汽车的设计 第七章 车架的设计
汽车设计
汽车设计——车架设计车架是汽车最基本的框架，所有的悬架和转向连接部分都连锁在上面。
一辆汽车如果车架太过柔性化，会影响汽车的正常操纵。
而如果汽车车架结构刚性过大，会使不必要的振动传到驾驶舱。
所以车架的设计将直接影响到驾驶质量。
生产商运用几种不同类型的车架在他们的车辆中。
其中,分开的身体和框架结构是七十年代年最常见的。
它到现在仍然用于大型货车,小卡车、货车中。
这种结构是发动机、传动链,运用齿轮,和身体绝缘体。
绝缘体是合成橡胶垫,能够减小道路不平和发动机工作引起的噪音和振动进入车内室。
第二种类型结构是车架单体结构。
这个设计是到目前为止最受欢迎的。
单体车架按所需的强度来分，设计有轻型结构。
这种类型的设计是框架焊接到车身的一部分。
车身钣金件强加入框架。
传动齿轮和传动装置通过加装合成橡胶绝缘体安装在车架上。
让其绝缘性能减少噪音和振动。
如果绝缘体太软将允许太多传动齿轮和传动装置发生直线位移，影响汽车操纵和控制。
如果绝缘体太硬,则他们不会隔离噪音和振动。
制造商精心设计其绝缘性能，把它们安装在汽车以降低噪音和振动。
如果车辆年数过多，绝缘子性能随着年数的变化,改变其原有特点。
第三种结构是把前两种结构的特点结合到一起。
它在汽车前舱使用了短车梁，统一化的部分是非常严格的，而存根框架提供了一个良好的绝缘环境。
汽车制造厂家们在汽车上选择那种生产成本低而同时又符合对噪音震动，驾驶操纵性能要求很高车架结构。
老式的大型的车辆、货车、和卡车通常使用壳体和大梁的分体结构。
较新的，较小型的车辆通常使用单体结构的车架。
发动机活塞连杆组是由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成的。
功用：活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部。
工作条件：活塞在高温，高压，润滑不良条件下工作。
活塞直接接触热空气，在某一瞬间温度可达2500k以上。
所以当活塞工作时温度很高，应对达到600—700k，而且温度分布不均匀，活塞受到很大压力。
车架设计步骤
FSAE中国联盟's ArchiverFSAE中国联盟» FSAE资料库»图文区» 车架设计步骤tianmars发表于 2009-9-29 09:21车架设计步骤车架设计步骤应一些朋友要求特发此帖。
本文内容只涉及桁架式车架（空间管阵式车架），单体壳结构的研制不在本文讨论范畴。
文中内容仅代表个人观点，欢迎各位拍砖。
1 研究规则对车架设计的要求。
这是FSAE车架乃至其他一切FSAE设计工作的基础，请大家给予足够的重视。
否则即使后期工作做的再优秀，最终也不会有满意的结果。
虽然现在尚无官方的中文版规则，但我建议大家现在就开始使用同济中文翻译版规则和英文原版规则开展工作。
如果对规则的某些条款有疑惑，可以在论坛上发帖，我会尽快回复。
2 确定车架的设计重量和所使用的材料优秀的FSAE车架应该将重量控制在25kg以下（包括焊接在车架上的所有用来安装其他零部件的支架）。
在缺乏重量控制工作经验的情况下，较难准确合理的预计整车和各个总成的重量。
所以新车队可以酌情开展这项工作。
材料方面，虽然规则允许使用多种金属材料。
但是我仍然建议使用钢材。
考虑到材料的焊接性能，建议使用低碳含量的钢材。
3 车架初步设计方案的确定FSAE车架的基本功能是提供整车的结构刚强度，保护车手和为绝大部分的零部件提供安装位置，而且驾驶舱的内部空间也基本由车架来确定。
所以FSAE车架初步设计方案的制定应该在满足规则的前提下，先综合考虑其他零部件的安装和车手人机工程的需要，再使设计能够提供基本的结构刚度。
减轻重量的概念要贯穿车架设计工作的始终，但是减轻重量不能牺牲基本的安全要求。
在初步设计方案完成后，可以使用木材或者PVC管材制作1:1的车架模型。
模型主要作来验证人机工程设计的合理性。
为最终设计提供参考。
4 车架最终方案的确定理想状态下，车架应该在其他所有设计工作结束后再确定最终方案。
实际工程中应该至少在悬架、转向、发动机等主要部分的设计方案确定后，再确定车架的最终设计方案。
《汽车设计》pdf
