车架受⼒分析
⼤梁式车架受⼒分析
⼀、整车对车架的要求
⼆、车架的受⼒情况分析
三、车架的结构分析
1.车架的基本结构形式
2.车架宽度的确定
3.纵梁的形式、主参数的选择
4.车架的横梁及结构形式
5.车架的连接⽅式及特点
6.载货车辆采⽤铆接车架的优点
四、车架的计算
1.简单强度计算分析
2.简单刚度计算分析
3.CAE综合分析
五、附表
2000年7⽉1⽇
⼀、整车对车架的要求
车架是整车各总成的安装基体，对它有以下要求：
1.有⾜够的强度。要求受复杂的各种载荷⽽不破坏。要有⾜够的疲劳强度，在⼤修⾥程内不发⽣疲劳破坏。
2.要有⾜够的弯曲刚度。保证整车在复杂的受⼒条件下，固定在车架上的各总成不会因车架的变形⽽早期损坏或失去正常⼯作能⼒。
3.要有⾜够的扭转刚度。当汽车⾏使在不平的路⾯上时，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。对载货汽车，具体要求如下：3.1车架前端到驾驶室后围这⼀段车架的扭转刚度较⾼，因为这⼀段装有前悬架和⽅向机，如刚度弱⽽使车架产⽣扭转变形，势必会影响转向⼏何特性⽽导致操纵稳定性变坏。对独⽴悬架的车型这⼀点很重要。
3.2包括后悬架在内的车架后部⼀段的扭转刚度也应较⾼，防⽌由于车架产⽣变形⽽影响轴转向，侧倾稳定性等。
3.3驾驶室后围到驾驶室前吊⽿以前部分车架的刚度应低⼀些，前后的刚度较⾼，⽽⼤部分的变形都集中在车架中部，还可防⽌因应⼒集中⽽造成局部损坏现象。
4.尽量减轻质量，按等强度要求设计。
⼆、车架的受⼒情况分析
1.垂直静载荷：
车⾝、车架的⾃重、装在车架上个总成的载重和有效载荷（乘员和货物），该载荷使车架产⽣弯曲变形。
2.对称垂直动载荷：
车辆在⽔平道路上⾼速⾏使时产⽣，其值取决于垂直静载荷和加速度，使车架产⽣弯曲变形。
3.斜对称动载荷
在不平道路上⾏使时产⽣的。前后车轮不在同⼀平⾯上，车架和车⾝⼀起歪斜，使车架发⽣扭转变形。其⼤⼩与道路情况，车
⾝、车架及车架的刚度有关。
4.其它载荷
4.1汽车加速和减速时，轴荷重新分配引起垂直载荷。
4.2汽车转弯时产⽣的侧向⼒。
4.3⼀前轮撞在凸包上，车架⽔平⽅向上产⽣箭切变形。
4.4装在车架上总成（⽅向机、发动机、减振器）产⽣的作⽤反⼒。
4.5载荷作⽤线不通过纵梁的弯曲中⼼（油箱、悬架）⽽使纵梁产⽣局部受扭。
因此车架的受⼒是⼀复杂的空间⼒系，纵梁和横梁截⾯形状和连接的多变多样，使车架的受载更复杂化。车架CAE分析时⼀轮悬空这种极限⼯况，即解除⼀个车轮的约束，分析车架弯扭组合情况下的最⼤应⼒。
普通载货汽车车架的弯矩图如下：
三、车架的结构分析
1.车架的基本结构形式
边梁式（载货车、⼤客车常⽤结构）
框式周边式（复杂的边梁式，越野车、轿车常⽤）车架 X型式（X型横梁，抗扭性能强）
脊梁式（抗扭性能好）
综合式（前后框式、中间脊梁式）
⽬前公司各种车架基本都是边梁式车架。
2.车架宽度的确定
车架的宽度主要由前后轮距确定的，确定车架的宽度按以下原则进⾏：
