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车架设计手册.doc

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车架 设计 手册
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1 车架设计手册 1,范 围 本手册 适用 于客 车底 盘非 承载式 及半 承载 式车 架的 设计。 2 引用 标准 下列文 件中 的条 款通 过本 标准的 引用 而成 为本 标准 的条款 。 凡 是注 日期 的引 用文件 , 其 随后 所有 的 修改单 (不 包括 勘误 的内 容) 或 修订 版均 不适 用于 本标准 , 然 而, 鼓励 根据 本标准 达成 协议 的各 方 研 究 是否可 使用 这些 文件 的最 新版本 。凡 是不 注日 期的 引用文 件, 其最 新版 本适 用于本 标准 。 GB1958-80 形状 和位 置公 差检测 规定 GB1184-80 形状 和位 置公 差 GB3323-87 钢熔 化焊 对接 接头射 线照 相焊 缝质 量分 级 3 符号 、代 号、 术语 及其 定义 车架: 汽车 承载 的基 体, 支撑着 发动 机、 离合 器、 变速器 、 转 向器 、 非 承载 式 (或 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。 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 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 。 4 设计 准则 4.1 应 满足 的安 全、 环保 和 其它法 规要 求及 国际 惯例 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 应 满足 的功 能要 求及 应达到 的性 能要 求 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、 输出 要求 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 相关分 总成 及零 件图 。 4.4 设 计过 程的 节点 控制 要 求 车架总 成要 负责 控制 校核 如下内 容: 1) 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 ; 2) 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 ; 3) 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; 4) 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 、横梁 和外支 架(牛腿) 的 位置 及 连接方 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 2 6.1 模 块化 设计 要求 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 1 ) 和基 本 参数( 轴距 、前 悬、 后悬及 前后 纵梁 开档 、纵 梁截面 ); 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; 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 ; 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; 5) 由 车身 总布 置确 定车 架各牛 腿安 装位 置; 如上述 几条 中安 装位 置有 干涉 , 则 和相 关设 计人 员 勾通并 协商 统一 解决 。 至 此, 车架 基本 框架 就已 完成, 接下 来就 是车 架各 部分总 成的 细节 设计 2 。 注: 1 ,本文不包括全承载式车身 的全桁架结构车架 注: 2 ,制图时可先作出坐标网格 线以方便作图 6.2 标 准化 结构 、零 部件 6.2.1 纵梁 结构 及强 度设 计 纵梁的 形状 及断 面如 右图1 示: 纵梁受 力极 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 转以 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 。