车架系统设计指南-奇瑞

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奇瑞汽车有限公司

底盘部设计指南

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1、车架的主要功能：

车架是整个汽车的基体，汽车上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、驾驶室、货箱和有关操纵机构。车架的功用是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车

内外的各种载荷。

2、车架的类型：

2.1 主要类型

目前，汽车车架的结构形式基本上有三种：边梁式车架、中梁式车架（或称脊骨式车架）和综合式车架。其中以边梁式车架应用最广。

边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。公司的P11的车架就属于此类型，如下图1。通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般为槽形，也有的做成Z字形或箱形断面。其结构特点是便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其它总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车。被广泛采用在载货汽车，皮卡和大多数的越野汽车上。近代轿车为了保证良好的整车性能，尽量降低中心和有利于前后悬架的布置，把结构需要放在第一位，兼顾车架加工工艺性，所以车架形状设计的比较复杂而实用。

图1 P11车架

中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，因此亦称为脊骨式车架，中梁的断面可以做成管型或箱型。

编制日期：05. 11.29 编者：祁殿渠版次：02 第 3 页共 3 页这种结构的车架有较大的扭转刚度。使车轮有较大的运动空间，便于布置等优点因此被采用在某些轿车和货车上。

综合式车架比较复杂，应用比较广，一般轿车上使用。

2.2奇瑞车架的主要结构件

车架主要有以下结构形式：

1．箱横梁和发动机支撑梁

横梁总成支撑发动机、水箱、保证车身的扭转刚度，如图1

发动机支撑梁和水箱横梁均有钢板冲压焊接而成，发动机支撑梁为封闭断面。

发动机支撑梁与车身连接处通常装有橡胶缓冲块。

材料：支撑梁上下体材料常采用为SAPH440其它BH340

表面处理为电泳。

图2 A11横梁

2．副车架

副车架带控制臂总成承受前轴载荷、支撑车身、动力总成、转向机、前悬挂、制动器等

副车架、控制臂均为钢板冲压焊接而成为封闭断面，如图3。

控制臂与副车架连接处采用橡胶衬套，起到改善行驶性能和舒适性。

材料：副车架上下体材料为常采用SAPH370其它为SPHE、SPHC表面处理为电泳

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图3 B11前副车架

3．框型前副车架

框式前副车架通常是由4根管（或封闭梁）结构焊接而成的框式结构，用于公司的微车（S12,S21）和中高档车（B21）上。车架连接了前摆臂，转向机，发动机冷却模块，以及动力总成等重要的零部件，这样其强度及可靠性就变的尤为重要。车架通过4点或6点与车身相连。用管结构的，可以减少焊接，以得到较好的总成尺寸精度，如图4b；用封闭梁焊接而成的可极大的提高承载能力,如图4a。由于此类型件为复杂的冲压焊接件，应充分考虑好工艺以保证其总成尺寸。

a. B21前副车架

b. S21前副车架

图4 框式前副车架

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3、纵梁

发动机纵梁总成支撑动力总成，如图5

1、动机纵梁总成均由钢板冲压焊接而成，为封闭断面。

2、料：支撑梁上下体材料通常采用SAPH370

焊接总成表面处理为电泳

图5

4、后副车架

后轴总成承受后轴载荷，起到支撑车身、连接后悬架各连杆、装后制动器的作用，如图6

1、后轴焊接总成均为钢板冲压焊接而成的，主体的断面为封闭断面，如图a,c，有很强的抗弯扭能力；另外有

用弯管焊接而成的，管料为合金高强度刚，采用弯管设计，提高了设计的自由性，减少了焊缝数量，可较好的保证总成精度。

2、后轴总成与车身连接处通常装有橡胶缓冲衬套，减缓车轮传递的冲击力，图c。

3、材料：支撑梁上下体材料通常采用SAPH370,图a,c

4、在连接后上下控制臂的孔中，设计了偏心螺母调节功能，可很精确的调整四轮定位参数。

焊接总成的表面处理为电泳

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a. T11后副车架

b.B21后副车架

c.B11后副车架

图6 后副车架

5、后轴扭转梁

后轴总成支撑车身、后悬架、制动器。

该后轴的结构为：复合双纵臂式，主体结构为冲压焊接件，焊接总成是在一个V(或U)型梁的两端各焊上一个管状纵臂，相交点约在纵臂的前1/3处，为了增加他们之间的联接强度在两端的内侧各焊接了一个楔状加强梁。后轴连接车身的纽带是后轴铰链，公司的A11,B14，B13后悬就属于这种类型，如图7。（车架均为受力部件：应进行严格的试验，验证其强度。除台架寿命试验，可靠性，强化路试外，生产的每批件应抽取一定数量进行型式检验。其中包括焊接性能检验，以及疲劳寿命试验等）。

