车架与车身的连接方式

时间：2023-09-24 理论教育版权反馈

【摘要】：因为车架是整个车体的直接承载结构，其自身的结构设计、与车身的连接结构都影响到整车的承载能力。②车架与车身的连接，关键看其能否将车架所受的载荷顺利地传递到车身。现今的客车都是承载式车身，除考虑车架的刚度和强度外，还必须考虑车架与车身的连接结构对于载荷的分配和载荷的传递的影响。三段式车架是目前公路客车的主流形式。

车架与车身的连接方式

本书虽然写的是车身内容，但如果涉及骨架的力学结构，无论如何也绕不开车架。因为车架是整个车体的直接承载结构，其自身的结构设计、与车身的连接结构都影响到整车的承载能力。

车身所承受的载荷，最后都传递到车架，由车架传递到悬架，由悬架传递到轮胎，再由轮胎传递到路面。同时根据力的作用与反作用原理，来自路面的力，则是通过轮胎→悬架→车架→车身来传递。因此，车架的设计原则必须考虑两个问题：

①车架自身的承载结构，关键看其能否满足悬架载荷的作用与传递。不同的车架结构其构件不同，因此承载特性也不同，应对载荷传递特点进行分析、选择合适的刚度原则、判断主要传力构件之间的连接细节能否满足传力要求等。

②车架与车身的连接，关键看其能否将车架所受的载荷顺利地传递到车身。现今的客车都是承载式车身，除考虑车架的刚度和强度外，还必须考虑车架与车身的连接结构对于载荷的分配和载荷的传递的影响。车架和车身的刚度是不可能相等的，车身骨架设计的关键是如何确定车架与车身的连接刚度以达到最优载荷分配，最优载荷分布的表现是车架和车身的应力分布趋于一致。

目前我们常见的车架有三种结构形式：直大梁车架、三段式车架、全承载车架。

直大梁车架的结构是整个车架由大断面的槽形梁构成，目前主要用于二级踏步的城市客车和前置发动机的公路客车，图2-51就是一款二级踏步城市客车的直大梁车架。

图2-51 直大梁结构车架

三段式车架如图2-52所示，其结构特点是中间行李舱段由矩形方钢构成，其余部分仍由大断面的槽形梁构成。三段式车架是目前公路客车的主流形式。

全承载车架如图2-53所示，其结构特点是整个车架都是由小断面的矩形方钢构成，它是目前高等级公路客车的主流形式。另一种形式的全承载车架是低地板城市客车的车架。

同车身骨架一样，要做好车架的设计必须了解它的结构特点和工艺特点。

车架的构件通常有大断面槽形梁、大断面矩形梁和小断面矩形梁三种形式，它们都宜承载轴向的拉力或压力，但径向受力特性各有特点，小断面管材的特性在前面讲车身骨架时已作了介绍，现将大断面槽形梁和大断面矩形梁的径向受力特性汇总于表2-3。

图2-52 三段式结构车架

图2-53 全承载结构车架

表2-3 大断面槽形梁和大断面矩形梁的径向受力特性

【车架自身的承载结构】车架结构的设计必须考虑悬架的载荷作用特点，不同的悬架，其在车架上受力点处的力的作用、传递的方式是不一样的。

汽车的悬架系统，按力的分解来看都要承载垂直力、纵向力和横向力，这三个方向的力都是要通过悬架的结构构件传递到车架上，再由车架向车身传递。

评判车架承载结构的好与坏，无非是看车架的结构是否有利于承载这三个方向的力，即对于大断面槽形梁、大断面矩形梁、小断面矩形梁（全承载）这三种形式的车架，看力的作用是否符合其结构的轴向或径向受力特性。

（1）直大梁车架我们把单纯直大梁车架、三段式车架、嵌入槽形梁的小方钢车架归在一类里面来讨论，因为这些车架的共同特点是在悬架段都有槽形梁，不同的是槽形梁所受的载荷如何向三段式桁架和小方钢桁架传递的问题。

①钢板悬架：簧片通过吊耳与车架连接，在吊耳处车架受到三个方向的集中载荷——纵向的驱动力或制动力、垂直方向的路面反作用力、横向的侧倾力。纵向力可由车架自己承载；垂直力可由车架自己承载，也可由车架与车身共同组成的桁架结构来承载；横向力不是槽形梁的承载优势，所以直大梁车架在板簧吊耳处必须设置横梁，如图2-54所示。

图2-54 板簧直大梁车架

图2-55 六气簧后悬架的受力分析

1—空气弹簧 2—减振器 3—外摆梁 4—后桥 5—横向推力杆 6—纵向推力杆

②空气悬架：常见有独立悬架（如前独立空气悬架）、刚性桥空气悬架等。不同的悬架有不同的载荷分解形式，图2-55所示是六气簧后悬架的受力分析图。由于其自身的结构特点，空气弹簧只能承载垂直载荷，即车身在垂直方向的载荷由气囊承载；纵向推力杆承载纵向力，如驱动力或制动力；横向推力杆承载横向力，如侧倾力，由于其在纵向也有分力，故也能承载一定的纵向力。

