挂车车桥及悬挂设计

挂车车桥与悬挂设计1绪论汽车挂车的应用状况和发展趋势随着汽车技术和公路网络的飞速发展，公路货运量逐年增加，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、促进多式联运发展和区域物流合作等优点，并且有利于节约社会资源、节能减排，是一种对运输设备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部分。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，根据悬挂结构的不同，车桥分为整体式和断开式两种；根据前梁形状的不同，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，形状易于满足总布置上的要求［1］。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部分组成，它分为非独立悬挂和独立悬挂两大类［2］。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，采用螺旋弹簧、空气弹簧、油气弹簧时需要有较复杂的导向机构。而采用钢板弹簧时，由于钢板弹簧本身可兼起导向机构的作用，并有一定的减振作用，因而使得悬挂结构大为简化，因此目前汽车挂车通常采用钢板弹簧非独立悬挂并配以整体式工字形断面车桥［3］。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［4］，可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能力。（3）挂车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。（4）结构紧凑、占用空间尺寸要小。（5）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。2挂车车桥基本尺寸和参数的确定根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［5］，表2-1车桥结构的参数表如表2-1：单位：mm汽车牌号解放牌CA——10曼MAN415L1前轮轮距B17001824弹簧座中心距K740930弹簧座中心到主销中心距离b370348断全高H85/8875面上凸缘宽度B1138/65137尺下凸缘宽度B265/6559寸上下凸缘间距h55/5850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n8170主销中心到下衬套中心距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大轴颈直径55基孔2级55节小轴颈直径40db35前梁设计和校核绘制计算用简图时可忽略车轮的定位角，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2-1转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图1-制动工况下的弯矩图；2-侧滑工况下的弯矩图制动工况下的前梁应力计算紧急制动是车桥最严重的工况之一。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m：iphm=g+1(2-1)ib0式中：p——车轮与道路的附着系数，取p=0.7；h挂车重心的高度，取h=1200mm；TOC\o"1-5"\h\zggb——挂车重心到后轴中心线的距离，取b=2250mm。00代入得：m=1.373。前轮所承受的地面垂直反力为：GZ=1m(2-2)121式中：G1——汽车满载静止于水平路面时车桥给地面的载荷，取为G1=62784N。代入得：1Z=43101.26N。1前轮所承受的制动力为：P=Zp(2-3)兀1代入得：P=30170.8512N。X由于制动力引起的扭转力矩在拳部为最大：T=P义r(2-4)xr式中：r—轮胎的滚动半径，取为500mm。r代入得：T=15085425.6N・mm。由于Z和P对前梁引起的垂向弯矩M和水平方向的弯矩M在两钢板弹簧座之间达1xvh最大值，分别为：M=Z(t+g)(2-5)Mv=P(+g)(2-6)hT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，取为代入得：M=19395547.2N-mm；M=13576883.04Nmm。vh垂直平面内的抗弯断面系数[6]：BH3－th3W=1—v6H350mm。(2-7)代入得：5100义1253—20义853W=v6义125二244040mm3。水平平面内的抗弯断面系数：(2-8)2义20*1003+85义203代人得：W二二67800mm3。h6义100前梁在钢板弹簧座附近危险断面处(拳部)抗扭截面系数：W=PC3

T式中：P——查表取P=0.208；C拳部截面宽取C=80mm。代入得：W=106496mm3。T前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力：MMO二.十——k-wWWvk代入得：O=279.73MPa。w前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的扭转应力：TT=——WT代入得：T=141.65MPa。(2-9)(2-10)(2-11)前梁可采用45,30Cr,40Cr等中碳钢或中碳合金钢制造，本设计采用40Cr,硬度为HB241〜285HB,0]=300MPa,T]=150MPa；o<O],t<T]owww可见前梁在制动工况下的弯曲应力和扭转应力均小于许用应力值，故满足使用条件。2.1.2侧滑工况下的前梁应力计算挂车发生侧滑时，车轮上的横向力达到最大值。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与侧向反力儿,y各不相等，前轮的地面反力(单位都为n)分别为:1RZ1LG2h3二—(1+g—L)2B1L1R(2-12)Z1Ry1L12h中力)1=Z31L1(2-13)(2-14)(2-15)(2-16)(2-17)(2-15)(2-16)(2-17)(2-18)(2-19)(2-20)(2-21)(2-23)(2-24)Y=Z①1R1R1式中：Q——横向附着系数，取为0.75;B车轮轮距，取B=1840mm。11代入得：Z=62101.56522N；Z=682.4347826N；TOC\o"1-5"\h\z1L1RY=46576.17392N；Y=511.826087N。左钢板弹簧座处弯矩：1RM=Zx(t+g-4r)1L1L1r右钢板弹簧座处弯矩：M=Zx(t+g+①r)1R1R1r左拳部弯矩：M=Yxr2L1Lr右拳部弯矩：M=Yxr2R1Rr代入得：M=4657617.392Nmm；M=563008.6956Nmm；1L1RM=23288086.96N・mm；M=255913.0435N・mm。2L2R拳部的抗弯断面系数：cb2W=6式中：c拳部的高度，取c=80mm；b拳部的长度，取b=80mm。代入得：W'=85333.3mm3。弯曲应力：MO=—2LW，代入得：O=272.91MPa,o<b」。w可见前梁在侧滑工况下的弯曲应力小于许用应力值，故满足使用条件。2.2转向节设计和校核转向节上的作用力按侧滑情况考虑。要计算转向节指轴根部的弯曲应力［7］，如向左侧滑时：M=ZC-Yr(2-22)L1L11Lr式中：C——压力中心到转向节指轴根部的距离，取为C=35mm。11代入得：M=21114532.17Nmm。转向节的抗弯断面系数：兀，…，W=—d3仁0.1d3