编制日期：05. 11.29 编者：祁殿渠版次：02 第7 页共7 页V(或U)型梁同时起着稳定杆的作用，将车体倾斜保持最低的程度，同时省去了稳定杆，减轻重量。略去了稳定杆以及横向推力杆等件，由于受力程度较大，且很复杂，固在材料的选择上要求较高目前在国类还找不到强度及形状都符合要求的型材，但目前在车架室和材料科的共同努力下，对A11的后扭梁成功进行了国产化替换，由进口型材替换为宝钢板材。后轴橡胶铰链对于行驶性能及舒适性起着决定性作用它是联接后轴与车身的纽带。

a.B14后轴总成

b.B13后轴总成

图7

6．拖臂式后轴

后轴总成（含拖曳臂、推力杆）支撑车身、后悬架、后制动器等，如图8

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图8

3、车架的功能设计要求:

车架的结构形式首先应满足汽车总布置的要求。当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。当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷作用下可产生扭转变形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，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。为了减轻整车质量，要求车架质量尽可能小。此外，降低车架高度，以使汽车中心位置降低，有利于提高汽车的行驶稳定性。这对于轿车和客车来说尤为重要。

4.车架的设计和计算:

4.1 车架的主要载荷

车架是汽车设计的重要课题，它几乎比引擎更重要，因为它的好坏直接关系到车的一切（操控、性能、安全、舒适........）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载荷。如果车架在某方面的韧性（stiffness ）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种载荷。

1) 负载弯曲（Vertical bending）

从字面上就可以十分容易的理解这个载荷，部分汽车的非悬挂重量（unsprung mass），是由车架承受的，通

编制日期：05. 11.29 编者：祁殿渠版次：02 第9 页共9 页过轮轴传到地面。而这个载荷，主要会集中在轴距的中心点。因此车架底部的纵梁和横梁（member），一般都要求较强的刚度。

2) 非水平扭动（longitudinal torsion）

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应力（longltudinal torsion），情况就好象要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。

3) 横向弯曲（lateral bending）

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。

4) 水平菱形扭动（horizontal lozenging）

因为车辆在行驶时，每个车轮因为路面和行驶情况的不同，（路面的铺设情况、凹凸起伏、障碍物及进出弯角等等）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，这种情况就好象将一个长方形拉扯成一个菱形一样。

4.2 车架的主要设计内容

4.2.1.功能和可靠性:

车架设计首先要保证的就是产品的功能和可靠性，并且要保证产品有良好的工艺性。车架设计是一项创造性劳动，新颖的设计要求有新的构思，对此设计人员一方面应大胆的采用新理论和新结构，另一方面也要总结经验采用原有的成功的技术和结构。车架设计涉及到工程技术的各个领域，主要基本要素有：材料、强度、挠度、刚度、稳定性；摩擦、磨损、润滑；形状、尺寸、表面加工、体积、重量、风格；温度、噪声、腐蚀；可靠性；控制；使用、安全、价格；以及维修等。

4.2.2.强度计算：

车架属于整车中的关键件，其中强度不够产生的断裂直接影响着整车可靠性和安全性。因此在设计车架时强度时零件的基本要求。设计人员应当尽可能精确地确定作用在零件上载荷地性质、大小、方向和作用点。

由于在设计中一方面很难确定载荷的全部要素；而且即使同一种材料做成的试样对载荷、温度、环境等条件所显示地抵抗能力也会出现差异。这样，计算的结果就不能准确的表示实际的承载能力。为此，在车架设计

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中常做出各

种

假

设，以便对产品进行力学计算和强度分析。假设既要反映实际情况，又要便于计算。一般这种假设都偏于保守，也有考虑不周而失效的。所以对于车架的设计必须要通过试验和试用，证明该产品的设计是成功的。

1) 载荷：在强度计算中作用于车架上的载荷分为两种一种是静载荷一种是动载荷。用静载荷的设计方法最简单，至今仍广为采用。受冲击载荷时，在零件中引起的应力和应变值，都要显著地大于静载荷时的应力和应变值。在常规设计中，经常采用的是在载荷中乘以大于1的动载系数后，仍用静载荷方法进行计算。对于能将机器中有关部分简化成简单振动系统的场合，动载系数可用机械振动的方法求得。通常动载系数是由经验来确定。新设计的车架，载荷一般是预先给定的。

2) 静强度计算在车架设计中最基本的计算是静强度计算。在计算中考虑到应力的变化的影响要采用较大的安全系数，或较低

的许用应力。对于此塑性材料的部件可用第三强度理论、第四强度理论求出等

效单项应力σ,等效单向应力除以材料的极限应力s σ得安全系数n ，则静强度判据为

[]

