《輕型載貨汽車的車架設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《輕型載貨汽車的車架設(shè)計（35頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

摘要本設(shè)計課題是關(guān)于輕型載貨汽車的車架設(shè)計。所設(shè)計的車架結(jié)構(gòu)形式是前后等寬的邊梁式車架，其中縱梁和橫梁的截面形狀都采用槽型，縱梁與橫梁通過焊接連接。本說明書涉及了現(xiàn)階段載貨汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及國內(nèi)外載貨汽車車架的發(fā)展狀況；說明書還詳細闡明了輕型載貨汽車的方案論證：車架的設(shè)計要求、車架結(jié)構(gòu)的確定、車架寬度的確定、車架縱梁形式的確定、車架橫梁形式的確定、車架縱梁與橫梁連接形式的確定、車架的受載分析以及車架的強度計算。在計算時把車架簡化成為一個位于支座上的靜定結(jié)構(gòu)，然后，用材料力學的知識對本車架進行強度計算，并且在滿足應(yīng)力要求的條件下，確定車架縱梁的斷面尺寸。關(guān)鍵詞：輕型貨車、車架、設(shè)計IAbstractThis design issue is about the frame of light-sized truck. The frame structure designed is the side frame with the beam width, in which the shape of longitudinal and cross-section beams are slot, rails and beams are connected by welding .This paper involves in lately the technology development trend of truck as well as the domestic and foreign truck frame development; This paper also expose in detail the light -sized truck with scheme demonstration :the requirement of frame design、determination of frame structure、determination of frame width 、determination of stringer form 、determination of beams form、the connection form of beams 、analysis of load the frame suffers and the strength calculation .The frame will be simplified as a stable objective when calculating, and then calculate the strength with mechanics materials knowledge and determine the size of the frame rails with the precondition that it meets the requirement of stress.Key words: light-sized trucks, trailers, design目錄摘要 ............................................................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................................................II目錄 ...........................................................................................................................................................31 緒論 .....................................................................................................................................................11.1 概述 .......................................................................................................................................11.2 車架的發(fā)展 .............................................................................................................................22 設(shè)計方案論證 .....................................................................................................................................42.1 參考車型及其參數(shù) .................................................................................................................42.2 車架在實際環(huán)境下要面對的4種壓力 .....................................................................................42.3 車架設(shè)計的技術(shù)要求 .............................................................................................................52.4 車架結(jié)構(gòu)的確定 .......................................................................................................................63 