某中型货车车架设计.docx

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某中型货车车架设计

某中型货车车架的设计

摘要

根据设计参数，完成了中型货车车架设计，利用UG软件建立了主纵梁、横梁模型，及纵梁与横梁通过铆钉连接。

本说明书涉及了现阶段载货汽车技术的发展趋势，以及国内外载货汽车车架的发展状况；说明书还详细阐明了中型载货汽车的方案论证：

车架的设计要求、车架结构的确定、车架宽度的确定、车架纵梁形式的确定、车架横梁形式的确定、车架纵梁与横梁连接形式的确定、车架的受载分析以及车架的强度计算。

在计算时把车架简化成为一个位于支座上的静定结构，然后，用材料力学的知识对本车架进行强度计算，并且在满足应力要求的条件下来确定车架纵梁的断面尺寸。

关键词：

中型货车、车架、设计

Abstract

Accordingtothedesignparameters,thedesignofthemediumtruckframeiscompleted,andthemainlongitudinalbeamandthebeammodelareestablishedbyUGsoftware.Thispaperinvolvesinlatelythetechnologydevelopmenttrendoftruckaswellasthedomesticandforeigntruckframedevelopment;Thispaperalsoexposeindetailthemedium-sizedtruckwithschemedemonstration:

therequirementofframedesign、determinationofframestructure、determinationofframewidth、determinationofstringerform、determinationofbeamsform、theconnectionformofbeams、analysisofloadtheframesuffersandthestrengthcalculation.Theframewillbesimplifiedasastableobjectivewhencalculating,andthencalculatethestrengthwithmechanicsmaterialsknowledgeanddeterminethesizeoftheframerailswiththepreconditionthatitmeetstherequirementofstress.

Keywords:

medium-sizedtrucks,trailers,design

模型图纸下载：

第1章绪论·······················································1

1.1课题背景··············································1

1.2国外货车技术的发展趋势·····························1

1.3车架的发展···········································2

第2章方案论证···················································4

2.1参考车型及其参数······································4

2.2车架设计的技术要求····································4

2.3车架结构的确定·······································5

第3章车架的设计·················································9

3.1车架的结构形式的设计··································9

3.2车架的受载分析·······································13

3.3弯曲强度计算时的基本假设······························14

3.4纵梁的弯矩和剪力的计算································15

第4章车架的制造工艺·············································21

4.1车架梁的制造工艺······································21

4.2车架的铆接工艺······································23

4.3涂装工艺·············································24

结束语····························································25

参考文献···························································26

致谢······························································27

第1章绪论

1.1课题背景

车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机、底盘和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成为一辆完整的汽车。

同时，车架还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时产生的各种力和力矩，即车架要承受各种静载荷和动载荷。

汽车车架是整个汽车的基体，是将汽车的主要总成和部件连接成汽车整体的金属构架，对于这种金属构架式车架，生产厂家在生产设计时应考虑结构合理，生产工艺规范，要采取一切切实可行的措施消除工艺缺陷，保证它在各种复杂的受力情况下不至于被破坏。

本说明书只是叙述非承载式车身结构形式中单独的车架系统。

承载式汽车，前、后悬架装置，发动机及变速器等传动系部件施加的作用力均由车架承受，所以，车架总成的刚性、强度及振动特性等几乎完全决定了车辆整体的强度、刚度和振动特性。

设计时在确保车架总成性能的同时，还应对车架性能和匹配性进行认真的研究。

车架结构很多都是用电弧焊焊接而成，容易产生焊接变形。

在设计方面对精度有要求的部位不得出现集中焊接，或者从部件结构方面下工夫，尽量确保各个总成的精度。

另外，与其他焊接方法相对比，采用电弧焊的话，后端部容易出现比较大的缺口，出现应力集中现象。

所以，应对接头位置和焊接端部进行处理。

车架受力状态极为复杂。

汽车静止时，它在悬架系统的支撑下，承受着汽车各部件及载荷的重力，引起纵梁的弯曲和偏心扭转（局部扭转）。

如汽车所处的路面不平，车架还将呈现整体扭转。

汽车行驶时，载荷和汽车各部件的自身质量及其工作载荷（如驱动力、制动力和转向力等）将使车架各部件承受着不同方向、不同程度和随机变化的动载荷，车架的弯曲、偏心扭转和整体扭转将更严重，同时还会出现侧弯、菱形倾向，以及各种弯曲和扭转振动。

