车架设计作业指导书Word下载.docx
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所以它不同于传统的梯形车架或者管式车架，需要在车架外包裹外壳。
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、侧板大小各异，所有的板件都是由压模机压制出来的，利用机械手做电焊处理，有的甚至使用激光焊接技术。
整个制作过程短至数分钟便可宣告完成。
由此可见，一体式车架之所以那么流行，主要原因是为了适应高度机械化的流水生产作业大量生产，这样做可以大大的降低生产成本。
而且一体式车架先天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，另一方面对车架行驶的刚性也有所帮助。
其次，一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的吸能区外，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！
相对于其他的车架构造，一体式车架没有高而阔的门槛、防滑动支撑架和大型的传动轴管道等，空间的利用率极高。
凡事总有正反两面，一体式车架生产前的配套投资极其庞大，绝对不适合小批量生产。
另外一个明显的缺陷，就是一体式车架因为使用大量的金属，重量偏高。
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（longitudinaltorsion），始终不及钢管式车架。
如果以重量和刚性比来做比较的话，使用同等金属重量所制作出来的一体式车架是所有车架中刚性表现最不经济的。
1.3、超轻量一体式车架
传统的一体式车架，其优点是对于大量生产成本相对较低，拥有较强的空间效能，同时撞击保护能力较强。
缺点是车身沉重，初期投入很高，无法做小批量生产。
在上世纪八、九十年代开始，国际汽车的安全规格开始迅猛的发展，各大车厂除了发展不同形式的主/被动安全设备以外，也开始着手于设计撞击刚性更高的车架。
虽然当时超级计算机已经可以辅助设计出理想的车身结构，但是也无可避免的使更多的钢材应用到车身上，使得车架重量进一步增加。
制造商为了兼顾汽车的性能和环保表现，则着手研究别类的车架金属的应用，希望借此克服传统一体式车架重量偏高的缺点。
在结构上，它与传统的一体式车架无异。
轻量化的主要原因是车的板块由液压形式压制。
传统车架用高重量压模机压制的车架模块，效果就好像用纸盖着硬币，然后用铅笔描出图案的效果。
车架和车壳的板块因为压模机的压制细腻度有所规限，整体厚度和设计的厚度有一定的出入，尤其在弯角和边缘的位置，在压制后肯定是最薄弱的地方。
为了弥补这个缺陷，整个车架在压制时会刻意做的厚一点，就是说用厚一点的钢板去迁就这些最薄弱的位置都符合最低的厚度要求，从而达到刚度要求。
液压利用极高的水压，将钢材压迫成所需的车架形状。
因为水的压力是平均的，不同的地方所受的压力同样是相同。
这样就解决了车架冲压受力不均的问题，车架便可以造得更薄了。
1.4、一体式碳纤维车架
现在世界上有两种物质可以制造碳纤维，其中一种就是人造丝（Rayon）。
人造丝是一种丝质的人造纤维，由纤维素（cellulose）所构成，而纤维素是构成植物主要组成部分的有机化合物。
另外一种能制造碳纤维的物质是丙烯酸纤维（Acrylicfiber）。
制作碳纤维的方式会因生产商的不同而稍有不同。