車架的設(shè)計 .........................................................................................................................................103.1 車架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計 .............................................................................................................103.2 車架的受載分析 .....................................................................................................................143.3 彎曲強度計算時的基本假設(shè) .................................................................................................143.4 縱梁的彎矩和剪力的計算 .....................................................................................................154 車架的制造工藝 .................................................................................................................................224.1 車架梁的制造工藝 .................................................................................................................224.2 焊接工藝 .................................................................................................................................254.3 涂裝工藝 .................................................................................................................................265 結(jié)論 .....................................................................................................................................................27參考文獻 .................................................................................................................................................28致謝 .........................................................................................................................................................29附錄 .........................................................................................................................................................3001 緒論1.1 概述汽車車架是整個汽車的基體，是將汽車的主要總成和部件連接成汽車整體的金屬構(gòu)架，對于這種金屬構(gòu)架式車架，生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)設(shè)計時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)合理，生產(chǎn)工藝規(guī)范，要采取一切切實可行的措施消除工藝缺陷，保證它在各種復雜的受力情況下不至于被破壞。車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支撐著發(fā)動機離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最??；車架也應(yīng)有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機件的可靠性下降。本說明書只是敘述非承載式車身結(jié)構(gòu)形式中單獨的車架系統(tǒng)。承載式汽車，前、后懸架裝置，發(fā)動機及變速器等傳動系部件施加的作用力均由車架承受，所以，車架總成的剛性、強度及振動特性等幾乎完全決定了車輛整體的強度、剛度和振動特性。設(shè)計時在確保車架總成性能的同時，還應(yīng)對車架性能和匹配性進行認真的研究。車架結(jié)構(gòu)很多都是用電弧焊焊接而成，容易產(chǎn)生焊接變形。在設(shè)計方面對精度有要求的部位不得出現(xiàn)集中焊接，或者從部件結(jié)構(gòu)方面下工夫，盡量確保各個總成的精度。另外，與其他焊接方法相對比，采用電弧焊的話，后端部容易出現(xiàn)比較大的缺口，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以，應(yīng)對接頭位置和焊接端部進行處理。車架受力狀態(tài)極為復雜。汽車靜止時，它在懸架系統(tǒng)的支撐下，承受著汽車各部件及載荷的重力，引起縱梁的彎曲和偏心扭轉(zhuǎn)（局部扭轉(zhuǎn)）。如汽車所處的路面不平，車架還將呈現(xiàn)整體扭轉(zhuǎn)。汽車行駛時，載荷和汽車各部件的自身質(zhì)量及其工作載荷（如驅(qū)動力、制動力和轉(zhuǎn)向力等）將使車架各部件承受著不同方向、不同程度和隨機變化的動載荷，車架的彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)將更嚴重，同時還會出現(xiàn)側(cè)彎、菱形傾向，以及各種彎曲和扭轉(zhuǎn)振動。