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第3章车架、车轮制造工艺12333.1汽车车架结构及材料3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺3.3车轮制造工艺返回3.1汽车车架结构及材料1.车架的功用车架俗称“大梁冶,它是汽车的装配基础,汽车发动机、变速器、传动轴、前后桥和车身等绝大多数零部件和总成都要安装在车架上。2.车架类型和构造车架类型主要包括:边梁式车架、中梁式车架、组(综)合式车架和无梁式车架等。目前汽车上多数采用边梁式车架和无梁式车架。下面分别予以介绍和讨论。(1)边梁式车架边梁式车架结构如图3-1所示,它是由两根纵梁和若干根横梁构成的平行式结构。纵梁和横梁之间常用铆接方法连接。下一页返回3.1汽车车架结构及材料图3-2所示为常见各类汽车车架结构形式。图3-2(a)和图3-2(b)所示为前窄后宽纵梁;图3-2(c)~图3-2(e)四例为纵梁上下平行式结构和弯曲式结构。(2)中梁式车架如图3-4所示,中梁式车架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。(3)组(综)合式车架如图3-5所示,组合式车架由边梁式和中梁式车架组合构成,亦称为综合式车架。车架前段或后段是边梁式结构,用以后驱动桥;而安装发动机或车架中段是中梁式结构,其悬伸出来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。上一页下一页返回3.1汽车车架结构及材料(4)无梁式车架如图3-6所示,无梁式车架即用车身兼做车架。汽车所有零部件、总成都安装在车身上,载荷也由车身来承受,故称为无梁式车架或承载式车身。其特点是:车身底板用纵梁和横梁加固,车身刚度较好、质量较轻,但制造要求高。目前其广泛用于轿车和客车。(5)带X型横梁的梯形车架如图3-7所示,为隔离发动机的震动和噪声,提高汽车舒适性,在发动机与车架之间采用了橡胶软垫,以取代原刚性连接。3.车架成形对材料的要求上一页下一页返回3.1汽车车架结构及材料汽车车架常用厚钢板冲压、铆接或焊接成形。首先冲压,然后采用铆接或焊接而连接成各种不同规格的梁结构。各类车架冲压件,包括冲裁件、弯曲件、拉延件、成形件和冷挤压件等,对材料的性能要求参见表3-1。上一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺3.2.1车架钢板材料汽车大梁不但要承受较大的静载荷,而且还要承受一定的冲击、震动等,因此,要求钢板强度好、耐疲劳、具有良好的冲压性能和冷弯性能。3.2.2车架(厚板)冲裁工艺要点1.落料须一次性完成,并能保证轮廓尺寸能够在后续弯曲、成形工序中准确到位。也就是说,不可能在弯曲、成形后再通过修边去获得合格的轮廓尺寸。因为毛坯是厚板,一般厚度为5~10mm,不能像薄板冲压一样最后进行修边工序。为了能够保证车架厚板零件在整个冲压过程中的轮廓尺寸准确,技术上需要对零件展开尺寸进行计算与试验相结合的方法来确定。下一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺2.毛坯在冲制多孔时,应采用阶梯凸模分布,使之刃口高度不等。在安排弯曲等成形工序时,需要将落料坯件的轮廓小端面置于凸模一侧,将其轮廓大端面置于凹模一侧,如图3-8所示。理由是,前者考虑是在保证压力机一次行程中实现分组冲孔,以减小压力机瞬时负荷,尽力避免凸模折断;后者考虑是落料坯件断面上曾产生较大的不规则塌角,避免在弯曲时于塌角处形成裂纹。3.凹、凸模等工作零件采用镶块结构,便于模具制造与维修。凹、凸模镶块应用冷作模具钢Cr12、Cr12MoV等制成,要求淬火+低温回火后硬度保持在56~60HRC。为降低冲裁力,可采用波浪式刃口,模架应导向性好、刚性大。4.冲裁凹、凸模合理间隙的选取上一页下一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺合理选择凹、凸模间隙对保证冲裁质量至关重要。