一般加工碳纤维板，都要将板件在模具中成型时加入合成树脂。
而不同的板件性质就是由于加入不同的合成树脂所造成的。
总的来说，碳纤维和传统钢材比较，其性能具有压倒性的优势，密度要比钢材低4倍左右，而强度和硬度都是钢材的两倍。
但是整体中的某些部位不太能受力。
在结构上，一体式碳纤维车架没有即定的格局，几乎每辆车都根据自己整体的情况特别设计车架，碳纤维的铸造主要依赖手工，属于劳动密集型生产
二、车架设计注意事项
（一）、确定设计条件
在车架设计时必须明确以下设计条件，应联系总布置及有关专业进行细致的了解，必要时需查阅已有的试验分析资料、开展专门的试验工作和使用调查。
1.市场状况
拟设计车型的类别、用途、使用条件（如装载情况、道路条件、运行情况等）、需求量情况（数量、时间、前景预期等）、可靠性要求、以及同类车型（特别是竞争对象）的车架使用情况。
2.车型系列化情况
同时设计的车型以及准备发展的车型有哪些？
这些车型的外形尺寸和载荷级别的情况如何？
主要车型是哪些？
3.生产规模及生产方式
有关生产规模及生产率的准则如何？
在采用大型压力机、大型复杂模具、自动焊接设备等方面的约束条件如何？
哪些车型须按批量生产考虑？
4.总布置对车架部件的形状和尺寸的限定情况，各部件同车架的连接尺寸。
5.汽车载荷大小及其分布，各部件的重量和中心位置及其在车架上的悬置位置。
6.各部件的结构特点，刚度情况及主要工作载荷情况，对车架刚度和应力的影响如何？
和同类车型相比，将出现哪些重大变化？
（二）、确定设计要求
1.可靠性及耐久性要求
纵梁等主要零件，在使用期内，不得出现严重的致命故障，如严重变形及开裂，致使其它部件不能正常安装和工作。
铆钉的少量更换，以及其它较易修复的故障的出现，不得低于三保里程。
2.刚度及振动特性要求
车架的固有频率不应与车身等的固有频率以及发动机和簧下质量的激励频率相耦合，致使平顺性和操纵稳定形变坏、噪音过大、零件损坏。
车架扭转刚度应适度避免变形过大，横摆严重，通过性变坏，可靠性下降。
车架满载时垂直弯曲挠度通常约在10mm以内。
行驶中最大扭角约为每米轴距1°
。
3.安全性要求
在正常使用条件下，能克服障碍物的干扰，保护车前板件少受损坏。
在发生碰撞事故时，能吸收大部分碰撞能量、降低减速度值、避免乘员空间被严重挤占而危及乘员声明。
4.改装性及维修性要求
尽量使汽车改装方便。
避免改装时对车架部件进行较大的改动，如过多的增加新孔。
（三）、车架受力分析
3.1、车架（整车）扭转刚度
车架（整车）扭转刚度指整车状态下的车架扭转刚度。
在车架出现扭转变形时，与车架连接在一起的汽车部件，必将随之一起变形，导致车架刚度增大；
当这些部件和车架刚性连接时，其刚度提高情况基本取决于连接部分的刚度。
通常车架（整车）扭转刚度比车架扭转刚度要大出几倍。
在现代轿车上，车身的扭转刚度常为车架刚度的3倍。
在货车上，车厢在车架上的扭转刚度可达车架刚度的3倍以上。
前后轴及弹簧总成、驾驶室和车头以及发动机等在车架上的扭转刚度也可达到或接近车架刚度水平。
汽车部件的大刚度和车架的低刚度比较广泛的实现了成功的结合。
在轿车上车架的自重也比以前有所降低。
3.2、车架（整车）扭转刚度与扭角
3.2.1、车架（整车）静扭转
当车架（整车）扭转刚度和悬架系统扭转刚度已知时，则缓慢通过或静止处在不平路面上的汽车的车架轴间扭角（如图3），即可用以下公式就得：
式中：
β，道路不平度，以通过左右前轮接地点的连线与通过左右后轮的相应连线之间的夹角表示。
