掛車車橋及懸掛設(shè)計(jì)

1、東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)掛車車橋與懸掛設(shè)計(jì)1 緒論1.1汽車掛車的應(yīng)用狀況和發(fā)展趨勢(shì)隨著汽車技術(shù)和公路網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，公路貨運(yùn)量逐年增加，物流與運(yùn)輸行業(yè)對(duì)汽車運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性、高效性提出了更高的要求，掛車運(yùn)輸是一種行之有效的解決方案。掛車運(yùn)輸具有可以增加牽引車有效工作時(shí)間、提高運(yùn)輸效率、促進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展和區(qū)域物流合作等優(yōu)點(diǎn)，并且有利于節(jié)約社會(huì)資源、節(jié)能減排，是一種對(duì)運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行科學(xué)組織的先進(jìn)管理模式。1.2 掛車車橋與懸掛的結(jié)構(gòu)組成和功能原理車橋及懸掛是汽車掛車的重要組成部分。車橋通過懸掛和車架相連，它的兩端安裝車輪，其功用是傳遞車架與車輪之間各方向的作用力及其力矩，根據(jù)懸掛結(jié)構(gòu)的不同，車橋分為整體式和

2、斷開式兩種；根據(jù)前梁形狀的不同，又可分為工字形斷面和圓管形斷面車橋，工字形斷面車橋目前使用最廣泛，它的強(qiáng)度大，形狀易于滿足總布置上的要求1。懸掛是汽車車架與車橋之間一切傳力連接裝置的總稱，它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩都要傳遞到車架上，以保證汽車的正常行駛。汽車懸掛一般由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成，它分為非獨(dú)立懸掛和獨(dú)立懸掛兩大類2。非獨(dú)立懸掛彈性元件又可分為鋼板彈簧、螺旋彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧，采用螺旋彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧時(shí)需要有較復(fù)雜的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。而采用鋼板彈簧時(shí)，由于鋼板彈簧本身可兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，并有一定的減振作用，因

3、而使得懸掛結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，因此目前汽車掛車通常采用鋼板彈簧非獨(dú)立懸掛并配以整體式工字形斷面車橋3。1.3 掛車車橋與懸掛的設(shè)計(jì)要求1.3.1掛車車橋設(shè)計(jì)的要求（1）車橋應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度4，可靠地承受車輪與車架之間的作用力。（2）保證主銷和轉(zhuǎn)向輪有正確的定位角度，使轉(zhuǎn)向輪運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，并使轉(zhuǎn)向輪的定位角度保持不變。（3）轉(zhuǎn)向輪的擺振應(yīng)最小。（4）非懸掛重量盡可能小。1.3.2掛車懸掛設(shè)計(jì)的要求（1）保證掛車有良好的行駛平順性。（2）具有合適的衰減振動(dòng)的能力。（3）掛車制動(dòng)或加速時(shí)，要保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾角要合適。（4）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸要小。（5）可靠地傳遞車身與車輪之間

4、的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命。2 掛車車橋基本尺寸和參數(shù)的確定根據(jù)車橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，參考噸位相近的汽車進(jìn)行參數(shù)選擇5，如表2-1： 表2-1車橋結(jié)構(gòu)的參數(shù)表 單位：mm汽 車 牌 號(hào)解放牌CA10曼MAN415L1前輪輪距17001824彈簧座中心距740930彈簧座中心到主銷中心距離370348斷面尺寸全高上凸緣寬度下凸緣寬度上下凸緣間距幅板厚度85/8875138/6513765/655955/585016/1414主銷長(zhǎng)度221198主銷直徑3842主銷中心到上襯套中心距8170主銷中心到下襯套中心距8180上襯套長(zhǎng)度5246下襯套長(zhǎng)度5248

5、止推軸承高度16.523轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心到壓力中心距主銷中心到轉(zhuǎn)向節(jié)大軸頸中心距大軸頸寬度小軸頸寬度大軸頸直徑小軸頸直徑11099104.5776150355255基孔2級(jí)5540db352.1 前梁設(shè)計(jì)和校核繪制計(jì)算用簡(jiǎn)圖時(shí)可忽略車輪的定位角，即認(rèn)為主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角，車輪外傾角均為零，而左右轉(zhuǎn)向節(jié)軸線重合且與主銷軸線位于同一側(cè)向垂直平面內(nèi)，如圖2-1所示：圖2-1 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的受力分析簡(jiǎn)圖1-制動(dòng)工況下的彎矩圖；2-側(cè)滑工況下的彎矩圖2.1.1制動(dòng)工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算緊急制動(dòng)是車橋最嚴(yán)重的工況之一。此時(shí)，前梁的垂直載荷增大，水平彎曲力矩達(dá)最大值，同時(shí)還存在巨大的制動(dòng)扭轉(zhuǎn)