σσ≤或者

[]

n n ≤式中

[]σ―许用应力[]n ―许用安全系数

3).疲劳强度计算

进行应力幅变化的无限寿命计算时，通常作如下假设：当材料承受高于疲劳极限应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，该损伤量是能积累的，麦因纳假设损伤累积是线性的，由此可以将应力幅规律变化的循环应力，转化为等幅的当量应力，再与疲劳极限相比得安全系数n ，则疲劳强度判据为[]n n ≤。

4.3 车架的设计计算举例

下面以S21的后轴校核为例：4.3.1.S21

车型后轴参数

后轴满载时轴荷670Kg 后轴轴距

1420mm 后轴弹簧支架中心间距1102mm 后轴外径54mm 后轴壁厚

3.5mm

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4.3.2.后轴静应力

1) 弹簧支座处的静垂直弯矩：

)2

1102

1420(8.92670-××=?=-L F M

A

A ＝521.997N.m

2) 后轴弹簧支座处的抗弯截面模量后轴弹簧支座处的危险断面为圆形断面

])754(54[32

5414.3)(324

43

44--×=-=

-d D D W A

A π＝6584.142

3

mm

3)后轴弹簧支座处的垂直弯曲静应力

MPa W M A A 281.7910142

.6584997.5213

=×

==-静

σ4) 安全系数

后轴弹簧支座处是无缝钢管，材料为冷20－54*3.5，经过计算后轴的安全系数为

09.3281

.79245max

===

σσc n 轴静载荷的许用安全系数为1.3～2.5，故该轴能够满足设计要求.4.3.3.

动应力

汽车在行驶过程中，后轴有三种典型工况：1）紧急制动时；2）侧滑时；3）冲击负荷。在上述三种工况下，应力最大的是冲击负荷工况。故只计算冲击负荷下的应力：

MPa K st d A A 203.198281.795.2=×

=?-σσ＝动在此处

d K 是动载荷系数取2.5

即汽车在行驶过程中，后轴所承受的最大应力在后轴弹簧支座附近，应力值为198.203Mpa

5.车架的工艺介绍。

以奇瑞车型中的副车架为例:

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副车架是发动机前置前驱动轿车前桥的组成部分，其主要功能是承载发动机，即它是发动机的安装托架，因而采取的工艺方法主要是为增加其承载能力。目前较多的副车架采用冲片焊接结构，再压入联结部的橡胶衬套，即可完成副车架的制造。

5.1、副车架的制造

1）冲压：

副车架的冲压加工工序有落料、成形、切边、翻边、冲孔等。冲压加工的产品质量主要取决于模具的状态及设备的动态精度。加工过程中应注意材料的弹性变形对质量的影响，注意型材的表面处理，提高耐磨性和耐粘附性。

2）焊接：

副车架的焊接主要采用电阻点焊和二氧化碳气体保护焊。包括上、下壳体的电阻点焊；发动机支架的方形螺母凸焊；以及上、下壳体发动机支架与支承板的二氧化碳气体保护焊。电阻点焊变形较小，只要选择合理的焊接顺序及焊接装夹具，基本能保证产品精度。而弧焊则不然，为确保精度，必须严格控制热变形。焊接质量主要靠合适的焊接参数以及严密的监控、合理的焊装夹具（夹具精度控制在正负0.2mm，焊接可达性良好，尽可能实现全方位最佳位置焊接）。目前，已普遍采用焊接机器人。采用的焊接机器人，其位置重复精度为正负0.1mm确保了焊接行走轨迹的准确、稳定；另外，机器人控制系统中设置有焊接参数自动匹配程序，以及摆焊、自动填充收弧坑、自动重起弧、自动校核管身长等多项功能，使得焊缝质量得以保证，并减少认为因素影响，稳定质量，提高设备柔性。同时，拼焊的冲压件的配合间隙也有一定的要求，尽可能不大于0.8mm，至少必须稳定。这样，焊接质量才能稳定。

3）整形：

由于副车架在以后的装配工序中有一定的装配尺寸要求，及焊后少量变形，故采用专机对焊后副车架进行孔的精整，以及开档的整形，整形的精度以产品图纸要求为准。

4）涂装：

现较多地采用阴极电泳油漆。涂装主要是为了防锈和提高表面质量。涂装工艺有涂装前的清洁（防锈、油等）、上吊具、预脱脂、脱脂、热水清洗、活化、磷化、清洗、钝化去离子水清洗、烘干、强冷、检验等。

涂层地质量主要有涂膜厚度、粘附性和脆性及耐腐蚀性等，不同的产品有不同的质量标准，一般涂层厚度内

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外侧不小于35um、粘附性和脆性至少GTO－1（网格刻化试验等级），耐腐蚀性通过盐雾试

