汽车的梯形车架总成 【发明背景】
1.发明的领域
本发明涉及汽车的纵梁式车架总成及其制造方法。
2.背景材料
在汽车领域、特别是越野车、轻便客货两用车之类车辆，公知有用来安装车身、发动机、悬挂装置等各种车辆部件的梯形车架总成。该车架总成一般包括一对一般沿着车辆相对两边伸展的纵向平行地纵梁和许多相间距地排列在这对纵梁上而互连这对纵梁的横梁件。该车架总成代替标准轿车中通常使用的“整体”结构式车身而用作具有一定刚性和强度的主要承载件。
近年来，车架总成的制造日益模件化。更确切地说，车架总成可方便地分成前车架模件、中车架模件和后车架模件，从而便于制造并使某些车架模件可用于一种以上的车辆或模型车。而且，模件设计具有车架总成的不同部分可制造成不同结构的优点。例如，前车架模件最好用闭式条钢纵梁(即横截面形状为封闭式)制成，从而使车架总成在驾驶室下方具有抗碰撞的最大强度和抗扭刚度。另一方面，中车架模件和后车架模件最好用U形横截面的纵梁制成，U形的开口朝向车内以提高弯曲效率并便于安装横梁件和其他部件。这里所使用的U形一词与“C形”同义，因此U形的两端上可有朝里的凸缘。
在制造车架总成时，制造者一般使用冲压工艺。进行冲压时，使用一个或多个相对的冲模件(用冲力)压缩其间的的一张通常为钢的原材料而制成一定形状(例如U形横截面)的车架纵梁件和横梁件。在冲压过程中，顺序移动原材料而在不同冲模工段冲压，直到获得最终形状。而且，冲模和冲压设备较昂贵且须定期更换。因此可以看到，冲压成的车架件在制造和装配时的物化劳力和设备成本是很高的。
冲压平直金属板的另一个问题是不得不浪费大量原材料，在生产形状不规则的车架部件时更是如此。更确切地说，在用原材料板材冲压出不规则形状时，不管在板材上如何设法套裁所冲压形状，总有大量边角料无法利用。根据某一分析，发现高达30％-40％的原材料卷材由于所冲压部件的形状不规则而无法使用。可以看出，在大量生产时，使用冲压法的材料浪费从而其成本是很大的。
把各冲压件装配成车架总成时也会发生问题。此时一般使用网焊工艺而把大量热量加到冲压部件上。在此装配过程中，必须把冲压部件夹住以防止反弹并控制加热和成形过程中的应力。若不夹住的话，这些应力会使总成发生很大的变形(总变形一般为6-12mm)。在大量生产时要想获得合格车架总成，这一装配成本和刀具加工成本提高了投资、生产成本和再加工成本。
现有专利提出用轧制工艺而不是用冲压工艺来生产纵梁式车架件。更确切地说，美国专利No.2,127,618提出一种设备，在这种设备中，原材料板材通过一系列互相配合的轧辊，这些轧辊顺序把该板材弯曲出方形横截面的管状纵梁件。轧制成形较之冲压成形具有许多优点。例如，生成设备所需投资大大下降。此外，轧制成形机工作时不象冲压模那样产生极大的冲击应力，因此它的维修工作少、工作寿命长。而且，由于板料可连续通过一系列轧辊，因此车架纵梁的生产时间缩短。此外，由于板料完全被用来制造纵梁，因此原材料浪费少或没有浪费。由于各部件在轧制过程中连接成一完整的封闭方形截面，因此装配过程缩短。因此可以看到，轧制成形的生产成本较之冲压成形大大下降。
但是，轧制成形的好处迄今为止由于它无法生产出任何所需形状的纵梁件而受到限制。例如，在最需要的形状中，中纵梁件不仅如上所述其横截面最好呈U形，而且要求该纵梁的中部在垂直方向上具有弯头，以便比方说用来安装后轮的轴。与冲压成形不同，由于轧制成形只能加工出笔直的纵梁件(例如，在垂直方向上没有任何弯头)，因此只能在其后的工序中加工垂直弯头。例如上述美国专利设想，在轧制成形后，笔直的方形横截面纵梁可在一弯管机中弯成从前到后向上弯曲。方形横截面由于其固有的强度而较便于弯曲，但迄今为止尚无法弯制U形横截面的轧制成形纵梁件。更确切地说，之所以无法弯制U形横截面的轧制成形纵梁件，是因为U形的开口部强度较弱而容易发生扭曲和变形。用于前钢梁的盒形管状侧架件由于须保持横截面不变而也省略不用，从而由于发动机、前悬架、车身和其他发动机室部件的几何形状要求而无法封装它们。结果现有的设计无法充分利用材料而只能用于不考虑材料损耗以及封装要求不很严格的小批量生产和大卡车中。
