汽车构造（下册） 第4版 课件 第21章 车架与承载式车身

第21章

车架与承载式车身现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架,车架是整个汽车的基体。车架的功用是支承连接汽车的各零部件,并承受来自车内外的各种载荷。汽车绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的,如发动机、传动系统、悬架、转向系统、驾驶室、货箱和有关操纵机构。第21章

车架与承载式车身车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。汽车在复杂多变的行驶过程中,固定在车架上的各总成和部件之间不应发生干涉。汽车在崎岖不平的道路上行驶时,车架在载荷作用下可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形;当一边车轮遇到障碍时,还可能使整个车架扭曲成菱形。这些变形将会改变安装在车架上的各部件之间的相对位置,从而影响其正常工作。因此,车架还应具有足够的强度和适当的刚度。为了提高整车的轻量化水平,要求车架质量尽可能小。此外,车架应布置得离地面近一些,以使汽车重心位置降低,有利于提高汽车的行驶稳定性。这一点对轿车和客车来说尤为重要。目前,汽车车架的结构形式主要是边梁式,还有中梁式等其他形式。其中,以边梁式车架应用最广泛。现代许多轿车和大客车上没有车架,其车架的功能由轿车车身或大客车车身骨架承担,故称其为承载式车身。第一节

车架21.1车架边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成,用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。纵梁通常用低合金钢板冲压而成,断面形状一般为槽形,也有的做成Z形或箱形。根据汽车形式不同和结构布置的要求,纵梁可以在水平面内或纵向平面内做成弯曲的,以及等断面或非等断面的。横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷,而且还可以支承汽车上的主要部件。通常货车有5或6根横梁,有时会更多。边梁式车架的结构特点是便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成,有利于改装变型车和发展多品种汽车,因此被广泛用在货车和大多数特种汽车上。图21-1a所示为载货汽车车架总成,它主要由两根纵梁和8根横梁铆接而成。21.1车架纵梁6为槽形不等高断面梁,由于其中部受到的弯曲力矩最大,故中部断面高度最大,由此向两端断面高度逐渐减小。这样,可使应力分布较均匀,同时又减小了质量。在左右纵梁上各有100多个装置用孔,用以安装转向器、钢板弹簧、燃油箱、储气罐、蓄电池等的支架。横梁一般也用钢板冲压成槽形,为增强车架的抗扭强度,有时采用管形或箱形断面的横梁。该汽车的前横梁3上装置散热器,横梁4作为发动机的前悬置支座。由于该车是长头汽车,发动机位置应尽可能低些,以改善驾驶人的视野,因此横梁4制成下凹形。在横梁7的上面装置驾驶室的后悬置,在其下面装置传动轴中间轴承支架。由于传动轴安装位置的需要,横梁7做成拱形,其余横梁都做成简单的直槽形。后横梁12上装有拖带挂车用的拖钩部件13,因后横梁要承受拖钩传来的很大的作用力,故用角撑加强。图21-1a)车架总成1—保险杠2—挂钩3—前横梁4—发动机前悬置横梁5—发动机后悬置右(左)支架和横梁6—纵梁7—驾驶室后悬置横梁8—第四横梁9—后钢板弹簧前支架横梁10—后钢板弹簧后支架横梁11—角撑横梁组件12—后横梁13—拖钩部件14—蓄电池托架15—螺母16、19—衬套17—弹簧18—拖钩20—锁块21—锁扣21.1车架某些越野汽车在车架纵梁前端两侧装有加长梁,以便在加长梁前端安装绞盘装置和专用的保险杠。在未装有加长梁的纵梁上,其前端两侧备有一组冲孔,以便需要加装绞盘等装置时,可以紧固左、右加长梁。有些汽车车架为加强纵梁和横梁的连接,并使车架具有较大的刚度,用钢板制成的盖板焊在或铆在连接处。在货车车架的前端、轿车车架的前后两端,有横梁式的缓冲件——保险杠。当汽车在纵向突然受到障碍物的冲撞时,它可以保护车身、翼子板和散热器,使之不受损坏。对于轿车来说,保险杠同时还起着装饰的作用。