汽车总体设计第七章Word文件下载.docx

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4）横向弯曲载荷

汽车在转弯时，由于惯性作用，使车身产生向外甩的倾向力（即离心力），而轮胎与路面形成的附着力会形成反作用力，使车架横向扭曲。

这个力在高速行驶时尤为明显。

5）水平菱形扭动载荷

车辆在行驶时，因为路面和行驶情况的不同（路面的铺设情况、凹凸起伏、障碍物及进出弯角等等）而承受不同的阻力和牵引力，这可以使车架在水平方向上产生推拉以至变形。

6）其他载荷

汽车加速或制动时，惯性力会引起车架前后部载荷的重新分配。

安装在车架上的各总成（如发动机、转向摇臂及减振器等）工作时产生的力，由于载荷作用线不通过纵梁截面的弯曲中心（如油箱、备胎和悬架等）而使纵梁产生附加的局部转矩。

综上所述，汽车车架实际上是受到空间力系的作用，承载情况复杂，而车架纵梁与横梁的截面形状和连接点又是多种多样，这样使得车架承载更为复杂化。

为满足上述要求，通常对车架有如下要求：

（1）具有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在设计寿命内不应有严重变形和开裂。

（2）具有足够的弯曲刚度，保证安装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。

载货汽车车架的最大弯曲挠度通常应小于10mm。

（3）具有适当的扭转刚度，当汽车在不平路面上行驶时，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。

但车架扭转刚度不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。

通常在使用中其轴间扭转角应小于1°

/m。

（4）减轻质量，在保证强度、刚度的前提下，车架的自身质量应尽可能小，以减小整车整备质量，因此，车架应按等强度的原则进行设计。

通常，要求车架的质量应小于整车装备质量的10%。

从被动安全性考虑，乘用车车架应具有吸收撞击能量的特点。

此外，车架设计时还应考虑车型系列化及改装车等方面的要求。

7.2车架的结构设计

7.2.1车架的结构形式

根据车架纵梁的结构特点，车架可分为以下几种结构形式：

1.梯形车架

梯形车架由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成，这类车架广泛应用于商用车和越野车。

越野车使用梯形车架主要是因为车身和底盘分离的设计，车架和车身作非固定连接。

在越野时，崎岖路面环境会导致车架的大幅扭动，若为一体式车架，会使车身一起扭曲变形。

因此，梯形车架又称作非承载式车架。

梯形车架的优点是具有很强的承载能力和抗扭刚度，结构简单，开发容易，生产工艺的要求也较低，同时，便于安装车身、车厢和布置其他总成，易于汽车的改装和变型。

其缺点是质量大。

此外，大梁纵贯全车，影响整车的布局和空间利用率，大梁的高度使安装在其上的车厢和货厢的地台升高，使整车质心偏高，同时非水平扭曲刚性并不理想，会产生较大幅度的扭动。

2.一体式车架

一体式车架的汽车，整个车身的外壳本身就属于车架的一部分，如图7.1（b）所示。

它不同于传统的梯形车架，需要在车架外包裹外壳。

一体式车架属于承载式车架。

事实上，按严格的定义来说，一体式车架都是由不同的组件装配而成的，其中最大的一块就是地台，其余的如车顶、侧板等大小各异，所有的板件都是冲压成型后焊接成整体。

一体式车架的优点是适应高度机械化的流水作业，可以大大降低生产成本。

一体式车架拥有良好的撞击保护能力，车头以及车尾加装副车架一方面有利于吸收撞击所造成的冲击力；

另一方面对车架的刚性也有所提高。

其次，一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的吸能区，车架本身的包裹式构造还可以将吸能区域吸收不完的能力经过骨架分散到车体的其余部分，避免猛烈撞击力在瞬间过于集中而对乘客造成严重的创伤。

将车架和车身合二为一，重量轻，可利用空间大，质心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产，一体式车架是目前轿车的主流。

一体式车架的缺点是生产前的配套投资极其庞大，不适合小批量生产。

另外一体式车架因为使用大量的金属，重量偏大。

外壳的作用主要是用来营造理想的空间效果，而车架的设计主要由金属钢片构成，虽然钢片已经作了开孔的加强韧度处理，但是在物理结构上的刚度，特别是非水平扭动，始终不及钢管式车架。

