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第35章

基本结构

现在，我们已经处理了公路车辆的动力子系统——发动机，变速箱，车轴和车轮。现在我们来讨论安装有发动机和变速箱的主部件以及它与轮轴部件之间的连接。当然，这就是承载单元，它还包括用于舒适和安全地承载乘员的车体，或者对于卡车而言，是有效且无损坏的有效载荷。

35.1车架

直到第二次世界大战结束，当时的绝大多数汽车都具有与现在大多数商用车相似的独立车架，尽管要小得多。 车架的功能是承载构成整车的所有主要部件或子组件，包括发动机，变速箱，悬架，车身等。在图35.1中，图示了一个相当早期的梯形框架，但它是用不同的侧梁绘制的，以显示两种不同类型的布置。 这些侧面或主要纵向构件通常是相同的，尽管实际上相反的。在此图示中，A处是直的，因此易于制造，并且向内朝前倾斜；另一方面，它在B处向内弯曲。在俯视图中，锥度如例一所示，例二是侧梁的曲柄形式，使得在转向锁止状态下前轮不受干涉，但也便于安装发动机。 从侧面看时，这两种情况下的这些部件都在靠近后部的位置向上弯曲以为后轴让出空间。

横向构件C（通常被称为横向部件-与十字形构件无关）将侧部件分开，有助于对扭转载荷产生整体反作用，并有助于支撑安装在部件箱或驱动桥上方或下方的组件。理想情况下，如果悬架弹簧或连杆机构相对于车架纵梁横向偏移，在每个安装点D和E之间安装一个横向部件，以将施加在每个侧梁上的扭转载荷通过偏移量转换为横向构件中的弯曲载荷。可能需要其他横向构件来承载车身或其他主要部件，例如发动机或主减速器（如果后者不在车轴中），以及用于局部支撑侧梁，从而向内向前弯曲。由于侧面构建在扭结处存在弯曲的趋势，所以最后提到的支持是必要的。这种挠曲是由于其法兰上产生的拉伸和压缩载荷（在垂直平面上弯曲）而导致的严重局部挠曲而发生的，并且会迅速导致疲劳失效。在悬架弹簧连接点的中心直接位于侧梁有效弯曲轴线下方的情况下，要求横向支撑仅承受弹簧眼的侧向载荷，在这种情况下，侧向弯曲可能不会很大。因此，可以通过D处的侧面部件的加强前后延伸部来承担。这些延伸部被称为“哑铁”。

通常，在人们可能省去被认为是必不可少的横梁的原因是，传动轴随悬架上下移动时需要为其留出一定空间，或者存在诸如发动机油底壳，离合器或变速箱这类障碍。在某些情况下，传动轴穿过横向部件中央的垂直细长孔洞。

当朝向框架前部的曲柄部分没有由横向构件支撑时，则需要大量的角撑板或某种其他形式的加强件。在其他情况下，例如在后弹簧附接件处，框架侧构件可以被局部加强以将载荷从弹簧支撑托架传递到最近的横向构件。

在图35.1所示两个支架F在最低侧梁上横向向外延伸。这些是大多数第二次世界大战前的汽车上用来安装踏板的。相似但通常更短的支架承载着车身侧面和其他部件，例如发动机，变速箱和油箱组件。

早期的汽车和大多数现代商用车辆上都有传统的槽型车架组件，如图所示。 35.1-由钢压机或由钢板或带钢制成。在可行的情况下，支架通过螺栓连接，铆接或焊接将其固定在型材的腹板上。这样可以避免当整个截面承受弯曲载荷时，法兰作为应力最大的部分被引入应力集中。

