小車車架設計說明書.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除畢業(yè)設計說明書 題目名稱： 小車車架設計 院系名稱： 機械工程系焊接及自動化 班 級： 焊接 學生姓名： 指導教師： 摘要本設計課題是關于小型車的車架設計。所設計的車架結構形式是前后等寬的邊梁式車架，其中縱梁和橫梁的截面形狀都采用槽型，縱梁與橫梁通過焊接連接。說明書詳細闡明了小型汽車的方案論證：車架的設計要求、車架結構的確定、車架寬度的確定、車架縱梁形式的確定、車架橫梁形式的確定、車架縱梁與橫梁連接形式的確定、車架的受載分析。關鍵詞：小車、車架、設計1 緒論1.1 概述汽車車架是整個汽車的基體，是將汽車的主要總成和部件連接成汽車整體的金屬構架，對于這種金屬構架式車架，生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)設計時應考慮結構合理，生產(chǎn)工藝規(guī)范，要采取一切切實可行的措施消除工藝缺陷，保證它在各種復雜的受力情況下不至于被破壞。車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支撐著發(fā)動機離合器、變速器、轉向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質量的有關機件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關機構之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小；車架也應有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，縱梁等主要零件在使用期內不應有嚴重變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機件的可靠性下降。本說明書只是敘述非承載式車身結構形式中單獨的車架系統(tǒng)。承載式汽車，前、后懸架裝置，發(fā)動機及變速器等傳動系部件施加的作用力均由車架承受，所以，車架總成的剛性、強度及振動特性等幾乎完全決定了車輛整體的強度、剛度和振動特性。設計時在確保車架總成性能的同時，還應對車架性能和匹配性進行認真的研究。車架結構很多都是用電弧焊焊接而成，容易產(chǎn)生焊接變形。在設計方面對精度有要求的部位不得出現(xiàn)集中焊接，或者從部件結構方面下工夫，盡量確保各個總成的精度。另外，與其他焊接方法相對比，采用電弧焊的話，后端部容易出現(xiàn)比較大的缺口，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。所以，應對接頭位置和焊接端部進行處理。車架受力狀態(tài)極為復雜。汽車靜止時，它在懸架系統(tǒng)的支撐下，承受著汽車各部件及載荷的重力，引起縱梁的彎曲和偏心扭轉（局部扭轉）。如汽車所處的路面不平，車架還將呈現(xiàn)整體扭轉。汽車行駛時，載荷和汽車各部件的自身質量及其工作載荷（如驅動力、制動力和轉向力等）將使車架各部件承受著不同方向、不同程度和隨機變化的動載荷，車架的彎曲、偏心扭轉和整體扭轉將更嚴重，同時還會出現(xiàn)側彎、菱形傾向，以及各種彎曲和扭轉振動。同時，有些裝置件還可能使車架產(chǎn)生較大的裝置載荷。隨著計算機技術的發(fā)展，在產(chǎn)品開發(fā)階段，對車架靜應力、剛度、振動模態(tài)以至動應力和碰撞安全等已可進行有限元分析，對其輕量化、使用壽命，以及振動和噪聲特性也可以做出初步判斷，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期創(chuàng)造了有利條件。1.2 車架的發(fā)展早期汽車所使用的車架，大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構成的，也就是在兩支平行的主梁上，以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車體建構在車架之上，至于車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件，則是另外再包覆于車體之外，因此車體與車架其實是屬于兩個獨立的構造。這種設計的最大好處，在于輕量化與剛性得以同時兼顧，因此受到了不少跑車制造商的青睞，早期的法拉利與蘭博基尼都是采用的這種設計。由于鋼骨設計的車架必須通過許多接點來連結主梁和副梁，加之籠狀構造也無法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復雜、不利于大量生產(chǎn)之外，也不適合用在強調空間的四門房車上。隨后單體結構的車架在車壇上成為主流，籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代，這種單體車架一般以“底盤”稱之。 關于單體車架，簡單的說就是將引擎室、車廂以及行李廂三個空間合而為一，這樣的好處除了便于大量生產(chǎn)，模組化的運用也是其中主要的考慮。通過采取模組化生產(chǎn)的共用策略，車廠可以將同一具車架分別使用在數(shù)種不同的車款上，這樣也可節(jié)省不少研發(fā)經(jīng)費。除了有利于共用，車體車架也可以通過材料的不同來發(fā)揮輕量化的特性，例如本田NSX所使用的鋁合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纖維材料等。鋁合金是80年代末期相當熱門的一種工業(yè)材料，雖然重量比鐵輕，但是強度卻較差，因此如果要用鋁合金制成單體車架，雖然在重量上比起鐵制車架更占優(yōu)勢，但是強度卻無法達到和鐵制車架同樣的水準。