微型客车车架设计.doc

中原工学院2011届毕业设计论文毕业设计论文题目名称： 微型客车车架设计 院系名称： 机 电 学 院 班 级： 车 辆 0 7 2 学 号： 200700374223 学生姓名： 史 晓 艇 指导教师： 朱从云 禹文涛 2011年05月摘 要本设计课题是关于微型客车的车架设计。所设计的车架结构形式是前后等宽的边梁式车架，其中纵梁的截面形状采用矩形，横梁采用中空圆形。纵梁与横梁通过焊接连接。本说明书涉及了现阶段微型客车技术的发展趋势，以及国内外微型客车车架的发展状况；说明书还详细阐明了微型客车的方案论证：车架的设计要求、车架结构的确定、车架宽度的确定、车架纵梁形式的确定、车架横梁形式的确定、车架纵梁与横梁连接形式的确定、车架的受载分析以及车架的强度计算。在计算时把车架简化成为一个位于支座上的静定结构，然后，用材料力学的知识对本车架进行强度计算，并且在满足应力要求的条件下，确定车架纵梁的断面尺寸。关键词：微型客车、车架、建模、设计AbstractThis design issue is about the frame of minibus.The frame structure designed is the side frame with the beam width, in which the shape of longitudinal is squareness and cross-section beams is roundness, Rails and beams are connected by weld .This paper involves in lately the technology development trend of minibus as well as the domestic and foreign minibus frame development; This paper also expose in detail the minibus with scheme demonstration ,the requirement of frame design,determination of frame structure、determination of frame width ,determination of stringer form ,determination of beams form,the connection form of beams ,analysis of load the frame suffers and the strength calculation .The frame will be simplified as a stable objective when calculating, and then calculate the strength with mechanics materials knowledge and determine the size of the frame rails with the precondition that it meets the requirement of stress.Key words: minibus,frame, modeling, design- 29-目录1 绪论11.1 课题背景11.2 微型客车技术的发展趋势21.3 车架的发展32 设计方案论证12.1 参考车型以及参数12.2 车架设计的技术要求12.3 车架的轻量化22.4 车架结构的确定23 车架的设计73.1 车架结构形式的设计73.2 车架的受载分析103.3 弯曲强度计算时的基本假设113.4 纵梁的弯矩和剪力的计算114 车架的实体建模174.1 纵梁的建模174.2 后钢板弹簧支撑块的建模184.3 保险杠、元宝梁的建模194.4 其他横梁的建模214.5 车架的装配225 车架的制造工艺245.1 纵梁245.2 横梁245.3 车架的焊接工艺255.4 涂装工艺25致 谢27参考文献271 绪论1.1 课题背景车架作为汽车的承载基体，为货车、中型及以下的客车、中高级和高级轿车所采用，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱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。为此，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变形最小。汽车车架是整个汽车的基体，是将汽车的主要总成和部件连接成汽车整体的金属构架，对于这种金属构架式车架，生产厂家在生产设计时应考虑结构合理，生产工艺规范，要采取一切切实可行的措施消除工艺缺陷，保证它在各种复杂的受力情况下不至于被破坏。