车架设计的基础知识

PAGE1福田轻型载货汽车车架设计提纲整车对车架的要求车架的受力情况分析车架的结构分析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：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。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。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。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。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。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车架宽度选择的典型结构：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。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35006.1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）。是受以下几个特殊因素影响而决定的：①这部分车型使用中超载不多。②断面较小，最大断面高在130毫米以下，采用铆接时铆钳空间不够充裕。③前两类产品的批量不大，如采用铆接投入较大。6.2矩管焊接车架的缺点虽部分小型货车和越野车采用矩管车架，有以下缺点：6.2.1矩形管弯曲后回弹大，影响了整车高度方向的基准。焊接后车架本身的尺寸精度不高。6.2.2矩形管纵梁，同样抗弯模量前提下，成本高。原2310-II车架（100X50X5）170.6公斤重，成本1100元，改成1022EZC2A冲压车架（150X50X4），总成131公斤，成本830元，成本降低，抗弯模量大幅度增加（抗扭性能下降）。6.2.3不利于总布置。线路、管路、附件的固定不好处理。6.3焊接车架焊接变形大1022EZC2A车架为冲压焊接车架，焊接变形大，长期以来达不到设计要求，只好办理偏差许可，具体数据见附表（二）。6.4焊接车架不可避免有焊接缺陷对焊接工艺，容易出现过烧、假焊、咬边等焊接缺陷，由于焊接缺陷的存在，车架出现质量问题的机会增多。6.5对卡车行业，铆接车架是主流国内轻型车行业中，除了北轻汽受工艺条件的限制以外，基本都是铆接车架。北轻汽的主导产品BJ1041和BJ1061为焊接车架，BJ1041严格说来是一种“轻抛车型”，后悬架为渐变刚度簧，无副簧，整车承载能力弱，销售区域也基本在北方。焊接车架不是轻卡车架的主流。6.6公司已有有铆接工艺为生产五星轻卡的车架，公司完成铆接线的投入，为进一步分摊铆接线的投入，新设计的车架应优先考虑采用铆接工艺。8.3.7车架设计的公差分析及控制纵梁和横梁等主要零件通常用板料冲压而成，由于成形时，材料的某些部分的纤维被拉长或压缩，成形后必然回弹，致使零件尺寸、形状出现偏差，见图1。这些偏差与零件形状、材料强度和厚度公差、模具设计及精度、工艺及调整情况等有关，有时很大，必须根据车架自身装配要求及装置件的需要予以限定。也就是说，为了得到合格的车架总成，除了装配质量外，也要控制纵梁、横梁和支架类的零件自身的质量。没有合格的零部件，很难装出合格的车架总成。对于纵梁和横梁来说，一是控制纵向和横向的正负回弹及纵向扭曲回弹。二是要控制腹面和上下翼面的平度，特别是铆接部位的平度。一般平度不大于0.3mm，否则将影响铆接间隙，影响纵梁与横梁的垂直度，支架之间的同轴度及平行度。三是对孔位准确度的要求。一般图纸上对于一组孔之间位置度为0.25-0.5mm，每组孔之间的要求稍微宽些，如前后钢板弹簧支架的每组孔之间不大于（±0.5-±1）mm，上下翼面之间同组孔的同心度不大于1mm。在大批量生产中，采用落料冲孔模是很容易保证的。如果是小批量生产，采用钻模来钻孔，则孔位置度很难保证。