同時，有些裝置件還可能使車架產(chǎn)生較大的裝置載荷。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品開發(fā)階段，對車架靜應(yīng)力、剛度、振動模態(tài)以至動應(yīng)力和碰撞安全等已可進行有限元分析，對其輕量化、使用壽命，以及振動和1噪聲特性也可以做出初步判斷，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期創(chuàng)造了有利條件。1.2 車架的發(fā)展早期汽車所使用的車架，大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構(gòu)成的，也就是在兩支平行的主梁上，以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車體建構(gòu)在車架之上，至于車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件，則是另外再包覆于車體之外，因此車體與車架其實是屬于兩個獨立的構(gòu)造。這種設(shè)計的最大好處，在于輕量化與剛性得以同時兼顧，因此受到了不少跑車制造商的青睞，早期的法拉利與蘭博基尼都是采用的這種設(shè)計。由于鋼骨設(shè)計的車架必須通過許多接點來連結(jié)主梁和副梁，加之籠狀構(gòu)造也無法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復雜、不利于大量生產(chǎn)之外，也不適合用在強調(diào)空間的四門房車上。隨后單體結(jié)構(gòu)的車架在車壇上成為主流，籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代，這種單體車架一般以“底盤”稱之。 關(guān)于單體車架，簡單的說就是將引擎室、車廂以及行李廂三個空間合而為一，這樣的好處除了便于大量生產(chǎn)，模組化的運用也是其中主要的考慮。通過采取模組化生產(chǎn)的共用策略，車廠可以將同一具車架分別使用在數(shù)種不同的車款上，這樣也可節(jié)省不少研發(fā)經(jīng)費。除了有利于共用，車體車架也可以通過材料的不同來發(fā)揮輕量化的特性，例如本田NSX所使用的鋁合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纖維材料等。鋁合金是80年代末期相當熱門的一種工業(yè)材料，雖然重量比鐵輕，但是強度卻較差，因此如果要用鋁合金制成單體車架，雖然在重量上比起鐵制車架更占優(yōu)勢，但是強度卻無法達到和鐵制車架同樣的水準。除非增加更多的鋁合金材料，利用更多的用量來彌補強度上的不足。不過這樣一來，重量必然會相對增加，而原本出于輕量化考量而采用鋁合金材料的動機，當然也就失去了意義。也正因為這個原因，鋁合金車架在車壇上并未成為主流，少數(shù)高性能跑車或是使用了強度更高的碳纖維，或是用碳纖維結(jié)合蜂巢狀夾層鋁合金的復合材料取代了鋁合金。但是要用碳纖維制成單體車架，在制作上相當復雜且費時，成本也相對更高，所以至今仍無法普及到一般市售車上，而僅有少數(shù)售價高昂的跑車使用。盡管鋁合金車架鮮有車廠使用，不過用鋼鐵車架搭配鋁合金鈑件的方式，近年來卻受到不少車廠的重視，這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以保留車架本身的強度，同時也可以2通過鈑件的鋁合金化來取得輕量化效果，在研發(fā)成本上自然也不像碳纖維制的單體車架那樣昂貴。歐美從90年代開始逐漸提高了撞擊事故的安全防護標準，這也是凸現(xiàn)出車架剛性重要的另一原因。許多車廠為了在撞擊事故發(fā)生時能夠確保車內(nèi)乘員的安全，惟有針對車架以及車體進行全面強化，這也使得除了車架以外的強度有所改善，包括鈑件厚度的改變以及各種輔助梁的增設(shè)也成為各廠慣用的手法。不過在這樣的情況下，伴隨而來的是車重相對增加，這也正是歐美日許多市售車的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。關(guān)于剛性的確保，大多數(shù)車廠在新車的設(shè)計階段，都是利用電腦計算出車架的剛性需求，并以此作為設(shè)計依據(jù)。有些車廠在用電腦完成設(shè)計雛形后，還會再由專業(yè)的試車人員進行實際測試。中國第一汽車集團凌源汽車制造有限公司汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線競標成功。 汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線是我公司繼兩年前成功設(shè)計制造了合肥江淮汽車廠汽車縱梁數(shù)控平板沖孔生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，在汽車縱梁數(shù)控沖孔方面的又一標志性成果，填補了國內(nèi)設(shè)計制造汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的空白。汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的設(shè)計制造成功，在汽車制造行業(yè)具有劃時代的意義，標志著中國在汽車車架數(shù)控沖孔加工的生產(chǎn)設(shè)備方面達到了國際先進水平，降低了汽車制造行業(yè)購置汽車車架數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的巨大費用，積極推動了中國汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，為中國汽車制造業(yè)早日與國際接軌奠定了基礎(chǔ)。我國的車架企業(yè)基本擁有剪切、沖壓、焊接、鉚接、油漆、機加工六大工藝能力和完善的檢測手段、研究設(shè)計中心，具有16噸至3000噸的冷沖壓能力，具備了開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)各種類型車架。