除非增加更多的鋁合金材料，利用更多的用量來彌補強度上的不足。不過這樣一來，重量必然會相對增加，而原本出于輕量化考量而采用鋁合金材料的動機，當然也就失去了意義。也正因為這個原因，鋁合金車架在車壇上并未成為主流，少數(shù)高性能跑車或是使用了強度更高的碳纖維，或是用碳纖維結合蜂巢狀夾層鋁合金的復合材料取代了鋁合金。但是要用碳纖維制成單體車架，在制作上相當復雜且費時，成本也相對更高，所以至今仍無法普及到一般市售車上，而僅有少數(shù)售價高昂的跑車使用。盡管鋁合金車架鮮有車廠使用，不過用鋼鐵車架搭配鋁合金鈑件的方式，近年來卻受到不少車廠的重視，這樣的結構不僅可以保留車架本身的強度，同時也可以通過鈑件的鋁合金化來取得輕量化效果，在研發(fā)成本上自然也不像碳纖維制的單體車架那樣昂貴。歐美從90年代開始逐漸提高了撞擊事故的安全防護標準，這也是凸現(xiàn)出車架剛性重要的另一原因。許多車廠為了在撞擊事故發(fā)生時能夠確保車內乘員的安全，惟有針對車架以及車體進行全面強化，這也使得除了車架以外的強度有所改善，包括鈑件厚度的改變以及各種輔助梁的增設也成為各廠慣用的手法。不過在這樣的情況下，伴隨而來的是車重相對增加，這也正是歐美日許多市售車的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。關于剛性的確保，大多數(shù)車廠在新車的設計階段，都是利用電腦計算出車架的剛性需求，并以此作為設計依據(jù)。有些車廠在用電腦完成設計雛形后，還會再由專業(yè)的試車人員進行實際測試。中國第一汽車集團凌源汽車制造有限公司汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線競標成功。汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線是我公司繼兩年前成功設計制造了合肥江淮汽車廠汽車縱梁數(shù)控平板沖孔生產(chǎn)線的基礎上，在汽車縱梁數(shù)控沖孔方面的又一標志性成果，填補了國內設計制造汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的空白。汽車車架U型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的設計制造成功，在汽車制造行業(yè)具有劃時代的意義，標志著中國在汽車車架數(shù)控沖孔加工的生產(chǎn)設備方面達到了國際先進水平，降低了汽車制造行業(yè)購置汽車車架數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的巨大費用，積極推動了中國汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，為中國汽車制造業(yè)早日與國際接軌奠定了基礎。我國的車架企業(yè)基本擁有剪切、沖壓、焊接、鉚接、油漆、機加工六大工藝能力和完善的檢測手段、研究設計中心，具有16噸至3000噸的冷沖壓能力，具備了開發(fā)、設計、生產(chǎn)各種類型車架。2 設計方案論證2.1 參考車型及其參數(shù)參考車型：歐鈴ZB5040XXYBSC3S廂式運輸車詳細參數(shù)：發(fā)動機型號：SD4W58-3U 發(fā)動機功率：58 kw發(fā)動機排量：2156ML 發(fā)動機類型：柴油發(fā)動機外形尺寸（長寬高）：515016952660 mm貨箱欄板內尺寸：239015851700 mm總質量：3770 Kg 整備質量：1780 Kg額定載質量：1665 Kg 接近角/離去角：21/16前懸/后懸：1010/1440 mm 軸距：2700 mm軸荷：1260/2510 N 最高車速：90 km/h前輪距：1240 mm 后輪距：1360 mm底盤型號：ZB5040XXYBSC3S 軸數(shù)：2 底盤尺寸（長寬高）：481016051990彈簧片數(shù)：6/5+3 2.2 車架在實際環(huán)境下要面對的4種壓力要評價車架設計和結構的好壞，首先應該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達到良好的操控表現(xiàn)。而車架在實際環(huán)境下要面對4種壓力。負載彎曲從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強的剛度。非水平扭動當前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。橫向彎曲所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。水平菱形扭動因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。2.3 車架設計的技術要求為了使車架符合上述功用，通常對設計的車架有如下的要求：2.3.1 必須有足夠的強度保證在各種復雜受力的使用情況下車架不受破壞。要求有足夠的疲勞強度，保證在汽車大修里程內，車架不致有嚴重的疲勞損傷?？v梁受力極為復雜，設計時不僅應注意各種應力，改善其分布情況，還應該注意使各種應力峰值不出現(xiàn)在同一部位上。例如，縱梁中部彎曲應力較大，則應注意降低其扭轉應力，減少應力集中并避免失穩(wěn)。而在前、后端，則應著重控制懸架系統(tǒng)引起的局部扭轉。提高縱梁強度常用的措施如下：(1) 提高彎曲強度 選定較大的斷面尺寸和合理的斷面形狀（槽形梁斷面高寬比一般為3：1左右）；(2) 提高局部扭轉剛度 注意偏心載荷的布置，使相近的幾個偏心載荷盡量接近縱梁斷面的彎曲中心，并使合成量較??