提 高纵 梁强 度 常用的 措施 如下 : 一、 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; 二、 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 ; 三、 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 间距 太近; 四、 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; 图 1 纵梁形状及断面 3 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 冲压 边缘修 磨, 以提 高某 些薄 弱部位 的疲 劳强 度; 五、 减小失 稳 1, 在受压 翼缘 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 ; 六、 局部强 度加 强 1, 采用较 大的 板厚 ; 2, 在集中 力较 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。 6.2.2 横梁 结构 及强 度设 计 在车架 结构 设计 中, 处理 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。 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, 有的 横梁还 同时 作为 发动 机、 散热器 、 以 及悬 架系 统 等 的 紧固点 ,这 些都 是在 结构 设计中 的主 要依 据。 横梁 断面形 状及 连接 形式 如下 图示: 6.2.3 后钢 板弹 簧前 支架 及 副簧前 支架 结纵 梁的 局部 扭转 一、 采用槽 形横 梁 采用槽 形横 梁及 大连 接板 (见 图 2a ) , 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 接近副 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 ; 图 2 横梁断面及连接 形式 4 b. 弹簧支 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 ; 也有将 槽形 横梁 的两 端加 宽而直 接和 纵梁 上、 下翼 缘连接 的( 见 图 2c ), 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 , 往 往不 如上 述结 构 可靠。 但当 不用 副簧 时, 则较 适 用。 这种 结构 的优 点是结 构简 单、 质量 轻。 为了折 衷以 上两 个方 案, 可以槽 形横 梁的 上下 方各 采用一 个连 接板 (见 图 2b ) , 或仅 在其 下方 采 用一个 连接 板。 二、 采鳄鱼 式横 梁 鳄鱼式 横梁 通常 由帽 形截 面在其 两端 加接 头构 成, 如下 图 3 示: (a ) 翼缘 连接 (b )腹 板连 接 这种横 梁的 优点 是: 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, 有些车 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 度极 大, 弯曲 刚 度比 上一 种也 大。 三、 采用圆 管横 梁 通过法 兰盘 与弹 簧支 架及 给纵梁 连接 在一 起 (见 图 2e ) , 或直 接穿 过纵 梁腹 板和 弹簧支 架相 连。 这种结 构的 优点 是: a . 弹簧支 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。 这种横 梁的 不足 之处 是 : 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 ) 四、 采用帽 形截 面横 梁 有些车 上采 用大 截面 帽 形 梁(见 图 2d ), 可以 得到 较 大的连 接宽 度和 弯刚 度, 但用料 较多 ,成 本较 高。 6.2.4 后钢 板弹 簧后 支架 及 副长后 支架 对纵 梁的 扭转 多采用 槽形 截面 横梁 , 将 两端加 宽, 直接 和纵 梁翼 面相连 (见 图 2c ) , 由 于后 支架的 受力 支架 , 纵 梁截面 一般 也比 较小 些。 