中型货车的车架结构设计

目录
第一章绪论 (2)
1.2 车架发展史 (5)
1.3 国内车架的发展 (7)
第2章设计方案论证 (7)
2.1 设计参数 (7)
2.2 车架在实际环境下要面对的四种压力 (7)
2.3 车架设计的技术要求 (8)
2.3.1 必须有足够的强度 (8)
2.3.2 车架的轻量化 (9)
2.4 车架结构的确定 (9)
2.4.1 车架类型的选择 (9)
第3章车架的设计 (12)
3.1 车架结构形式的设计 (12)
3.1.1 车架宽度的确定 (12)
3.1.2 车架纵梁形式的确定 (12)
3.1.3 车架横梁形式的确定 (13)
3.1.4 车架的纵梁与横梁的连接形式确定 (14)
3.2 车架的受载分析 (17)
3.2.1 静载荷 (17)
3.2.2 对称的垂直动载荷 (17)
3.2.3 斜对称的动载荷 (17)
3.2.4 其他载荷 (17)
3.4 车架设计计算 (19)
3.4.1 求支座反力 (19)
3.4.2 纵梁的剪力和弯矩计算 (19)
3.4.3 车架材料的确定 (20)
3.4.4 纵梁截面特性的计算 (21)
3.4.5 弯曲应力计算与校核 (21)
第4章车架的制造工艺 (23)
4.1 车架梁的制造工艺 (23)
4.1.1 纵梁 (23)
4.1.2 横梁 (24)
4.2 焊接工艺 (25)
4.2.1 焊接工艺分析 (25)
4.2.2 焊接方法和焊接参数的选择 (26)
4.2.3 焊接工艺流程 (26)
4.3 涂装工艺 (26)
结束语 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
摘要
本人的设计是中型货车的车架结构设计。

设计的车架为梯形车架，无变截面，采用螺钉、焊接及铆接的联接形式。

这次设计包括：纵梁的强度计算及校核、车架结构的方案论证、车架总成设计。

这次设计，共绘制了3.5张图纸，翻译外文资料一份，编写说明书一份。

本次设计是在教师的指导下进行的。

关键词：中型车、车架、设计
ABSTRACT
The design is about the frame of light-duty truck.The frame is adopt trapezoid frame,and the it is straight in the 3-D space,the connect form is adopt bolt nail、jointing and so on.The design include:carling intension’s calculate and check、the project argumentation of configuration of the frame、and the assembly design of the frame.
This design has totalily made 4.5 drawings of A0,one foreign article translation,and write a illumination book.The design is under the teacher’s supervise.
Key word:light-duty truck ,frame,design.
第一章绪论
进入2000年以来在国家宏观经济持续发展的大好形势带动下，汽车工业进入了快速发展时期。

资本重组力度不断加大，生产集中度逐年提高，新技术新车型不断推出。

市场消费环境正在改善，私人购车异常活跃。

2001年汽车销售234万辆，其中轿车72.15万辆；同比2000年分别增长13.6%和18.3%。

2002年销售325万辆，其中轿车112.6
万辆；同比分别增长38.8%和56%。

2003年在2002年高速增长的基础上，产销售量双双突破400万辆，全年销售439.1万辆，其中轿车197.16万辆；同比分别增长35.5%和75.3%。

纵观我国汽车工业五十年的发展史和上述的汽车销量，在改革开放初期，1980年的产量达到22万辆，1992年达到102万辆，也就是说第一个100万辆用了近四十年的时间，2000年达到206万辆,第二个100万辆仅用了八年的时间，第三个100万辆用了二年的时间，第四个100万辆用了一年的时间，体现了中国汽车工业发展潜力和中国加入WTO后，加强国际合作的成果。

汽车工业的快速发展使中国在国际汽车市场中的地位显著提高，目前中国汽车产量已位居世界第四位，已开始成为世界汽车工业重要组成部分。

汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志。

汽车工业是资金密集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。

世界各个工业发达国家几乎无一例外地把汽车工业做为国民经济的支柱产业。

汽车的研制、生产、销售、营运，与国民经济许多部门都息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起重要推动作用。