总体来说，采用车架与无车架结构相比有以下优点：（1）来自动力-传动系统和路面引起的振动与噪声可通过车架与车身间的橡胶垫减震，使之不易传到车身上和车厢内；（2）便于车身的变型和改装，亦可采用塑料和玻璃钢车身以及铝车身；（3）汽车底盘和车身可分别装配。采用车架的汽车，其高度及质量都会增大，也需要有大型压力机制造，这是其缺点。车架受力状态极为复杂。汽车静止时，它在悬架系统的支撑下，承受着汽车各部件及载荷的重力，引起纵梁的弯曲和偏心扭转（局部扭转）。如汽车所处的路面不平，车架还将呈现整体扭转。汽车行驶时，载荷和汽车各部件的自身质量及其工作载荷（如驱动力、制动力和转向力等）将使车架各部件承受着不同方向、不同程度和随机变化的动载荷，车架的弯曲、偏心扭转和整体扭转将更严重，同时还会出现侧弯、菱形倾向，以及各种弯曲和扭转振动。同时，有些装置件还可能使车架产生较大的装置载荷。随着计算机技术的发展，在产品开发阶段，对车架静应力、刚度、振动模态以至动应力和碰撞安全等已可进行有限元分析，对其轻量化、使用寿命，以及振动和噪声特性也可以做出初步判断，为缩短产品开发周期创造了有利条件。1.2 微型客车技术的发展趋势微型客车因其低价位和家用、营运的多用途性，深受消费者喜爱。2005年微型客车市场在继续前几年平稳发展的同时，受环保节能法规变严和市场竞争的驱动，在品种、规格、质量及技术上均有所突破。产品技术现状：1、发动机微型客车发动机的发展水平直接关系到微型客车的发展。从2003年7月1日起，排放必须达到国标准，汽车发动机全面走向电喷化。2006年1月1日，北京提前实施国 标准，各汽车企业现已开始对发动机进行国标准匹配工作。由于国标准的要求较国标准不仅排放限值加严，其工况等的要求也更严格，因此采用区别于国标准的新闭环电子控制系统和三效催化转化器来使汽车尾气达标，同时油品的质量也需提高，以保证汽车的环保性能达标。2、安全性安全永远是汽车技术发展的焦点。为降低汽车碰撞发生时对乘员的伤害，设计人员对微型客车的车身结构、转向机构、安全带等进行改进，同时安全气囊、ABS等装备的使用大大提高了安全性。3、车身结构由于正面碰撞法规的实施，使车身结构的优化设计越来越受到重视。现在的微型客车多数采用CAE高刚性安全车体，配合半长车头设计，一改传统微型客车车身单薄的设计风格，符合国家正面碰撞和尾门碰撞法规要求。独特的加强大梁伸入前保险杠设计有效地吸收碰撞能量，车架大都采用成熟车型典型的大梁断面结构，采用横梁与纵梁的合理布局，使纵梁前部分吸收能量的能力增强。且大多微型客车上采用的四门防撞钢梁，用来增强抵抗正面、侧面碰撞能力，同时也保证汽车受侧撞时，将力传递到A、B柱。另外，双盒形的风窗立柱确保乘员有足够的生存空间，增加的门槛加强件组件增强了车体侧下部的刚性等，使车体侧部的安全性明显提高。4、制动系统鼓式制动由于接触面积小、制动效果弱，而逐渐被盘式替代，现在微型客车普遍由前鼓后鼓式变为前盘后鼓式且间隙自调，制动性能更可靠。但汽车产业的技术竞争已演变为汽车电子技术的竞争，电子技术的发展也渗透到制动系统，在新一代微型客车上已开始选配ABS系统使微型客车安全行驶得到进一步提高。5、舒适性能舒适性能是消费者选购微型客车的主要因素。现在的微型客车在降低车外噪声的同时，车内噪声也得到减弱，改善了驾乘环境。车内座椅变化组合设计更能够按车主的不同需求轻松调整出多种承载空间，从而营造出比传统微型客车大40%的车内空间，乘坐人数也可以灵活控制在58人不等。而微型客车现也可选装后装饰杠、铝轮辋、双蒸空调或顶置空调，第二排可选装2座式或3座式座椅等。发展趋势：1、微型车企业将加快国际化进程随着国内各微型车厂家产能的扩张，竞争的加剧，各微型车厂将目标市场转向了国际市场。目前在国外市场出口第三世界国家的微型车量也会有较大增长空间，比如东风渝安去年出口量大约占到总量的15%，今年占到20%（生产10万辆，出口2万辆），预计随着企业的发展，出口所占比例将进一步加大。2、新能源微型汽车即将得到发展随着国际油价的持续走高和环保要求的升级，新能源微型车以其低能耗，低污染越来越受到厂家的青睐。目前长安公司已经开发出天然气微型车，相信在不久的将来，氢能源微型车、电动微型车等其他新能源车将会陆续出现。3、整车性能进一步提升（1）安全性。目前市面上微型车几乎都没有配安全气囊，制动形式大多数为前盘后鼓式。随着国家对乘用车安全性能要求的提高，微型车的安全性将大大提高，安全气囊、前后盘式制动、ABS和EBD（电子制动力分配系统）等系统将会在微型车上体现。（2）动力性。目前微型车发动机功率在38KW-65KW，最高车速一般为100-120Km/h，随着城乡道路的发展以及发动机性能的提升，微型车的最高车速将会达到140Km/h左右。（3）舒适性。