对于支架类零件，主要控制铆接面的平度及形状尺寸中的垂直度，如钢板弹簧支架的铆接面与销孔之间的垂直度及孔位置准确度等。对于保安件（如方向机支架）更要严加控制。7.1、纵梁车架纵梁是汽车上最大的部件，也是构成车架总成的主要部件。由于车架是承载构件，一般在设计上选用低合金高强度热扎中厚钢板材料，我国常用的材料牌号为16MnL和10Ti等钢材。同时由于纵梁在设计上几乎与汽车的纵向长度相等，所以是最大的冲压件。1）腹板纵向直径度（F）如模具压紧面是平的，则腹板侧弯较大；如模具压紧面反向弯曲，则腹板侧弯即可较小，但截面负回弹较大，且模具复杂，故一般少用。变截面梁通常定为总长的0.15%；材料屈服点高时，往往需要放宽到0.3%。等截面梁可定为0.1%以下。每米长度上的直线度一般可<4mm。2）截面扭曲（N）变截面纵梁在截面转折部位将出现较大的扭曲，很难解决，故最好不在该处紧固零件。两相邻横梁的紧固处，相对扭角应<1°。等截面直梁的扭曲较小，一般不必限定公差（按自由公差），如1046E6、1033E采用195断面高的大直梁。3）截面喇叭口（A1、A2）由于工艺条件不同，截面可能出现正回弹或负回弹，在无装配问题处，其偏差可不加限定；当有装配要求时，可定为A=1°，或限定其开口尺寸公差为2（可双向分布）。4）压弯半径（R）压弯半径过小则易开裂，过大则回弹加大。随着模具磨损，该尺寸将变大，从而使喇叭口和翼缘上的孔边距增大，影响装配，其公差常定为+1.5，或为+1/4板厚。5）腹板纵向直线度（δ）冲模调整不当，压紧力不够，腹板可能出现弧形，必须严格控制。在非压弯区测量，横向直线度公差可为0.3（从圆角切点开始，从腹板内表面或外表面测量）。6）波纹度（B）一般应<2mm，高应力区应<1mm，拉应力区可不限定。7.2、纵梁存在的质量问题对于纵梁成形的主要质量问题就是开裂和回弹。压弯时开裂可以通过提高材料质量，合理的选择圆角半径等措施是不难解决的。而回弹影响着装配的难易程度和装配质量，所以必须加以控制。1）纵向回弹，一般表现为纵梁中部鼓起、纵梁前后端部发翘，目前规定（1.5-2）：1000，或则是规定为不大于10mm。这种纵向回弹一般在装配时可以靠夹具来克服。2）横向回弹：横向回弹是指上下翼面相对腹面的垂直度，如果大于90°角，则为正回弹，小于90°角为负回弹。横向正回弹使铆接间隙大，负回弹使横梁装配困难。因此各厂家都对横向回弹规定了检查范围，对列如下：表1纵梁横向回弹数值规定国别公司草图数据范围单位备注中国一汽1.5：100mm东风福田日本五十铃≤±0.5mm装配零件部位≤±1mm不装零件部位3）纵梁扭曲质量问题。扭曲问题也是影响装配质量问题之一，一般是由中间开始，到两端扭曲角度逐渐增大。解放车纵梁扭曲值一般在3.8-6.7mm，如下图。东风越野车纵梁前端扭曲3mm，后端扭曲5mm。对于扭曲的控制，只要也是靠装配时来纠正。7.3、设计与控制产生回弹的原因很多，主要是产品结构，压床气垫压力，模具结构及材料的机械性能等。解决回弹的措施是：如凸模做成预回弹角，改变凸模底部与退料板的形状，改进产品结构，控制材料性能与厚度公差，适当地调整压床气垫压力等。同时在纵梁设计中，应从工艺角度进行以下考虑：1）在技术条件要求上应区别对待，该严的要严格要求，不该严的部位应一般要求，这样可降低制造成本。如纵梁的横向回弹，在有装配横梁和支架之处，要求严些，在非装配之处，应一般要求。2）纵梁上的孔径尽量统一，纵梁设计时应尽量使各支架、横梁等紧固面的厚度相同，铆钉孔径或螺钉孔径应尽量统一，可减少铆钉螺钉的品种，也便于模具备件的管理和维修。3）关于纵梁加强板的设计，为防止车架纵梁在使用中的断裂问题，往往设计者在纵梁易断的地方增加一个或几个加强板。加强板与纵梁的连接有铆接，也有点焊固定，有的二者兼有之。一般最好只加一层加强板，特殊如军车和越野车可能会内外加4层加强板，工艺性要求更高。7.4、车架总成根据装配需要，可注出若干公差，必要时应对车架实施矫正，加以保证。1）车架宽度车架宽度一般可保持±5mm以内，但在纵梁截面转折处，相当长的范围内，宽度偏差可能很大，如存在装配问题无法满足，则应根据需要注明公差（如悬架系统及散热器支架安装处），以便工艺上考虑校正措施。2）悬置孔位公差发动机、驾驶室的悬置孔，最好采用长孔，否则应规定孔位位置度公差，可为1mm。3）对角线公差应在左右纵梁上选用一组对称孔，孔距以1.5∽2m为宜，以便检查，该组孔的对角线孔距应