货车车架前端还装有简单的挂钩2(图21-1a),以便汽车发生故障或陷入地面下时,可以用其他车辆拖拽出它。图21-1a)车架总成1—保险杠2—挂钩3—前横梁4—发动机前悬置横梁5—发动机后悬置右(左)支架和横梁6—纵梁7—驾驶室后悬置横梁8—第四横梁9—后钢板弹簧前支架横梁10—后钢板弹簧后支架横梁11—角撑横梁组件12—后横梁13—拖钩部件14—蓄电池托架15—螺母16、19—衬套17—弹簧18—拖钩20—锁块21—锁扣21.1车架有时货车和部分大型客车要拖带挂车,故应有与挂车的车架相连接的拖钩部件13,安装在车架后横梁中部。该汽车的拖钩部件构造如图21-1b所示。拖钩18的尾部支承在两个衬套16与19上。在两个衬套的凸缘间装有弹簧17,而在拖钩尾部的端部旋有螺母15,并用开口销锁住。弹簧17用以缓和汽车行驶时所受到的冲击力,此冲击力可能由主车传到挂车,也可能由挂车传到主车。为保持挂车拖架的挂环与拖钩的衔接,拖钩具有可掀转的锁扣21,其上有带弹簧的锁块20,锁扣可用平头销及开口销固定在闭合位置,此时平头销穿过锁扣和锁块上相重合的小孔。图21-1b)拖钩部件1—保险杠2—挂钩3—前横梁4—发动机前悬置横梁5—发动机后悬置右(左)支架和横梁6—纵梁7—驾驶室后悬置横梁8—第四横梁9—后钢板弹簧前支架横梁10—后钢板弹簧后支架横梁11—角撑横梁组件12—后横梁13—拖钩部件14—蓄电池托架15—螺母16、19—衬套17—弹簧18—拖钩20—锁块21—锁扣21.1车架有的汽车车架采用了Z形断面纵梁,如图21-2所示。其优点是使车架前后等宽,并能保证车架前部容下柴油机飞轮壳及装在壳上的起动机。若采用一般的槽形断面纵梁,由于钢板弹簧布置的需要,则它的车架势必做成前宽后窄,以保证可安置体积偏大的柴油机。采用前后车架等宽的结构形式,可以提高车架的使用寿命。前后不等宽的车架,在过渡区的冲压过程中会产生皱纹,易形成应力集中。采用Z形断面纵梁的缺点是纵梁和横梁连接时,须在纵梁上翼面上增加一块垫板,使在纵梁腹板上装置有关总成不太方便。图21-2有些汽车车架是前窄后宽的,前部宽度缩小是为了给转向轮和转向纵拉杆让出足够的空间,从而保证最大的车轮偏转角度。21.1车架采用X形高断面的横梁,可以提高车架的扭转刚度,特别对于短而宽的车架,这个效果尤为显著,如图21-3所示。图21-321.1车架比较常见的车架纵梁的剖面形状如图21-4所示。在工作应力较大的地方,常采用图21-4b、c所示剖面形状来加强。在有些汽车车架进行局部加强时,可装上加强板,或在某处槽形断面内加嵌板件。图21-4a)槽形b)叠槽形Ⅰc)叠槽形Ⅱd)礼帽箱形e)对接箱形21.1车架中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁,因此亦称为脊骨式车架,如图21-5所示。中梁的断面可以做成管形或箱形。这种结构的车架有较大的扭转刚度,使车轮有较大的运动空间,因此常被采用在某些越野车上。图21-521.1车架如图21-6所示,脊骨式车架由一根位于汽车左右对称中心的大断面管形梁和某些悬伸的托架构成。中央管梁将动力传动系统连成一体,传动轴从其中间通过,故采用这种结构时驱动桥必须是断开式的并与独立悬架相配用,车轮有较大的跳动空间,使汽车有较好的平顺性和通过性。与其他类型的车架相比,其扭转刚度最大。图21-6采用这种脊骨式车架的优点是:能使车轮有较大的运动空间,便于采用独立悬架,从而可提高汽车的越野性;车架较轻,减小了整车质量;同时重心较低,因此行驶稳定性好;车架的强度和刚度较大;脊梁还能起封闭传动轴的防尘套作用。但这种车架的制造工艺复杂,精度要求高,给保养和修理造成诸多不便。21.1车架图21-7所示为桁架式车架。这种立体结构式车架主要用于竞赛汽车及特种汽车,由钢管组合焊接而成,兼有车架和车身的作用。图21-7在某些越野车上采用了一种IRS型车架,如图21-8所示。后部车架与前部车架用活动铰链连接,后驱动桥总成(主减速器、差速器)安装在后车架上,半轴与驱动轮之间用万向节连接。后独立悬架连接在后车架上。这样,不仅由于独立悬架可使汽车获得良好的行驶平顺性,而且活动铰链点处的橡胶衬套也使整车获得一定的缓冲,从而进一步提高了汽车的行驶平顺性。图21-8客车的整体式车架是由传统货车的“边梁式”车架结构传承而来,并根据需要而变型,一般可分为直通大梁式(亦称整体大梁式)、分段大梁式、三段式和格栅底架式四种类型。第二节

