车架设计指南

上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 1 页 共 14 页 奇瑞汽车有限公司奇瑞汽车有限公司 底盘部设计指南底盘部设计指南 编制 编制 审核 审核 批准 批准 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 2 页 共 14 页 1 架的主要功能 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 2 2 车架的类型 车架的类型 2 12 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 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 汽车和大多数的特种汽车上 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 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 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 22 2 车架的几种结构车架的几种结构 车架主要有以下结构形式 车架主要有以下结构形式 1 1 箱横梁箱横梁 和和 发动机支撑梁发动机支撑梁 横梁总成支撑发动机 水箱 保证车身的扭转刚度 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 3 页 共 14 页 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 2 2 车架车架 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 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 370 为抗拉强度 其它为 SPHE SPHC 表面处理为电泳 3 3 纵梁 纵梁 发动机纵梁总成支撑动力总成 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 4 页 共 14 页 1 动机纵 梁总成 均由钢板冲压焊接而成 为封闭断面 2 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 4 4 后副车架 后副车架 后轴总成承受后轴载荷 起到支撑车身 后悬架 后制动器 1 后轴焊接总成均为钢板冲压焊接而成 主体的断面为封闭断面 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 3 材料 支撑梁上下体材料通常采用 SAPH370 焊接总成的表面处理为电泳 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 5 页 共 14 页 5 5 后轴扭转梁 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 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 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检验 其中包括焊接性能检验 以及疲劳寿命试验 台架试验 详见台架试验规范 V 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 6 页 共 14 页 6 6 RealReal beambeam axleaxle 后轴总成 含拖曳臂 推力杆 支撑车身 后悬架 后制动器等 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 7 页 共 14 页 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 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 1 负载弯曲 负载弯曲 VerticalVertical bendingbending 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 2 非水平扭动 非水平扭动 longitudinallongitudinal torsiontorsion 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 3 横向弯曲 横向弯曲 laterallateral bendingbending 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 4 水平菱形扭动 水平菱形扭动 horizontalhorizontal lozenginglozenging 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 8 页 共 14 页 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 4 2 1 4 2 1 功能和可靠性功能和可靠性 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 4 2 2 4 2 2 强度计算强度计算 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 计种常做出各种假设 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 9 页 共 14 页 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 34 3 车架的设计计算举例车架的设计计算举例 下面以 S21 的后轴校核为例 4 3 1 S214 3 1 S21 车型后轴参数车型后轴参数 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 4 3 2 4 3 2 后轴静应力后轴静应力 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 10 页 共 14 页 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 5432 14 3 32 4444 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 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 4 3 3 4 3 3 动应力动应力 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 11 页 共 14 页 5 5 车架的工车架的工 艺介绍 艺介绍 以奇瑞车型中 的副车架为例 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 15 1 副车架的制造 副车架的制造 1 冲压 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 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 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 12 页 共 14 页 4 涂装 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 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 25 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 剥落等 5 35 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 45 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 上汽集团奇瑞汽车有限公司 车架系统设计开发指南 编制日期 05 3 29编者 祈殿渠 版次 01第 13 页 共 14 页 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 其次是常温强度和焊 接性要恰巧和当前设计产品失效的原因相吻合 钢材利用率的高低是材料技术水平的一个重要指标 各工 业发达国家都努力提高钢材的利用率 以提高机械制造的经济效益 提高钢材的利用率 应进一步调整钢 材结构 提高合金钢 低合金钢和板材 管材的比例 此外 应通过合理选材用材 推广使用无切削工艺 和保护加工技术 发展焊接结构来达到节材的目的 对于设计的产品采用低合金高强度钢轧材代替普通炭 素钢 可使金属消耗量降低 30 采用冷轧钢板代替热轧钢板可降低材料消耗量 25 用钢板和带钢冷弯 成异型材代替热轧型钢 材料消耗量可降低 25 用冷拔型钢代替热轧型材可降低消耗 15 选材中还要 注意到材料的化学物理性能 机械性能和工艺性能 如 车架设计中所需要的弹性模量 强度 韧性 焊 接性能 淬透性 回火脆性 热处理变形量 可锻 深冲