32 設(shè)計方案論證2.1 參考車型及其參數(shù)參考車型：歐鈴ZB5040XXYBSC3S廂式運輸車詳細參數(shù)：發(fā)動機型號：SD4W58-3U 發(fā)動機功率：58 kw發(fā)動機排量：2156ML 發(fā)動機類型：柴油發(fā)動機外形尺寸（長×寬×高）：5150×1695×2660 mm貨箱欄板內(nèi)尺寸：2390×1585×1700 mm總質(zhì)量：3770 Kg 整備質(zhì)量：1780 Kg額定載質(zhì)量：1665 Kg 接近角/離去角：21/16前懸/后懸：1010/1440 mm 軸距：2700 mm軸荷：1260/2510 N 最高車速：90 km/h前輪距：1240 mm 后輪距：1360 mm底盤型號：ZB5040XXYBSC3S 軸數(shù)：2 底盤尺寸（長×寬×高）：4810×1605×1990彈簧片數(shù)：6/5+3 2.2 車架在實際環(huán)境下要面對的4種壓力要評價車架設(shè)計和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應(yīng)該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達到良好的操控表現(xiàn)。而車架在實際環(huán)境下要面對4種壓力。負載彎曲從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強的剛度。非水平扭動當前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。橫向彎曲所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產(chǎn)生向彎外4甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。水平菱形扭動因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。2.3 車架設(shè)計的技術(shù)要求為了使車架符合上述功用，通常對設(shè)計的車架有如下的要求：2.3.1 必須有足夠的強度保證在各種復雜受力的使用情況下車架不受破壞。要求有足夠的疲勞強度，保證在汽車大修里程內(nèi)，車架不致有嚴重的疲勞損傷?？v梁受力極為復雜，設(shè)計時不僅應(yīng)注意各種應(yīng)力，改善其分布情況，還應(yīng)該注意使各種應(yīng)力峰值不出現(xiàn)在同一部位上。例如，縱梁中部彎曲應(yīng)力較大，則應(yīng)注意降低其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，減少應(yīng)力集中并避免失穩(wěn)。而在前、后端，則應(yīng)著重控制懸架系統(tǒng)引起的局部扭轉(zhuǎn)。提高縱梁強度常用的措施如下：(1) 提高彎曲強度選定較大的斷面尺寸和合理的斷面形狀（槽形梁斷面高寬比一般為3：1左右）；(2) 提高局部扭轉(zhuǎn)剛度注意偏心載荷的布置，使相近的幾個偏心載荷盡量接近縱梁斷面的彎曲中心，并使合成量較小；在偏心載荷較大處設(shè)置橫梁，并根據(jù)載荷大小及分散情況確定連接強度和寬度；將懸置點分布在橫梁的彎曲中心上；當偏心載荷較大并偏離橫梁較遠處時候，可以采用K形梁，或者將該段縱梁形成封閉斷面；5偏心載荷較大且比較分散時候，應(yīng)該采用封閉斷面梁，橫梁間距也應(yīng)縮??；選用較大的斷面；限制制造扭曲度，減少裝配預(yù)應(yīng)力。(3) 提高整體扭轉(zhuǎn)強度不使縱梁斷面過大；翼緣連接的橫梁不宜相距太近。(4) 減少應(yīng)力集中及疲勞敏感盡可能減少翼緣上的孔（特別是高應(yīng)力區(qū)），嚴禁在翼緣上布置大孔；注意外形的變化，避免出現(xiàn)波紋區(qū)或者受嚴重變薄；注意加強端部的形狀和連接，避免剛度突變；避免在槽形梁的翼緣邊緣處施焊，尤其畏忌短焊縫和“點”焊。(5) 減少失穩(wěn)受壓翼緣寬度和厚度的比值不宜過大（常在12左右）；在容易出現(xiàn)波紋處限制其平整度。(6) 局部強度加強采用較大的板厚；加大支架緊固面尺寸，增多緊固數(shù)量，并盡量使力作用點接近腹板的上、下側(cè)面。2.3.2 車架的輕量化由于車架較重，對于鋼板的消耗量相當大。因此，車架應(yīng)按等強度的原則進行設(shè)計，以減輕汽車的自重和降低材料的消耗量。在保證強度的條件下，盡量減輕車架的質(zhì)量。通常要求車架的質(zhì)量應(yīng)小于整車整備質(zhì)量的10％。本設(shè)計主要對車架縱梁進行簡化的彎曲強度計算，使車架縱梁具有足夠的強度，以此來確定車架的斷面尺寸。（參照《材料力學》）另外，目前鋼材價格暴漲，汽油價格上漲，從生產(chǎn)汽車的經(jīng)濟性考慮的話，也應(yīng)盡量減輕整車的質(zhì)量。從生產(chǎn)工藝性考慮，橫縱梁采用簡便可靠的連接方式，不僅能降低工人的工作強度，還能增強車架的強度。62.4 車架結(jié)構(gòu)的確定2.4.1 車架類型的選擇車架的結(jié)構(gòu)形式可以分為邊梁式、中梁式（或稱脊骨式）和綜合式。而在有些客車和轎車上車身和車架制成一體，這樣的車身稱為“半承載式車身”，有的被加強了車身則能完全起到車架的作用，這樣的車身稱為“承載式車身”，不另設(shè)車架。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，為了減輕自重，越來越多的轎車都采用了承載式車身。下邊先分別列舉下各車架的特點。（1） 邊梁式車架的構(gòu)造這種車架由兩根縱梁及連接兩根縱梁的若干根橫梁組成，用鉚接和焊接的方法將縱橫梁連接成堅固的剛性構(gòu)架。縱梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面一般為槽型，z星或箱型斷面。橫梁用來連接縱梁，保證車架的抗扭剛度和承載能力，而且還用來支撐汽車上的主要部件。 邊梁式車架能給改裝變型車提供一個方便的安裝骨架，因而在載重汽車和特種車上得到廣泛用。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變形，因此被廣泛地用在載貨汽車、越野汽車、特種汽車和用貨車底盤改裝而成的大客車上。在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。用于載貨汽車的邊梁式車架（圖2-1），由兩根相互平行但開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可以根據(jù)應(yīng)力情況相應(yīng)地縮小。車架寬度多為全長等寬。7圖2-1 邊梁式車架X型車架是邊梁式車架的改進，這種車架由兩根縱梁及X 型橫梁組成，實際上是邊梁式車架的改進，有一定的抗扭剛度，X橫梁能將扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)閺澗?，對短而寬的車架，這種效果最明顯。車架中部為位于汽車縱向?qū)ΨQ平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。