卡车架设计流程

尹民鑫 曹德本

摘 要：车架是卡车的承载主体，一旦设计失误将给主机厂造成难以估量的后果。设计流程的建立使设计人员建立清晰的设计思路，考虑设计的各方面信息，有利于设计的标准化作业，提高设计效率，提高设计质量，缩短设计验证周期。设计流程包含车架设计构想、车架结构数据、试验验证、车架数据冻结四个阶段。车架设计工程师通过与 BM数据库和关联系统的交流并达成一致后，通过数据梳理形成车架总成和主要零部件的构想；通过设计计算、与系统布置工程师和 BM交流满足后完成车架结构数据；试验验证满足要求且评审通过后进入数据冻结阶段，数据冻结既是本轮工作的终点又是下一轮设计和改进的起点。

关键词：轻卡； 车架 ；设计流程

1 前言

轻卡车架（以下简称车架）一般由左右对称的两根纵梁和若干根横梁铆接而成，车架既是卡车的承载主体，又是所有部件的连接基体，被比喻为卡车的脊梁，重要性不言而喻，建立一个适用的流程对于提高车架的设计效率和设计质量是重要且必需的，本文主要适用于轻型卡车车架的设计流程，其他型式车架或部件也可参考。

2 轻卡车架设计流程

从预研指令下发之日起，所属项目进入预研开发阶段，车架即开始进入设计构想，开发指令下发后车架进入正式开发，下面对流程每一阶段需要做的工作进行逐一展开，设计流程图见图 1。

2.1 车架设计构想

本阶段开始于项目预研指令下发后，是项目可行性分析的有效组成部分，是开发指令的基础支撑。

与 BM数据库的交流工作：

BM是 benchmark的缩写，可理解为分析时依照做出衡量和判断的标准。

汽车经过一个多世纪的发展，技术已经相对成熟，车架创新空间小，开发具有竞争力的车架，针对竞品的分析尤其重要。对比同类竞品车型车架信息库，了解竞品的详细结构和性能参数，侧重在重量，成本，工时的分析，以及设计创意的采集，构想新设计车架的主要性能、结构指标。注意分析竞品不仅仅局限于车架自身而要从整车角度出发，坚持局部服从于整体的原则，确保在产品生命周期内整车具备竞争优势或具备与优势竟品抗衡的能力。竞品分析的要点是要有对比优势，做出一个具备绝对优势的产品是困难的甚至是不可实现的，通过分析对比完成车架“对比竞品分析报告”。

对客户群体反馈信息的收集分析，客户群体包含目标市场的经销商、固定客户和潜在客户，分析要充分展示客户关注点，重点了解客

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户对纵梁主截面（承载能力）、纵梁结构形式（直通梁、变截面梁等）、漆面（色彩，防锈等级，表面缺陷等）、孔位布局（后期改装和加装部件的方便性）、横梁（根数，结构形式，连接方式，分布距离）的需求信息，分析并厘清显性需求和隐性需求，在满足整车布置和车架本体的结构基础上最大程度的满足客户的偏好和使用习惯，具备吸睛亮点和功能亮点。建立在合理基础上的用户需求是设计者要考虑的第一要素，设计的最终目的是要客户乐于接受你的产品，通过分析完成车架“客户需求要素表”。

对比专利法规分析，通过专利信息检索，厘清现有车架专利的权利要求，一方面在设计之初规避专利风险，避免知识权利纠纷，另一方面为创新点申请专利进行知识产权保护。车架目前虽然不是法规件，但是做为整车装配主体，要保证不能对法规或法规件形成干扰，例如 GB 7258 对 VIN码位置的要求，车架要留出对应的打刻位置。通过分析完成车架“专利法规分析报告”。

分析公司产品库和供应商零部件资源库，了解新设计车架哪些零部件可以沿用或通过设计变更可以通用，了解哪些材料是公司推荐使用，最大程度降低原材料和零部件种类及库存，初步梳理车架“沿用件清单”和“新开发件清单”。

