车架设计

车架是整个客车的基体，其功用是支承、连接汽车各个总成的零部件，承受来自车内外的各种载荷，并在很大程度上决定了客车总体的布置型式。现代很多客车都有作为整车支承的车架，车上绝大多数的部件和总成都是通过车架来固定其位置的。对于由车身骨架承担载荷的客车，称为承载式客车，一般采用桁架式车架结构，现代客车正逐步向这种承载车身形式发展。

车架的结构形式首先应满足汽车总布置的需要。汽车在复杂多变的道路上行驶的时候，固定在车架上的各总成和部件之间不应发生干涉。当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷的作用下可产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形，当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架扭曲成菱形。这些变形将会改变安装在车架上的各部件之间的相对位置，从而影响其正常工作。因此，车架应具有足够的强度和适当的刚度。为了使整车轻量化，要求车架质量尽可能的小些。此外，降低车架的高度以使得汽车质心位置降低，有利于提高汽车的行驶稳定性，这一点对客车来说尤为重要。

客车行业在发展初期，其底盘车架主要始于货车二类底盘的改装，形成了长头客车。随着时间的推移，有了后来在货车三类底盘上进行改装的过程，并进一步形成专用的客车底盘。后来对车架的结构进行了改变和发展，形成了分段式车架结构的底盘，这样就可以降低城市客车地板的高度，对长途和旅游客车来说则是为了获得较大的行李舱。随着全承载车身技术的出现，又形成了适应承载车身的不同类型的各种客车底盘，其底盘车架一般采用桁架式结构。

1、三类底盘的车架改装

上世纪80年代前后，我国的客车基本上是以中型载货汽车的三类底盘改装而形成的。不管作为城市客车还是作为长途客车，其地板高度较高，踏步级数一般是3-4级。车架型式大部分采用梯形车架（图5-25），也就是纵梁直通式结构，或在此基础上外加牛腿（即支撑梁）；极少数也采用横梁直通式车架，这种车架为纵梁分段与直通横梁以加强角撑板铆接或焊接而成。纵梁直通式车架和横梁直通式车架都属于直通大梁式车架。尽管承载式车身是大客车车身发展的趋势，但传统的梯形车架由于其所起到的缓冲、隔振、降低噪声和延长车身使用寿命等特点以及生产上的继承性和工艺性等原因，目前仍广泛应用于客车上。

梯形车架的纵梁均为左右对称的整体直通式大梁，纵梁和横梁的连接为铆接或螺栓连接。一般采用槽型或矩形截面，弯曲强度好，且便于安装底盘部件，有些还有加强的副纵梁。为使应力分布均匀，纵梁可设计为变截面形式。根据不同的要求，纵梁设计可以前后贯通，也可前部、中部和后部搭接成不同高度或不同宽度的结构，有些车型受后桥和地板高度要求的限制而在该处设计成稍复杂的弯曲结构。

为了满足地板适当降低的需要，有的客车在整体直通大梁结构的基础上，采用弯大梁形式的车架，即在前轴和后桥相对应的部位，车架纵梁是弯的。从而使前轴和后桥就有了较多的跳动空间，但整个车身地板的高度可以不与上弯车架的最高处相关，只与较低的纵梁平直段相关。这样在保证悬架运动空间的同时，通道地板可以适当的降低，只在前轴和后桥部分做出拱起的轮罩即可；这样还降低了整车的重心高度，更有利于行驶的稳定性及安全性，但需投入弯大梁的模具费用。

图5-25三类底盘车架改装的客车车架

对于城市公交客车，为适当降低前部地板的高度，需要把悬架系统布置在车架的外侧，从而降低车架离地的高度。于是，车架的纵梁在垂直方向弯曲的基础上，在水平方向也弯曲，从而使车架总成变成前窄后宽的型式。

横梁用来保证车架的扭转刚度，同时支承某些部件，如可支承发动机、变速箱、传动轴、水箱、备胎等。在前后悬架支架处则需设置抗弯能力较强的横梁。横梁结构一般采用工字型截面或双槽背对形成的工字型，有时也采用圆形、帽型和箱型等截面的横梁。

一般说来，槽形梁抗弯强度大，对于增加车架扭转刚度很有好处，通常在悬架前后支架处采用带大加强板的槽形横梁来承受大的受力。帽形横梁可制成弯度较大的横梁，适用于一些空间位置受限的情况。如在发动机、水箱、变速箱、传动轴处布置或用来支承。由帽形横梁制成的元宝梁、鳄鱼梁等受纵梁断面高度的影响较小，通用性高。