<5mm。3.7.5执行标准表6车架总成应满足的形位公差和尺寸公差车架型式及产品未注形位公差未注尺寸公差焊接式车架皮卡、轻客、高档载货汽车GB/T1184—HQC/T29087—1992中表1的A级经济型汽车、农用运输车GB/T1184—LQC/T29087—1992中表1的B级其它汽车GB/T1184—K铆接或铆焊结合式车架皮卡、轻客、高档载货汽车GB/T1184—HGB/T1804—f经济型汽车、农用运输车GB/T1184—LGB/T1804—c其它汽车GB/T1184—KGB/T1804—m附表（二）怀柔汽车厂1022EZC2A车架尺寸实际精度尺寸设计要求实际能达到的精度尺寸设计要求实际能达到的精度前簧前支架高度599±0.5±3车架上平面度±1.5±2前簧后支架高度238.5±0.5±2≤2≤3后簧前支架高度200±0.5±1≤2≤3后簧后支架高度62±2车架前部宽度760±1.5±2≤2≤4572±2±3≤2≤4799±0.8±38.4车架计算8.4.1简单强度计算车架是一种力情况非常复杂的部件。在汽车运行过程中，它既受弯又受扭，而且是动态的，所以很难用常规的方法来准确地对其受力情况进行分析计算。目前采用的计算方法主要有两种，一是常规的静弯曲强度计算，二是有限元法。有限元法可以对车架进行弯扭联合作用及动静态的强度计算，是目前应用比较好的一种强度计算分析方法。但是两种方法在计算过程中建立数学模型时都有不同程度假设，计算结果都不能完全反映车架的真实受力情况，因此往往还需要用试验来验证。目前，在设计时，首先是进行静弯曲强度计算，来初步确定车架纵梁的端面尺寸，最后再进行有限元计算，来全面检验车架的整体结构及局部是否合适。在车架设计中要贯彻可靠性设计与分析产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的，产品的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。则车架的可靠性是指据日本电子行业的统计，产品不可靠的原因中，设计占到了80%，可靠性必须先确定评价系数，建立标准，如车架的可靠（使用）寿命、零部件的首次出现故障时间、单位时间（里程）的故障率等，车架的组件主要是串联式的，因此一部件出现故障，车架的可靠性就严重下降，对部件进行重要度分析、强度和受力分析贯彻一点即是车架进行等强度设计，在规定的使用寿命范围，不使局部强度储备过大而使局部寿命延长造成浪费。在计算时，对于车架作如下简化：1、对于常用的边梁式梯形车架，其左右纵梁基本是对称的，所承受的载荷差别不大，故可以认为车架纵梁是支承在悬架上的简支梁。如左右纵梁所承受的载荷不相等，则计算时取载荷较大的一根纵梁进行。2、所有作用力都通过纵梁端面的弯曲中心。实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸的部件（如油箱、蓄电池等）而产生局部扭转，但在设计时往往在该处布置有横梁，使得对纵梁的扭矩转变为对横梁的弯矩。因此，一般来说这种假定不会给计算带来较大的误差。由于上述两个假设，使车架计算由一个静不定问题简化为一个静定问题。车架上载荷分配按以下原则进行：1、具有几个支点的零部件，其质量按质心的位置分配于各支点上，然后将力传至车架。2、装有载荷的车厢，其质量通过车厢横梁传至车架，即将车厢按其横梁的数量及分布情况分成相应的若干区段，每一区段的质量就是每根横梁上所受的载荷。3、车架自重及管线路的质量可以认为是均布载荷。计算时将车架分成相应的若干区段，每一区段的质量被认为是以集中力的形式作用于区段的中点。