重型汽车的车架总成设计探讨

李焕，程秀华

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

重型汽车的车架总成设计探讨

李焕，程秀华

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

车架的功用是支承连接汽车各零部件，并承受来自车内、外的各种载荷，本文主要概述了重型汽车的车架总成从外形尺寸确定、纵梁孔位确定、横梁位置布置、强度计算等几个方面进行了探讨。

车架；总体设计；孔位设计；横梁布置、强度计算

CLC NO.：U463.32Document Code：AArticle ID:1671-7988(2014)06-78-04

前言

现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，车架是整个汽车的基体。汽车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、转向系统、驾驶室、货箱和有关操纵机构。车架的功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内、外的各种载荷。

车架的结构形式首先应满足总布置的要求。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。汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷作用下可能产生扭转变形以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，从而影响其正常工作。因此，车架还应具有足够的强度和适当的刚度。为了提高整车的轻量化，要求车架质量尽可能小。

车架设计尤其显得非常重要，车架总体结构设计要求如下：

1）满足设计任务书中提出的整车总体布置设计要求。

2）结合各公司现有车架，尽可能采用现有车架资源，或在现有车架资源基础上进行局部改进设计。

依据设计任务书中整车总体尺寸参数、货箱尺寸参数、轴距布置尺寸、整车前后悬尺寸、整车最大承载量、车辆使用条件、车辆使用环境等因素进行综合分析，结合平台规划设计来确定车架总体尺寸。

车架总体尺寸设计主要指车架总成外廓形状和尺寸的确定、车架纵梁最大断面尺寸的确定、车架纵梁断面厚度尺寸的确定等。

1、车架最大外宽尺寸确定

车架最大外宽尺寸是指车架上由横梁所固定的左右纵梁腹板间的最大宽度。整车宽度确定后，车架宽度就可以根据车桥轮距、转向桥最大转向角、悬架板簧中心跨距、发动机外廓尺寸等确定。

2、车架纵梁最大断面尺寸的确定

中重型卡车车架纵梁均采用槽形断面结构，其特点是容易成型，抗弯抗扭性能好。纵梁断面尺寸确定应依据车型的最大承载量、用途和使用工况来确定。一般，承载量越大使用工况越差，则需要车架断面尺寸越大，车架断面尺寸分为腹面高度、翼面宽度和断面厚度等三方面。

3、车架长度尺寸的确定

表1 车架长度设计遵循的原则

整车长度确定后，车架长度可依据驾驶室长度、货箱长度、前后悬、轴距布置、车辆实际使用情况等来确定，一般情况下，车型总布置确定后，根据整车设计任务书的要求车架长度也就确定了，设计时应遵循表1中所列原则。

4、车架纵梁孔位的确定

车架是汽车上各大总成部件的载体，各大总成是通过车架上的连接孔来进行铆接或螺栓连接来实现的。车架设计过程中，当车型总布置确定后，车架上主要总成的孔位也就确定了。车架纵梁上的孔位除了主要总成部件安装孔外，更多的是一些电器、制动、转向、变速操纵等支架的安装孔，电、气管路固定孔、过线孔，和一些车架加工工艺孔如冲压工艺孔、涂装吊挂工艺孔、铆接工艺孔等。孔位布置的合理与否、孔径的大小规范与否直接影响到整车管线布置的合理性、影响到车架的强度、影响到加工过程工艺性的好坏。

为保证车架纵梁在钻孔后具有足够的强度，在重载工况下不发生断裂等损坏，车架纵梁上的孔位应满足如图1、图2所示的要求：

纵梁上的孔位尽量呈现有规律排列，横向间隔为50、75、100，为25的倍数。可使得如油箱、储气筒等总成位置发生变化时车架也不需要做更改，这样比较容易实现通用化、模块化。设计时，如果总成安装孔位不能满足上述要求，此时应尽量采用跟上述布置要求接近的方式布置，孔间距尽量采用25 的倍数，孔径尽量采用同一规格。

5、车架横梁的布置设计

车架横梁和车架纵梁一样是车架的重要组成部分，车架横梁承担着车架所承受足够的扭转刚度、纵向和横向载荷。在车架设计中，应保证车架中后部能承担最大抗扭能力，并由中部至两端逐渐减小，构成等强度梁，这样的横梁布置显得十分重要。为规范平台车架设计，减少车架品种，在车架设计中横梁的布置位置和横梁规格的选用在同系列车架中尽可能一致。

通常，载货车车架装有5～6根横梁，对于不同轴距的车型，横梁数量根据需要增减，对于在前轴与后桥间的横梁、长后悬中的横梁相互间距应尽量接近，一般工程车为800mm～1000mm，公路车型为1000～1200mm。