中国的汽车工业是在1949年后才建立起来的。

我国汽车工业经过40年的艰苦创业、巩固、调整与发展，虽然与世界先进水平还有相当大的差距，汽车品种尚不能完全满足国民经济的需要，但已形成相当的规模并明确了发展方向，为迅速腾飞奠定了较好的基础。

到本世纪末，将集中人力、财力、物力分期分批建成几个大型现代化的轿车、轻型车、重型车基地并进一步提高中型车的水平。

第一节课题背景
车架相对于汽车就如骨骼相对于人，重要性毋庸置疑，它的优劣几乎
关系到车的一切操控、舒适、性能、安全。

车架是汽车各个部件装配的基
体，任何部件都直接或间接的安装在车架上，它承受着来自各个方向的力
和力矩，因此必须要有足够的刚性和韧性。

我们可以通过加厚材料等方法
获得足够的刚性但汽车毕竟同速度相依相存，过重的车身必然影响加速的
迅捷和操控的灵活，轻巧绝对不可忽视，而且轻巧的车架也意味着使用更
少的材料、获得更好的燃油经济性。

于是刚性和轻量化成为车架发展的主
要目标，新型材料和力学成为车架发展的基础。

车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机、底盘和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成一辆完整的汽车。

同时，车架还承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，即车架要承受各种静载荷和动载荷。

为了使车架完成上述功能，通常对车架有如下的要求：
一、有足够的强度。

保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏。

要求有足
够的疲劳强度，保证在汽车大修里程内，车架不致有严重的疲劳损伤。

二、有足够的弯曲刚度。

保证汽车在各种复杂受力的使用的条件下，固定在
车架上的各总成不致因为车架的变形而早期损坏或失去正常的工作能力。

载
货汽车车架的最大弯曲挠度应小于10mm。

三、有适当的扭转刚度。

当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面不
平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求车架具有合适的扭转刚
度。

通常要求车架两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。

四、尽量减轻质量。

由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大。

因此，车架
应按等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。

在保证
强度的条件下，尽量减轻车架的质量。

通常，要求车架的质量应小于整车质
量的10%。

1.2 车架发展史
19世纪末，20世纪初期，汽车车架均为木制，仅在某些小型汽车上部分采用钢管制车架。

当时人们认为钢管式车架价格太贵，而且加大尺寸时又显得太软。

1903年时，有32％的汽车采用木制车架，而采用钢管式车架的汽车仅占14％。

至1911年，这两种车架均遭淘汰，取而代之的是型钢——由角钢或槽钢制成的车架。

为加大车轮转向角度，车架前部的纵梁须向内弯曲。

传动轴的普及致使车架的后桥部位呈弯曲状，或由直纵梁组合制成。

至20世纪20年代，车架开始采用梯形结构，且前后部分均如此。

此后不久，这种结构又进一步改进，车架的前轴处呈弯曲状而位于前轴之上。

此结构用于跑车上有利于降低重心(前轴可置于弹簧之下)，用于公共汽车上则制成若干阶梯方便乘客上、下车。

此后，工程师艾·鲁姆普列尔一改传统的梯形结构，在车身呈水滴状的“特劳芬瓦根”车箱上采用与其车身相对应的山脊式结构的车架。

与此同时，汉斯·列德文卡为“太脱拉－11”设计出所谓山脊式结构车架——管径为110mm、壁厚为3mm的管状结构。

发动机、变速器及差速器壳体通过螺栓与车架相联并保持其承载功能。

汉斯·列德文卡的设计中又将其前部改进成叉型结构专供固定发动机，并用于“奥地利－戴姆勒”车型上。

在发动机机后置的“默谢台斯—130H”汽车上，叉型结构自然被移至车架后部。

而在“汉兹”汽车上则采用箱式梁取代管状结构。

至30年代，山脊式结构车架产生新变化——呈X型。

设计师的思路又开始转向承载式车身。

1921年出产的兰西亚汽车车身即由钢板制成。

从其本质上看，此车架已呈立体式，即已形成供安装车身壁板的侧板。

为减轻自重，此车架上开了不少孔洞。

1927年，德国工程师古斯塔夫·列尔提出与此相类似的结构——即所谓低位箱式车架。

这种车架将车身底板与薄钢板制箱式梁联为一体。

而传统的梯形车架仅用于大吨位、大功率的美国汽车。

30年代中期，因车架结构已变得极为复杂，汽车制造者们才开始真正采用全金属承载式车身。

由于钢骨设计的车架必须通过许多接点来连结主梁和副梁，加之笼状构造也无法腾出较大的空间，因此除了制造上比较复杂、不利于大量生产之外，也不适合用在强调空间的四门房车上。