同时，有些装置件还可能使车架产生较大的装置载荷。

随着计算机技术的发展，在产品开发阶段，对车架静应力、刚度、振动模态以至动应力和碰撞安全等已可进行有限元分析，对其轻量化、使用寿命，以及振动和噪声特性也可以做出初步判断，为缩短产品开发周期创造了有利条件。

1.2国外货车技术的发展趋势

如今世界货车技术发展亦相当迅速，为降低运输成本，载货车正朝着大型化方向发展追求大功率、大吨位。

其次，国际载货车的另一动向就是将货车组装成“安全概念车”，现在大多数货车和挂车都已经安装了ABS，有的车型还安装了“电控制动系统、“翻车警告系统”等装置，电控制动系统可将停车距离缩短了15%，货车的制动踏板的反应像小汽车一样的灵敏；而翻车警告系统则能防患于未然，当车辆有危险时，系统会发出警鸣声提醒司机减速，如不奏效，则立即通过电控装置强迫减速，令车身保持平稳。

再次，国际货车开始走向更舒适，一般驾驶室都很能宽敞，空调、音响等电器一应俱全。

司机可在车上看电视、上网、收发电子邮件、打电话；有的车辆还设置了卧铺和写字台；新型货车还使用了电控装置的变速器，自动换档。

目前，国际上货车发展的新潮流是开始应用卫星监控和导航技术，装上了移动通信和跟踪网络系统，通过这种系统，公司可探测出外出运营的车辆位置，即时发送信号，与司机密切联系；挂车的超声波传感器可及时告之货主是否装货及装货形式；通过传感器调度员可以了解车辆速度、燃油消耗及传动系统状况，随时提醒司机应注意的问题，一旦出现问题，系统就迅速批示最近的人员去救援。

一部车的性能除了取决于引擎动力的大小，操控也是不容忽视的。

另一因素，但是要造出优异的操控，悬挂结构的设计就显得相当重要。

汽车车架是整个汽车的基体，是将汽车的主要总成和部件连接成汽车整体的金属构架，对于这种金属构架式车架，生产厂家在生产设计时应考虑结构合理，生产工艺规范，要采取一切切实可行的措施消除工艺缺陷，保证它在各种复杂的受力情况下不至于被破坏。

1.3车架的发展

早期汽车所使用的车架，大多是由笼状的钢骨梁柱所构成的，也就是在两支平行的主梁上，以类似阶梯的方式加上许多左右相连的副梁制造而成。

车体建构在车架之上，至于车门、沙板、引擎盖、行李厢盖等钣件，则是另外再包覆于车体之外，因此车体与车架其实是属于两个独立的构造。

这种设计的最大好处，在于轻量化与刚性得以同时兼顾，因此受到了不少跑车制造商的青睐，早期的法拉利与兰博基尼都是采用的这种设计。

由于钢骨设计的车架必须通过许多接点来连结主梁和副梁，加之笼状构造也无法腾出较大的空间，因此除了制造上比较复杂、不利于大量生产之外，也不适合用在强调空间的四门房车上。

随后单体结构的车架在车坛上成为主流，笼状的钢骨车架也逐渐改由这种将车体与车架合二为一的单体车架所取代。

　关于单体车架：

简单的说就是将引擎室、车厢以及行李厢三个空间合而为一，这样的好处除了便于大量生产，模组化的运用也是其中主要的考虑。

通过采取模组化生产的共用策略，车厂可以将同一具车架分别使用在多种不同的车款上，这样也可节省不少研发经费。

除了有利于共用，车体车架也可以通过材料的不同来发挥轻量化的特性，铝合金是80年代末期相当热门的一种工业材料，虽然重量比铁轻，但是强度却较差，因此如果要用铝合金制成单体车架，虽然在重量上比起铁制车架更占优势，但是强度却无法达到和铁制车架同样的水准。

