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车架毕业设计

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【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

车架毕业设计

DA180低速汽车车架设计

摘要

汽车车架特别是重型汽车的车架，在使用中承受着沉重而又复杂的外力，容易引起各种形式的变形。

例如：

汽车的静负荷和动负荷能引起车架的垂直弯曲变形；汽车转弯时，会引起车架侧向弯曲变形；汽车在坑洼的路面上行驶，尤其是斜向过沟时，会引起车架的扭曲变形；拖带挂车猛起步时，会引起车架纵向拉伸变形；还有因局部受力而产生的局部变形等：

由于各种变形均会使车架出现一种内应力，当该内应力超过车架金属材料的应力极限时，车架就会损坏。

本文对车架的结构进行选择，基于DA180低速汽车车架所测得和收集到的相关数据，在忠实于结构主要力学特性的前提下，对车架结构进行了必要的简化。

运用所学材料力学等知识，然后对DA180的纵梁进行受力分析，校核其各个强度。

通过对计算数据与材料的强度数据进行对比，分析车架材料、形状、大小的可行性，找出了车架结构中需要改进的部位，对车架结构参数或材料进行优化设计，使车架不但符合强度要求，而且能减小其质量，从而减小汽车的簧上质量，进而达到节约燃料，提高燃油经济性。

并对车架进行了性能评价，探索汽车车架的结构优化方案。

关键词：

低速汽车车架强度计算

引言……………………………………………………………………………1车架的组成与功用……………………………………………………………2国内外研究动态及重要意义…………………………………………………3课题研究的内容………………………………………………………………5第二章汽车车架的介绍…………………………………………………6

汽车车架的几种结构形式与特点……………………………………………6汽车车架的制造工艺与材料…………………………………………………7第三章汽车车架的受载分析……………………………………………………8第四章DA180低速汽车主要尺寸确定和计算............................10

（一）汽车轴距......................................................10

（二）车厢的布置....................................................10

（三）汽车的前悬后悬................................................10

（四）汽车的前后轮距................................................11

（五）汽车外廓尺寸..................................................12

（六）货车车头长度..................................................12

（七）车架材料选择..................................................12

第五章车架强度计算...............................................12

第五章车架强度计算...............................................12

（一）弯曲强度计算时的基本假设......................................12

（二）纵梁弯矩计算..................................................13

（三）纵梁截面特性计算..............................................16

（四）纵梁弯曲应力计算..............................................17

（五）车架刚度校核..................................................18

第六章结论与展望………………………………………………………………31总结……………………………………………………………………………31工作展望………………………………………………………………………32参考文献……………………………………………………………………………33致谢…………………………………………………………………………………35

第一章绪论

引言

车架系统是汽车设计的重要部分，因为它们的好坏直接关系到汽车各个方面（操控、性能、安全、舒适）性能。

现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架。

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。

车架是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车内、外的各种载荷，所以在车辆总体设计中车架要有足够的强度和刚度，以使装在其上面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，车架的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。

过去对车辆车架的设计与计算主要考虑静强度。

当今，对车辆轻量化和降低成本的要求越来越高，于是对车架的结构形式设计有高的要求。

首先要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；车架布置的离地面近一些，以使汽车重心位置降低，有利于提高汽车的行驶稳定性[1]。

车架的组成与功用

车架是一般由左右纵梁和4-6根横梁组成，是汽车的装配基体和承载基体，其功用是支承连接汽车的各总成或零部件，将它组成一个完整的汽车。

同时，车架还承受来自车内外的各种载荷。

车架主要为货车、中型及以下的客车、中和高级轿车所采用。

为了车架完成上述功能，通常对车架有如下要求：

（1）要求有足够的强度，保证在各个复杂受力的情况下车架不受破坏。

要求有足够的疲劳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。

（2）要求有足够的弯曲刚度。

保证汽车在各个复杂受力的使用条件下，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扰度通常应小于10mm。

（3）要求有适当的扭转刚度。

当汽车行驶于不平路面时，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角约为10°/m。

（4）要求尽量减轻质量。

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，乘用车车架应具有易于吸收撞击能量的特点。

此外，车架设计还应考虑车型系列化及改装车等方面的要求[2][3]。

国内外研究动态及重要意义

[4][5][6][7][8]