随着人们生活水平的提高，对微型车的舒适性要求更高，如真皮座椅、自动空调、中央门锁、电动门窗、CD和天窗等装备将会应用到微型车上。1.3 车架的发展1.3.1 国外汽车车架的发展“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，因此车体与车架其实是属于两个独立的构造。这种设计的最大好处，在于轻量化与刚性得以同时兼顾，因此受到了不少跑车制造商的青睐，早期的法拉利与兰博基尼都是采用的这种设计。由于钢骨设计的车架必须通过许多接点来连结主梁和副梁，加之笼状构造也无法腾出较大的空间，因此除了制造上比较复杂、不利于大量生产之外，也不适合用在强调空间的四门房车上。随后单体结构的车架在车坛上成为主流，笼状的钢骨车架也逐渐改由这种将车体与车架合二为一的单体车架所取代，这种单体车架一般以“底盘”称之，也就是衍生自英文的“Platform”。关于单体车架(Monocoque)：简单的说就是将引擎室、车厢以及行李厢三个空间合而为一，这样的好处除了便于大量生产，模组化的运用也是其中主要的考虑。通过采取模组化生产的共用策略，车厂可以将同一具车架分别使用在数种不同的车款上，这样也可节省不少研发经费。除了有利于共用，车体车架也可以通过材料的不同来发挥轻量化的特性，例如本田NSX所使用的铝合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纤维材料等。铝合金是80年代末期相当热门的一种工业材料，虽然重量比铁轻，但是强度却较差，因此如果要用铝合金制成单体车架，虽然在重量上比起铁制车架更占优势，但是强度却无法达到和铁制车架同样的水准。除非增加更多的铝合金材料，利用更多的用量来弥补强度上的不足。不过这样一来，重量必然会相对增加，而原本出于轻量化考量而采用铝合金材料的动机，当然也就失去了意义。也正因为这个原因，铝合金车架在车坛上并未成为主流，少数高性能跑车或是使用了强度更高的碳纤维，或是用碳纤维结合蜂巢状夹层铝合金的复合材料取代了铝合金。但是要用碳纤维制成单体车架，在制作上相当复杂且费时，成本也相对更高，所以至今仍无法普及到一般市售车上，而仅有少数售价高昂的跑车使用。尽管铝合金车架鲜有车厂使用，不过用钢铁车架搭配铝合金钣件的方式，近年来却受到不少车厂的重视，这样的结构不仅可以保留车架本身的强度，同时也可以通过钣件的铝合金化来取得轻量化效果，在研发成本上自然也不像碳纤维制的单体车架那样昂贵。欧美从90年代开始逐渐提高了撞击事故的安全防护标准，这也是凸现出车架刚性重要的另一原因。许多车厂为了在撞击事故发生时能够确保车内乘员的安全，惟有针对车架以及车体进行全面强化，这也使得除了车架以外的强度有所改善，包括钣件厚度的改变以及各种辅助梁的增设也成为各厂惯用的手法。不过在这样的情况下，伴随而来的是车重相对增加，这也正是欧美日许多市售车的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。关于刚性的确保，大多数车厂在新车的设计阶段，都是利用电脑计算出车架的刚性需求，并以此作为设计依据。有些车厂在用电脑完成设计雏形后，还会再由专业的试车人员进行实际测试。1.3.2 国内汽车车架的发展中国第一汽车集团凌源汽车制造有限公司汽车车架U型槽合数控冲孔生产线竞标成功。汽车车架U型槽合数控冲孔生产线是中国第一汽车集团继两年前成功设计制造了合肥江淮汽车厂汽车纵梁数控平板冲孔生产线的基础上，在汽车纵梁数控冲孔方面的又一标志性成果，填补了国内设计制造汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的空白。汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的设计制造成功，在汽车制造行业具有划时代的意义，标志着中国在汽车车架数控冲孔加工的生产设备方面达到了国际先进水平，降低了汽车制造行业购置汽车车架数控冲孔生产线的巨大费用，积极推动了中国汽车制造业的飞速发展，为中国汽车制造业早日与国际接轨奠定了基础。我国的车架企业基本拥有剪切、冲压、焊接、铆接、油漆、机加工六大工艺能力和完善的检测手段、研究设计中心，具有16吨至3000吨的冷冲压能力，具备了开发、设计、生产各种类型车架的能力。2 设计方案论证2.1 参考车型以及参数参考车型：长安之星S460 SC6408 A1K标准型。相关参数如下：发动机型号：JL474Q 发动机功率：60KW发动机排量：1298ML 发动机类型：汽油发动机外形尺寸（长宽高）：399517101910前轮距：1425mm 后轮距：1435mm轴距：2605mm 轴数：2整备质量：1100KG 额定载重：455KG前悬：497mm 后悬：598mm2.2 车架设计的技术要求为了使车架具有以上的功能，通常对设计的车架有以下要求：2.2.1 足够的强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；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。