尤 其当弹 簧后 端采 用吊 环结 构时, 两支 架通 常紧 靠在 一 起, 故 使用 中较 少损 坏。 也有采 用带 连接 板的 槽形 横梁的 。 6.2.5 前簧 前支 架对 纵梁 的 局部扭 转 在 横 梁设 计和 布置 时, 还需 考 虑发 动机 前悬 置的 设计 情 况。 如悬 置点 支撑 在横 梁 中部 且较 低时 , 采用“Z ”形 横梁较 易实 现 (见 图 2f ) , 如悬 置点 布置 在 左、 右托 架上 ,可 优先 考虑槽 形横 梁。 6.2.6 前簧 后支 架对 纵梁 的 扭转 由 于 空间 限制 ,横 梁必 须有 较 大的 弯度 ,这 只有 采用 帽 形截 面才 便于 制造 。但 其 两端 和纵 梁连 接 的部分 一般 要复 杂一 些, 其形式 较多 ,现 列出 几种 车型所 采用 的结 构, 如 图 k~ 图 n 所 示。 图 3 图 3 5 此横梁 的设 计难 点还 在于 如何处 理好 与发 动机 悬置 的关系 , 有时 还需 处理 好 与驾驶 室悬 置的 关系 。 这有赖 于车 型设 计 、 有 关 专业设 计与 车架 设计 的良 好配合 。 在有 些车 上把 发 动机悬 置布 置在 横梁 上 , 并 使横梁 与弹 簧支 架对 正 , 驾驶室 悬置 则布 置上 悬臂 极小的 托架 上 , 或 布置 在 另一横 梁上 ( 如下 图 4 示) 。 从纵梁 局 部 扭转 看 , 这 的 确是比 较好 的结 构方 案 , 但往往 难以 实现 。 发动 机 悬置和 弹簧 支架 错开 一定 距 离的情 况, 仍不 少见 。 图 4 发动机及驾驶室悬置横梁 由 于 发动 机尺 寸过 大或 方便 维 修的 需要 ,有 时该 处不 设 置横 梁, 而另 将该 段纵 梁 部分 形成 封闭 截 面,或 在其 后部 采用 “K ”形横 梁, 将其 沿纵 梁向 前延伸 到弹 簧支 架处 ,并 使该段 纵梁 形成 封闭 截面 , 以大大 提高 其抗 扭能 力。 但在制 造上 是很 麻烦 的, 在大量 生产 时较 难接 受。 平衡悬 架结 构 在这种 情况 下, 纵梁 局部 扭转载 荷极 为集 中, 约为 单轴上 钢板 弹簧 一端 载荷 的 4 倍。 故一 般都 采 用由两 根槽 形梁 组成 的 “ 工” 字 梁, 并 在 其上 、 下 面设置 尺寸 很大 的连 接板 和纵梁 翼缘 连接 。 这 样 的 结 构, 其垂 直和 水平 方向 的 弯曲刚 度及 强度 都很 大 , 不仅可 以有 效的 制约 纵梁 局部扭 转 , 也 为推 力杆 支 架 提供了 可靠 的支 撑。 但车 架扭转 时, 该处 的应 力将 大大提 高。 为此 有些 车上 将翼缘 连接 改腹 板连 接 ( 见 图 2g ) ,或 翼缘 腹板 综合 连接。 大连 接板 的采 用使 车架抵 抗平 行四 边形 变形 的能力 大为 增强 。 螺旋弹 簧独 立悬 架结 构 在这种 情况 下, 纵梁 局部 扭转载 荷也 很大 ,为 钢板 弹簧一 端载 荷 的 2 倍, 故 横梁截 面也 应很 大。 常为箱 形( 前悬 架) 、帽 形 、管形 和“Z ”形( 后悬 架 ) 。 其它常 见结 构 除弹簧 支架 以外 , 纵 梁其 它部位 的局 部扭 转载 荷一 般较小 , 横 梁的 弯曲 刚度 和连接 刚度 都可 以小 一 些,常 见的 结构 如图2h~图2j等。 6.2.7 设计 要点 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 几个 方面: 1) 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 。 2) 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 16MnL 汽车用 大梁 1 , 根 据不 同的 要 求和布 置需 要, 截面 尺寸 可 不尽相 同。 3) 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: ①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。 ②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。 ③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 。 