除非增加更多的铝合金材料，利用更多的用量来弥补强度上的不足。

不过这样一来，重量必然会相对增加，而原本出于轻量化考虑而采用铝合金材料的动机，当然也就失去了意义。

也正因为这个原因，铝合金车架在车坛上并未成为主流，少数高性能跑车或是使用了强度更高的碳纤维，或是用碳纤维结合蜂巢状夹层铝合金的复合材料取代了铝合金。

但是要用碳纤维制成单体车架，在制作上相当复杂且费时，成本也相对更高，所以至今仍无法普及到一般市售车上，而仅有少数售价高昂的跑车使用。

尽管铝合金车架鲜有车厂使用，不过用钢铁车架搭配铝合金钣件的方式，近年来却受到不少车厂的重视，这样的结构不仅可以保留车架本身的强度，同时也可以通过钣件的铝合金化来取得轻量化效果，在研发成本上自然也不像碳纤维制的单体车架那样昂贵。

关于刚性的确保，大多数车厂在新车的设计阶段，都是利用电脑计算出车架的刚性需求，并以此作为设计依据。

有些车厂在用电脑完成设计雏形后，还会再由专业的试车人员进行实际测试。

第2章设计方案论证

2.1参考车型及其参数

类型：

厢式载货车

驱动形式：

4X2

轴距：

5100mm

发动机：

玉柴YC6J160-46

变速箱：

法士特8JS75C

后桥速比：

5.286

车身长度：

9.55米

车身宽度：

2.5米

车身高度：

3.65米

前轮距：

1940mm；

后轮距：

1860mm

整车重量：

5.72吨

额定载重：

9.685吨

总质量：

15.6吨

最高车速：

90KM/h

吨位级别：

中卡

接近角/离去角：

23/11度

前悬/后悬：

1.341/2.559米

汽缸数：

6

燃料种类：

柴油

汽缸排列形式：

直列

排量：

6.494L

排放标准：

国四/欧四

最大输出功率：

118kw

最大马力：

160马力

扭矩：

550N·m

最大扭矩转速：

1400-1700RPM

额定转速：

2500RPM

前进档位：

8档

倒档数：

2个

轮胎轮胎规格：

9.00R20

轮胎数：

6个

油箱材质：

铝合金

油箱容量：

250L

前桥允许载荷：

5600KG

后桥允许载荷：

10000KG

后桥速比：

5.286

弹簧片数：

8/9+5

2.2车架设计的技术要求

为了使车架符合上述功用，通常对设计的车架有如下的要求：

2.2.1必须有足够的强度

保证在各种复杂受力的使用情况下车架不受破坏。

要求有足够的疲劳强度，保证在汽车大修里程内，车架不致有严重的疲劳损伤。

纵梁受力极为复杂，设计时不仅应注意各种应力，改善其分布情况，还应该注意使各种应力峰值不出现在同一部位上。

例如，纵梁中部弯曲应力较大，则应注意降低其扭转应力，减少应力集中并避免失稳。

而在前、后端，则应着重控制悬架系统引起的局部扭转。

提高纵梁强度常用的措施如下：

2.2.1.1提高弯曲强度

选定较大的断面尺寸和合理的断面形状（槽形梁断面高宽比一般为3：

1左右）；

2.2.1.2提高局部扭转刚度

注意偏心载荷的布置，使相近的几个偏心载荷尽量接近纵梁断面的弯曲中心，并使合成量较小；

在偏心载荷较大处设置横梁，并根据载荷大小及分散情况确定连接强度和宽度；

将悬置点分布在横梁的弯曲中心上；

当偏心载荷较大并偏离横梁较远处时候，可以采用K形梁，或者将该段纵梁形成封闭断面；

偏心载荷较大且比较分散时候，应该采用封闭断面梁，横梁间距也应缩小；

选用较大的断面；

限制制造扭曲度，减少装配预应力。

2.2.1.3提高整体扭转强度

不使纵梁断面过大；

翼缘连接的横梁不宜相距太近。

2.2.1.4减少应力集中及疲劳敏感

尽可能减少翼缘上的孔（特别是高应力区），严禁在翼缘上布置大孔；

注意外形的变化，避免出现波纹区或者受严重变薄；

注意加强端部的形状和连接，避免刚度突变；

避免在槽形梁的翼缘边缘处施焊，尤其畏忌短焊缝和“点”焊。

2.2.1.5减少失稳

受压翼缘宽度和厚度的比值不宜过大（常在12左右）；

在容易出现波纹处限制其平整度。

2.2.1.6局部强度加强

采用较大的板厚；

加大支架紧固面尺寸，增多紧固数量，并尽量使力作用点接近腹板的上、下侧面。

2.2.2车架的轻量化

由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大。

因此，车架应按等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料的消耗量。

在保证强度的条件下，尽量减轻车架的质量。

试验表明，汽车质量的轻重与汽车的能耗有着直接的关系，在相同情况下，轿车的质量每减轻100千克，每百公里的燃油消耗将减少0．4～l升，汽车的自身质量每减少10％，燃油的消耗可降低6％～8％，同时汽车的废气排放也有明显降低。