验60次循环，刮痕的损伤深度不大于2.5mm。涂装质量取决于涂膜的特性和化学覆盖膜的特性，主要通过对设备的、温度、涂膜的化学成分的监控来保证。

5）装配：

副车架的装配就是在轴套中压入橡胶轴承。采用液压机压装。为了不影响橡胶轴承的特性，压入时使用与其形状配合的夹具，为方便压入作业，有时也在压入部位涂抹润滑油脂。压入橡胶轴承的质量是有脱开力来保证的，脱开力的大小由产品图纸来确定，从大于1000N到7000N不等。对于压入力与脱开力的关系，应在事先进行确认，在检测压入力时，采取装在压入设备上的相应传感器来完成。

5.2、总成检验：

副车架的总成检验，主要项目是与客户相关的装配尺寸和表面质量（包括焊缝表面质量以及油漆表面质量，如有无焊缝缺陷，有无飞溅，有无油漆磕、碰伤、剥落等）

5.3、质量保证：

副车架冲压、焊接、涂装及装配过程中，主要采用的检测手段有几何尺寸检具和形状检具。如综合量具、通用量具及测量漆膜厚度的测厚仪等。另外，还具有焊点金相试验、产品疲劳试验等，相应设备。在管理上，还应有一套完整的质保体系。

5.4、生产技术新动向：

目前新车型中，已采用管子弯曲成形的副车架，其加工工序为：管子成形－焊接－涂装－装配。管子成形的副车架加工方便，成形精度高于冲压成形，焊接量少，焊接变形小，刚性好。管子弯曲成形的副车架，加工过程中应注意材料的弹性变形，在成形过程中有时会用热处理方式如退火来进一步保证材料成形质量。

6、车架常用材料的选择:

从对材料性能的要求分析，主要有三个方面：材料的耐蚀性、耐磨性和耐疲劳性。其次是常温强度和焊

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巧和当前

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设计产品失效的原因相吻合。钢材利用率的高低是材料技术水平的一个重要指标，各工业发达国家都努力提高钢材的利用率，以提高机械制造的经济效益。提高钢材的利用率，应进一步调整钢材结构，提高合金钢、低合金钢和板材、管材的比例。此外，应通过合理选材用材，推广使用无切削工艺和保护加工技术，发展焊接结构来达到节材的目的。对于设计的产品采用低合金高强度钢轧材代替普通炭素钢，可

使金属消耗量降低30％；采用冷轧钢板代替热轧钢板可降低材料消耗量25％；用钢板和带钢冷弯成异型材代替热轧型钢，材料消耗量可降低25％；用冷拔型钢代替热轧型材可降低消耗15％。选材中还要注意到材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能，如：车架设计中所需要的弹性模量、强度、韧性、焊接性能、淬透性、回火脆性，热处理变形量、可锻、深冲、冷镦和冷弯性能、切削性能、经济性、可获得性等。选用材料要根据产品批量，是常年需要或一次性生产，从使用、工艺和经济三方面考虑。其中车架设计就属于批量生产常年需要的产品.使用性上主要是要满足强度要求；经济性上要考虑材料的相对价格和加工费用，在很多情况下，零件在其不同的部位上对材料有不同的要求，这时可在不同的部位采用不同的材料或采用不同的热处理方法，使各局部的要求分别得到满足。例如零件在整个截面上受载不均匀，或明显地有一些危险部位，这时，不一定要整个零件都用较好地材料制造，可以采用较差的材料，仅对某些局部进行强化处理，以提高这部分的承载能力和降低成本。对于准备局部强化处理的零件，在选择材料时，必须考虑该材料能否满足局部强化的要求。车架的材料一般选择优质碳素结构钢板、碳素结构热轧钢板和低合金高强度钢板。对于优质碳素钢板，我们公司现有车型中的应用比较多，如S11中后轴轴管主要用的就是20＃钢，一些支架则主要是采用08Al等，而T11控制臂和拖曳臂等大部分都是采用的SPHC。对于碳素结构热轧钢板用降低钢种的碳含量，增加钢种的锰含量、甚至其它元素来强化，在提高强度时，伸长率下降较少。现在我们公司A11、A15用到的就是其中的一种：St52－3。对于低合金高强度热轧钢板在载货汽车上的用量很大，主要用于汽车车架的纵梁和横梁，车厢的纵梁和横梁等受力结构件和安全件。这些件的强度级别有两种其抗拉强度分别为390Mpa和510Mpa。目前一行成我过汽车用热轧钢板系列。如锰钢或锰－希图钢系列，硅－钒、锰－钢系列，含钛钢系列和含铌钢系列，这对提高汽车的整车性能、节约材料，降低能耗和适应我国汽车严重超载、道路差和驾驶员素质参差不齐等因素，无疑已起到了重要的作用。

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