《汽车设计》核心考点整理：庄市府品精是必品出庄老2017年11月品精是必品出庄老1-2：发动机前置前轮驱动的布置形式，如今在乘用车上得到广泛采用，其原因究竟是什么？而发动机后置后轮驱动的布置形式在客车上得到广泛采用，其原因又是什么？答：前置前驱优点：前桥轴荷大，有明显不足转向性能，越过障碍能力高，乘坐舒适性高，提高机动性，散热好，足够大行李箱空间，供暖效率高，操纵机构简单，整车m 小，低制造难度后置后驱优点：隔离发动机气味热量，前部不受发动机噪声震动影响，检修发动机方便，轴荷分配合理，改善后部乘坐舒适性，大行李箱或低地板高度，传动轴长度短。
1-3：汽车的主要参数分几类？各类又含有哪些参数？各参数是如何定义的？1）尺寸参数：外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬、货车车头长度和车厢尺寸。
2）质量参数：整车整备质量、载客量、装载质量、质量系数、汽车总质量、轴荷分配。
3）性能参数：①动力性参数：最高车速、加速时间、上坡能力、比功率和比转距；②燃油经济性参数；③汽车最小转弯直径；④通过性几何参数；⑤操纵稳定性参数；⑥制动性参数；⑦舒适性 1-5：总布置设计的一项重要工作是运动校核，运动校核的内容与意义是什么？答：内容：从整车角度出发进行运动学正确性的检查；对于相对运动的部件或零件进行运动干涉检查 意义：由于汽车是由许多总成组装在一起，所以总体设计师应从整车角度出发考虑，根据总体布置和各总成结构特点完成运动正确性的检查；由于汽车是运动着的，这将造成零、部件之间有相对运动，并可能产生运动干涉而造成设计失误，所以，在原则上，有相对运动的地方都要进行运动干涉检查。
《汽车设计》 核心考点老庄出品必是精品2接合平顺；3分离要迅速彻底；4从动部分转动惯量小，减轻换档冲击；5吸热和散热能力好，防止温度过高；6应避免和衰减传动系扭转共振，并具有吸振、缓冲、减噪能力；7操纵轻便；8作用在摩擦片上的总压力和摩擦系数在使用中变化要小；9强度足，动平衡好；10结构好，拆装、维修、调整方便1踏板力2踏板行程一般在80~150mm ，最大不超过180mm ；3应有踏板行程调整装置；4应有踏板行程限位装置；5应有足够的刚度； 6传动效率要高；7发动机振动及车架和驾驶室的变形不会影响其正常工作；8工作可靠、寿命长，维修保养方便2-3：何谓离合器的后备系数？影响其取值大小的因素有哪些？ 答： 后备系数β：离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比，反映离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。
汽车总布置设计(37页)PPT课件
3、转向装置布置
转向盘的位置－保证驾驶员能舒适 地进行转向操作
转向器的位置－转向器布置在前钢 板弹簧跳动中心附近
转向器用万向节和转向传动轴将它 们连接起来
转向轴在水平面内与汽车中心线之 间的夹角不得大于５°
转向摇臂与纵拉杆和转向节臂与纵 拉杆之间的夹角，在中间位置时应尽 可能布置成接近直角。
11
Z αF
前轮中心线 前轮垂直线
O
O1
r0 rr
a
车架上平面线
后轮中心线
αF（0.5°～1.5°）
r0
Байду номын сангаас
后轮垂直线
X
O2
rr
b
A
L
B
6
总布置基准线－坐标系
Z
前轮 中心线
αF
前轮垂直线
后轮中心线 后轮垂直线
O
车架上平面线
XY
Y 前轴中心线
αF
地面线
后轴中心线
汽车中心线
Z
汽车中心线
7
二、各部件的布置
1、动力总成（发动机-离合器-变速器）布置
初期）、1:2和1:1。
21
（2）人体样板（续） 布置人体样板时，首先要确定其踵点与胯点的位置；
人体样板上的胯点要与初选的座椅上的“胯”点重合； 人体样板的踵点应安放在油门踏板处的地板上的踵点。
然后根据选定的坐姿角α、β、γ及δ在图样上进行布置， 检查初选的b值等是否合适。
驾驶时，人体各部分的夹角应符合人体工程学的要求。
αE
γ1
αr
γ2
车架上平面线
主减速器主动轴线位置－与车架上平面有一个夹角αr(４°～７°)，即向上 翘起，以减小传动轴夹角，并使万向节传动轴两端夹角相等。轿车常将传 动轴布置成Ｕ形方案（图1-19），可降低传动轴轴线的高度，有利于客厢 地板和后排中间座椅的布置（减小地板凸包）；
汽车设计(悬架部分)
前言本小组程设计的课题是悬架的设计。
在选择车型时我们参考以下几个要求：可靠，巩固，耐用，使用本钱较低，油耗处于国内中等水平，为当前主流技术水平，车型新颖等等。
