大中型客车车架总成设计规范

2013 大中型客车车架总成设计规范

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大中型客车车架总成设计规范

1 范围

本标准规定了半承载式客车车架总成的基本设计准则。

本标准适用于半承载式客车车架总成的设计。

2 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 1591 低合金高强度结构钢

GB/T 3273 汽车大梁用热轧钢板和钢带

GB 7258 机动车运行安全技术条件

Q/FT A032 汽车车架总成技术条件

Q/FT B005 汽车及挂车车辆识别代号（VIN）编制与管理规则

Q/FT B013 汽车产品图样格式与要求

Q/FT B039 汽车产品油漆涂层技术条件

3 术语及定义

3.1

车架

汽车承载的基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、半承载式车身等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。

3.2

纵梁

车架总成中主要承载元件，也是车架中最大的加工件，其形状应力求简单。纵梁沿全长方向多取平直且断面不变或少变，以简化工艺。有时也采取中间断面高、两边较低来保证纵梁各断面应力接近。

3.3

横梁

横梁将左右纵梁连在一起，构成完整的车架总成，保证车架有足够的扭转刚度，限制其变形和降低某些部位的应力。有的横梁还需作为发动机、散热器以及悬架系统的紧固点。

3.4

直通纵梁式车架结构

该式车架纵梁可为槽型或Z字型的直通大梁，横梁一般为槽型，纵梁与横梁之间联接一般采用过渡板铆、焊结构，与车身联接的外横梁有槽型和异型管式，见图1a)。

3.5

中段桁架式车架结构

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该式车架中段一般为矩形管的栅格式结构，前后段车架纵梁、横梁一般为槽型，中段与后段之间联接一般采用过渡板铆、焊结构，见图1b)。

3.6

分段式车架结构

该式车架纵梁为分段式，纵梁、横梁的形状一般为槽型、矩形管等，一般根据设计需要来进行自然分段铆、焊接，见图1c)。

a) 直通纵梁式车架

b) 中段珩架式车架

c) 分段式车架

图1 半承载客车车架主要型式

4 设计准则

4.1 车架总成在正常使用条件下，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。

4.2 车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变，并使车身的变形量最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性和寿命。

4.3 设计输入为设计任务书及底盘总布置图；设计输出为车架总成图及其所属零件图。

4.4 车架总成要负责控制校核如下内容：

a)协调发动机及其附件在车架纵梁上的安装孔及牛腿安装孔；

b)横梁位置与底盘分总成（油箱、电瓶）及车身结构（前、中、后门、侧围立柱）的匹配；

c)协调制动管路、暖风管路、电线束、油路等管线在车架中的分布及穿线管；

d)校核底盘各总成间的运动干涉，相关总成的装缷空间（如缓速器、传动轴）。

5 布置要求

客车车架在设计过程中不但要考虑各总成零部件的合理布置以及其方便维修性、可靠性和工艺性, 还要充分考虑最大限度地满足车身对底盘的特殊要求, 如纵梁的结构、内横梁和外横梁的位置及连接方

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式、行李箱大小、地板高度和通道宽度、驾驶区及座椅布置、车门数量和位置等。对同样型号的客车底盘, 不同的用户对车架的要求不尽相同, 甚至有较大的差异。

6 结构设计要求

6.1 模块化设计要求

6.1.1 由设计任务书及底盘总布置确定车架基本结构（三段式、直大梁、分段式）和基本参数（轴距、前悬、后悬及左右纵梁外宽、纵梁高度）。

6.1.2 由动力总成中发动机布置确定纵梁上发动机悬置安装孔位置；由冷却系总成布置确定水箱牛腿及风扇牛腿安装位置；由进气系总成布置确定空滤器支架安装位置；由排气系总成确定消声器支架安装位置；由空调总成确定压缩机牛腿安装位置。

6.1.3 由前、后悬架总成布置确定前、后悬钢板支架位置、减震器、缓冲块安装位置或空气弹簧支架安装位置、推力杆支架安装位置、稳定杆支架安装位置等。

6.1.4 由转向系总成布置确定方向机安装位置、中间垂臂支架安装位置或角转向器支架安装位置。6.1.5 由整车总布置确定车架各牛腿安装位置。

6.2 车架受力情况分析

车架受力状态极为复杂。客车静止时，车架只承受弹簧以上部分的负荷，它包括车架和车身质量，装在车架上的各总成与附属件的质量及有效承载质量（乘客或货物的总质量），引起纵梁的弯曲及局部扭转。

