小车车架设计说明书.docx
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小车车架设计说明书
毕业设计
说明书
题目名称：
小车车架设计
院系名称：
机械工程系焊接及自动化
班级：
焊接11.1班
学生姓名：
指导教师：
韩天判
2013年6月7日
摘要
本设计课题是关于小型车的车架设计。
所设计的车架结构形式是前后等宽的边梁式车架，其中纵梁和横梁的截面形状都采用槽型，纵梁与横梁通过焊接连接。
说明书详细阐明了小型汽车的方案论证：
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。
关键词：
小车、车架、设计
1绪论
1.1概述
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。
车架作为汽车的承载基体，为货车、中型及以下的客车、中高级和高级轿车所采用，支撑着发动机离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。
为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。
车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。
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车架的发展
早期汽车所使用的车架，大多都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，这种单体车架一般以“底盘”称之。
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数种不同的车款上，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，例如本田NSX所使用的铝合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纤维材料等。
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量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。
欧美从90年代开始逐渐提高了撞击事故的安全防护标准，这也是凸现出车架刚性重要的另一原因。
许多车厂为了在撞击事故发生时能够确保车内乘员的安全，惟有针对车架以及车体进行全面强化，这也使得除了车架以外的强度有所改善，包括钣件厚度的改变以及各种辅助梁的增设也成为各厂惯用的手法。
不过在这样的情况下，伴随而来的是车重相对增加，这也正是欧美日许多市售车的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。
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。
中国第一汽车集团凌源汽车制造有限公司汽车车架U型槽合数控冲孔生产线竞标成功。
汽车车架U型槽合数控冲孔生产线是我公司继两年前成功设计制造了合肥江淮汽车厂汽车纵梁数控平板冲孔生产线的基础上，在汽车纵梁数控冲孔方面的又一标志性成果，填补了国内设计制造汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的空白。
汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的设计制造成功，在汽车制造行业具有划时代的意义，标志着中国在汽车车架数控冲孔加工的生产设备方面达到了国际先进水平，降低了汽车制造行业购置汽车车架数控冲孔生产线的巨大费用，积极推动了中国汽车制造业的飞速发展，为中国汽车制造业早日与国际接轨奠定了基础。
我国的车架企业基本拥有剪切、冲压、焊接、铆接、油漆、机加工六大工艺能力和完善的检测手段、研究设计中心，具有16吨至3000吨的冷冲压能力，具备了开发、设计、生产各种类型车架。
2设计方案论证
2.1参考车型及其参数
参考车型：
欧铃ZB5040XXYBSC3S厢式运输车
详细参数：
发动机型号：
SD4W58-3U发动机功率：
58kw
发动机排量：
2156ML发动机类型：
柴油发动机
外形尺寸（长×宽×高）：
5150×1695×2660mm
货箱栏板内尺寸：
2390×1585×1700mm
总质量：
3770Kg整备质量：
1780Kg
额定载质量：
1665Kg接近角/离去角：
21/16
前悬/后悬：
1010/1440mm轴距：
2700mm
轴荷：
1260/2510N最高车速：
90km/h
前轮距：
1240mm后轮距：
1360mm
底盘型号：
ZB5040XXYBSC3S轴数：
2
底盘尺寸（长×宽×高）：
4810×1605×1990
弹簧片数：
6/5+3
2.2车架在实际环境下要面对的4种压力
要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。
如果车架在某方面的韧性不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。
而车架在实际环境下要面对4种压力。
负载弯曲
从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量，是由车架承受的，通过轮轴传到地面。
而这个压力，主要会集中在轴距的中心点。
因此车架底部的纵梁和横梁，一般都要求较强的刚度。
非水平扭动
当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力，情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。
横向弯曲
所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性（即离心力）会使车身产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。
水平菱形扭动
因为车辆在行驶时，每个车轮因为路面和行驶情况的不同，每个车轮会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，这情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。
2.3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：
2.3.1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：
（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）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。
（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。
（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。
（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。
（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。
2.3.2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。
通常要求车架的质量应小于整车整备质量的10％。
本设计主要对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，使车架纵梁具有足够的强度，以此来确定车架的断面尺寸。
（参照《材料力学》）另外，目前钢材价格暴涨，汽油价格上涨，从生产汽车的经济性考虑的话，也应尽量减轻整车的质量。
从生产工艺性考虑，横纵梁采用简便可靠的连接方式，不仅能降低工人的工作强度，还能增强车架的强度。
2.4车架结构的确定
2.4.1车架类型的选择
车架的结构形式可以分为边梁式、中梁式（或称脊骨式）和综合式。
而在有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。
下边先分别列举下各车架的特点。
（1）边梁式车架的构造
这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干根横梁组成，用铆接和焊接的方法将纵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，断面一般为槽型，z星或箱型断面。
横梁用来连接纵梁，保证车架的抗扭刚度和承载能力，而且还用来支撑汽车上的主要部件。
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。
用于载货汽车的边梁式车架（图2-1），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。
X型车架是边梁式车架的改进，这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，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。
轿车要是使用边梁式车架，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。
所以X型车架较多使用于轿车。
还有周边式车架，这种车架是从边梁式车架派生出来的，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、高级轿车上采用。
（2）中梁式车架（脊骨式车架）
其结构只有一根位于中央而贯穿汽车全长的纵梁，亦称为脊骨式车架。
中梁的断面可做成管形、槽形或箱形。
中梁的前端做成伸出支架，用以固定发动机，而主减速器壳通常固定在中梁的尾端，形成断开式后驱动桥。
中梁上的悬伸托架用以支承汽车车身和安装其它机件。
若中梁是管形的，传动轴可在管内穿过。
优点是有较好的抗扭转刚度和较大的前轮转向角，在结构上容许车乾有较大的跳动空间，便于装用独立悬架，从而提高了汽车的越野性；与同吨位的载货汽车相比，其车架轻，整车质量小，同时质心也较低，故行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘罩作用。
缺点是制造工艺复杂，精度要求高，总成安装困难，维护修理也不方便，故目前应用较少。
（3）综合式车架
综合式车架是由边梁式和中梁式车架联合构成的。
车架的前段或后段是边梁式结构，用以安装发动机或后驱动桥。
而车架的另一段是中梁式结构的支架可以固定车身。
传动轴从中梁的中间穿过，使之密封防尘。
其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。
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。
由于设计的是轻型载汽车车架，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。
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