32式中：d——转向节的指轴根部轴径为74mm。代入得：W=0.1x743=40522.4mm3。指轴根部的弯曲应力：M

b=LLW代入得：o=521.06MPa。转向节采用30Cr,40Cr等中碳合金钢制造，经过调制处理，本设计采用30。，心部硬度HRC241〜285,高频淬火后表面硬度HRC57〜65,硬化层深1.5〜2.0mm,轮轴根部的圆角液压处理。应力的许用值为2］=550MPa,o＜口L故满足使用条件。TOC\o"1-5"\h\zLLL2.3主销与转向节衬套设计和校核制动工况下的主销应力计算主销在制动工况下的受力简图如图2-2所示［8］：图2-2主销在制动工况下的受力分析简图.一一.一一..一.'一〃由Z所产生的反作用力S和S:111gS=S=Z-g-(2-25)11n+e.一一.一一..一.'一〃由P所产生的反作用力S和S:t22eS=P——(2-26)tn+enS=P(2-27)tn+e'〃由横拉杆所产生的反作用力S和S：33S'=P义g义~^~-(2-28)3tln+e1gnS=P义g义——(2-29)tln+e1由制动力矩T所产生的反作用力S‘和S”：44

rS=S=P•(2-30)4tn+e

式中：n——主销中心到上衬套中心距，取n=75mm；e——主销中心到下衬套中心距，取e=85mm。1，〃，代入得：S=S=26938.26N；S=16028.2647N；TOC\o"1-5"\h\z112S=14142.5865N；S=7818.665707N；23"'"S=6898.822683N；S=S=94283.91N。344主销下端，其合力为：S=S+S+S+S(2-31)FI13JI24；-"代入得：S=114948156+11756305000=113583.6842N。F2.3.2侧滑工况下的主销应力计算主销在侧滑工况下的受力简图如图2-3所示：图2-3图2-3主销在侧滑工况下的受力分析简图假设向左侧滑，左侧主销上的垂直反作用力Z=62101.56522N，侧向反作用力1LY=46576.17392N，作用力臂：上端h=r+n=575mm，下端h=r一e=415mm，左1L1r2r侧主销上的作用力较大。上端：Yxh-ZxgS=^l~2——1L~g(2-32)Un+e下端：Yxh一ZxgS=^L__1——1L-g(2-33)Dn+e代入得：S=81993.47284N；S=128569.6468N。UD〃取S，S，S中最大的作为主销的计算载荷，即S=128569.6468N，计算主销在FUDD前梁拳部下端面处的弯曲应力o和剪切应力工：(2-34)ws(2-34)o=——D—h

w0.1d3

0

4SDnd204SDnd20(2-35)式中：d——主销直径，取为51mm；0h——转向节下衬套中点到拳部下端面的距离，取50mm。代入得：o=484.62MPa；t=62.97MPa。ws主销采用20Cr,20CrNi,20CrMnTi等低碳合金钢制造[9],本设计采用20Cr,渗碳淬o]=500MPa,T]=100MPa；o<Io],wsww火，渗碳层深1.0〜1.5mm,HRC56〜62,T<T]ss可见主销的弯曲应力和剪切应力都在许用值范围内，故满足使用条件。2.3.3转向节衬套的应力计算转向节衬套的挤压应力。为:c式中：l衬套长度，取为54mm式中：l衬套长度，取为54mm。代入得：o=46.68MPa。c衬套一般采用ZCuSn10P1材料[10],在静载荷下,上式的计算载荷取：S二^D