①车架前部宽度主要考虑前轮的最⼤转⾓，选⽤成型的⽅向机要考虑⽅向机的安装，有时结合驾驶室的安装统⼀考虑。
②车架中部的宽度要考虑发动机及发动机附件（排⽓管、变速操纵杆）的安装。
③为考虑⾼速车的稳定性，希望增加车架后部宽度，以便能加⼤后簧托距。如BJ1027A和CA1026的托距都很⼤。
④对双胎车，车架后部宽度取决于轮胎、板簧、车架三者的间隙。
⑤从简化⼯艺的⾓度看，最好做成前后等宽，对低价位的产品，这⼀点很重要。
⑥考虑标准的要求，我国汽车专业标准规定中型载货车边梁式车架的宽度为864±5mm。
典型结构：
①轿车、微型车和单胎轻型车车架做成窄后宽结构，前部窄是为了增⼤前轮转⾓。从发动机安
装处开始加宽。
②双胎载货车，做成前宽后窄结构。如1028⾮独⽴悬架的都市⼩卡和NPR。
1049（NKR55LL）是以上两种车架的综合，前部宽度630、中部740、后部700。
NHR单胎车型前部宽度630，中部中部740、后部800。
3.纵梁的型式、主参数的选择
3.1纵梁的型式
纵梁主要有以下五种形式：槽型薄壁断⾯、闭⼝薄闭断⾯、Z字型断⾯、⼯字型断⾯等。其中重型载货汽车和超重型载货汽车采⽤⼯字型结构截⾯的型材，Z字型断⾯不常⽤。在此主要讨论前⾯两种结构形式的纵梁断⾯。两种结构（相同的断⾯⾯积）的优缺点如下：
3.2纵梁主参数的选择
3.2.1要满⾜强度和刚度需要，具体从以下三个⽅⾯考虑：①根据轴距对车架刚度的初步验算；
②同类车型的类⽐分析，具体见附表（⼀）。③初步的强度计算。
3.2.2要考虑规划中产品对车架断⾯的要求，满⾜产品系列化对车架纵梁强度和刚度的要求。3.2.3车架纵梁要尽量简单，减少断⾯急剧过度及弯曲，减少应⼒集中。
3.2.4通过CAE分析，最终确定车架强度和加强板的形状和结构形式。
对槽型梁结构，要注意纵梁⾼宽⽐的确定，通常范围为 2.8—3.5之间，例如1029车架为170/55=3.09⽐较合适。1046E6为195/55=3.54，宽度偏⼩。
4.车架的横梁及结构形式
车架横梁将左、右纵梁连接起来，构成⼀个框架，使车架有⾜够的扭转刚度。汽车的主要总成也靠横梁⽀撑。具体的确定的原则如下：
4.1要确保车架前部的扭转刚度。对独⽴悬架车型，更要注意。
4.2板簧⽀架和吊⽿处尽量设置横梁，以降低纵梁的应⼒和变形。后板簧前后⽀架处⼒和转距很⼤，⼀般设置⼀根抗扭刚度⼤，连接宽度的横梁。
4.3发动机部位，尽量设计简易的横梁，减少纵梁变形。
4.4合理设计横梁与纵梁的连接⽅式及结构，
4.4.1横梁和纵梁的腹板连接，⼯艺简单，连接刚性差，但不会使纵梁出现⼤的应⼒，车架中部采⽤这种连接。
发动机支架4.4.2横梁与纵梁腹板及翼⾯（上或下）相连接。
⼯艺并不复杂，应⽤⼴泛。但后板簧托架的⼒会通过纵梁传递给横梁，因此要减少板簧托架的悬伸长度，使载荷点尽量靠近纵梁弯曲中⼼。当偏⼼载荷较⼤时，可将纵梁做成局部封⼝，或将横梁穿过纵梁，将载荷直接传递给横梁。
4.4.3横梁与纵梁上下翼⾯相连接。
由于有刚性很好的⾓⽀撑，可产⽣良好的斜⽀撑作⽤，使整个车架刚度增加，翼⾯外边不会