Cj，车架（整车）扭转刚度。
Cs，悬架系统（含车轮）扭转刚度。
由公式可知，车架的静扭角大小，取决于Cj/Cs比值情况。
改变Cj或Cs，都将引起α的改变。
一般货车Cj/Cs接近于1或更大，故其车架的静扭角约为道路扭角的一半或更小。
在轿车上Cj远大于Cs，故其车架静扭角较小。
显然，车架扭转刚度对车架扭角的影响比车架（整车）扭转刚度Cj的影响更小。
图3车架（整车）扭转
当汽车斜越深沟时，一个车轮可能离开地面，车架扭角从而达到极限，曾测得某中型货车的极限扭角为13°
，某轻型货车为8°
在崎岖路面上行驶时，车架扭角可达每米轴距1°
车架的单位长度扭角沿其全长是变化的，一般其前部较大，后部较小。
3.3、车架（整车）扭转刚度与扭矩
汽车处于不平路面上，车架受到的扭转载荷可以下式计算
即作用于车架上的扭矩，随着路面的不平度变化而变大，同时也随的Cj、Cs增大而增大。
此扭矩系车轮上的斜对称垂直载荷构成，故驱动轴必有一侧的垂直载荷将下降，这意味着该轴的附着重量将较之成倍的下降，故通过性随之变坏。
M随着Cj、Cs的变大而提高后，车架及悬架系统的应力必然相应提高。
3.4、车架刚度与振动
车架固有频率的大小决定于其相关刚度。
确定车架刚度时，应使其固有频率不和道路及发动机激励频率想耦合，也不合驾驶室等部件的固有频率想耦合，以免平顺性变坏，可靠性下降。
3.5、车架（整车）扭转刚度与汽车横向摆动
降低车架（整车）扭转刚度，将使汽车的横向摆动加剧，严重时，使人产生不安全感。
高速行驶时，操纵稳定性变坏。
3.6、车架刚度与成本
提高车架刚度，往往受到经济因素的制约，如制造及装配成本提高、重量增大等。
通过非刚度途径，解决某些刚度问题，有时更为简单易行。
对于刚度和强度都较大的汽车部件，如车身、车厢等，使其对车架刚度发挥增强作用是极为有利的。
对于刚度较大而强度较低的汽车部件，可根据具体情况，采用三点悬置、四点悬置或菱形悬置以及刚度适当的软垫与车架连接，以使车架变形部分得到隔离，而不出现损坏。
通过悬置点布置（如移近振型节点）、悬置姿态、悬置刚度的选择，有时也可解决一些振动问题。
3.7、车架刚度计算
采用有限元分析法，对车架扭转刚度、垂直弯曲刚度和水平弯曲刚度进行计算，现已取得相当准确的结果。
并可预测出车架的模态频率和振型。
在轿车设计中也进行车架纵向冲击刚度计算，预测其变形及碰撞减速度。
（四）、纵梁设计注意事项
4.1应力特点
客车纵梁常为开口截面，其应力主要有以下4种：
1.垂直弯曲能力
在汽车自重及载荷作用下，纵梁中部（驾驶室后）及后部（后弹簧后）出现弯矩峰值。
可用弯矩差法求得（见日产柴资料）。
弯曲应力沿断面的分布情况如图4a。
2.水平弯曲能力
汽车在弯道上行驶时，在离心力、转向力和车轮阻力的作用下，纵梁出现水平弯曲。
其应力沿截面的分布情况如图4b。
3.纵梁局部扭转应力
在偏心载荷的作用下，纵梁呈现局部扭转状态，常常在载荷作用处及其左右节点处，出现约束扭转应力峰值，这时，其沿该段纵梁长度及截面的分布情况如图5。
4.扭转应力
汽车使用中，当车轮收到斜对称的垂直载荷时，车架随即呈现扭转状态，纵梁在节点处常收到翘曲约束，而出现约束扭转应力峰值。
当约束极大时，双力矩（应力）的分布情况如图6。
根据节点翘曲约束情况的不同，纵梁两种扭转应力的分布也将发生诸多变化，只有采用有限元分析方法，才能比较精确的加以计算，应在产品开发阶段进行。
车厢等连接于车架上以后，纵梁应力分布还将发生变化，应在样品上进行试验研究。