图35.1（a）纵向构件和横向构件的横截面

对重型商用车来说螺栓经常用于框架结构中，包括用于横向构件的连接，因为这种框架比轿车车架通常很容易接近以及维护。铆钉必须非常熟练地安装，最好是冷安装，否则容易松动。 在商用车承受的大货架载荷下，焊缝容易遭受疲劳破坏。 由于存在这种载荷，并且需要避免由于整体刚度沿车架长度方向突然变化（例如，驾驶室与车身之间）而导致局部高应力，因此，箱形截面的抗扭刚度车架被广泛认为不适用于重型商用车。低碳钢（易于压制和焊接）曾经是所有车架不变的选择，但是现代重型商用车甚至某些轻型车辆经常使用碳锰钢车架，其屈服应力约为3620kg/cm²。

随着独立前悬架的引入，要求底盘框架承受更高的扭转载荷。 这是因为，尽管横梁轴上的半椭圆形板簧的中心必须位于前轮的内侧，才能为前轮留出一定的转向间隙，独立的前悬架的有效的弹簧座（弹簧中心之间的距离）可等效于有一个于轨道。在这种情况下，当一侧的车轮仅越过颠簸时，其施加在车架上的向上推力会绕汽车的纵轴产生更大的杠杆作用。

结论是必须寻找方法来增加车架的扭转刚度。假设其端部是封闭的（例如，通过焊接是用平板或法兰板封闭）或采用其他方式进行了强力加固，以使它们不会出现菱形或以任何其他方式扭曲任何形状的管状截面（圆形，椭圆形，三角形） ，正方形，矩形等–固有地在扭转方面非常刚性。 因此，这些部分开始用于汽车框架的纵向和横向构件。如图35.2.所示。

当然，支撑独立前悬架的横梁承受着最大的扭力。 这部分是由于道路上的向后推力在轮胎接触贴片上施加的制动扭力反作用，并通过制动盘或鼓式制动器背板传递到短轴，然后通过悬架连杆传递到车架。此外，导致单轮颠簸既仅一侧的车轮上升时的横向部件产生了完全不同的扭转载荷。这样的隆起物抬高了框架前端的一侧，使远端和后端留在其初始位置，从而导致侧面部件倾向于使前横向部件弯曲，并且还可能扭曲所有其他构件。因此，在横向和侧面构件之间需要较重的角撑板。 必须避免在横梁和纵梁之间的接合处或附近突然出现刚度的局部变化，否则会由于疲劳失效而引发问题。

图35.2一些车架截面

在英国，最后一批为大批量生产的大型汽车设计的独立框架中，Humber Super Snipe的框架如图35.3所示。 它具有各种横截面的箱形截面构件，以便于将它们容纳在地板下并彼此固定。前横梁部件是一个底部法兰上焊接有一块封闭板的比例很高的顶帽截面。这样的部分对于顶部和底部的角撑板和支架的安装相当方便，这些角撑板和支架带有悬架连杆枢轴，弹簧和减震器安装件。 框架还具有一个十字形支撑构件，该构件由背对背焊接的通道部分制成。 在中央，十字形构件的顶部凸缘在腹板的通孔上方拱起，传动轴穿过该通孔。

在十字形的端部和纵梁的曲柄部分之间也有大量的角撑板。十字形支撑构件在框架上的扭转加强作用可以通过两种方式之一来解决。 首先，它与框架的相邻侧面和横向构件一起实际上形成了一个扁平的矩形截面的巨大的管状构件，其外部边界在每一侧上是在每一侧上的纵梁的腹板。 以及顶部和底部，侧梁，横向梁和十字形支架的法兰。 从结构的观点来看，这实际上类似于延伸所有的凸缘以形成封闭框架顶部和底部的连续腹板，从而形成巨大的扁平矩形部分。实际上，全包围已经成功地解决了在Austin A90 Atlantic的开发阶段引起的冲击造成的扭转震动问题，该问题在，并于1949年获得了专利。顺便提一句，给定壁厚的任何封闭管的刚度都与其封闭的截面积成正比。