所以，悬架的设计宜选用成熟技术，零部件，彻底的贯彻“三化〞原那么，较为合理的本钱控制。
选择参考车型为日产NV200。
悬架是现代汽车的重要组成局部之一。
因而悬架设计成功与否，极大的影响汽车的操纵稳定性和平顺性，对整车性能有着重要的影响。
在汽车市场竞争日益加剧的今天，人们对汽车的性能的认识更多的靠更为直接的感观感受，而这种感官感受都是由汽车悬架传递给驾驶者的，人们对汽车悬架的设计也是越来越重视。
因此，对汽车操纵稳定性﹑平顺性的提升成为了各大汽车厂商的共识。
与此关系密切的悬架系统也被不断改良，主动半主动悬架等具有反应的电控系统在高端车辆上的应用日趋广泛。
无论定位高端市场，还是普通家庭的经济型轿车，没有哪个厂家敢无视悬架系统与其在整车中的作用。
这一切，都是因为悬架系统对乘员的主观感受密切联系。
悬架系统的优劣，乘员在车上可以马上感受到。
现在悬架的设计也是国内汽车厂商一个重要提升的方向。
以前对汽车的要求相对较低，国人更注重外观和汽车配置方面的要求，因此对汽车悬架的概念与要求并没有很高的要求。
随着现在人们对汽车操纵稳定性﹑平顺性越来越重视，人们不仅需要一辆好看配置高的车，更需要一辆好开乘坐舒适的车。
因此现在国内出现很多汽车厂商将新汽车的悬架设计与调校交给国外一些有实力汽车厂商，这也实实在在的提升了自身车型的市场竞争力，不过从另一方面也反映出国内悬架设计与调校所存在的问题，也使我们知道悬架设计的重要性，从而让我们对汽车悬架设计更加重视。
悬架从无到有，是人们对汽车稳定性﹑平顺性不断追求下诞生。
悬架从简单到复杂，是人们对更高的汽车稳定性﹑平顺性和操纵稳定性的不断追求。
所以对悬架设计的重视，就能使整车性能得以提升，从而提高车型的竞争力，赢得更好的表现。
而悬架设计涉与到部件与整体的关系。
汽车总体设计—第七章
第7章车架设计教学提示：车架是汽车的骨架，是汽车上重要的受力部件。
本章主要介绍车架的种类与结构，重点讲述车架强度计算方法。
教学要求：了解不同车架的结构形式，掌握车架的强度计算方法。
7.1 概述车架是汽车的装配基体和承载基体，其功用是支承连接汽车的各总成零部件，车架还承受来自车内外的各种载荷。
车架主要为货车、中型以下的客车、中高级以上轿车所采用。
车架是汽车设计的重要部分，它的好坏直接关系到车的一切性能(操控、性能、安全、舒适等等)。
评价车架设计的好坏，首先应该清楚车辆在行驶时车架所要承受的各种力。
汽车的使用条件复杂，其受力情况也十分复杂，随着汽车行驶条件的变化，车架上的载荷变化很大。
车架承受的载荷大致可以分为以下几种：1) 垂直弯曲载荷车架所承受的悬架弹簧以上部分的垂直载荷包括：车架重量、车身重量、安装在车架上的各总成与各附属件的重量以及有效载荷(乘客或货物的总重量)的总和。
因此，要求车架底部的纵梁和横梁具有足够的刚度。
2) 对称的垂直动载荷当汽车在平坦的道路上以较高车速行驶时，会产生对称的垂直动载荷。
其大小与作用在车架上的静载荷及其分布有关，还取决于静载荷作用处的垂直振动加速度大小，路面的反作用力使车架承受对称垂直动载荷，使车架产生弯曲变形。
3) 非水平扭动载荷当前后对角车轮在不平的道路上滚动，车架的梁柱便要承受纵向扭曲应力。
4) 横向弯曲载荷汽车在转弯时，由于惯性作用，使车身产生向外甩的倾向力(即离心力)，而轮胎与路面形成的附着力会形成反作用力，使车架横向扭曲。
这个力在高速行驶时尤为明显。
5) 水平菱形扭动载荷车辆在行驶时，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)而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。
6) 其他载荷汽车加速或制动时，惯性力会引起车架前后部载荷的重新分配。
安装在车架上的各总成(如发动机、转向摇臂及减振器等)工作时产生的力，由于载荷作用线不通过纵梁截面的弯曲中心(如油箱、备胎和悬架等)而使纵梁产生附加的局部转矩。
车架分类及设计
车架1 车架分类（根据纵梁的特点）1.1梯形式车架特点有两根纵梁和若干根横梁组成，抗弯强度较大，零件安装紧固，方便（货车及中，轻，微型客车常用）。
1.2 周边式车架特点车架中部加宽，不设横梁，降低地板高度，增加客室空间，架构简单，质量小而且易于制造，（大型轿车常用）。
1.3 脊梁式车架特点扭转刚度很大。
