挂车车桥与悬挂设计

1、挂车车桥与悬挂设计1绪论汽车挂车的应用状况和进展趋势随着汽车技术和大路网络的飞速进展，大路货运量逐年增加，物流与运输行业对汽车 运输经济性、高效性提出了更高的要求，挂车运输是一种行之有效的解决方案。挂车运输 具有可以增加牵引车有效工作时间、提高运输效率、促进多式联运进展和区域物流合作等 优点，并且有利于节省社会资源、节能减排，是一种对运输设施进行科学组织的先进管理 模式。挂车车桥与悬挂的结构组成和功能原理车桥及悬挂是汽车挂车的重要组成局部。车桥通过悬挂和车架相连，它的两端安装车 轮，其功用是传递车架与车轮之间各方向的作用力及其力矩，依据悬挂结构的不同，车桥 分为整体式和断开式两种；依据前梁外形

2、的不同，又可分为工字形断面和圆管形断面车桥, 工字形断面车桥目前使用最广泛，它的强度大，外形易于满意总布置上的要求。悬挂是汽车车架与车桥之间一切传力连接装置的总称，它的功用是把路面作用于车轮 上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架上，以保 证汽车的正常行驶。汽车悬挂一般由弹性元件、减振器和导向机构三局部组成，它分为非 独立悬挂和独立悬挂两大类。非独立悬挂弹性元件又可分为钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、油气弹簧，采纳螺旋 弹簧、空气弹簧、油气弹簧时需要有较简单的导向机构。而采纳钢板弹簧时，由于钢板弹 簧本身可兼起导向机构的作用，并有肯定的减振作用，因而使得悬挂结构大

3、为简化，因此 目前汽车挂车通常采纳钢板弹簧非独立悬挂并配以整体式工字形断面车桥。挂车车桥与悬挂的设计要求挂车车桥设计的要求（1）车桥应有足够的强度和刚度，牢靠地承受车轮与车架之间的作用力。（2）保证主销和转向轮有正确的定位角度，使转向轮运动稳定，并使转向轮的定位 角度保持不变。（3）转向轮的摆振应最小。（4）非悬挂重量尽可能小。挂车悬挂设计的要求（1）保证挂车有良好的行驶平顺性。（2）具有合适的衰减振动的力量。（3）挂车制动或加速时，要保证车身稳定，削减车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合3挂车悬挂基本尺寸和参数的选择悬挂主要参数确实定（1）悬挂静挠度人悬挂静挠度，是指汽车满载静止时悬挂上的载荷号与

4、此时悬挂刚度c之比，既 A =入/。挂车前、后悬挂与其簧上质量组成的前后局部车身的固有频率和% （亦称偏频）， 是影响挂车行使平顺性的主要参数之一。静挠度与偏频的关系为 =5/玩，由分析可知：悬挂的静挠度直接影响车身振动的 偏频。因此，欲保证挂车有良好的行使平顺性，必需正确选取悬挂的静挠度。在选取前、后悬架的静挠度值几和几时，应使之接近，并盼望后悬架的静挠度几比 前悬架的静挠度九小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。理论分析证明：假设汽 车以较高车速驶过单个路障，时的车身纵向角振动要比时小，考虑到挂 车承载货物的平顺性，取前亮架的静挠度值大于后悬架而静挠度值，推举 %二（0.8 0.9）

5、几。依据平顺性要求，后悬挂期望满载固有频率取为=120次/分=2Hz。所以，前悬挂满载固有频率取为N% =111次/分= 1.85Hz。（2）悬挂动挠度悬挂的动挠度人是指从满载静平衡位置开头悬挂压缩到结构允许的最大变形（通常指 缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要 求悬挂应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行使时常常碰撞缓冲块。对货车；4取6 9cm o（3）悬挂弹性特性悬挂受到的垂直外力/与由此所引起的车轮中心相对于车身位移/ （即悬挂的变形） 的关系曲线，称为悬挂的弹性特性，其切线的斜率是悬挂的刚度。悬挂的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特

6、性两种。本挂车前后悬挂采纳主副簧 钢板弹簧，为刚度可变的非线性弹性特性。（4）悬挂主、副簧刚度的安排为保证挂车有良好的平顺性，要求固有频率变化小。一是整个负荷变化范围内频率的 变化应最小；二是副钢板弹簧接触支架前、后的频率变化不能太大。这两方面的要求是冲 突的。从前者考虑，导出了两点等频率法，从后者考虑，导出了一点等频率法。本设计采 纳两点等频率法，既使副簧开头起作用时的悬挂挠度力等于汽车空载时悬挂的挠度/。，而 使副簧开头起作用前一瞬间的挠度人等于满载时悬挂的挠度，。于是，可求得：4f-。（3-D式中：力、力分别为满载时钢板弹簧主费、副簧的挠度；为空载时主簧的挠度。副簧开头参与工作的载荷：理

