汽车车架设计指南

底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 1 目目 录录 第三章第三章 车架车架 1 1 车架车架的的主要主要功功能能 4848 2 2 车架的类型车架的类型 4848 2 1 主要类型 48 2 2 车架的主要结构件 49 3 3 车架的车架的功功能设计要求能设计要求 5353 4 4 车架的设计和计算车架的设计和计算 5353 4 1 车架的主要载荷 53 4 2 车架的主要设计内容 54 4 3 车架的设计计算举例 55 5 5 车架的工车架的工艺艺介绍介绍 5757 5 1 副车架的制造 57 5 2 总成检验 58 5 3 质量保证 58 5 4 生产技术新动向 58 6 6 车架常用材车架常用材料料的选择的选择 5959 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 2 第三章 车架 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 3 1 1 车架的主要功能车架的主要功能 车架是整个汽车的基体 汽车上绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置 的 如 发动机 传动系统 悬架 转向 驾驶室 货箱和有关操纵机构 车架的功 用是支撑连接汽车的各零部件 并承受来自车内外的各种载荷 是整改底盘的骨架 2 2 车架的类型车架的类型 2 1 主要类型主要类型 目前 汽车车架的结构形式基本上有三种 边梁式车架 中梁式车架 或称脊骨 式车架 和综合式车架 其中以边梁式车架应用最广 边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成 用铆接法或焊接法将纵梁与 横梁连接成坚固的刚性构架 下图的车架就属于此类型 如下图 1 通常用低合金钢板 冲压而成 断面形状一般为槽形 也有的做成 Z 字形或箱形断面 其结构特点是便于 安装驾驶室 车厢及一些特种装备和布置其它总成 有利于改装变型车和发展多品种 汽车 被广泛采 用在载货汽车 皮卡和大多数的越野汽车上 近代轿车为了保证良好 的整车性能 尽量降低中心和有利于前后悬架的布置 把结构需要放在第一位 兼顾 车架加工工艺性 所以车架形状设计的比较复杂而实用 图 1 车架 中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁 因此亦称为脊骨式车架 中梁的 断面可以做成管型或箱型 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 4 这种结构的车架有较大的扭转刚度 使车轮有较大的运动空间 便于布置等优点 因此被采用在某些轿车和货车上 综合式车架比较复杂 应用比较广 一般轿车上使用 2 2 车架的主要结构件车架的主要结构件 车架主要有以下结构形式 1 水箱横梁和发动机支撑梁 横梁总成支撑发动机 水箱 保证车身的扭转刚度 如图 1 发动机支撑梁和水箱横梁均有钢板冲压焊接而成 发动机支撑梁为封闭断面 发动机支撑梁与车身连接处通常装有橡胶缓冲块 材料 支撑梁上下体材料常采用为 SAPH440 其它 BH340 表面处理为电泳 图 2 A11 横梁 2 副车架 副车架带控制臂总成 承受前轴载荷 支撑车身 动力总成 转向机 前悬挂 制 动器等 副车架 控制臂均为钢板冲压焊接而成为封闭断面 如图 3 控制臂与副车架连接处采用橡胶衬套 起到改善行驶性能和舒适性 材料 副车架上下体材料为常采用 SAPH370 其它为 SPHE SPHC 表面处理为电泳 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 5 图 3 前副车架 3 框型前副车架 框式前副车架通常是由 4 根管 或封闭梁 结构焊接而成的框式结构 用于的 微车和中高档车上 车架连接了前摆臂 转向机 发动机冷却模块 以及动力总成 等重要的零部件 这样其强度及可靠性就变的尤为重要 车架通过 4 点或 6 点与车 身相连 用管结构的 可以减少焊接 以得到较好的总成尺寸精度 如图 4b 用封 闭梁焊接而成的可极大的提高承载能力 如图 4a 由于此类型件为复杂的冲压焊接 件 应充分考虑好工艺以保证其总成尺寸 a 前副车架 b 前副车架 图 4 框式前副车架 4 纵梁 