（2）要求有足够的弯曲强度。保证汽车在各个受力复杂的使用条件下，安装在车架上的各总成不致因为车架的变形而早期损坏或失去正常的工作能力。车架的最大弯曲挠度通常应不大于10mm。(3)要求有适当的扭转刚度。当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求车架具有合适的扭转刚度。但车架扭转刚度不宜过大，否则使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。通常在使用中其轴间的扭角约为1°/m。（4）要求尽量减轻质量。保证强度，刚度的前提下，车架的自身质量应尽可能的小，以减小整车质量，因此，车架应按等强度的原则进行设计。通常要求车架的质量应小于整车整备质量的10％。从被动安全性考虑，乘用车车架应具有易于吸收撞击能量的特点。此外，车架设计时还应该考虑车型系列化及改装车等方面的要求。§2.2车架的结构设计§2.2.1车架的结构型式根据纵梁的结构的特点，车架可分为以下几种结构型式：（一）周边式车架3该车架的目的主要是尽可能的降低地板的高度，这种车架前后两端纵梁收缩，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮的最大转向角，后端的宽度取决于后轮距，中部的宽度取决于车门门槛梁的内壁宽。这种车架的最大的特点是：前后狭窄端系通过所谓的缓冲臂或抗扭盒与中部纵梁焊接相连，前缓冲臂位于前围板下部倾斜踏板前方，后缓冲臂位于后座下方。由于它是一种曲柄式结构，容许缓冲臂具有一定程度的弹性变形，它可以吸收来自不平路面的冲击和降低车内的噪音。其缺点：结构复杂而且成本较高。所以周边式车架广泛用于中高级以上轿车。（二）X型车架由于车架的中部为汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉型梁，形成俯视图上的X形状。其目的可以提高车架的抗扭刚度。但是地板中间的凸包拱起太大，影响后座乘客搁脚，此外由于制造工艺较复杂，所以用的并不太广。（三）梯形车架又称边两式车架，是由两根互相平行的纵梁和若干根横梁组成。其弯曲刚度较大，而当承受扭矩时，各部分同时产生弯曲和转矩。其优点是便于安装车身，车箱和布置其他总成，易于汽车的改装和变型，因此被广泛的用在载货汽车，越野汽车，特种车辆等车上。该车架宽度有三种形式：（1）前窄后宽对前轮转向和转向拉杆留出足够的空间，往往采用这种型式（2）前宽后窄由于重型货车车辆后轴载荷大，轮胎和钢板弹簧都加宽，同时又有安装尺寸大的发动机，所以只好减少前轮的转向角，使车架成为前宽后窄的形式。（3）前后等宽只要总布置允许，应尽量采用这种方法，因为在冲压不等宽的纵梁时，容易在转折处的上下冀面上产生“波纹区”引起引力集中致使早期出现裂纹或断裂。同时，前后等宽车架制造工艺简单。(四)脊梁式车架脊梁式车架有一根位于汽车左右对称中心的大端面管形梁和某些悬伸托架构成，犹如一根脊梁。管梁将动力-传动轴从其中间通过，故采用这种结构4时驱动桥必须是断开式的并与独立悬架相匹配。与其它类型车架相比较，其扭转刚度最大。容许车轮有较大的跳动空间，使汽车有较好的平顺性和通过性。但车架的制造工艺复杂，维修不便，近应用于某些对平顺性，通过性要求较高的汽车上。（五）桁架式车架又称空间车架，这种立体结构式的车架由钢管组合焊接而成，兼有车架和车身的作用。它刚度大，质量轻，但制造工艺性差。本次设计的是SUV汽车的车架，根据SUV汽车的特点，由以上车架型式的分析，应力求结构简单制造容易，各总成安装方便，可选用前窄后宽的结构型式。§2.2.2车架的结构设计(一)纵梁的结构纵梁是车架的主要承载元件，也是车架中最大的加工件，其形状力求简单。其长度大体与总车长度相当，车架总长4400mm。本车架设计选择了扭转刚度较大、横截而高度相对较小的上、下翼而和腹板均为平直的等直环形截面纵梁(非标型钢)。（二）横梁的结构横梁将左右纵梁联在一起，构成一完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，限制其变形和降低某些部位的应力。横梁还起着支撑某些总成的作用。因此.车架横梁的布置及结构型式.首先必须满足整车兑布置的要求。汽车的车架的横梁分布与有关总成，车身的支撑位置等有关，本设计的前横梁用作水箱和散热风扇的支撑。在车架中段则配置了抗弯截面模量较小却便于支承发动机和变速器及传动轴`后钢板弹簧前、后支座并抵抗一者对车架纵梁所产生的较大局部扭转力矩，则分别设置了圆形断面的后钢板弹簧前支座横梁(即第五横梁)和后钢板弹簧后支座横梁（即第六横梁）此外，本车架尾部还设置了槽形断而的尾横梁(即第七横梁)。（三）横梁与纵梁的连接选择横梁的断面形状时既要考虑其受载情况又要考虑其支撑总成的支撑方便封闭断面梁和管梁的扭转刚度大，宜用于需要加强扭转刚度处。正确选择和合理的设计横梁和纵梁的节点结构是横梁设计的重要问题.5常见横梁与纵梁的连接方式有以下几种形式：（见图2-1）图2-1横梁与纵梁的联接(1)横梁和上下翼缘相连接（图2-1a）该种连接方式优点是利于提高纵梁的抗扭刚度。