K：安全系数，是考虑影响车架强度和各种因素（如应力集中、车架制造质量、材料的金相和表面质量等等）的一个系数，根据试验和统计结果，一般K值在1.3-1.8，同时由于考虑汽车在道路上行驶，由于道路不平使汽车产生振动，即受到动载荷的作用，因此可选择2-4范围，同时随着道路条件的改善，这一数值可以相应地减少，目前可选取2.5。简单的刚度计算分析以上两种计算可参照《汽车设计》上推荐的方法计算强度与验算抗弯刚度。车架设计的刚度比强度重要，JX/L3（1000N的垂直作用力作用于简支梁的中点时，纵梁的变形倒数）推荐值为大于12，实际上考虑超载，中卡该值为推荐值的1.5到2.5倍。8.4.3车架CAE综合分析有限元法可以对车架进行弯扭联合作用及动静态的强度计算，是目前应用比较好的一种强度计算分析方法。8.5车架设计注意事项8.5.1概述车架总成是汽车中最重要的总成之一，汽车中几乎所有的总成部件都装置其上。它承受着所装载的全部重量，传递着全部的驱动力和制动力，其工作可靠性将直接影响到整车的使用寿命。为了使车架具有上述功能，在车架设计时应主要考虑以下几个方面：1、车架要有足够的强度必须保证车架在各种道路条件下，不致过早受到严重损坏，即要有足够的使用寿命。目前，用户一般都超载使用，为了争取更多的市场份额，对车架的强度要求尤为重要。2、车架要有合适的刚度必须保证汽车在各种道路条件下，固定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，故车架应有足够的刚度。但刚度并不是越大越好，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，以提高汽车的平顺性和通过能力，要求车架具有一定的挠度，即扭转刚度不宜过大，与装备其上的其他各总成部件的刚度不匹配，也会造成车架的早期损坏。3、在保证强度的前提下，应尽量减轻车架的质量车架的质量约占汽车自身重量的10%（标准轴距时），因此，车架纵梁应按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自身质量和降低材料消耗量。但是，有时为了改装和变型的方便，车架纵梁后部一般采用等端面而非等强度梁。汽车的轻量化设计：8.5.2焊接车架注意事项从车架断裂看车架的设计和预防措施从车架断裂看车架的可靠性设计1车架上增加孔位的注意事项在车架上钻孔，应当使用普通钻头，严禁使用气焊吹孔。同时为了防止应力集中，钻完孔后应予精修。对于安装螺栓的孔，在螺栓头和螺母面应倒角。1、角板、纵梁和横梁的上下翼缘面不应该有切口。2、横梁不应钻孔3、纵梁的上下翼缘面不应钻孔，但有下述情况除外a)安装后横梁的孔b)靠近纵梁端面用以阻止付车架前后窜动的螺栓孔4、纵梁腹板的上下边各占纵梁高度的18%以内不应该有任何孔（对于55kg/mm2抗拉钢板应占20%）5、纵梁垂直压弯线的两侧80mm范围内不应该钻孔6、孔的边缘到焊缝件的距离应大于30mm。7、在一条垂直线上不能连钻三个孔，如果需要钻三个孔，则系列孔径应小于11mm，端面较高的可小于13mm，对于其他重型车应小于15mm。同时尽可能避免在水平方向钻一连串孔。8、所有孔应该垂直于该钻孔面。8.5.3铆接车架注意事项车架的铆接1、铆接铆接有热铆和冷铆两种形式，为了质量的稳定，我们坚决推荐使用液压铆钳冷铆。对于热铆，由于铆钉的收缩产生有巨大的紧固力，但在加热时产生有氧化铁皮，铆钉和铆孔间即有间隙，可能引起铆钉松动。采用热铆或手工铆接时，铆紧后应仔细检查。铆接时，应不用气焊等方式加热。具体铆接缺陷见右图1。此外，以剪切力为主的部位一定要采用铆接，重要的是要使铆钉直接受拉。当与车架上广泛使用铆接时应将车架和装置钳起钻孔，铆钉应该是错开的，而不要上下排在一条线上。8.5.4车架的通用化设计通用化设计原则与方法2.1设计原则a)有利于生产准备b)有利于维修及配件供应c)车辆品种的增多有利于用户的选择。d)减小配件资源达到标准化与批量，才能减少成本除非绝对需要，不要轻易改动车架2.2方法：a)车架设计适应良好资源b)调整小量资源与整车相配，大批量及系列品种件互换c)易损件利用社会资源，不同车型间互换。d)社会资源适应我公司产品，变其而不变我。