7、=6反式中：Fo和几分别为空载与满载时的悬架载荷。 副簧、主簧的刚度比为：主副簧的总刚度为：C2/C, =VI-1c.+c2 = fw.(N w(3-2)(3-3)(3-4)式中：G一一主簧刚度；c2一一副簧刚度；2一一副簧、主簧的刚度比，4 二/乙； N.挂车满载时的固有频率。3.2悬挂的基本参数计算该载货汽车前、后悬挂的总负荷空载时耳o = 6o=613I.25N,满载时FFw = FRw = 30656 .25 N ,得 2 =区=5。 / (1)求总刚度:。向+。丹=小(磊)=4197N/cm； CRI 4-CR2 = FRwj =4905N/cmo(2)按两点等频率法求刚度安排及接触

8、点挠度：染=_ 1 = 1.236 ； 屋= 71 1 = 1.236 o。Cri依据和、比关系求得：CF1 = 1877 N/cm ； CF2 = 2320 N/cm ；启=等=7.3cm ；启=乎=3.27cm ；启=等=7.3cm ；启=乎=3.27cm ；% 3o% =13710N；=13710N；CRI = 2194N/cm； CR2 =2711 N/cm；fRk =乎=6.25cm ； A。=萍=2.79cm ；CriCriAl = 2京-/P0 = 1 L3cm ； /f2 = Ak - /fo = 4.03cm ； /ri = 2/rr -/r0 = 9.71cm ； fR2

9、= /Rk -/R0 = 3.46cm ；Ff1 = CP1 x/F1 =1877 xl 1.3 = 21266 .4N ；42 = CF2 x /f2 = 2320 X 4.03 = 9349.6N ；FR1 =Cri x/r1 = 2194 x 9.71 = 21303 .74N；FR2 =CR2x/R2 =2711 x 3.46 = 9352.51No式中：月、入分别为满载时钢板弹簧主簧、副簧承受的载荷。(3)钢板板簧主要参数确实定钢板弹簧长度L确实定：在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。推举挂车悬挂前钢板弹簧主簧 长度 1 = (035 045)轴距;取 =039x4500

10、 =1750cm,副簧 J = 1500cm ；后钢板弹簧 主簧=0.37 x 4500 = 1650cm,副簧”2= 1330cm。钢板断面尺寸及片数确实定: 平均厚度力：(3-5)式中：k考虑U形螺栓夹紧板簧后的无效长度系数(刚性夹紧时& =0.5,挠性夹紧时k=0)；SU形螺栓中心距;6为挠度增大系数;E材料的弹性模量，E = 2.06x 10s MPa ；口许用弯曲应力，采纳的55SiMnVB材料，外表经喷丸处理后，推举的后主 簧K 为450550MPa，后副簧外为220250 MPa。前钢板弹簧:主簧：=(4-&寸 存口_ (1750-0.5xl60)2 x1.33x530 74mm

11、6Efn -6 x 2.06x105 x113.3(品2火 5)2 % _ (1500-0.5x160)2x1.31x245 _6EfF2 -6 x 2.06 x E)s x 40.3、口叫后钢板弹簧:主簧：“纭吟产工哈盘需产皿R2R2=11.9mm o(% - h 4 . 6 同_ (133()- ().5 X16()2 X1.31X 25()6班26x 2.06x IO, x34.6片宽b：推举片宽与片厚的比值力在610范围内选取，取前后钢板弹簧主副簧 =100mm。钢板断面外形【：前后主副弹簧均采纳矩形断面外形，其中性轴在钢板断面的对称位置上，工作时， 面受拉应力、另一面受压应力作用，并

12、且应力肯定值相等。钢板弹簧片数：依据挂车的总质量，选取前后主簧的片数为 =6片，副簧的片数为二5。(4)钢板弹簧各片长度确实定钢板弹簧各片长度就是基于实际钢板各片绽开图接近梯形梁的外形这一原那么来作图 确定的，详细进行步骤如下：先将各片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上，再沿横坐标量出主片长度 的一半2和U形螺栓中心距的一半s/2,得到A、B两点，连接A、B既得到三角形的 钢板弹簧绽开图。AB线与各叶片的上侧边交点既为各片长度。各片实际长度尺寸需经过 圆整后确定。L/2hA图3-1确定钢板弹簧各片长度的作图法由上述方法得到前钢板弹簧主簧各片长度：1750mm、1490mm、1220mm