在客车行驶过程中，随着客车行驶条件（车速和道路）的变化，车架将主要承受两种不同性质的动负荷——对称的及斜对称的动负荷，车架可能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，还可能使两根纵梁发生纵向相对位移，整个车架成菱形。这些变形将改变安装于车架上各种机件正确的相对位置，破坏机件的正常工作，加速机件的磨损，因此要求车架必须有足够的强度和刚度。为保证客车对不平路面的适应性，要求车架的扭转刚度不易过高，车架的受力变形见图2。

a) 纵向弯曲 b) 侧向弯曲 c) 纵向受力

d) 整体扭转 e) 纵向受力

图2 车架的受力和变形

由于车架所承受的动负荷无规律且不断变化，因此车架变形形式和状况是随机的。车架实际上是一个承受空间力系的平面框架，而且车架纵梁与横梁的截面形状和连接接头又是各式各样的，更导致问题

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的复杂化。车架的损坏主要是疲劳破坏，其主要形式是断裂，而疲劳裂纹则位于纵梁或横梁的边缘或应力集中处。通过有限元计算法的应用，使车架的强度及结构设计更趋于合理。

6.3 纵梁结构及强度设计

6.3.1 槽形断面梁抗弯强度大，工艺性好，零件安装方便，广泛应用于货车及客车。箱形断面梁抗扭强度大，多用于轿车和轻型越野车。少数客车用Z形断面。

6.3.2 纵梁受力较为复杂，设计时不仅应注意降低各种应力，改善其分布情况，还应注意使各种应力峰值不出现在同一部位上。例如，纵梁中部弯曲应力较大，则应注意降低其扭转应力，减小应力集中并避免失稳。而在其前、后端，则应着重控制悬架系统引起的局部扭转。

6.3.3 提高纵梁强度常用的措施如下：

a)提高弯曲强度：

1)选定较大的断面尺寸和合理的断面形状（槽形梁断面高宽比一般为3：1）；

2)将上、下翼缘加厚或在其上贴加强板；

3)将受拉力翼缘适当加宽。

b)提高局部扭转强度：

1)注意偏心载荷的布置，使相近的几个偏心载荷尽量接近纵梁断面的弯曲中心，并使合成量

较小；

2)在偏心载荷较大处设置横梁，并根据载荷大小及分散情况确定连接强度和宽度；

3)将悬置点布置在横梁的弯曲中心上；

4)当偏心载荷较大且偏离横梁较远时，可采用K形梁，或将该段纵梁形成封闭断面；

5)当偏心载荷较大且分散时，应采用封闭断面梁，横梁间距也应缩小；

6)选用较大的断面；

7)限制制造扭曲度，减小装配应力。

c)提高整体扭转强度：

1)不使纵梁断面过大，在纵梁大断面处、横梁采用腹板连接；

2)翼缘连接的横梁不宜相距太近。

d)减小应力集中及疲劳敏感：

1)尽可能减小翼缘上的孔（特别是高应力区），严禁在翼缘上打大孔；

2)注意外形的变化，避免出现波纹区或受拉严重变薄；

3)注意加强端部的形状及连接，避免刚度突变；

4)避免在槽形梁的翼缘边缘处施焊，尤忌短焊缝和“点”焊；

5)必要时可采用铰孔或对冲压边缘修磨，以提高某些薄弱部位的疲劳强度。

e)减小失稳：

1)在受压翼缘宽度和厚度的比值不宜过大（常在12左右）；

2)在容易失稳处加焊撑板；

3)在容易出现波纹处限制其平整度。

f)局部强度加强：

1)采用较大的板厚；

2)在应力集中较大处将纵、横梁局部贴加强板，必要时再将加强板压成肋或翻边；

3)加大支架紧固面尺寸，增多紧固件数量，并尽量使力作用点接近腹板的上、下侧。

6.4 横梁结构及强度设计

6.4.1 一般要求

6.4.1.1 在车架结构设计中，纵梁局部扭转的结构设计是最为重要的方面，其关键在于足够的横梁弯曲刚度、合理的连接设计，以及横梁在纵梁上的正确布置。

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6.4.1.2 横梁将左、右纵梁联接在一起构成一个完整的框架，以限制其变形和改善某些部位的应力，部分横梁还同时作为发动机、散热器、以及悬架系统等的紧固点，以上均为横梁结构设计的主要依据。前后钢板弹簧对纵梁的局部扭转载荷较大，是结构设计的重点。