3部件的设计3.1纵梁3.1.1长度系列化纵梁，不论其品种多少、长度如何变化，一般用一套组合冲模（指生产一种车架纵梁所需的冲模数）即可满足需要。如纵梁前后部都存在变截面部分，则在改变长度时，只要保持各变截面部分形状不变（见图1中C、F段），只变化等截面部分的长度（图1中AB、DE、FG段），通过增减或更换各种冲压镶块，即可采用一套组合式冲模将所有不同长度纵梁压制出来。如为等截面纵梁，或仅在前部存在变截面部分的纵梁，由于各种纵梁的差别多发生在其后部等截面部分，则组合式冲模比较简单。3.1.2孔a）采用大冲孔模生产纵梁时，应注意使所有纵梁的绝大多数孔保持通用，并注意使某些纵梁的专用孔与这些通用孔保持适当的距离，以便使这些孔的冲头和凹模镶块可装在一套通用模上，这样当不生产该纵梁时，只需拔去该块换冲头即可。对于那些于强度无影响的孔，也可任其冲出。如某纵梁的专用孔和通用孔过近或孔径不同时，通过更换镶块虽可冲出，但较麻烦，最好少用，也可采用补钻、补冲的方法加工出某些专用孔。b）减少纵梁孔的数量，非常有利于纵梁的生产，最好每一个纵梁的孔数不多于100个。为此，应多方设法减少纵梁上的装置件数，如将多个储气筒固定在一套支架上，该系统的其他小附件，有的也可以紧固在该支架上，又如将驾驶室踏板直接固定在驾驶室上等。c）纵梁的紧固孔径应予以标准化，一般以3种为宜，最好不多于5种。3.1.3强度通常采用以下设计措施，以满足系列化纵梁不同强度的要求。a）采用不同强度的材料，模具可完全通用。b）采用不同厚度的材料，改变料厚时纵梁截面内高应保持不变，这样仅须改动部分镶块即可通用原模具生产。同时翼缘联接的横梁也可以通用。c）采用不同的翼缘宽度，应结合板厚大小合理确定，模具可大部通用。d）采用加强板局部加强，加强板的长度及板厚也可按需要进行多种变化。e）当纵梁系列较宽时，可再增加一种截面高度3.2横梁a)采用腹板连接结构，可使横梁在同一车架上或不同车架上实现比较广泛的通用，采用腹板及翼缘综合连接的横梁，通用性一般要差些。b)同一横梁通过两端连接件的改变，亦可实现较大的通用。c)采用翼缘连接结构的横梁，只要纵梁截面内高保持不变，即可使之通用。d)尽量保持车架宽度不变，车型系列较宽时，可增加一种宽度尺寸，并注意二者横梁设计，尽可能使其模具通用。3.3支架a)各支架紧固处的壁厚应标准化，以减少紧固件的品种。b)支架按对称原则设计，以使左右件通用或左右件的工模具通用。c)左右支架由通用的胚件组焊而成。d)将某些零件共用一套支架与车架固定，以减少支架数量。e)注意支架在车型间的通用。在支架改变时，应注意保持紧固孔位通用。3.4附件8.5.5车架的轻量化设计汽车的轻量化设计：低成本设计是每位设计人员追求的一个目标，而通用化与轻量化设计则是车架低成本设计中的两个重要措施。现代轻型载货汽车都具有作为整个骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内的各种载荷。车架是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。车架的的结构型式首先应满足汽车总布置的需要，即各部件和总成不发生静态和动态干涉，同时还应在车辆受到外来和内在的力时，能保证整车性能的可靠性。在车架零件的制造中，一般都需采用大型压力机和大型模具，不仅其价格昂贵，且制造周期较长，因此在设计中必须十分重视车架的系列化，使其能以少数零部件组成多种总成，并可用少数模具制造出来，以满足汽车多品种系列化的需要。发展系列车型时，车架的长度、轴距和部分孔位一般都要发生变化，有时还要改变车架的宽度和承载能力。因此各种纵梁的长度、孔位和截面尺寸常常不能保持一致，横梁的结构、数量和长度也会发生变化。在系列化设计中，如将其处理得好，即可使生产大大简化。在现代工业技术发展中，能源和环境问题已成为不可回避的重大社会课题，因此在现代汽车的结构性能中，减轻车重，降低油耗，减少环境污染和提高安全性一直是重要的课题。汽车的减重（轻型化）是降低油耗的主要途径（约占50%以上）之一，因而也是减少二氧化碳废气排放量的最有效对策。