6、力矩。前梁垂直載荷增大的比例稱為質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)： (2-1)式中：車輪與道路的附著系數(shù)，?。?掛車重心的高度，??； 掛車重心到后軸中心線的距離，取。代入得：。前輪所承受的地面垂直反力為： (2-2) 式中：汽車滿載靜止于水平路面時(shí)車橋給地面的載荷，取為。代入得：。前輪所承受的制動(dòng)力為： (2-3)代入得：。由于制動(dòng)力引起的扭轉(zhuǎn)力矩在拳部為最大：= (2-4)式中：輪胎的滾動(dòng)半徑，取為。代入得：=Nmm。由于和對(duì)前梁引起的垂向彎矩和水平方向的彎矩在兩鋼板彈簧座之間達(dá)最大值，分別為： (2-5) (2-6)式中：車輪中心至轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心的水平距離，取為100； 轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心至鋼板彈簧座中心的水平距

7、離，取為350。代入得：Nmm；Nmm。垂直平面內(nèi)的抗彎斷面系數(shù)6： (2-7)代入得：。水平平面內(nèi)的抗彎斷面系數(shù)： (2-8) 代入得：。前梁在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面處(拳部)抗扭截面系數(shù)： (2-9)式中：查表取 0.208；拳部截面寬取80。代入得： 。前梁在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力： (2-10)代入得：。前梁在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： (2-11)代入得：。前梁可采用45，30Cr，40Cr等中碳鋼或中碳合金鋼制造，本設(shè)計(jì)采用40Cr，硬度為HB241285HB，；，。可見前梁在制動(dòng)工況下的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均小于許用應(yīng)力值，故滿足使用條件。2.1.2側(cè)滑工況下

8、的前梁應(yīng)力計(jì)算掛車發(fā)生側(cè)滑時(shí)，車輪上的橫向力達(dá)到最大值。前梁在垂直平面內(nèi)的彎矩由垂直載荷和側(cè)滑時(shí)的橫向反作用力造成，且無縱向力作用，左、右車輪承受的地面垂向反力和與側(cè)向反力，各不相等，前輪的地面反力(單位都為N)分別為： (2-12) (2-13) (2-14) (2-15)式中：橫向附著系數(shù)，取為0.75；車輪輪距，取。代入得： ；。左鋼板彈簧座處彎矩： (2-16)右鋼板彈簧座處彎矩： (2-17)左拳部彎矩： (2-18)右拳部彎矩： (2-19)代入得：Nmm； Nmm； Nmm；Nmm。 拳部的抗彎斷面系數(shù)： (2-20)式中：拳部的高度，取；拳部的長(zhǎng)度，取。代入得：。 彎曲應(yīng)力：

9、(2-21)代入得：，?？梢娗傲涸趥?cè)滑工況下的彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，故滿足使用條件。2.2轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)和校核轉(zhuǎn)向節(jié)上的作用力按側(cè)滑情況考慮。要計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)指軸根部的彎曲應(yīng)力7，如向左側(cè)滑時(shí)： (2-22)式中：壓力中心到轉(zhuǎn)向節(jié)指軸根部的距離，取為。代入得：Nmm。轉(zhuǎn)向節(jié)的抗彎斷面系數(shù)： (2-23)式中：轉(zhuǎn)向節(jié)的指軸根部軸徑為。代入得：。 指軸根部的彎曲應(yīng)力： (2-24)代入得：。 轉(zhuǎn)向節(jié)采用30Cr，40Cr等中碳合金鋼制造，經(jīng)過調(diào)制處理，本設(shè)計(jì)采用30Cr，心部硬度HRC241285，高頻淬火后表面硬度HRC5765，硬化層深1.52.0mm，輪軸根部的圓角液壓處理。應(yīng)力的許用值為=550

10、，故滿足使用條件。2.3主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)襯套設(shè)計(jì)和校核2.3.1制動(dòng)工況下的主銷應(yīng)力計(jì)算主銷在制動(dòng)工況下的受力簡(jiǎn)圖如圖2-2所示8：圖2-2 主銷在制動(dòng)工況下的受力分析簡(jiǎn)圖由所產(chǎn)生的反作用力和： (2-25)由所產(chǎn)生的反作用力和： (2-26) (2-27)由橫拉桿所產(chǎn)生的反作用力和： (2-28) (2-29)由制動(dòng)力矩所產(chǎn)生的反作用力和： (2-30)式中：主銷中心到上襯套中心距，取；主銷中心到下襯套中心距，取。代入得：；。主銷下端，其合力為： (2-31)代入得：。2.3.2側(cè)滑工況下的主銷應(yīng)力計(jì)算主銷在側(cè)滑工況下的受力簡(jiǎn)圖如圖2-3所示：圖2-3 主銷在側(cè)滑工況下的受力分析簡(jiǎn)圖假設(shè)向左側(cè)滑

