1、第1章 緒論1.1 課題背景汽車的使用條件復雜，其受力情況也十分復雜，隨著汽車行駛條件（車速和路況）的變化，車架上的載荷變化也很大，而車架，作為汽車的主要承載工件，它的好壞直接關系著汽車的各方面性能，如操作穩定性、安全性、舒適性、燃油經濟性等。有過汽車在使用過程中，車架斷裂的情況發生。所以對車架的主要受力件車架縱梁的強度進行校核，有著至關重要的意義。確保車架在各個工況下，車架縱梁的彎曲強度都符合材料的彎曲強度極限要求，如果不符合要求的，找出解決的方案，保證人與財產的安全。  另外，隨著油價的上漲和國家對汽車尾氣排放標準的不斷提高，對載貨汽車車架進行設計，不管是對其結構參數的

2、優化設計，對其進行輕量化的優化設計，還是對汽車車架進行疲勞壽命預測分析等，都是出于對汽車動力性、安全性、燃油經濟性的考慮。是非常有必要的。研究新的車架材料，減輕其質量，可以有效減少其整備質量。1.2車架的發展歷程車架”這個名稱原本是從法文的“Chassis”衍生而來的，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。第2章 方案論證參考車型及其參數公告型號CA1092PK26L5E4公告批

3、次228品牌解放類型載貨汽車額定質量4990總質量8785整備質量3600燃料種類排放依據標準軸數2軸距4560軸荷3585/5200輪胎規格接近離去角28/12前懸后懸1080/2355前輪距后輪距識別代號整車長7995整車寬2260,2445整車高2430貨廂長6180貨廂寬2115,2300貨廂高560最高車速95載質量利用系數1.44備注該車帶OBD,防護材料材質:Q235-A,連接方式:螺栓連接,后部防護裝置的斷面尺寸(mm):145×50,離地高度:545mm。2.1 汽車車架受力情況2.1.1車架水平菱形扭動力因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，（路面的

4、鋪設情況、凹凸起伏、障礙物及進出彎角等等）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生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。2.1.2車架非水平扭動力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。2.1.3車架橫向彎曲力所謂橫向彎曲，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。2.1.4車架負載彎曲力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

5、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(member），一般都要求較強的剛度。2.2車架設計要求2.2.1車架必須要有一定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。縱梁受力極為復雜，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。而在前、后端，則應著重控制懸架系統引起的局部扭轉。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

6、：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，并使合成量較小；在偏心載荷較大處設置橫梁，并根據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），嚴禁在翼緣上布置大孔； 注意外形的

7、變化，避免出現波紋區或者受嚴重變薄；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 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，增多緊固數量，并盡量使力作用點接近腹板的上、下側面。2.2.2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

8、，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，從生產汽車的經濟性考慮的話，也應盡量減輕整車的質量。從生產工藝性考慮，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。2.3車架形式的確定2.3.1邊梁式車架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

9、特種車上得到廣泛用。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產生彎曲和扭轉。其優點是便于安裝車身、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應力情況相應地縮小。車架寬度多為全長等寬。2.3.2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

10、或箱形。中梁的前端做成伸出支架，用以固定發動機，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。優點是有較好的抗扭轉剛度和較大的前輪轉向角，在結構上容許車乾有較大的跳動空間，便于裝用獨立懸架，從而提高了汽車的越野性；與同噸位的載貨汽車相比，其車架輕，整車質量小，同時質心也較低，故行駛穩定性好；車架的強度和剛度較大；脊梁還能起封閉傳動軸的防塵罩作用。缺點是制造工藝復雜，精度要求高，總成安裝困難，維護修理也不方便，故目前應用較少。2.3.3綜合式車架 綜合式車架是由邊梁式和中梁式車架聯合構成的。車架的前段或后