图35.3 Humber Super Snipe框架的所有主要部件均为12 swg钢板

另一种解释，尤其适用于早期形式的十字形支撑的是，十字形支撑实际上是四个四面体，如图35.4所示，四面体是具有扭转刚度的最简单的基本几何结构。在大多数公路车辆中，十字形支撑的前四面体和后四面体均具有锐角，而两侧的四面体的顶点处均具有钝角。当然，可以在中心垂直立柱上开一个孔，以为传动轴让出空间，只要该立柱在孔周围得到适当加固。

骨干型框架也已被使用。 图35.5为管状，主要用于某些捷克斯洛伐克，德国和奥地利设计的车辆-Tatra，戴姆勒-奔驰和斯泰尔 Puch。 在某些情况下，管状骨架的末端直接在前部固定在变速箱上，在后部直接固定在主减速器壳体上，而在另一些情况下，它们具有叉状的延伸部分，这些部件之间容纳了这些延伸部分。图35.6展示了一个骨架型框架的示例，但实际上是通过将两个箱形截面的侧梁并排放置在一起而制成的。 它是1960年的《凯旋使者》（Triumph Herald）中的那辆，可能是英国最后设计的带有单独框架的批量生产的小型汽车。骨干框架的优点包括低成本的高扭转刚度和重量轻。 缺点是支撑身体侧面所需的支腿臂的长度。 这些臂由于其弯曲柔韧性而容易引起扭转震动问题。

通常，单独的车架具有能够容纳多种不同车身的优点。因此，即使是轻型商用车，它们也具有闪光点。 主要缺点是，由于必须将这种框架容纳在车辆地板下方，因此必须限制其深度，因此要限制其弯曲刚度（与深度的立方成正比）和扭转刚度。 这可以通过使用空间框架来克服，在赛车中有很多例子，但由于这些车型构复杂，因此成本很高。它们适合安装在轻便而简单的车身上，例如增强塑料。 但是，在任何情况下都必须使主体具有相当坚固的结构的情况下，通过设计主体以使其能够执行车架的功能，可以相当大地实现重量减轻和经济性。

图35.4十字形支撑和四面体

(a)

(b)

图35.5在斯泰尔 Puch Hafflinger底盘（a）上，车体的地板框架安装在弹簧的顶部，通过车体平台直接在其中施加一些垂直和扭转载荷，如图（ b）

35.2副车架

使用一个或多个副车架有三个基本原因。首先是将例如发动机或悬架组件的高频震动与该结构的其余部分隔离。 在这种情况下，橡胶或其他弹性安装件介于副车架和主体之间。第二个，副车架可以将固有刚性的子组件（例如发动机或变速箱）与底盘车架弯曲的影响隔离开。 通常，这是通过在副车架和主机架之间插入一个三点安装系统来完成的，其中一个安装架在主机架绕其旋转的纵轴上，另一个在每一侧上。第三，副车架可用于承载例如前悬架子组件和后悬架子组件，为此目的而利用车身结构的前端和后端会有不可接受地增加其复杂性或成本，或带来困难。 制造或维修，或两者兼而有之。 此类副车架使用的一个很好的例子是BL Mini，该套件的前后副车架组件已被一些成套汽车制造商使用，因为其副车架上的发动机和前悬架很容易安装， 可以用螺栓固定在前部和后部悬挂装置上的子框架，用螺栓固定到另一个用于容纳它们的车身的背面。

35.3整体式无底盘结构

整体和无底盘结构这两个术语经常会混淆，但区别很简单。 整体结构是将底盘框架焊接到车身或与车身集成的结构。 这是无底盘结构演变的第一阶段，在此阶段无法识别出底盘框架。后一类中的前两个量产车辆几乎可以肯定是萨博92和奥斯汀A30，其设计在1952年10月和12月的汽车工程师以及1954年3月和4月的工作中得到了充分描述。 有四篇参考文献描述了车辆本身，第二对则详细介绍了作者开发的用于结构设计的方法。

