车架设计的基础知识

福田轻型载货汽车车架设计提纲8.1整车对车架的要求8.2车架的受力情况分析8.3车架的结构分析8.3.1车架的基本结构形式8.3.2车架宽度的确定8.3.3纵梁的形式、主参数的选择8.3.4车架的横梁及结构形式以及材料的选择8.3.5车架的连接方式及特点以及材料的选择8.3.6载货车辆采用铆接车架的优点8.3.7车架设计的公差分析与控制8.4车架的计算8.4.1简单强度计算分析8.4.2简单刚度计算分析8.4.3CAE综合分析8.5车架设计注意事项8.5.1概述8.5.2焊接车架注意事项8.5.3铆接车架注意事项8.5.4车架的通用化设计8.5.5车架的轻量化设计8.6附表附表（一）现有车架参数一览表附表（二）BJ1046E6西南车型设计方案计算书附表（三）轻量化设计实例附表（四）常用纵梁材料牌号的选用、标注附表（五）常用部分国标牌号钢材与企标牌号汽车梁用钢板牌号及成份、性能对照对比8.1整车对车架的要求车架是整车各总成的安装基体，对它有以下要求：1.有足够的强度。要求受复杂的各种载荷而不破坏。要有足够的疲劳强度，在大修里程内不发生疲劳破坏。2.要有足够的弯曲刚度。保证整车在复杂的受力条件下，固定在车架上的各总成不会因车架的变形而早期损坏或失去正常工作能力。3.要有足够的扭转刚度。当汽车行使在不平的路面上时，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。对载货汽车，对扭转刚度具体要求如下：3.1车架前端到驾驶室后围这一段车架的扭转刚度较高，因为这一段装有前悬架和方向机，如刚度弱而使车架产生扭转变形，势必会影响转向几何特性而导致操纵稳定性变坏。对独立悬架的车型这一点很重要。3.2包括后悬架在内的车架后部一段的扭转刚度也应较高，防止由于车架产生变形而影响轴转向，侧倾稳定性等。3.3驾驶室后围到驾驶室前吊耳以前部分车架的刚度应低一些，前后的刚度较高，而大部分的变形都集中在车架中部，还可防止因应力集中而造成局部损坏现象。4.尽量减轻质量，按等强度要求设计。8.2车架的受力情况分析1.垂直静载荷：车身、车架的自重、装在车架上个总成的载重和有效载荷（乘员和货物），该载荷使车架产生弯曲变形。2.对称垂直动载荷：车辆在水平道路上高速行使时产生，其值取决于垂直静载荷和加速度，使车架产生弯曲变形。3.斜对称动载荷在不平道路上行使时产生的。前后车轮不在同一平面上，车架和车身一起歪斜，使车架发生扭转变形。其大小与道路情况，车身、车架及车架的刚度有关。4.其它载荷4.1汽车加速和减速时，轴荷重新分配引起垂直载荷。4.2汽车转弯时产生的侧向力。4.3一前轮撞在凸包上，车架水平方向上产生箭切变形。4.4装在车架上总成（方向机、发动机、减振器）产生的作用反力。2.5载荷作用线不通过纵梁的弯曲中心（油箱、悬架）而使纵梁产生局部受扭。因此车架的受力是一复杂的空间力系，纵梁和横梁截面形状和连接的多变多样，使车架的受载更复杂化。车架CAE分析一轮悬空这种极限工况，即解除一个车轮的约束，分析车架弯扭组合情况下的最大应力。普通载货汽车车架的弯矩图如下：8.3车架的结构分析8.3.1车架的基本结构形式边梁式（载货车、中客、大客车常用结构）框式周边式（复杂的边梁式，越野车、轿车常用）车架X型式（X型横梁，抗扭性能强）脊梁式（抗扭性能好）综合式（前后框式、中间脊梁式）目前公司各种车架基本都是边梁式车架。车架总成是一种受力情况非常复杂的构件。目前，在进行车架设计时，首先参考国内外现有的同内型汽车车架纵梁的端面尺寸，根据总布置的要求（纵梁端面尺寸的大小直接影响整车的质心的高度）选取车架车架纵梁端面尺寸，然后对其进行静态抗弯强度计算，并根据需要对其采用有限元进行静态、弯扭等工况的分析计算。由于车架总成在汽车行驶过程中受力情况非常复杂，很难对其进行准确的计算，所以在正式投产前还需进行道路试验（或MTS道路模拟试验）来检验车架的强度是否满足使用要求。