（3.1）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。（3.2）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。（3.3）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。2.3 车架的轻量化由于车架较重，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。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。2.4 车架结构的确定2.4.1 车架类型的选择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，车架也会想相应受到冲击载荷。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。车架是按其结构型式的不同来分类的，其主要结构型式有框式、脊梁式和综合式。其中框式又可分为边梁式、周边式和X型。（1）边梁式车架这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干根横梁组成。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。用于轿车的边梁式车架，为了降低地板高度，可局部地减少纵梁的断面高度并相应地加大其宽度，但这使纵梁的制造工艺复杂化且其车身地板仍比采用其他车架时为高，当然地板上的传动轴通道鼓包也就不大了。用于载货汽车的边梁式车架（图2-1），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。 图 2-1 边梁式车架（2）周边式车架这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门槛梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。其结构形状容许缓冲臂有一定的弹性变形，可以吸收来自不平路面的冲击和降低车内噪声。此外，车架中部加宽既有利于提高汽车的横向稳定性，又可以减短了车架纵梁外侧装置件的悬伸长度。在前后纵梁处向上弯曲以让出前后独立悬架或非断开式后桥的运动空间。采用这种车架时车身地板上的传动轴通道所形成的鼓包不大，但门槛较宽。这种车架结构复杂，一般在中、高级轿车上采用。图 2-2周边式车架（3）X型车架这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将扭矩转变为弯矩，对短而宽的车架，这种效果最明显。车架中部为位于汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。前端的叉形梁用于支撑动力、传动总成，而后端则用于安装后桥。传动轴经中部管梁通向后方。中部管梁的扭转刚度大。前后叉形边梁由一些横梁相连，后者还用于加强前、后悬架的支撑。管梁部分位于后座乘客的脚下位置且在车宽的中间，因此不妨碍在其两侧的车身地板的降低，但地板中间会有较大的纵向鼓包。门槛的宽度不大，虽然从被动安全性考虑，要求门槛有足够的强度和刚度。一般只在轿车上采用。图 2-3 X形车架（4）脊梁式车架这种车架又称为中梁式车架（如图2-2所示），主要由一根位于中央且贯穿汽车全长的较粗纵梁和若干根悬伸拖架组成。中央纵梁可以是圆管状，也可以是箱形断面。管梁将动力传动系连成一体，传动轴从其中间通过，故采用这种结构时驱动桥必须是断开式的并与独立悬架相匹配。与其他类型的车架比较，其扭转刚度最大。容许车轮有较大的跳动空间，使汽车有较好的平顺性和通过性。车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘套作用。但这种车架的制造工艺复杂，精度要求高，维修不便，仅用于某些对平顺性、通过性要求较高的汽车上。在某些轿车和高越野性汽车上采用此种车架。图2-4 脊梁式车架（5）综合式车架这种车架的前、后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥；主减速器与脊梁相固定，该驱动桥应为断开式的且与独立悬架相匹配，中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过。