分析生产工艺及流程，既要了解公司现有的又要了解新车架投产期的工艺状况，例如车架纵梁现在采用冲压成型而后续采用辊压成型，纵梁就不宜采用变截面；铆接由人工铆接换成机器人铆接，就要在铆接路线和铆接空间上进行适应，通过分析与工艺部门一起拟定车架“制造工艺流程”。

分析车架失效模式，通过对已有车架失效模式的分析，在新设计车架上加以规避，失效分析既要建立在公司已有的关注点也要分析竞品的失效方式，做到少走弯路和提高设计效率。拟定规避方案和验证手段。

关联系统构想的互动交流，完成下述工作：

与总布置交流，车架要满足整车布置构想的边界条件，重点关注轮距及轮胎包络空间与车架宽度的对应，悬架结构与车架连接的要求，主要总成的安装对纵梁、横梁布局和连接的要求，做到整车布局协调，整车布置满足设计指标。协助总布置拟定整车设计硬点。

与系统布置工程师交流，重点关注车架孔位布局和子系统的安装互动，力求做到零部件的标准化、轻量化、通用化，使管路走向和连接通畅、简洁、美观，协助系统布置工程师拟定关键安装硬点。

与性能工程师交流，拟定车架的刚度、强度等性能指标。

车架设计构想完成：

车架设计工程师通过与 BM数据库和关联系统的交流并达成一致后，通过数据梳理形成车架总成和主要零部件的构想，完成“车架设计构想书”。

在满足预研指令和项目评审后完成收敛，进入车架结构数据设计工作。

虽然本阶段具体车型工作定义在预研指令下发后进行，实际上 BM分析是一个信息庞大的系统工程，应贯穿于产品工程师的整个技术生命周期，只有持续连贯的运用 BM手法进行分析、判断、总结和累积，才能使工程师形成系统的思维和职业敏感点，在设计中才能运用自如，做到水到渠成，成为一个优秀的设计师，设计出优秀的产品。

2.2 车架结构数据

本阶段工作在车架设计构想评审通过并接到开发指令后正式开始。此时整车各系统零部件也进行同步设计，通过本阶段的工作，车架零部件从概念设计固化为结构数据并满足制造要求，车架总成技术状态确认并与整车各系统的匹配达到试制试验要求。

通过设计计算，完成以下工作：

车架工作时要承受扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激励而产生的振动，设计中除了要有足够的强度、足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面的适应性外，合理的振动特性也是十分重要的，以避开汽车在行驶过程中各部件产生的共振，导致部件的早期损坏，减低汽车的使用寿命。

设计工程师将车架数模提交给 CAE工程师，CAE工程师搭建车架在整车条件下的计算模型进行分析，通过对弯曲、扭转、转向、制动等各种典型工况对车架进行分析计算，并计算车架自由状态下的模态。 CAE工程师将计算结果和车架设计师交流改进直至车架的强度、刚度、模态满足要求。协助 CAE工程师完成“车架计算分析报告”。

关联系统数据交流，完成以下工作：

与总布置工程师交流，确定车架宽度满足轮距布置要求，悬架安装点满足轴距和整车姿态要求，横梁布置满足驾驶室安装和动力系统安装要求，车架满足其他系统零部件的安装和动态、静态间隙要求，达成设计硬点共识。协助总布置完成并发布“总布置硬点设计报告”。

与系统布置工程师交流，车架工程师将设计信息传达给各系统布置工程师并接受系统布置工程师的信息反馈。交流包括孔位的布局原则和孔径规格，尽量做到孔位的标准化，促进整车的标准化、系列化设计，简化设计校核，缩短后期系列车型的开发周期，提高零部件的沿用率；交流也包括零部件形位公差，方便系统布置工程师建立设计尺寸链，进行尺寸工程校核；与系统布置工程师交流的同时也应邀请 CAE工程师参加，将车架的动态应力和静态应力及变形告知系统布置工程师，使系统布置工程师避开动态应力应变较大区域，并对较大静应力变形区域进行设计补偿和采取应对措施。通过以上交流达成安装硬点共识，协助系统布置工程师发布“安装硬点报告”。

