汽車車架設(shè)計(jì)指南

1、底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南目 錄第三章 車架1 車架的主要功能482 車架的類型482.1 主要類型482.2 車架的主要結(jié)構(gòu)件493 車架的功能設(shè)計(jì)要求534 車架的設(shè)計(jì)和計(jì)算534.1 車架的主要載荷534.2 車架的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容544.3 車架的設(shè)計(jì)計(jì)算舉例555 車架的工藝介紹575.1 副車架的制造575.2 總成檢驗(yàn)585.3 質(zhì)量保證585.4 生產(chǎn)技術(shù)新動(dòng)向586 車架常用材料的選擇59 第三章 車架1 車架的主要功能車架是整個(gè)汽車的基體，汽車上絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架來固定其位置的。如：發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向、駕駛室、貨箱和有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)。車架的功用是支撐連接汽車的各零部件，

2、并承受來自車內(nèi)外的各種載荷，是整改底盤的骨架。2 車架的類型2.1 主要類型 目前，汽車車架的結(jié)構(gòu)形式基本上有三種：邊梁式車架、中梁式車架（或稱脊骨式車架）和綜合式車架。其中以邊梁式車架應(yīng)用最廣。邊梁式車架由兩根位于兩邊的縱梁和若干根橫梁組成，用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架。下圖的車架就屬于此類型，如下圖1。通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面形狀一般為槽形，也有的做成Z字形或箱形斷面。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是便于安裝駕駛室、車廂及一些特種裝備和布置其它總成，有利于改裝變型車和發(fā)展多品種汽車。被廣泛采 用在載貨汽車，皮卡和大多數(shù)的越野汽車上。近代轎車為了保證良好的整車性能，盡量降低中心和有利于

3、前后懸架的布置，把結(jié)構(gòu)需要放在第一位，兼顧車架加工工藝性，所以車架形狀設(shè)計(jì)的比較復(fù)雜而實(shí)用。圖1車架中梁式車架只有一根位于中央貫穿前后的縱梁，因此亦稱為脊骨式車架，中梁的斷面可以做成管型或箱型。這種結(jié)構(gòu)的車架有較大的扭轉(zhuǎn)剛度。使車輪有較大的運(yùn)動(dòng)空間，便于布置等優(yōu)點(diǎn)因此被采用在某些轎車和貨車上。綜合式車架比較復(fù)雜，應(yīng)用比較廣，一般轎車上使用。2.2 車架的主要結(jié)構(gòu)件車架主要有以下結(jié)構(gòu)形式：1. 水箱橫梁和發(fā)動(dòng)機(jī)支撐梁橫梁總成支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、水箱、保證車身的扭轉(zhuǎn)剛度，如圖1發(fā)動(dòng)機(jī)支撐梁和水箱橫梁均有鋼板沖壓焊接而成，發(fā)動(dòng)機(jī)支撐梁為封閉斷面。發(fā)動(dòng)機(jī)支撐梁與車身連接處通常裝有橡膠緩沖塊。材料：支撐梁上下體

4、材料常采用為SAPH440其它BH340，表面處理為電泳。圖2 A11橫梁2. 副車架 副車架帶控制臂總成 承受前軸載荷、支撐車身、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向機(jī)、前懸掛、制動(dòng)器等副車架、控制臂均為鋼板沖壓焊接而成為封閉斷面，如圖3?？刂票叟c副車架連接處采用橡膠襯套，起到改善行駛性能和舒適性。材料：副車架上下體材料為常采用SAPH370其它為SPHE、SPHC表面處理為電泳。圖3前副車架3. 框型前副車架框式前副車架通常是由4根管（或封閉梁）結(jié)構(gòu)焊接而成的框式結(jié)構(gòu)，用于的微車和中高檔車上。車架連接了前擺臂，轉(zhuǎn)向機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊，以及動(dòng)力總成等重要的零部件，這樣其強(qiáng)度及可靠性就變的尤為重要。車架通過4點(diǎn)或6

