淺談客車車架設計

陳嘯，李婷婷

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

淺談客車車架設計

陳嘯，李婷婷

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

本文簡要介紹了客車車架的設計方法。

客車；車架；設計

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

前言

客車底盤作為客車的三大組成部分之一，是客車動力性、經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保等性能的基礎，從車身設計制造的角度來看，必須選用與其緊密匹配的底盤和發(fā)動機才能發(fā)揮其整體優(yōu)勢。所以客車底盤技術(shù)水平的不斷提高是客車技術(shù)賴以發(fā)展的基礎，是制約客車產(chǎn)品上質(zhì)量、上水平、上檔次的一個“瓶頸” 。統(tǒng)計資料表明，客車底盤(含發(fā)動機)的重量占整車的一半左右，與其制造成本的比例相當，由此可見底盤和發(fā)動機在客車中占有重要的位置。車架是底盤設計的重要項目，因為它的好壞直接關系到客車的一切性能（操控、性能、安全、舒適等等）。評價車架設計和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應該清楚了解的是車輛在行駛時，車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的性能不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達到良好的操控表現(xiàn)。

1、車架實際環(huán)境下受力分析

1.1 負載彎曲

從字面上就可以十分容易的理解這個作用力，部分汽車的非懸掛重量是由車架承受的，通過輪胎傳到地面[1-3]。而這個載荷，主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強的剛度。

1.2 非水平扭動

當前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的立柱便要承受這個縱向扭曲壓力[4-6]，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。

1.3 橫向彎曲

所謂橫向彎曲，就是汽車在轉(zhuǎn)彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產(chǎn)生向外彎甩的傾向，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[4-6]。

1.4 水平菱形扭動

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(chǎn)生推拉以至變形[4-6]，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。

2、確定車架設計條件

在車架設計時，必須明確以下設計條件，應對總布置及有關專業(yè)進行細致的了解，必要時需查閱已有的試驗分析資料、開展專門的試驗工作和使用調(diào)查。

2.1 市場狀況

擬設計車型的類別、用途、使用條件（如裝載情況、道路條件、運行情況等）、需求量情況（數(shù)量、時間、前景預期等）、可靠性要求、以及同類車型（特別是競爭對象）的車架

使用情況[3]。

2.2 車型系列化情況

同時設計的車型以及準備發(fā)展的車型有哪些？這些車型的外形尺寸和載荷級別的情況如何？主要車型是哪些？

2.3 生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)方式

有關生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)率的準則如何？在采用大型復雜模具、自動焊接設備等方面的約束條件如何？哪些車型須按批量生產(chǎn)考慮[3]？

2.4 總布置對車架部件的形狀和尺寸的限定情況，各部件同車架的連接尺寸。

2.5 汽車載荷大小及其分布，各部件的重量和中心位置及其在車架上的懸置位置。

3、確定車架設計要求

3.1 可靠性及耐久性要求

縱梁等主要零件，在使用期內(nèi)，不得出現(xiàn)嚴重的致命故障，如嚴重變形及開裂，致使其它部件不能正常安裝和工作[7]。

3.2 剛度及振動特性要求

車架的固有頻率不應與車身等的固有頻率以及發(fā)動機和簧下質(zhì)量的激勵頻率相耦合，致使平順性和操縱穩(wěn)定形變壞、噪音過大、零件損壞。車架扭轉(zhuǎn)剛度應適度避免變形過大，橫擺嚴重，通過性變壞，可靠性下降。

車架滿載時垂直彎曲撓度通常約在10mm以內(nèi)。行駛中最大扭角約為每米軸距1°[2]。

3.3 安全性要求

在正常使用條件下，能克服障礙物的干擾，保護車輛前部板件少受損壞。在發(fā)生碰撞事故時，能吸收大部分碰撞能量、降低減速度值、避免乘員空間被嚴重擠占而危及乘員生命[1]。

3.4 改裝性及維修性要求

避免改裝時對車架部件進行較大的改動，如過多的增加新孔，維修需方便。

4、車架設計布置要求

客車車架在設計過程中不但要考慮各總成零部件的合理布置以及其方便維修性、可靠性和工藝性, 還要充分考慮最大限度地滿足車身對底盤的特殊要求, 如縱梁的結(jié)構(gòu)、橫梁和外支架(牛腿) 的位置及連接方式、行李箱大小、地板高度和通道寬度、駕駛區(qū)及座椅布置、車門數(shù)量和位置等。對同樣型號的客車底盤, 不同的用戶對車架的要求不盡相同, 甚至有較大的差異。