发明概述
因此需要制造可解决上述问题的汽车车架总成。因此本发明的一个目的是满足这一需要。按照本发明原理，提出一种制造汽车的梯形车架总成的方法来实现这一目的。本发明方法的两个步骤是制成一后车架钢梁模件和制成一前车架钢梁模件。另一个步骤是制成一包括一对中车架纵梁的中车架钢梁模件，每一个中车架纵梁的制作步骤包括1)使金属板料穿过一系列相互配合的轧辊，这些轧辊构作并布置成滚动地啮合板料的相反两面而把板料弯成U形横截面，该U形横截面包括一垂直的底壁部和从该底壁部相对两端向外伸出的一对水平壁部，以及2)弯曲该U形横截面板料，包括在底壁部的平面内弯曲该底壁部而伸展从该底壁部的一端伸出的一水平壁部同时压缩从该底壁部的另一端伸出的另一水平壁部；该方法的最后一个步骤是把前车架钢梁模件和后车架钢梁模件刚性连接到中车架钢梁模件的相反两端上。
前车架钢梁模件包括一对轧制成形后焊接成管状毛坯的前车架纵梁。使用利用液压的液压成形工艺把该毛坯制成不规则形状后推动该管的两端以获得材料流动和壁厚(±15％)而获得所需的最终形状。由于无法冲压出整体式管状件，因此在制造能吸收撞车能量的车架前部的封闭盒形车架件时更无法使用冲压工艺。相反，在需要使用管状件的场合，必须冲压出若干细长条后沿纵向把这些细长条焊接成管状件。例如可用两正对的U形条焊接成管状件。这种结构的强度和尺寸精度没有整体式管状件高。还可看到，这种工艺还得有另外的资源，例如焊接材料和进行焊接的工时。
应该看到，轧制成形可用来生产用于纵梁前部的管状件。例如，为了制成上述美国专利所述管状件，必须把条状材料的两边卷成方形横截面直到这两边互相抵靠后焊接在一起。但新近有人提出用所谓的液压成形工艺把管状毛坯制成整体式盒形管状车架纵梁。例如可参见美国专利No.5,107,693、5,233,854、5,333,775、4,567,743、5,070,717、5,239,852和5,339,667。尽管液压成形车架钢梁极适用于纵梁式车架总成的前部，但尚未见有有关技术提供具有液压成形纵梁式前车架件和轧制成形而弯出U形横截面的中车架钢梁件的模件式、纵梁式车架钢梁总成的。
按照本发明原理，每一前车架纵梁的制造步骤包括1)把一金属管状件放入一模型(压型)的型腔中，该模型的内表面界定该型腔的形状，以及2)用足够高的压力把流体压入金属管状件内部而使管状件向外膨胀而紧抵模型的内表面从而使管状件的形状与型腔的形状基本一致。
本发明为实现其目的还提供一种用于汽车的钢梁式车架总成，包括：一具有一对由一后横梁总成互连的平行的后车架钢梁件的后车架模件；一具有一对由一中横梁总成互连的平行的中车架钢梁件的中车架模件；每一中车架件的横截面呈U形，从而该U形横截面包括一垂直的底壁部和从该底壁部相对两端向外伸出的一对水平壁部，每一U形中车架件在其相间距的两部位之间进行弯曲，从而从该底壁部的一端伸出的一水平壁部中的金属组织在该相间距部位之间的一部位伸展，而从该底壁部的另一端伸出的另一水平壁部中的金属组织在该相间距部位之间的该部位压缩；以及一具有一对由一前横梁总成互连的平行的管状前车架钢梁件的前车架模件。
附图的详细说明
图1为本发明车架钢梁总成的立体图。
图2(A)为示出本发明中车架钢梁总成的弯曲部的局部剖视的立体图。
图2(B)为示出本发明中车架钢梁件的前端和前车架钢梁件的后端以及把这两个车架钢梁件刚性连接在一起的一种方法的局部剖视的立体图。
图2(C)为沿图2(A)中2(C)-2(C)线剖取的剖面图。
图2(D)为本发明中车架钢梁件的立体图。
图3为本发明轧制成形设备的示意图。
图4(A)-4(J)为本发明轧制成形法所使用的重金属轧辊的剖面图。
图5(A)-5(D)为本发明弯曲操作中所使用的弯曲夹具的示意图。
图5(D)为在本发明弯曲操作过程中用来夹紧U形横截面钢梁件的夹紧结构的剖面图。
图6(A)、6(C)和6(E)为制作本发明管状前车架件时所使用的液压成形模型总成和管状毛坯的纵向剖面图。