据美国统计，因交变载荷引起机械结构疲劳断裂的事故占其失效破坏总数的95%，疲劳破坏的危险性表现在达到疲劳寿命时无明显先兆（显着变形）结构就会突然断裂解体。

为了保证安全，精确合理地确定使用寿命至关重要。

作为轻型载货汽车的重要组成部分，车架除了承受结构及载荷施加的静载荷外，还承受在不平路面行驶时由于振动和冲击产生的动载荷。

为了在预定寿命下对承受交变载荷的车架进行结构可靠性设计，必须对车架进行疲劳强度计算和寿命预测。

近年来，国内外学者对此进行了大量研究[9][10][11][12]，如：

（1）储佳章，王建一.学科交叉融合寿命定量设计——我国机械设计的当务之急[J]，中国机械工程.（9）：

1—2

（2）SridharSnkantan,ShekarYerrapalli,Hamiddesignprocessfortruckbodystructures[J].InternationalJournalOfVehicle,23（1/2）:

95—108.

他将有限元分析与多体动力学相结合。

先建立车体结构的多体动力学模型，并根据中国路况得出的仿真路面谱作为输入，计算车体11个关键部位的载荷历程。

然后在车体有限元模型中计算了相应的应力影响因子。

同时根据车架材料的S—N曲线和车架本身的特点拟合了车架结构的S—N曲线。

最好，利用MSC—FATIGUE软件基于准静态应力法的疲劳分析技术，预测了车架结构的疲劳寿命。

另外，国内外对货车车架还进行了大量其他方面的研究[12][13][14][15][16]，其中主要集中在一下几个方面：

1、汽车车架结构参数的优化设计

2、汽车车架的轻量化优化设计

3、汽车车架的静动态特性分析

4、汽车车架产生裂纹的原因及其维修方法

汽车车架的研究意义

汽车的使用条件复杂，其受力情况也十分复杂，随着汽车行驶条件（车速和路况）的变化，车架上的载荷变化也很大，而车架，作为汽车的主要承载工件，它的好坏直接关系着汽车的各方面性能，如操作稳定性、安全性、舒适性、燃油经济性等。

而广西都安建兴机械有限公司生产的DA180低速汽车车架，在使用过程中，由于使用环境复杂恶劣，存在着断裂的危险，也有过汽车在使用过程中，车架断裂的情况发生。

所以对车架的主要受力件车架纵梁的强度进行校核，有着至关重要的意义。

确保车架在各个工况下，车架纵梁的弯曲强度都符合材料的弯曲强度极限要求，如果不符合要求的，找出解决的方案，保证人与财产的安全。

另外，随着油价的上涨和国家对汽车尾气排放标准的不断提高，对载货汽车车架进行设计，不管是对其结构参数的优化设计，对其进行轻量化的优化设计，还是对汽车车架进行疲劳寿命预测分析等，都是出于对汽车动力性、安全性、燃油经济性的考虑。

是非常有必要的。

研究新的车架材料，减轻其质量，可以有效减少其整备质量，特别是对重型载货汽车来说，车架的质量占了汽车整备质量很大以部分，如果可以将其质量减小，将可以大大增加装载质量；抵消因满足安全标准、排气标准和噪声标准所带来的准备质量的增加，降低其燃油消耗。

课题研究的内容

本课题的目的旨在根据DA180低速汽车的总质量、整备质量、簧上质量、车架纵梁的相关尺寸，了解DA180车架的结构形状和所用的材料类型，然后通过计算车架纵梁在各个区段内的弯曲强度，并将计算结果与材料的弯曲强度极限相对比，确定车架的强度是否符合强度要求，若有危险截面，找出危险截面的位置，并找出汽车车架的改进方案。

主要研究内容如下：

表2-1DA180低速汽车的主要设计参数

技术性能要求：

（1）汽车满载荷在崎岖不平的道路上行驶时，大梁在载荷作用不能产生扭转变形及弯曲变形；

（2）汽车满载荷行驶时，当一边车轮遇到障碍时，整个大梁不产生菱形变形；（3）汽车在行驶过程中，固定在大梁上各总成和部件之间不应发生干涉。

第二章汽车车架的介绍

本章主要是介绍汽车车架的几种结构形式与特点、制造工艺和材料。

车架的结构形式主要有梯形车架、周边型车架、脊梁式车架、桁梁式车架。

汽车车架的几种结构形式与特点

梯形车架（也称大梁式车架或是边梁式车架）是随着冲压技术发展起来的钢板冲压车架，其结构如图2—1所示。

通常由两根纵梁和若干根横梁组成。

其基本功能优于以前采用的木质车架。

后来梯形车架的纵梁由槽形截面改为较低的箱形截面，横梁也做了一定的简化以利于整车高度的降低。

大梁式车架的优点是钢梁提供很强的承载能力和抗扭刚度，而且结构简单，开发容易，生产工艺的要求也较低。

致命的缺点是钢制大梁质量沉重，车架重量占去全车总重的相当部分；此外，粗壮的大梁纵贯全车，影响整车的布局和空间利用率，大梁的厚度使安装在其上的车厢和货厢的地台升高，使整车重心偏高[1][2]。