同時，車架總成要負責控制校核如下內(nèi)容：

1、協(xié)調(diào)發(fā)動機及其附件在車架縱梁上的安裝孔及牛腿安裝孔；

2、橫梁位置與底盤分總成（油箱、電瓶）及車身結(jié)構(gòu)（前、中、后門、側(cè)圍立柱）的匹配；

3、協(xié)調(diào)制動管路、暖風管路、電線束、油路等管線在車架中的分布及穿線管；

4、校核底盤各總成間的運動干涉，相關總成的裝缷空間（如緩速器、傳動軸）。

5、結(jié)構(gòu)設計要求

5.1 模塊化設計要求

（1）由設計任務書及底盤總布置確定車架基本結(jié)構(gòu)（三段式、直大梁）和基本參數(shù)（軸距、前懸、后懸及車架前后段的寬度、主縱梁截面尺寸）。

（2）由動力總成確定發(fā)動機懸置在縱梁上安裝孔的位置；由冷卻系統(tǒng)布置確定水箱托架及風扇牛腿安裝位置；由進氣系統(tǒng)布置確定空濾器支架安裝位置；由排氣系統(tǒng)確定消聲器支架安裝位置；由空調(diào)系統(tǒng)確定壓縮機支架安裝位置。

（3）由懸架系統(tǒng)布置確定前、后懸鋼板支架位置、減震器、緩沖塊安裝位置或空氣彈簧支架安裝位置、推力桿支架安裝位置、穩(wěn)定桿支架安裝位置等。

（4）由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置確定方向機安裝位置、 中間垂臂支架安裝位置或角轉(zhuǎn)向器支架安裝位置。

（5）由車身總布置確定車架各牛腿安裝位置。

5.2 縱梁結(jié)構(gòu)及強度設計

縱梁的形狀及斷面如圖1所示[4-7]：

縱梁受力極為復雜，設計時不僅應注意降低各種應力，改善其分布情況，還應注意使各種應力峰值不出現(xiàn)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(zhuǎn)以應力，減小應力集中并避免失穩(wěn)。而在其前、后端，則應著重控制懸架系統(tǒng)引起的局部扭轉(zhuǎn)。提高縱梁強度。

常用的措施如下：

A. 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3：1）[8-11]；將上、下翼緣加厚或在其上貼加強板；將受拉力翼緣適當加寬；

B. 提高局部扭轉(zhuǎn)強度

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??；在偏心載荷較大處設置橫梁，并根據(jù)載荷大小及分散情況確定連接強度和寬度；將懸置點布置在橫梁的彎曲中心上；當偏心載荷較大且偏離橫梁較遠時，可采用K形梁，或?qū)⒃摱慰v梁形成封閉斷面；當偏心載荷較大且分散時，應采用封閉斷面梁，橫梁間距也應縮??；選用較大的斷面；限制制造扭曲度，減小裝配應力[9]；

C. 提高整體扭轉(zhuǎn)強度

不使縱梁斷面過大，在縱梁大斷面處、橫梁采用腹板連接；翼緣連接的橫梁不宜間距太近；

D. 減小應力集中及疲勞敏感

盡可能減小翼緣上的孔（特別是高應力區(qū)），嚴禁在翼緣上打大孔；注意外形的變化，避免出現(xiàn)波紋區(qū)或受拉嚴重變?。蛔⒁饧訌姸瞬康男螤罴斑B接，避免剛度突變；避免在槽形梁的翼緣邊緣處施焊，尤忌短焊縫和“點”焊；必要時可采用鉸孔或沖壓邊緣修磨，以提高某些薄弱部位的疲勞強度；

E. 減小失衡

在受壓翼緣和厚度的比值不宜過大（常在12左右）[8-11]；在容易失衡處加焊撐板；在容易出現(xiàn)波紋處限制其平整度；

F. 局部強度加強

采用較大的板厚；在集中力較大處將縱、橫梁局部貼加強板，必要時再將加強板壓成肋或翻邊；加大支架緊固面尺寸，增多緊固件數(shù)量，并盡量使力作用點接近腹板的上、下側(cè)。

5.3 橫梁結(jié)構(gòu)及強度設計

在車架結(jié)構(gòu)設計中，處理縱梁局部扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設計是最為重要的方面。其關鍵在于足夠的橫梁彎曲剛度、合理的連接設計[8]，以及橫梁在縱梁上的正確布置。橫梁將左、右縱梁聯(lián)接在一起構(gòu)成一個完整的框架，以限制其變形和改善某些部位的應力[9]，有的橫梁還同時作為發(fā)動機、散熱器、以及懸架系統(tǒng)等的緊固點，這些都是在結(jié)構(gòu)設計中的主要依據(jù)。

橫梁與縱梁有三種常見的連接形式：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。橫梁和縱梁翼緣連接，可得到較大的連接跨度和連接剛度，使車架扭轉(zhuǎn)剛度增大，縱梁局部扭轉(zhuǎn)改善，但常常引起車架扭轉(zhuǎn)應力提高，表現(xiàn)在翼緣應力加大，車架兩端的橫梁常用這種形式。橫梁和縱梁的腹板相連，則結(jié)果相反，可用于縱梁的大截面處或車架中部的橫梁處，并注意增大其連接跨度。經(jīng)有限元分析計算得知，腹板連接結(jié)構(gòu)與翼面連接相比，前者比后者可是縱梁的扭轉(zhuǎn)翹曲應力降低40%，也就是說在車架扭角較大的地方應盡量采用腹板連接結(jié)構(gòu)，以降低縱梁的局部翹曲應力。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。各種橫梁形式比較見表1：