6.4.1.3 横梁断面形状及连接形式见图3。

a)槽型横梁整体连接 b)槽型横梁连接板上下连接 c) 槽型横梁上下连接

d) 几型横梁上下连接 e) 圆管横梁腹面连接 f) 槽型横梁腹面连接

g) 工型横梁上下连接 h) 几型横梁腹面连接 i)几型横梁下连接 j)鳄鱼式横梁上下连接

图3 横梁断面形状及连接形式

6.4.2 横梁的分类

6.4.2.1 槽形横梁：

采用槽形横梁及槽型大连接板（见图3 a、b），刚度和强度都较大，多用于板簧支架处，使主簧支架通过纵梁和连接板紧固在一起。这种结构的优点是：

a)连接板尺寸大，可以更加接近板簧支架，使其得到一定的支撑，同时亦可布置较多的紧固件，

以提高连接强度；

b)板簧支架的载荷可通过连接板直接传到横梁上，连接板对纵梁腹板也有较大的加强作用；

c)槽形截面弯曲刚度极大，可使纵梁扭角减至很小；

d)由于两端有连接板加强，横梁可适当减薄。

也可将槽形横梁的两端加宽而直接和纵梁上、下翼缘连接（见图3 c）,这样可以省去连接板，由于材料利用率的制约，连接宽度有限，容易出现紧固件损坏及横梁开裂等问题，不如上述结构可靠，当不用副簧时，较适用。这种结构的优点是结构简单、质量轻。

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为了解决以上两个方案的不足，可以在槽形横梁的上下方各采用一个连接板，或仅在其下方采用一个连接板。

6.4.2.2 鳄鱼式横梁

鳄鱼式横梁通常由帽形截面在其两端加接头构成，如图4所示：

a) 翼板连接 b)腹板连接

图4 鳄鱼式横梁

鳄鱼式横梁优点如下：

a)有较大的连接宽度，使主、副簧支架都可得到支撑；

b)截面高度较低，可以让开下部空间，使某些汽车的传动轴自由穿过；

c)可用矩形胚料直接压制；

鳄鱼式横梁的不足之处是：其弯曲刚度不如槽形横梁大，车架扭转时纵梁的应力偏大。因此，可将将翼缘连接改为腹板连接。

鳄鱼式横梁也可由两个帽形截面组成封闭的箱形截面，其扭转刚度较大，弯曲刚度比其它两种大。

6.4.2.3 圆管横梁

通过法兰盘与板簧支架及纵梁连接在一起（见图3 e），或直接穿过纵梁腹板和板簧支架相连。圆管横梁的优点如下：

a)板簧支架的扭转载荷可以直接传到横梁上；

b)对纵梁的约束小，故在该节点处车架扭转应力较低；

c)扭转刚度较大。

圆管横梁的弯曲刚度不如槽形横梁；其连接宽度较小，不利于对副簧支架的支撑（当不采用副簧时即无此问题）。

6.4.2.4 工字形横梁

常由2个槽形横梁组焊而成，弯曲强度和刚度很大，见图3g）。

6.4.3 横梁连接要求及型式

6.4.3.1 横梁作用的发挥程度，在于其连接设计是否恰当。横梁连接设计应考虑的方面为：

a)与纵梁的连接宽度，如较宽可形成较大的连接强度和抗菱形能力，可使偏离横梁的纵梁局部扭

转载荷得到一定的支撑；

b)横梁上下方的连接，应保持较大的跨距，以便与纵梁连接的牢固，并限制其扭转变形；

c)应有较大的连接强度及合适的连接刚度。

6.4.3.2 横梁连接形式主要有三种，各种横梁形式比较见表1：

a)横梁和纵梁上下翼面相连；

b)横梁与纵梁的腹板连接；

c)横梁与纵梁的腹板和下翼面同时连接。

表1 横梁连接方式

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6.4.4 设计要点

6.4.4.1 车架受力复杂,纵梁和横梁截面形状和连接方式各式各样, 要设计出结构合理、可靠实用的客车底盘车架, 除通过理论计算和有限元分析外, 还应注意以下要求。

6.4.4.2 充分考虑各总成零部件的总布置要求, 最大限度地满足车身对底盘的要求。

6.4.4.3 大客车车架纵梁和横梁应尽量采用抗弯强度大的槽形截面510L 汽车用大梁，在城市公交车

底盘车架设计中也可采用矩形钢管，根据不同的要求和布置需要,截面尺寸可不尽相同。

6.4.4.4 横梁与纵梁的连接结构是大客车车架设计考虑的重要方面,包括:

a)横梁与纵梁的上下翼面连接。该型式提高了纵梁的抗扭刚度, 但易产生约束扭转, 造成纵梁翼

面出现较大的应力。由于客车车架与车身共同承载,因此可以采用。

b)横梁与纵梁的腹板连接。该型式连接刚度差, 必须相应加强车架刚度, 大客车车架不适合使

用。

c)横梁与纵梁的腹板和下翼面同时连接。该型式具有前两种型式柔性抗扭和刚性抗弯的综合特点,

是大客车车架横梁和纵梁最好的连接型式。

6.4.4.5 横梁与纵梁连接时, 横梁端部具有最大的应力, 为避免局部区域出现过大的连接负荷应力, 应通过加宽断面以尽可能增大连接区。

6.4.4.6 为提高车架抗弯曲刚度, 承受更大的载荷, 在直大梁搭接处及三段式的前中后连接处必须焊接加强板。加强板的厚度不能大于纵梁厚度, 且材质相同。面积较大时, 应采取塞焊、铆接或者螺栓连接加周边断续焊。