11、段是邊梁式結構，用以安裝發動機或后驅動橋。而車架的另一段是中梁式結構的支架可以固定車身。傳動軸從中梁的中間穿過，使之密封防塵。其中部的抗扭剛度合適，但中部地板凸包較大，且制造工藝較復雜。此種結構一般在轎車上使用。 車架承受著全車的大部分重量，在汽車行駛時，它承受來自裝配在其上的各部件傳來的力及其相應的力矩的作用。當汽車行駛在崎嶇不平的道路上時，車架在載荷作用下會產生扭轉變形，使安裝在其上的各部件相互位置發生變化。當車輪受到沖擊時，車架也會相應受到沖擊載荷。因而要求車架具有足夠的強度，合適的剛度，同時盡量減輕重量。在良好路面行駛的汽車，車架應布置得離地面近一些，使汽車重心降低，有利于汽車穩定行駛

12、，車架的形狀尺寸還應保證前輪轉向要求的空間。 第3章 車架結構3.1 車架結構形式的選定 3.1.1車架寬度的確定車架寬度是指左右縱梁腹板外側面之間的寬度。在總體設計中，整車寬度確定后，車架前后部分寬度就可以根據前輪最大轉向角、輪距、鋼板彈簧片寬、裝在車架內側的發動機外廓寬度及懸置等尺寸確定。從提高整車的橫向穩定性以及減小車架縱梁外側裝置件的懸伸長度來看，車架盡量寬些，同時前后部分寬度應相等。本設計取的車架寬860mm。 3.1.2車架縱梁形式的確定縱梁是車架的主要承載部件，在汽車行駛中受較大的彎曲應力。車架縱梁根據截面形狀分有工字梁和槽形梁。由于槽形梁具有強度高、工藝簡單等特點，因此在載貨汽

13、車設計中選用槽形梁結構。另外為了滿足低速載貨汽車使用性能的要求，縱梁采用直線形結構。這樣既可降低縱梁的高度，減輕整車自身重量，降低成本，亦可保證強度。材料選用16Mn低合金鋼，16Mn低合金鋼在強度,塑性,可焊性方面能較好地滿足剛結構，是應用最廣泛的低合金鋼，綜合機械性能良好,正火可提高塑性，韌性及冷壓成型性能。根據本設計的要求，再考慮縱梁截面的特點，本方案設計的縱梁采用上、下翼面是平直等高的槽形鋼。縱梁總長為6815mm。優點：有較好的抗彎強度，便于安裝汽車部件。 3.1.3車架橫梁形式的確定橫梁是車架中用來連接左、右縱梁，構成車架的主要構件。橫梁本身的抗扭性能的好壞及其分布，直接影響著縱梁

14、的內應力大小及其分布 合理設計橫梁，可以保證車架具有足夠的扭轉剛度。從早期通過試驗所得出的一些結論可以看出，若加大橫梁的扭轉剛度，可以提高整個車架的扭轉剛度，但與該橫梁連接處的縱梁的扭轉應力會加大；如果不加大橫梁，而是在兩根橫梁間再增加橫梁，其結果是增加了車架的扭轉剛度，同時還降低了與橫梁連接處的縱梁扭轉應力在橫梁上往往要安裝汽車上的一些主要部件和總成，所以橫梁形狀以及在縱梁上的位置應滿足安裝上的需要。橫、縱梁的斷面形狀、橫梁的數量以及兩者之間的連接方式，對車機架的扭轉剛度有大的影響。縱、橫梁材料的選用有以下三種：車架A：箱型縱梁、管型橫梁，橫、縱梁間采用焊接連接，扭轉剛度最大。車架B：槽型縱