梯形车架适用于要求有大载重量的货车、中大型客车，以及对车架刚度要求很高的车辆，如越野车。

周边式车架

周边式车架的特点是前后两端纵梁变窄，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，其主要构件为封闭断面。

这种车架在撞车时可吸收部分能量，主要用于中级以上的轿车。

脊骨式车架

脊骨式车架也被称为中梁式车架，脊梁式车架由一根位于汽车左右对称中心的大断面管形梁（圆形或是箱形断面）和某些悬伸托架构成，犹如一根脊梁。

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，使得汽车有较好的平顺性和通过性。

但这种车架制造工艺复杂，精度要求高，给维护和修理造成诸多不便，因而未能在轿车上大量采用。

桁梁式车架

桁梁式车架，又称空间车架，这种立体结构式车架是用很多钢管焊接成一个框架，再将零部件装在这个框架上，兼有车架和车身的作用。

它的刚度大，质量轻，但是制造工艺差，主要是用于竞赛汽车及特种汽车身上。

上世纪50—70年代英国有很多小规模的车厂生产各式各样的汽车，都是用自行开发制造的钢管车架，是钢管车架的全盛时期。

时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂，原因是可以省去冲压设备的巨大投资。

由于对钢管车车架进行局部加强十分容易（只须加焊钢管），在质量相等的情况下，往往可以得到比承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。

x形车架

随着动力性的改善，车速的提高，迫使整车高度逐年下降，在装有X横梁的梯形车架被广泛采用之后，又发展出了X形车架。

它放弃了梯形车架的左右纵梁，将梯形车架的x横梁向前后延伸，形成两根互相交叉的纵梁。

其扭转刚度很大，而车身底板在放脚处即可下降到车架上平面之下。

其不足之处是：

在后部放脚处，略显拥挤，其前部放脚处则较高。

汽车车架的制造工艺与材料

[1][2][3]

车架纵横梁和其他零件的制造，多采用钢板的冷冲压工艺在大型压力机上冲孔及成形，也有采用槽钢、工字钢、管刚等型材制造的。

轿车车架的组装多采用二氧化碳保护焊、塞焊和点焊，设计应注意对焊接规范、焊缝布置及焊接顺序的选择；货车车架的组装多采用冷铆工艺，必要时可采用特制的放松螺栓链接。

为保证车架的装配尺寸，组装时必须有可靠的定位和加紧，特别应保证有关总成在车架上的定位尺寸及支承点的相对布置精度。

汽车车架的材料

车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接性能。

低碳和中碳低合金钢能满足这些要求。

车架材料与所选定的制造工艺密切相关，拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢08、09MnL、09MnREL等钢板制造；拉伸尺寸不大、形状又不复杂的冲压件常采用强度稍高的20、25Mn、09SiVL、10TiL等钢板制造；强度更高的钢板在冷冲时易开裂且冲压回弹较大，故不宜采用。

有的重型货车、自卸车、越野车为了提高车架强度，减小质量而采用中碳合金钢板热压成形，再经热处理，例如采用30Ti钢板的纵梁经正火后抗拉强度即由450MPa（HB156）提高到480~620MPa（HB170），用30Ti钢板制造纵横梁也可采用冷冲压工艺。

钢板经过冷却冲成形后，其疲劳强度要降低，静强度高、延伸率小的材料的降低幅度更大。

常用车架材料在冲压成形后的疲劳强度约为140～160Mpa.轿车车架纵、横梁的钢板厚度约为～；货车根据其装载质量的不同，轻、中型货车冲压纵梁的钢板厚度约为～，重型货车冲压纵梁的钢板厚度约为～.槽形断面纵梁上、下翼缘的宽度尺寸约为其腹板高度尺寸的35%～40%。