逐步实现早期分析。
图4纵梁弯曲应力图图5纵梁局部扭转应力图
a垂直弯曲b水平弯曲a双力矩b扇性应力
4.2纵梁截面
1.槽形截面
抗弯强度好，零件安装紧固方便。
采用冲压工艺，可方便的制成变截面梁、有时还可做成双向弯曲的梁，适于大量生产。
广泛应用于货车和客车。
选用钢厂出产的冷弯型材做胚料，工厂即可不用大型冲压设备和模具。
采用翼缘加厚的型材，其比强度较大。
图6纵梁扭转双力矩图
2.箱形截面
扭转刚度及强度都较大，多用于轿车。
在客车和轻型越野车上也有应用。
3.工字型截面
可用不同强度、不同厚度的板料组焊而成，以取得极大的弯曲强度，并可减轻重量。
常用于超重型货车。
4.Z型截面
当发动机尺寸较大时，便于整车前部布置。
为少数货车采用。
4.3纵梁强度
4.3.1弯曲强度
1.选用较大的截面尺寸。
2.选定合适的截面形状，加高腹板则垂直弯曲强度变大，加宽翼缘则水平弯曲强度变大。
通常高宽比为3：
1左右。
3.翼缘加厚、加宽或在其上贴加强板。
4.3.2局部扭转强度
1.降低以至消除纵梁局部扭转载荷
a.注意偏心载荷的布置，尽量减小偏心距。
b.将发动机、驾驶室的悬置布置在横梁的弯心上。
c.在悬架支架处，设置弯曲刚度较大的横梁并采用刚度较大的连接。
d.限制纵梁加工扭曲度。
2.提高纵梁抗扭能力
a.使偏心载荷尽量接近横梁，必要时可采用较大的横梁连接板。
b.缩小横梁的间距，并使横梁和纵梁翼缘连接。
c.加大纵梁截面尺寸。
d.在纵梁局部扭转处的部分长度上，构成封闭截面。
4.3.3扭转强度
1.减小纵梁截面尺寸。
2.在纵梁大截面处，使横梁与其腹板相连。
3.与纵梁翼缘连接的两横梁，不要相距过近。
4.3.4局部强度
1.加大纵梁板厚。
2.局部贴加强板，必要时将加强板翻边或压筋。
3.沿载荷作用方向加大支架的尺寸。
增加受拉紧固件的数量。
4.使垂直于腹板的较大力位于其上下侧，而不位于其中部。
4.3.5减少应力集中及其它
1.尽量减少翼缘上的孔数，减小其孔径，禁止在其上出现大孔和空孔，在纵梁高应力区，尤其应重视。
2.禁止在槽形纵梁翼缘边上施焊，特别是短焊缝和“点焊”。
3.纵梁截面高度转折处或横向弯曲处，翼缘可能出现“波纹”，应尽量使变形缓和和以减低波纹使其处于拉应力区或低压应力区，波纹高度应限制在1mm以下。
4.纵梁加强板两端的形状及连接应不引起刚度突变，并不处于横梁附近（可远离横梁或与横梁重合），见图7。
5.纵梁受压翼缘的宽度不能太大（可为板厚的12倍）。
图7加强板的连接
6.采用屈服点较低、伸长率较大的材料，在冲压后，其实际疲劳强度往往较大。
修磨冲压毛边和修铰冲孔，也可显著提高其实际疲劳强度。
以上措施是从不同方面分别考虑的，因而存在诸多矛盾。
设计时，必须根据使用特点和纵梁具体部位，抓住主要矛盾，作出恰当的抉择。
如纵梁中部，弯矩较大，且常存在刚度突变情况，应注意不在使扭转应力在该处出现峰值；
在弹簧支架处则应着力处理好局部扭转应力。
尽量避免各种应力峰值出现在同一部位。
在越野车上，则可选用较小的纵梁截面，以免车架扭转应力过大。
（五）、横梁设计注意事项
5.1横梁截面
沿腹板方向弯曲，刚度和强度都较大，多用于弹簧支架处。
通常都为直梁或弯度不大的梁，以利于制造。
其缺点是，在纵梁截面高度改变时，极难适应。
沿翼缘方向弯曲时，刚度和强度将下降很大。
2.帽形截面
通常都用矩形胚料直接成形，较易制成大弯度梁；
在空间受到限制时较易布置，且可获得相当的弯曲强度和刚度。