缺点是当车架产生较大扭转变形时，纵梁上下翼面应力将大幅度增加，易引起纵梁上下翼面的早期损坏。由于车架前后两端扭转变形较小，因此本车架前后两端采用了该种连接方式为了提高纵梁的扭转刚度采用了纵向连接尺寸较大的连接板。(2)横梁和纵梁的腹板相连接（图2-1b）横梁仅固定在腹板上,这种连接形式连接刚度较差，允许截面产生自由跷曲，可以在车架下翼面变形较大区域采用，以避免纵梁上下翼面早期损坏。本车架中部变形较大，因此在中部的两个横梁采用该种连接方式。(3)横梁同时和纵梁的任意翼缘以及腹板相连接（图2-1c）横梁同时与纵梁的腹板及上或下翼板相连，此种连接方式兼有以上两种方式连接的特点，但作用在纵梁上的力直接传递到横梁上，对横梁的强度要求较高。由于该车平衡悬架的推力杆与平衡悬架支架上的两根横梁连接，因此，这两根横梁与纵梁共同承受平衡悬架传递过来的垂直力(反)和纵向力(牵引力、制动力)。（四）横梁在纵梁上的固定方法横梁在纵梁上的固定可分为铆接，焊接和螺栓连接等几种方法。铆接的成本低，适合大量生产，在此情况下横梁的弯曲刚度取决于铆钉的数量及其布置。焊接能保证有很高的弯曲刚度，且连接牢固，不致有松动危险，但要求较高的焊接质量，合理的焊接夹具，适用于小批量生产和闭口截面车架。螺栓连接主要采用在某些为了适应各种特殊使用条件的汽车车架上，以使装在车架上的某些部件得以互换或拆卸。其缺点在长期的使用中，容易松6动。为了降低成本和适于批量生产，本车架纵梁和横梁的连接方式采用焊接。（五）加强板的布置车架中部(即从前悬后支架到平衡悬架支架之间)所受弯曲、扭曲最大，而且还是水平方向弯曲最大的部位。因此在这一区域应加加强板，考虑到零件的工艺性，采用了I形的加强板，由于下翼板所受弯曲应力较大，因此，I.板紧贴下翼板，为了避免下翼板由于钻孔而导致抗弯强度下降，除与后加强板重叠部位，该加强板主要与腹板连接。加架后部由于平衡悬架为一点支撑固定在车架纵梁上，因而纵梁在平衡悬架支架处受很大支撑反力。为了保证该区域抗弯强度和扭转刚度以及固定悬架支撑，在这里布置了两块既是加强板又是横梁连接板的纵梁加强板。上部为I“形加强板，固定在纵梁内部紧贴上翼板;下部为平面加强板，固定在纵梁外部紧贴下翼板。加强板端头形状与应力集中在纵梁上加上加强板，加强板端头区域车架容易产生集中应力。为了降低应力集中，加强板端头形状有三种设计方式，见图2-2：图2-2加强板端头连接方式§2.3车架的制造工艺及材料本车架的组装采用焊接连接，所以设计时应注意对焊接规范，焊缝布置及焊接顺序的选择，为保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹紧，特别应保证有关总成在车架上的定位尺寸及支承点的相对位置精度。车架材料应具有足够的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性和焊接性能低碳和中碳低合金钢能满足这些要求。车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需要采用冲7压性能好的低碳钢或低碳合金钢08、09MnL、09MnREL等钢板制造；拉伸尺寸不大，形状有不复杂的冲压件常采用强度稍高的20、25、46MnL、09SiVL、10TiL等钢板制造。强度更高的钢板在冷冲的易开裂且冲压回弹较大，鼓不宜采用。有的重型货车、自卸车、越野车为了提高车架强度，减小质量而采用中碳合金钢板热压成型，在经过热处理，例如采用30Ti钢板的纵梁经正火后抗拉强度既由450MPa（HB156）提高到480～620MPa（HB170）。用30Ti钢板制造纵横梁也棵采用冷冲压工艺。钢板经冷冲压成型后，其疲劳强度降低，静强度提高，延伸率较小的材料的降低幅度更大，常用车架材料在冲压成型后的疲劳强度为140～160MPa。货车根据其装载质量的不同轻、中、重货车虫牙纵梁的钢板厚度为5.0～7.0mm，重型货车冲压纵梁的钢板厚度为7.0～9.0mm，槽型钢断面纵梁上、下翼缘的宽度尺寸约为其腹板高度尺寸的35%～40%。车架的纵横梁和其它3零件制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大型压力机上冲孔及形成；也有采用槽钢、工字钢、管料等型材料制造的，货车车架的组装多采用冷铆工艺，必需时也可采用特制的放松螺栓联接，为了保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和夹紧，特别应保证有关总成在车架声的定位尺寸及支承点的相对位置精度。我国汽车行业多用16MnL作为车架的纵、横梁板材，这种低碳合金钢热扎锰钢板的屈服极限和强度极限都比普通碳素钢结构钢高得多，能保证车架在恶劣条件下可靠地工作。对于形状复杂或要求深度压延的横梁可采用普通碳素钢。用16MnL或碳素钢制造的车架均不进行热处理。所以，本车架纵横梁均采用16MnL。§2.4车架的计算§2.4.1车架的受载分析汽车的使用条件复杂，其受力情况也十分复杂，随着汽车使用条件的变化，车架上的载荷变化也很大。车架的载荷大致可以分为以下几种：1，静载荷静载荷是指汽车静止时，车架所承受的悬架弹簧以上部分载荷，它包括：车架质