；在偏心載荷較大處設置橫梁，并根據(jù)載荷大小及分散情況確定連接強度和寬度；將懸置點分布在橫梁的彎曲中心上； 當偏心載荷較大并偏離橫梁較遠處時候，可以采用K形梁，或者將該段縱梁形成封閉斷面； 偏心載荷較大且比較分散時候，應該采用封閉斷面梁，橫梁間距也應縮小； 選用較大的斷面； 限制制造扭曲度，減少裝配預應力。(3) 提高整體扭轉強度不使縱梁斷面過大； 翼緣連接的橫梁不宜相距太近。(4) 減少應力集中及疲勞敏感 盡可能減少翼緣上的孔（特別是高應力區(qū)），嚴禁在翼緣上布置大孔； 注意外形的變化，避免出現(xiàn)波紋區(qū)或者受嚴重變??； 注意加強端部的形狀和連接，避免剛度突變； 避免在槽形梁的翼緣邊緣處施焊，尤其畏忌短焊縫和“點”焊。(5) 減少失穩(wěn) 受壓翼緣寬度和厚度的比值不宜過大（常在12左右）； 在容易出現(xiàn)波紋處限制其平整度。(6) 局部強度加強 采用較大的板厚； 加大支架緊固面尺寸，增多緊固數(shù)量，并盡量使力作用點接近腹板的上、下側面。2.3.2 車架的輕量化由于車架較重，對于鋼板的消耗量相當大。因此，車架應按等強度的原則進行設計，以減輕汽車的自重和降低材料的消耗量。在保證強度的條件下，盡量減輕車架的質量。通常要求車架的質量應小于整車整備質量的10。本設計主要對車架縱梁進行簡化的彎曲強度計算，使車架縱梁具有足夠的強度，以此來確定車架的斷面尺寸。（參照材料力學）另外，目前鋼材價格暴漲，汽油價格上漲，從生產(chǎn)汽車的經(jīng)濟性考慮的話，也應盡量減輕整車的質量。從生產(chǎn)工藝性考慮，橫縱梁采用簡便可靠的連接方式，不僅能降低工人的工作強度，還能增強車架的強度。2.4 車架結構的確定2.4.1 車架類型的選擇車架的結構形式可以分為邊梁式、中梁式（或稱脊骨式）和綜合式。而在有些客車和轎車上車身和車架制成一體，這樣的車身稱為“半承載式車身”，有的被加強了車身則能完全起到車架的作用，這樣的車身稱為“承載式車身”，不另設車架。隨著節(jié)能技術的發(fā)展，為了減輕自重，越來越多的轎車都采用了承載式車身。下邊先分別列舉下各車架的特點。（1） 邊梁式車架的構造這種車架由兩根縱梁及連接兩根縱梁的若干根橫梁組成，用鉚接和焊接的方法將縱橫梁連接成堅固的剛性構架。縱梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面一般為槽型，z星或箱型斷面。橫梁用來連接縱梁，保證車架的抗扭剛度和承載能力，而且還用來支撐汽車上的主要部件。 邊梁式車架能給改裝變型車提供一個方便的安裝骨架，因而在載重汽車和特種車上得到廣泛用。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產(chǎn)生彎曲和扭轉。其優(yōu)點是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變形，因此被廣泛地用在載貨汽車、越野汽車、特種汽車和用貨車底盤改裝而成的大客車上。在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。用于載貨汽車的邊梁式車架（圖2-1），由兩根相互平行但開口朝內、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可以根據(jù)應力情況相應地縮小。車架寬度多為全長等寬。X型車架是邊梁式車架的改進，這種車架由兩根縱梁及X型橫梁組成，實際上是邊梁式車架的改進，有一定的抗扭剛度，X橫梁能將扭矩轉變?yōu)閺澗?，對短而寬的車架，這種效果最明顯。車架中部為位于汽車縱向對稱平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。前端的叉形梁用于支撐動力、傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強前、后懸架的支撐。管梁部分位于后座乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大，雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強度和剛度。轎車要是使用邊梁式車架，為了降低地板高度，可局部地減少縱梁的斷面高度并相應地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了。所以X型車架較多使用于轎車。還有周邊式車架，這種車架是從邊梁式車架派生出來的，前后兩端縱梁變窄，中部縱梁加寬，前端寬度取決于前輪最大轉角，后端寬度取決于后輪距，中部寬度取決于車身門檻梁的內壁寬，前部和中部以及后部和中部的連接處用緩沖臂或抗扭盒相連，具有一定的彈性，能緩和不平路面的沖擊。其結構形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可以吸收來自不平路面的沖擊和降低車內噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又可以減短了車架縱梁外側裝置件的懸伸長度。在前后縱梁處向上彎曲以讓出前后獨立懸架或非斷開式后橋的運動空間。采用這種車架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬。這種車架結構復雜，一般在中、高級轎車上采用。 （2） 中梁式車架（脊骨式車架）其結構只有一根位于中央而貫穿汽車全長的縱梁，亦稱為脊骨式車架。中梁的斷面可做成管形、槽形或箱形。中梁的前端做成伸出支架，用以固定發(fā)動機，而主減速器殼通常固定在中梁的尾端，形成斷開式后驅動橋。中梁上的懸伸托架用以支承汽車車身和安裝其它機件。若中梁是管形的，傳動軸可在管內穿過。優(yōu)點是有較好的抗扭轉剛度和較大的前輪轉向角，