落料时,凹、凸模间的间隙一般取(0.08~0.12)t(板厚);冲孔时,凹、凸模间隙取(0.05~0.08)t。3.2.3车架厚板件弯曲成形工艺1.最小相对弯曲半径R/t不能太小车架厚板件弯曲时,其最小相对弯曲半径R/t对产品质量影响较大,不能太小。2.U形长弯曲件的长度方向易出现附加弯曲变形当将纵向长度很长(5~10m)的汽车纵梁弯曲成U形断面时,因厚板圆角处强制弯曲,内层受压缩,会使得靠近弯曲凸模的圆角处的内层产生多余的金属堆积(如图3-9中I部所示)。上一页下一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺当压机上滑块回程卸去模内载荷后,这些多余的受压缩金属只能沿长度方向上扩散并释放,故导致弯曲件在长度方向上产生翘曲,形成弦高达15~20mm的附加变形。这些附加变形一般都是利用“反变形原理冶将凹模沿长度方向下凹、凸模沿长度方向上凸起来防止纵向回弹(拱曲)的。3.2.4车架纵梁冲压成形方案工艺孔一般是为工件在后续工序中的模具内定位用的。腹板孔和翼板孔是装配孔。纵梁冲压工艺中值得注意的问题。(1)落料车架纵梁长度长,板料厚,强度高,变形抗力大。比如EQ1090和CA1091汽车纵梁采用16MnL大梁钢,板厚6mm。上一页下一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺如果采用落料-冲孔复合模和模具刃口等高计算,则所需总的冲裁力约为90000kN。目前世界上还没有这样大吨位的压力机。(2)冲孔为降低冲孔力和防止冲孔凸模折断,应将所有一次冲制的冲头分成3种或4种高度,每种高度差为(2/3~1)t(板厚)。其中直径较大的冲头长度较长;直径较小的冲头较短,如图3-10所示。这样可避免因退料力不均而发生小冲头折断的情况发生。(3)纵梁压弯工艺1.为保证两翼面上孔的对称性、准确性和弯曲高度的一致性,在弯曲成形时应注意导正销的数量和位置要求。对于长度为4~5.5m的纵梁,应在腹板上布置5~6个导正销孔。对于6~8m长的纵梁应布置6~8个导正销孔。上一页下一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺2.纵梁弯曲成形后,不能有任何撕裂或裂纹。3.纵向回弹(拱曲)的防止。纵梁的弯曲属于厚料宽板弯曲,且相对弯曲半径较小,弯曲成形时要注意防止回弹与裂纹。防止纵向回弹(拱曲)的措施可以利用“反变形原理冶,将凹模沿长度方向下凹、凸模沿长度方向凸起。图3-11所示为通过纵梁弯曲模具的反变形设计来防止纵向回弹(拱曲)的实施措施。3.2.5车架横梁冲压成形方案商用车车架上一般有5~11根横梁,根据用途不同,其结构各不相同。不同用途的汽车横梁其结构形式变化较大。目前,汽车车架上使用的横梁通常以槽形式和鳄鱼口式居多,如图3-12所示。上一页下一页返回3.2车架零件的冲压及车架总成制造工艺槽形式横梁弯曲刚度和强度都较大,便于制造。鳄鱼口式横梁具有较大的连接宽度,截面高度较低,可以加大下部空间。车架横梁一般都是冲压成形。形状较复杂的厚板(3.5~5mm)横梁成形,在选用钢板质量上不但要满足高强度的要求,而且要满足冲压成形性要求。目前国内多选用16MnL、10Ti、08Ti等材料。上一页返回3.3车轮制造工艺3.3.1汽车车轮结构概况车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转组件,一般由轮毂、轮辐和轮辋组成。轮毂通过圆锥滚子轴承套装在车桥(或半轴套管)或转向节轴颈上。轮辋也叫钢圈,用以安装轮胎,与轮胎共同承受作用在车轮上的负荷,并散发高速行驶时轮胎上产生的热量及保证车轮具有合适的断面宽度和横向刚度。图3-13所示为车轮断面与轮胎的装配关系。从图3-14中可见,车轮结构中,轮辐将轮辋与轮毂连接起来。轮辋与轮辐可以是整体的(不可拆式),也可以是可拆式的。车轮按轮辐构造可分为辐板式和辐条式两种。3.3.2汽车车轮按材质分类下一页返回3.3车轮制造工艺汽车车轮材料一般采用两种,即由钢板或铝合金制造,两者占95%的市场份额。1.型钢(钢制)车轮1.