卡車架設計流程

尹民鑫 曹德本

摘 要：車架是卡車的承載主體，一旦設計失誤將給主機廠造成難以估量的后果。設計流程的建立使設計人員建立清晰的設計思路，考慮設計的各方面信息，有利于設計的標準化作業，提高設計效率，提高設計質量，縮短設計驗證周期。設計流程包含車架設計構想、車架結構數據、試驗驗證、車架數據凍結四個階段。車架設計工程師通過與 BM數據庫和關聯系統的交流并達成一致后，通過數據梳理形成車架總成和主要零部件的構想；通過設計計算、與系統布置工程師和 BM交流滿足后完成車架結構數據；試驗驗證滿足要求且評審通過后進入數據凍結階段，數據凍結既是本輪工作的終點又是下一輪設計和改進的起點。

關鍵詞：輕卡； 車架 ；設計流程

1 前言

輕卡車架（以下簡稱車架）一般由左右對稱的兩根縱梁和若干根橫梁鉚接而成，車架既是卡車的承載主體，又是所有部件的連接基體，被比喻為卡車的脊梁，重要性不言而喻，建立一個適用的流程對于提高車架的設計效率和設計質量是重要且必需的，本文主要適用于輕型卡車車架的設計流程，其他型式車架或部件也可參考。

2 輕卡車架設計流程

從預研指令下發之日起，所屬項目進入預研開發階段，車架即開始進入設計構想，開發指令下發后車架進入正式開發，下面對流程每一階段需要做的工作進行逐一展開，設計流程圖見圖 1。

2.1 車架設計構想

本階段開始于項目預研指令下發后，是項目可行性分析的有效組成部分，是開發指令的基礎支撐。

與 BM數據庫的交流工作：

BM是 benchmark的縮寫，可理解為分析時依照做出衡量和判斷的標準。

汽車經過一個多世紀的發展，技術已經相對成熟，車架創新空間小，開發具有競爭力的車架，針對競品的分析尤其重要。對比同類競品車型車架信息庫，了解競品的詳細結構和性能參數，側重在重量，成本，工時的分析，以及設計創意的采集，構想新設計車架的主要性能、結構指標。注意分析競品不僅僅局限于車架自身而要從整車角度出發，堅持局部服從于整體的原則，確保在產品生命周期內整車具備競爭優勢或具備與優勢竟品抗衡的能力。競品分析的要點是要有對比優勢，做出一個具備絕對優勢的產品是困難的甚至是不可實現的，通過分析對比完成車架“對比競品分析報告”。

對客戶群體反饋信息的收集分析，客戶群體包含目標市場的經銷商、固定客戶和潛在客戶，分析要充分展示客戶關注點，重點了解客

22 AUTO TIME

戶對縱梁主截面（承載能力）、縱梁結構形式（直通梁、變截面梁等）、漆面（色彩，防銹等級，表面缺陷等）、孔位布局（后期改裝和加裝部件的方便性）、橫梁（根數，結構形式，連接方式，分布距離）的需求信息，分析并厘清顯性需求和隱性需求，在滿足整車布置和車架本體的結構基礎上最大程度的滿足客戶的偏好和使用習慣，具備吸睛亮點和功能亮點。建立在合理基礎上的用戶需求是設計者要考慮的第一要素，設計的最終目的是要客戶樂于接受你的產品，通過分析完成車架“客戶需求要素表”。

對比專利法規分析，通過專利信息檢索，厘清現有車架專利的權利要求，一方面在設計之初規避專利風險，避免知識權利糾紛，另一方面為創新點申請專利進行知識產權保護。車架目前雖然不是法規件，但是做為整車裝配主體，要保證不能對法規或法規件形成干擾，例如 GB 7258 對 VIN碼位置的要求，車架要留出對應的打刻位置。通過分析完成車架“專利法規分析報告”。

分析公司產品庫和供應商零部件資源庫，了解新設計車架哪些零部件可以沿用或通過設計變更可以通用，了解哪些材料是公司推薦使用，最大程度降低原材料和零部件種類及庫存，初步梳理車架“沿用件清單”和“新開發件清單”。

