重型牵引车梯形车架的设计

作者：中国重型汽车集团公司 李光耀 李长喜

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 车架在整车结构中有着举足轻重的作用，它是整车大总成（驾驶室、发动机、变速箱等）的承重基础。本文主要论述梯形车架在6×2重型牵引车中的安全设计。 重卡市场的激烈竞争，让重卡生产厂家不得不根据市场需求不断地推出新的产品，6×2重型牵引车是中国重汽最早推出的畅销车型并获得了国家授权专利。此后国内重卡生产厂家借鉴中国重汽6×2重型牵引车技术纷纷推出了自己的6×2牵引车。6×2重型牵引车可以说是国家治理重卡超载的产物，时至今日6×2重型牵引车依然是重卡市场上宠儿。在6×2重型牵引车中车架的设计是十分重要的，它几乎比引擎更重要，因为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）。车架是联结在各车桥上形似桥梁的一种结构，是整个汽车的基础。发动机、变速器、转向器及车身部分都固定其上，它除了承受静载荷外还要承受汽车行驶时产生的动载荷，因此车架必须要有足够的强度和刚度，以保证汽车在正常使用时受到各种应力下不会破坏和变形。 1.车架的作用 1.1车架的作用 就像脊椎动物的身体由骨架来支持一样，汽车也必须有一幅骨架，这就是车架。在商用车整车设计开发中，车架是汽车设计的重要课题，因为它的好坏直接关系到车的一切性能，操控、安全、舒适等等。车架的作用是承受载荷，包括整车自身零部件的重量和行驶时所受到的冲击、扭曲、惯性力等。车架在实际工况下要承受4种载荷，负载弯曲、横向弯曲、非水平扭动、水平菱形扭动。如果车架在某方面的韧性不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。其实车架的好坏并非物理指标就可以涵盖，所以即使有超强的新车架出现，传统的车架形式依然存在。 1.2车架承受力的分析 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力。如果车架在某方面的韧性不佳，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种压力。 1.2.1负载弯曲（Vertical bending） 从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量（unsprung mass）是由车架承受的，通过轮轴传到地面。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，一般都要求较强的刚度。 1.2.2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压力（longitudinal torsion），情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。 1.2.3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）会使车身产生向外弯甩的倾向，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。 1.2.4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，这种情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。 1.3影响车架质量的主要因素 车架在整车的安全性中有着举足轻重的作用，攸关车架质量的因素很多，主要表现在以下几个方面： 首先，设计者要在设计阶段就有提高车架质量的意识，车架是整车安全基础的意识。能够通过优化设计，在现有设备和工艺基础上保证车架质量的能力。 其次，生产者要正确使用和操纵生产设备，使现有设备发挥最大的效能。不出现错误操作和违规操作的现象。 再者，装配者要正确装配。要严格按照装配工艺执行，坚决杜绝随意铣孔。做到不符合装配要求的零件不上车架。 最后，质检者要严格质检。质检是确保车架质量的最后一道防线，能起到亡羊补牢的作用。所以一定要严格把好这最后一关！ 2.车架的结构 现有的车架种类主要有大梁式、承载式、钢管式及特殊材料一体成型式等形式，其中梯形大梁式是商用车领域采用最广泛的一种车架。梯形大梁式车架由两根长纵梁及若干根短横梁铆接或焊接成形，纵梁主要承负弯曲载荷，一般采用具有较大抗弯强度的槽形钢梁。横梁有槽形、管形或口形，以保证车架的扭转刚度和抗弯强度。横梁还用以安装发动机、变速器、车身和燃油箱等。为适应不同的车型，横梁布置有多种型式，如为了提高车架的扭转刚度采用X型布置的横梁。 梯形大梁式结构简单，工艺要求低，制造容易，使用广泛，负载抗弯曲能力高，先天造就平台造型，无论对营造车厢空间还是载货空间都有极其正面的作用。 另一方面，由于粗壮的大梁纵贯全车，影响整车布置和空间利用率，大梁的横截面高度使车厢离地距离加大，重量大，整车行驶经济性变差。 梯形车架还有一个更为人熟知的名称—阵式车架，是最早出现的车架形式。顾名思义，梯形车架的样子就好像一条平躺着的梯子由两条纵向的主梁，结合许多大小（粗细）不同的副横梁所构成的，有些情况还会加上斜梁作加固，一般常用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面一般为槽形。