车架受力分析.doc

大梁式车架受力分析
一、 整车对车架的要求
二、 车架的受力情况分析
三、 车架的结构分析
1. 车架的基本结构形式
2. 车架宽度的确定
3. 纵梁的形式、主参数的选择
4. 车架的横梁及结构形式
5. 车架的连接方式及特点
6. 载货车辆采用铆接车架的优点
四、 车架的计算
1. 简单强度计算分析
2. 简单刚度计算分析
3. CAE综合分析
五、附表

2000年7月1日

一、 整车对车架的要求
车架是整车各总成的安装基体，对它有以下要求：
1. 有足够的强度。要求受复杂的各种载荷而不破坏。要有足够的疲劳强度，在大修里程内不发生疲劳破坏。
2. 要有足够的弯曲刚度。保证整车在复杂的受力条件下，固定在车架上的各总成不会因车架的变形而早期损坏或失去正常工作能力。
3. 要有足够的扭转刚度。当汽车行使在不平的路面上时，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。对载货汽车，具体要求如下：
3.1车架前端到驾驶室后围这一段车架的扭转刚度较高，因为这一段装有前悬架和方向机，如刚度弱而使车架产生扭转变形，势必会影响转向几何特性而导致操纵稳定性变坏。对独立悬架的车型这一点很重要。
3.2包括后悬架在内的车架后部一段的扭转刚度也应较高，防止由于车架产生变形而影响轴转向，侧倾稳定性等。
3.3驾驶室后围到驾驶室前吊耳以前部分车架的刚度应低一些，前后的刚度较高，而大部分的变形都集中在车架中部，还可防止因应力集中而造成局部损坏现象。
4. 尽量减轻质量，按等强度要求设计。
二、 车架的受力情况分析
1. 垂直静载荷：
车身、车架的自重、装在车架上个总成的载重和有效载荷（乘员和货物），该载荷使车架产生弯曲变形。
2. 对称垂直动载荷：
车辆在水平道路上高速行使时产生，其值取决于垂直静载荷和加速度，使车架产生弯曲变形。
3. 斜对称动载荷
在不平道路上行使时产生的。前后车轮不在同一平面上，车架和车身一起歪斜，使车架发生扭转变形。其大小与道路情况，车身、车架及车架的刚度有关。
4. 其它载荷
4.1汽车加速和减速时，轴荷重新分配引起垂直载荷。
4.2汽车转弯时产生的侧向力。
4.3一前轮撞在凸包上，车架水平方向上产生箭切变形。
4.4装在车架上总成（方向机、发动机、减振器）产生的作用反力。
4.5 载荷作用线不通过纵梁的弯曲中心（油箱、悬架）而使纵梁产生局部受扭。
因此车架的受力是一复杂的空间力系，纵梁和横梁截面形状和连接的多变多样，使车架的受载更复杂化。车架CAE分析时一轮悬空这种极限工况，即解除一个车轮的约束，分析车架弯扭组合情况下的最大应力。
普通载货汽车车架的弯矩图如下：