6、轴距变化时车架的设计

在车架设计时常常会因设计车型轴距的变化而需重新设计车架。设计时需在基础车架某一部位断开后将其拉长或缩短。断开点位置选取应满足基础车架变化最小、基础车型相关子组影响最小为原则，车架断开点的选择应满足表2中的要求：

表2 车架变化断开点选择注意事项

7、纵梁的强度计算

在车架设计的开始阶段,应对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算,以初步确定纵梁的截面尺寸，这时可作以下几点假设：

（1）纵梁为支承在前后轴上的简支梁；

（2）空车时的簧载质量均布在左、右二纵梁的全长上，满载时的有效载荷Ge 则均布在车箱全长上；

（3）所有作用力均通过截面的弯曲中心（忽略不计局部扭转所产生的影响）。如图3所示：

通过力矩平衡计算得前轴支反力为：

驾驶室后端至后桥这一段纵梁的弯矩和剪力为：

可求得静载荷情况下的最大弯矩值Mmax最大剪力的绝对值则产生在后轴线附近处,其值为：

经验表明，汽车在实际使用条件下（动载荷情况下），最大弯矩和剪力约为静载下的1.55倍。同时，考虑到在动载下，车架处于疲劳状态，一般取疲劳系数为1.4,故得动载荷下的最大弯矩为：

而最大剪力为：

8、纵梁截面尺寸的确定

对于常见的槽形截面梁（如图4所示）,可按下式求得其弯曲应力：

在选定板料厚度为t的情况下，纵梁翼面的最大宽度应为：

μ--泊松比，一般取μ=0.3

E--弹性模量，E=2.1×105N/mm2

按上式求得的弯曲应力不应超过纵梁材料的屈服极限σs，纵梁材料一般采用510L,其σs≥ 345MPa。

由于当纵梁变形时，上下翼面分别受到压缩和拉伸的作用而可能导致翼面断裂。因此，应按薄板理论进行校核，此时临界弯曲应力为：

因此，车架设计非常重要，其是用来连接发动机、驾驶室、动力总成、悬架系统、转向系统、前轴、后桥、油箱等各大总成，保证整车正常行驶性能，以上仅是笔者对重型车车架的初步设计探讨。车架设计过程中，车架总成强度是否能够满足整车可靠性要求，需要进行CAE分析和对车架进行台架试验或通过整车试验来验证车架的可靠性，保证最终能满足整车性能。

[1] 吉林工业大学汽车教研室.《汽车设计》.机械工业出版社.1983.

[2]《汽车工程手册》编辑委员会.《汽车工程手册·设计篇》.人民交通出版社.2001.

[3] 陈家瑞.《汽车构造》.机械工业出版社 .2008.

[4] 王霄峰. 《汽车底盘设计》.清华大学出版社.2010.

特斯拉共享专利 旨在促进电动车发展

Tesla electric car sharing aimed at promoting the development of patent

特斯拉CEO 埃隆马斯克近日宣布，为了促进电动车汽车产业的发展，将共享其全部相关技术专利。

在一份特斯拉公司官方博客中，马斯克提到：“我们不会对任何采用我们专利技术的厂商追求法律责任。”他认为，所谓“专利”只是为那些拒绝进步、希望保持地位的行业巨头、法律专家而服务的，并不能为真正的发明家带来收益。

这项计划的首个举措就是特斯拉将其“超级充电站”快充标准向竞争车企和电网公司开放，允许其今后采用这项标准。此外，马斯克此前还表示特斯拉的商业模式也可以进行共享，带来的收益就是可降低超级充电站的成本以及允许用户免费使用充电站。

同时，根据路透社消息，特斯拉或许已经与宝马达成协议合作开发电动车。当然，在宝马之前，特斯拉已经为丰田RAV4电动车以及奔驰的电动车开发过动力总成。

马斯克认为这项决定会促进电车行业的发展，不仅没有损害特斯拉的利益，还可以帮助特斯拉吸引世界顶尖技术人才，市场是有足够的潜力供大家发展，投资者完全不用担心这项决定会触碰到特斯拉的底线。

Research on the frame assembly design for heavy-duty vehicle

Li Huan, Cheng Xiuhua
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xian 710200）

The frame not only acts as connect and support all components of vehicle but also bear all loads from inside and outside of vehicle，this paper describes the research of frame assembly about determination of overall dimensions and hole site of main sill，arrangement of cross beam site，calculation of strength for heavy-duty vehicle.

frame；integrated design；hole site design；arrangement of cross beam；calcu lation of strength

U463.32

A

1671-7988(2014)06-78-04

李焕，工程师，主要从事整车设计。