大客车底盘车架结构的设计

陈西辉;李建鹏

【摘 要】本文主要介绍了大客车底盘车架的基本结构及其设计要点 【期刊名称】《汽车实用技术》 【年(卷),期】2010(000)003 【总页数】5页(P14-18)

【关键词】大客车底盘;车架结构;设计要点 【作 者】陈西辉;李建鹏

【作者单位】陕西欧舒特汽车股份有限公司;陕西欧舒特汽车股份有限公司 【正文语种】中 文

如果人们把发动机比喻为汽车的“心脏”，那么车架就可以称为汽车的“骨骼”了。车架是汽车所有总成零部件“生存”的载体，通过行走系和车身车辆上的所有力都要作用于车架上，车架的受力情况是极其的复杂。车架结构设计的好坏是汽车设计成功与否的关键因素。在大客车底盘车架的过程中，我们不但要考虑各总成零部件布置的合理性、可靠性及其工艺性和维修的方便性，还要最大限度地满足车身对底盘的特殊要求，如纵梁的结构、横梁及外伸支架的位置及连接方式、地板高度等等。对同型号的客车底盘，不同的用户对车架的要求可能不尽相同，甚至有较大的差异。这里着重介绍大客车底盘车架的基本结构及其设计要点。 1.大客车底盘车架结构的设计要求

大客车底盘车架结构既要满足大客车底盘各总成零部件的布置要求又要满足车身对车架的特殊要求，另外，还必须满足以下几点要求： 1）有足够的疲劳强度

保证在各种复杂受力的情况下车架不受损坏，要求车架有足够的疲劳强度。 2）有足够的弯曲强度

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至于因为车架的变形而早期损坏，要求车架具有足够的弯曲强度 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行度的适应性，提高汽车的平顺性和通过性，要求车架具有适合的扭转刚度。 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的消耗量。 2.大客车底盘车架的基本结构

大客车底盘车架一般包括直通大梁式、分段式和全桁架(无车架)式3种结构型式，分别与车身构成非承载式、半承载式和全承载式结构。根据其不同的用途和工艺特点，车架与车身大都采用刚性连接，以便使车架与车身共同承载，受力趋于合理化，从而提高车辆的可靠性和安全性。 2.1 直通大梁式

该结构是传统的结构型式。采用槽型或矩型截面纵梁，有些车型还有加强副纵梁。根据不同的要求，纵梁可设计为前后直接贯通结构，也可设计为不同高度或不同宽度的前后贯通结构。有些纵梁受整车布置要求的限制而在后桥处设计成结构复杂的“Ω”型。横梁结构一般采用“［”型或“工”型，有时也采用“○”型横梁。根据整车布置和总成的安装要求，同一车架可同时采用多种形式的组合和不同的横梁

翼面，车架总成可设计成前后等宽或不等宽，甚至不等高结构。

直通大梁式车架结构简单、工艺性好，但存在本身质量大、汽车各总成零部件布置困难、受力不均匀和损坏后难以修复等缺点，主要用于三级（见图1）或四级踏步的城市公交车和普通短途客运车辆。 图1 三级踏步城市公交底盘车架总成 2.2 分段式（三段式，四段式，五段式）

在车架设计过程中，为了满足大客车模块化的设计要求，根据车架不同部位装配汽车总成零部件的不同，一般可将其分为：驾驶区模块、前悬挂模块、中段模块、后悬挂模块、发动机区模块。将以上各车架模块根据不同大客车的整车设计要求进行合理组合，并通过焊接或螺栓等连接方式进行连接便可形成不同分段式车架。（若将驾驶区模块和前悬挂模块或后悬挂模块和发动机模块设计为一体，在通过合理组合和连接，便可形成三段式和四段式车架）。根据不同大客车的设计要求，车架模块可设计为槽形纵梁结构或采用不同规格的管材焊接而成的结构。 1）三段式中段桁架结构

该结构前、后段为槽形大梁，中段为桁架结构(见图2)。中段采用不同规格的异型钢管焊接成桁架式结构，通过焊接(或焊接加铆接、或焊接加螺栓连接)同前、后段槽形大梁连接在一起。该结构在国内外被普遍应用于旅游车、长途高速客运大客车。该结构易于设计制造，增大了行李箱的容积，但前后纵梁与桁架的连接比较复杂，工艺性要求高。

图2 三段式中段桁架车架总成 2）三段式搭接结构

该结构前、中、后段均为槽形大梁，通过螺栓连接（或铆接)将三段连接在一起。该结构在国内被普遍应用于两级踏步城市公交车（见图3）。该结构易于设计，中段车架上平面可降低满足整车要求，但前后纵梁需设计冲压模具进行冲压，费用比

较高，工艺性要求也高。

图3 两级踏步城市公交底盘车架总成 3）四段式结构

该结构是将驾驶区模块和前悬挂模块或后悬挂模块和发动机模块设计为一体，再通过合理组合和连接，便可形成四段式车架。如图4所示，该车架是我公司根据板簧悬挂双层城市公交车的设计要求，将驾驶区模块和前悬挂模块设计为一体，而开发设计的四段式结构。该结构的车架便于降低中段车架上平面的离地高度，而满足双层车中部车内高的设计要求。 图4 双层城市公交底盘车架总成 4）五段式结构

该结构在国内被普遍应用于一级踏步低地板城市公交车（见图 5）；在国外，SCANIA、MAN、VOLOV等公司的城市客车普遍采用此结构。该结构的车架易于整车的模块化设计以及整车的变型设计。 图5 一级踏步城市公交底盘车架总成 2.3 全桁架式（无车架）