ld0(2-36)其许用挤压应力[o]=50MPa,o<[o]。cccGGx-g-1n+e~ld0(2-37)代入得：o=7.12MPa。此时loc]=15MPa,o<lo],衬套的挤压应力在许用值范围内，故满足使用条件。ccc3挂车悬挂基本尺寸和参数的选择3.1悬挂主要参数的确定(1)悬挂静挠度fc悬挂静挠度f是指汽车满载静止时悬挂上的载荷F与此时悬挂刚度c之比，既cwf=Fc。cw挂车前、后悬挂与其簧上质量组成的前后部分车身的固有频率n和n(亦称偏频)，12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n=5f，由分析可知：悬挂的静挠度直接影响车身振动的c偏频。因此，欲保证挂车有良好的行使平顺性，必须正确选取悬挂的静挠度。在选取前、后悬架的静挠度值f和f时，应当使之接近，并希望后悬架的静挠度fc1c2c2比前悬架的静挠度f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：若c1汽车以较高车速驶过单个路障，nn<1时的车身纵向角振动要比nn>1时小，考虑到挂车承载货物的平顺性，取前1悬2架的静挠度值大于后悬架1的静2挠度值，推荐f=(0.8〜0.9)f。c2c1根据平顺性要求，后悬挂期望满载固有频率取为N=120次/分=2Hz。Rw所以，前悬挂满载固有频率取为N=111次/分=1.85Hz。Fw(2)悬挂动挠度悬挂的动挠度f是指从满载静平衡位置开始悬挂压缩到结构允许的最大变形(通常指d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经常碰撞缓冲块。对货车；f取6〜d9cm。(3)悬挂弹性特性悬挂受到的垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移f(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性两种。本挂车前后悬挂采用主副簧钢板弹簧，为刚度可变的非线性弹性特性。(4)悬挂主、副簧刚度的分配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。这两方面的要求是矛盾的。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。本设计采用两点等频率法，既使副簧开始起作用时的悬挂挠度f等于汽车空载时悬挂的挠度f，而a0使副簧开始起作用前一瞬间的挠度f等于满载时悬挂的挠度f。kc于是，可求得：f=2f-f;f=f-f(3-1)1k02k0式中：f、f分别为满载时钢板弹簧主簧、副簧的挠度；f为空载时主簧的挠度。120

副簧开始参加工作的载荷：F=FFk0w式中：F和F分别为空载与满载时的悬架载荷。0w副簧、主簧的刚度比为：副簧开始参加工作的载荷：F=FFk0w式中：F和F分别为空载与满载时的悬架载荷。0w副簧、主簧的刚度比为：主副簧的总刚度为：式中：C1——主簧刚度；C1——副簧刚度；九2——副簧、主簧的刚度比，九=FF；0wN——挂车满载时的固有频率。w3.2悬挂的基本参数计算CC=九—121(N)C+C=F•—I12w(300)(3-2)(3-3)(3-4)该载货汽车前、后悬挂的总负荷空载时F=F=6131.25N，满载时F0R0FFF=F=30656.25N，得A=Fw=Rw=5。FwRwFFF0R0(1)求总刚度：(N)2C+C=F•—fw=4197N/cm；F1F2FwI300)C+CR1R2(N)2=F•—rw=4905N/cm。RwI300)(2)按两点等频率法求刚度分配及接触点挠度：CC—F2-=九一1=1.236；—R2=九一1=1.236。CCF1R1根据和、比关系求得：C=1877N/cm；C=2320N/cm；F1F2C=2194N/cm；C=2711N/cm；R1R2FF=FF=13710N；f=-f^=7.3cm；FkF0FwFkCF1FF=FF=13710N；f=、=6.25cmRkR0RwRkCR1f=—F0-=3.27cm；F0CF1F；f=—Re-=2.79cmR0CR1f=2f一f=11.3cm；F1FkF0f=2f-f=9.71cm；R1RkR0f=f一f=4.03cm；F2FkF0f=f一f=3.46cm；R2RkR0F=Cxf=1877x11.3=21266.4N；F1F1F1TOC\o"1-5"\h\zF=Cxf=2320x4.03=9349.6N；F2F2F2F=Cxf=2194x9.71=21303.74N；R1R1R1F=Cxf=2711x3.46=9352.51N。R2R2R2式中：F、F分别为满载时钢板弹簧主簧、副簧承受的载荷。(3)钢1板弹2簧主要参数的确定钢板弹簧长度L的确定:在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。推荐挂车悬挂前钢板弹簧主簧长度L=(0.35〜0.45)轴距；取L=0.39x4500=1750cm，副簧L=1500cm；后钢板弹簧F1F2