13、、920mm 690mm、430 mm ；副簧各片长度：I5()0mm、1230mm、960mm 7()0mm、430mm,后钢 板弹簧主簧各片长度：1650mm 1400mm 1150mm 910mm、660mm、410 mm ；副簧各 片长度：1330mm 1100mm 860mm、630mm 400mmo3.3悬挂的强度校核计算钢板弹簧的刚度验算依据悬架布置的可能性及生产工艺的允许条件，最终打算的弹簧刚度为: 6a x E C =-%) hl其中：外川=(/如)；匕=/?.； / /=1/ i=l式中：a阅历修正系数，a =0.830.93；E材料弹性模量；4、L 主片和第Z + 1片的

14、一半长度。 代入数据可得：CFI = 1624 N/cm( = 0.88)；CF2 = 2605 N / cm(a = 0.88)；CR1 = 2050 N/cm(a = 0.85)；CR2 = 2945 N/cm(a = 0.85)。钢板弹簧总截面系数：nbh1 w =6 满载平均静应力：F x(L- k s) er =4W 比应力：(3-7)(3-6)(3-8)前钢板主簧:(3-9)监=应= 1 = 19600 mm 66=牛 x(hs) = 21266.4x(1750 -80) = 453Mpa ；=牛 x(hs) = 21266.4x(1750 -80) = 453Mpa ；0*F17

15、 Fl =4昨4534x19600=3.998 MPa /cm。3 113.3前钢板副簧：uz5x100 x1321/fnQ_ _=- = 14083 .3mm ；66品$)= 9349.6x(1500 - 80) =236MPa；4%4%4x14083 .3236_ ou/ X E /ctfz = = 5.856 MPa /cm fP2 43后钢板主簧：.6x 100 x 142 lf.31% = 196(X) mm ；66八)=21303.73x(1650 - 80) = MPa ；4x19600 (ti?i 426.6. ce、,(7r = = 4.397 MPa /cm。A. 97.1

16、后钢板副簧：=/一人)=处52.51x125。= 243.5MPa ；4xl96(X)R2 =- = 7.038 MPa/cm0/r2(2)从实际规格尺寸及应力法律规范修正设计参数前后主副钢板弹簧比应力稍低于许用值下限，取主副弹簧的极限应力之比在=1，%2 限动行程为：%2 限动行程为：/R =1;加=奥=().6827,为=%=0.6；极限动行程系数取4=3.3, JR = 3 ,那么极Y，F1 +，F2Y，F1 +，F2fnd 4R(3-10)代入得：九二3.3、代入得：九二3.3、30656 .25 = 8 9cm ； fR(l =3x4229(3-11)迎包.4cm。4995前钢板橡胶

17、垫块高度为5cm,压缩量为3.6cm,所以极限动行程计算值应取为 九二8.9+3.6= 12.5cm。后钢板橡胶垫块高度为3cm,压缩量为1.4cm,极限动行程计算值应取为九=7.4+1.4 = 8.8cmo修正后的副钢板弹簧接触点挠度为:+ 力(G+G)(3-12)1G+C2P /于是可得：启=7.8cm ； /Rk = 7.2cm ；%=RGn=12667.2N；14760 No(3)主副钢板弹簧负荷安排和应力核算 满载主簧挠度：(3-13)(3-14)于是f 二 F* + 九 02C”2满载极限应力:Gnax=bX(/ + 力)可得：/ =尸氏 +启。2 = i2.()5cm ；r, C

18、1 +C2危=/pi-启=4.25cm；启=号=3.775cm；=CF1x/F1 =19569 .2N； FF2 =- Fn = 11087 .05N； crF1 = crF1 X yF1 = 3.998 x 12.05 = 481.76MPa ；叫2 =不 x $2 = 5.856 x 4.25 = 248.88MPa ；/imax =，2max =4x (7H +) = 3.998x (12.05 +12.5) = 981.5 IMPa。同理可得：fRi = 10.38cm ； fR2 = 3.18cm ； fR0 = 2.99cm ；FR1 = 21279 N； FR2 =9377.25