它是边梁式和脊梁式两种型式的综合，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。图 2-5综合式车架由于设计的是微型客车车架，根据其特点选用边梁式车架。纵梁上、下表面为平直，断面呈矩形，其结构简单，工作可靠，不仅能降低工人工作强度，而且其造价低廉，有良好的经济性，将广泛地用于各种载货汽车、客车上。选取的方案的优点：边梁式车架由两根纵梁的若干根横梁组成，该结构便于安装车厢和其它总成，被广泛用在载重货车、特种车和大客车上。小结：通过选定参考车型，明确车架设计的技术要求，选定车架的具体结构形式，为后面的车架结构的设计，车架的强度计算等提供了方向和依据。3 车架的设计车架是一个复杂的薄壁框架结构，其受力情况极为复杂。本设计包括了结构形式的设计：车架的宽度的确定，纵梁形式的确定，横梁形式的确定，横梁与纵梁连接形式的确定。在车架设计的初期阶段，可对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，以及来确定车架的断面尺寸。下面是设计和计算的方法和步骤。3.1 车架结构形式的设计3.1.1 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，其最大值受到前轮最大转角的限制。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确定。为了提高汽车的横向稳定性，希望增大车架的宽度。通常，车架的宽度根据汽车总体布置的参数来确定，整车宽度不得超过2.5m，故往往很难同时满足上述要求。为了解决总体布置与加宽车架的矛盾，车架的宽度设计可采取以下措施：鉴于微型客车结构相对简单，车辆长度有限，故可以将其做成前后等宽的形式。3.1.2 车架纵梁形式的确定车架的纵梁结构，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。优点：结构简单，工艺性好；当上翼面为平直时，可使货厢底板平整，纵梁制造方便，大多数载货汽车车架纵梁都采用这种型式。当上翼面弯曲时，纵梁部分区段降低，地板高度相应降低，改善了整车的稳定性，且有利于上、下车，此种结构在轿车、微型汽车、公共汽车和部分轻型载货汽车上采用，其制造工艺复杂。纵梁上表面应尽量做成平直的，中部断面一般较大、两端较小，与所受弯矩相适应。也有全长或仅中部及后部为等断面的。根据整车布置要求，有时采用前端或后端或前后端均弯曲的纵梁。纵梁的断面形状有槽形、工字形、箱形、管形和Z形等几种（如下图3-1所示）。为了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。槽形断面的纵梁有较好的抗弯强度，工艺性好，紧固方便，又便于安装各种汽车部件，故采用得最为广泛，但此种断面的抗扭性能差。从降低车架纵梁抗弯应力方面考虑的话，增大槽形断面的高度最有利，但使汽车的质心高度增加。增大上、下翼面的宽度，也可以提高纵梁的抗弯强度，但其值的增加又受到发动机、传动系统部件布置的限制。因此需综合考虑上述因素的影响，通常取高与宽的比值为2.83.5。由于重型载货汽车的发动机外型尺寸大，后轴负荷大，为了使车架作成前、后等宽，有的车架纵梁就采用Z形断面，我国黄河牌载货汽车的车架就是采用此种断面。这种纵梁和横梁的连接结构复杂，燃油箱的安装也不方便。重型载货汽车和超重型载货汽车的车架纵梁一般多采用工字形截面的型材或焊接成的箱形结构。箱形断面梁抗扭强度大，多用于轿车和轻型越野车。超重型越野车及矿用自卸车的纵梁形式多用钣料焊接而成，常为箱形或工字形断面。采用封闭断面纵梁构成的车架，其抗弯刚度大，通常客车的车架也是采用此种断面。纵梁的长度一般接近汽车长度，其值约为1.41.7倍汽车轮距。 图3-1纵梁形式多品种生产时，常使不同轴距、不同装载质量的系列车型采用内高相同的槽形断面纵梁，通过变化钣料厚度或翼缘宽度获得不同强度。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矩形钢。纵梁纵梁总长为3700mm。优点：有较好的抗弯强度，便于安装汽车部件加工制造方便3.1.3 车架横梁形式的确定车架横梁将左、右纵梁连接在一起，构成一个框架，使车架有足够的抗弯刚度。汽车主要总成通过横梁来支承。微型客车的横梁一般有多根横梁组成，其结构和用途不完全一样。1、前横梁通常用来支承水箱。当发动机前支点安排在左右纵梁上时，可用较小圆管形型断面横梁。对于前部采用独立悬架的轿车，为了改善汽车的视野，希望汽车头部高度降低，固需要将水箱安装得低些，可将前横梁做成宽而下凹的形状。当发动机前支点和水箱相距很近时，前横梁常用来支承水箱和发动机前端，此时需采用断面大的横梁。