图6(B)、6(D)和6(F)分别为图6(A)、6(C)和6(E)的横向剖面图，示出制作本发明管状前车架件时所使用的液压成形压型总成和管状毛坯。
图7同图6(E)，为纵向剖面图，但示出本发明另一实施例。
对本发明实施例的详细说明
图1示出按本发明原理制造的钢梁车架总成10。该车架钢梁总成最好为模件式设计而包括一后车架模件14、一中车架模件16和一前车架模件18。前车架模件18包括其横截面最好为封闭长方形的一对管状前车架钢梁件20，从而具有足够的强度而经得起碰撞。前车架钢梁件20由也最好为管状的横梁钢梁件22互连，以便提高车架总成的抗扭刚性。前车架模件18上可安装许多车辆部件。例如，前车架模件包括(例如用标号24表示的)车身安装支架、齿轮齿条方向盘支架26、发动机安装支架28、散热器支撑支架30和操纵杆支架32。如下文详述的，前车架模件18最好用液压成形工艺制成，以使管状前车架钢梁件20的壁厚处处相同。此外，使用液压成形工艺无需进行纵向缝焊，从而管状件可为整体式，从而强度和尺寸精度都优于用需要进行缝焊的冲压成形或轧制成形制成的管状件。
中车架模件16包括一对由轴承支撑横梁件38和油箱横梁件40之类横梁件互连的平行的中车架钢梁件36。中车架模件还包括前车身安装支架44、后车身安装支架46和后车箱安装支架50。中车架钢梁件36的前端54与管状车架钢梁件20的后端56刚性连接。该刚性连接最好为焊接。中车架钢梁件36的横截面最好呈开口朝里的U形。钢梁件36的这种形状在使中车架模件16具有足够强度的同时又便于各部件安装其上。
在制作中车架钢梁件36时，先轧制出U形横截面，然后进行弯曲操作而在钢梁件36上分别用标号60和62表示的部位稍稍弯出前后垂直弯头。前后弯头60和62上可安装各部件，例如车轮和车轴架和车辆的悬架。
图2(A)为钢梁件36在其后端62的一部分的放大图。示出该车架钢梁件36的U形横截面。该U形横截面包括一底壁部或垂直壁部170，它在中车架钢梁件36装入整个钢梁车架总成10中时呈垂直位置。该U形横截面还包括一对从该垂直壁部的两端伸出的水平壁部172、174。水平壁部172、174 相平行，它们在中车架钢梁件36装入整个钢梁车架总成10中时呈水平位置。水平壁部172、174朝车内伸展，从而U形的开口部也面向车内而便于安装横梁件和其他部件。从图2(A)中可看到，该U形从水平壁部172、174的与底壁部170连接端相反的一端向里伸出凸缘部176、178。这些凸缘也可省略。
但从图中可看出，当有凸缘176，178时，沿着弯头外部伸展的凸缘176因弯制弯头而稍稍向外张开。更确切的说，从图2(A)中表示钢梁件36的笔直部的虚线部可看到，凸缘176在中钢梁件36不弯曲的部位与垂直壁部170基本平行。还可看到，弯制弯头还使(弯头外部处)水平壁部172的金属组织伸展，同时使(弯头内部处)水平壁部174的金属组织压缩。
在弯曲中车架钢梁件时垂直壁部170也发生伸展而变薄。这一伸展而变薄大都发生在垂直壁部170的上部(靠近弯头外部向下约三分之一处)。如菱形伸展图案180所示，垂直壁部的伸展180大都出现在弯头62的中途处。
图2(B)示出中车架钢梁件36的前端54和管状前车架钢梁件20的后端56。可以看到，在中车架钢梁件36的整个长度上都有凸缘176和178的情况下，车架钢梁件20与中车架钢梁件36在比方说焊接在一起之前车架钢梁件20的后端56必须套入中车架钢梁件36之中。但最好如图2(B)所示，把前端部54处的凸缘176和178切去而把钢梁件20的后端56横向插入到该U形部中。这可大大简化制作过程。
图2(C)为沿图2(A)中2(C)-2(C)线剖取的剖面图。该图示出垂直壁部170在弯头(60或62)的中部处的变薄部180。图2(D)为中车架钢梁件的立体图，特别示出垂直壁部170的变薄部180的位置。
再回到图1，从图1中可看到，后车架模件14包括一对由可安放备用轮胎的横梁件68互连的平行的后车架钢梁件66。后车架钢梁件66的横截面呈U形，其前端76与中车架钢梁件36的后端78刚性连接。与上面结合图2(B)所述相同，前端76套入或横向插入中车架钢梁件36的后部中后焊接。