发动机纵梁总成支撑动力总成 如图 5 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 6 1 发动机纵梁总成均由钢板冲压焊接而成 为封闭断面 2 材料 支撑梁上下体材料通常采用 SAPH370 焊接总成表面处理为电泳 图 5 5 后副车架 后轴总成承受后轴载荷 起到支撑车身 连接后悬架各连杆 装后制动器的作用 如图 6 1 轴焊接总成均为钢板冲压焊接而成的 主体的断面为封闭断面 如图 6 有很强的 抗弯扭能力 另外有用弯管焊接而成的 管料为合金高强度刚 采用弯管设计 提高 了设计的自由性 减少了焊缝数量 可较好的保证总成精度 2 后轴总成与车身连接处通常装有橡胶缓冲衬套 减缓车轮传递的冲击力 图 6 3 材料 支撑梁上下体材料通常采用 SAPH370 图 6 在连接后上下控制臂的孔中 设计了偏心螺母调节功能 可很精确的调整四轮定位参 数 焊接总成的表面处理为电泳 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 7 图 6 后副车架 6 后轴扭转梁 后轴总成支撑车身 后悬架 制动器 该后轴的结构为 复合双纵臂式 主体结构为冲压焊接件 焊接总成是在一个 V 或 U 型梁的两端各焊上一个管状纵臂 相交点约在纵臂的前 1 3 处 为了增加他们 之间的联接强度在两端的内侧各焊接了一个楔状加强梁 后轴连接车身的纽带是后轴 铰链 如图 7 车架均为受力部件 应进行严格的试验 验证其强度 除台架寿命试验 可靠性 强化路试外 生产的每批件应抽取一定数量进行型式检验 其中包括焊接性能检验 以及疲劳寿命试验等 V 或 U 型梁同时起着稳定杆的作用 将车体倾斜保持最低的程度 同时省去了稳 定杆 减轻重量 略去了稳定杆以及横向推力杆等件 由于受力程度较大 且很复杂 固在材料的选择上要求较高目前在国类还找不到强度及形状都符合要求的型材 后轴 橡胶铰链对于行驶性能及舒适性起着决定性作用它是联接后轴与车身的纽带 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 8 图 7 后轴总成 7 拖臂式后轴 后轴总成 含拖曳臂 推力杆 支撑车身 后悬架 后制动器等 如图 8 图 8 3 3 车架的功能设计要求车架的功能设计要求 车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求 当汽车在复杂多变的行驶过程 中 固定在车架上的各总成和部件之间不应发生干涉 当汽车在崎岖不平的道路上 行驶时 车架在载荷作用下可产生扭转变形及在纵向平面内的弯曲变形 当一边车 轮遇到障碍时 还可能使整个车架扭曲成菱形 这些变形将会改变安装在车架上的 各部件之间的相对位置 而影响其正常工作 因此车架还应具有足够的强度和适当 的刚度 为了减轻整车质量 要求车架质量尽可能小 此外 降低车架高度 以使 汽车中心位置降低 有利于提高汽车的行驶稳定性 这对于轿车和客车来说尤为重 要 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 9 4 4 车架的设计和计算车架的设计和计算 4 14 1 车架的主要载荷车架的主要载荷 车架是汽车设计的重要课题 它几乎比引擎更重要 因为它的好坏直接关系到 车的一切 操控 性能 安全 舒适 要评价车架设计和结构的好坏 首先 应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的载荷 如果车架在某方面 的韧性 stiffness 不佳 就算有再好的悬挂系统 也无法达到良好的操控表现 而车架在实际环境下要面对 4 种载荷 1 负载弯曲 Vertical bending 从字面上就可以十分容易的理解这个载荷 部分汽车的非悬挂重量 unsprung mass 是由车架承受的 通过轮轴传到地面 而这个载荷 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 2 非水平扭动 longitudinal torsion 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应 力 longltudinal torsion 情况就好象要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样 