由于绝大部分总成部件都是通过车架来固定其位置的的，所以车架的结构形式首先应满足总布置的要求。8.3.2车架宽度对于边梁式（梯形）结构车架，其宽度是指车架上由横梁所固定的左、右纵梁腹板间的宽度。汽车的全宽决定以后，车架的宽度就可以根据装在车架外侧的轮胎、钢板弹簧和装在车架内侧的发动机等尺寸来确定。在车架设计时，为了提高整车的横向稳定性和减少前、后桥以及车厢横梁的弯曲力矩，一般希望加大车架的宽度。影响车架宽度的因素很多，在布置时应主要考虑：整车外宽、前轮和后轮轮距、安装发动机及操纵机构所需要的空间、轮胎及悬挂的空间、转向所需要的空间等。我国行业标准ZB/TT43003-89固定了载货汽车车架宽度宽度一般在700-950mm之间，如下表：单位：mm基本尺寸860800780750700极限偏差±10在车架设计中，为了解决总布置与车架宽度的矛盾，通常采用以下几种结构形式的车架：1、前窄后宽式车架这主要是为了满足前轮转向的需要，目前我公司奥铃轻卡均采用了这种结构的车架，有效地2、前宽后窄式车架该结构车架以往一般多应用在重型载货汽车上。因为重型载货汽车的后轴荷较大，轮胎及钢板弹簧都要加宽，同时所采用的发动机外型尺寸都较大，故只好减少前轮转向角，最终使车架成为前宽后窄的形式。我公司殴曼重卡型载货汽车的车架就是该种结构。由于该结构的车架纵梁在转折处其上、下翼面易产生皱纹区，容易引起应力集中而导致纵梁的早期损坏，故在中、重型载货汽车上应尽量避免采用该种结构的车架。3、前、后等宽式车架在整车总布置允许的条件下，应尽量采用前、后等宽式车架，因为该结构车架的制造工艺简单，不存在不等宽车架在该皱纹区易产生应力集中的缺点。目前，绝大多数的中、重型载货汽车均采用前、后等宽式车架。我公司3200mm轴距时代轻卡的车架也采用了该种结构，同时其纵梁直接采用成形钢材或滚压成形，大大简化了实际生产和提高了生产效率，且车架总成成本较低，迅速满足了市场的需求。4、前后收缩式车架有时为了满足总布置的需要，也采用了前后收缩式车架，有效地布置了大型的发动机。8.3.2.2车架宽度的确定车架的宽度主要由前后轮距确定的，确定车架的宽度按以下原则进行：①车架前部宽度主要考虑前轮的最大转角，选用成型的方向机要考虑方向机的安装，有时结合驾驶室的安装统一考虑。②车架中部的宽度要考虑发动机及发动机附件（排气管、变速操纵杆）的安装。③为考虑高速车的稳定性，希望增加车架后部宽度，以便能加大后簧托距而不使板簧支架的悬臂过长。如BJ1027A和CA1026的托距都很大，1032单胎系列五星轻卡也一样。④对双胎车，后轮距一确定，车架后部宽度取决于轮胎、板簧、车架三者的间隙。⑤从简化工艺的角度看，最好做成前后等宽，对低价位的产品，这一点很重要，如BJ1046E6就是采用这种结构设计的。⑥考虑标准的要求，我国汽车专业标准规定中型载货车边梁式车架的宽度为864±5mm，EQ140车架的宽度为861。车架宽度选择的典型结构：①轿车、微型车和单胎轻型车车架做成前窄后宽结构，前部窄是为了增大前轮转角。从发动机安装处开始加宽，后宽是确保加大后簧托距而不使板簧支架的悬臂过长，最典型的是CA1026车架，前部宽度760，后部840。②双胎载货车，做成前宽后窄结构。如1028非独立悬架的五星小卡（前740，后640）和五十玲NPR（前935，后810）。③1049（NKR55LL）是以上两种车架的综合，前部宽度630、中部740、后部700；五十玲NHR单胎车型前部宽度630，中部中部740、后部800。8.3.3纵梁的型式、主参数的选择8.3.3.1纵梁的型式纵梁主要有以下五种形式：槽型薄壁断面、闭口薄闭断面、Z字型断面、工字型断面等。其中重型载货汽车和超重型载货汽车采用工字型结构截面的型材，Z字型断面不常用。在此主要讨论前面两种结构形式的纵梁断面。