从图1可见，后车架钢梁件66的前部76的高度比其更后部稍高。为了制成各处高度不同的该后车架钢梁件66，最好用现有的冲压工艺制作这类钢梁件66，因为用轧制工艺很难制作尺寸不同的钢梁件。但在后车架钢梁件66的垂直壁高度不变的场合下，可使用轧制工艺。
前车架模件18、中车架模件16和后车架模件14最好分别制作后装配成一完整的车架总成10。可以看到，一个或多个模件可与用于不同车辆中的不同形状(例如不同长度或不同弯头)的模件互换。由于同一模件可用于几种不同的车型中，因此这一模件化大大降低了制造成本。
图3示出用来制作本发明中车架钢梁件36的轧制设备。该轧制设备100包括一把最好为钢的金属带材106展开的展卷工段104。金属卷材展开成平直带材108后通过一系列金属成形装置，包括平整机101、轧件校直机103、预穿孔压机105、轧制机107和截断压机109。轧制机107包括若干对互相配合的重金属轧辊112。最后一组轧辊最好包括一用来平整成形过程中在轧制成形部发生的扭转的扭转工段111。
平整机101在进行轧制前进行金属的冷轧。从而提高金属的强度，同时减小带材的厚度(约5％)而减轻车架的总重，还使所成形的金属的公差更紧。轧件校直机103轧平金属带材而除去带材上的凹凸不平。预穿孔压机105在中车架钢梁件上冲出安装各构件以及把中车架钢梁件紧固到其他车架部件上所需的孔。在金属带材轧制成U形横截面后，截断机109截下一定长度的经轧制金属以便弯成中车架钢梁件。
图4(A)-4(I)详示出轧制机107中用来轧制成U形中车架钢梁件36的一对对各类金属轧辊112。更确切地说，图4(A)示出第一对轧辊122和124，它们首先轧平带材108以便除去上面的凹凸不平。在图4(B)中，用轧辊126和128进行初步成形。从图4(B)中可看到，轧辊126的带材外啮合面130的形状稍稍凸起，而轧辊128的带材外啮合面132的形状稍稍下凹，从而在与带材的相反两面滚动啮合时压缩其间的带材108。除了使带材成形外，每一轧辊的这一滚动啮合还把带材传送到比方说图4(C)所示的下一对轧辊136和138。从相继的图4(C)到图4(D)然后到图4(E)，可以看到，一对对互相配合的轧辊136和138、140和142、144和146相继弯曲带材108的纵向外部而形成U形两端处的凸缘176和178。然后从图4(F)-4(I)中可看到，用一对对轧辊148和150、152和154、156和158以及160和162实现第二道弯折，直到把带材轧制成最终形状。
图4(J)只是为进一步说明而示出图4(H)的轧辊156和158的全部剖面图。
通过图3和图4(A)-4(I)所示各轧制步骤，可以看到，形成了一连续的U形金属带，然后在截断工序(未示出)中从该连续金属带上截下所需长度用作中车架钢梁件36。轧制工艺由于可连续加工整卷带材106而无需在各冲压工段之间传送各车架钢梁件而大大优于现有冲压工艺。此外，由于在弯曲过程中可使带材按要求一步步成形，因此用轧制成形制成的U形截面的中车架钢梁件的精度比冲压成形高。尽管图中示出九个轧制步骤，但可看到，步骤可增可减，并可看到，步骤越多，成形精度也越高。例如，图3中只示出六对轧辊。
图5(A)示出一弯曲图3和图4(A)-4(I)所示工序制成的笔直的轧制成形车架钢梁件时所用的夹具200。该夹具200包括一架202、一静止的车架钢梁支撑件204和两弯曲臂206和208。夹具200专门制造成可弯曲具有典型的笔直车架钢梁件的大小、形状和重量的U形截面(有凸缘或无凸缘)金属。首先，如图5(B)所示，用螺栓把笔直的车架钢梁件210固定到静止支撑件204和两弯曲臂206和208上。更确切地说，如图5(D)所示，静止支撑件和两臂上都装有夹紧构件201，该构件包括用来支撑笔直的钢梁件210的下部水平壁部174和垂直壁部170的第一固定件212。在把笔直的轧制成形的车架钢梁件装到第一固定件212上后，把若干楔子216、218和220插入U形截面车架钢梁件的开口内。