随后单体结构的车架在车坛上成为主流，笼状的钢骨车架也逐渐改由这种将车体与车架合二为一的单体车架所取代，这种单体车架一般以“底盘”称之。

关于单体车架，简单的说就是将引擎室、车厢以及行李厢三个空间合而为一，这样的好处除了便于大量生产，模组化的运用也是其中主要的考虑。

通过采取模组化生产的共用策略，车厂可以将同一具车架分别使用在数种不同的车款上，这样也可节省不少研发经费。

除了有利于共用，车体车架也可以通过材料的不同来发挥轻量化的特性，例如本田NSX所使用的铝合金以及法拉利F50、Enzo所使用的碳纤维材料等。

铝合金是80年代末期相当热门的一种工业材料，虽然重量比铁轻，但是强度却较差，因此如果要用铝合金制成单体车架，虽然在重量上比起铁制车架更占优势，但是强度却无法达到和铁制车架同样的水准。

除非增加更多的铝合金材料，利用更多的用量来弥补强度上的不足。

不过这样一来，重量必然会相对增加，而原本出于轻量化考量而采用铝合金材料的动机，当然也就失去了意义。

也正因为这个原因，铝合金车架在车坛上并未成为主流，少数高性能跑车或是使用了强度更高的碳纤维，或是用碳纤维结合蜂巢状夹层铝合金的复合材料取代了铝合金。

但是要用碳纤维制成单体车架，在制作上相当复杂且费时，成本也相对更高，所以至今仍无法普及到一般市售车上，而仅有少数售价高昂的跑车使用。

尽管铝合金车架鲜有车厂使用，不过用钢铁车架搭配铝合金钣件的方式，近年来却受到不少车厂的重视，这样的结构不仅可以保留车架本身的强度，同时也可以通过钣件铝合金化来取得轻量化效果，在研发成本上自然也不像碳纤维制的单体车架那样昂贵。

欧美从90年代开始逐渐提高了撞击事故的安全防护标准，这也是凸现出车架刚性重要的另一原因。

许多车厂为了在撞击事故发生时能够确保车内乘员的安全，惟有针对车架以及车体进行全面强化，这也使得除了车架以外的强度有所改善，包括钣件厚度的改变以及各种辅助梁的增设也成为各厂惯用的手法。

不过在这样的情况下，伴随而来的是车重相对增加，这也正是欧美日许多市售车的重量比起10年前、20年前增加不少的主要原因。

关于刚性的确保，大多数车厂在新车的设计阶段，都是利用电脑计算出车架的刚性需求，并以此作为设计依据。

有些车厂在用电脑完成设计雏形后，还会再由专业的试车
人员进行实际测试。

1.3 国内车架的发展
中国第一汽车集团凌源汽车制造有限公司汽车车架U型槽合数控冲孔生产线竞标成功。

汽车车架U型槽合数控冲孔生产线是我公司继两年前成功设计制造了合肥江淮汽车厂汽车纵梁数控平板冲孔生产线的基础上，在汽车纵梁数控冲孔方面的又一标志性成果，填补了国内设计制造汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的空白。

汽车车架U型槽合数控冲孔生产线的设计制造成功，在汽车制造行业具有划时代的意义，标志着中国在汽车车架数控冲孔加工的生产设备方面达到了国际先进水平，降低了汽车制造行业购置汽车车架数控冲孔生产线的巨大费用，积极推动了中国汽车制造业的飞速发展，为中国汽车制造业早日与国际接轨奠定了基础。

我国的车架企业基本拥有剪切、冲压、焊接、铆接、油漆、机加工六大工艺能力和完善的检测手段、研究设计中心，具有16吨至3000吨的冷冲压能力，具备了开发、设计、生产各种类型车架。

第2章设计方案论证
2.1 设计参数
设计参数：整备自重：Gs=5380kg，有效载重：Ge=16 000kg
2.2 车架在实际环境下要面对的四种压力
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力。

如果车架在某方面的韧性不佳，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种压力。

(1)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，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，这情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。