承载式车身21.2承载式车身现代大部分轿车和一些大型客车取消了车架,而以车身兼起车架的作用,即将所有部件固定在车身上,所有的力也由车身来承受,这种车身称为承载式车身。目前,大多数轿车都是采用承载式车身,图21-9所示为轿车承载式车身壳体。图21-10所示为轿车的承载式车身。图21-11所示为大客车整体承载式车身骨架。承载式车身由于无车架,可以减小整车质量,可以使地板高度降低,使上、下车方便。但是,传动系统和悬架的振动和噪声会直接传入车内,因此,应采取隔声和防振措施。图21-91—顶盖2—前风窗框上部3—加强撑4—前围外板5—前挡泥板6—散热器框架7—底板前纵梁8—底板部件9—行李箱后板10—侧门框部件11—后围板12—后风窗框上部图21-101—发动机舱盖2—A柱3—B柱4—顶盖5—行李舱盖6—后翼子板7—后车门8—前车门9—地板10—前翼子板11—前围12—挡泥板和前纵梁图21-1121.2承载式车身有些轿车为了减轻车架重量,尽量做到轻量化,采用半车架,如图21-12所示。在车身前部有一部分车架称为半车架(或短车架),发动机和前悬架安装在车架上,这样可使车身局部得到加强。图21-1221.2承载式车身在轿车承载式车身中,采用前、后独立的副车架组合而成的例子较多,如图21-13、图21-14所示。采用副车架可提高发动机和悬架安装精度、刚度、隔音性能以及改善车身装配作业性,提高整车舒适性。副车架开发的早期一直是D级豪华轿车上的必备配置,然而,随着汽车工业的迅猛发展,副车架结构也逐渐运用到普通轿车中,特别是一些追求运动性能的A级轿车。图21-131—副车架2—稳定杆3—导向杆4—支座5—弹簧-减振器总成6—上控制臂7—转向节8—车轮轴承-轮毂9—下支承臂图21-141—副车架2—上横臂3—减振器4—车轮轴承-轮毂5—梯形杆6—弹簧7—车轮支座21.2承载式车身简单来说,副车架就是悬架连接部件与车身之间的一种辅助装置。没有副车架的车型,悬架的部件都是直接与车身相连的。在这种情况下,汽车与地面之间产生的振动,会通过悬架部件直接传递给车身,从而影响到驾乘者的舒适性。有了副车架以后,悬架部件是与副车架相连的,副车架用弹性橡胶垫连接到车身上,同样的振动通过副车架的缓冲,再传递到车身时,振动会大幅度降低,从而提升了整车的舒适性。另外由于副车架的刚度比车身更强,通过副车架的连接以后,大大提升了悬架连接刚度,不仅提升舒适性,而且在提升底盘强度和操控性方面,同样有着独到的优势。传统的没有副车架的承载式车身,其悬架是直接与车身钢板相连的,因此前、后的悬架摆臂机构都为散件,并非总成。在副车架诞生以后,前、后悬架可以先组装在副车架上,构成一个总成,然后再将这个总成一同安装到车身上。副车架的优点:副车架能够带来很好的悬架连接刚度;能够减小由路面传来的振动,带来良好的舒适性;把悬架散件变成总成部件,提高了悬架的通用性,降低了研发成本;总成部件安装方便,降低了装配成本。副车架的缺点主要是钢制副车架会增加车重,铝合金的副车架重量轻、性能好,但会增加成本。21.2承载式车身另外,有的赛车、跑车采用单壳体车身,其突出特色就是全车大量采用了碳纤维强化材料(CFRP)技术,尤其是全碳纤维复合材料单壳体车身,如图21-15所示,在构造上可作为单一部件发挥作用,从而充分利用碳纤维强化材料的超强刚度。F1赛车采用碳纤维强化材料硬壳式结构已有多年历史,其耐撞性也久经考验。运用此项技术的公路跑车同样表现出众,其碳纤维车身牢固、安全、可靠。近年来,一些轿车采用了碳纤维、钢、铝等的轻量化车身结构,在车身上大量应用CFRP构件,如图21-16所示,既加固了车身,又大幅减小了整车质