4) 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。 5) 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 + 周 边断 续焊 。 6) 悬架 为高 负荷 区, 在钢 板弹簧 支架 传力 处应 有加 强横梁, 或 采用 用加 筋板 、 箱状件 加强 而构 成的 受剪结 构, 且该 处纵 梁不 能 对接。 6 7) 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 。 8) 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 。钻 孔时 应满足 下图 示要 求( 不包 括工艺 孔) : A mix =3xD( 最 小为 40) B mix =4xD C mix =3xD D= 钻孔 直径 9) 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 。 MANA55 、A62 及重 汽公 司开发 的 E12 等大 客车 底 盘均有 这样 的设 计。 10) 横 梁和 外支 架应 尽量 增加合 理的 减重 孔。 11) 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 。 注: 注:1 ,在城市公交车底盘车架设计中也可采用异形钢管(WL510 或16MnL ,壁厚4.0 ~6.0 )。 6.3 数 据表 达要 求 6.3.1 纵梁 的加 工及 公差 要 求 1 长 度偏 差不 得超 过 5 0 ? L mm; 2 腹板 纵向 直线 度公 差不 超过全 长 的0.4% , 每1 米 内的 偏差 不大 于 2mm ; 3 翼缘 纵向 直线 度公 差不 超过全 长 的0.1% ; 4 断面尺 寸( 见右 图6 ) a) 幅 板 面 在 范 围C 内 的 直 线 度 偏 差 不 大 于0.3mm ; b) 纵梁断 面高 度 A 值的 偏差 5 . 0 0 ? A mm ; c) 横梁处 测量 开口尺寸 B 的 偏差 2 . 1 ? B mm; d) 腹板C 范围 内直 线度 公差 为 0.3mm ; e) 纵梁内 侧圆 角半 径 R 的偏 差为±1mm 。 5 修补 要求 a) 纵梁滚 轧后 ,不 允许 出现 裂纹; b) 纵梁冲 压时 产生 的裂 纹在 距离两 端 400mm 范围 ,其 长度不 超过 200mm ,在 纵 梁其他 部位 的 长度不 超 过 100mm ,且 不 多于四 处, 裂纹 处允 许用 电弧补 焊, 并要 打磨 平光 ,焊缝 之间 的 图 6 7 距离不 小 于300mm( 纵向 裂 纹)。 c) 两端头 折弯 时, 如有 长度 不大 于 5mm 的裂 纹, 允许 不补焊 。 d) 纵梁采 用冲 压制 造时 ,应 无起皱 和边 缘冲 裁不 齐的 现象。 6 禁止 使用 手工 热切 割方 法加工 纵梁 上的 孔, 纵梁 只允许 冷校 止。 7 装配 组孔 的位 置度 a) 在同一 平面 内, 同一 组孔 的位置 度公 差为 Φ0.3mm 。 b) 同一零件装在 纵梁幅板、 翼缘两平面上 的两组孔, 其孔边距(孔 至另一边的 距离)偏差 为 ±0.5mm 。 8 在冲 压成 形时 ,造 成的 材料局 部减 薄不 得超 过材 料厚度 的 10% 。 9 当钻 孔或 冲孔 出现 毛刺 , 并因此 给铆 接带 来困 难时 , 或者 为了 避免 由毛 刺造 成的损 伤, 必须 去毛 刺。规 定: 倒 角1±0.5*45 ゜ 6.3.2 纵梁 加强 板( 见图 6 及图 7 ) 1 腹板 纵向 直线 度公 差 为 6mm( 在 C 范围 内测 量) ; 2 断面 尺寸 a) 腹板C 范围 内直 线度 公差 为 0.4mm ; b) 纵梁内 侧圆 角半 径 R 的偏 差为±1mm ; c) 当采用 图1 断面 的加 强板 开口尺 寸 B 的偏 差为 2 1 ? ? B mm;A 的偏 差为 5 . 0 0 ? A mm 3 装配 孔的 位置 度, 冲压 料厚变 薄的 要求 符合3.1.8 和3.1.9 条 款的 要求 6.3.3 横梁 1 当 横梁 采用 铆接 ( 或 螺栓联 接) 方式与 纵梁 联 接时, 横梁 上分别 与左 右 纵梁铆 接 ( 或螺栓 联接 ) 的 组孔之 间尺 寸的 偏差 为±0.5mm ; 2 当横 梁采 用焊 接方 式与 纵梁联 接时 ,焊 缝要 求 按GB3323-87 要求 达到II 级或 II 级以 上标 准。 