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东风四驱,六驱越野车车架的结构设计
车架的结构形式
根据车架纵梁的结构特点,车架可分为以下几种结构形式:
1. 梯形车架
形车架由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成,这类车架广泛应用于商用车和越野车。越野车使用梯形车架主要是因为车身和底盘分离的设计,车架和车身作非固定连接。在越野时,崎岖路面环境会导致车架的大幅扭动,若为一体式车架,会使车身一起扭曲变形。因此,梯形车架又称作非承载式车架。
梯形车架的优点是具有很强的承载能力和抗扭刚度,结构简单,开发容易,生产工艺的要求也较低,同时,便于安装车身、车厢和布置其他总成,易于汽车的改装和变型。其缺点是质量大。此外,大梁纵贯全车,影响整车的布局和空间利用率,大梁的高度使安装在其上的车厢和货厢的地台升高,使整车质心偏高,同时非水平扭曲刚性并不理想,会产生较大幅度的扭动。
2. 一体式车架
一体式车架的汽车,整个车身的外壳本身就属于车架的一部分,如图7.1(b)所示。它不同于传统的梯形车架,需要在车架外包裹外壳。一体式车架属于承载式车架。事实上,按严格的定义来说,一体式车架都是由不同的组件装配而成的,其中最大的一块就是地台,其余的如车顶、侧板等大小各异,所有的板件都是冲压成型后焊接成整体。
一体式车架的优点是适应高度机械化的流水作业,可以大大降低生产成本。一体式车架拥有良好的撞击保护能力,车头以及车尾加装副车架一方面有利于吸收撞击所造成的冲击力;另一方面对车架的刚性也有所提高。其次,一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的吸能区,车架本身的包裹式构造还可以将吸能区域吸收不完的能力经过骨架分散到车体的其余部分,避免猛烈撞击力在瞬间过于集中而对乘客造成严重的创伤。将车架和车身合二为一,重量轻,可利用空间大,质心低,而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产,一体式车架是目前轿车的主流。
一体式车架的缺点是生产前的配套投资极其庞大,不适合小批量生产。另外一体式车架因为使用大量的金属,重量偏大。外壳的作用主要是用来营造理想的空间效果,而车架的设计主要由金属钢片构成,虽然钢片已经作了开孔的加强韧度处理,但是在物理结构上的刚度,特别是非水平扭动,始终不及钢管式车架。
3. 脊梁式车架
又称中梁式车架,这种车架是莲花汽车的创始人Chapman先生设计的,如图7.1(c)所示。脊梁式车架有一根位于汽车左右对称中心的大断面管形梁(圆形或箱形断面),其上固定有横向的托架或连接梁,使车架呈鱼骨状。管梁将动力传动系连成一体,传动轴从其中间通过,故采用这种结构时驱动桥必须是断开式的并与独立悬架相匹配。这种结构对于横向弯曲及其水平菱形扭动有很好的抵御作用。与其他类型的车架相比,其扭转刚度最大,容许车轮有较大的跳动空间,使汽车有较好的平顺性和通过性。但车架的制造工艺复杂,维修不便,仅用于某些高越野性汽车上。
4. 桁架式车架
桁架式车架又称钢管式车架,结构如图7.1(d)所示,这种车架也属于承载式车架。这种立体结构式的车架由钢管(也有的车辆使用铝合金管)组合焊接而成,兼有车架和车身的作用。它刚度大,质量轻,但制造工艺性差,主要用于跑车、特种汽车和一些全承载式客车上使用。
一体式车架的设计开发和生产工艺都很复杂,只适宜大批量生产。但是对于少量生产的客车,桁架式车架就解决了这个难题,由于它的生产工艺简单,很适合小规模的汽车生产。但承载式的车架由于必须与车身形状吻合,对于不同的车身造型来说,其工艺性比较差。
5. 碳纤维车架
碳纤维车架是一种特殊材料一体成形式车架。在结构上,碳纤维车架没有既定的格局,几乎每辆车都根据自己整体的情况特别设计车架。制造方法是用碳纤维浇铸成一体化的底板、座舱和发动机舱结构,再装上机械零件和车身覆盖件。碳纤维车架的刚度极高,重量比其他任何车架都要轻,重心也可以降得很低。但是制造成本太高,目前只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。碳纤维车架在20世纪80年代首先出现在一级方程式赛车上,然后延伸到C组赛车和20世纪90年代的GT赛车,至今仅有的两部采用碳纤维车架的量产车是94年的MCLAREN F1和95年的FERRARI F50。
碳纤维的刚度不仅有利于操控,对提高安全性也有很大的作用。典型例子是在95年,宝马的总裁驾驶一部MCLAREN F1(街道版)满载3人在德国的公路上以280公里时速行驶时失控,冲出公路后再翻滚数圈后才停车,车上3人居然只受了轻伤。当时全车外壳尽毁,但车架和坐舱仍保持完好的形状,只有碳纤维车架能抵抗如此大的冲击强度。这也是一级方程式赛车至今沿用它的原因之一。
其他结构的车架,如玻璃纤维车架、铝管式车架、超轻量一体式车架等,都是以上车架的变种,或属于一体式车架,或属于桁架式车架等。