汽车车架设计及其轻量化研究

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作者简介：第一作者：姜建斌，1974.4，男，汉，湖北福田专用汽车有限公司。

第二作者：张建武，1973.3，男；

第三作者：骆良毅，1977.4，男。

摘要：汽车车架的设计应重点考虑其强度、弯曲度、质量和尺寸等诸多因素；在汽车车架的制造过程中可以考虑铆接等制造工艺；为提高汽车的灵敏度，可以在保证车架质量和耐受力的基础上，对车架的厚度进行修改，实现车架的轻量化。

关键词：车架；设计；工艺；灵敏度；轻量化

随着人们物质文化条件的提高，汽车已成为人们的代步工具、运输工具，在人们日常生活中扮演越来越重要的角色。同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车行业之间的竞争日趋激烈，提高汽车质量，革新汽车制造技术，降低生产成本成为汽车公司追求的目标。汽车车架汽车的装配基体，汽车上绝大多数的零部件、总成都安装在车架上。它不仅承受零部件、总成的载荷，还要承受汽车行驶时来自路面的各种复杂载荷，所以其必须有足够的刚度。通过加厚车架板件能够很好地提高其刚度，但是这会增加车架质量，降低汽车燃油经济性。为了保证汽车具有足够的刚度和燃油经济性，车架轻量化成为载货汽车的发展趋势。

一、汽车车架设计的基本要求。

1、强度足够大。车架必须具备一定的刚度，刚度是机器或者零件抵抗弹性变形的能力，机器或者零件的刚度不够，将改变其正常几何形状或位置，进而影响其正常工作。

2、扭转刚度适中。为了保证汽车对路面的不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力要求具有合适的扭转刚度。通常要求底盘两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。

3、较好的弯曲强度。为保证汽车在各个复杂受力的使用条件下，汽车的弯曲挠度应控制在一定范围内。弯曲载荷工况要保证汽车满载时在道路上平稳行驶，车架承受基本载荷。

4、较小的质量。在保证强度、刚度的前提下，车架自身的质量要尽量小，以减小整车的质量。从而降低成本，提高灵敏度。

二、车架制造的基本工艺。

1、铆接技术。汽车车架一般由纵梁、横梁以及纵梁上的各种附 件等通过铆接设备（如：风动铆接机、液压铆接机等）将各种规格铆钉铆接后拼装而成。风动铆接是通过压缩空气吹动风锤连续锤击铆钉窝使铆钉杆墩粗并使钉帽成型。液压铆接是通过液压泵产生高压驱动油缸，通过由合金结构钢做成的弓形铆钳将铆钉压合成形。与风动铆接相比较，采用液压铆接具有以下优点：噪音小；劳动强度低；铆接速度快，约3秒钟即可铆接一只铆钉；铆接力大，冷热铆均可；铆钉受力均匀，铆接质量好，可矫正车架局部变形。

2、螺栓连接技术。工人使用气动扳手通过高强度螺栓将横梁与纵梁以及附 件连接在一起，这种制造工艺优势在于：a、在通过螺栓连接横梁与纵梁时，一侧用开口扳手固定高强度螺母，另一侧用气动（或电动）扳手将螺栓快速拧紧。由于扳手体积很小，不用像铆钳铆接那样过多考虑干涉问题。b、操作方便，速度快。由于扳手体积小、重量轻，人使用起来比用铆钳方便很多。

3、焊接技术。焊接工艺在轿车和轻卡的车架制造上是应用很广泛的，在中、重卡上只是在一些不太重要的车架附件上进行焊接。焊接工艺的优势在于：无需在纵梁和横梁上打孔或冲孔，这样就不会对车架的强度造成影响。但是，在焊接后都会产生不同程度的应力集中，产生整体或局部的变形，尤其是车架这样的薄板焊接就更为严重为了防止车架变形和增加效率，需要为车架焊接制作专用的工装具，然而车架的种类很多，车型的更新换代很快，这样就无疑在车架焊接的工装夹具上的制造成本是非常巨大的。

三、车架轻量化探索。

随着汽车行业竞争的日趋激烈，在保证汽车质量的前提下，如何节约成本成为汽车厂家追求的共同目标。在汽车车架的设计上，保证其质量和灵敏度的基础上，降低车架的重要，对汽车车架的宽度、厚度等进行变革，是实现汽车车架轻量化，节约资源的重要手段。

1、灵敏度分析：灵敏度分析在结构的设计以及分析中起着重要的作用，特别是结构的优化设计和结构修改中。汽车作为一种大型复杂结构系统，设计变量多，在结构设计和优化中，常常有许多设计参数可供调整，为了确定设计和优化方案，分析各个设计参数对结构特性变化的灵敏度是十分必要。它可以避免结构修改中的盲目性，提高设计效率和减少设计成本，同时也是结构优化设计的基础。其数学模型可以表述为：最小化：f（X）=f（x1，x2，…xn）；约束条件：hj（x）≤0.1 xLi ≤xi≤xUi 其中X 为设计变量；f（X）是目标函数；hj（X）约束函数；上角标L为约束函数上限；下角标为约束函数下限。传统灵敏度对于车架的轻量化设计，一般是通过改变车架板件的厚度来减小质量，但是同时造成车架刚度降低，部分位置应力过大。相对灵敏度分析把反映车架等效应力作为状态变量，以车架总质量为目标函数，为了更加全面地反映修改车架板件厚度对车架质量和刚度的影响。

2、车架轻量化实践：在保证车架强度、弯曲强度等性能的前提下，通过减少车架厚度，从而实现车架轻量化。车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接性能。低碳和中碳低合金钢，能满足这些要求，具有良好的冷冲压性能和焊接性能。重型货车冲压纵梁的钢板厚度约 7.0-10.0 mm。车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸不大、形状又不复杂 的冲压件，常采用强度稍高的 20，25，16Mn，09SiVL，10TiL等。为了提高车架强度、减小质量，而采用中碳合金钢热压成形，再经热处理，例如采用30Ti钢板的纵梁经正火后抗拉强度即由450 MPa（HB156）提高到480-620 MPa（HB170）。这是当前车架高强度、轻量化的取材趋势。

四、结语。

本文通过对汽车车架设计的基本要求、车架工艺技术及在保证车架强度和质量的基础上实现车架轻量化等问题的分析，对优化汽车车架设计，实现节约成本，合理利用资源，对汽车车架的设计方向的革新具有重要意义。（作者单位：湖北福田专用汽车有限公司）

参考文献：

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