表1

5.4 車架設計要點

車架受力復雜，縱梁和橫梁截面形狀和連接方式各式各樣, 要設計出結(jié)構(gòu)合理、可靠實用的客車底盤車架, 除通過理論計算和有限元分析[2]外, 還應注意以下幾個方面:

（1）充分考慮各總成零部件的總布置要求, 最大限度地滿足車身對底盤的要求。

（2）大客車車架縱梁和橫梁應盡量采用抗彎強度大的槽形截面16MnL 汽車用大梁[11], 根據(jù)不同的要求和布置需要,截面尺寸可不盡相同。

（3）橫梁與縱梁的連接結(jié)構(gòu)是大客車車架設計考慮的重要方面，包括：①橫梁與縱梁的上下翼面連接。該型式提高了縱梁的抗扭剛度, 但易產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)，造成縱梁翼面出現(xiàn)較大的應力。由于客車車架與車身共同承載，因此可以采用。②橫梁與縱梁的腹板連接。該型式連接剛度差，必須相應加強車架剛度，大客車車架不適合使用。③橫梁與縱梁的腹板和下翼面同時連接。該型式具有前兩種型式柔性抗扭和剛性抗彎的綜合特點，是大客車車架橫梁和縱梁最好的連接型式。

（4）橫梁與縱梁連接時, 橫梁端部具有最大的應力，為避免局部區(qū)域出現(xiàn)過大的連接負荷應力，應通過加寬斷面以盡可能增大連接區(qū)[9]。

（5）為提高車架抗彎曲剛度, 承受更大的載荷, 在直大

梁搭接處及三段式的前中后連接處必須焊接加強板。加強板的厚度不能大于縱梁厚度, 且材質(zhì)相同。面積較大時, 應采取塞焊、鉚接或者螺栓連接+ 周邊斷續(xù)焊。

（6） 懸架為高負荷區(qū), 在鋼板彈簧支架傳力處應有加強橫梁, 或采用加筋板、箱狀件加強而構(gòu)成的受剪結(jié)構(gòu),且該處縱梁不能對接。

（7）等高度縱梁的對焊應遠離高負荷區(qū),一般采用45°斜焊縫,要打坡口且有材質(zhì)相同厚度不大于縱梁的加強板。

（8）車架縱梁的鉆孔要遠離焊縫, 一般禁止在翼面上鉆孔, 若特殊需要, 應盡量靠近腹面, 禁止在縱梁彎曲區(qū)域內(nèi)孔。

（9）為滿足客車車架總布置的要求可合理地在縱梁翼面上切槽，但切槽深度不能大于翼面寬度2/ 3[11]。MANA55 及重汽公司開發(fā)的E12 等大客車底盤均有這樣的設計。

（10）橫梁和外支架應盡量增加合理的減重孔。

（11）采用封閉型材的剛性抗扭車架, 應使用焊接技術(shù)連接, 橫梁可采用管材,插入縱梁中焊接。

6、材料選用注意事項

6.1 性能要求

6.1.1 較大的實際疲勞強度

車架零件在正常使用情況下，應力極少達到材料的屈服點。常見的損壞形式是疲勞裂紋[3]?？v橫梁通常采用沖壓加工，表面質(zhì)量較差，甚至存在顯微裂紋，故零件的實際疲勞強度比試樣強度降低很多。

6.1.2 較好的沖壓性能

沖壓工藝，生產(chǎn)率高，成本低，在車架生產(chǎn)中得到廣泛應用。材料的沖壓性能不好，如伸長率小，則極易開裂，有時裂紋較小，難以察覺，常被流出廠外，導致早起損壞。

6.1.3 較好的焊接性能

6.1.4 一定的耐腐蝕性能

車架零件與路面較為接近，故較易腐蝕，當采用較薄的板料，做成不易防銹處理的封閉截面梁時（如轎車車架），尤應考慮其耐腐蝕性問題。

6.2 常用材料

6.2.1 板料

目前大部分用B510L。有些超重型車架縱梁采用組合截面，由不同強度和厚度的鋼板焊成，可用強度較大的鋼板。

6.2.2 槽形型鋼

僅適用于等截面件，可省去相應的壓制設備，直接向鋼廠采購。產(chǎn)量少時，尤宜考慮。也有翼緣加厚的槽形型鋼，其材料利用更加有效。

6.2.3 圓管

常在兩端焊接接頭，制成橫梁，而不須壓制設備。

7、結(jié)束語

半承載式客車，其前后懸架裝置、發(fā)動機及變速器等傳動系部件施加的作用力均由車架承受，所以車架總成的剛性、強度及振動特性等幾乎完全決定了車輛整體的強度、剛性和振動特性。在對于車架總成進行設計的過程中，除了要確保車架總成的性能符合設計要求，還應對車輛性能和匹配性進行認真的研究。

[1] 張洪欣.汽車設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

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[11] 包頭鋼鐵設計研究院.鋼結(jié)構(gòu)設計與計算[M].北京：機械工業(yè)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

陳嘯，助理工程師，就職于金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司。