据统计，汽车车重每减轻1%，燃油可降低0.6%-1.0%为了减轻车重和提高安全性，近年来，汽车用钢板向高强度化方向发展。当钢板厚度分别减少0.5mm、1mm，车身向钢添加Ti的析出强化可以固定碳和氧，很好地提高钢材的性能，1、采用具有高强度和优良的弯曲成形及翻边成形性能的贝氏体热扎钢板，或者加入10Ti和Cr、Cu等元素进行合金化的钢板。附：BJ1046E6西南车型设计方案计算书BJ1046E6系列车型按原设计任务书设计的运输轻抛货物的经济型车辆，它不能满足西南地区道路状况差、用户超载严重的客观情况，西南车型除了对底盘配置加强外，对后悬右1720减少至1470，货厢容积减小，以下计算按严重超载6T计算，一、车架纵梁强度校核1主要相关参数尺寸参数(mm)纵梁总长L5510纵梁前端到前轴之间的距离a840纵梁后端到后轴之间的距离b1310汽车轴距l3200车厢长C4000车厢前端到后轴之间的距离C12530车厢后端到后轴之间的距离C21470纵梁截面尺寸195×65×6车厢容积4×1.78×0.36=2.56m质量参数(kg)空车时簧载质量Gs1533装载质量Ge(按装载湿沙比重2000kg/m3计算)6000校核计算确定计算弯矩满载条件下，前轮中心支座对任一纵梁的支反力(N)F1=ADVANCEEQ\F(g,4l)［Gs(L-2b)+Ge(C-2C2)］=EQ\F(9.81,4×3200)［1533×(5510–2×1310)+6000×(4000–2×1470)］=8269.8在驾驶室长度内这一段纵梁的弯矩(N·mm)为Mx=F1x–EQEQ\F(Gsg,4L)(x+a)2在驾驶室后端至后轴这一段纵梁的弯矩(N·mm)为Mx`=F1x–EQ\F(Gsg,4L)(x+a)2–EQ\F(Geg,4C)［C1–(l–x)］2纵梁某一断面的剪力(N)为Qx`=F1–EQEQ\F(Gsg,2L)(x+a)–EQ\F(Geg,2C)［C1–(l–x)］由上可知，纵梁的最大弯矩发生在驾驶室后端至后轴这一段纵梁内。其位置可求得令EQ\F(dMx`,dx)=F1–EQEQ\F(Gsg,2L)(x+a)–EQ\F(Geg,2C)［C1–(l–x)］=0x=［2F1–EQ\F(Gsag,L)+EQ\F(Geg(l–C1),C)］/（EQ\F(Gsg,L)+EQ\F(Geg,C)）=［2×8269.8–EQ\F(1533×840×9.81,5510)+EQ\F(6000×(3200–2530)×9.81,4000)］/（EQ\F(1533×9.81,5510)+EQ\F(6000×9.81,4000)）=1381.826代入弯矩计算公式，可得纵梁受到的最大弯矩(N·mm)Mmax=8269.8×1381.8–EQ\F(1533×9.81,4×5510)×(1381.8+840)2–EQ\F(6000×9.81,4×4000)［2530–（3200–1381.8)］2=6195046.8纵梁所受到的最大剪力发生在后轴附近，当x=l时最大剪力(N)为Qmax=F1–EQEQ\F(Gsg,2L)(l+a)–EQ\F(Geg,2C)C1=8269.8–EQEQ\F(1533×9.81,2×5510)(3200+840)–EQ\F(6000×9.81,2×4000)×2530=-15858以上仅考滤静载工况下，纵梁断面弯矩和剪力的计算。若考滤动载荷作用，纵梁受到的最大弯矩和剪力大约为静载工况下的3～4.7倍,可用动载系数表示，再考滤纵梁在动载荷作用下将产生疲劳，对疲劳的影响可用疲劳系数表示，此值取1.4,故汽车行驶时受到的最大弯矩和剪力为Mdmax=6.58Mmax=6.58×6195046.8=40763408(N·mm)Qdmax=6.58Qmax=6.58×15858=104345.64(N)2．