浅谈重型汽车车架设计

浅谈重型汽车车架设计随着我国交通运输事业的迅猛发展，重型载重汽车在我国交通运输行业的使用日益普遍。重型载重汽车以其载重大，运输效能高，使用范围广而受到用户的喜爱。也正是因为如此，在重型载重汽车的设计中不能不考虑到用户的特殊使用要求，确保重型载重汽车在各种恶劣的使用条件之下保持可靠性及安全性。重型载重汽车的车架设计更要考虑到产品使用时的各种恶劣的状况，对其强度、刚度及可靠性方面设计精度要求更高。一、重型载重汽车车架综述1.车架的功用车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成一辆完整的汽车。同时，还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，及要承受各种静载荷和动载荷。2.对车架的要求(1)有足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏。要求有足够的疲劳强度，保证汽车大修里程内，不至于有严重的疲劳损伤。(2)有足够的弯曲强度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，固定在底盘上的各总成不至因为变形而早期损坏或失去正常的工作能力。通常重型载重汽车的最大弯曲挠度应小于10mm。(3)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的不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求具有合适的扭转刚度。通常要求底盘两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。(4)尽量减轻质量。由于底盘较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，底盘应该按照等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻底盘的质量。二、车架的结构形式车架的结构形式主要有边梁式、中梁式(又称脊梁式)和综合式等几种。边梁式车架便于安装车身和布置其它总成，有利于满足改装、变型和发展多品种的需要，在重型汽车上应广泛。三、车架宽度的确定车架的宽度是左、右纵梁腹板外侧面之间的宽度。车架前部宽度的最小值取决于发动机的外廓宽度，其最大值受到前轮转角的限制。车架后部宽度的最大值主要是根据车架外侧的轮胎和钢板弹簧片宽等尺寸来确定。为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度。为了简化制造工艺，要求最好车架前后等宽。通常为了解决总体布置和加宽车架的矛盾，采取以下措施:(1)将车架做成前窄后宽。可解决前轮转向所需的空间与车架总宽之间的矛盾。适合于轻型汽车、微型汽车和轿车。(2)将车架做成前宽后窄。对于重型载货汽车，后轴的负荷大，轮胎尺寸加大，后钢板弹簧片宽增加，同时为了安装外形尺寸大的发动机，常需减小前轮转向角，以使汽车的总宽在公路标准所限定的2.5m之内。四、车架纵梁形式的确定车架纵梁的结构一方面要保证车架的功能，另一方面要满足整车总体布置的要求，同时其形状应尽量简单，以简化其制造工艺。从纵梁的侧视图看，纵梁的形状可分为上翼面是平直的和弯曲的两种。当上翼面为平直时，可使车厢地板平整，纵梁制造方便，大多数载货汽车车架纵梁为这种形式。当上翼面弯曲时，纵梁部分区段降低，地板高度相应降低，改善整车的稳定性，且利于上、下车，其制造工艺复杂。纵梁的断面形状有槽型、工字型、箱型、管型和Z型。为使纵梁各断面处的应力接近，可改变梁的高度，使中部断面高、两端断面低。重型汽车车架纵梁多采用抗弯强度较大的槽形截面梁，由车架专用热轧的钢板冲压而成。槽型断面的纵梁有较好的抗弯强度，又便于安装各种汽车部件，故应用较为广泛，但此种断面的抗扭性能差。重型汽车车架纵梁一般为等截面的，但也有根据整车布置要求做成变截面的。由于重型汽车前部一般受力较小，因此变截面的车架纵梁主要是前小后大。改变截面的方式有两种：一种为槽形截面梁的翼面变小，一种为槽形截面梁的腹板变小。不管哪一种方式，都必须均匀过渡，以避免应力集中，通常高与宽的比值为2.8-3.5。前一种是为了方便布置发动机，后一种可在保证车架强度的前提下降低驾驶室的重心高度；前一种工艺简单，制作方便，后一种工艺较为复杂，但利于整车布置安装。五、车架横梁形式的确定及设计1.车架横梁形式的确定横梁的主要作用是联接左右两根纵梁，构成一完整的框架，保证车架有足够的扭转刚度。一般车架的刚度是两端大，中间小。（1）车架前部从车架前端到驾驶室后围这一段装有前悬架系统和转向系统，如因道路不平使车架产生较大的挠曲变形而影响转向，将使车辆发漂甚至完全失去控制，因此，这一段刚度过小对于操纵稳定性来说是极为不利的。大多数重型汽车的车架在这一段都布置了二至三根横梁。（2）车架后部包括后悬架在内的车架后部也必须做成大刚性的。这是因为后悬架对于汽车的舒适性和操纵稳定性的影响较大，必须采用后部牢固而刚性的车架结构才有助于诸如后轴的轴转向、侧倾的稳定性等问题的解决。因此，对4×2重型车大多在此段布置两根横梁，对6×4重型车大多在此段布置四根横梁。后横梁常设有拖曳装置，装有拖钩，一般将横梁做成K型结构，利用斜撑来减少横梁跨距，使之局部加强。（3）车架中部车架的前、后两段的刚性都较大，而大部分车架变形(包括弯曲和扭转)都集中在车架中部，所以该段必须具有一定挠性，以起到缓冲作用，同时也可避免应力集中，消除局部损坏现象。因此，大多数重型汽车的车架在这一段都布置了二至四根仅与车架纵梁腹板联接的横梁。同时，中部横梁通常用作传动轴的中间支承，为了保证传动轴有足够的跳动空间，常将横梁做成拱形。2.横梁的设计横梁以设计成直线形的效果最好，一般做成简单的直槽形。但有时为了提高横梁的刚度，横梁的断面可采用圆管或箱形断面。为了避让传动轴等部件横梁不能设计成直梁时，一般做成拱形，但弯曲处要尽量平缓过渡，以避免应力集中。3.纵梁与横梁的固定及联接横梁和纵梁的固定方法可分为铆接、焊接和螺栓连接等方式。大多数车架用搭铁板通过铆钉连接，铆钉连接成本低，刚度与铆钉的数目及分布有关。焊接可使连接牢固，不致产生松动，能保证大的刚度。但是有较大的内应力。螺栓连接为了使用于各种特殊使用条件的汽车车架上采用，以使装在车架上的某些部件可以拆卸或互换。六、车架加强板的布置方式根据车架应力分析可知，车架的应力有的部位为纵梁的下翼板应力大，有的部位为纵梁的上翼板应力大。但在布置车架加强板时却不能这样考虑，而应认为车架受交变载荷，同时加强上下翼板，使纵梁得到整体加强。如果仅根据车架纵梁不同部位上下翼板所受应力的大小进行分别加强，就会使车架纵梁上下翼板的强度不同，在实际使用中，强度较弱的一边翼板就容易开裂，造成车架的早期损坏。在设计车架加强板时，应特别注意车架局部区域的应力集中，主要是指加强板端头区域。为了降低应力集中，加强板的端头常采用以下三种设计方式总之，车架结构的设计要充分考虑到整车布置对车架的要求及企业的工艺制造能力，合理选择纵梁截面高度、横梁的结构形式、横梁与纵梁的联接方式，并根据车架的应力计算合理地布置车架加强板，使车架结构满足汽车使用要求，以达到较好的经济效益和社会效益。