三类底盘车架改装形成的客车车架，一般在车门立柱、前后桥吊耳前后，侧围与前后围的分形面等部位加牛腿。轴距中间根据总布置方案加牛腿。牛腿截面可为槽形、方形等，长度方向上可以等截面或变截面或等强度梁，中间可有减重孔。连接方式可有焊接铆接或螺钉连接，中小厂以焊接方式为多。

根据布置和总成的安装要求，同一车架可同时采用多种型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结构。这类客车车架的结构形式一般变化不大，优点是结构简单，工艺性好，但是本身存在质量大，总成布置困难，受力不均匀和损坏后难以修复等缺点，主要用于城市公交和普通短途客运车辆。

2、分段式

分段式车架主要以三段式为主，分为前段车架、中段车架、后段车架三部分。前段和后段车架采用传统意义上的车架，可以是平直的纵梁，也可能是弯曲的纵梁。中间部分主要有两种形式，一种是传统的大梁式车架，另一种是采用空间桁架结构。各段之间的连接方式可有“Z”形板连接，有纵梁直接连接、开口连接、连接板连接等。

三段式复合桁架式车架结构如图5-26所示，前、后段车架采用槽型大梁，中段为桁架结构，作为行李舱。根据不同的车型和承载情况，采用不同规格的异型钢管焊接成箱型框架结构，再通过焊接或铆接与前、后段车架大梁连接在一起。对于钢板弹簧悬架，中间桁架一般不超过悬架安装区域；对于空气弹簧悬架，为增加行李舱容积，有些底盘的中间桁架超过悬架安装区，只有操纵区和发动机区域用较短的槽型大梁。为提高车架的抗弯曲刚度，承受更大的载荷，在车架的前、中、后三段搭接处必须焊接连接板。连接板的厚度不能大于纵梁厚度，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2-26三段复合桁架式车架

三段式复合桁架式车架通过改变中段部分的长度实现改变轴距和车长的目的，通过改变中段的结构，可以形成不同的地板高度，从而满足不同的需求。这种车架的前后车架可以按标准化、模块化的设计思路设计，而中段车架的结构、尺寸因不同的车型会有较大变化。前段和后段车架的纵梁长度较短且结构相对简单，加工方便，不需要大型冲压设备。

国内开发和引进的豪华大客车上广泛应用这种结构，其易于设计制造，有较大的行李舱，但是前后纵梁与桁架的连接复杂，工艺性要求高。

3、全桁架式底骨架

这种形式的结构不能称之为车架，因为完全没有传统意义上的车架和纵梁，一般称为客车的底骨架，也称格栅式底架，如图5-27所示。其是由结构尺寸相近的小截面冷弯型钢杆件焊接而成的空间桁架结构。这种结构易于构建符合实际结构的有限元模型，从而提高计算精度；可以通过变动杆件的数量和位置，引导整车力流的传递，调整杆件的应力，以达到等强度、等寿命设计的目的，为设计贯通式大行李舱提供了可能。采用格栅式底架制造的12m大客车，其行李舱容积可达11.5-14 立方米，增加了客车的有效利用空间。桁架的各部分应充分考虑到各总成的安装。

格栅式底架与直通大梁式和分段式车架不同，其结构上综合了传统意义上的车架和底架为一体的结构形式，即具有车架和车身底架的功用。由于考虑到车身也承担整车的载荷，因此，格栅式底架的设计强度相对较弱些，通过底架上外伸的横梁与车身连成一体来参与承受整车的弯曲载荷和扭转载荷，从而实现整车的轻量化。

由于格栅式底架采用了小截面杆件焊接而成的结构，致使焊接接头增加，焊接变形难以控制。为了控制精度，通常需设计专用的焊接夹具和胎具来保证，从而增加了加工成本，降低了加工速度。设计格栅式底架对所需承受的载荷有更明确的分析和掌握，这对设计工程师的结构理论知识要求很高，因此格栅式底架结构限制了其应用的范围，目前一般只在高等级客车或有特殊要求的客车产品上使用。

图5-27格栅式底架

车身骨架设计

客车由于其长度和用途不同，其车身结构也由很大差异。6m以下的客车由于车长较短，车身结构形式基本上与轿车相似，一般采用承载式车身，车身构件多为薄板冲压件焊接而成，较少采用骨架结构。而7m以上的大中型客车的车身结构多由骨架和蒙皮构成，由骨架形成车体并承载。

