车架设计手册1

ICS郑州宇通客车股分有限企业标准Q/ZKQ/ZK.JS04×××××—2005车架设计手册××××-××-××发布××××-××-××实施郑州宇通客车股分有限公司发布Q/ZK.JS04×××××—20051前言本标准由郑州宇通客车股份有限公司技术中心提出；本标准由郑州宇通客车股份有限公司技术中心批准；本标准由郑州宇通客车股份有限公司技术中心归口；本标准起草单位：郑州宇通客车股份有限公司技术中心；本标准主要起草人：许志强；本标准所代替标准的历次版本发布情况。Q/ZK.JS04×××××—20052车架设计手册1，范围本手册适用于客车底盘非承载式及半承载式车架的设计。2引用标准下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB1958-80形状和位置公差检测规定GB1184-80形状和位置公差GB3323-87钢熔化焊对接接头射线照相焊缝质量分级3符号、代号、术语及其定义车架：汽车承载的基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式（或半承载式）车身等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。纵梁：车架总成中主要承载元件，也是车架中最大的加工件，其形状应力求简单。纵梁沿全长方向多取平直且断面不变或少变，以简化工艺。有时也采取中间断面高、两边较低来保证纵梁各断面应力接近横梁：横梁将左右纵梁连在一起，构成完整的车架总成，保证车架有足够的扭转刚度，限制其变形和降低某些部位的应力。有的横梁还需作为发动机、散热器以及悬架系统的紧固点。4设计准则4.1应满足的安全、环保和其它法规要求及国际惯例车架总成在正常使用条件下，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。4.2应满足的功能要求及应达到的性能要求车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形量最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性和寿命，4.3设计输入、输出要求设计输入为设计任务书及底盘总布置图；设计输出为车架总成图及相关分总成及零件图。4.4设计过程的节点控制要求车架总成要负责控制校核如下内容：1）协调发动机及其附件在车架纵梁上的安装孔及牛腿安装孔；2）横梁位置与底盘分总成（油箱、电瓶）及车身结构（前、中、后门、侧围立柱）的匹配；3）协调制动管路、暖风管路、电线束、油路等管线在车架中的分布及穿线管；4）校核底盘各总成间的运动干涉，相关总成的装缷空间（如缓速器、传动轴）。5布置要求客车车架在设计过程中不但要考虑各总成零部件的合理布置以及其方便维修性、可靠性和工艺性,还要充分考虑最大限度地满足车身对底盘的特殊要求,如纵梁的结构、横梁和外支架(牛腿)的位置及Q/ZK.JS04×××××—20053连接方式、行李箱大小、地板高度和通道宽度、驾驶区及座椅布置、车门数量和位置等。对同样型号的客车底盘,不同的用户对车架的要求不尽相同,甚至有较大的差异。6结构设计要求6.1模块化设计要求1)由设计任务书及底盘总布置确定车架基本结构（三段式、直大梁1）和基本参数（轴距、前悬、后悬及前后纵梁开档、纵梁截面）；2）由动力总成中发动机布置确定纵梁上发动机悬置安装孔位置；由冷却系总成布置确定水箱牛腿及风扇牛腿安装位置；由进气系总成布置确定空滤器支架安装位置；由排气系总成确定消声器支架安装位置；由空调总成确定压缩机牛腿安装位置；3）由前、后悬架总成布置确定前、后悬钢板支架位置、减震器、缓冲块安装位置或空气弹簧支架安装位置、推力杆支架安装位置、稳定杆支架安装位置等；4）由转向系总成布置确定方向机安装位置、中间垂臂支架安装位置或角转向器支架安装位置；5）由车身总布置确定车架各牛腿安装位置；如上述几条中安装位置有干涉，则和相关设计人员勾通并协商统一解决。