图2-56 两种六气簧的横向推力杆

图2-56中给出了两种六气簧的横向推力杆在布置上的差异，图a中横向推力杆的力全部由车架的横向贯通梁承载（轴向力+径向力，径向力使贯通梁产生弯曲）；图b中横向推力杆支座布置在横向贯通梁和纵向槽形大梁交点上，横向推力杆的力在纵向由槽形梁前后传递、在横向由贯通梁轴向传递，这种力的分流符合受力构件的承载特点，是合理的。图b中的贯通梁规格是150mm×100mm×5mm，图a中的贯通梁规格是100mm×100mm×6mm。贯通梁除了承载横向推力杆的力外，还承载气囊的径向载荷，这也使其产生弯曲载荷，梁的断面虽大，但也要尽量减小弯曲载荷。从这点看，图b的结构比图a合理。图a中的贯通梁抗弯性能还和与车身连接时的结构有关。再看看图2-51的前桥处车架结构，这是一款六气簧、刚性前桥、二级踏步的公交车架，车架在前桥处的受力分析见图2-57。图中仅表达了一侧力流，略去纵向力和横向力。垂直力的作用与传递没有问题（垂直力向车身传递是由前后断面上的左右贯通梁来完成的，此二梁必须有足够的刚度）、纵向力直接传递到车架槽形梁，也没问题，横向力由桥上方的钣金盒体结构承载，务必考察其作用点的强度和传递刚度。这种横向布置的推力杆的作用点的力学结构是车架设计上的难点。

图2-57 车架受力分析举例

图2-58 横向推力杆的车架受力分析举例

图2-58是一款梁下二气簧悬架的横向推力杆布置方式，其结果是使车架纵梁要承载很大的径向载荷，由表2-3知道，即使是大断面的槽形梁，这种径向载荷的承载特性也是一般的，所以这种结构可以判定为不好。实际使用中也发生过车架断裂的现象，要采用这种结构，一定要使车架设计得异常强大。而像图2-59的气簧前悬架的横向推力杆，其车架的横向承载能力也需认真推敲，尤其在全承载的小方钢结构车架采用这种悬架时，应特别注意。

图2-59 一种气簧前悬架

如果空间允许，前桥的横向推力杆可采用V形结构，如图2-60所示，其优点是侧倾产生的横向推力由车架的F1断面来承载。

图2-61是前独立悬架的受力分析，上下摆臂承载的垂直力都非常小，更多的是纵向力（制动力）和横向力（侧倾力），而且就横向力来说，上摆臂永远受压，下摆臂永远受拉。由此，前独立悬架车架设计的关键是上下摆臂与车架连接处的结构能否满足力的承载与传递要求。

图2-60 前横向推力杆的V形布置

（2）全承载车架全承载车架即小方钢桁架结构，设计时应注意两个问题：悬架连接点处的力的作用与传递、车架整体的刚度。

①悬架连接点处的力的作用与传递：本着“拉压、传力、刚度、细节”四原则分析结构能否满足力的作用与传递要求，如前横向推力杆横向布置时，应特别注意小方钢桁架的抗弯、抗扭性能。

②车架整体的刚度：在行李舱段，由于功能上的要求，该段不能采用斜撑结构，导致车架整体的抗弯和抗扭刚度下降。改善的办法是利用地板通道两侧的封板来提高结构刚度。

图2-61 前独立悬架受力分析

如图2-62所示的BENZ的TOURISMO车型，将通道两侧的封板做成结构件，使之与车架骨架形成“板+杆”的力学结构，能明显改善车架的抗弯刚度和抗扭刚度。

【车架与车身的连接】车架与车身的刚度是不等的，如果二者的连接是刚性的，那么各自承载的载荷也不一样。合理的车身骨架设计应是车架和车身的应力水平趋于一致，实际上这很难做到，这需要通过CAE方法对车架刚度、车身刚度、二者的连接刚度不断地优化、改进、再优化、再改进……这是一个无穷逼近的设计过程。现实中也很难采用这样的设计过程，在此也不打算讨论这个问题，而着重指出在产品设计中应避免的一些不合理结构。

研究构件的力学问题必须明确其支持基础，研究车身的传力是以车架为支持基础，研究车架的传力是以车身为支持基础。

图2-62 改善全承载车架刚度的方法

因此，车架与车身的连接问题可归纳如下：

①来自车身的力如何传递到车架，再由车架传递到悬架。

②来自悬架的力如何传递到车架，再由车架传递到车身。

由于力的传递是基于作用与反作用原理，因此这两个问题实质是一个问题。

设计骨架的力学结构，必须着眼于两个方面：一是力的作用点能否承担起载荷的作用，即结构支承点的选择是否合理；二是力向支承点的传入或由支承点传出的路径能否满足传力要求，即所选择的传力构件是否有利于载荷的传递。