(2)横向弯曲
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。

(3)非水平扭动
当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压
力，情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。

(4)负载弯曲
从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量，是由车架承受的，通过轮轴传到地面。

而这个压力，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。

2.3 车架设计的技术要求
为了使车架符合上述功用，通常对设计的车架有如下的要求：
2.3.1 必须有足够的强度
保证在各种复杂受力的使用情况下车架不受破坏。

要求有足够的疲劳强度，保证在汽车大修里程内，车架不致有严重的疲劳损伤。

纵梁受力极为复杂，设计时不仅应注意各种应力，改善其分布情况，还应该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应力，减少应力集中并避免失稳。

而在前、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：
(1)、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左右）；
(2)、提高局部扭转刚度
a. 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；
b.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；
c.将悬置点分布在横梁的弯曲中心上；
d.当偏心载荷较大并偏离横梁较远处时候，可以采用K形梁，或者将该段纵梁形成封闭断面；
e.偏心载荷较大且比较分散时候，应该采用封闭断面梁，横梁间距也应缩小；
f.选用较大的断面；
g.限制制造扭曲度，减少装配预应力。

(3)、提高整体扭转强度
a.不使纵梁断面过大；
b.翼缘连接的横梁不宜相距太近。

（4）、减少应力集中及疲劳敏感
a.尽可能减少翼缘上的孔（特别是高应力区），严禁在翼缘上布置大孔；
b.注意外形的变化，避免出现波纹区或者受严重变薄；
c.注意加强端部的形状和连接，避免刚度突变；
d.避免在槽形梁的翼缘边缘处施焊，尤其畏忌短焊缝和“点”焊。

（5）、减少失稳
a.受压翼缘宽度和厚度的比值不宜过大（常在12左右）；
b.在容易出现波纹处限制其平整度。

（6）、局部强度加强
a.采用较大的板厚；
b.加大支架紧固面尺寸，增多紧固数量，并尽量使力作用点接近腹板的上、下侧面。

2.3.2 车架的轻量化
由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大。

因此，车架应按等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料的消耗量。

在保证强度的条件下，尽量减轻车架的质量。

通常要求车架的质量应小于整车整备质量的10％。

本设计主要对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，使车架纵梁具有足够的强度，以此来确定车架的断面尺寸。

（参照《材料力学》）另外，目前钢材价格暴涨，汽油价格上涨，从生产汽车的经济性考虑的话，也应尽量减轻整车的质量。

从生产工艺性考虑，横纵梁采用简便可靠的连接方式，不仅能降低工人的工作强度，还能增强车架的强度。

2.4 车架结构的确定
2.4.1 车架类型的选择
车架的结构形式可以分为边梁式、中梁式（或称脊骨式）和综合式。

而在有些客车和轿车上车身和车架制成一体，这样的车身称为“半承载式车身”，有的为加强了车身则能完全起到车架的作用，这样的车身称为“承载式车身”，不另设车架。

随着节能技术的发展，为了减轻自重，越来越多的轿车都采用了承载式车身。

下边先分别列举下各车架的特点。

（1）边梁式车架的构造
这种车架由两根纵梁及连接两根纵梁的若干根横梁组成，用铆接和焊接的方法将纵横梁连接成坚固的刚性构架。

纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面一般为槽型，z星或箱型断面。

横梁用来连接纵梁，保证车架的抗扭刚度和承载能力，而且还用来支撑汽
车上的主要部件。

边梁式车架能给改装变型车提供一个方便的安装骨架，因而在载重汽车和特种车上得到广泛用。

其弯曲刚度较大，而当承受扭矩时，各部分同时产生弯曲和扭转。

其优点是便于安装车身、车箱和布置其他总成，易于汽车的改装和变形，因此被广泛地用在载货汽车、越野汽车、特种汽车和用货车底盘改装而成的大客车上。

在中、轻型客车上也有所采用，轿车则较少采用。

用于载货汽车的边梁式车架（图2-1），由两根相互平行但开口朝内、冲压制成的槽型纵梁及一些冲压制成的开口槽型横梁组合而成。

通常，纵梁的上表面沿全长不变或局部降低，而两端的下表面则可以根据应力情况相应地缩小。

车架宽度多为全长等宽。

图2-1 边梁式车架
X型车架是边梁式车架的改进，这种车架由两根纵梁及X型横梁组成，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将扭矩转变为弯矩，对短而宽的车架，这种效果最明显。