横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还用以支承汽车上的主要部件。纵梁一般由主梁和加强梁组成，梁的形状为U型。加强梁装在主梁内，用铆钉连接。根据车型不同，纵梁分直梁式和曲梁式；又分等截面梁和变截面梁。 纵梁侧翼面及上下端面有整车各个总成的安装孔，从φ5到φ50的孔少则100～200个，多则400～500个。如此多的孔均有孔径公差、孔间距公差、光洁度要求，安装孔需倒角。 随着不同形式的车架设计的诞生，梯形大梁车架出现了变截面、前宽后窄、前低后高等不同新结构，这些变化都是适应日益发展的个性化车型的需求。 3. 6×2重型牵引车梯形车架 梯形车架主要是车身和底盘分离设计，车架和车壳作非固定连接。车辆行驶在崎岖的大幅落差环境的路面上时，会导致车架的大幅扭动，一体式车架很有可能扭到连车架厂都不认得这是自己造的车了。梯形车架的非水平扭曲刚性其实并不理想，一样会产生大幅的扭动，分离式车身正好阻止了车壳的扭动。另外梯形车架的前向抗弯曲能力（即对抗前方正面撞击力的能力）非常的强！所以此型车架仍被商用车普遍的使用。另外，由于梯形车架的负载抗弯曲能力高，而车架先天造就平台造型，无论对营造车厢空间还是载货空间都有极其正面的作用。 同时，梯形车架的优点也造就了它的缺点，平面结构令它的非水平扭曲刚性相对于一体式车架来的低，而车架的设计不善于造就重心水平低的汽车（技术上完全可行，但是没有必要）。对于以操控性作为出发点的汽车这种特性当然与他们的宗旨背道而驰。 3.1 6×2牵引车梯形车架的设计背景 针对国家公路运输严格治理超载政策的贯彻实施，当时国内市场主要是4×2或6×4牵引车车型，经过大量的市场调研中国重汽适时推出了国内首款6×2牵引车车型，该车型一推出就受到了用户的追捧，当年就销售6000多辆。而该车型所采用的车架正是等宽梯形车架。由于是双转向前桥牵引车，它对车架的加工精度提出了更高的要求。 3.2梯形车架结构尺寸设计及优化 通过附图3，结合附表一对梯形车架结构尺寸代码进行描述。 3.3梯形车架结构尺寸相互关系要求 左、右纵梁上表面应在同一平面内，全长范围内平面度要求为4。左右对称的前后钢板弹簧支架与吊耳支架其销孔中心线应在同一直线上，且与车架对称中心平面垂直，偏差不得大于1000：1.5；附图一对角线K1和K2，K3和K4长度差不得大于2 ，T1和T2长度差不得大于3。左右板簧座销孔与车架下翼面距离H1和H2，H3和H4的差值不得大于1.5。以上数据均是经验数据，只是适用于一般情况。针对不同的工况，数据还有调整。 4.梯形车架结构尺寸对整车设计质量的影响 4.1梯形车架结构尺寸对整车静态质量的影响 车架纵梁平面度直接影响整车上装的稳定性。左右对称的前后钢板弹簧支架与吊耳支架其销孔中心线在同一直线上， M1和M2，M3和M4，与C线所在铅直面的垂直关系直接影响转向桥左右车轮中心线的离地高度。N1和N2与C线所在铅直面的垂直关系直接影响驱动桥 左右车轮中心线的离地高度。K1和K2 ，K3和K4的差值直接影响转向桥轴线与C线所在铅直面垂直关系，如图4所示。T1和T2的差值直接影响驱动桥轴线与C线所在铅直面垂直关系。 4.2梯形车架结构尺寸对整车动态质量的影响 “吃胎”现象。“吃胎”现象出现的根本原因就是车轮的行使中线与整车的行使中线有偏差。轻微的可以通过调整臂调节，严重的就要重新校验车架了。K1和K2，K3和K3的差值超出了允许误差就是产生“吃胎”现象的原因之一。 转向吃力。H1和H2，H3和H4的差值及K1和K2，K3和K3的差值超过允许误差值就会产生转向前桥的现象。它是转向吃力的一个原因。消除这些超差的差值也就极大地减少了整车行使时的安全隐患。 动力不强。T1和T2的差值直接关系到驱动桥的轴线位置，若驱动桥的轴线与C线夹角过大，其直接影响的便是整车的动力性。因为整车的驱动力方向和整车行使方向始终有夹角。这是整车行使时的安全隐患。更是直接影响着整车的经济性。 制动隐患。附表一中罗列的因素如出现了过大的超差现象。其直接的后果便是整车行使制动时出现安全隐患。整车制动安全性能是整车性能的重要指标，更是国家强检内容之一。制动是整车的主动安全项，它直接攸关驾乘人员的生命安全。因此，必须引起足够的重视。 5.梯形车架结构尺寸的简单校验方法 5.1质量台检验法 5.1.1质量台检验法的优点 高精度是质量台检验法的主要优点。主要适用于新车架开发时，加工精度检验。同时，也可以检验制造设备的加工精度。如折弯加工、冲孔加工、铆接加工等工艺的加工精度检验。 5.1.2质量台检验法的不足 价格高，操作不便。车架生产厂家一般都生产不同长度的各型车架总成，为了更强的通用型，一般都要购买较大的质量台。不只是质量台，还需要一些配套的设备和仪器。另外还需对操作人员进行专业培训，这也会无形当中增加了质量台的成本—使用成本。 用于质量抽检的情况较多，不适于批量生产的全尺寸检验。很显然，全尺寸车架总成都上质量台检验的后果就是影响生产效率。这是车架生产企业难以接受的。 5.2拉线检验法 5.2.1拉线检验法的优点 操作简便。所需的配套设备和仪器少，另外对操作人员只需进行简单的业务培训就可胜任此项工作。非常适合批量生产的简易检验。 5.2.2拉线检验法的不足 检验精度有限。它不适于新车架生产前通过质量检验以调试生产设备的情况。(end)

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