3 槽形 横梁 断面 尺寸 形状 偏差应 符 合6.3.1 条第 4 条中 a 、c 、d 的 规定 。 4 非槽 形横 梁不 允许 有裂 纹。 5 槽形 横梁在 两端100mm 范 围内裂 纹长度 不得大 于20mm ,在其 它部位 折弯 处长度 不得大 于50mm ,但 裂 纹不得 多于 两处 。裂 纹外 允许用 电弧 焊补 焊, 但要 打磨平 光( 纵向 裂纹 )。 7. 材 料选 用要 求 纵梁如 采用 槽钢 ,则 材料 为WL510/16MnL ;如 采用 异 型钢管 ,则 材料 采用WL510; 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16MnL 、WL510 、Q235A 8. 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。 9 设计 计算 客车具 有扭 转柔 性明 显的 承载系 统, 其车 架的 计算 任务是 : 确定汽 车以 满载 在不 平度 很小 ( 对称 加载 ) 的 平坦 路 面上以 需考 虑动 载荷 的足 够高的 车速 行驶 时车 架元件 的应 力。 确定汽 车以 满载 低速 行驶 于坏路 面且 当轴 荷分 配较 小载荷 的那 个桥 的一 个车 轮滚上 30cm 高的凸 包 时车架 元件 的应 力。 为了不 仅评 价车 架的 总柔 性及作 用在 车架 上的 应力 , 而且要 弄清 变形 和应 力突 变处的 危险 断 面 以及 它们沿 车架 长度 的变 化情 况,则 应对 通过 特征 点( 横梁联 接处 、纵 梁断 面高 及宽的 变化 处、 加载 点等 ) 图 7 8 的一系 统横 向平 面处 的车 架挠度 、 扭转 角和 应力 进 行计算 。 计算 结果 最好 能 用沿车 架长 度绘 出挠 度 、 转 角和应 力图 表达 出来 。 为了简 化计 算, 可将 车架 看作平 面结 构, 而纵 、 横 梁则以 杆件 代替 , 纵 横联 接处的 交角 认为 是刚 性 的, 且 认为 代替 车架 元件 的杆件 在两 结点 (或 特征 点) 实 间的 全长 上的 惯性 矩不变 , 并 取为 该元 件 惯 性 矩的平 均值 。 最简单 的梯 形车 架的 计算 ,是在 对称 载荷 (弯 曲) 作用下 求简 化为 简单 梁的 纵梁的 挠度 和应 力。 在反对 称载 荷 ( 扭转 ) 作 用下, 由两 根纵 梁和 若干 根横梁 组成 的车 架是 一个 静不定 系统 。 用 材料 力 学教程 给出 的一 些方 法求 解这一 静不 定系 统各 元件 的应力 和变 形计 算十 分复 杂、 工 作量 很大 。 然 而如 果 对系统 作某 些假 设则 可使 计算大 为简 化。 车架的 简化 计算 设车架 各元 件的 弯曲 变形 与其扭 转变 形相 比是 很小 的,则 可按 下述 方法 进行 简化计 算: 下图为 梯形 车架 在反 对称 载荷作 用下 的受 扭情 况简 图。作 用于 车架 上 的 4 个力 R 位于 前、 后轮 轴 线所在 的横 梁铅 垂平 面内 , 这是 各横 梁的 扭转 角相 等。 此 外, 纵、 横梁 单位 长度的 扭转 角亦 相等 。 由 于 扭转角 θ与 扭 矩 T 、扭 转 刚度 GJk 存在 下述 关系 :梯形车 架 在 反对 称载 荷作 用下受 扭情 况简 图 Ⅰ~Ⅴ —横 梁;1 ~4 —纵 梁的区 段 k GJ Tl ? ? ( 单位为 :rad) k GJ Tl 3 . 57 ? ? ( 单位为 : ( °)) ( 式 1) 式中 T — 车架 元件 所受 的 扭矩,N ? mm ; l — 车 架元 件的 长度 ,mm ; G — 材 料的 剪切 弹性 模 量,Mpa ; Jk — 车架 元件 横断 面的 极惯性 矩,mm4 ; 因此 , 作 用在 车架 各元 件 上的扭 矩 Tk 与该元 件的 扭 转刚 度 GJkk 成 正比 , 故 有 T Ⅰ : : ? :T Ⅴ : T1 :T2 : ?:T4 =JkⅠ:Jk Ⅱ :? :Jk Ⅴ :Jk1 :Jk2 : ?:Jk4 式(2) 式中 T Ⅰ ,T Ⅱ ,? —横 梁Ⅰ, Ⅱ, ?所 受的 扭矩 ; Jk Ⅰ,Jk Ⅱ ,? —横 梁Ⅰ, Ⅱ, ?横 断面 的极 惯性矩 ; T1 ,T2 ,? —纵 梁 在Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ, Ⅲ, ?