该结构是现代大客车用车架的发展趋势，是由无车架底架和车身骨架共同组成的客车承载结构，均采用异型钢管焊接而成(见图6)。利用有限元法设计，可使其受力分布均匀合理，结构安全可靠。该型式车架已被部分豪华旅游客车采用，其优点为： （1）质量轻，能合理承受所有的载荷。

（2）尺寸结构灵活，便于合理地布置各总成和零部件，并能最大限度地增大行李箱的容积

（3）局部损坏后维修方便，可灵活替换损坏区。 （4）能充分满足客车对底盘车架的特殊要求。

但该车架零件多，技术工艺要求严格，生产成本高，而且焊缝多，降低了允许应力。

图6 客车全桁架结构

3.大客车底盘车架结构设计要点

目前，国内外生产的大客车，其车身与底盘的车架几乎都是刚性焊接在一起的，共同承受各种力的冲击载荷。车架的受力复杂，纵梁和横梁截面形状和连接方式各式各样，要设计出结构合理和可靠实用的大客车底盘车架，除了通过理论计算和有限元分析外，还应注意以下几个方面的问题。

1）充分考虑各总成零部件的布置要求，最大限度地满足车身对底盘的要求。 2）大客车底盘车架纵梁和横梁应采用抗弯强度大的槽形截面汽车用大梁，根据不同的要求和布置需要，截面尺寸可不尽相同（见图7）。

图7 车架纵梁的不同截面尺寸SX6122系列车架纵梁截面尺寸 SX6127系列车架纵梁截面尺寸

3）横梁和纵梁的连接方式是大客车车架设计考虑的重要方面，结构形式包括以下几种：

（1）横梁和纵梁的上下翼面连接。该结构形式可提高纵梁的抗扭刚度，但易产生约束扭转，造成纵梁翼面出现较大的应力。由于客车车身是与车架共同承载，因此可以采用。如欧舒特公司开发的部分车架，就在车架后端采用此连接（见图8），以提高车架总成的抗扭刚度。

（2）横梁与纵梁的腹板连接。该结构形式刚度差，必须相应加强车架刚度。如 MAN A55、A62和我公司采用 STEYR技术开发的客车车架的横梁与纵梁就采用此连接方式（见图9）。

图8 横梁与纵梁的上下翼面的连接 图9 横梁与纵梁的腹板连接

（3）横梁与纵梁的腹板和下翼面同时连接。该型式具有前 2种结构形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的连接的又一形式。

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，应尽可能增大连接区域。

5）为提高车架的抗弯曲刚度，承受更大的载荷，在分段式“Z”型梁和“［”型梁搭接处（见图10）及三段式中段桁架连接处（见图11）必须设计加强板。加强板的厚度一板不能大于纵梁厚度，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等。 图10 “Z”型梁和“［型”梁的搭接 图11 三段式中段桁架的连接

6）悬架为高负荷区，在钢板弹簧支架或气囊支架的传力处应有加强横梁，且该处纵梁不能对接。如A55后气囊前后支架处的横梁就设计的比较强。

7）等厚度纵梁对焊时应远离高负荷区，一般采用45度斜焊缝，打磨“V”型坡口，并要求焊透（见图 12），再采用厚度不大于纵梁的加强板来增加该处的强度。 图12 纵梁的对焊

8）车架纵梁上不可随意钻孔。可按图13所示的要求进行钻孔，但一般禁止在纵梁上下翼面和纵梁弯曲区域内钻孔（见图14）。 图13 车架上允许钻孔部位 图14 不允许在翼面上钻孔

9）车架纵梁上不可随意施焊。可按图15和图16所示的要求进行施焊，但决不允许在纵梁上下翼面及圆弧处有焊缝。 图15 填角焊孔的最小尺寸 图16 允许焊接部位

10）为满足客车车架总体布置要求，可合理地在前悬或后悬纵梁翼面上的位置切槽，但切槽深度不能大于翼面宽度的 2／3。如 MAN A55、A62以及欧舒特公司开发的部分大客车底盘车架的后悬处就有这样的设计（见图17）。

图17 车架纵梁后部切槽

11）在横梁和外伸梁的合适位置应尽量开一些大小合适的孔。这样即不会影响车架的强度和刚度，又可减轻车架的重量，同时还便于管线的布置（见图18和图19）。 图18 横梁开孔

图19 A55后气囊外伸梁开孔

12）采用封闭型材的刚性抗扭车架，应使用焊接连接，横梁可采用管材插入纵梁中焊接（见图20）。

图20 管材横梁与管材纵梁的焊接 4.车架主要构件的材料及截面参数 1）槽形纵梁及其横梁材料和截面参数 纵梁： 钢板 510L - 8-GB /T3273-2005

截面参数 222mmX80mmX7mm 或 243mmX80mmX8mm横梁及其连接板：钢板：510L-6-GB /T3273-2005 2）中段桁架的材料和截面参数

异型管 20-D-2-120×60×6-GB/T3094-2000冷弯空心型钢

3）焊接车架的材料和截面参数 异型管

冷弯空心型钢 5.总结：

大客车底盘车架并不是简单拼凑而成的，只有全面了解整车的布置和载荷分布情况，

通过计算并借鉴国内外先进成熟的经验，才能设计出结构合理、可靠性安全性高及满足车身要求的大客车底盘车架。 参考文献:

[1]《汽车理论》机械工业出版社 清华大学余志生 主编 [2]《汽车设计》机械工业出版社 吉林工业大学张洪欣 主编 [3]《机械设计手册》(第1版，第5卷)机械工业出版社徐灏 主编