型钢(钢制)车轮图3-15所示为商务车所用的一种型钢(钢制)车轮。型钢车轮在汽车车轮使用中曾长期占据主导地位。型钢车轮成本低,安全性比铝合金车轮更具优势,故大部分载重汽车仍然使用型钢车轮。但自20世纪80年代起,型钢车轮市场份额逐步减小,并逐渐被铝合金所替代。型钢车轮份额快速下跌的原因有多方面的因素,首先,钢板加工成形性能和制造工艺难以做到铝合金车轮那样的结构和外形多样化,且外观吸引力也是主要的原因之一。同时,型钢车轮质量大,制造和使用上所消耗的能量比铝制车轮大得多。上一页下一页返回3.3车轮制造工艺2.铝合金车轮铝合金车轮在轿车上使用率已高达90%以上。图3-16所示为两种铝合金车轮示例。3.镁合金车轮镁在实用金属中密度最小,能减轻整车质量、减少油耗,其比强度高于铝合金和钢,刚度接近铝合金和钢,能够承受一定的负荷。3.3.3型钢车轮结构与选材型钢车轮主要有两种结构形式:一种是由型钢轮辋制造的车轮,主要用于商务车;另一种是由钢板直接滚压成形,多用于轿车、面包车等乘用车的车轮。1.型钢车轮结构上一页下一页返回3.3车轮制造工艺目前国内外汽车车轮大量采用两件式和三件式的车轮结构,如图3-17所示。其中车轮轮辋、挡圈、锁圈的生产均直接采用钢厂轧制的专用异型材料,而轮辐则用厚钢板冲压成形。2.滚型车轮结构轮辋用钢板经滚压加工成形的车轮称为滚型车轮,如图3-18所示。3.型钢车轮选材要求型钢车轮的车轮结构与使用性能要求高,制造中材料形变复杂,又要适应于大批量流水生产,工艺性能要求较为严格。因此,对型钢车轮的材料提出了如下要求:上一页下一页返回3.3车轮制造工艺3.3.4型钢车轮制造工艺从前面图3-13与图3-15所示都可以看出,型钢车轮的轮辋、挡圈是异形断面,均采用由钢厂直接供应的型材进行弯曲成形;而轮辐成形工艺则截然不同,它是用热轧钢板实施冲压成形。图3-19所示为型钢车轮轮辐的冲压(落料)现场。1.型钢轮辋成形工艺中、重型商用车的轮辋制造工艺流程原则上由15道工序完成。型钢轮辋成形工艺流程如图3-20所示。(1)卷圆上一页下一页返回3.3车轮制造工艺轮辋坯料的异型断面如图3-21所示,其各段的厚度、刚度与形状均不相同。其中A段为轮辋凸缘部分,类似角钢结构,主要承受汽车行驶中轮胎侧向压力形成的循环载荷,卷圆时此段形成最困难。B段是轮辋的直线腰部,可视为平板卷圆,容易成形;C段为挡圈槽部分,承受弯矩较大且各处厚度不同,此段成形也较困难。(2)轮辋卷圆设备轮辋卷圆通常在非对称排列的四轴专用卷圆机上进行。卷圆机辊轴的运动组合如图3-22所示。卷圆时,顶和底辊的作用力使轮辋坯料产生弯曲塑性变形,其变形特点是回转、连续和局部成形,最终达到轮辋卷圆。从动辊通常设计成锥形,用以控制轮辋卷圆后的开口大小和纵向错口。上一页下一页返回3.3车轮制造工艺(3)轮辋整形(初压、扩胀与精压)由于轮辋采用锥辊导向卷圆,故经卷圆后所得到的轮辋也形成锥体,因此需要对卷圆后的轮辋进行整形,将锥体变成近似圆筒。其次进行轮辋扩胀。轮辋扩胀是轮辋整形的关键,通过选择合适的扩张模来完成,如图图3-23(a)所示,使材料发生合理塑性变形。最后经过轮辋整体精压缩,使轮辋达到最终尺寸并使其圆度、径向与轮辋内外两侧的侧向跳动均达到技术要求。所用的模具结构如图3-23(b)所示。上一页下一页返回3.3车轮制造工艺2.冲压轮辐的制造工艺轮辐是车轮总成中的重要构件,它与车轮总成联成一体传递转矩。冲压轮辐由厚钢板冲压成形,主要工序是落料、多次冲孔和形状修整等。冲压轮辐钢板厚度达t=8~14mm,所需冲裁力较大,冲孔时需采用8000kN以上的压力机,模具工作零件(凸、凹模或复合工序中用到的凸、凹模)应尽可能采用波浪形刃口。轮辐冲孔落料级进模的结构如图3-24所示。上一页下一页返回3.3车轮制造工艺3.等强度旋压轮辐的工艺流程等强度旋压轮辐是指将板料通过强力旋压,在成形的同时还将改变轮辐壁厚,减小轮辐受力最小部位的厚度,以获得等强度结构的加工工艺。该工艺既能节省材料并简化工艺,又能使轮辐具有最佳力学性能。等强度旋压轮辐的工艺流程如下:如图3-25所示,将具有中心孔(一般为准100mm)的等厚轮辐坯料放在芯模前,让左边尾顶右向