三、车架的结构分析
1. 车架的基本结构形式
边梁式（载货车、大客车常用结构）
框式 周边式（复杂的边梁式，越野车、轿车常用）
车架 X型式（X型横梁，抗扭性能强）
脊梁式（抗扭性能好）
综合式（前后框式、中间脊梁式）
目前公司各种车架基本都是边梁式车架。
2.车架宽度的确定
车架的宽度主要由前后轮距确定的，确定车架的宽度按以下原则进行：
①车架前部宽度主要考虑前轮的最大转角，选用成型的方向机要考虑方向机的安装，有时结合驾驶室的安装统一考虑。
②车架中部的宽度要考虑发动机及发动机附件（排气管、变速操纵杆）的安装。
③为考虑高速车的稳定性，希望增加车架后部宽度，以便能加大后簧托距。如BJ1027A和CA1026的托距都很大。
④对双胎车，车架后部宽度取决于轮胎、板簧、车架三者的间隙。
⑤从简化工艺的角度看，最好做成前后等宽，对低价位的产品，这一点很重要。
⑥考虑标准的要求，我国汽车专业标准规定中型载货车边梁式车架的宽度为864±5mm。
典型结构：
① 轿车、微型车和单胎轻型车车架做成窄后宽结构，前部窄是为了增大前轮转角。从发动机安装处开始加宽。
② 双胎载货车，做成前宽后窄结构。如1028非独立悬架的都市小卡和NPR。
1049（NKR55LL）是以上两种车架的综合，前部宽度630、中部740、后部700。
NHR单胎车型前部宽度630，中部中部740、后部800。
3.纵梁的型式、主参数的选择
3.1纵梁的型式
纵梁主要有以下五种形式：槽型薄壁断面、闭口薄闭断面、Z字型断面、工字型断面等。其中重型载货汽车和超重型载货汽车采用工字型结构截面的型材，Z字型断面不常用。在此主要讨论前面两种结构形式的纵梁断面。两种结构（相同的断面面积）的优缺点如下：
型式
图示
抗弯性能
抗扭性能
材料利用率
固定资产投入
总布置方便性
变形方便性
车架工艺