2纵梁断面特性计算(计加强板)W=EQ\F(BH3-bh3,6H)=EQ\F(65×1953-55×1833,6×195)=123846.23(mm2)弯曲应力校核纵梁断面的最大弯曲应力(N/mm2)为σmax=EQ\F(Mdmax,W)=EQ\F(6.58×6195046.8,123846.23)=329.145而［σ］=350σmax＜［σ］所以纵梁的强度是足够的抗弯刚度校核根据使用要求，车架纵梁中点受1000N集中载荷作用时，允许变形量［y］＜0.085cm,即jx/l3＞12，可以认为车架纵梁的刚度是足够的，若取动载系数为2，则须jx/l3＞24，而jx/l3=1003.22/3.23=30.62＞24所以车架纵梁的刚度是足够的另最大挠度发生在最大弯矩处，而最大弯矩处的剪力(N)约为F=4.7×［EQ\F(Gsg+Geg,2L)(x+a)-F1］=4.7×［EQ\F(1533×9.81+6000×9.81,2×5510)×(1381.8+840)-8269.8］=31157.8纵梁的抗弯刚度系数(cm4)为Jx=EQ\F(BH3-bh3,12)=EQ\F(6.5×19.53-5.5×18.33,12)=1207.5则有纵梁的最大挠度(cm)为Ymax=EQ\F(Fl3,48EJx)=EQ\F(31157.8×3.23,48×21×1207.5)=0.84而许用挠度(cm)为［y］=EQ\F(6629.3,1000)×0.085=0.563Ymax＞［y］所以纵梁的抗弯刚度是不够的低成本设计实例一：时代轻卡加孔减轻重量5×￠5×￠602—2—R30图4后簧后支架处横梁改进前模型及整体应力云图图4后簧后支架处横梁改进前模型及整体应力云图原设计质量7.0kg，改进后重量为5.8kg，降低1.2kg。44×￠12022—R60图5后簧后支架处横梁改进前后模型及整体应力云图对比图5后簧后支架处横梁改进前后模型及整体应力云图对比低成本设计实例二：铆接车架五、六横梁的连接板设计L=80L=80δδ=5原设计料厚5mm，重量为2kg/件，时代轻卡全车共需八件，净重16kg；改进后料厚4mm，同时翻边由80mm减为50mm，重量为1.5kg/件，全车净重12kg,减少4kg。δδ=4L=50L=50图18后簧后支架处横梁连接板改进前后应力云图图18后簧后支架处横梁连接板改进前后应力云图低成本设计实例三：铆接车架的上下加强板考虑模具时的成本低成本设计实例四：附件表1常用黑色金属材料牌号的选用、标注序号材质标准常用材料牌号标注方法示例1GB/T699－1988优质碳素结构钢技术条件08F、10F、08、10、20、35、45、65Mn45-GB/T6992GB/T700－1988碳素结构钢Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235BQ235A-GB/T7003GB/T1222－1984弹簧钢65Mn、60Si2Mn65Mn-GB/T12224T7、T8、T8A、T10、T10AT10A-GB/T12985GB/T1591－1994Q295A、Q295B、Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345EQ345A620Mn2、30Mn2、45Mn2、15Cr、20Cr、40Cr、40CrMn、20CrMnTi40Cr-GB/T30777GB/T3078－1994优质结构钢冷拉钢材技术条件20、35、20Cr、40Cr45-GB/T30788GB/T5216－1985保淬透性结构钢技术条件40CrH、20CrMnTiH、20CrNi3H45H-GB/T52169GB/T8731－1988易切削结构钢技术条件Y12、Y15、Y40MnY12-GB/T871310GB/T1348－1988球墨铸铁件QT400-18、QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT900-211GB/T7659－1987焊接结构用碳素钢铸件ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H12GB/T9439－1988灰铸铁件HT150、HT200、HT250、HT300、HT350HT150-GB/T943813GB/T9440－1988可锻铸铁件KTH350-10、KTZ450-0614