6.4.4.7 悬架为高负荷区, 通常在板簧支架处设置弯曲刚度较大、和纵梁的偏心载荷相适应的横梁；在发动机悬置处，设置弯曲强度足够的横梁；在纵梁的中部或前部（后置车）可设置直接与纵梁上下翼面连接的横梁，如横梁间散布有纵梁局部扭转载荷时，横梁间间距不宜太大。

6.4.4.8 横梁以设计成直线形的效果最好，一般做成简单的直槽型。但有时为了提高横梁的刚度，横梁的断面可采用圆管或箱型断面。为了避让传动轴等部件横梁不能设计成直梁时，一般做成拱形，但弯曲处要尽量平滑过渡，以避免应力集中，装有拖车钩的横梁，要整体进行加强。

6.4.4.9 等高度纵梁的对焊应远离高负荷区,一般采用45°斜焊缝,要打坡口且有材质相同厚度不大

于纵梁的加强板。

6.4.4.10 车架纵梁的钻孔要远离焊缝, 一般禁止在翼面上钻孔, 若特殊需要, 应尽量靠近腹面, 禁

止在纵梁弯曲区域内孔。

6.4.4.11 为满足客车车架总布置的要求可合理地在纵梁翼面上切槽，但切槽深度不能大于翼面宽度

2/ 3。

6.4.4.12 横梁和外支架应尽量增加合理的减重孔。

6.4.4.13 采用封闭型材的刚性抗扭车架, 应使用焊接技术连接, 横梁可采用管材,插入纵梁中焊接。

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7 技术要求

7.1 车架技术条件

车架总成应符合Q/FT A032的各项要求。

7.2 车架的计算

车架的计算主要是对车架在静载和动载条件下的强度和刚度的校核，分为车架的简化计算法和静、动态有限元分析法。此三种方法的具体计算都可参见汽车设计手册的相关内容。

7.3 车架油漆涂层

车架总成油漆涂层为FTQ4甲-Q/FT B039。

7.4 材料选用要求

纵梁如采用槽钢，则材料为510L(09SiVL)-GB/T 3273；如采用异型钢管，则材料为Q345C-GB/T 1591。

纵梁加强板采用与纵梁相同材料，但壁厚不大于纵梁壁厚。

横梁材料一般采用510L-GB/T 3273、Q345C-GB/T 1591。

7.5 性能设计要求

车架应有足够的强度和刚度，在正常使用条件下不允许出现纵梁开裂损坏。

7.6 车架VIN码和产品标牌在车架上的固定

车架上VIN码打印位置应固定，且应符合GB 7258及Q/FT B005要求。产品标牌如果也装在车架上时，位置也应符合GB 7258的要求。设计车架时应考虑这些位置系列化，通用化。出口车应考虑各进口地对此位置的特殊要求。

7.7 车架线束管及过线孔的要求

车架上线束梁规格为方管KQF20*20*2.0/Q345C或者KQJ20*10*1.5/Q235A，在边长为20mm的面上每隔200mm钻一组直径9的通孔，应保证第一组孔和最后一组孔距线束梁端头为100mm。在纵梁和内外横梁腹面上，分别钻有?30、?40、?50、?60、?70、?80、?90、 ?100的过线孔，要求每个过线孔都要装上适宜规格的橡胶护套，以达到保护线束的目的。（配合尺寸见下表）

表2 车架过线孔与橡胶护套配合

8 设计评审要求

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8.1 设计评审方式

在车架图纸完成后由底盘及车身相关设计人员参加对车架图纸的评审。评审方式及要求按设计评审管理办法的规定执行。

8.2 评审的项目

评审的项目有以下内容：

a)车架的结构是否合理，车架的强度是否能够满足；

b)发动机及其附件在车架纵梁上的安装孔及牛腿安装孔是否合理，有无削弱车架强度；

c)横梁位置与底盘分总成（油箱、电瓶）及车身结构（前、中、后门、侧围立柱）是否匹配；

d)制动管路、暖风管路、电线束、油路等管线在车架中的走向是否合理及穿线管是否合适；

e)底盘各总成间是否可能有运动干涉，相关总成（如缓速器、传动轴）的装缷空间是否足够。

f)零部件设计是否能满足车架的工艺性，方便维修性、可靠性。

9 设计输出要求

9.1 产品图样：车架总成图、纵梁零件图、横梁零件图及相关支架加强板零件图。图样清晰，视图完整，尺寸齐全，公差合适，技术要求明确，符合Q/FT B013的规定。

9.2 设计文件：车架总成BOM表、评审记录、特性清单等。

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