由于汽车轻量化对节能增效的卓越贡献，国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量。

其次，从驾驶方面来讲：

汽车轻量化后加速性提高，稳定性和噪音、振动方面也均有改善。

从安全性考虑：

碰撞时惯性小，制动距离减小。

2.3车架结构的确定

2.3.1车架类型的选择

在一些客车和轿车上，车身和车架制成一体，这样的车身称为“半承载式车身”，有的被加强了车身则能完全起到车架的作用，这样的车身称为“承载式车身”，不另设车架。

随着节能技术的发展，为了减轻自重，越来越多的轿车都采用了承载式车身。

车架承受着全车的大部分重量，在汽车行驶时，它承受来自装配在其上的各部件传来的力及其相应的力矩的作用。

当汽车行驶在崎岖不平的道路上时，车架在载荷作用下会产生扭转变形，使安装在其上的各部件相互位置发生变化。

当车轮受到冲击时，车架也会想相应受到冲击载荷。

因而要求车架具有足够的强度，合适的刚度，同时尽量减轻重量。

在良好路面行驶的汽车，车架应布置得离地面近一些，使汽车重心降低，有利于汽车稳定行驶，车架的形状尺寸还应保证前轮转向要求的空间。

车架是按其结构型式的不同来分类的，其主要结构型式有框式、脊梁式和综合式。

其中框式又可分为边梁式、周边式和X型。

2.3.1.1边梁式车架

这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干根横梁组成。

边梁式车架能给改装变型车提供一个方便的安装骨架，因而在载重汽车和特种车上得到广泛用。

其弯曲刚度较大，而当承受扭矩时，各部分同时产生弯曲和扭转。

其优点是便于安装车身、车箱和布置其他总成，易于汽车的改装和变形，因此被广泛地用在载货汽车、越野汽车、特种汽车和用货车底盘改装而成的大客车上。

在中、轻型客车上也有所采用，轿车则较少采用。

用于轿车的边梁式车架，为了降低地板高度，可局部地减少纵梁的断面高度并相应地加大其宽度，但这使纵梁的制造工艺复杂化且其车身地板仍比采用其他车架时为高，当然地板上的传动轴通道鼓包也就不大了。

用于载货汽车的边梁式车架由两根相互平行但开口朝内、冲压制成的槽型纵梁及一些冲压制成的开口槽型横梁组合而成。

通常，纵梁的上表面沿全长不变或局部降低，而两端的下表面则可以根据应力情况相应地缩小。

车架宽度多为全长等宽。

2.3.1.2周边式车架

这种车架是从边梁式车架派生出来的如图（2-1），前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门槛梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。

其结构形状容许缓冲臂有一定的弹性变形，可以吸收来自不平路面的冲击和降低车内噪声。

此外，车架中部加宽既有利于提高汽车的横向稳定性，又可以减短了车架纵梁外侧装置件的悬伸长度。

在前后纵梁处向上弯曲以让出前后独立悬架或非断开式后桥的运动空间。

采用这种车架时车身地板上的传动轴通道所形成的鼓包不大，但门槛较宽。

这种车架结构复杂，一般在中、高级轿车上运用。

图2—1

2.3.1.3X型车架

这种车架由两根纵梁及X型横梁组成如图（2-2），实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将扭矩转变为弯矩，对短而宽的车架，这种效果最明显。

车架中部为位于汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。

前端的叉形梁用于支撑动力、传动总成，而后端则用于安装后桥。

传动轴经中部管梁通向后方。

中部管梁的扭转刚度大。

前后叉形边梁由一些横梁相连，后者还用于加强前、后悬架的支撑。

管梁部分位于后座乘客的脚下位置且在车宽的中间，因此不妨碍在其两侧的车身地板的降低，但地板中间会有较大的纵向鼓包。

门槛的宽度不大，虽然从被动安全性考虑，要求门槛有足够的强度和刚度。

一般只在轿车上采用。

图2-2

2.3.1.4脊梁式车架

这种车架又称为中梁式车架（如图2-3所示），主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若干根悬伸拖架组成。