第三章汽车车架的受载分析

汽车车架的受载种类

汽车的使用条件复杂，其受力情况也十分复杂，随着汽车行驶条件（车速和路况）的变化，车架上的载荷变化也很大。

车架承受的载荷大致可以分为以下几种：

（1）静载荷

静载荷是指汽车静止时，车架所承受的悬架弹簧以上部分的载荷，它包括：

车架质量、车身质量、安装在车架上的各总成与附属的质量以及有效载荷（乘客或货物的总质量）的总和。

（2）对称的垂直动载荷

这种载荷是当汽车在平坦的道路上以较高的车速行驶时产生的。

其大小与作用在车架上的静载荷及分布有关，还取决于静载荷作用处的垂直振动加速度大小，路面的反作用力使车架承受对称垂直动载荷。

这种动载荷会使车架产生弯曲变形。

（3）斜对称的动载荷

这种载荷是当汽车在崎岖不平的道路上行驶时产生的。

此时汽车的前后几个车轮可能不在同一个平面上，从而使车架连同车身一同歪斜，其大小与路面不平的程度以及车身、车架和悬架的刚度有关。

这种动载荷会使车架车身扭转变形。

（4）其他载荷

汽车转弯行驶时，离心力将使汽车受到侧向力的作用；汽车加速或制动时，惯性力会导致车架前后部载荷的重新分配；当一前轮正面撞在路面凸起物时，将使车架产生水平方向的剪切变形；安装在车架上的各总成（如发动机、转向摇臂及减振器等）工作时所产生的力；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，受载情况错综复杂，而车架纵梁与横梁的截面形状和接合点又是多种多样，从而使车架受载更加复杂化[1][2]。

第四章DA180低速汽车主要尺寸确定和计算

DA180低速汽车车架的结构参数的确定

DA180低速汽车车架结构形式的确定

梯形车架便于安装车身、车厢和布置其他总成，易于汽车的改装和变型。

而DA180低速汽车所要求的就是易于改装和变型，所以这里选择用梯形车架。

DA180低速汽车各梁结构的确定

纵梁是车架的主要承载部件，也是汽车中的最大工件，其形状应力求简单。

载货汽车的车架纵梁沿全长多取平直且截面不变或少变。

这里纵梁选用平直而且截面不变、形状为槽形。

横梁将左右纵梁联在一起，构成一个完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度；横梁还起到支承某些总成的作用。

DA180汽车各横梁除了发动机前后悬挂横梁为了便于支撑发动机而做成向下凹形的外，其余也是做成平直而且截面不变的槽形。

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。

横梁的截面形状及纵梁的链接形式如图4—1：

图4—1横梁的截面形状及纵梁的链接形式

DA180低速汽车横梁与纵梁的链接形式如图4—2：

DA180汽车车架材料的确定

Q235碳素结构钢用于结构件、钢板、螺纹钢筋、型钢、螺栓、螺母、铆钉、拉杆、齿轮、轴、连杆。

DA180低速汽车车架所用的就是钢板折弯成槽形梁的，所以这里选用Q235的碳素结构钢，其屈服极限为s=235MPa[10]。

[17][18]

在确定汽车轴距时，应综合考虑汽车的主要性能、装载面积和轴分配等各方面的要求。

在各方面均得到满足的前提下，以轴距短些为宜。

一般来说，轻型载货汽车对发动机性能要求高，故轴距应取短些。

各类载货汽车的轴距选用范围如表4-1所示：

表4-1：

根据有关公路规定车辆法则，公路允许车辆的单后轴轴载质量为13t，双后轴轴质量为24t。

（注：

该表选自《汽车现代设计制造》人民交通出版社龚微寒主编230页表10-1）

轴距对准备质量、汽车总长、最小转弯半径、传动轴长度、纵向通过半径等都有影响。

当轴距短时，上述各指标减小。

此外，轴距还对轴荷分配有影响。

轴距过短时，会使得车厢的长度不足或是为了加长车厢长度，使得后悬又过长；上坡或制动的时候轴荷转移过大，汽车制动性和操纵稳定性变坏；车身纵向角振动增加，对汽车的平顺性不利；万向节传动轴的夹角增加。

一般，车架的长度大致接近整车的长度，约为轴距的～倍。

在整车选型初期，可根据要求货箱的长度及驾驶室布置尺寸初步确定轴距l.