（货车和轿车）1.4 衍架式车架特点刚度大，质量小，不易于制造（赛车常用）。
2 主车架的设计2.1 这车架承载状况静载荷是汽车在静止状态下，悬架弹簧以上的载荷。
对称垂直动载荷是汽车在平坦道路上高速行驶时产生的，其大小与垂直振动加速度有关，还与车架上静载荷的大小和分布有关，这种载荷式车架产生弯曲变形。
当汽车在凹凸不平的道路上行驶时，汽车前后轮也不再一个平面，斜对称动载荷使车架连同车身一起歪斜，其大小程度取决于大陆的不平度和车架，悬架的刚度大小，这种载荷使车架产生扭曲变形。
还有其他的载荷，汽车制动或加速时使载荷移动，转弯时会产生侧向惯性力，使安装在车架上不同位置的零部件产生局部的扭曲力。
2.2 主车架设计不同类型的车载荷分布不同，下面就混凝土搅拌运输车承载状况及罐体设计特点，设计主车架形式如图一所示。
该车架设计特点：车架前端到驾驶室后围做成刚性较强的结构形式，以保证悬架和转向器的操纵的稳定性；考虑后悬架附近受弯曲，扭曲作用最大，纵梁内衬梁内设计加强L 板，后桥处设计背靠横梁连接，以保证车架后部足够的刚性和强度；车架后悬架支撑处之前到驾驶室后端面车架横梁在足够强度下尽量减少，以保证该部位具有一定限度的桡曲性。
图一2.3 副车架设计混凝土搅拌运输车副车架与主车架的连接一般采用刚性连接。
副车架在设计中应考虑自身结构、刚性分布等，要尽量符合主车架在承载状况下的变形规律，使副车架顺应主车架的扭曲，达到主、副车架的刚性尽量匹配合理(如图2)。
3 车架强度校核在实际使用状况下车架受力比较复杂，在车架初始设计时，一般对车架强度校核简化为对车架纵梁进行弯曲强度校核。
(整理)车架设计
▲车架的功用及要求一、车架的功用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整体，即将各总成组成为一辆完整的汽车。
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。
二、对车架的要求为了使车架完成上述功能，通常对车架有如下的要求：①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。
②有足够的弯曲刚度。
保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，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。
③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。
④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整备质量的10%。
▲轿车车身设计概述轿车车身是轿车整车的重要组成部分，主要包括车身本体、外装件、内饰及内装件、附件及附属设备等。
由于它是轿车上载人的容器，因此,要求轿车车身应具有良好的舒适性和安全性能。
此外，轿车车身又是包容整车的壳体，能够最直观地反映轿车外观现象的特点，从而决定了现代轿车车身设计非常注重外观造型以符合人们对轿车外形的审美要求，开创好的轿车市场。
而汽车人体工程学、汽车空气动力学、汽车造型及审美艺术、汽车车身新材料研究及开发、汽车车身结构强度分析、汽车车身设计方法及技术等方面的研究和应用，正是设计出具有良好性能的轿车车身的必要基础。
一、轿车分类及车身特点一般地，轿车可按标准，整车结构型式，车身型式及使用性能，车身外形等方面来分类。
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纵梁断面的最大弯曲应力为 Mdmax
W
按上式求得的弯曲应力不应大于材料的许用应力 。许
用应力可以用下式进行计算：
• 5. 车架的刚度校核
s
n
(1) 车架纵梁抗弯刚度校核
对于简支梁来说，其跨距中间受集中载荷作用时，梁
的挠度最大值为
ymax
Fl3 48EJx
14
瑞典语:Tack
6
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.1 车架的结构形式
• 5. 碳纤维车架 碳纤维车架是一种特殊材料一体成形式车架。在结构