2、中横梁通常用来作传动轴的中间支承。为了保证传动轴有足够的跳动空间，应将其结构做成上拱形，但考虑到微型客车的实际结构则无上拱形，在后钢板弹簧前、后支架附近所受到的力或转矩大，则要设置一根抗扭刚度大、连接宽度大的横梁。3、后横梁后横梁上常设有拖曳装置，装有拖钩，故将横梁做成K形结构，利用斜撑来减少横梁跨距，使之局部加强，但对于微型客车，则无此装置。本设计课题是关于微型客车车架结构设计，所以采用开口断面比较合适。参照长安之星的车架形式，一共采用大小共6根横梁，各根横梁的用途如下：第一根横梁用来支撑水箱第二根横梁即元宝梁，用来支撑发动机，其断面较大以使其具有足够的强度。第三根横梁位置为整车弯矩受力最大处，故其截面尺寸最大。第四、五根为后钢板弹簧支撑横梁。第六根横梁使车架组成封闭结构以增加强度和刚度。考虑到轻量化设计的要求，故各横梁采用中空管式，同时还能够保证强度的要求。3.1.4 车架纵梁与横梁连接型式的确定纵梁和横梁的连接方式对车架的受力有很大的影响。大致可分有以下几种：1、横梁和纵梁的腹板相连接这种连接型式制造工艺简单，连接刚度较差，但不会使纵梁出现大的应力，一般车架的中部横梁采用此种连接方式。2、横梁同时和纵梁的腹板及任一翼缘（上或下）相连接这种连接方式制造工艺不很复杂，连接刚度增强，故得到广泛应用。但后钢板弹簧托架上的力会通过纵梁传给后钢板弹簧的前横梁，使其承受较大载荷。因此在设计钢板弹簧托架时应尽可能减少悬架伸长度，使载荷作用点靠近纵梁弯曲中心。当偏心载荷较大时，可将该处纵梁作成局部闭口断面；也可将横梁穿过纵梁向外延伸，将载荷直接传给横梁。3、横梁同时和上、下翼缘相连接这种连接形式具有刚性较好的加强角撑，可产生良好的斜支撑作用，使整个车架的刚度增加，且其翼缘外边不致因受压而产生翘曲。车架两端的横梁常采用这种形式和纵梁相连接。但此种连接方式制造复杂，当转矩过大时，纵梁翼缘上会出现应力过大的现象，这是由于纵梁截面不能自由翘曲所致。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。这种方法成本低，适合大批量生产，其刚度与铆钉的数目及其分布有关。焊接能使其连接牢固，不致产生松动，能保证有大的刚度。但焊接容易变形并产生较大的内应力，故要求焊接质量要高，主要在小批量生产或修理时采用。螺栓连接主要在某些为了适用于各种特殊使用条件的汽车车架上采用，以使装在汽车车架上的某些部件易于拆卸或互换。但此种连接方式在长期使用时，容易松动，甚至发生严重事故。一般汽车车架横梁与纵梁的固定不采用此种方法。对于微型客车，横纵梁之间一般采用焊接，可以使连接牢固，同时由于微型客车车架长度较短，弯曲扭转变形较小故产生的内应力对车架的强度影响较小。3.2 车架的受载分析汽车的使用条件复杂，其受力情况十分复杂，因此车架上的载荷变化也很大，其承受的载荷大致可分为下面几类：1、静载荷车架所承受的静载荷是指汽车静止时，悬架弹簧以上部分的载荷。即为车架质量、车身质量、安装在车架的各总成与附属件的质量以及有效载荷（客车或货物的总质量）的总和。2、对称的垂直动载荷这种载荷是当汽车在平坦的道路上以较高车速行驶时产生的。其大小与垂直振动加速度有关，与作用在车架上的静载荷及其分布有关，路面的作用力使车架承受对称的垂直动载荷。这种动载使车架产生弯曲变形。3、斜对称的动载荷这种载荷是当汽车在崎岖不平的道路上行驶时产生的。此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同歪斜，其大小与道路不平的程度以及车身、车架和悬架的刚度有关。这种动载荷会使车架产生扭转变形。4、其它载荷汽车转弯行驶时，离心力将使车架受到侧向力的作用；汽车加速或制动时，惯性力会导致车架前后部载荷的重新分配；当一前轮正面撞在路面凸包上时，将使车架产生水平方向的剪力变形；安装在车架上的各总成（如发动机、转向摇臂及减振器等）工作时所产生的力；由于载荷作用线不通过纵梁截面的弯曲中心（如油箱、备胎和悬架等）而使纵梁产生附加的局部转矩。综上所述，汽车车架实际上是受到一定空间力系的作用，而车架纵梁与横梁的截面形状和连接点又是多种多样，更导致车架受载情况复杂化。3.3 弯曲强度计算时的基本假设为了便于弯曲强度的计算，对车架进行以下基本假设：一、因为车架结构是左右的对称的，左右纵梁的受力相差不大，故认为纵梁是支承在汽车前后轴的简支梁。二、空车时的簧载质量（包括车架自身的质量在内）均匀分布在左右二纵梁的全长上。其值可根据汽车底盘结构的统计数据大致估计，一般微型客车来说，簧载质量约为汽车自身质量的2/3。三、汽车的有效载荷均匀分布在车架全长上。四、所有作用力均通过截面的弯曲中心。实际上，纵梁的某些部位会由于安装外伸部件（如油箱、蓄电池等）而产生局部扭转，在设计时通常在此安置一根横梁，使得这种对纵梁的扭转变为对横梁的弯矩。