ZG270-500、ZG310-570、ZG340-6404GB/T3273－1989汽车大梁用热轧钢板10TiL09SiVL16MnLA-8.0-GB/T709热板16MnL-GB/T3273板厚t：2.5～125GB/T3274－1988碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带Q235AQ235BQ345A-6.0-GB/T709热板Q235A-GB/T3274板厚t：4～200带厚t：4～255GB/T8162-1987结构用无缝钢管10、20、35、45、Q345热轧管10-73×3.5-GB/T8162(用10号钢制造的外径73，壁厚为3.5的普通级精度的热轧钢管。)冷拔管10-73高×3.5-GB/T8162(用10号钢制造的，外径73，精度为较高级；壁厚为3.5，普通级精度的冷拔钢管。)①（钢管分为热轧（挤压、扩）：外径32～630，壁厚2.5～75；冷拔（轧）：外径6～200，壁厚0.25～14；两种）②钢管外径和壁厚的允许偏差等级：普通级、较高级。钢板规格(板厚)备注代用系列车辆车辆第一系列优选系列1．代用系列材料牌号只作为代用参考（图样中不直接标注），代用关系可参照附录D（提示的附录）。2．St12、St13、St14、SPCC、SPCD、SPCE、T52、T52L、B510L、B510DL、P510L、St44-3G为宝钢、武钢、攀钢的企业标准材料牌号，参见附录D。4．在设计中应根据使用情况优选第一系列钢板规格和牌号。2.020Q235A、08AlSt12、St14、St13、St44-3G2.520Q235A、08AlSt12、St13、St143.020Q235A、10TiLSPCC4.0Q235A45、10TiLB510L、B510DL、T52L、T52、P510L5.010TiL16MnL、Q235A6.0Q235A、10TiL、16MnL16Mn7.0Q235A、16MnL10TiL、20/8.0Q235A16MnL、20/10Q235A//12///第二系列0.9//BSC2、St14、St13、St123.520//4.5Q235A//6.509SiVL/B510L、B510DL、T52L、T52、P510L610TiL09SiVL具有优良的冷成型性、焊接性和抗疲劳性能。用于制造汽车车厢纵横梁、车架横梁、车轮轮辋和轮辐等。16MnL强度高、韧性好。主要用于制造汽车纵梁、横梁等。表D5车架常用钢板材料牌号对照表项目国家标准及牌号宝钢标准武钢标准攀钢标准标准号牌号标准号牌号标准号牌号标准号牌号汽车梁用钢板GB/T3273-198910TiL、09SiVL、16MnL、16MnRELQ/BQB310-1999B510L、B510DLQ/WG(RZ)02-1999T52L、T52（横梁用）Q/PH01.014-1998P510LPAGE39表D1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、性能对照对比项目国家标准攀钢标准GB/T3273-1989《汽车大梁用热轧钢板》（板厚2.5～12）Q/PH01.014-1998《汽车梁用热轧钢板和钢带》牌号09MnREL06TiL08TiL10TiL09SiVL16MnL16MnRELP510LP420LP440LP370L化学成分%C≤0.12≤0.08≤0.12≤0.140.08～0.150.12～0.200.12～0.20≤0.12≤0.12≤0.12≤0.10Si0.20～0.60≤0.200.10～0.400.10～0.300.70～1.000.20～0.600.20～0.60≤0.70≤0.50≤0.50≤0.50Mn0.70～1.000.20～0.500.30～0.600.50～0.900.45～0.751.20～1.601.20～1.60≤1.20≤0.90≤0.90≤0.60V－－－－0.04～0.10－－≤0.10≤0.10≤0.10－Ti－0.07～0.200.07～0.200.07～0.20－－－－