车架中部为位于汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁。

前端的叉形梁用于支撑动力、传动总成，而后端则用于安装后桥。

传动轴经中部管梁通向后方。

中部管梁的扭转刚度大。

前后叉形边梁由一些横梁相连，后者还用于加强前、后悬架的支撑。

管梁部分位于后座乘客的脚下位置且在车宽的中间，因此不妨碍在其两侧的车身地板的降低，但地板中间会有较大的纵向鼓包。

门槛的宽度不大，虽然从被动安全性考虑，要求门槛有足够的强度和刚度。

轿车要是使用边梁式车架，为了降低地板高度，可局部地减少纵梁的断面高度并相应地加大其宽度，但这使纵梁的制造工艺复杂化且其车身地板仍比采用其他车架时为高，当然地板上的传动轴通道鼓包也就不大了。

所以X型车架较多使用于轿车。

还有周边式车架，这种车架是从边梁式车架派生出来的，前后两端纵梁变窄，中部纵梁加宽，前端宽度取决于前轮最大转角，后端宽度取决于后轮距，中部宽度取决于车身门槛梁的内壁宽，前部和中部以及后部和中部的连接处用缓冲臂或抗扭盒相连，具有一定的弹性，能缓和不平路面的冲击。

其结构形状容许缓冲臂有一定的弹性变形，可以
吸收来自不平路面的冲击和降低车内噪声。

此外，车架中部加宽既有利于提高汽车的横向稳定性，又可以减短了车架纵梁外侧装置件的悬伸长度。

在前后纵梁处向上弯曲以让出前后独立悬架或非断开式后桥的运动空间。

采用这种车架时车身地板上的传动轴通道所形成的鼓包不大，但门槛较宽。

这种车架结构复杂，一般在中、高级轿车上采用。

（2）中梁式车架（脊骨式车架）
其结构只有一根位于中央而贯穿汽车全长的纵梁，亦称为脊骨式车架。

中梁的断面可做成管形、槽形或箱形。

中梁的前端做成伸出支架，用以固定发动机，而主减速器壳通常固定在中梁的尾端，形成断开式后驱动桥。

中梁上的悬伸托架用以支承汽车车身和安装其它机件。

若中梁是管形的，传动轴可在管内穿过。

优点是有较好的抗扭转刚度和较大的前轮转向角，在结构上容许车乾有较大的跳动空间，便于装用独立悬架，从而提高了汽车的越野性；与同吨位的载货汽车相比，其车架轻，整车质量小，同时质心也较低，故行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘罩作用。

缺点是制造工艺复杂，精度要求高，总成安装困难，维护修理也不方便，故目前应用较少。

（3）综合式车架
综合式车架是由边梁式和中梁式车架联合构成的。

车架的前段或后段是边梁式结构，用以安装发动机或后驱动桥。

而车架的另一段是中梁式结构的支架可以固定车身。

传动轴从中梁的中间穿过，使之密封防尘。

其中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，且制造工艺较复杂。

此种结构一般在轿车上使用。

车架承受着全车的大部分重量，在汽车行驶时，它承受来自装配在其上的各部件传来的力及其相应的力矩的作用。

当汽车行驶在崎岖不平的道路上时，车架在载荷作用下会产生扭转变形，使安装在其上的各部件相互位置发生变化。

当车轮受到冲击时，车架也会相应受到冲击载荷。

因而要求车架具有足够的强度，合适的刚度，同时尽量减轻重量。

在良好路面行驶的汽车，车架应布置得离地面近一些，使汽车重心降低，有利于汽车稳定行驶，车架的形状尺寸还应保证前轮转向要求的空间。

由于设计的是中型载货汽车汽车车架，根据其特点选用边梁式车架。

纵梁上、下表面为平直，断面呈槽形，其结构简单，工作可靠，不仅能降低工人工作强度，而且其造价低廉，有良好的经济性，将广泛地用于各种载货汽车、客车上。

选取的方案优点：边梁式车架由两根纵梁的若干根横梁组成，该结构便于安装驾驶室、车厢和其它总成，被广泛用在载重货车、特种车和大客车上。