浅谈客车车架设计

陈啸，李婷婷

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏 苏州 215026）

浅谈客车车架设计

陈啸，李婷婷

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏 苏州 215026）

本文简要介绍了客车车架的设计方法。

客车；车架；设计

CLC NO.:U463.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)08-15-04

前言

客车底盘作为客车的三大组成部分之一，是客车动力性、经济性、安全性、环保等性能的基础，从车身设计制造的角度来看，必须选用与其紧密匹配的底盘和发动机才能发挥其整体优势。所以客车底盘技术水平的不断提高是客车技术赖以发展的基础，是制约客车产品上质量、上水平、上档次的一个“瓶颈” 。统计资料表明，客车底盘(含发动机)的重量占整车的一半左右，与其制造成本的比例相当，由此可见底盘和发动机在客车中占有重要的位置。车架是底盘设计的重要项目，因为它的好坏直接关系到客车的一切性能（操控、性能、安全、舒适等等）。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力。如果车架在某方面的性能不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。

1、车架实际环境下受力分析

1.1 负载弯曲

从字面上就可以十分容易的理解这个作用力，部分汽车的非悬挂重量是由车架承受的，通过轮胎传到地面[1-3]。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，一般都要求较强的刚度。

1.2 非水平扭动

当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的立柱便要承受这个纵向扭曲压力[4-6]，情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。

1.3 横向弯曲

所谓横向弯曲，就是汽车在转弯时重量的惯性（即离心力）会使车身产生向外弯甩的倾向，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[4-6]。

1.4 水平菱形扭动

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[4-6]，这种情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。

2、确定车架设计条件

在车架设计时，必须明确以下设计条件，应对总布置及有关专业进行细致的了解，必要时需查阅已有的试验分析资料、开展专门的试验工作和使用调查。

2.1 市场状况

拟设计车型的类别、用途、使用条件（如装载情况、道路条件、运行情况等）、需求量情况（数量、时间、前景预期等）、可靠性要求、以及同类车型（特别是竞争对象）的车架

使用情况[3]。

2.2 车型系列化情况

同时设计的车型以及准备发展的车型有哪些？这些车型的外形尺寸和载荷级别的情况如何？主要车型是哪些？

2.3 生产规模及生产方式

有关生产规模及生产率的准则如何？在采用大型复杂模具、自动焊接设备等方面的约束条件如何？哪些车型须按批量生产考虑[3]？

2.4 总布置对车架部件的形状和尺寸的限定情况，各部件同车架的连接尺寸。

2.5 汽车载荷大小及其分布，各部件的重量和中心位置及其在车架上的悬置位置。

3、确定车架设计要求

3.1 可靠性及耐久性要求

纵梁等主要零件，在使用期内，不得出现严重的致命故障，如严重变形及开裂，致使其它部件不能正常安装和工作[7]。

3.2 刚度及振动特性要求

车架的固有频率不应与车身等的固有频率以及发动机和簧下质量的激励频率相耦合，致使平顺性和操纵稳定形变坏、噪音过大、零件损坏。车架扭转刚度应适度避免变形过大，横摆严重，通过性变坏，可靠性下降。

车架满载时垂直弯曲挠度通常约在10mm以内。行驶中最大扭角约为每米轴距1°[2]。

3.3 安全性要求

在正常使用条件下，能克服障碍物的干扰，保护车辆前部板件少受损坏。在发生碰撞事故时，能吸收大部分碰撞能量、降低减速度值、避免乘员空间被严重挤占而危及乘员生命[1]。

3.4 改装性及维修性要求

避免改装时对车架部件进行较大的改动，如过多的增加新孔，维修需方便。

4、车架设计布置要求

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。

同时，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、结构设计要求

5.1 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）和基本参数（轴距、前悬、后悬及车架前后段的宽度、主纵梁截面尺寸）。

（2）由动力总成确定发动机悬置在纵梁上安装孔的位置；由冷却系统布置确定水箱托架及风扇牛腿安装位置；由进气系统布置确定空滤器支架安装位置；由排气系统确定消声器支架安装位置；由空调系统确定压缩机支架安装位置。

（3）由悬架系统布置确定前、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）由转向系统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。

5.2 纵梁结构及强度设计

纵梁的形状及断面如图1所示[4-7]：

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：

A. 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）[8-11]；将上、下翼缘加厚或在其上贴加强板；将受拉力翼缘适当加宽；

B. 提高局部扭转强度

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；将悬置点布置在横梁的弯曲中心上；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；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；选用较大的断面；限制制造扭曲度，减小装配应力[9]；

C. 提高整体扭转强度

不使纵梁断面过大，在纵梁大断面处、横梁采用腹板连接；翼缘连接的横梁不宜间距太近；

D. 减小应力集中及疲劳敏感

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；注意外形的变化，避免出现波纹区或受拉严重变薄；注意加强端部的形状及连接，避免刚度突变；避免在槽形梁的翼缘边缘处施焊，尤忌短焊缝和“点”焊；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；

E. 减小失衡

在受压翼缘和厚度的比值不宜过大（常在12左右）[8-11]；在容易失衡处加焊撑板；在容易出现波纹处限制其平整度；

F. 局部强度加强

采用较大的板厚；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；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。

5.3 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[8]，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[9]，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。