BM分析在本阶段也是必须进行的，车架主结构在设计构想阶段已经得到确认，可能会有发生偏离初始设想的变化，但变化都应是可控的。本阶段主要工作是零部件设计和工艺的融合，做到设计、制造和装配基准的统一，零部件的结构通过现有工艺可以经济高效无损伤的制造，零部件的设计精度要和工艺精度吻合，目的是设计要能被制造完整的表达出来；车架孔位较多，设计时要注意设计装配识别孔或简易组合识别标记，方便车架本体装配或其他零部件装配，避免错漏装。

车架在满足上述条件的前提下，即可制作完成车架结构数据，同时完成“失效模式分析”以便后续进行失效分析，完成“试验验证计划”指导后续试验验证，完成“技术标准”指导后续检查验收、完成“ EBOM”指导数据管理，完成“新开发件清单”和“沿用件清单”方便生产管理和成本核算。以上工作完成并评审通过后，进行阶段车架数据冻结和归档，完成本阶段工作，进入试验验证阶段。

2.3 试验验证

试验验证是对前期设计计算的最终检验，是车架设计的重要一环，在上一阶段“试验验证计划”指导下进行。

首先完成车架在规定工况下的应力应变试验，用以核对前期计算模型的符合性，在偏差允许范围内则认为前期计算分析有效，超出偏差则需调整计算模型直至调整设计以达到预期目的。整车搭载路试试验以模拟车架的使用性能，路试搭载无故障，车架达到设计目的，完成设计冻结。路试出现故障，则进行设计改进直至路试通过。试验验证的故障和偏差都应更新至“失效模式分析”单中，以便后续设计重点关注并避免事故的再发生。试验验证评审通过后进入数据冻结阶段，试验验证评审不通过则进入车架数据数据设计流程，所有的试验结果以“实验报告”形式存档。

2.4 数据冻结

数据冻结是对车架设计本阶段工作的最终评价，数据冻结后，车架数据和数据发放单一起发送至下游部门使用，同时进入 BM数据库作为下一次设计的基点数据引用，数据冻结后允许对数据进行 VAVE变更和因其他系统变更而引起的关联变更，后续进行的变更不会引起车架的基础性的变动，否则进入上一个设计流程循环，在产品生命周期内经过设计验证的车架的颠覆性的变更一般是有害的和不鼓励的。

3 结 论

车架设计构想阶段需要进行持续、系统、目的明确的 BM分析和专业交流，使车架的各项指标与需求和现实吻合；车架结构数据是建立在满足整车各系统要求和自身性能指标基础上，通过 BM分析能够在制造和装配时正确表达设计思想；试验验证是对设计计算的最终检验，完成车架理论和实际工作工况的相互验证；数据冻结是对车架设计本阶段工作的最终评价；以上四个阶段工作完成表明设计车架可供下游部门使用。

车架设计每一阶段都要的工作都要评审通过后才能进入下一阶段工作，每个阶段都有明确的交付物用于核查和存档。

设计流程的建立使设计人员建立清晰的设计思路，全面而具体的考虑设计的各方面信息，通过设计的标准化作业，提高设计效率，降低设计差错提高设计质量，缩短设计验证周期。车架做为卡车的重要部件，通过完善的流程使问题在投放市场前得以解决，避免进入市场后出现重大问题将给主机厂造成难以估量的后果。

设计流程的建立和完善不可能一蹴而就，随着使用经验的积累和验证而逐步完善，随着技术和设计方法的进步而发展。

参考文献

[1] 孟广均 . 信息资源管理导论 .北京：科学出版社，2008.

[2]葛杨 .邱志明 .设计方法学 .哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2013.

[3] 余志生 .汽车理论 .北京：机械工业出版社， 2009.

[4] 张洪欣 .汽车设计 .北京：机械工业出版社， 1996.

[5]孟明辰 .并行设计 .北京：机械工业出版社， 1999.