特别是，首先把外部楔子216和220横向插入车架钢梁件的开口内(例如，图(5B)中从左到右插入)，然后把中部楔子218压进外部楔子216、220之间而使外部楔子216、220互相分开而连续抵靠水平壁部172、174和垂直壁部170的内表面。中部楔子也可抵靠垂直壁部170。最后，第二固定件222紧固在各楔子背后而抵靠凸缘部176、178的外表面和上部水平壁部172的外表面。由于这种结构，车架钢梁件因所有表面都被围紧而被夹紧在固定的支撑件204和两臂206和208中。由于这些表面都被围紧，因此U形车架钢梁件在弯制过程中无法发生翘曲、扭曲或其他不希望有的变形。
为了弯曲笔直的U形车架钢梁，用液压装置或其他加力装置使臂206和208围绕其轴226和228(在图5(C)中以顺时钟方向)转动。
可以看到，由于图5(A)-5(D)所示弯曲操作以及如结合图2(A)所述，弯成的车架钢梁件中的金属组织发生变化。更确切地说，可以看到，在该弯头的外部，金属组织发生一定程度的伸展，而在该弯头的内部，金属组织发生一定程度的压缩或收缩。所有伸展和压缩都发生在车架钢梁件被螺栓固定和被固定支撑件204和臂206、208上的夹紧构件201夹紧的相间距部位之间的区域上。金属在比方说水平腿部172和174上的伸展和压缩与用冲压工艺制成U形车架钢梁件时完全不同，因为在冲压成形中水平壁部并不进行弯曲、伸展或压缩。
图6(A)-6(F)示出前车架模件18的管状前车架钢梁件20的成形方法。如图6(A)所示，把一预弯曲的管状毛坯300插入相配合的半模302和304之间。该毛坯可用任何公知方法制成。最好把金属板材轧制成完全封闭的管状横截面后进行缝焊而制成该毛坯。该管状件一般用计算机数控弯管机中的心轴进行机械预弯曲。在把管状件300插入模具中后，用液压成形口308紧抵管状件300的两端并与之密封。当半模302和304互相压拢时，管状件300被压成比方说如图6(D)所示的椭圆形横截面。
然后把高达10,000大气压的高压水从液压成形口308压入管状件300管内。这一高压使得管状件向外膨胀而紧抵模具型腔的内表面310。这使得管状件如图6(F)所示变成内表面310的形状。
在把高压流体压入管状件的同时液压成形口308向里紧抵管状件的两端306而补充金属膨胀紧抵模具内表面310时所减小的壁厚。这可防止管300破裂。
可以看到，在上述液压成形过程中，管子的单位长度的金属量是变动的。更确切地说，随着线性外圆周向外膨胀，金属从其侧部予以补充而把壁厚保持在原毛坯的±10％之内。在膨胀最大的部位，外周增加10％以上，而壁厚保持在±10％的范围之内。前车架钢梁件最好在强度需要最大的部位具有最大的外周(单位长度的金属最多)。例如从图1可见，管状前车架钢梁件20在用来安装悬架的前弯曲部和发动机安装支架28旁的部位具有最大外周。
图7基本类同图6(E)，但示出液压成形模具总成和管状前纵梁件的另一种形状。从图7特别可看到，型腔内表面呈波纹形或其他形状408。这一形状使得所成形的管状件具有在一定的力的作用下发生收缩的形状。由于管状件的前端410最终与汽车的前部减振器连接，因此这种结构可在前部撞车时用来提高车架总成的吸振性。
这里所使用的液压成形模制法的详情可见比方说：“Industrieanzeiger”No.20 of 9，March 1984；以及“Metallumformtechnik”，Issue 1D/91，zp.15 ff：A.Ebbinghaus：“用内部高压模制法制造的轻型精密工件”；以及“Werksttat undBetrieb”123(1990)，3，P.241-243：A.Ebbinghaus：“内部高压模制精密工件的经济结构”；以及“Werkstattt und Betrieb” 122(1991)，11(1989)，P.933-938，上述材料作为参考材料包括在本发明中。
尽管以上结合附图详述了本发明，但该说明应看出例示性的而非限制性的，应该看到，虽然示出并说明了优选实施例，但在后附权利要求的精神和范围内作出的所有改动和修正都应受到保护。