5、點(diǎn)與車身相連。用管結(jié)構(gòu)的，可以減少焊接，以得到較好的總成尺寸精度，如圖4b；用封閉梁焊接而成的可極大的提高承載能力,如圖4a。由于此類型件為復(fù)雜的沖壓焊接件，應(yīng)充分考慮好工藝以保證其總成尺寸。 a. 前副車架 b. 前副車架圖4 框式前副車架4縱梁發(fā)動(dòng)機(jī)縱梁總成支撐動(dòng)力總成，如圖51） 發(fā)動(dòng)機(jī)縱梁總成均由鋼板沖壓焊接而成，為封閉斷面。2） 材料：支撐梁上下體材料通常采用SAPH370焊接總成表面處理為電泳圖55后副車架后軸總成承受后軸載荷，起到支撐車身、連接后懸架各連桿、裝后制動(dòng)器的作用，如圖61）軸焊接總成均為鋼板沖壓焊接而成的，主體的斷面為封閉斷面，如圖6，有很強(qiáng)的抗彎扭能力；另外有用彎管

6、焊接而成的，管料為合金高強(qiáng)度剛，采用彎管設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的自由性，減少了焊縫數(shù)量，可較好的保證總成精度。2）后軸總成與車身連接處通常裝有橡膠緩沖襯套，減緩車輪傳遞的沖擊力，圖6。3）材料：支撐梁上下體材料通常采用SAPH370,圖6在連接后上下控制臂的孔中，設(shè)計(jì)了偏心螺母調(diào)節(jié)功能，可很精確的調(diào)整四輪定位參數(shù)。焊接總成的表面處理為電泳 圖6 后副車架6后軸扭轉(zhuǎn)梁 后軸總成支撐車身、后懸架、制動(dòng)器。該后軸的結(jié)構(gòu)為：復(fù)合雙縱臂式，主體結(jié)構(gòu)為沖壓焊接件，焊接總成是在一個(gè)V(或U)型梁的兩端各焊上一個(gè)管狀縱臂，相交點(diǎn)約在縱臂的前1/3處，為了增加他們之間的聯(lián)接強(qiáng)度在兩端的內(nèi)側(cè)各焊接了一個(gè)楔狀加強(qiáng)梁。后軸

7、連接車身的紐帶是后軸鉸鏈，如圖7。（車架均為受力部件：應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)，驗(yàn)證其強(qiáng)度。除臺(tái)架壽命試驗(yàn)，可靠性，強(qiáng)化路試外，生產(chǎn)的每批件應(yīng)抽取一定數(shù)量進(jìn)行型式檢驗(yàn)。其中包括焊接性能檢驗(yàn)，以及疲勞壽命試驗(yàn)等）。V(或U)型梁同時(shí)起著穩(wěn)定桿的作用，將車體傾斜保持最低的程度，同時(shí)省去了穩(wěn)定桿，減輕重量。略去了穩(wěn)定桿以及橫向推力桿等件，由于受力程度較大，且很復(fù)雜，固在材料的選擇上要求較高目前在國類還找不到強(qiáng)度及形狀都符合要求的型材，后軸橡膠鉸鏈對(duì)于行駛性能及舒適性起著決定性作用它是聯(lián)接后軸與車身的紐帶。圖7后軸總成7拖臂式后軸后軸總成（含拖曳臂、推力桿）支撐車身、后懸架、后制動(dòng)器等，如圖8圖83 車架的功

8、能設(shè)計(jì)要求車架的結(jié)構(gòu)形式首先應(yīng)滿足汽車總布置的要求。當(dāng)汽車在復(fù)雜多變的行駛過程中，固定在車架上的各總成和部件之間不應(yīng)發(fā)生干涉。當(dāng)汽車在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)，車架在載荷作用下可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形及在縱向平面內(nèi)的彎曲變形，當(dāng)一邊車輪遇到障礙時(shí)，還可能使整個(gè)車架扭曲成菱形。這些變形將會(huì)改變安裝在車架上的各部件之間的相對(duì)位置，而影響其正常工作。因此車架還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?。為了減輕整車質(zhì)量，要求車架質(zhì)量盡可能小。此外，降低車架高度，以使汽車中心位置降低，有利于提高汽車的行駛穩(wěn)定性。這對(duì)于轎車和客車來說尤為重要。4 車架的設(shè)計(jì)和計(jì)算4.1 車架的主要載荷車架是汽車設(shè)計(jì)的重要課題，它幾乎比引擎更重要