因受压⽽产⽣翘曲。车架两端的横梁采⽤这种⽅式和纵梁连接。由于翼⾯不能⾃由翘曲，但转距过⼤时，纵梁翼⾯会出现应⼒过⼤现象。
4.4.4对受⼒较⼤的结构附件，要注意其与车架纵梁的连接⽅式，避免因纵梁局部应⼒过⼤造成纵梁开裂。注意减振器⽀架、驾驶室⽀架、板簧⽀架、发动机⽀架的设计。
5.车架的连接⽅式和特点
车架的连接⽅式有铆接、焊接和螺栓连接三种:
5.1铆接车架：铆接成本低，适合于⼤批量⽣产，其刚度与铆钉的数量极其分布有关，因此铆钉布置设计很重要。
5.2焊接车架：焊接车架能使其连接牢固，不致产⽣松动，能保证有⼤的刚度。但焊接容易产⽣较⼤的变形和内应⼒，因此对
焊接的质量要求很⾼。适⽤于⼩批量⽣产和修理。
5.3螺栓连接：
特殊使⽤条件和特殊⽤途的车架采⽤。但长期使⽤，容易产⽣松动，易发⽣严重的质量事故。⼀般汽车的纵梁和横梁的连接不采⽤这种⽅式。
⽆论是焊接车架，还是铆接车架，紧固件的数量和尺⼨应和横梁的⼤⼩相适应，铆钉分布不要太近。当利⽤连接板的翻边紧固时，应加⼤连接板的宽度和厚度，紧固孔应靠近翻边处，防⽌连接损坏。
6.载货车辆采⽤铆接车架的优点
对于车速较⾼（≥100km/h）和总质量⼤于3500kg的轻型汽车，建议采⽤铆接车架，优点如下：
6.1车速⾼，为确保⾼速⾏驶的稳定性，必须提⾼车架精度，因此优先采⽤铆接车架。
⽪卡、部分越野车、微型货车车架⼀般采⽤焊接⼯艺（纵梁是薄壁闭⼝断⾯）。是受以下⼏个特殊因素影响⽽决定的：①这部分车型使⽤中超载不多。②断⾯较⼩，最⼤断⾯⾼在130毫⽶以下，采⽤铆接时铆钳空间不够充裕。③前两类产品的批量不⼤，如采⽤铆接投⼊较⼤。
6.2矩管焊接车架的缺点
虽部分⼩型货车和越野车采⽤矩管车架，有以下缺点：
6.2.1矩形管弯曲后回弹⼤，影响了整车⾼度⽅向的基准。焊接后车架本⾝的尺⼨精度不⾼。6.2.2矩形管纵梁，同样抗弯模量前提下，成本⾼。原2310-II车架（100X50X5）170.6公⽄重，成本1100元，改成1022EZC2A冲压车架（150X50X4），总成131公⽄，成本830元，成本降低，抗弯模量⼤幅度增加。
6.2.3不利于总布置。线路、管路、附件的固定不好处理。
6.3 焊接车架焊接变形⼤
1022EZC2A车架为冲压焊接车架，焊接变形⼤，长期以来达不到设计要求，只好办理偏差许可，具体数据见附表（⼆）。6.4焊接车架不可避免有焊接缺陷
对焊接⼯艺，容易出现过烧、假焊、咬边等焊接缺陷，由于焊接缺陷的存在，车架出现质量问题的机会增多。
6.5 对卡车⾏业，铆接车架是主流
国内轻型车⾏业中，除了北轻汽受⼯艺条件的限制以外，基本都是铆接车架。北轻汽的主导产品BJ1041和BJ1061为焊接车架，BJ1041严格说来是⼀种“轻抛车型”，后悬架为渐变刚度簧，⽆副簧，整车承载能⼒弱，销售区域也基本在北⽅。焊接车架不是轻卡车架的主流。
6.6公司即将有铆接⼯艺
为⽣产BJ1049轻卡的车架，公司正在上是铆接线，为进⼀步分摊铆接线的投⼊，新设计的车架应优先考虑采⽤铆接⼯艺。
四、车架计算
1.简单强度计算
附表
附表（⼀）
怀柔车辆⼚1022EZC2A车架尺⼨实际精度