应用情况
槽型薄壁断面

好
很差
较好
大
好
差
铆接为主，小部分焊接
批量应用于各种载货、中型和轻型载货车辆
闭口薄闭断面（成型管）

较差

较好
差
小
较差
好

焊接
部分轻型车，如BJ1022、现代小货车，部分越野车
闭口薄闭断面（焊接结构）

一般
很大
好
差

焊接
微型货车、皮卡、越野车
3.2纵梁主参数的选择
3.2.1要满足强度和刚度需要，具体从以下三个方面考虑：①根据轴距对车架刚度的初步验算；②同类车型的类比分析，具体见附表（一）。③初步的强度计算。
3.2.2要考虑规划中产品对车架断面的要求，满足产品系列化对车架纵梁强度和刚度的要求。
3.2.3车架纵梁要尽量简单，减少断面急剧过度及弯曲，减少应力集中。
3.2.4通过CAE分析，最终确定车架强度和加强板的形状和结构形式。
对槽型梁结构，要注意纵梁高宽比的确定，通常范围为2.8—3.5之间，例如1029车架为170/55=3.09比较合适。1046E6为195/55=3.54，宽度偏小。
4.车架的横梁及结构形式
车架横梁将左、右纵梁连接起来，构成一个框架，使车架有足够的扭转刚度。汽车的主要总成也靠横梁支撑。具体的确定的原则如下：
4.1要确保车架前部的扭转刚度。对独立悬架车型，更要注意。
4.2板簧支架和吊耳处尽量设置横梁，以降低纵梁的应力和变形。后板簧前后支架处力和转距很大，一般设置一根抗扭刚度大，连接宽度的横梁。
4.3发动机部位，尽量设计简易的横梁,减少纵梁变形。
4.4合理设计横梁与纵梁的连接方式及结构，
4.4.1横梁和纵梁的腹板连接，工艺简单，连接刚性差，但不会使纵梁出现大的应力，车架中部采用这种连接。
4.4.2横梁与纵梁腹板及翼面（上或下）相连接。
工艺并不复杂，应用广泛。但后板簧托架的力会通过纵梁传递给横梁，因此要减少板簧托架的悬伸长度，使载荷点尽量靠近纵梁弯曲中心。当偏心载荷较大时，可将纵梁做成局部封口，或将横梁穿过纵梁，将载荷直接传递给横梁。
4.4.3横梁与纵梁上下翼面相连接。
由于有刚性很好的角支撑，可产生良好的斜支撑作用，使整个车架刚度增加，翼面外边不会因受压而产生翘曲。车架两端的横梁采用这种方式和纵梁连接。由于翼面不能自由翘曲，但转距过大时，纵梁翼面会出现应力过大现象。
4.4.4对受力较大的结构附件，要注意其与车架纵梁的连接方式，避免因纵梁局部应力过大造成纵梁开裂。注意减振器支架、驾驶室支架、板簧支架、发动机支架的设计。
5. 车架的连接方式和特点
车架的连接方式有铆接、焊接和螺栓连接三种:
5.1铆接车架：铆接成本低,适合于大批量生产，其刚度与铆钉的数量极其分布有关,因此铆钉布置设计很重要。
5.2焊接车架：焊接车架能使其连接牢固，不致产生松动，能保证有大的刚度。但焊接容易产生较大的变形和内应力，因此对焊接的质量要求很高。适用于小批量生产和修理。
5.3螺栓连接：
特殊使用条件和特殊用途的车架采用。但长期使用，容易产生松动，易发生严重的质量事故。一般汽车的纵梁和横梁的连接不采用这种方式。
无论是焊接车架，还是铆接车架，紧固件的数量和尺寸应和横梁的大小相适应，铆钉分布不要太近。当利用连接板的翻边紧固时，应加大连接板的宽度和厚度，紧固孔应靠近翻边处，防止连接损坏。
6.载货车辆采用铆接车架的优点
对于车速较高（≥100km/h）和总质量大于3500kg的轻型汽车，建议采用铆接车架，优点如下：
6.1车速高，为确保高速行驶的稳定性，必须提高车架精度，因此优先采用铆接车架。
皮卡、部分越野车、微型货车车架一般采用焊接工艺（纵梁是薄壁闭口断面）。是受以下几个特殊因素影响而决定的：①这部分车型使用中超载不多。②断面较小，最大断面高在130毫米以下，采用铆接时铆钳空间不够充裕。③前两类产品的批量不大，如采用铆接投入较大。
6.2矩管焊接车架的缺点
虽部分小型货车和越野车采用矩管车架，有以下缺点
6.2.1矩形管弯曲后回弹大，影响了整车高度方向的基准。焊接后车架本身的尺寸精度不高。
6.2.2矩形管纵梁，同样抗弯模量前提下，成本高。原2310-II车架（100X50X5）170.6公斤重，成本1100元，改成1022EZC2A冲压车架（150X50X4），总成131公斤，成本830元，成本降低，抗弯模量大幅度增加。
6.2.3不利于总布置。线路、管路、附件的固定不好处理。
6.3 焊接车架焊接变形大
1022EZC2A车架为冲压焊接车架，焊接变形大，长期以来达不到设计要求，只好办理偏差许可，具体数据见附表（二）。
6.4焊接车架不可避免有焊接缺陷
对焊接工艺，容易出现过烧、假焊、咬边等焊接缺陷，由于焊接缺陷的存在，车架出现质量问题的机会增多。
6.5 对卡车行业，铆接车架是主流
国内轻型车行业中，除了北轻汽受工艺条件的限制以外，基本都是铆接车架。北轻汽的主导产品BJ1041和BJ1061为焊接车架，BJ1041严格说来是一种“轻抛车型”，后悬架为渐变刚度簧，无副簧，整车承载能力弱，销售区域也基本在北方。焊接车架不是轻卡车架的主流。
6.6公司即将有铆接工艺
为生产BJ1049轻卡的车架，公司正在上是铆接线，为进一步分摊铆接线的投入，新设计的车架应优先考虑采用铆接工艺。
四、车架计算
1.简单强度计算

附表

附表（一）
怀柔车辆厂1022EZC2A车架尺寸实际精度
尺 寸
设计要求
实际能达到的精度

尺 寸
设计要求
实际能达到的精度
前簧前支架高度
599±0.5
±3
车架上平面度
±1.5
±2
前簧后支架高度
238.5±0.5
±2
车身支架对角线（单排）
≤2
≤3
后簧前支架高度
200±0.5
±1
车身支架对角线（单排）
≤2
≤3
后簧后支架高度
62
±2
车架前部宽度
760±1.5
±2
前簧前后支架对角线
≤2
≤4
前簧后支架—前轮中心
572±2
±3
后簧前后支架对角线
≤2
≤4
驾驶室前支架---前轮中心
799±0.8
±3

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