9、，因?yàn)樗暮脡闹苯雨P(guān)系到車的一切（操控、性能、安全、舒適.） 要評(píng)價(jià)車架設(shè)計(jì)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(shí)車架所要承受的各種不同的載荷。如果車架在某方面的韌性（stiffness ）不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達(dá)到良好的操控表現(xiàn)。而車架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì)4種載荷。 1) 負(fù)載彎曲（Vertical bending） 從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)載荷，部分汽車的非懸掛重量（unsprung mass），是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個(gè)載荷，主要會(huì)集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車架底部的縱梁和橫梁（member），一般都要求較強(qiáng)的剛度。 2) 非水平扭動(dòng)（longitu

10、dinal torsion） 當(dāng)前后對(duì)角車輪遇到道路上的不平而滾動(dòng)，車架的梁柱便要承受這個(gè)縱向扭曲應(yīng)力（longltudinal torsion），情況就好象要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。 3) 橫向彎曲（lateral bending） 所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時(shí)重量的慣性（即離心力）會(huì)使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的壓力將車架橫向扭曲。 4) 水平菱形扭動(dòng)（horizontal lozenging） 因?yàn)檐囕v在行駛時(shí)，每個(gè)車輪因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，（路面的鋪設(shè)情況、凹凸起伏、障礙物及進(jìn)出彎角等等）每個(gè)車輪會(huì)承受不同的阻力和牽引力，這可以使

11、車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好象將一個(gè)長方形拉扯成一個(gè)菱形一樣。 4.2 車架的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1功能和可靠性車架設(shè)計(jì)首先要保證的就是產(chǎn)品的功能和可靠性，并且要保證產(chǎn)品有良好的工藝性。車架設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)造性勞動(dòng)，新穎的設(shè)計(jì)要求有新的構(gòu)思，對(duì)此設(shè)計(jì)人員一方面應(yīng)大膽的采用新理論和新結(jié)構(gòu)，另一方面也要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)采用原有的成功的技術(shù)和結(jié)構(gòu)。車架設(shè)計(jì)涉及到工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，主要基本要素有：材料、強(qiáng)度、撓度、剛度、穩(wěn)定性；摩擦、磨損、潤滑；形狀、尺寸、表面加工、體積、重量、風(fēng)格；溫度、噪聲、腐蝕；可靠性；控制；使用、安全、價(jià)格；以及維修等。2強(qiáng)度計(jì)算車架屬于整車中的關(guān)鍵件，其中強(qiáng)度不夠產(chǎn)生的斷裂

12、直接影響著整車可靠性和安全性。因此在設(shè)計(jì)車架時(shí)強(qiáng)度時(shí)零件的基本要求。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)盡可能精確地確定作用在零件上載荷地性質(zhì)、大小、方向和作用點(diǎn)。由于在設(shè)計(jì)中一方面很難確定載荷的全部要素；而且即使同一種材料做成的試樣對(duì)載荷、溫度、環(huán)境等條件所顯示地抵抗能力也會(huì)出現(xiàn)差異。這樣，計(jì)算的結(jié)果就不能準(zhǔn)確的表示實(shí)際的承載能力。為此，在車架設(shè)計(jì)中常做出各種假設(shè)，以便對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和強(qiáng)度分析。假設(shè)既要反映實(shí)際情況，又要便于計(jì)算。一般這種假設(shè)都偏于保守，也有考慮不周而失效的。所以對(duì)于車架的設(shè)計(jì)必須要通過試驗(yàn)和試用，證明該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是成功的。1) 載荷：在強(qiáng)度計(jì)算中作用于車架上的載荷分為兩種一種是靜載荷一種是動(dòng)載

13、荷。用靜載荷的設(shè)計(jì)方法最簡單，至今仍廣為采用。受沖擊載荷時(shí)，在零件中引起的應(yīng)力和應(yīng)變值，都要顯著地大于靜載荷時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變值。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用的是在載荷中乘以大于1的動(dòng)載系數(shù)后，仍用靜載荷方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于能將機(jī)器中有關(guān)部分簡化成簡單振動(dòng)系統(tǒng)的場合，動(dòng)載系數(shù)可用機(jī)械振動(dòng)的方法求得。通常動(dòng)載系數(shù)是由經(jīng)驗(yàn)來確定。新設(shè)計(jì)的車架，載荷一般是預(yù)先給定的。2) 靜強(qiáng)度計(jì)算在車架設(shè)計(jì)中最基本的計(jì)算是靜強(qiáng)度計(jì)算。在計(jì)算中考慮到應(yīng)力的變化的影響要采用較大的安全系數(shù)，或較低的許用應(yīng)力。對(duì)于此塑性材料的部件可用第三強(qiáng)度理論、第四強(qiáng)度理論求出等效單項(xiàng)應(yīng)力s,等效單向應(yīng)力除以材料的極限應(yīng)力得安全系數(shù)n，則靜強(qiáng)度判