3 横向弯曲 lateral bending 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 4 水平菱形扭动 horizontal lozenging 因为车辆在行驶时 每个车轮因为路面和行驶情况的不同 路面的铺设情况 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 这种情况就好象将一个长方形拉扯成一个菱形一 样 4 24 2 车架的主要设计内容车架的主要设计内容 1 功能和可靠性 车架设计首先要保证的就是产品的功能和可靠性 并且要保证产品有良好的 工艺性 车架设计是一项创造性劳动 新颖的设计要求有新的构思 对此设计 人员一方面应大胆的采用新理论和新结构 另一方面也要总结经验采用原有的 成功的技术和结构 车架设计涉及到工程技术的各个领域 主要基本要素有 材料 强度 挠度 刚度 稳定性 摩擦 磨损 润滑 形状 尺寸 表面加 工 体积 重量 风格 温度 噪声 腐蚀 可靠性 控制 使用 安全 价 格 以及维修等 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 10 2 强度计算 车架属于整车中的关键件 其中强度不够产生的断裂直接影响着整车可靠性和 安全性 因此在设计车架时强度时零件的基本要求 设计人员应当尽可能精确地确 定作用在零件上载荷地性质 大小 方向和作用点 由于在设计中一方面很难确定 载荷的全部要素 而且即使同一种材料做成的试样对载荷 温度 环境等条件 所显示地抵抗能力也会出现差异 这样 计算的结果就不能准确的表示实际的承载 能力 为此 在车架设计中常做出各种假设 以便对产品进行力学计算和强度分析 假设既要反映实际情况 又要便于计算 一般这种假设都偏于保守 也有考虑不周 而失效的 所以对于车架的设计必须要通过试验和试用 证明该产品的设计是成功 的 1 载荷 在强度计算中作用于车架上的载荷分为两种一种是静载荷一种是动 载荷 用静载荷的设计方法最简单 至今仍广为采用 受冲击载荷时 在零件中引 起的应力和应变值 都要显著地大于静载荷时的应力和应变值 在常规设计中 经 常采用的是在载荷中乘以大于 1 的动载系数后 仍用静载荷方法进行计算 对于能 将机器中有关部分简化成简单振动系统的场合 动载系数可用机械振动的方法求得 通常动载系数是由经验来确定 新设计的车架 载荷一般是预先给定的 2 静强度计算在车架设计中最基本的计算是静强度计算 在计算中考虑到应 力的变化的影响要采用较大的安全系数 或较低 的许用应力 对于此塑性材料的 部件可用第三强度理论 第四强度理论求出等效单项应力 等效单向应力除以材 料的极限应力得安全系数 n 则静强度判据为 s 或者 nn 式中 许用应力 许用安全系数 n 3 疲劳强度计算 进行应力幅变化的无限寿命计算时 通常作如下假设 当材料承受高于疲劳极限应 力时 每一循环都使材料产生一定量的损伤 该损伤量是能积累的 麦因纳假设损 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 11 伤累积是线性的 由此可以将应力幅规律变化的循环应力 转化为等幅的当量应力 再与疲劳极限相比得安全系数 n 则疲劳强度判据为 nn 4 3 车架的设计计算举例车架的设计计算举例 1 后轴参数 后轴满载时轴荷 670Kg 后轴轴距 1420mm 后轴弹簧支架中心间距 1102mm 后轴外径 54mm 后轴壁厚 3 5mm 2 后轴静应力 1 弹簧支座处的静垂直弯矩 2 11021420 8 9 2 670 LFM AA 521 997N m 2 后轴弹簧支座处的抗弯截面模量 后轴弹簧支座处的危险断面为圆形断面 754 54 32 5414 3 32 44 3 44 dD D W AA 6584 142 3 mm 3 后轴弹簧支座处的垂直弯曲静应力 MPa W M AA 281 7910 142 6584 997 521 3 静 4 安全系数 后轴弹簧支座处是无缝钢管 材料为冷 20 54 3 5 经过计算后轴的安 全系数为 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 12 09 3 281 79 245 max c n 轴静载荷的许用安全系数为 1 3 2 5 故该轴能够满足设计要求 3 动应力 汽车在行驶过程中 后轴有三种典型工况 