至此，车架基本框架就已完成，接下来就是车架各部分总成的细节设计2。注：1，本文不包括全承载式车身的全桁架结构车架注：2，制图时可先作出坐标网格线以方便作图6.2标准化结构、零部件6.2.1纵梁结构及强度设计纵梁的形状及断面如右图1示：纵梁受力极为复杂，设计时不仅应注意降低各种应力，改善其分布情况，还应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以应力，减小应力集中并避免失稳。而在其前、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：一、提高弯曲强度1，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）；2，将上、下翼缘加厚或在其上贴加强板；3，将受拉力翼缘适当加宽；二、提高局部扭转强度1，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；2，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；3，将悬置点布置在横梁的弯曲中心上；4，当偏心载荷较大且偏离横梁较远时，可采用K形梁，或将该段纵梁形成封闭断面；5，当偏心载荷较大且分散时，应采用封闭断面梁，横梁间距也应缩小；6，选用较大的断面；7，限制制造扭曲度，减小装配应力；三、提高整体扭转强度1，不使纵梁断面过大，在纵梁大断面处、横梁采用腹板连接；图1纵梁形状及断面Q/ZK.JS04×××××—200542，翼缘连接的横梁不宜间距太近；四、减小应力集中及疲劳敏感1，尽可能减小翼缘上的孔（特别是高应力区），严禁在翼缘上打大孔；2，注意外形的变化，避免出现波纹区或受拉严重变薄；3，注意加强端部的形状及连接，避免刚度突变；4，避免在槽形梁的翼缘边缘处施焊，尤忌短焊缝和“点”焊；5，必要时可采用铰孔或冲压边缘修磨，以提高某些薄弱部位的疲劳强度；五、减小失稳1，在受压翼缘和厚度的比值不宜过大（常在12左右）；2，在容易失稳处加焊撑板；3，在容易出现波纹处限制其平整度；六、局部强度加强1，采用较大的板厚；2，在集中力较大处将纵、横梁局部贴加强板，必要时再将加强板压成肋或翻边；3，加大支架紧固面尺寸，增多紧固件数量，并尽量使力作用点接近腹板的上、下侧。6.2.2横梁结构及强度设计在车架结构设计中，处理纵梁局部扭转的结构设计是最为重要的方面。其关键在于足够的横梁弯曲刚度、合理的连接设计，以及横梁在纵梁上的正确布置。横梁将左、右纵梁联接在一起构成一个完整的框架，以限制其变形和改善某些部位的应力，有的横梁还同时作为发动机、散热器、以及悬架系统等的紧固点，这些都是在结构设计中的主要依据。横梁断面形状及连接形式如下图示：图2横梁断面及连接形式Q/ZK.JS04×××××—200556.2.3后钢板弹簧前支架及副簧前支架结纵梁的局部扭转一、采用槽形横梁采用槽形横梁及大连接板（见图2a），使主簧支架通过纵梁和连接板紧固在一起。这种结构的优点是：a．连接板尺寸大，可以更加接近副簧支架，使其得到一定的支撑，同时亦可布置较多的紧固件，以提高连接强度；b．弹簧支架的载荷可通过连接板直接传到横梁上，连接板对纵梁腹板也有较大的加强作用；c．槽形截面弯曲刚度极大，可使纵梁扭角减至很小；d．由于两端有连接板加强，横梁可适当减薄；也有将槽形横梁的两端加宽而直接和纵梁上、下翼缘连接的（见图2c）,这样可以省去连接板，由于材料利用率的制约，连接宽度有限，容易出现紧固件损坏及横梁开裂等问题，往往不如上述结构可靠。但当不用副簧时，则较适用。这种结构的优点是结构简单、质量轻。为了折衷以上两个方案，可以槽形横梁的上下方各采用一个连接板（见图2b），或仅在其下方采用一个连接板。二、采鳄鱼式横梁鳄鱼式横梁通常由帽形截面在其两端加接头构成，如下图3示：（a）翼缘连接（b）腹板连接这种横梁的优点是：a．有较大的连接宽度，使主、副簧支架都可得到支撑；b．截面高度较低，可以让开下部空间，使某些汽车的传动轴自由穿过；c．