前端的叉形梁用于支撐動力、傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強前、后懸架的支撐。管梁部分位于后座乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大，雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強度和剛度。轎車要是使用邊梁式車架，為了降低地板高度，可局部地減少縱梁的斷面高度并相應(yīng)地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了。所以X型車架較多使用于轎車。還有周邊式車架，這種車架是從邊梁式車架派生出來的，前后兩端縱梁變窄，中部縱梁加寬，前端寬度取決于前輪最大轉(zhuǎn)角，后端寬度取決于后輪距，中部寬度取決于車身門檻梁的內(nèi)壁寬，前部和中部以及后部和中部的連接處用緩沖臂或抗扭盒相連，具有一定的彈性，能緩和不平路面的沖擊。其結(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可以吸收來自不平路面的沖擊和降低車內(nèi)噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又可以減短了車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度。在前后縱梁處向上彎曲以讓出前后獨立懸架或非斷開式后橋的運動空間。采用這種車架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬。這種車架結(jié)構(gòu)復8雜，一般在中、高級轎車上采用。 （2） 中梁式車架（脊骨式車架）其結(jié)構(gòu)只有一根位于中央而貫穿汽車全長的縱梁，亦稱為脊骨式車架。中梁的斷面可做成管形、槽形或箱形。中梁的前端做成伸出支架，用以固定發(fā)動機，而主減速器殼通常固定在中梁的尾端，形成斷開式后驅(qū)動橋。中梁上的懸伸托架用以支承汽車車身和安裝其它機件。若中梁是管形的，傳動軸可在管內(nèi)穿過。優(yōu)點是有較好的抗扭轉(zhuǎn)剛度和較大的前輪轉(zhuǎn)向角，在結(jié)構(gòu)上容許車乾有較大的跳動空間，便于裝用獨立懸架，從而提高了汽車的越野性；與同噸位的載貨汽車相比，其車架輕，整車質(zhì)量小，同時質(zhì)心也較低，故行駛穩(wěn)定性好；車架的強度和剛度較大；脊梁還能起封閉傳動軸的防塵罩作用。缺點是制造工藝復雜，精度要求高，總成安裝困難，維護修理也不方便，故目前應(yīng)用較少。（3） 綜合式車架綜合式車架是由邊梁式和中梁式車架聯(lián)合構(gòu)成的。車架的前段或后段是邊梁式結(jié)構(gòu)，用以安裝發(fā)動機或后驅(qū)動橋。而車架的另一段是中梁式結(jié)構(gòu)的支架可以固定車身。傳動軸從中梁的中間穿過，使之密封防塵。其中部的抗扭剛度合適，但中部地板凸包較大，且制造工藝較復雜。此種結(jié)構(gòu)一般在轎車上使用。車架承受著全車的大部分重量，在汽車行駛時，它承受來自裝配在其上的各部件傳來的力及其相應(yīng)的力矩的作用。當汽車行駛在崎嶇不平的道路上時，車架在載荷作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使安裝在其上的各部件相互位置發(fā)生變化。當車輪受到?jīng)_擊時，車架也會相應(yīng)受到?jīng)_擊載荷。因而要求車架具有足夠的強度，合適的剛度，同時盡量減輕重量。在良好路面行駛的汽車，車架應(yīng)布置得離地面近一些，使汽車重心降低，有利于汽車穩(wěn)定行駛，車架的形狀尺寸還應(yīng)保證前輪轉(zhuǎn)向要求的空間。由于設(shè)計的是輕型載汽車車架，根據(jù)其特點選用邊梁式車架。縱梁上、下表面為平直，斷面呈槽形，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，不僅能降低工人工作強度，而且其造價低廉，有良好的經(jīng)濟性，將廣泛地用于各種載貨汽車、客車上。選取的方案的優(yōu)點： 邊梁式車架由兩根縱梁的若干根橫梁組成，該結(jié)構(gòu)便于安裝駕駛室、車廂和其它總成，被廣泛用在載重貨車、特種車和大客車上。93 車架的設(shè)計車架是一個復雜的薄壁框架結(jié)構(gòu)，其受力情況極為復雜。本設(shè)計包括了結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計：車架的寬度的確定，縱梁形式的確定，橫梁形式的確定，橫梁與縱梁連接形式的確定。在車架設(shè)計的初期階段，可對車架縱梁進行簡化的彎曲強度計算，以及來確定車架的斷面尺寸。下面是設(shè)計和計算的方法和步驟。3.1 車架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計3.1.1 車架寬度的確定車架的寬度是左、右縱梁腹板外側(cè)面之間的寬度。車架前部寬度的最小值取決于發(fā)動機的外廓寬度，其最大值受到前輪最大轉(zhuǎn)角的限制。車架后部寬度的最大值主要是根據(jù)車架外側(cè)的輪胎和鋼板彈簧片寬等尺寸確定。為了提高汽車的橫向穩(wěn)定性，希望增大車架的寬度。通常，車架的寬度根據(jù)汽車總體布置的參數(shù)來確定，整車寬度不得超過2.5m ，故往往很難同時滿足上述要求。為了解決總體布置與加寬車架的矛盾，車架的寬度設(shè)計可采取以下措施：（1）將車架做成前窄后寬這種結(jié)構(gòu)可以解決前輪轉(zhuǎn)向所需的空間與車架總寬之間的矛盾。此結(jié)構(gòu)適用于輕型汽車、微型汽車和轎車。（2）將車架做成前寬后窄對于重型載貨汽車，其后軸的負荷大，輪胎的尺寸加大，后鋼板彈簧片寬增加，同時為了安裝外型尺寸大的發(fā)動機，常需減小前輪轉(zhuǎn)向角，以便使汽車的總寬在公路標準的2.5m內(nèi)，因此車架不得不采用前寬后窄的型式。但根據(jù)本設(shè)計的要求，關(guān)于輕車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計，其載重設(shè)為1.7t ，簡化制造工藝，最好車架前后等寬。為了便于實行產(chǎn)品的三化，不少國家對車架的寬度制定了標準。本設(shè)計方案取車架的寬度為750mm。3.1.2 車架縱梁形式的確定車架的縱梁結(jié)構(gòu)，一方面要保證車架的功能，另一方面要滿足整車總體布置的10要求，同時形狀應(yīng)盡量簡單，以簡化其制造工藝。從縱梁的側(cè)視圖看，縱梁的形狀可分為上翼面是平直的和彎曲的兩種。