1 紧急制动时 2 侧滑时 3 冲 击负荷 在上述三种工况 下 应力最大的是冲击负荷工况 故只计算冲击负荷下的应力 MPaK stdAA 203 198281 795 2 动 在此处是动载荷系数取 2 5 d K 即汽车在行驶过程中 后轴所承受的最大应力在后轴弹簧支座附近 应力值为 198 203Mpa 5 5 车架的工艺介绍车架的工艺介绍 副车架是发动机前置前驱动轿车前桥的组成部分 其主要功能是承载发动机 即 它是发动机的安装托架 因而采取的工艺方法主要是为增加其承载能力 目前较多的 副车架采用冲片焊接结构 再压入联结部的橡胶衬套 即可完成副车架的制造 5 1 副车架的制造副车架的制造 1 冲压 副车架的冲压加工工序有落料 成形 切边 翻边 冲孔等 冲压加工的产品 质量主要取决于模具的状态及设备的动态精度 加工过程中应注意材料的弹性变形 对质量的影响 注意型材的表面处理 提高耐磨性和耐粘附性 2 焊接 副车架的焊接主要采用电阻点焊和二氧化碳气体保护焊 包括上 下壳体的电 阻点焊 发动机支架的方形螺母凸焊 以及上 下壳体发动机支架与支承板的二氧 化碳气体保护焊 电阻点焊变形较小 只要选择合理的焊接顺序及焊接装夹具 基 本能保证产品精度 而弧焊则不然 为确保精度 必须严格控制热变形 焊接质量 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 13 主要靠合适的焊接参数以及严密的监控 合理的焊装夹具 夹具精度控制在正负 0 2mm 焊接可达性良好 尽可能实现全方位最佳位置焊接 目前 已普遍采用焊 接机器人 采用的焊接机器人 其位置重复精度为正负 0 1mm 确保了焊接行走轨迹 的准确 稳定 另外 机器人控制系统中设置有焊接参数自动匹配程序 以及摆焊 自动填充收弧坑 自动重起弧 自动校核管身长等多项功能 使得焊缝质量得以保 证 并减少认为因素影响 稳定质量 提高设备柔性 同时 拼焊的冲压件的配合 间隙也有一定的要求 尽可能不大 于 0 8mm 至少必须稳定 这样 焊接质量才能稳定 3 整形 由于副车架在以后的装配工序中有一定的装配尺寸要求 及焊后少量变形 故 采用专机对焊后副车架进行孔的精整 以及开档的整形 整形的精度以产品图纸要 求为准 4 涂装 现较多地采用阴极电泳油漆 涂装主要是为了防锈和提高表面质量 涂装工艺 有涂装前的清洁 防锈 油等 上吊具 预脱脂 脱脂 热水清洗 活化 磷化 清洗 钝化去离子水清洗 烘干 强冷 检验等 涂层地质量主要有涂膜厚度 粘 附性和脆性及耐腐蚀性等 不同的产品有不同的质量标准 一般涂层厚度内侧不小 于 25um 外侧不小于 35um 粘附性和脆性至少 GTO 1 网格刻化试验等级 耐 腐蚀性通过盐雾试验 60 次循环 刮痕的损伤深度不大于 2 5mm 涂装质量取决于 涂膜的特性和化学覆盖膜的特性 主要通过对设备的 温度 涂膜的化学成分的监 控来保证 5 装配 副车架的装配就是在轴套中压入橡胶轴承 采用液压机压装 为了不影响橡胶 轴承的特性 压入时使用与其形状配合的夹具 为方便压入作业 有时也在压入部 位涂抹润滑油脂 压入橡胶轴承的质量是有脱开力来保证的 脱开力的大小由产品 图纸来确定 从大 于 1000N 到 7000N 不等 对于压入力与脱开力的关系 应在事 先进行确认 在检测压入力时 采取装在压入设备上的相应传感器来完成 5 2 总成检验总成检验 副车架的总成检验 主要项目是与客户相关的装配尺寸和表面质量 包括焊缝 表面质量以及油漆表面质量 如有无焊缝缺陷 有无飞溅 有无油漆磕 碰伤 剥 底盘系统设计指南 机密文件 严禁外传 14 落等 5 3 质量保证质量保证 副车架冲压 焊接 涂装及装配过程中 主要采用的检测手段有几何尺寸检具 和形状检具 如综合量具 通用量具及测量漆膜厚度的测厚仪等 另外 还具有焊 点金相试验 产品疲劳试验等 相应设备 在管理上 还应有一套完整的质保体系 5 4 生产技术新动向生产技术新动向 目前新车型中 已采用管子弯曲成形的副车架 其加工工序为 管子成形 焊 接 涂装 装配 管子成形的副车架加工方便 成形精度高于冲压成形 焊接量 少 焊接变形小 刚性好 管子弯曲成形的副车架 加工过程中应注意材料的弹 性变形 在成形过程中有时会用热处理方式如退火来进一步保证材料成形质量 6 6 车架常用材料的选择车架常用材料的选择 从对材料性能的要求分析 主要有三个方面 材料的耐蚀性 耐磨性和耐疲劳性 其次是常温强度