中央纵梁可以是圆管状，也可以是箱形断面。

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。

与其他类型的车架比较，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。

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，维修不便，仅用于某些对平顺性、通过性要求较高的汽车上。

在某些轿车和高越野性汽车上采用此种车架。

图2-3脊梁式车架的汽车底盘

2.3.1.5综合式车架

这种车架的前、后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥；中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。

它是边梁式和脊梁式两种型式的综合，中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，且制造工艺较复杂。

此种结构一般在轿车上使用。

由于设计的是中型载汽车车架，根据其特点选用边梁式车架。

纵梁上、下表面为平直，断面呈槽形，其结构简单，工作可靠，不仅能降低工人工作强度，而且其造价低廉，有良好的经济性，将广泛地用于各种载货汽车、客车上。

选取的方案的优点：

边梁式车架由两根纵梁的若干根横梁组成，该结构便于安装驾驶室、车厢和其它总成，被广泛用在载重货车、特种车和大客车上。

小结：

通过选定参考车型，明确车架设计的技术要求，选定车架的具体结构形式，为后面的车架结构的设计，车架的强度计算等提供了方向。

第3章车架的设计

车架是一个复杂的薄壁框架结构，其受力情况极为复杂。

本设计包括了结构形式的设计：

车架的宽度的确定，纵梁形式的确定，横梁形式的确定，横梁与纵梁连接形式的确定，以及加强版的布置。

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，以及来确定车架的断面尺寸。

下面是设计和计算的方法和步骤。

3.1车架结构形式的设计

3.1.1车架宽度的确定

车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。

车架前部宽度的最小值取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮最大转角的限制。

车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸确定。

为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度。

通常，车架的宽度根据汽车总体布置的参数来确定，整车宽度不得超过2.5m，故往往很难同时满足上述要求。

为了解决总体布置与加宽车架的矛盾，车架的宽度设计可采取以下措施：

3.1.1.1将车架做成前窄后宽

这种结构可以解决前轮转向所需的空间与车架总宽之间的矛盾。

此结构适用于轻型汽车、微型汽车和轿车。

3.1.1.2将车架做成前宽后窄

对于重型载货汽车，其后轴的负荷大，轮胎的尺寸加大，后钢板弹簧片宽增加，同时为了安装外型尺寸大的发动机，常需减小前轮转向角，以便使汽车的总宽在公路标准的2.5m内，因此车架不得不采用前宽后窄的型式。

但根据本设计的要求，关于中型车车架结构设计，其载重设为3.5t，所以为了简化制造工艺，最好车架前后等宽。

为了便于实行产品的三化，不少国家对车架的宽度制定了标准。

如美国汽车工程学会规定，对于后轮为双胎的载货汽车车架宽度为864mm。

我国汽车专业标准也规定对于中型载货汽车的边梁式车架，其宽度标准为864±5mm。

本设计方案取车架的宽度为866mm。

3.1.2车架纵梁形式的确定

车架的纵梁结构，一方面要保证车架的功能，另一方面要满足整车总体布置的要求，同时形状应尽量简单，以简化其制造工艺。

从纵梁的侧视图看，纵梁的形状可分为上翼面是平直的和弯曲的两种。

优点：

结构简单，工艺性好；当上翼面为平直时，可使货厢底板平整，纵梁制造方便，大多数载货汽车车架纵梁都采用这种型式。

当上翼面弯曲时，纵梁部分区段降低，地板高度相应降低，改善了整车的稳定性，且有利于上、下车，此种结构在轿车、微型汽车、公共汽车和部分轻型载货汽车上采用，其制造工艺复杂。

纵梁上表面应尽量做成平直的，中部断面一般较大、两端较小，与所受弯矩相适应。

也有全长或仅中部及后部为等断面的。

根据整车布置要求，有时采用前端或后端或前后端均弯曲的纵梁。

纵梁的断面形状有槽形、工字形、箱形、管形和Z形等几种（如下图3-1所示）。

为了使纵梁各断面处的应力接近，可改变梁的高度，使中部断面高、两端断面低。

槽形断面的纵梁