19、N；(7ri = 456.41 MPa ；= 223.81 MPa ；Or i max = r2max = 843.34MPa O钢板弹簧采纳的是55SiMnVB材料，外表经喷丸处理后，推举的后主簧口为450 550 MPa ， 后副簧crw为 22()25() MPa ， crmax = 900 1000 MPa ； crF1、 %在口 = 450 550MPa 范围内，(yvl 。口?在M= 220 250MPa 范围内，7Hmax o-F2max 外岫、bR2max在口 = 900 1000MPa 范围内。由上述计算结果可知，满载平均静应力和极限应力都在许用值范围内，故满意使用条 件。4

20、结论本设计做了以下工作：（1）依据我国标准对挂车车桥与悬挂进行零件尺寸、参数选取。（2）对挂车车桥与悬挂的整体进行设计，并对挂车前后、主副钢板弹簧、前梁、转 向节、主销进行强度校核，且均满意应力要求。（3）完成了挂车车桥与悬挂的总成图，前后钢板弹簧、U形螺栓、转向节、主销的零 件图。参考文献1刘惟信主编.汽车车桥设计M.北京：清华高校出版社，2004.4.2刘惟信主编.汽车设计M.北京：清华高校出版社，2001,7.3陈家瑞主编.汽车构造第四版M.北京：人民交通出版社，2006,1.4王望予编.汽车设计M.北京：机械工业出版社，2000,5.5吉林工业高校汽车教研室编.汽车设计M.北京：机械工

21、业出版社，1981.6李秀珍主编.机械设计基础第4版M.北京：机械工业出版社，2006.4.7清华高校汽车工程系本书编写组编著.汽车构造M.北京：人民邮电出版社，2000,3.8张龙主编.机械设计课程设计手册M.北京：国防工业出版社，2006,5.9唐增宝主编.机械设计课程设计M.武汉：华中科技高校出版社，1998,6.10成大先主编.机械设计手册第四版第2卷M.北京：化学工业出版社，2003,9.Ill何铭新 钱可强主编.机械制图M.北京：高等教育出版社，2004,4.适。(4)结构紧凑、占用空间尺寸要小。(5)牢靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满意零部件质量要小的同时, 还要保证有

22、足够的强度和寿命。2挂车车桥基本尺寸和参数确实定依据车桥结构设计的要求，参考吨位相近的汽车进行参数选择，如表2-1：表21车桥结构的参数表单位：mm汽车牌号解放牌CA10曼 MAN415L1前轮轮距B170()1824弹簧座中心距K740930弹簧座中心到主销中心距离370348断 全高H85/8875面 上凸缘宽度4138/65137尺下凸缘宽度吕265/6559寸上下凸缘间距力55/5850幅板厚度16/1414主销长度221198主销直径3842主销中心到上衬套中心距8170主销中心到卜.衬套中心距e8180上衬套长度5246下衬套长度5248止推轴承高度16.523主销中心到压力中心距

23、g11099转主销中心到转向节大轴颈中心距P104.577大轴颈宽度6150向 小轴颈宽度3552大轴颈宜径55基孔2级55节 小轴颈直径40db352.1前梁设计和校核绘制计算用简图时可忽视车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角，车轮外倾 角均为零，而左右转向节轴线重合且与主销轴线位于同一侧向垂直平面内，如图2-1所示:图2”转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图1-制开工况下的弯矩图；2-侧滑工况下的弯矩图制开工况下的前梁应力计算紧急制动是车桥最严峻的工况之一。此时，前梁的垂直载荷增大，水平弯曲力矩达最 大值，同时还存在巨大的制动扭转力矩。前梁垂直载荷增大的比例称为质量转移系数叫：

24、町= + 1(2-1)%式中：甲车轮与道路的附着系数，取 = ().7； 挂车重心的高度，取4 = 1200mm ； %挂车重心到后轴中心线的距离，取 = 2250mm。代入得：4 =1.373 前轮所承受的地面垂直反力为： TOC o 1-5 h z 4 吟g(2-2)式中：G汽车满载静止于水平路面时车桥给地面的载荷，取为G|=62784N。代入得：Z, =43101 .26No前轮所承受的制动力为：Px=Z(p(2-3)代入得：Px =30170 .8512 No由于制动力引起的扭转力矩在拳部为最大：T=PAxrr(2-4)式中：。一轮胎的滚动半径，取为5(X)mm。代入得：T=15085