故这种假定不会造成计算的明显误差。由于上述假设，使车架由一个静不定的平面框架结构，简化成为一个位于支座上的静定结构。3.4 纵梁的弯矩和剪力的计算3.4.1微型客车可以简化为以下均布载荷的梁（图3-2）：图3-2 简化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（如图3-2），可得 （3-1） （3-2）其中，为前轮中心支座对一根纵梁的前支撑反力；为后轮中心支座对一根纵梁的后支撑反力；纵梁的总长，3700mm；轴距，2605mm；车辆前端到前轴的距离，497mm；车辆后端到后轴的距离，598mm；空车时的簧上载荷，约7186.67N；满载时的有效载荷，4410N；载荷集度，1567.12N/M根据力的平衡方程可以求得B、C两点支反力：=2676.58N=3121.76N计算纵梁弯矩时将整车架划分为AB、BC、CD三个区间，则，（一）AB区间（ 单位 米 下同）某一点受的弯矩和剪力分别为：， （3-3） （3-4）（二）BC区间（）某一点受的弯矩和剪力分别为：， （3-5） （3-6）（三）CD区间（）某一点受的弯矩和剪力分别为：， （3-7） （3-8）计算得最大弯矩，根据以上式子画出梁的弯矩图和剪力图：图3-3 车架受力弯矩图图3-4 车架受力剪力图以上计算仅仅考虑了汽车静载的情况，实际上汽车行驶还会受到各种动载荷的作用。因此，汽车行驶时实际受到的最大弯矩Mdmax和最大剪力Fdmax为：；上式中Kd为动载系数，根据经验取Kd=2.0，则：3.4.2 车架材料的确定车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接性能。低碳和中碳低合金钢能满足这些要求。车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢08、09MnL、09MnREL等钢板制造；拉伸尺寸不大、形状又不复杂的冲压件采用强度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等钢板制造。强度更高的钢板在冷冲压时易开裂且冲压回弹较大，故不宜采用。轿车车架纵梁、横梁的钢板厚度约为3.04.0mm；货车根据其装载质量的不同，轻、中型货车冲压纵梁的钢板为5.07.0mm，重型货车冲压纵梁的钢板厚度约7.09.0mm。考虑到微型客车的设计，可以采用45钢制造车架，以兼顾经济性需求，其屈服极限。3.4.3 纵梁截面特性的选择车架纵梁和横梁截面系数W按材料力学的方法计算：矩形断面取h=60mm，b=40mm,厚度t=4mm时断面系数W为：，其中，为惯性矩计算得图3-5 纵梁截面3.4.4 弯曲应力计算与校核纵梁断面处的最大弯曲应力计算方法如下：材料的许用应力为：为45钢的屈服极限，n为安全系数由上两式可知即最大弯曲应力小于许用应力，符合要求。所以最终确定矩形截面尺寸h=60mm，b=40mm,t=4mm。根据经验：纵梁还须在弯矩大的区域布置加强板，加强板厚为4mm。3.4.5 临界弯曲应力计算和校核当纵梁受力变形时，翼缘可能会受力破裂，按照薄板原理进行校核，由于临界弯曲应力为：上式中：-材料的弹性模量，对于45钢：；-泊松比，对于45钢，；-纵梁断面的厚度；-纵梁槽型断面的翼缘宽度。带入计算得，取b=40mm,t=4mm4063.64因此车架满足临界弯曲应力的要求。小结：通过对车架结构的设计，包括纵梁的设计，加强梁的设计，横梁的设计，横梁与纵梁的连接设计，确定了车架的大体结构。为保证车架结构设计的科学性，合理性，对车架纵梁进行了弯矩和剪力的计算，以及校核，更进一步确定车架的材料和主要参数，从而使本设计更加完善和充实。4 车架的实体建模随着计算机技术在工业领域的广泛应用，使用三维制图软件进行各种设计与建模，已成为软件制图的主流。为顺应科学发展趋势，提高设计质量，缩短产品开发周期，同时，使设计更为直观，本章根据前面对车架结构形式的设计、车架弯矩和剪力的计算，以及纵梁断面参数的设计与校核等，对车架进行实体建模。本次设计使用PROE野火4.0进行三维设计，步骤如下。4.1 纵梁的建模考虑到微型客车纵梁的形状，为了设计方便，使用野火中扫描-伸出项的功能，首先在front面内草绘出需要扫略的线条，如图所示红色线条：图4-1 扫描曲线然后使用插入-扫描-伸出项功能选取需要扫略的线条，然后绘出扫描截面，如图：图4-2 扫描截面点击完成后就可生成第一根纵梁，如图所示：图4-3 完成模型然后使用镜像功能即可得到第二根纵梁：图4-4 纵梁4.2 后钢板弹簧支撑块的建模第一，在第二根纵梁外侧面相关位置处绘出支撑块的草图：图4-5 支撑块草图第二，使用拉伸命令对绘制出的草图进行拉伸操作：图4-6 拉伸操作另外一个类似，不再赘述。