故适于在其上布置大总成的悬置。
采用鳄鱼式结构时，可形成较大的连接宽度；
变化其接头设计，可以与截面高度不同的纵梁实现各种形式的连接，通用性较好。
3.Z形截面
其特性与槽形截面近似，常用于前横梁，便于发动机悬置。
4.工字形截面
常由槽形截面组合而成，弯曲强度和刚度都很大。
5.封闭截面
常为管形及箱形。
其突出的优点是扭转刚度极大。
管形截面常为现成的型材，不须为其配备大的生产设备和模具。
通过接头可连接在不同截面高度的纵梁腹板上，实现极大的通用。
箱形截面通常由帽形截面组合而成，其刚度和强度较大，但成本过高。
5.2横梁连接
横梁作用的发挥程度，全在于其连接设计是否恰当。
应从以下几个方面考虑：
1.连接宽度
加大连接宽度，可以布置较多的紧固件，以形成较大的连接强度和抗菱形能力，往往可使偏离横梁的纵梁局部扭转载荷得到一定的支撑。
为了加大连接宽度，可将槽形截面横梁两端加宽或另加连接板，也可采用鳄鱼式横梁。
2.连接跨度
横梁上下方的连接，应保持较大的跨距，以便更好的钳住纵梁，限制其扭转变形。
3.连接强度
连接强度应和横梁的强度和刚度相匹配，以免连接失效。
为此，应使连接件有较大的强度、紧固件数量多些并保持适当距离。
4.连接刚度
横梁及其连接，共同构成了对纵梁的约束，连接刚度不足，将不利于对纵梁局部扭转的控制；
连接刚度大时，车架扭转应力又将变大，故应根据具体部位的应力情况，做出选择。
5.连接型式
横梁和纵梁翼缘连接，可得到较大的连接跨度和连接刚度，使车架扭转刚度增大，纵梁布局扭转改善，但常常引起车架扭转应力提高。
横梁和纵梁腹板连接，则结果相反。
可用于纵梁的大截面处，并注意增大其连接跨度。
横梁和纵梁腹板及一个翼缘同时相连，则兼有以上两种连接方式的特点。
有时使横梁只和纵梁的一个翼缘相连，则极难发挥其刚度作用。
5.3横梁布置
横梁布置对纵梁局部扭转强度和车架扭转强度有很大的影响，必须十分注意。
可参见纵梁设计部分。
通常在弹簧支架处都设置弯曲刚度较大和纵梁的偏心载荷相适应的横梁，在发动机及驾驶室的悬置处，设置弯曲强度足够的横梁。
当二者重合在一起或较为接近时，则可合用一梁。
在纵梁的中部或后部可设置刚度不太大的横梁。
汽车保险杠或其它类似杆件，如其和纵梁的连接与横梁相似，则在结构分析时，也应视同横梁。
采用翼缘连接的横梁，彼此相距不宜太近，横梁间散布有纵梁局部扭转载荷时，则其间距不宜太大。
5.4横梁故障模式
横梁故障多出现于其端部，疲劳裂纹一般由其翼缘边上开始发生，并沿其垂直方向扩展，铆钉剪断情况尤为多见，典型故障见图8。
图8常见横梁故障
（六）、车架通用化和系列化设计注意事项
在车架零件的制造中，一般都需采用大型压力机和大型模具，不仅其价格昂贵，且制造周期较长，因此在设计中必须十分重视车架的系列化，使其能以少数零部件组成多种总成，并可用少数模具制造出来，以满足汽车多品种系列化的需要。
发展系列车型时，车架的长度、轴距和部分孔位一般都要发生变化，有时还要改变车架的宽度和承载能力。
因此各种纵梁的长度、孔位和截面尺寸常常不能保持一致，横梁的结构、数量和长度也会发生变化。
在系列化设计中，如将其处理得好，即可使生产大大简化。
6.1纵梁
6.1.1长度
系列化纵梁，不论其品种多少、长度如何变化，一般用一套组合冲模（指生产一种车架纵梁所需得冲模数）即可满足需要。
如纵梁前后部都存在变截面部分，则在改变长度时，只要保持各变截面部分形状不变（图9C、F段），只变化等截面部分得长度（图9AB、DE、FG段），通过增减或更换各种冲模镶块，即可采用一套组合式冲模将所有不同长度纵梁压制出来。