横 梁间所 受的 力矩 ; Jk1 ,Jk2,? — 纵梁 在Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ, Ⅲ, ?横 梁间断 面的 极惯 性矩 ; 如果将 车架由 对称 面处切 开(见 下图) ,则切 掉的一 半对尚 存的一 半的 作用相 当于在 切口横 断面 上 作用着 扭矩 T Ⅰ,T Ⅱ ﹕, ?T Ⅴ﹕ 和横 向力 QⅠ,Q Ⅱ,?Q Ⅴ, 对最 右边 的 横梁Ⅰ 取力 矩的 平衡 方程9 式,则 有: RL-( T Ⅰ+ T Ⅱ+ T Ⅲ+ T Ⅳ+ T Ⅴ)+ Q Ⅱl1- Q Ⅲ(l1 +l2)- Q Ⅳ(l1 +l2+l3)- Q Ⅴ(l1 +l2+l3+l4)=0 式(3 )由式(2)得 ; ; kI kIII I III kI kII I II J J T T J J T T ? ? … ; ; 1 2 2 1 1 1 k k I k k I J J T T J J T T ? ? … 式(4) ; 2 2 1 1 1 kI k I J J C T C T Q ? ?); ( 2 ) ( 2 1 2 1 1 2 k k kI II J J CJ T C T T Q ? ? ? ? … 将以上 各式 代入 式(3 ) , 经整理 后得 : ? ? ? ? ? ? V I n n m km kn k L J C J RLJ T 4 1 1 ) ( 2式(5 ) 式中 n— 横梁 数; m —两横 梁间 的纵 梁区段 数 C —车 架宽 这样, 已知 各横 梁和 纵梁 各区段 横断 面的 极惯 性矩 时,便 可求 出横 梁 I 所受的扭矩 TI ,将 TI 代入 式(4 ) 的 有关 各项 , 则 可 进而求 出其 他各 横录 像所 受的扭 矩 TII ,TIII ,TIV ,TV , 及 纵梁 在各横 梁之 间所受 的扭 矩 T1 ,T2 ,T3 ,T4 。 由上述 计算 可见 , 车架 所 受的扭 转力 矩是 由纵 、 横 梁共同 承受 的 。 但 对于 扭 转刚度 较小 的货 车梯 形 车架而 言, 作用 在车 架上 的弯曲 力矩 主 要是由 车架 纵梁 承受 。为 了计算 弯曲 力 矩,假 定车 架所 支承 的全 部载荷 的一 半 由一根 纵梁 承担 。先 求出 装在车 架上 各 总成、 构件 及装 载质 量对 车架产 生的 集 中载荷 及其 作用 点, 如图 示。这 时簧 下 质量除 外, 而悬 架弹 簧、 传动轴 等跨 车 架和车 桥两 边的 构件 则其 重力的 一半 。 对应这 些载 荷, 设前 钢板 弹簧的 前、 后 10 支点的 支承 反力 为 Rff ,Rfr ;后钢 板弹 簧的支 承反 力 为 Rrf ,Rrr ,则: fr ff f R R R ? ?rr rf r R R R ? ?r f n R R F F F F ? ? ? ? ? ? ... 3 2 1式(6) r r f f n n l R l R l F F F F ? ? ? ? ? ? ... 3 2 1式中 F1 ,F2 ,…Fn — 作用 在纵梁 上集 中静 载荷 ,N ; l1 ,l2 , …ln — 各载 荷 F1 ,F2 ,…Fn 的作用点 距车架 前端 的距 离,mm ; lf ,lr , —前 、后 轮 距车架 前端 的距 离,mm ; 由下列 二式 可求 出 Rf ,Rr : f r n n r n f l l l F l F l F l F F F R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ) ... ( ) ... ( 2 2 1 1 2 1f r n n f n r l l l F l F l F l F F F R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ) ... ( ) ... ( 2 2 1 1 2 1式(7 ) 如果前 、后 轮均 装在 其弹 簧的 正中间 ,则 : f fr ff R R R 2 1 ? ?r rr rf R R R 2 1 ? ?式(8 ) 求得这 些集 中静 载荷 F1 ,F2 , …Fn ,Rf ,Rr 以 及这 些力的 作用 点的 位 置 l1 ,l2 ,…ln ,则 可计 算 纵梁在 各力 作用 点的 弯矩 并绘出 纵梁 的弯 矩图 。