14、據(jù)為或者式中 許用應(yīng)力 許用安全系數(shù)3).疲勞強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行應(yīng)力幅變化的無限壽命計(jì)算時(shí)，通常作如下假設(shè)：當(dāng)材料承受高于疲勞極限應(yīng)力時(shí)，每一循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定量的損傷，該損傷量是能積累的，麥因納假設(shè)損傷累積是線性的，由此可以將應(yīng)力幅規(guī)律變化的循環(huán)應(yīng)力，轉(zhuǎn)化為等幅的當(dāng)量應(yīng)力，再與疲勞極限相比得安全系數(shù)n，則疲勞強(qiáng)度判據(jù)為。4.3 車架的設(shè)計(jì)計(jì)算舉例1.后軸參數(shù)后軸滿載時(shí)軸荷670Kg后軸軸距1420mm后軸彈簧支架中心間距1102mm后軸外徑54mm后軸壁厚3.5mm2后軸靜應(yīng)力1) 彈簧支座處的靜垂直彎矩： 521.997N.m 2) 后軸彈簧支座處的抗彎截面模量后軸彈簧支座處的危險(xiǎn)斷面為圓形斷

15、面6584.142 3)后軸彈簧支座處的垂直彎曲靜應(yīng)力 4) 安全系數(shù)后軸彈簧支座處是無縫鋼管，材料為冷2054*3.5，經(jīng)過計(jì)算后軸的安全系數(shù)為軸靜載荷的許用安全系數(shù)為1.32.5，故該軸能夠滿足設(shè)計(jì)要求.3動(dòng)應(yīng)力 汽車在行駛過程中，后軸有三種典型工況：1）緊急制動(dòng)時(shí)；2）側(cè)滑時(shí)；3）沖擊負(fù)荷。在上述三種工況下，應(yīng)力最大的是沖擊負(fù)荷工況。故只計(jì)算沖擊負(fù)荷下的應(yīng)力：在此處是動(dòng)載荷系數(shù)取2.5即汽車在行駛過程中，后軸所承受的最大應(yīng)力在后軸彈簧支座附近，應(yīng)力值為198.203Mpa5 車架的工藝介紹副車架是發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)轎車前橋的組成部分，其主要功能是承載發(fā)動(dòng)機(jī)，即它是發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝托架，因而采取

16、的工藝方法主要是為增加其承載能力。目前較多的副車架采用沖片焊接結(jié)構(gòu)，再壓入聯(lián)結(jié)部的橡膠襯套，即可完成副車架的制造。5.1 副車架的制造1） 沖壓副車架的沖壓加工工序有落料、成形、切邊、翻邊、沖孔等。沖壓加工的產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于模具的狀態(tài)及設(shè)備的動(dòng)態(tài)精度。加工過程中應(yīng)注意材料的彈性變形對(duì)質(zhì)量的影響，注意型材的表面處理，提高耐磨性和耐粘附性。2） 焊接副車架的焊接主要采用電阻點(diǎn)焊和二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。包括上、下殼體的電阻點(diǎn)焊；發(fā)動(dòng)機(jī)支架的方形螺母凸焊；以及上、下殼體發(fā)動(dòng)機(jī)支架與支承板的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。電阻點(diǎn)焊變形較小，只要選擇合理的焊接順序及焊接裝夾具，基本能保證產(chǎn)品精度。而弧焊則不然，為確保

17、精度，必須嚴(yán)格控制熱變形。焊接質(zhì)量主要靠合適的焊接參數(shù)以及嚴(yán)密的監(jiān)控、合理的焊裝夾具（夾具精度控制在正負(fù)0.2mm，焊接可達(dá)性良好，盡可能實(shí)現(xiàn)全方位最佳位置焊接）。目前，已普遍采用焊接機(jī)器人。采用的焊接機(jī)器人，其位置重復(fù)精度為正負(fù)0.1mm確保了焊接行走軌跡的準(zhǔn)確、穩(wěn)定；另外，機(jī)器人控制系統(tǒng)中設(shè)置有焊接參數(shù)自動(dòng)匹配程序，以及擺焊、自動(dòng)填充收弧坑、自動(dòng)重起弧、自動(dòng)校核管身長等多項(xiàng)功能，使得焊縫質(zhì)量得以保證，并減少認(rèn)為因素影響，穩(wěn)定質(zhì)量，提高設(shè)備柔性。同時(shí)，拼焊的沖壓件的配合間隙也有一定的要求，盡可能不大于0.8mm，至少必須穩(wěn)定。這樣，焊接質(zhì)量才能穩(wěn)定。3） 整形由于副車架在以后的裝配工序中有一