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好；當上翼面為平直時，可使貨廂底板平整，縱梁制造方便，大多數(shù)載貨汽車車架縱梁都采用這種型式。當上翼面彎曲時，縱梁部分區(qū)段降低，地板高度相應(yīng)降低，改善了整車的穩(wěn)定性，且有利于上、下車，此種結(jié)構(gòu)在轎車、微型汽車、公共汽車和部分輕型載貨汽車上采用，其制造工藝復雜?？v梁上表面應(yīng)盡量做成平直的，中部斷面一般較大、兩端較小，與所受彎矩相適應(yīng)。也有全長或僅中部及后部為等斷面的。根據(jù)整車布置要求，有時采用前端或后端或前后端均彎曲的縱梁?？v梁的斷面形狀有槽形、工字形、箱形、管形和Z形等幾種。為了使縱梁各斷面處的應(yīng)力接近，可改變梁的高度，使中部斷面高、兩端斷面低。槽形斷面的縱梁有較好的抗彎強度，工藝性好，緊固方便，又便于安裝各種汽車部件，故采用得最為廣泛，但此種斷面的抗扭性能差。從降低車架縱梁抗彎應(yīng)力方面考慮的話，增大槽形斷面的高度最有利，但使汽車的質(zhì)心高度增加。增大上、下翼面的寬度，也可以提高縱梁的抗彎強度，但其值的增加又受到發(fā)動機、傳動系統(tǒng)部件布置的限制。因此需綜合考慮上述因素的影響，通常取高與寬的比值為2.8—3.5。由于重型載貨汽車的發(fā)動機外型尺寸大，后軸負荷大，為了使車架做成前、后等寬，有的車架縱梁就采用Z形斷面，我國黃河牌載貨汽車的車架就是采用此種斷面。這種縱梁和橫梁的連接結(jié)構(gòu)復雜，燃油箱的安裝也不方便。重型載貨汽車和超重型載貨汽車的車架縱梁一般多采用工字形截面的型材或焊接成的箱形結(jié)構(gòu)。箱形斷面梁抗扭強度大，多用于轎車和輕型越野車。超重型越野車及礦用自卸車的縱梁形式多用鈑料焊接而成，常為箱形或工字形斷面。采用封閉斷面縱梁構(gòu)成的車架，其抗彎剛度大，通常客車的車架也是采用此種斷面?？v梁的長度一般接近汽車長度，其值約為1.4—1.7倍汽車輪距。多品種生產(chǎn)時，常使不同軸距、不同裝載質(zhì)量的系列車型采用內(nèi)高相同的槽形斷面縱梁，通過變化鈑料厚度或翼緣寬度獲得不同強度。根據(jù)本設(shè)計的要求，再考慮縱梁截面的特點，本方案設(shè)計的縱梁采用上、下翼面是平直等高的槽形鋼?？v梁總長為4815mm。優(yōu)點：有較好的抗彎強度，便于安裝汽車部件。113.1.3 車架橫梁形式的確定車架橫梁將左、右縱梁連接在一起，構(gòu)成一個框架，使車架有足夠的抗彎剛度。汽車主要總成通過橫梁來支承。載貨汽車的橫梁一般有多根橫梁組成，其結(jié)構(gòu)和用途不一樣。(1) 前橫梁通常用來支承水箱。當發(fā)動機前支點安排在左右縱梁上時，可用較小槽型和Z型斷面橫梁。對于前部采用獨立懸架的轎車，為了改善汽車的視野，希望汽車頭部高度降低，固需要將水箱安裝得低些，可將前橫梁做成寬而下凹的形狀。當發(fā)動機前支點和水箱相距很近時，前橫梁常用來支承水箱和發(fā)動機前端，此時需采用斷面大的橫梁。(2) 中橫梁通常用來作傳動軸的中間支承。為了保證傳動軸有足夠的跳動空間，將其結(jié)構(gòu)做成上拱形。在后鋼板彈簧前、后支架附近所受到的力或轉(zhuǎn)矩大，則要設(shè)置一根抗扭剛度大、連接寬度大的橫梁。(3) 后橫梁后橫梁采用中橫梁形式。本設(shè)計課題是關(guān)于輕型車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以采用開口斷面比較合適。本次設(shè)計一共采用大小共8根橫梁，各根橫梁的結(jié)構(gòu)及用途如下：第一根橫梁斷面形狀為槽型，用來支撐水箱，其中間設(shè)有多個圓形孔，目的是讓空氣可以流到發(fā)動機底部，也有助于發(fā)動機的散熱。第二根橫梁為發(fā)動機托架，為防止其與前軸發(fā)生碰撞幾干涉，故將其安排放在發(fā)動機前端，其形狀就是近似元寶的元寶梁，此種形狀有較好的剛度。第三根橫梁為駕駛室的安裝梁。用于駕駛室后部的安裝，斷面形狀為槽形。第四根橫梁用作傳動軸的支承，其斷面形狀為槽形，為了保證傳動軸有足夠的跳動空間和安裝空間，將其結(jié)構(gòu)做成上拱形。第五、七根橫梁分別在后鋼板彈簧前、后支架附近，它們所受到的力或轉(zhuǎn)矩都很大。它們的斷面形狀也是采用槽形。第六、七根橫梁不僅要承受各種力和力矩的作用，還要作為安裝備胎的的安置機構(gòu)。它們的斷面形狀為槽型。第八橫梁為后橫梁，其將左、右縱梁連接在一起，構(gòu)成一個框架，使車架有足夠的抗彎剛度。其斷面形狀為槽形。123.1.4 車架縱梁與橫梁連接型式的確定縱梁和橫梁的連接方式對車架的受力有很大的影響。大致可分有以下幾種：(1) 橫梁和縱梁的腹板相連接這種連接型式制造工藝簡單，連接剛度較差，但不會使縱梁出現(xiàn)大的應(yīng)力，一般車架的中部橫梁采用此種連接方式。(2) 橫梁同時和縱梁的腹板及任一翼緣（上或下）相連接這種連接方式制造工藝不很復雜，連接剛度增強，故得到廣泛應(yīng)用。但后鋼板彈簧托架上的力會通過縱梁傳給后鋼板彈簧的前橫梁，使其承受較大載荷。因此在設(shè)計鋼板彈簧托架時應(yīng)盡可能減少懸架伸長度，使載荷作用點靠近縱梁彎曲中心。當偏心載荷較大時，可將該處縱梁做成局部閉口斷面；也可將橫梁穿過縱梁向外延伸，將載荷直接傳給橫梁。(3) 橫梁同時和上、下翼緣相連接這種連接形式具有剛性較好的加強角撐，可產(chǎn)生良好的斜支撐作用，使整個車架的剛度增加，且其翼緣外邊不致因受壓而產(chǎn)生翹曲。車架兩端的橫梁常采用這種形式和縱梁相連接。但此種連接方式制造復雜，當轉(zhuǎn)矩過大時，縱梁翼緣上會出現(xiàn)應(yīng)力過大的現(xiàn)象，這是由于縱梁截面不能自由翹曲所致。橫梁和縱梁的固定方法可分為鉚接、焊接和螺栓連接等方式。大多數(shù)車架用搭鐵板通過鉚釘連接。這種方法成本低，適合大批量生產(chǎn)，其剛度與鉚釘?shù)臄?shù)目及其分布有關(guān)。焊接能使其連接牢固，不致產(chǎn)生松動，能保證有大的剛度。但焊接容易變形并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，故要求焊接質(zhì)量要高，主要在小批量生產(chǎn)或修理時采用。螺栓連接主要在某些為了適用于各種特殊使用條件的汽車車架上采用，以使裝在汽車車架上的某些部件易于拆卸或互換。但此種連接方式在長期使用時，容易松動，甚至發(fā)生嚴重事故。一般汽車車架橫梁與縱梁的固定不采用此種方法。緊固件的尺寸和數(shù)量要和橫梁大小相適應(yīng)，鉚釘分布不要太近。當利用連接板的翻邊緊固時，應(yīng)加大連接板的寬度和厚度，緊固孔應(yīng)盡可能靠近翻邊處，以防連接損壞。本設(shè)計方案中，橫梁與縱梁的連接形式大體都使用焊接連接?？