可用矩形胚料直接压制；鳄鱼式横梁的不足之处是：其弯曲刚度不如槽形横梁大，车架扭转时纵梁的应力偏大。因此，有些车将翼缘连接改为腹板连接。鳄鱼式横梁也可由两个帽形截面组成封闭的箱形截面，其扭转刚度极大，弯曲刚度比上一种也大。三、采用圆管横梁通过法兰盘与弹簧支架及给纵梁连接在一起（见图2e），或直接穿过纵梁腹板和弹簧支架相连。这种结构的优点是：a．弹簧支架的扭转载荷可以直接传到横梁上；b．对纵梁的约束小，故在该节点处车架扭转应力较低；c．扭转刚度较大。这种横梁的不足之处是：横梁的弯曲刚度不如槽形横梁；其连接宽度较小，不利于对副簧支架的支撑（当不采用副簧时即无此问题）四、采用帽形截面横梁有些车上采用大截面帽形梁（见图2d）,可以得到较大的连接宽度和弯刚度，但用料较多，成本较高。6.2.4后钢板弹簧后支架及副长后支架对纵梁的扭转多采用槽形截面横梁，将两端加宽，直接和纵梁翼面相连（见图2c），由于后支架的受力支架，纵梁截面一般也比较小些。尤其当弹簧后端采用吊环结构时，两支架通常紧靠在一起，故使用中较少损坏。图3图3Q/ZK.JS04×××××—20056也有采用带连接板的槽形横梁的。6.2.5前簧前支架对纵梁的局部扭转在横梁设计和布置时，还需考虑发动机前悬置的设计情况。如悬置点支撑在横梁中部且较低时，采用“Z”形横梁较易实现（见图2f），如悬置点布置在左、右托架上，可优先考虑槽形横梁。6.2.6前簧后支架对纵梁的扭转由于空间限制，横梁必须有较大的弯度，这只有采用帽形截面才便于制造。但其两端和纵梁连接的部分一般要复杂一些，其形式较多，现列出几种车型所采用的结构，如图k~图n所示。此横梁的设计难点还在于如何处理好与发动机悬置的关系，有时还需处理好与驾驶室悬置的关系。这有赖于车型设计、有关专业设计与车架设计的良好配合。在有些车上把发动机悬置布置在横梁上，并使横梁与弹簧支架对正，驾驶室悬置则布置上悬臂极小的托架上，或布置在另一横梁上（如下图4示）。从纵梁局部扭转看，这的确是比较好的结构方案，但往往难以实现。发动机悬置和弹簧支架错开一定距离的情况，仍不少见。图4发动机及驾驶室悬置横梁由于发动机尺寸过大或方便维修的需要，有时该处不设置横梁，而另将该段纵梁部分形成封闭截面，或在其后部采用“K”形横梁，将其沿纵梁向前延伸到弹簧支架处，并使该段纵梁形成封闭截面，以大大提高其抗扭能力。但在制造上是很麻烦的，在大量生产时较难接受。平衡悬架结构在这种情况下，纵梁局部扭转载荷极为集中，约为单轴上钢板弹簧一端载荷的4倍。故一般都采用由两根槽形梁组成的“工”字梁，并在其上、下面设置尺寸很大的连接板和纵梁翼缘连接。这样的结构，其垂直和水平方向的弯曲刚度及强度都很大，不仅可以有效的制约纵梁局部扭转，也为推力杆支架提供了可靠的支撑。但车架扭转时，该处的应力将大大提高。为此有些车上将翼缘连接改腹板连接（见图2g），或翼缘腹板综合连接。大连接板的采用使车架抵抗平行四边形变形的能力大为增强。螺旋弹簧独立悬架结构在这种情况下，纵梁局部扭转载荷也很大，为钢板弹簧一端载荷的2倍，故横梁截面也应很大。常为箱形（前悬架）、帽形、管形和“Z”形（后悬架）。其它常见结构除弹簧支架以外，纵梁其它部位的局部扭转载荷一般较小，横梁的弯曲刚度和连接刚度都可以小一些，常见的结构如图2h～图2j等。6.2.7设计要点车架受力复杂,纵梁和横梁截面形状和连接方式各式各样,要设计出结构合理、可靠实用的客车底盘车架,除通过理论计算和有限元分析外,还应注意以下几个方面:1)充分考虑各总成零部件的总布置要求,最大限度地满足车身对底盘的要求。2)大客车车架纵梁和横梁应尽量采用抗弯强度大的槽形截面16MnL汽车用大梁1,根据不同的要求和布置需要,截面尺寸可不尽相同。3)横梁与纵梁的连接结构是大客车车架设计考虑的重要方面,包括:①横梁与纵梁的上下翼面连接。该型式提高了纵梁的抗扭刚度,但易产生约束扭转,造成纵梁翼面出现较大的应力。由于客车车架与车身共同承载,因此可以采用。②横梁与纵梁的腹板连接。该型式连接刚度差,必须相应加强车架刚度,大客车车架不