分析生產工藝及流程，既要了解公司現有的又要了解新車架投產期的工藝狀況，例如車架縱梁現在采用沖壓成型而后續采用輥壓成型，縱梁就不宜采用變截面；鉚接由人工鉚接換成機器人鉚接，就要在鉚接路線和鉚接空間上進行適應，通過分析與工藝部門一起擬定車架“制造工藝流程”。

分析車架失效模式，通過對已有車架失效模式的分析，在新設計車架上加以規避，失效分析既要建立在公司已有的關注點也要分析競品的失效方式，做到少走彎路和提高設計效率。擬定規避方案和驗證手段。

關聯系統構想的互動交流，完成下述工作：

與總布置交流，車架要滿足整車布置構想的邊界條件，重點關注輪距及輪胎包絡空間與車架寬度的對應，懸架結構與車架連接的要求，主要總成的安裝對縱梁、橫梁布局和連接的要求，做到整車布局協調，整車布置滿足設計指標。協助總布置擬定整車設計硬點。

與系統布置工程師交流，重點關注車架孔位布局和子系統的安裝互動，力求做到零部件的標準化、輕量化、通用化，使管路走向和連接通暢、簡潔、美觀，協助系統布置工程師擬定關鍵安裝硬點。

與性能工程師交流，擬定車架的剛度、強度等性能指標。

車架設計構想完成：

車架設計工程師通過與 BM數據庫和關聯系統的交流并達成一致后，通過數據梳理形成車架總成和主要零部件的構想，完成“車架設計構想書”。

在滿足預研指令和項目評審后完成收斂，進入車架結構數據設計工作。

雖然本階段具體車型工作定義在預研指令下發后進行，實際上 BM分析是一個信息龐大的系統工程，應貫穿于產品工程師的整個技術生命周期，只有持續連貫的運用 BM手法進行分析、判斷、總結和累積，才能使工程師形成系統的思維和職業敏感點，在設計中才能運用自如，做到水到渠成，成為一個優秀的設計師，設計出優秀的產品。

2.2 車架結構數據

本階段工作在車架設計構想評審通過并接到開發指令后正式開始。此時整車各系統零部件也進行同步設計，通過本階段的工作，車架零部件從概念設計固化為結構數據并滿足制造要求，車架總成技術狀態確認并與整車各系統的匹配達到試制試驗要求。

通過設計計算，完成以下工作：

車架工作時要承受扭轉、彎曲等多種載荷產生的彎矩和剪切力，同時受到來自路面和車橋的激勵而產生的振動，設計中除了要有足夠的強度、足夠的抗彎剛度和合適的扭轉剛度保證汽車對路面的適應性外，合理的振動特性也是十分重要的，以避開汽車在行駛過程中各部件產生的共振，導致部件的早期損壞，減低汽車的使用壽命。

設計工程師將車架數模提交給 CAE工程師，CAE工程師搭建車架在整車條件下的計算模型進行分析，通過對彎曲、扭轉、轉向、制動等各種典型工況對車架進行分析計算，并計算車架自由狀態下的模態。 CAE工程師將計算結果和車架設計師交流改進直至車架的強度、剛度、模態滿足要求。協助 CAE工程師完成“車架計算分析報告”。

關聯系統數據交流，完成以下工作：

與總布置工程師交流，確定車架寬度滿足輪距布置要求，懸架安裝點滿足軸距和整車姿態要求，橫梁布置滿足駕駛室安裝和動力系統安裝要求，車架滿足其他系統零部件的安裝和動態、靜態間隙要求，達成設計硬點共識。協助總布置完成并發布“總布置硬點設計報告”。

與系統布置工程師交流，車架工程師將設計信息傳達給各系統布置工程師并接受系統布置工程師的信息反饋。交流包括孔位的布局原則和孔徑規格，盡量做到孔位的標準化，促進整車的標準化、系列化設計，簡化設計校核，縮短后期系列車型的開發周期，提高零部件的沿用率；交流也包括零部件形位公差，方便系統布置工程師建立設計尺寸鏈，進行尺寸工程校核；與系統布置工程師交流的同時也應邀請 CAE工程師參加，將車架的動態應力和靜態應力及變形告知系統布置工程師，使系統布置工程師避開動態應力應變較大區域，并對較大靜應力變形區域進行設計補償和采取應對措施。通過以上交流達成安裝硬點共識，協助系統布置工程師發布“安裝硬點報告”。