横梁与纵梁有三种常见的连接形式：横梁和纵梁上下翼缘相连；横梁和纵梁的腹板相连；横梁同时和纵梁的任一翼缘以及腹板相连。横梁和纵梁翼缘连接，可得到较大的连接跨度和连接刚度，使车架扭转刚度增大，纵梁局部扭转改善，但常常引起车架扭转应力提高，表现在翼缘应力加大，车架两端的横梁常用这种形式。横梁和纵梁的腹板相连，则结果相反，可用于纵梁的大截面处或车架中部的横梁处，并注意增大其连接跨度。经有限元分析计算得知，腹板连接结构与翼面连接相比，前者比后者可是纵梁的扭转翘曲应力降低40%，也就是说在车架扭角较大的地方应尽量采用腹板连接结构，以降低纵梁的局部翘曲应力。横梁和纵梁腹板及一个翼缘同时相连，则兼有以上两种连接方式的特点，缺点在于作用在纵梁上的力直接传到横梁上。各种横梁形式比较见表1：

表1

5.4 车架设计要点

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[2]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[11], 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，大客车车架不适合使用。③横梁与纵梁的腹板和下翼面同时连接。该型式具有前两种型式柔性抗扭和刚性抗弯的综合特点，是大客车车架横梁和纵梁最好的连接型式。

（4）横梁与纵梁连接时, 横梁端部具有最大的应力，为避免局部区域出现过大的连接负荷应力，应通过加宽断面以尽可能增大连接区[9]。

（5）为提高车架抗弯曲刚度, 承受更大的载荷, 在直大

梁搭接处及三段式的前中后连接处必须焊接加强板。加强板的厚度不能大于纵梁厚度, 且材质相同。面积较大时, 应采取塞焊、铆接或者螺栓连接+ 周边断续焊。

（6） 悬架为高负荷区, 在钢板弹簧支架传力处应有加强横梁, 或采用加筋板、箱状件加强而构成的受剪结构,且该处纵梁不能对接。

（7）等高度纵梁的对焊应远离高负荷区,一般采用45°斜焊缝,要打坡口且有材质相同厚度不大于纵梁的加强板。

（8）车架纵梁的钻孔要远离焊缝, 一般禁止在翼面上钻孔, 若特殊需要, 应尽量靠近腹面, 禁止在纵梁弯曲区域内孔。

（9）为满足客车车架总布置的要求可合理地在纵梁翼面上切槽，但切槽深度不能大于翼面宽度2/ 3[11]。MANA55 及重汽公司开发的E12 等大客车底盘均有这样的设计。

（10）横梁和外支架应尽量增加合理的减重孔。

（11）采用封闭型材的刚性抗扭车架, 应使用焊接技术连接, 横梁可采用管材,插入纵梁中焊接。

6、材料选用注意事项

6.1 性能要求

6.1.1 较大的实际疲劳强度

车架零件在正常使用情况下，应力极少达到材料的屈服点。常见的损坏形式是疲劳裂纹[3]。纵横梁通常采用冲压加工，表面质量较差，甚至存在显微裂纹，故零件的实际疲劳强度比试样强度降低很多。

6.1.2 较好的冲压性能

冲压工艺，生产率高，成本低，在车架生产中得到广泛应用。材料的冲压性能不好，如伸长率小，则极易开裂，有时裂纹较小，难以察觉，常被流出厂外，导致早起损坏。

6.1.3 较好的焊接性能

6.1.4 一定的耐腐蚀性能

车架零件与路面较为接近，故较易腐蚀，当采用较薄的板料，做成不易防锈处理的封闭截面梁时（如轿车车架），尤应考虑其耐腐蚀性问题。

6.2 常用材料

6.2.1 板料

目前大部分用B510L。有些超重型车架纵梁采用组合截面，由不同强度和厚度的钢板焊成，可用强度较大的钢板。

6.2.2 槽形型钢

仅适用于等截面件，可省去相应的压制设备，直接向钢厂采购。产量少时，尤宜考虑。也有翼缘加厚的槽形型钢，其材料利用更加有效。

6.2.3 圆管

常在两端焊接接头，制成横梁，而不须压制设备。

7、结束语

半承载式客车，其前后悬架装置、发动机及变速器等传动系部件施加的作用力均由车架承受，所以车架总成的刚性、强度及振动特性等几乎完全决定了车辆整体的强度、刚性和振动特性。在对于车架总成进行设计的过程中，除了要确保车架总成的性能符合设计要求，还应对车辆性能和匹配性进行认真的研究。

[1] 张洪欣.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2] 周中坚，卢耀祖.机械与汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1997.

[3] 长春汽车研究所.车架设计[J].汽车技术，1974（2）

[4] 王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.10.

[6] 刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[7] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2000.

[8] 刘齐茂.汽车车架的结构优化设计[J].机械设计与制造，2005,（4）:15-17.

[9] 王录山，王国权，张红松，王丽荣.重载自卸车车架强度的有限元分析[J].北京信息科技大学学报，2010,25（2）:5-7.

[10] 桂良进，周长路，范子杰.某型载货车车车架结构轻量化设计[J].汽车工程，2003,25（4）:11-13.

[11] 包头钢铁设计研究院.钢结构设计与计算[M].北京：机械工业出版社，2000.

The brief Introduction of the Frame Design of Buses

Chen Xiao, Li Tingting
(King Long United Automotive Industry (Suzhou) Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215026)

This paper briefly introduces the design method of bus frame.

bus; frame; design

U463.1

A

1671-7988(2014)08-15-04

陈啸，助理工程师，就职于金龙联合汽车工业（苏州）有限公司。