傊嚰芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計要充分考慮到整車布置對車架的要求及企業(yè)的工藝制造能力，合理選擇縱梁截面高度、橫梁的結(jié)構(gòu)形式、橫梁與縱梁的聯(lián)接方式，使車架結(jié)構(gòu)滿足汽車使用要求。以達到較好的經(jīng)濟效益和社會效益。 133.2 車架的受載分析汽車的使用條件復雜，其受力情況十分復雜，因此車架上的載荷變化也很大，其承受的載荷大致可分為下面幾類：3.2.1 靜載荷車架所承受的靜載荷是指汽車靜止時，懸架彈簧以上部分的載荷。即為車架質(zhì)量、車身質(zhì)量、安裝在車架的各總成與附屬件的質(zhì)量以及有效載荷（客車或貨物的總質(zhì)量）的總和。3.2.2 對稱的垂直動載荷這種載荷是當汽車在平坦的道路上以較高車速行駛時產(chǎn)生的。其大小與垂直振動加速度有關(guān)，與作用在車架上的靜載荷及其分布有關(guān)，路面的作用力使車架承受對稱的垂直動載荷。這種動載使車架產(chǎn)生彎曲變形。3.2.3 斜對稱的動載荷這種載荷是當汽車在崎嶇不平的道路上行駛時產(chǎn)生的。此時汽車的前后幾個車輪可能不在同一平面上，從而使車架連同車身一同歪斜，其大小與道路不平的程度以及車身、車架和懸架的剛度有關(guān)。這種動載荷會使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。3.2.4 其它載荷汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，離心力將使車架受到側(cè)向力的作用；汽車加速或制動時，慣性力會導致車架前后部載荷的重新分配；當一個前輪正面撞在路面凸包上時，將使車架產(chǎn)生水平方向的剪力變形；安裝在車架上的各總成（如發(fā)動機、轉(zhuǎn)向搖臂及減振器等）工作時所產(chǎn)生的力；由于載荷作用線不通過縱梁截面的彎曲中心（如油箱、備胎和懸架等）而使縱梁產(chǎn)生附加的局部轉(zhuǎn)矩。綜上所述，汽車車架實際上是受到一定空間力系的作用，而車架縱梁與橫梁的截面形狀和連接點又是多種多樣，更導致車架受載情況復雜化。3.3 彎曲強度計算時的基本假設(shè)為了便于彎曲強度的計算，對車架進行以下基本假設(shè)：141、因為車架結(jié)構(gòu)是左右的對稱的，左右縱梁的受力相差不大，故認為縱梁是支承在汽車前后軸的簡支梁。2、空車時的簧載質(zhì)量（包括車架自身的質(zhì)量在內(nèi)）均勻分布在左右二縱梁的全長上。其值可根據(jù)汽車底盤結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)大致估計，一般對于輕型和中型載貨汽車來說，簧載質(zhì)量約為汽車自身質(zhì)量的2/3。3、汽車的有效載荷均勻分布在車廂全長上。4、所有作用力均通過截面的彎曲中心。實際上，縱梁的某些部位會由于安裝外伸部件（如油箱、蓄電池等）而產(chǎn)生局部扭轉(zhuǎn)，在設(shè)計時通常在此安置一根橫梁，使得這種對縱梁的扭轉(zhuǎn)變?yōu)閷M梁的彎矩。故這種假定不會造成計算的明顯誤差。由于上述假設(shè)，使車架由一個靜不定的平面框架結(jié)構(gòu)，簡化成為一個位于支座上的靜定結(jié)構(gòu)。圖3-1 靜定結(jié)構(gòu)3.4 縱梁的彎矩和剪力的計算要計算車架縱梁的彎矩，先計算車架前支座反作用力，向后輪中心支座處求矩（見圖4-1），可得(3-1)??1=[????(???2??)+????(???2??2)]??∕4(3-2)??2=(??????+??????)∕2???1式中：F1——前輪中心支座對任一縱梁（左縱梁或右縱梁）的反作用力N;F2——后輪中心支座對任一縱梁（左縱梁或右縱梁）的反作用力N; L——縱梁的總長，4815mm；l——汽車軸距，2700mm；15a——前懸，1010mm；b——后懸，1105mm；c——車廂長，2400mm；c1——車廂前端到二軸的距離，1295mm；c2——車廂后端到二軸的距離，1105mm； Ms——空車時的簧載質(zhì)量，約1200kg；Me——滿載時有效裝載質(zhì)量，1990kg； g——重力加速度，9.8m/s ；代入(4-1)和(4-2)可得：??1=[????(???2??)+????(???2??2)]??∕4??=3179.65N??2=(??????+??????)∕2???1=12451.35N在計算縱梁彎矩時，將縱梁分成兩段區(qū)域，每一段的均布載荷可簡化為作用于區(qū)段中點的集中力?？v梁各端面上的彎矩計算采用彎矩差法，可使計算工作量大大減少。彎矩差法認為：縱梁上某一端面上的彎矩為該段面之前所有力對改點的轉(zhuǎn)矩之和。3.4.1 駕駛室長度段縱梁的彎矩計算在該段內(nèi)，根據(jù)彎矩差法 ，則有：（3-????=??1?????????(??+??)2∕4??3）式中：Mx-縱梁上某一段截面的彎矩，N*mmx-截面到前輪中心的距離，mma-車架縱梁前端到前輪中心的距離，mm（1） （0≤X≤1010）AB段彎矩：(3-4) ??=?????????∕2??(3-5)????=??1?????????(??+??)2∕4當X=0時Q＝0 NM=0 N·mm 　　　　16當X=1010Q＝-1178.44NM=-1374738.97N·mm（2） （1010≤X≤2415）BE段的剪力的彎矩：(3-6)??=??1?????????∕2??(3-7)????=??1?????????(??+??)2∕4??當X=1010Q=2001.21N M=-1374738.97N·mm 當X=2415Q=230.49NM=-5094492.47N·mm3.4.2 駕駛室后端到后軸段縱梁的彎矩計算在該區(qū)段內(nèi)，根據(jù)彎矩差法，縱梁某一斷面的彎矩為：M??=F1X-M??g（ x+a）2/4l-M??g[C1-(l-x)] /4c2（3-8）式中：Mx-縱梁上某一截面的彎矩N*mm；x-截面到前輪中心的距離，mm；C1-車廂前端到后輪中心的距離，mm。縱梁某一斷面上的剪力為該斷面之前所以力之和。Q??=F1x-Msg（ x+l） /2L-Meg[C1-(l-x)]/C（3-9）式中：Qx-縱梁某一斷面上的剪力，N。由上可知，縱梁的最大彎矩一定發(fā)生在該段縱梁內(nèi)。其位置可采用求Mx對x的導數(shù)并令其為零的辦法得到。x =[2C*L*F1-a*C*Ms*g-L(l-C1)*Me*g]/(C*Me*g-L*Ms*g) （3-10）17可得：x=1323.89由上式計算求得縱梁發(fā)生最大彎矩的位置，將該值代入彎矩計算公式，則可求得縱梁受到的最大彎矩 。Mmax=518597.21 N·mmMmax縱梁受到的最大剪力則發(fā)生在汽車后軸附近。