25、425.6Nmmo由于Z1和P,对前梁引起的垂向弯矩和水平方向的弯矩在两钢板弹簧座之间达 最大值，分别为：%=Z|(f + g)(2-5)(2-6)(2-5)(2-6)式中：g车轮中心至转向节主销中心的水平距离，取为100mm；t转向节主销中心至钢板弹簧座中心的水平距离，取为350mm。 代入得：My = 19395547 .2N-mm； Mh = 13576883垂直平面内的抗弯断面系数：w =bhJ、Sv 6H 用 100 x1253-20 x853 与- 3代入得： 卬、.=244040 mm 6x 125水平平面内的抗弯断面系数：h 6B八阳 U/ 2 x 20 x1003 +85 x

26、 203 _onn .代入得： W. = 67800 mnv 。6x 100前梁在钢板弹簧座四周危急断面处(拳部)抗扭截面系数：VVT =3式中：p查表取夕=0.208；C拳部截面宽取C =80mm。代入得：=106496 mm3 o前梁在钢板弹簧座四周危急断面处的弯曲应力：crw =- + -M 网代入得：o-w = 279.73MPa 0前梁在钢板弹簧座四周危急断面处的扭转应力：T(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)% = R(/+g)代入得：r = 141.65MPao前梁可采纳45, 30Cr, 4()Cr等中碳钢或中碳合金钢制造，本设计采纳4()Cr,硬度为 HB2

27、41 285HB, o-w = 300MPa , r=150MPa ； /巴/，r r0可见前梁在制开工况下的弯曲应力和扭转应力均小于许用应力值，故满意使用条件。侧滑工况下的前梁应力计算挂车发生侧滑时，车轮上的横向力到达最大值。前梁在垂直平面内的弯矩由垂直载荷 和侧滑时的横向反作用力造成，且无纵向力作用，左、右车轮承受的地面垂向反力Z”.和Z|r 与侧向反力九，%各不相等，前轮的地面反力(单位都为N)分别为：Zl*+ 誓)(2-12)2从益二号(1-竽)(2-13)24卜=。臼(2-14)Xr = Zr0(2-15)式中：5横向附着系数，取为0.75；用车轮轮距，取用=1840 mn。代入得：

28、 Z. =62101 .56522 N； Z1R =682.4347826 N； ILI InY,l =46576.17392 N ； XIR =511.826087 No左钢板弹簧座处弯矩：Ml =ZLX(f + g 一)右钢板弹簧座处弯矩：Mr =4r x(f + g+0工)左拳部弯矩：2L =riLXrr右拳部弯矩：%R =L XI，r代入得：M. = 4657617 .392 N mm： M1R =563008 .6956 N-mm；M2L = 23288086 .96 N-mm； /W2R = 255913 .0435 N-mnio拳部前抗弯断面系数：6式中：c拳部的高度，取c =

29、8()mm；b拳部的长度，取人=80mm 0代入得：W = 85333.3mm3 0弯曲应力：o =W，代入得：b = 272.9 IMPa, 口。可见前梁在侧滑工况下的弯曲应力小于许用应力值，故满意使用条件。(2-16)(2-17)(2-18)(2-19)(2-20)(2-21)转向节设计和校核转向节上的作用力按侧滑状况考虑。要计算转向节指轴根部的弯曲应力，如向左侧 滑时：A/L=Z1LC.-yiLrr(2-22)式中：C,压力中心到转向节指轴根部的距离，取为G=35mm。代入得:AfL =21114532 .17 N mmo转向节的抗弯断面系数：W = d3 OAd3(2-23)32式中：

30、d转向节的指轴根部轴径为74mm。代入得：lV = 0.1x743 = 405224mm3 o指轴根部的弯曲应力：代入得：=521.06MPa。转向节采纳30Cr, 40Cr等中碳合金钢制造，经过调制处理，本设计采纳30Cr,心部 硬度HRC241285,高频淬火后外表硬度HRC5765,硬化层深1.52.0mm,轮轴根部 的圆角液压处理。应力的许用值为1=550MPa, 6.口，故满意使用条件。主销与转向节衬套设计和校核制开工况下的主销应力计算主销在制开工况下的受力简图如图2-2所示叫图22主销在制开工况下的受力分析简图由Z1所产生的反作用力S；和S：S； =s =Z-(2-25)n + e由PT所产生的反作用力S；和s：s；=巳工(2-26)n + eS； = P，/(2-27)n + e由横拉杆所产生的反作用力S；和S3”：s； =(2-28)/1 n + e= x1x(2-29)由制动力矩7所产生的反作用力S4和S；：S；=(2-3