为了明晰思路，我们在三个方向上讨论车架与车身的连接：纵向力、横向力和垂直力。

（1）纵向力方向从前面讨论的车架结构看，来自车桥的驱动力或制动力都能由车架自身承载掉，而来自车身的惯性力和空气阻力如何传到车架？在纵向力的传递上，绝大多数客车都没问题，设计中可以不考虑它。但有的车型还是有所考虑，如图2-63所示的IRIZAR车型，其后轴处的两个斜撑的作用就是将来自车身的惯性力传递至车架。

图2-64是另一个例子，直大梁车架，乘客地板距车架很高（595mm），乘客的惯性力在传到车架的过程中会产生弯矩。靠弯矩来传递力是不好的选择，因此在其后桥上方增加了两个斜撑杆来传递车身的惯性力，斜撑的下端必须与车架纵梁相连。

图2-63 IRIZAR的纵向力处理方法

图2-64 纵向力处理方法

图2-65 横向力的引导

（2）横向力方向所有的车型在此方向的传力结构都不存在问题，只是当乘客地板距车架较远时（图2-64），要采用斜撑疏导力流的传递，见图2-65。

（3）垂直力方向车身的承载主要在侧围骨架，悬架的簧距永远小于车宽，因此垂直力的传递过程不可避免地要产生弯曲力矩。在设计车架与车身的连接时，主要的工作是看连接结构能否满足这种弯矩的传递，即传递垂直力的抗弯刚度如何。

【车身骨架立柱】车身骨架若干立柱如图2-66所示，各柱定义如下：

A柱：前风窗玻璃与驾驶员窗之间的立柱，是车身的第一道立柱断面，通常在大巴车型中被称为乘客门前柱。

B柱：大巴车型的乘客门后柱或驾驶员窗后柱。

F1柱：前轴前端面立柱。

F2柱：前轴后端面立柱。

S柱：中间的行李舱断面立柱。

R1柱：后轴前端面立柱。

R2柱：后轴后端面立柱。(www.xing528.com)

M柱：后轴后端面与C柱之间的立柱。

C柱：后围骨架与侧围骨架的对接立柱，是车身的最后一道立柱断面。

图2-66 车身骨架若干立柱

每个柱的位置就是一个承载断面，应尽可能形成一个骨架封闭环。骨架应在承载断面内采用贯通式整体梁，在车身纵向采用断开梁。

小方钢的全承载车身在这些立柱所在位置的承载结构都能得到很好处理，这是因为如果构件的物理、材料特性相近，那么它们的连接结构在强度和刚度的匹配上就相对容易，所以全承载骨架的优点是力学特性匹配容易，缺点是结构复杂、工艺性差、精度难保证。

而槽形梁或大断面矩形梁的结构则正相反：车身的小方钢与车架的大断面梁在力学特性匹配上不容易，但其结构简单、工艺性好、精度易保证。

因此，我们将将着重讨论直大梁或三段式这类车架的垂直力传递结构。

对于垂直力的传递，设计者面临的问题是：在车架的结构上，纵梁贯通好还是横梁贯通好？

我们可通过刚度原则分析如下：

①在静不定结构中，力的传递首先选择刚度大的构件传递。

②垂直力对于纵梁或横梁来说都是径向载荷。

③杆件的径向刚度都比不上轴向刚度，大断面杆件也不例外。

④轴向尺寸越大，其径向刚度越差。

因此，由于车身的横向尺寸永远小于纵向尺寸，所以做大横向刚度比做大纵向刚度容易，在垂直力的传递问题上应首选横向贯通结构。

（1）A、B柱断面这两个位置的载荷不是很大（除非B柱与F1柱重合），尤其是车身弯曲或扭转时，B柱往前的位置还是自由端。因此，这两个承载断面上能在车架上设计出贯通式横梁并使之与车身连接成封闭环，处理好横梁与车架的连接结构就可。

图2-67所示是SCANIA的结构，其贯通式横梁的规格是100mm×100mm×5mm。由于垂直力由车身向车架的传递过程中会产生弯曲力矩，所以大断面的贯通梁就是为了提供足够的抗弯刚度。