无底盘结构的细节太多，种类繁多且复杂，在此不再赘述。 但是，原则上，它的优势来自于以下方面：车身面板形成的横梁可能深约50厘米，而汽车的底盘框架只有约8至13厘米深，整个区域被整个车身包围 类似地，它比框架侧面或横向构件的横截面所包围的横截面大得多。 由于梁的强度和刚度分别与
箱体截面的平方和立方，而箱形截面的扭转应力和刚度均与箱体所围成的面积成比例，因此，车身外壳的强度和刚度可能比底盘车架大得多。

设计钣金结构时需要注意的主要事实之一是，即使是简单的法兰，只要稳定即可，也可以承受令人满意的巨大的载荷，并能承受屈曲或其他形式的变形。 一个有用的经验法则是，只要凸缘的宽度不超过其厚度的16倍，凸缘将承受高达材料屈服强度的应力。只要横梁整体的偏转可以忽略不计，这就大概可以被认为是有效的。如果不是这样，例如，如果倒置的礼帽型横梁在其端部受到自由支撑并在其中心顶部由重物加载，则该组件将过早失效。

在这样的横梁中，载荷将在该部分的顶层中引起压缩应力而在底层中即该凸缘的凸缘中引起拉伸应力。随着屈服应力的接近，横梁作为一个整体会弯曲向下，法兰上的拉伸载荷将导致其外缘趋于笔直伸直（换句话说，弦向），而不是遵循梁的其余部分的弓形形式。反过来，这会减小该截面的有效第二面积矩（惯性矩），因此，与该截面的垂直壁相邻的凸缘的较硬部分中的应力将高于计算值， 金属会屈服，并且截面过早弯曲和塌陷。

第36章

车辆安全

本章介绍了在设计方面的安全性，以避免发生事故（主动安全），以及在发生事故时保护乘员和行人免受严重伤害（被动安全）。 总体上通过优化制动，行驶，抓地力，转向和操纵获得的主动安全性将在第36.12节及其后各节中介绍。 被动安全可分为两类：乘员安全和乘车撞人的安全。

关于行人安全，车辆前部的设计非常重要。 理想情况下，前部将是垂直平面，在肩部和髋部的水平方向上的刚度会降低，因此如果汽车撞到行人，它不会造成比瘀伤的行人更糟的后果。显然这是无法实现的，尽管许多所谓的载人汽车类型在实现这一理想方面走了很长的路。目前，保险杠的高度是由法律规定的，因此，对常规的轿车来说，最好的办法是使前裙板向前，增加其刚度，并用减震材料覆盖裙板和保险杠。

与碰撞安全相关的所应用的减震材料的刚度是至关重要的：如果太软，涉及的人体部分将通过它直接撞击到基础结构上； 如果太硬，其减震能力将降低。保险杠的刚度涉及一个困难的折衷方案：如果太僵硬，则会折断骨头；如果太软，则将无法发挥其吸收能量的功能。

在保险杠上方，中网应再次为平坦且几乎垂直的表面，以支撑受害者的大腿和臀部。 从中网到发动机盖的前边缘的过渡半径应足够大，以避免髋骨和大腿骨断裂。另外，其高度应确保被撞行人被翻到引擎盖上。 然后，受害者将倾向于向挡风玻璃滑动并撞击挡风玻璃，挡风玻璃的角度应足够陡，以防止其在轿车顶棚上偏转。这是因为如果受害人如果撞到车后那条坚硬的路面，他可能会被随后的车辆撞到。 尽管他碰到了夹层的挡风玻璃，但中间层的塑料能够减轻冲击，尽管如此，仍有可能受到玻璃碎片的伤害。

几十年来，被动安全一直是许多汽车制造商的首要任务。 然而，就实际立法而言，美国一直遥遥领先于欧洲，甚至涵盖了1950年代初期的细节，例如避免因车辆内外突出的硬件而造成伤害。事实上，在欧洲唯一有效的安全法规
在1947年至1998年之间，最初将方向盘的偏转限制

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