15、梁、槽型橫梁，橫、縱梁間采用鉚接連接，扭轉剛度適中。車架C：槽型縱梁、工字型橫梁，橫、縱梁間采用鉚接連接，扭轉剛度最小。從以上三種車架的對比可以看出：輕型載貨汽車應該選用車架B。 本設計共有八根橫梁，有前橫梁，發動機前懸置橫梁，發動機后懸置橫梁，駕駛室后懸置橫梁，中橫梁，后鋼板彈簧前支架橫梁，后鋼板彈簧后支架橫梁，后橫梁。3.2 縱梁與橫梁的連接 3.2.1車架縱梁與橫梁的連接形式貨車多以鉚釘連接（見下圖）。鉚釘連接具有一定彈性，有利于消除峰值應力，改善應力狀況，這對于要求有一定扭轉彈性的貨車車架有重要意義。車架鉚接示意圖鉚接設計注意事項：a.盡量使鉚釘的中心線與構件的端面重心線重合；b.鉚接

16、厚度一般不大于5d；c.在同一結構上鉚釘種類不益太多；d.盡量減少在同一截面上的鉚釘孔數，將鉚釘交錯排列；3.2.2橫梁在縱梁上的連接常見有三種型式：橫梁和縱梁上下翼緣相連；橫梁和縱梁的腹板相連；橫梁同時和縱梁的任一翼緣以及腹板相連。其中前后橫梁分別采用上下翼緣相連接的方式，可得到較大的連接跨度和連接剛度，使車架扭轉剛度增大，縱梁局部扭轉改善。第四橫梁即車架中部的橫梁采用腹板連接的方式，腹板連接結構與翼面連接結構相比，前者比后者可使縱梁的扭轉翹曲應力降低。橫梁和縱梁腹板及一個翼緣同時相連，則兼有以上兩種連接方式的特點，缺點在于作用在縱梁上的力直接傳到橫梁上。有時使橫梁只和縱梁的一個翼緣相連，則

17、極難發揮其剛度作用，因此不常采用。3.2.3車架加強版 第4章 車架設計計算4.1車架的載荷分析汽車靜止時，車架上只承受彈簧以上部分的載荷稱為靜載荷。汽車在行駛過程中，隨行駛條件(車速和路面情況)的變化，車架將主要承受對稱的垂直動載荷和斜對稱的動載荷。對稱的垂直動載荷是當汽車在平坦道路上以較高車速行駛時產生的，其值取決于作用在車架上的靜載荷及其在車架上的分布，還取決于靜載荷作用處的垂直加速度之值。這種動載荷會使車架產生彎曲變形。當汽車在不平道路上行駛時，汽車的前后幾個車輪可能不在同一平面上，從而使車架連同車身一起歪斜，其值取決于道路不平坦的程度以及車身、車架和懸架的剛度。這種動載荷將會使車架產

18、生扭轉變形。由于汽車的結構復雜，使用工況多變，除了上述兩種主要載荷的作用外，汽車車架上還承受其他的一些載荷。如汽車加速或制動時會導致車架前后載荷的重新分配；汽車轉向時，慣性力將使車架受到側向力的作用。一般來說，車架主要損壞的疲勞裂紋起源于縱梁和橫梁邊緣處，然后向垂直于邊緣的方向擴展。在縱梁上的裂紋將迅速發展乃至全部斷裂，而橫梁上出現的裂紋則往往不再繼續發展或擴展得很緩慢。根據統計資料可知，車架的使用壽命主要取決于縱梁抗疲勞損傷的強度。因此，在評價車架的載荷性能時，主要應著眼于縱梁。4.2車架縱梁的強度計算4.3車架的應力計算4.3.1支座反力的計算4.3.1縱梁的剪力和彎矩計算要計算車架縱梁的彎矩，先計算車架前支座反作用力，向后輪中心支座處求矩 F1前輪中心支座對任一縱梁（左縱梁或右縱梁）的反作用力N; F2后輪中心支座對任一縱梁（左縱梁或右縱梁）的反作用力N; L縱梁的總長，7215mm； l汽車軸距，4560mm； a前懸，1080mm； b后懸，2355mm； c貨廂長，6180mm； c1車廂前端到二軸的距離，4120mm； c2車廂后端到二軸的距離，2060mm； Ms空車時的簧載質量，