上，碳纤维车架没有既定的格局，几乎每辆车都根据自己 整体的情况特别设计车架。制造方法是用碳纤维浇铸成一 体化的底板、座舱和发动机舱结构，再装上机械零件和车 身覆盖件。碳纤维车架的刚度极高，重量比其他任何车架 都要轻，重心也可以降得很低。但是制造成本太高，目前 只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。
10
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.3 车架的设计和计算
(1) 驾驶室长度段纵梁的弯矩计算。 在该区段内，根据弯矩差法，有
MxF1xm 4algax2
(2) 驾驶室后端(车厢前端)到后轴段纵梁的弯矩计算 在该区段内，根据弯矩差法，纵梁某一断面的弯矩为
M x F 1 x m 4 s L g a x 2 m 4 e c g C 1 1 x 2
纵梁某一断面上的剪力为该断面之前所有力的和
Q x F 1 m 2 s L g x a m 2 e c g C 1 1 x
11
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.3 车架的设计和计算
由上可知，纵梁的最大弯矩一定发生在该段纵梁内。 求 M x 对x 的导数并令其为0,可得
《汽车设计》电子教案
《汽车设计》电子教案
《汽车设计》电子教案
《汽车设计》电子教案
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
•管(也有的车辆使用铝合金管)组合焊接而成，
兼有车架和车身的作用。它刚度大，质量轻，但制造工艺 性差。桁架式车架又称钢管式车架，这种车架也属于承载 式车架。
7
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.2 车架的结构设计形式
纵梁是车架的主要承载部件，商用车的车架纵梁沿全 长应尽量平直且截面不变或少变。载货汽车的车架纵梁截
面形状多为槽形，也有Z字形、工字形。
横梁将左右纵梁连接在一起，构成一个完整的车架， 并保证车架有足够的扭转刚度；横梁还起着支承某些总成 的作用。
12
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.3 车架的设计和计算
• 3. 纵梁截面特性计算
槽型梁截面系数为
W th h6b
6
工字梁截面系数为
W6ht1h6bt
管状梁截面系数为
W
πD3 32
1
d 4
D
13
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.3 车架的设计和计算
• 4. 弯曲应力计算
(3) 所有的作用力均通过纵梁截面的弯曲中心。实际上，纵梁的某 些部位会由于安装外伸部件(如油箱、蓄电池等)而产生局部扭转，在 设计时通常在此安装一根横梁，使得这种对纵梁的扭转变为对横梁的 弯矩，故这种假定不会造成明显的计算误差。
9
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.3 车架的设计和计算
• 2. 纵梁的弯矩计算 要计算车架纵梁的
弯矩，先计算车架前支座 反作用力
F 14 g l m sL2 bm eC 2 C 2
在计算纵梁弯矩时，将纵梁分成两段区域，每一区段的 均布载荷可简化为作用于区段中点的集中力。纵梁各端面 上的弯矩计算采用弯矩差法，可使计算工作量大大减少。 弯矩差法认为：纵梁上某一端面上的弯矩为该断面之前所 有力对这点的转矩之和。
8
《汽车设计》电子教案
7.2 车架的结构设计
• 7.2.3 车架的设计和计算
• 1. 弯曲强度计算的基本假设
(1) 以梯形车架为例，因为车架结构是左右对称的，左、右纵梁的 受力相差不大，故认为纵梁是支撑在汽车前后轴上的简支梁。
(2) 空车时的簧上质量(包括车架质量在内)均匀分布在左右二纵梁 的全长上，其值可根据汽车底盘结构的统计数据大致估计。对于轻型 和中型载货汽车来说，簧上质量约为空车质量的2/3；汽车的有效载 荷均匀分布在车厢全长上。
x2C L F 1aC m sgL m eg(lC 1)
纵梁受到的最大剪C 力m sg则L 发m eg 生在汽车的后轴附近。当 xl时，剪应力最大
Q m axF 1m 2sL glam 2e C gC 1
由于汽车高速行驶时，汽车受到多种载荷的影响。故 应乘以一个系数。
Mdmax kdMmax Qdmax kdQmax