18、定的裝配尺寸要求，及焊后少量變形，故采用專機(jī)對(duì)焊后副車架進(jìn)行孔的精整，以及開檔的整形，整形的精度以產(chǎn)品圖紙要求為準(zhǔn)。4） 涂裝現(xiàn)較多地采用陰極電泳油漆。涂裝主要是為了防銹和提高表面質(zhì)量。涂裝工藝有涂裝前的清潔（防銹、油等）、上吊具、預(yù)脫脂、脫脂、熱水清洗、活化、磷化、清洗、鈍化去離子水清洗、烘干、強(qiáng)冷、檢驗(yàn)等。涂層地質(zhì)量主要有涂膜厚度、粘附性和脆性及耐腐蝕性等，不同的產(chǎn)品有不同的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，一般涂層厚度內(nèi)側(cè)不小于25um，外側(cè)不小于35um、粘附性和脆性至少GTO1（網(wǎng)格刻化試驗(yàn)等級(jí)），耐腐蝕性通過鹽霧試驗(yàn)60次循環(huán)，刮痕的損傷深度不大于2.5mm。涂裝質(zhì)量取決于涂膜的特性和化學(xué)覆蓋膜的特性，主

19、要通過對(duì)設(shè)備的、溫度、涂膜的化學(xué)成分的監(jiān)控來保證。5） 裝配副車架的裝配就是在軸套中壓入橡膠軸承。采用液壓機(jī)壓裝。為了不影響橡膠軸承的特性，壓入時(shí)使用與其形狀配合的夾具，為方便壓入作業(yè)，有時(shí)也在壓入部位涂抹潤滑油脂。壓入橡膠軸承的質(zhì)量是有脫開力來保證的，脫開力的大小由產(chǎn)品圖紙來確定，從大 于1000N到7000N不等。對(duì)于壓入力與脫開力的關(guān)系，應(yīng)在事先進(jìn)行確認(rèn)，在檢測壓入力時(shí)，采取裝在壓入設(shè)備上的相應(yīng)傳感器來完成。5.2 總成檢驗(yàn)副車架的總成檢驗(yàn)，主要項(xiàng)目是與客戶相關(guān)的裝配尺寸和表面質(zhì)量（包括焊縫表面質(zhì)量以及油漆表面質(zhì)量，如有無焊縫缺陷，有無飛濺，有無油漆磕、碰傷、剝落等）5.3 質(zhì)量保證副車

20、架沖壓、焊接、涂裝及裝配過程中，主要采用的檢測手段有幾何尺寸檢具和形狀檢具。如綜合量具、通用量具及測量漆膜厚度的測厚儀等。另外，還具有焊點(diǎn)金相試驗(yàn)、產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)等，相應(yīng)設(shè)備。在管理上，還應(yīng)有一套完整的質(zhì)保體系。5.4 生產(chǎn)技術(shù)新動(dòng)向目前新車型中，已采用管子彎曲成形的副車架，其加工工序?yàn)椋汗茏映尚魏附油垦b裝配。管子成形的副車架加工方便，成形精度高于沖壓成形，焊接量少，焊接變形小，剛性好。管子彎曲成形的副車架，加工過程中應(yīng)注意材料的彈性變形，在成形過程中有時(shí)會(huì)用熱處理方式如退火來進(jìn)一步保證材料成形質(zhì)量。6 車架常用材料的選擇 從對(duì)材料性能的要求分析，主要有三個(gè)方面：材料的耐蝕性、耐磨性和耐疲勞性。其次是常溫強(qiáng)度和焊接性要恰巧和當(dāng)前設(shè)計(jì)產(chǎn)品失效的原因相吻合。鋼材利用率的高低是材料技術(shù)水平的一個(gè)重要指標(biāo)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都努力提高鋼材的利用率，以提