11、，左側(cè)主銷上的垂直反作用力，側(cè)向反作用力，作用力臂：上端，下端，左側(cè)主銷上的作用力較大。上端： (2-32)下端： (2-33)代入得：；。取，中最大的作為主銷的計(jì)算載荷，即，計(jì)算主銷在前梁拳部下端面處的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力： (2-34) (2-35) 式中：主銷直徑，取為； 轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套中點(diǎn)到拳部下端面的距離，取。代入得：；。 主銷采用20Cr，20CrNi，20CrMnTi等低碳合金鋼制造9，本設(shè)計(jì)采用20Cr，滲碳淬火，滲碳層深1.01.5mm，HRC5662，；，。 可見主銷的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力都在許用值范圍內(nèi)，故滿足使用條件。2.3.3轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的應(yīng)力計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的擠壓應(yīng)力為： (

12、2-36)式中：襯套長(zhǎng)度，取為。代入得：。襯套一般采用ZCuSn10P1材料10，其許用擠壓應(yīng)力，。在靜載荷下，上式的計(jì)算載荷?。?(2-37)代入得：。此時(shí)，襯套的擠壓應(yīng)力在許用值范圍內(nèi)，故滿足使用條件。3 掛車懸掛基本尺寸和參數(shù)的選擇3.1懸掛主要參數(shù)的確定（1）懸掛靜撓度懸掛靜撓度是指汽車滿載靜止時(shí)懸掛上的載荷與此時(shí)懸掛剛度之比，既。掛車前、后懸掛與其簧上質(zhì)量組成的前后部分車身的固有頻率和（亦稱偏頻），是影響掛車行使平順性的主要參數(shù)之一。靜撓度與偏頻的關(guān)系為，由分析可知：懸掛的靜撓度直接影響車身振動(dòng)的偏頻。因此，欲保證掛車有良好的行使平順性，必須正確選取懸掛的靜撓度。在選取前、后懸架的靜

13、撓度值和時(shí)，應(yīng)當(dāng)使之接近，并希望后懸架的靜撓度比前懸架的靜撓度小些，這有利于防止車身產(chǎn)生較大的縱向角振動(dòng)。理論分析證明：若汽車以較高車速駛過單個(gè)路障，時(shí)的車身縱向角振動(dòng)要比時(shí)小，考慮到掛車承載貨物的平順性，取前懸架的靜撓度值大于后懸架的靜撓度值，推薦。根據(jù)平順性要求，后懸掛期望滿載固有頻率取為。所以，前懸掛滿載固有頻率取為。（2）懸掛動(dòng)撓度懸掛的動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開始懸掛壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形（通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或2/3）時(shí)，車輪中心相對(duì)車架（或車身）的垂直位移。要求懸掛應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行使時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)貨車；取69cm。（3）懸掛彈性特性

14、 懸掛受到的垂直外力與由此所引起的車輪中心相對(duì)于車身位移（即懸掛的變形）的關(guān)系曲線，稱為懸掛的彈性特性，其切線的斜率是懸掛的剛度。懸掛的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。本掛車前后懸掛采用主副簧鋼板彈簧，為剛度可變的非線性彈性特性。（4）懸掛主、副簧剛度的分配為保證掛車有良好的平順性，要求固有頻率變化小。一是整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)頻率的變化應(yīng)最?。欢歉变摪鍙椈山佑|支架前、后的頻率變化不能太大。這兩方面的要求是矛盾的。從前者考慮，導(dǎo)出了兩點(diǎn)等頻率法，從后者考慮，導(dǎo)出了一點(diǎn)等頻率法。本設(shè)計(jì)采用兩點(diǎn)等頻率法，既使副簧開始起作用時(shí)的懸掛撓度等于汽車空載時(shí)懸掛的撓度，而使副簧開始起作用前一瞬間的

15、撓度等于滿載時(shí)懸掛的撓度。于是，可求得：； (3-1)式中：、分別為滿載時(shí)鋼板彈簧主簧、副簧的撓度；為空載時(shí)主簧的撓度。副簧開始參加工作的載荷： (3-2)式中：和分別為空載與滿載時(shí)的懸架載荷。副簧、主簧的剛度比為： (3-3)主副簧的總剛度為： (3-4)式中：主簧剛度；副簧剛度；副簧、主簧的剛度比，；掛車滿載時(shí)的固有頻率。3.2懸掛的基本參數(shù)計(jì)算該載貨汽車前、后懸掛的總負(fù)荷空載時(shí)，滿載時(shí)，得。(1)求總剛度：；。 (2)按兩點(diǎn)等頻率法求剛度分配及接觸點(diǎn)撓度：； 。根據(jù)和、比關(guān)系求得：；。式中：、分別為滿載時(shí)鋼板彈簧主簧、副簧承受的載荷。(3)鋼板彈簧主要參數(shù)的確定鋼板彈簧長(zhǎng)度L的確定：在總