例 如: 在 F5 力作用点 处 的 弯 矩为: ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 5 5 4 5 4 3 5 3 2 5 2 1 5 1 5 fr fr ff ff l l R l l R l l F l l F l l F l l F M ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式(9) 考虑到 路面 不平 度引 起的 冲击和 振动 等靠 造成 的动 载荷, 可对 纵梁 的最 大弯 矩 Mmax 乘以 动载 荷 系数 kd 并取 kd=2.5~4.0 , 轿车取 小值 ,越 野车 取大 值。如 果再 考虑 车架 多为 疲劳损 伤, 且取 疲劳 安全 系数 n=1.15~1.40 ,则 可求 得动载 荷 下的 最大 弯矩 为 : max max M nk M d d ?式(10 ) 则弯曲 应力 可按 下式 求得 : W M dmzx w ? ?式(11 ) 式中 W — 纵梁在 计算 断面 处的弯 曲截 面系 数, 对于 槽形断 面的 纵梁 6 ) 6 ( th b h W ? ?式(12 ) 式中 h —槽 形断 面的 腹板 高; 11 b —翼 缘宽 ; t — 梁断 面的 厚度 ; 当车架 纵梁承 受的 是均匀 分布的 载荷( 见下 图)时 ,车架 强度的 简化 计算可 按下述 进行 ,但需 作 一定假 设 。 即 认为 纵梁 为 支承在 前 、 后 轴上 的简 支 梁; 空车 时簧 上负 荷 Gs 均 匀分布 在左 、 右纵 梁的 全 长上( 对 4X2 货 车可 取 3 / 2 0 g m G s ? , 0 m 为汽车整 备质 量) ; 满 载时 有 效载 荷 Ge 则 均布 在车 箱范 围内 的纵梁 上; 忽略 不计 局部 扭矩的 影响 。 在图中 ,R f 为一根 纵梁 的 前支承 反力 ,由 图可 求得 : ? ? ? ? ? ? 2 2 2 4 1 c c G b L G l R e S f ? ? ? ? 式(13) 在驾驶 室的 长度 范围 内这 一段纵 梁的 弯矩 为: 2 ) ( 4 a x L G x R M S f x ? ? ? 式(14 ) 驾驶室 后端 至后 轴这 一段 纵梁的 弯矩 为: ? ? 2 1 2 ' ) ( 4 ) ( 4 x l c c G a x L G x R M e s f x ? ? ? ? ? ? 显然,最大弯矩 就发生在 这一段梁内。可 用上式中 的弯矩 ) ( ' x f M x ? 求导数并令其为零 的方法求 出最大 弯矩 发生 的位 置x , 即: 0 ) ( 2 ) ( 2 1 ' ? ? ? ? ? ? ? c l x c G a x L G R dx dM e s f x由此求 得: ) ( ) ( 2 1 c G L G c c l G L a G R x e s e s f ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式(15 ) 式(16 ) 式(17 ) 12 将上式 代入 式 (15 ) , 即可 求 出纵梁 承受 的最 大弯 矩 max M 。 如 果再考 虑到 动载 荷系 数 0 . 4 ~ 5 . 2 ? d k 及疲劳 安全 系数 0 . 4 ~ 15 . 1 ? n ,并 将它 们代入 式(10 ) 及式 (11 ),则 可求 出纵 梁的 最大 弯曲 应 力 。 按式 (11) 求得 的弯 曲应 力不应 大于 纵梁 材料 的疲 劳极限 1 ? ? 。 对于16Mn 钢板, 1 ? ? =220 ~260Mpa 。 当纵梁 受力 变形 时, 翼缘 可能会 受力 破裂 ,为 此可 按薄板 理论 进行 校核 ,由 于临界 应力 为: MPa b t u E cr 350 ) ( 1 4 . 0 2 2 ? ? ? ? 式中 E--- 材料 的弹 性模 量,对 低碳 钢和16Mn 钢:E=2.06X10 5 Mpa ; u--- 泊松 比, 对低 碳钢和16Mn 钢, 取u=0.290 ; t--- 纵梁 断面 的厚 度; b--- 纵梁 槽形 断面 的翼缘 宽度 。 将E,u 代入 式(18) ,得 : b≤16t 为了保 证整 车及 有关 机件 的正常 工作 , 对 纵梁 的最 大挠度 应予 以限 制。 这就 要对纵 梁的 弯曲 刚度 进 行校核 。 如果 把纵 梁看 成 是支承 跨度l 为轴 距的 简支 梁, 根据 材料 力学 给出 的 截面惯 性矩 为J 的简支
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