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第1章绪论
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。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。
车架”这个名称原本是从法文的“Chassis”衍生而来的,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
况、凹凸起伏、障碍物及进出弯角等等)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,这种情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。
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。
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。
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(member),一般都要求较强的刚度。
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。
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。
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。
(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。
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。
第3章车架结构
车架宽度是指左右纵梁腹板外侧面之间的宽度。在总体设计中,整车宽度确定后,车架前后部分宽度就可以根据前轮最大转向角、轮距、钢板弹簧片宽、装在车架内侧的发动机外廓宽度及悬置等尺寸确定。从提高整车的横向稳定性以及减小车架纵梁外侧装置件的悬伸长度来看,车架尽量宽些,同时前后部分宽度应相等。本设计取的车架宽860mm。
纵梁是车架的主要承载部件,在汽车行驶中受较大的弯曲应力。车架纵梁根据截面形状分有工字梁和槽形梁。由于槽形梁具有强度高、工艺简单等特点,因此在载货汽车设计中选用槽形梁结构。另外为了满足低速载货汽车使用性能的要求,纵梁采用直线形结构。这样既可降低纵梁的高度,减轻整车自身重量,降低成本,亦可保证强度。材料选用16Mn低合金钢,16Mn低合金钢在强度,塑性,可焊性方面能较好地满足刚结构,是应用最广泛的低合金钢,综合机械性能良好,正火可提高塑性,韧性及冷压成型性能。根据本设计的要求,再考虑纵梁截面的特点,本方案设计的纵梁采用上、下翼面是平直等高的槽形钢。纵梁总长为6815mm。优点:有较好的抗弯强度,便于安装汽车部件。
横梁是车架中用来连接左、右纵梁,构成车架的主要构件。横梁本身的抗扭性能的好坏及其分布,直接影响着纵梁的内应力大小及其分布合理设计横梁,可以保证车架具有足够的扭转刚度。
从早期通过试验所得出的一些结论可以看出,若加大横梁的扭转刚度,可以提高整个车架的扭转刚度,但与该横梁连接处的纵梁的扭转应力会加大;如果不加大横梁,而是在两根横梁间再增加横梁,其结果是增加了车架的扭转刚度,同时还降低了与横梁连接处的纵梁扭转应力
在横梁上往往要安装汽车上的一些主要部件和总成,所以横梁形状以及在纵梁上的位置应满足安装上的需要。横、纵梁的断面形状、横梁的数量以及两者之间的连接方式,对车机架的扭转刚度有大的影响。纵、横梁材料的选用有以下三种:车架A:箱型纵梁、管型横梁,横、纵梁间采用焊接连接,扭转刚度最大。车架B:槽型纵梁、槽型横梁,横、纵梁间采用铆接连接,扭转刚度适中。车架C:槽型纵梁、工字型横梁,横、纵梁间采用铆接连接,扭转刚度最小。
从以上三种车架的对比可以看出:轻型载货汽车应该选用车架B。
本设计共有八根横梁,有前横梁,发动机前悬置横梁,发动机后悬置横梁,
驾驶室后悬置横梁,中横梁,后钢板弹簧前支架横梁,后钢板弹簧后支架横梁,后横梁。
货车多以铆钉连接(见下图)。铆钉连接具有一定弹性,有利于消除峰值应力,改善应力状况,这对于要求有一定扭转弹性的货车车架有重要意义。
车架铆接示意图
铆接设计注意事项:
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,将铆钉交错排列;
常见有三种型式:横梁和纵梁上下翼缘相连;横梁和纵梁的腹板相连;横梁同时和纵梁的任一翼缘以及腹板相连。
其中前后横梁分别采用上下翼缘相连接的方式,可得到较大的连接跨度和连接刚度,使车架扭转刚度增大,纵梁局部扭转改善。
第四横梁即车架中部的横梁采用腹板连接的方式,腹板连接结构与翼面连接结构相比,前者比后者可使纵梁的扭转翘曲应力降低。
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,缺点在于作用在纵梁上的力直接传到横梁上。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,因此不常采用。
第4章车架设计计算
汽车静止时,车架上只承受弹簧以上部分的载荷称为静载荷。汽车在行驶过程中,随行驶条件(车速和路面情况)的变化,车架将主要承受对称的垂直动载荷和斜对称的动载荷。
对称的垂直动载荷是当汽车在平坦道路上以较高车速行驶时产生的,其值取决于作用在车架上的静载荷及其在车架上的分布,还取决于静载荷作用处的垂直加速度之值。这种动载荷会使车架产生弯曲变形。当汽车在不平道路上行驶时,汽车的前后几个车轮可能不在同一平面上,从而使车架连同车身一起歪斜,其值取决于道路不平坦的程度以及车身、车架和悬架的刚度。这种动载荷将会使车架产生扭转变形。由于汽车的结构复杂,使用工况多变,除了上述两种主要载荷的作用外,汽车车架上还承受其他的一些载荷。如汽车加速或制动时会导致车架前后载荷的重新分配;汽车转向时,惯性力将使车架受到侧向力的作用。一般来说,车架主要损坏的疲劳裂纹起源于纵梁和横梁边缘处,然后向垂直于边缘的方向扩展。在纵梁上的裂纹将迅速发展乃至全部断裂,而横梁上出现的裂纹则往往不再继续发展或扩展得很缓慢。根据统计资料可知,车架的使用寿命主要取决于纵梁抗疲劳损伤的强度。因此,在评价车架的载荷性能时,主要应着眼于纵梁。
要计算车架纵梁的弯矩,先计算车架前支座反作用力,向后轮中心支座处求矩
F1——前轮中心支座对任一纵梁(左纵梁或右纵梁)的反作用力N;
F2——后轮中心支座对任一纵梁(左纵梁或右纵梁)的反作用力N;
L——纵梁的总长,7215mm;
l——汽车轴距,4560mm;
a——前悬,1080mm;
b——后悬,2355mm;
c——货厢长,6180mm;
c1——车厢前端到二轴的距离,4120mm;
c2——车厢后端到二轴的距离,2060mm;