客车车身骨架的结构形式对于整车的性能起着举足轻重的作用。车身骨架约占整车质量的1/3，其受力复杂，是由薄壁杆件及冲压板件构成的复杂空间高次超静定结构，结构分析的难度较大。各个部分如立柱、横梁、搁梁、边梁、腰梁、顶盖纵梁、斜撑等杆件与板件共同组成的空间杆系结构是车身其它部件和零件的安装基础。在结构强度低或应力集中的地方，要设置加强杆件，从而起到加强支撑和固定的作用。作为客车的承载单元，其设计水品的高低对整车的总体设计有着重要的影响。

车身骨架一般可分为六大片，分别为前围骨架，后围骨架，左侧、右侧骨架、车顶骨架和底骨架。每片骨架总成的连接部分称分形面。图5-28所示为一城市客车车身骨架。

图5-28城市客车车身骨架

1、侧围骨架设计

侧围总成分左右两大片，若不带中门，左右两片小件可基本对称。构成一般有驾驶员门后立柱总成、乘客门后立柱总成、侧窗立柱、舱门立柱、侧窗上下纵梁、舱门上下纵梁和侧窗下纵梁与舱门上纵梁之间的加强车身支撑蒙皮的斜撑、门框梁等。通常腰梁以下立柱贯通，与牛腿对应的各主柱之间还可根据结构需要加设小立柱。腰梁以下的纵梁有座椅搁梁、地板搁梁（侧围搁梁）裙边加强梁和裙边梁等，座椅搁梁和裙边加强梁不一定有，此时，腰梁与地板搁梁之间可设计成桁梁结构。窗主柱根据总布置需要，且尽量与腰主柱为同一主梯形。轮罩处适当加强，门立柱较粗。窗角、门角注意加强，局部有其它用途则再加支撑梁。图5-29所示为一长途大客车侧围骨架设计。

全承载式车身侧围是整车重要的承载部件，考虑其高度方面的结构特性以提高整车的弯曲特性，同时由于连接底骨架和顶骨架，也可利用侧围结构断面高的特点发挥其在整车扭转工况下的抗扭特性。另外，侧围是整车主要外露部件，可以通过增强侧围结构设计来适当减弱底架部分设计（底架部分一般占整车骨架质量的65%以上）。这样既提高了整车结构强度，也有利于整车轻量化。具体应考虑以下几个方面：

1)增加侧围骨架在厚度方向的材料尺寸规格，以提高侧围抗侧向冲击能力。舱门立柱、门立柱应与底骨架断面上，以增加其横向抗冲击能力。

2)合理设计侧围腰部蒙皮区结构，提高其承载能力。侧围上部是风窗洞口，下部是行李舱洞口，因此只能通过合理设计腰围部蒙皮区结构以提高侧围承载能力。合理选取侧围上下腰梁间距值，同时在侧围两腰梁间合理设计斜撑，能成倍提高其承载能力。需要注意的是，斜撑的斜度不能太小，即高宽比不应小于0.6。如果太小，斜撑的弯曲受力将增大，断裂的危险也随之增加。

图5-29长途大客车侧围骨架设计

3)中门门洞断开了侧围下腰梁，要对断开处进行加强处理。为使整车则面受力连续，在结构设计时可以考虑设计一些力流引导结构，中门上部可加并一根梁，以消除门上侧两拐角的应力集中。

4)为提高整车上部结构承载能力，窗立柱应设计强一些，即采用尺寸规格大一些的材料，必要时可以选用性能好的材料。客车整车在发生交通事故时，特别是出现车顶着地情况，窗立柱将承受很大载荷，为保证车内必须的安全空间，窗立柱要有足够的强度和刚度。

2、顶骨架设计

顶骨架一般由顶部贯穿横梁、边纵梁、前后拱顶支撑梁等组成，图5-30所示为衡山客车厂HS26120顶骨架设计。其在整车结构中一般起到下面几个方面的作用：承受车项负荷（如空调、内行李架、风道等）；连接侧围、前后围，使整车成为一个封闭舱体；承受车辆在运行中产生的部分弯曲、扭转载荷等。在顶骨架设计时可以从以下几个方面考虑：
1)多采用横纵梁布置，左右双矩管梁布置。纵梁宜布置成边上密、中间疏的形式。横梁布置应与侧窗立柱对应，尽量与侧围立柱形成多处闭环，这样才能很好的传递整车运行中产生的扭转载荷，并且将左右侧产生的力进行直接传递，而在车顶内不产生附加的扭转裁荷。

图5-30 HS26120顶骨架设计

2)车顶纵梁在车顶承载中贡献度比较低，因此车顶纵梁的尺寸规格可以适当减小些。

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转自《客车上海圈》微信公众号