如为等截面纵梁或仅在前部存在变截面部分的纵梁，由于各种纵梁的差别多发生在其后部等截面部分，则组合式冲模比较简单。
图9纵梁冲模分块图
6.1.2孔
1.采用大冲孔模生产纵梁时，应注意使所有纵梁的绝大多数孔保持通用，并注意使某些纵梁的专用孔与这些通用孔保持适当的距离，以便使这些孔的冲头和凹模镶块可装在一套通用模上。
这样当不生产该纵梁时，只需拔去该块换冲头即可。
对于哪些于强度无影响的孔，也可任其冲出。
如某纵梁的专用孔和通用孔过近或孔径不同时，通过更换镶块虽可冲出，但较麻烦，最好少用。
也可采用补钻、补冲的方法加工出某些专用孔。
2.减小纵梁孔的数量，非常有利于纵梁的生产，最好每一个纵梁的孔数不多于100个。
为此，应多方设法减少纵梁上的装置件数，如将多个贮气筒固定在一套支架上，该系统的其它小附件，有的也可以紧固在该支架上，又如将驾驶室踏板直接不定在驾驶室上等。
3.纵梁的紧固孔径应予以标准化，一般以3种为宜，最好不多于5种。
6.1.3强度
通常采取以下措施，以满足系列化纵梁不同强度的要求。
1.采用不同强度的材料，模具可完全通用。
2.采用不同厚度的材料，改变料厚时纵梁截面内高应保持不变，这样仅须改动部分镶块机壳通用原模具生产。
同时，翼缘联接的横梁也可通用。
3.采用不同的翼缘宽度，应结合板厚大小合理确定，模具可大部分通用。
4.采用加强板局部加强，加强板的长度及板厚也可按需要进行多种变化。
5.当车型系列较宽时，可再增加一种截面高度。
6.1.4支架
1.各支架紧固处的壁厚应标准化，以减少紧固件的品种。
2.支架按对称原则设计，以使左右件通用或左右件的工模具通用。
3.左右支架由通用的胚件组焊而成。
4.将某些零件共用一套支架与车架固定，以减少支架数量。
5.注意支架在车型间的通用。
在支架改变时，注意保持紧固孔位通用。
6.2横梁
1.采用腹板连接结构，可使横梁在同一车架上或不同车架上实现比较广泛的通用。
采用腹板及翼缘综合连接的横梁，通用性一般要差些。
2.同一横梁通过两端连接件的改变，亦可实现较大的通用。
3.采用翼缘连接结构的横梁，只要纵梁截面内高保持不变，即可使之通用。
4.尽量保持车架宽度不变，车型系列较宽时，可增加一种宽度尺寸。
并注意二者的横梁设计，尽可能使其模具通用。
（七）、车架公差
纵梁和横梁等主要零件通常用板料冲压而成，由于成形时，材料的某些部分的纤维被拉长或压缩，成形后必然回弹，致使零件尺寸、形状出现偏差，见图10.这些偏差与零件形状、材料强度和厚度公差、模具设计及精度、工艺及调整情况有关，有时很大，必须根据车架自身装配要求及装置件安装的需要，予以限定。
图10纵梁形状偏差
7.1纵梁
1.腹板纵向直线度（F）
如模具压紧面时平的，则腹板水平弯曲较大；
如模具压紧面反向弯曲，则腹板水平弯曲即可较小，但截面负回弹较大，且模具复杂，故一般少用。
变截面梁常定为总长的0.15%；
材料屈服点高时，往往需要放宽到0.3%。
等截面梁可定为0.1%以下。
每米长度上的直线度一般可小于4mm，
2.截面扭曲（N）
变截面纵梁在截面转折部位将出现较大的扭曲，很难解决，故最好不在该处紧固零件。
两相邻横梁的紧固处，相对扭角应小于1°
等截面直梁的扭曲较小，一般不必限定公差（按自由公差）。
3.截面喇叭口（A1、
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