16、布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。推薦掛車懸掛前鋼板彈簧主簧長(zhǎng)度軸距；取，副簧；后鋼板彈簧主簧，副簧。鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定：平均厚度： (3-5)式中：考慮U形螺栓夾緊板簧后的無效長(zhǎng)度系數(shù)（剛性夾緊時(shí)=0.5，撓性夾緊時(shí)=0）；SU形螺栓中心距；為撓度增大系數(shù)；材料的彈性模量，；許用彎曲應(yīng)力，采用的55SiMnVB材料，表面經(jīng)噴丸處理后，推薦的后主簧為450550，后副簧為220250。前鋼板彈簧：主簧：；副簧：。后鋼板彈簧：主簧：；副簧：。片寬b：推薦片寬與片厚的比值在610范圍內(nèi)選取，取前后鋼板彈簧主副簧=100mm。鋼板斷面形狀11：前后主副彈簧均采用矩形斷面形狀，其中性軸

17、在鋼板斷面的對(duì)稱位置上，工作時(shí)，一面受拉應(yīng)力、另一面受壓應(yīng)力作用，并且應(yīng)力絕對(duì)值相等。鋼板彈簧片數(shù)：根據(jù)掛車的總質(zhì)量，選取前后主簧的片數(shù)為=6片，副簧的片數(shù)為=5。(4)鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定鋼板彈簧各片長(zhǎng)度就是基于實(shí)際鋼板各片展開圖接近梯形梁的形狀這一原則來作圖確定的，具體進(jìn)行步驟如下：先將各片厚度的立方值按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在圖上，再沿橫坐標(biāo)量出主片長(zhǎng)度的一半和U形螺栓中心距的一半，得到A、B兩點(diǎn)，連接A、B既得到三角形的鋼板彈簧展開圖。AB線與各葉片的上側(cè)邊交點(diǎn)既為各片長(zhǎng)度。各片實(shí)際長(zhǎng)度尺寸需經(jīng)過圓整后確定。圖3-1確定鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的作圖法L/2s/2ABh33由上述方法得到前鋼

18、板彈簧主簧各片長(zhǎng)度：1750mm、1490mm、1220mm、920mm、690mm、430；副簧各片長(zhǎng)度：1500mm、1230mm、960mm、700mm、430mm，后鋼板彈簧主簧各片長(zhǎng)度：1650mm、1400mm、1150mm、910mm、660mm、410；副簧各片長(zhǎng)度：1330mm、1100mm、860mm、630mm、400mm。3.3懸掛的強(qiáng)度校核計(jì)算(1)鋼板彈簧的剛度驗(yàn)算根據(jù)懸架布置的可能性及生產(chǎn)工藝的允許條件，最后決定的彈簧剛度為： (3-6)其中：；。式中：經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，=0.830.93；E材料彈性模量；、主片和第片的一半長(zhǎng)度。代入已知數(shù)據(jù)可得：；。 鋼板彈簧總截面

19、系數(shù)： (3-7)滿載平均靜應(yīng)力： (3-8)比應(yīng)力： (3-9)前鋼板主簧：；。前鋼板副簧：；。后鋼板主簧：；。后鋼板副簧：；。（2）從實(shí)際規(guī)格尺寸及應(yīng)力規(guī)范修正設(shè)計(jì)參數(shù) 前后主副鋼板彈簧比應(yīng)力稍低于許用值下限，取主副彈簧的極限應(yīng)力之比，；，；極限動(dòng)行程系數(shù)取，則極限動(dòng)行程為： (3-10) (3-11) 代入得：；。前鋼板橡膠墊塊高度為5cm，壓縮量為3.6cm，所以極限動(dòng)行程計(jì)算值應(yīng)取為8.9+3.612.5cm。后鋼板橡膠墊塊高度為3cm，壓縮量為1.4cm，極限動(dòng)行程計(jì)算值應(yīng)取為7.4+1.48.8cm。修正后的副鋼板彈簧接觸點(diǎn)撓度為： (3-12)于是可得：；。（3）主副鋼板彈簧負(fù)荷分配和應(yīng)力核算滿載主簧撓度： (3-13)滿載極限應(yīng)力： (3-14)于是可得：；。同理可得：；。鋼板彈簧采用的是55SiMnVB材料，表面經(jīng)噴丸處