两种结构（相同的断面面积）的优缺点如下：型式图示抗弯性能抗扭性能材料利用率固定资产投入总布置方便性变形方便性车架工艺应用情况槽型薄壁断面好很差较好大好差铆接为主，小部分焊接批量应用于各种载货、中型和轻型载货车辆闭口薄闭断面成型管较差较好差小较差好焊接部分轻型车，如BJ1022、现代小货车，部分越野车，福田小卡焊接结构一般很大好差微型货车、皮卡、越野车不同的断面形状，抗弯与抗扭的性能是不一样的具体见下表断面形状断面面积F惯性矩JX抗弯断面系数WX极惯性矩JP抗扭断面系数WP槽型断面1001001000.54矩形断面10081823250圆形断面10076791001008.3.3.2纵梁主参数的选择1、要满足强度和刚度需要，具体从以下三个方面考虑：①根据轴距对车架刚度的初步验算；②同类车型的类比分析，具体见附表（一）。③初步的强度计算。2、要考虑规划中产品对车架断面的要求，满足产品系列化对车架纵梁强度和刚度的要求。3、车架纵梁要尽量简单，减少断面急剧过度及弯曲，减少应力集中。4、通过CAE分析，最终确定车架强度和加强板的形状和结构形式。对槽型梁结构，要注意纵梁高宽比的确定，通常范围为2.8—3.5之间，例如1029车架为170/55=3.09比较合适。1046E6为195/55=3.54，宽度偏小。8.3.3.3纵梁的材料对闭口薄闭断面矩形车架纵梁，公司一直选用10号钢，目前已累计生产30万台以上，应用情况良好，这种材料虽强度指标不高，但焊接性好，成本低。对槽型薄壁断面，按GB3273-89《汽车大梁用热扎钢板》选用，也可选用B510L、WL510等材料。8.3.3.4.车架的横梁及结构形式车架横梁将左、右纵梁连接起来，构成一个框架，使车架有足够的扭转刚度。汽车的主要总成也靠横梁支撑。具体的确定的原则如下：1、要确保车架前部的扭转刚度。对独立悬架车型，更要注意。2、板簧支架和吊耳处尽量设置横梁，以降低纵梁的应力和变形。后板簧前后支架处力和转距很大，一般设置一根抗扭刚度大，连接宽度的横梁。3、发动机悬置部位，尽量设计简易的横梁,减少纵梁变形。4、合理设计横梁与纵梁的连接方式及结构，8.3.4.4.1横梁和纵梁的腹板连接，工艺简单，连接刚性差，但不会使纵梁出现大的应力，车架中部采用这种连接。4.3.2横梁与纵梁腹板及翼面（上或下）相连接。工艺并不复杂，应用广泛。如后板簧托架的处横梁的连接，但后板簧托架的力会通过纵梁传递给横梁，因此要减少板簧托架的悬伸长度，使载荷点尽量靠近纵梁弯曲中心。当偏心载荷较大时，可将纵梁做成局部封口，或将横梁穿过纵梁，将载荷直接传递给横梁。4.3.3横梁与纵梁上下翼面相连接。由于有刚性很好的角支撑，可产生良好的斜支撑作用，使整个车架刚度增加，翼面外边不会因受压而产生翘曲。车架两端的横梁采用这种方式和纵梁连接。由于翼面不能自由翘曲，但转距过大时，纵梁翼面会出现应力过大现象。4.3.4对受力较大的结构附件，要注意其与车架纵梁的连接方式，避免因纵梁局部应力过大造成纵梁开裂。注意减振器支架、驾驶室支架、板簧支架、发动机支架的设计。8.3.5车架的连接方式和特点车架的连接方式有铆接、焊接和螺栓连接三种:5.1铆接车架：铆接成本低,适合于大批量生产，其刚度与铆钉的数量极其分布有关,因此铆钉布置设计很重要。5.2焊接车架：焊接能使其连接牢固，不致产生松动，能保证有大的刚度。但焊接容易产生较大的变形和内应力，因此对焊接的质量要求很高。适用于小批量生产和修理。5.3螺栓连接：特殊使用条件和特殊用途的车架采用。但长期使用，要从螺栓设计的角度防止产生松动问题，避免发生严重的质量事故。无论是焊接车架，还是铆接车架，紧固件的数量和尺寸应和横梁的大小相适应，铆钉分布不要太近。当利用连接板的翻边紧固时，适当加大连接板的宽度和厚度，紧固孔应靠近翻边处，防止连接损坏。8.3.6.载货车辆采用铆接车架的优点对于车速较高（≥100km/h）和总质量大于3500kg的轻型汽车，建议采用铆接车架，优点如下：6.1车速高，为确保高速行驶的稳定性，必须提高车架精度，因此优先采用铆接车架。皮卡、部分越野车、微型货车车架一般采用焊接工艺（纵梁是薄壁闭口断面