图2-68所示是一款公交车的A柱断面连接方式，强度、刚度都有富裕，从轻量化角度看，可以将其外伸梁改成贯通式横梁，并且工艺性也要好得多。

图2-69所示是旅游车型在B柱位置的一种连接方式，处理好地板横梁与车架槽梁的连接就行了。

图2-67 SCANIA底盘的A柱连接方式

图2-68 一种公交车架A柱断面连接方式

图2-69 一款旅游车型B断面连接方式

（2）F1、F2、R1、R2柱断面这是四个最重要的承载断面，因为悬架的垂直作用力是通过这四个断面向车身传递。我们一再强调的车架与车身的连接强度，其实就是要做强在各断面处车架与车身连接结构的横向抗弯刚度。从力学角度讲，提高抗弯刚度最有效的方法是增加抗弯断面高度，就客车而言，高地板比低地板的横向结构刚度好，进一步说是客运车比公交车横向结构刚度好。另外，由于悬架形式的不同也会影响前后轴两侧断面的结构刚度：气簧悬架由于其结构紧凑，更有利于做强车身与车架的连接。

由于受空间限制，气簧低地板公交客车、板簧公路客车、板簧二级踏步公交客车、板簧一级踏步公交客车这四种车型的F1、F2、R1、R2断面连接结构较难处理。

图2-70是MAN的低地板公交车在后轴前的结构形式，由于低地板全承载车架不存在地板骨架与车架的连接，所以为传递气囊的垂直力，采用了一个横贯左右的整体结构件，它就是承载主梁，一定要做大做强。

图2-70 MAN低地板公交车的结构形式

板簧公路客车，如果地板高度较高，可采用图2-71的连接方式，尽可能加大高度H的尺寸，即来自板簧吊耳座的垂直力传向车身侧围骨架时产生的弯曲力矩将由“H”这段高度的桁架结构来承载。高度越大，抗弯刚度越好，承载能力越强。

图2-71 一种板簧公路客车F1-F1断面连接方式

图2-72则是另两种连接方式，根据力流传递的连续性原则，图b的结构比图a的好，因为图a方案中的I处连接方式不可取。也有采用图2-73结构的，但来自板簧吊耳座的垂直力F会在地板横梁的A点和B点之间产生强烈的弯曲力矩，所以这种结构不好。之所以采用这种结构而没出现结构故障，或者是因为车架的刚度太强而使其承担了绝大部分的垂直载荷，或者是因为车身其他部件与底盘连接的刚度太大，而使来自车身的载荷没有传递到板簧吊耳处。

图2-72 两种板簧客运车F1-F1断面连接方式

图2-73中的A点也会产生强烈的应力集中。

图2-73 另一种板簧公路客车F1-F1断面连接方式

板簧公路客车，如果地板高度较低，没有做桁架结构的空间，可采用车架伸出外伸梁结构，即牛腿，如图2-74所示。

图2-74 外伸梁结构的F1-F1断面连接方式

牛腿是一种笨重的结构，使用它实属迫不得已。若不采用牛腿，有时不得不出现图2-75这种的“扁担梁”结构，此时地板横梁的规格至少要达到80mm×50mm×3mm。

扁担梁在大型客车车桥的前后承载断面使用，绝对不是一种好的结构形式。但对于中小型客车，由于载重小、车身窄，在车身骨架与车架的连接上则是普遍采用扁担梁的结构形式。图2-76所示是IVECO中巴的设计，其结构特点是全是“扁担梁”，简单而干练。

板簧车型出现的这些问题，有两点原因：

①承载断面与板簧座的位置重合，车架与车身的连接结构无法在车架上生根，即无法找到有效的支承点，如果承载断面能跨过板簧座，则结构上就非常容易处理了。

②槽形梁的车架在上下翼面上无法做结构的支承点，导致传力结构设计困难。

图2-75 扁担梁的F1-F1断面连接方式

图2-76 IVECO中巴的车身与车架连接

如果采用“全承载”式的小方钢桁架的车架结构，则板簧车型的这些问题就迎刃而解了。图2-77是板簧全承载车架在前簧处的结构，图2-78是板簧全承载车架在后簧处的结构，像这种全方钢的板簧车架，其传力结构反而容易设计。

所有的板簧车型中，直大梁二级踏步的公交车型，其前簧前吊耳处车架与车身的连接是最难设计的，如果采用全承载式车架，会更容易解决。

而板簧一级踏步公交车，则必须是全承载式车架，没有其他的解决方案，必须遵守第2.1节所阐述的四点设计原则。

R1、R2处的结构方式与F1、F2处的类同，不再多述。

图2-77 板簧全承载车架的前簧处结构

图2-78 板簧全承载车架的后簧处结构

（3）S柱断面即F2与R1之间的位置，三段式和全承载式的车架都不存在与车身的连接问题，有问题的是直大梁结构车架。图2-79和图2-80是较好的连接结构，图2-81和图2-82是较差的连接结构。判断这些结构好与坏的依据是：看载荷的作用方式是否有利于构件的承载，如小方钢、大断面槽形梁等各有不同的承载特性。