第三，使用镜像命令对刚刚做出的两个支撑块做镜像操作得到另外一个纵梁的支撑块。如图：图4-7 镜像操作4.3 保险杠、元宝梁的建模保险杠：首先绘出截面草图，然后对其进行拉伸操作即可得到：图4-8 截面草图图4-9 拉伸操作然后对截面进行拉伸操作。（注意此处使用以截面为中心对称拉伸，方便以后装配）。元宝梁：同纵梁一样采用扫描的方法，首先绘出扫略曲线：图4-10 扫描曲线草图然后绘出扫描截面,图4-11 扫描截面第三，完成扫描后即可得到元宝梁的模型，然后进行考虑到轻量化的设计要求，进行去材料的相关操作就得到完整的梁了，图4-12 完成的模型4.4 其他横梁的建模它们分别是第一横梁，第三横梁以及后钢板弹簧处的两根横梁，以及第六横梁。它们的建模方法比较简单，这里不再叙述，仅附图如下：图4-13 第一横梁第一横梁为水箱安装梁。图4-14第三横梁第三横梁位于纵梁受弯矩最大处，故对其强度要求较大，所以截面尺寸较大图4-15第四、五横梁此两根横梁结构尺寸相同，为钢板弹簧支撑梁。图4-16第六横梁第六根横梁使车架组成一个封闭的结构，可以提高整体强度和刚度。4.5 车架的装配在PROE中新建组件，然后把以上建好的模型一个个按照相关位置要求装配起来，具体做法不再叙述，最终车架装配如图所示：图4-17 车架装配图小结：车架的proe三维建模是一个相对复杂的过程，跟AUTOCAD的二维制图相比较具有较大的难度，车架的三维图能够更加直观地看出车架的实体构造，因此更加有利于设计者对车架进行优化设计。5 车架的制造工艺车架纵梁是车架总成的关键核心件,其质量水平不仅决定了车架的质量,也大大影响着整车的质量。为适应市场经济条件下的“多品种、少批量、多批次” 的生产方式,缩短新产品开发生产准备周期,提高生产效率,各制造商均积极探索研究和改造提升适应企业自身条件的车架纵梁制造技术。5.1 纵梁1、产品特征断面形式：等断面；长度形式：前面直线式，后端上翘式；料厚：纵梁4mm；纵梁长度：3700mm。2、生产设备机械压力机 ：3000、3500、4000、5000t；平面数控；中孔机、三面数控；中孔机、折弯机；采用模具生产和平面数控冲孔机模式的工艺，一般受产品结构、压床吨位(一般为3000、3500、4000、5000t)限制。不能采用强度过高的高强度钢板，即屈服强度在350-560N/mm以下的高强度钢板；纵梁的长度不易太长，应控制在10000mm左右。材料厚度与材料长度成反比，控制在8mm以下为好。采用辊压成形模式的工艺，在购买设备时就已将材料参数即屈服强度设定在350-700Nmm以下，可以选择屈服强度在700/mm以下的材料，长度不限，厚度控制在10mm以下。纵梁和纵梁加强板用材受设备、工艺模式、产品结构影响，材料强度级别范围也有所不同。一般来说开发纵梁和纵梁加强材料时应结合其工艺条件，从材料的使用范围入手，确定合理的高强度钢板强度开发范围，从而适用不同的工艺模式。还应研究高强度钢板回弹消除问题、可适用的焊接方式和匹配的焊条、对模具材料的强度要求、适用油漆方式等相关参数，从而提高材料的应用空间。5.2 横梁微型客车上横梁一般为4-6根，其用途和结构均有一定的差异。本次设计微型客车横梁均采用冷拔无缝钢管。其长度在500-520mm，厚度为4mm。5.3 车架的焊接工艺5.3.1 焊接技术要求（1）车架总成后关键尺寸公差要求：发动机托架、前悬上臂、前悬下臂后托架、保险杠、底层挡石板、后簧前支架等尺寸公差均为1.5mm。（2）总成后允许的变形量：车架总成后变形量应控制在0-1mm之内，但车架前左、前右或后左、后右应为同向偏差。（3）接头形式及焊缝质量要求：接头形式主要为对接接头盒T形角接头。焊缝与母材应圆滑过渡，焊缝及热影响区表面不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣及深度大于0.5mm的咬边等缺陷。5.3.2 焊接操作工艺采用CO2气体保护焊，焊前清除待焊部位及两侧各10-15mm范围内的油污、锈迹等杂质。保证。（1）对于对接焊缝采用直线移动法焊接，不摆动或稍微窄幅摆动，左焊法，单层单道焊，以保证焊缝高低宽窄一致。（2）对于角焊缝，由于焊角都小于5mm，采用单层单道直线移动法焊接，焊丝与水平板夹角为40-45，这样能避免产生咬边，焊缝下垂等缺陷。（3）对于长焊缝，为减小变形，应采用分段退焊，以减少热量的集中输入，减小变形。（4）保证装配质量，控制装配间隙在规定的范围内，尽量保证各零件之间贴合良好。5.4 涂装工艺提到汽车防腐，人们很自然会想到车身、车箱等外露冲压件。其实汽车的防腐是对整车而言，尤其是汽车的重要件和保安件，对不允许在寿命周期内出现腐蚀导致的性能下降和结构损坏。车架是商用车关键的总成之一，于它位于车下部，易受路面沙石冲击和各种使用环境介质侵蚀。车架是整