3.脊梁式车架

又称中梁式车架，这种车架是莲花汽车的创始人Chapman先生设计的，如图7.1（c）所示。

脊梁式车架有一根位于汽车左右对称中心的大断面管形梁（圆形或箱形断面），其上固定有横向的托架或连接梁，使车架呈鱼骨状。

管梁将动力传动系连成一体，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匹配。

这种结构对于横向弯曲及其水平菱形扭动有很好的抵御作用。

与其他类型的车架相比，其扭转刚度最大，容许车轮有较大的跳动空间，使汽车有较好的平顺性和通过性。

但车架的制造工艺复杂，维修不便，仅用于某些高越野性汽车上。

4.桁架式车架

桁架式车架又称钢管式车架，结构如图7.1（d）所示，这种车架也属于承载式车架。

这种立体结构式的车架由钢管（也有的车辆使用铝合金管）组合焊接而成，兼有车架和车身的作用。

它刚度大，质量轻，但制造工艺性差，主要用于跑车、特种汽车和一些全承载式客车上使用。

一体式车架的设计开发和生产工艺都很复杂，只适宜大批量生产。

但是对于少量生产的客车，桁架式车架就解决了这个难题，由于它的生产工艺简单，很适合小规模的汽车生产。

但承载式的车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型来说，其工艺性比较差。

5.碳纤维车架

碳纤维车架是一种特殊材料一体成形式车架。

在结构上，碳纤维车架没有既定的格局，几乎每辆车都根据自己整体的情况特别设计车架。

制造方法是用碳纤维浇铸成一体化的底板、座舱和发动机舱结构，再装上机械零件和车身覆盖件。

碳纤维车架的刚度极高，重量比其他任何车架都要轻，重心也可以降得很低。

但是制造成本太高，目前只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。

碳纤维车架在20世纪80年代首先出现在一级方程式赛车上，然后延伸到C组赛车和20世纪90年代的GT赛车，至今仅有的两部采用碳纤维车架的量产车是94年的MCLARENF1和95年的FERRARIF50。

碳纤维的刚度不仅有利于操控，对提高安全性也有很大的作用。

典型例子是在95年，宝马的总裁驾驶一部MCLARENF1（街道版）满载3人在德国的公路上以280公里时速行驶时失控，冲出公路后再翻滚数圈后才停车，车上3人居然只受了轻伤。

当时全车外壳尽毁，但车架和坐舱仍保持完好的形状，只有碳纤维车架能抵抗如此大的冲击强度。

这也是一级方程式赛车至今沿用它的原因之一。

其他结构的车架，如玻璃纤维车架、铝管式车架、超轻量一体式车架等，都是以上车架的变种，或属于一体式车架，或属于桁架式车架等。

（a）梯形车架

（b）一体式车架

（c）脊梁式车架

（d）桁架式车架

图7.1车架结构形式

7.2.2车架的结构设计形式

纵梁是车架的主要承载部件，商用车的车架纵梁沿全长应尽量平直且截面不变或少变。

载货汽车的车架纵梁截面形状多为槽形，也有Z字形、工字形。

乘用车车架大多采用一体式车架，是为了降低车身地板高度、增大悬架的摆动空间，将纵梁设计成中部低、前后轮处向上弯的形状，其纵梁截面形状为箱形，采用冲压成形。

横梁将左右纵梁连接在一起，构成一个完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度；

横梁还起着支承某些总成的作用。

车架一般有4～6根横梁，其布置与有关总成、驾驶室、货箱或车身的支承位置有关。

车架纵梁的截面形状有很多种，比较常见的截面形状如图7.2所示。

横梁的截面形状以及与纵梁的连接形式如图7.3所示。

乘用车车架的纵横梁采用焊接方式连接，而商用车则多采用铆钉连接。

图7.2常见的车架纵梁的截面形状

图7.3横梁的截面形状及与纵梁的连接形式

7.2.3车架的设计和计算

车架是一个复杂的薄壁框架结构，在车架设计的初期阶段，可对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，以此来确定车架的断面尺寸。

1.弯曲强度计算的基本假设

（1）以梯形车架为例，因为车架结构是左右对称的，左、右纵梁的受力相差不大，故认为纵梁是支撑在汽车前后轴上的简支梁。

（2）空车时的簧上质量（包括车架质量在内）均匀分布在左右二纵梁的全长上，其值可根据汽车底盘结构的统计数据大致估计。

对于轻型和中型载货汽车来说，簧上质量约为空车质量的2/3；

汽车的有效载荷均匀分布在车厢全长上。

（3）所有的作用力均通过纵梁截面的弯曲中心。

实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸部件（如油箱、蓄电池等）而产生局部扭转，在设计时通常在此安装一根横梁，使得这种对纵梁的扭转变为对横梁的弯矩，故这种假定不会造成明显的计算误差。