对于DA180低速汽车，车厢是自己生产的，如果客户没有特殊的要求，则车厢的型号基本是不变的，这里选的为长c=2200mm，这里选驾驶室与车厢之间的间隙为100mm,驾驶室也是公司自行生产，长度尺寸基本不变，汽车的前悬为709mm，驾驶室总长为2085mm,所以lj=1376mm，汽车后悬为lR=，所以DA180低速汽车的轴距为：

l=2200+1376+=

根据设计参数选择4×2后轮双胎，平头。

为防止紧急制动时货厢可能向前窜动撞击驾驶室，通常车厢与驾驶室之间留有50～100mm的间隙。

为满足汽车的轴荷分配，车厢和货物的质心离后桥中心线的距离为：

对于后轮为双胎的平头车，该距离一般为轴距的（12％～22％）。

根据车厢质心到后桥中心线的距离以及驾驶室后壁的位置，可确定车厢的长度。

选定车厢与驾驶室间距离为50mm。

车厢长度可选为2750mm，前轮中心到驾驶室后壁的距离选为1367mm。

汽车的前悬是通过两前轮中心的垂面与抵靠在车辆最前端并垂直于汽车纵向对称平面的垂面之间的距离。

其长度应能布置发动机、水箱、转向器等部件；但不能过长，不然接近角太小，影响汽车的通过能力。

汽车的后悬是通过汽车最后车轮轴线的垂面与抵靠在汽车最后端并垂直于汽车纵向对称平面的垂面之间的距离。

其长度主要取决于货箱的长度、轴距和轴荷分配的要求。

一般载货汽车的后悬在～的之间；微型载货汽车的后悬要小些；特长货箱载货汽车的后悬较大，但可达左右；但各类载货汽车的后悬不得超过轴距的55％。

对于三轴汽车，若二、三轴为双后轴，其轴距应按第一轴至双后轴中心线的距离计算；若一、二轴为装向轴，其轴距应按一、三轴的轴距计算。

对于货车来说，前悬架=（～）轴距，后悬架=（～）轴距。

选汽车后悬为1033mm。

载货汽车的轮距与汽车的结构布置有关。

前轮距主要取决于车架前部的宽度、前悬架宽度、前轮最大转角和轮胎宽度，同时还需要考虑转向拉杆、转向轮和车架之间的运动间隙等。

后轮距主要取决于车架后部宽度、后悬架宽度和轮胎宽度，同时还需要考虑车轮和车架之间的间隙。

各类载货汽车的轮距选用范围如表3-2所示：

表4-2：

（注：

该表选自《汽车现代设计制造》人民交通出版社龚微寒主编230页表10-2）

根据设计参数选择总质量～，可根据车厢的长度及驾驶室布置尺寸初步确定轴距l。

式中，l为汽车轴距mm，c为车厢长mm，

lj为前轮中心到驾驶室后壁的距离mm，

s为驾驶室与车厢之间的间隙，一般取50～100mm，

lR为汽车的后悬尺寸mm。

根据上述参数选择，可得：

l=2750+1367+50-1033=3134mm

纵梁的长度一般接近汽车的长度，其值约为～倍汽车轴距。

根据设计要求的外形尺寸结合车辆的承压和载物情况，纵梁总长设计为4770mm，轴距设计为3134mm，其比值为，符合要求。

我国法规对载货汽车外廓尺寸的规定是：

总高不得大于4m。

总宽（不包括后视镜）不大于；外开窗、后视镜等突出部分不大于250mm。

总长不大于12m；牵引车拖半挂不大于16m；汽车拖带挂车不大于20m。

一般载货汽车的外廓尺寸随载荷的增大而增加。

在保证汽车主要使用性能的条件下应尽量减小外廓尺寸。

载货汽车的架势室一般有长头式、短头式、平头式三种。

平头式是将驾驶室放在发动机上面，即将发动机布置在驾驶室里面。

这种布置的优缺点正好和长头式的相反。

这种布置在各种等级的载重汽车上得到广泛采用。

一般来说，平头型货车车头一般控制在1400～1500mm。

汽车最大举升角的确定

最大举升角度的确定[16]

确定车厢最大举升角的依据是倾卸货物的安息角。

细沙（干）静止时的安息角为50，考虑到DA180低速货车有可能装载细沙，所以设计的车厢最大举升角max必须大于货物安息角，以保证把车厢内的货物卸净。

设计时，自卸车车厢的最大举升角可在50～70之间选取，以50