BM分析在本階段也是必須進行的，車架主結構在設計構想階段已經得到確認，可能會有發生偏離初始設想的變化，但變化都應是可控的。本階段主要工作是零部件設計和工藝的融合，做到設計、制造和裝配基準的統一，零部件的結構通過現有工藝可以經濟高效無損傷的制造，零部件的設計精度要和工藝精度吻合，目的是設計要能被制造完整的表達出來；車架孔位較多，設計時要注意設計裝配識別孔或簡易組合識別標記，方便車架本體裝配或其他零部件裝配，避免錯漏裝。

車架在滿足上述條件的前提下，即可制作完成車架結構數據，同時完成“失效模式分析”以便后續進行失效分析，完成“試驗驗證計劃”指導后續試驗驗證，完成“技術標準”指導后續檢查驗收、完成“ EBOM”指導數據管理，完成“新開發件清單”和“沿用件清單”方便生產管理和成本核算。以上工作完成并評審通過后，進行階段車架數據凍結和歸檔，完成本階段工作，進入試驗驗證階段。

2.3 試驗驗證

試驗驗證是對前期設計計算的最終檢驗，是車架設計的重要一環，在上一階段“試驗驗證計劃”指導下進行。

首先完成車架在規定工況下的應力應變試驗，用以核對前期計算模型的符合性，在偏差允許范圍內則認為前期計算分析有效，超出偏差則需調整計算模型直至調整設計以達到預期目的。整車搭載路試試驗以模擬車架的使用性能，路試搭載無故障，車架達到設計目的，完成設計凍結。路試出現故障，則進行設計改進直至路試通過。試驗驗證的故障和偏差都應更新至“失效模式分析”單中，以便后續設計重點關注并避免事故的再發生。試驗驗證評審通過后進入數據凍結階段，試驗驗證評審不通過則進入車架數據數據設計流程，所有的試驗結果以“實驗報告”形式存檔。

2.4 數據凍結

數據凍結是對車架設計本階段工作的最終評價，數據凍結后，車架數據和數據發放單一起發送至下游部門使用，同時進入 BM數據庫作為下一次設計的基點數據引用，數據凍結后允許對數據進行 VAVE變更和因其他系統變更而引起的關聯變更，后續進行的變更不會引起車架的基礎性的變動，否則進入上一個設計流程循環，在產品生命周期內經過設計驗證的車架的顛覆性的變更一般是有害的和不鼓勵的。

3 結 論

車架設計構想階段需要進行持續、系統、目的明確的 BM分析和專業交流，使車架的各項指標與需求和現實吻合；車架結構數據是建立在滿足整車各系統要求和自身性能指標基礎上，通過 BM分析能夠在制造和裝配時正確表達設計思想；試驗驗證是對設計計算的最終檢驗，完成車架理論和實際工作工況的相互驗證；數據凍結是對車架設計本階段工作的最終評價；以上四個階段工作完成表明設計車架可供下游部門使用。

車架設計每一階段都要的工作都要評審通過后才能進入下一階段工作，每個階段都有明確的交付物用于核查和存檔。

設計流程的建立使設計人員建立清晰的設計思路，全面而具體的考慮設計的各方面信息，通過設計的標準化作業，提高設計效率，降低設計差錯提高設計質量，縮短設計驗證周期。車架做為卡車的重要部件，通過完善的流程使問題在投放市場前得以解決，避免進入市場后出現重大問題將給主機廠造成難以估量的后果。

設計流程的建立和完善不可能一蹴而就，隨著使用經驗的積累和驗證而逐步完善，隨著技術和設計方法的進步而發展。

參考文獻

[1] 孟廣均 . 信息資源管理導論 .北京：科學出版社，2008.

[2]葛楊 .邱志明 .設計方法學 .哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2013.

[3] 余志生 .汽車理論 .北京：機械工業出版社， 2009.

[4] 張洪欣 .汽車設計 .北京：機械工業出版社， 1996.

[5]孟明辰 .并行設計 .北京：機械工業出版社， 1999.