通过上述假设，将车架由一个静不定的平面框架结构，简化成为一个位于支座上的静定结构，如图7.4所示。

图7.4载货汽车车架上载荷分布

2.纵梁的弯矩计算

要计算车架纵梁的弯矩，先计算车架前支座反作用力，由图7.4可得

（7-1）

式中，

为前轮中心支座对纵梁的反作用力（N）；

为纵梁的总长（mm）；

为汽车轴距（mm）；

为纵梁后端到后轴距离（mm）；

为空车时的簧上质量（含车架自身质量）（kg）；

为汽车的装载质量（kg）；

为重力加速度，9.8m/s2。

在计算纵梁弯矩时，将纵梁分成两段区域，每一区段的均布载荷可简化为作用于区段中点的集中力。

纵梁各端面上的弯矩计算采用弯矩差法，可使计算工作量大大减少。

弯矩差法认为：

纵梁上某一端面上的弯矩为该断面之前所有力对这点的转矩之和。

（1）驾驶室长度段纵梁的弯矩计算。

在该区段内，根据弯矩差法，有

（7-2）

为纵梁上某一截面的弯矩（N·

mm）；

为截面到前轮中心的距离（mm）；

为车架纵梁前端到前轮中心的距离（mm）。

（2）驾驶室后端（车厢前端）到后轴段纵梁的弯矩计算。

在该区段内，根据弯矩差法，纵梁某一断面的弯矩为

（7-3）

为车厢前端到后轮中心的距离（mm）。

纵梁某一断面上的剪力为该断面之前所有力的和

（7-4）

为纵梁某断面上的剪力（N）。

由上可知，纵梁的最大弯矩一定发生在该段纵梁内。

求

对

的导数并令其为0,可得

（7-5）

经过上式计算求得纵梁发生最大弯矩的位置，将该值代入弯矩计算公式，则可以求得纵梁受到的最大弯矩

。

纵梁受到的最大剪力则发生在汽车的后轴附近。

当

时，剪应力最大，

为

（7-6）

以上是仅考虑汽车在静载工况下，纵梁断面弯矩和剪力的计算。

当汽车高速行驶时，汽车受到多种载荷的影响。

可以近似计算汽车受到的最大弯矩

和最大剪力

（7-7）

为动载系数，对于轿车和客车

；

载货汽车

越野汽车

3.纵梁截面特性计算

车架纵梁和横梁一般有槽型梁、工字梁和管状梁等几种，如图7.5所示。

其抗弯截面系数

槽型梁截面系数为

（7-8）

工字梁截面系数为

（7-9）

管状梁截面系数为

（7-10）

（a）槽形梁（b）工字梁（c）管状梁

图7.5车架截面尺寸

4.弯曲应力计算

纵梁断面的最大弯曲应力

（7-11）

按上式求得的弯曲应力不应大于材料的许用应力

许用应力可以用下式进行计算：

（7-12）

为材料的屈服极限；

为安全系数，一般取值1.15～1.40。

5.车架的刚度校核

1）车架纵梁抗弯刚度校核

为了保证汽车整车及其有关部件的正常工作，应对纵梁的最大挠度予以限制。

这就要求对纵梁的抗弯刚度进行校核。

对于简支梁来说，其跨距中间受集中载荷作用时，梁的挠度最大值

（7-13）

为梁的截面惯性矩（cm4）；

为汽车轴距（m）。

根据使用要求和经验，当车架纵梁中间受到1000N集中载荷作用时，总量的最大挠度不得超过0.085cm，即

（7-14）

换算后得

（7-15）

要求载货汽车纵梁的

值通常在20~30之间，有些重型载货汽车或平头货车此值要求更高，甚至超过50。

2）车架的扭转刚度

车架的扭转刚度通常是指汽车前后桥之间的车架的扭转刚度。

由于车架纵梁不是等截面，且横梁也不是等距离布置，因而车架的扭转刚度沿纵梁长度上并非常数。

虽然国内外对车架扭转刚度的计算在理论上作过不少尝试，但所提出的方法都有一定的局限性，通常只能做定性的比较性计算，车架的扭转刚度最终是通过实验来确定。

从整车的结构来看，在设计车架各处的扭转刚度时应考虑以下几点：

（1）车架的中部应允许具有一定量的挠性。

该段通常是从驾驶室后面到后悬架的这一段车架，因为车架中部受到的弯曲和扭转载荷较大，车架的变形也较大。

如使该段具有一定挠性，可以起到缓冲作用，而且还可以避免应力集中，防止局部发生损坏。

（2）车架的前部应具有较大刚性。

该段通常是从车架前段到驾驶室后围这一段。

因为在这一段内有转向器和前悬架，当车架变形时会影响到转向的几何特性，将造成车辆“发飘”甚至失去操纵。

如该段挠性过大，对汽车操纵稳定性很不利。

当汽车前悬架采用独立悬架时，前轮的运动不受前梁的约束，为保证正确的转向几何特性，必须使车架前部有足够的刚度。

（3）车架后部也必须有较大刚性。

该段是从后悬架（含后悬架）到车架后端的这一段车架，因为悬架对汽车的操纵稳定性和行驶平稳性影响极大，如该段挠性过大，汽车的侧倾稳定性、后轴的轴转向等特性可能发生变化，故车架的后部必须牢固且刚性较大。

不同结构形式的车架，其扭转刚度不同。

对于应用较为广泛的有开口断面构成的边梁式车架，其刚度较小，但当安装了钢板弹簧、前后桥及车厢等总成之后，其扭转刚度将大幅提高。

随着高速公路的发展和道路条件的改善，车架扭转变形的问题将得到缓和。

应当指出，汽车受载情况极为复杂，受到的是空间力系作用，另外，车架与横梁的节点结构又各式各样，更导致了空间力系的复杂化。

运用有限元方法可比较准确地分析和计算车架的强度。

习题

7-1乘用车、商用车常用车架的形式有哪些？

断面的形状有哪些？

7-2车架设计应注意的事项有哪些？