當x=l時，剪力最大，其最大剪力 為： (3-QmaxQmax=F1x- Ms*g*（ a+l） /2L- Me*gC1/2C11)可得 =-6612.42NQmax（1） （2415≤X≤3710）EC段的剪力和彎矩：Q=F1-Ms*g*X/2L-Me*g*(X-2415)/2c(3-12) M=F1x-Ms*g(x+a)2/4l-M??*g[C1-(l-x)]2 /4c(3-13)當X=2415Q=230.49N M=-1556060.51N·mm 當X=3710Q=-4347.13NM=-12599698N·mm （2） （3710≤X≤4815）CD段的剪力和彎矩：(3-14)Q=(Ms g/4L+Me g/4c)×(4815-X)(3-M= -(Ms g/4L+Me g/4c)×(4815-X)215) 當X=3710Q=2917.2N M=-3223506N·mm當x=4815Q=0 NM=0 N·mm得剪力圖和彎矩圖為下圖：18圖3-2 剪力圖圖3-3 彎矩圖以上僅考慮汽車靜載工況下，縱梁斷面彎矩和剪力的計算。實際上，汽車行駛時還受到各種動載荷的作用。因此，汽車行駛時實際受到的最大彎矩 和最大M??max剪力 為：Q??max(3-16) M??max=????×Mmax(3-17)Q??max=????×Qmax式中： —????動載系數(shù)，對于轎車，客車 =1.75，載貨汽車 =2.5，越野汽車 =3.0。???? ???? ????則有：=1296493.02 N·mmM??max=????×Mmax19=16531.05NQ??max=????×Qmax3.4.3 車架材料的確定車架材料應(yīng)具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)力集中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳低合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關(guān)。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼08、09MnL、09MnREL等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復雜的沖壓件采用強度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等鋼板制造。強度更高的鋼板在冷沖壓時易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。轎車車架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為3.0～4.0mm；貨車根據(jù)其裝載質(zhì)量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板為5.0～7.0mm，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度約7.0～9.0mm。這次設(shè)計，采用16Mn鋼板制造車架，循環(huán)疲勞強度σ -1＝220～260MPa。3.4.4 縱梁截面特性的計算車架縱梁和橫梁截面系數(shù)W按材料力學的方法計算。對于槽形斷面（如圖3-4），斷面系數(shù)W為(3-18)??=?? ? (?+6??)∕6取h=80mm, b=43mm, t=5mm,=25300mm3 ??=?? ? (?+6??)∕6圖3-4 槽形斷面3.4.5 彎曲應(yīng)力計算與校核縱梁斷面的最大彎曲應(yīng)力δ為：20δ= /W (3-19)????????則最大應(yīng)力為：δ= /W=249Mpa ????????按照上式求得的彎曲應(yīng)力應(yīng)不大于材料的許用應(yīng)力[δ]。許用應(yīng)力可以按照以下公式計算：[δ]=δs/n (3-20)式中：δs——材料的疲勞極限，對于16Mn材料，δs=350MPa;n——安全系數(shù)，一般取安全系數(shù)n=1.15—1.40。則許用應(yīng)力為：[δ]=δs/n=350/1.15=304.35MPa所以δ=249Mpa小于[δ]范圍內(nèi) 上述計算符合應(yīng)力要求δ≤[δ ]，最終確定縱梁槽形斷面的尺寸為：h=80mm b=43mm t=5+4mm （根據(jù)經(jīng)驗：縱梁還須在彎矩大的區(qū)域布置加強板，加強板厚為4mm,加強板布置在EC段和CD段）3.4.6 臨界彎曲應(yīng)力δc 計算和校核當縱梁受彎變形時，上下翼緣分別受到壓縮和拉伸的作用，可能會造成翼緣的破裂。因此應(yīng)按薄板理論進行校核。對于槽型截面縱梁來說，其臨界彎曲應(yīng)力δc 為：≤350 (3-δ ??=0.4E×(??∕??)2/(1-u2)21)式中：E—材料的彈性模量，E=2.06 MPa；×105U——泊松比。對16Mn，u=0.3。由上式可得b≤16t 取b=43mm，t=5mm則有43≤80因此，車架滿足臨界彎曲應(yīng)力的要求。214 車架的制造工藝4.1 車架梁的制造工藝圖 4-1車架裝配圖4.1.1 縱梁圖 4-2 縱梁斷面(1) 產(chǎn)品特征 斷面形式 ：等斷面 、變端面；長度形式 ：直線式；料厚：縱梁 5.00、8.0mm；縱梁長度：4815 22(2) 工藝特點 a 工藝流程 第一種模式 ：剪切一用模具落料；中孔一用模具壓彎成形一裝配一油漆。 第二種模式 ：剪切一用模具落料沖工藝孔一用平面數(shù)控沖孔機沖孔一用模具壓彎成形一裝配一油漆。 第三種模式 ：剪切一用平面數(shù)控沖孔機沖孔一折彎成形一裝配一油漆。 第四種模式 ：單倍尺卷料一輥壓成形一切斷一用三面數(shù)控；中孔機 ；中孔一等離子切割局部外形一噴丸。b 生產(chǎn)設(shè)備 機械壓力機 ：3000、3500、4000、5000t ； 平面數(shù)控； 中孔機、三面數(shù)控； 中孔機、折彎機； 采用模具生產(chǎn)和平面數(shù)控沖孔機模式的工藝 ，一般受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、壓床噸位 ( 一般為3000、3500、4000、5000t)限制。不能采用強度過高的高強度鋼板，即屈服強度在350-560N/mm以下的高強度鋼板 ；縱梁和縱梁加強板的長度不易太長，應(yīng)控制在10000mm左右。材料厚度與材料長度成反比，控制在8mm以下為好。采用輥壓成形模式的工藝 ，在購買設(shè)備時就已將材料參數(shù)即屈服 強度設(shè)定在350-700N，mm以下，可以選擇屈服強度在700/mm以下的材料 ，長度不限，厚度控