主簧L=0.37x4500=1650cm，副簧L=1330cm。钢板断面尺寸及片数的确定：R2平均厚度h：(3-5)k=0.5，挠性夹紧时t(L一k-s)2•§•□］h=(3-5)k=0.5，挠性夹紧时6Ef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k=0)；S——U形螺栓中心距；5——为挠度增大系数；E——材料的弹性模量，E=2.06x105MPa；推荐的后主t］——许用弯曲应力，采用的55SiMnVB材料，表面经喷丸处理后，

w簧t］为450〜550MPa，后副簧口］为220〜250MPa。推荐的后主前钢板弹簧：主簧：h(L一k-前钢板弹簧：主簧：h(L一k-s)2.5.t]—F1w-F16EfF1副簧：h二(LF2-k，s)23."]F26Ef后钢板弹簧：F2(1750—0.5x160)2x1.33x5304,二14mm；6x2.06x105x113.3(1500—0.5x160)2x1.31x24540二13mm。6x2.06x105x40.3主簧：h=R1副簧：h=R2片宽b：(L一k-s}・5・t](1650—0.5x160、x1.33x520一”―R2a==14.16mm；6Ef6x2.06x105x97.1(L一k・sl3・t](1330一0.5x1601x1.31x250「八—R2j==11.9mm。6Ef6x2.06x105x34.6R2推荐片宽与片厚的比值bh在6〜10范围内选取，取前后钢板弹簧主副簧b=100mm。钢板断面形状［11］：前后主副弹簧均采用矩形断面形状，其中性轴在钢板断面的对称位置上，工作时，一面受拉应力、另一面受压应力作用，并且应力绝对值相等。钢板弹簧片数n：根据挂车的总质量，选取前后主簧的片数为n=6片，副簧的片数为n，=5。(4)钢板弹簧各片长度的确定钢板弹簧各片长度就是基于实际钢板各片展开图接近梯形梁的形状这一原则来作图确定的，具体进行步骤如下：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L2和U形螺栓中心距的一半s2,得到A、B两点，连接A、B既得到三角形的钢板弹簧展开图。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。

由上述方法得到前钢板弹簧主簧各片长度：1750mm、1490mm、1220mm、920mm、690mm、430mm；副簧各片长度：1500mm、1230mm、960mm、700mm、430mm，后钢板弹簧主簧各片长度：1650mm、1400mm、1150mm、910mm、660mm、410mm；副簧各片长度：1330mm、1100mm、860mm、630mm、400mm。3.3悬挂的强度校核计算(1)钢板弹簧的刚度验算根据悬架布置的可能性及生产工艺的允许条件，最后决定的弹簧刚度为：6axEC=£na3((1)钢板弹簧的刚度验算根据悬架布置的可能性及生产工艺的允许条件，最后决定的弹簧刚度为：6axEC=£na3(Y—Y)(3-6)k+1kk=1其中：a=C—l)；Y=1£J；Y=1k+11k+1kik+1i=1式中：a-El、l1k+1经验修正系数，a=0.83〜0.93；材料弹性模量；——主片和第k+1片的一半长度。k+1k+1二J。ii=1代入已知数据可得：C=1624N/cmQ=0.88)；CF1=2605N/cmQ=0.88)；CF2=2050N/cmQ=0.85)；CR1=2945N/cmQ=0.85)。R2钢板弹簧总截面系数：nbh2W=6满载平均静应力：_Fx(L—k•s)

4W比应力：(3-7)(3-8)(3-9)前钢板主簧：WF1nbh2WF1nbh2F1-66义100*142二19600mm3；F义(L—k-s)21266.4义(1750—80)o=_pi_L_pi1==453MPa；F14W4义19600F1-o453八-一,o=i==3.998MPa/cm。F1f113.3F1前钢板副簧：WF2n'bh2F2—65义100*1326=14083.3mm3；F义(WF2n'bh2F2—65义100*1326=14083.3mm3；F义(L—k•s)9349.6义(1500—80)o=—F5F5==236MPaF24W4义14083.3F2—o236o=—F2==5.856MPa/cm。F2f40.3F2后钢板主簧：WR1nbh2R^-66义100*142二19600mm3；F义(L—k•s)21303.73*(1650—80)o=R1'R1<==426.6MPa；R14W4义19600R1—o426.6,M,o=—R1==4.397MPa/cm。R1f97.1R1后钢板副簧：WR2n'bh25义100*122R2—二66二12000mm3；oR2F义(L—k•s)9352.51义1250=R2R2=4W4义19600R2=243.5MPa；—oo=-^2=7.038MPa/cm。R2fR2（2）从实际规格尺寸及应力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y=1,Fy=1；P=F1=0.6827，p=R1=0.6；极限动行程系数取d=3.3，d=3，则极RFoRoFRF2R2限动行程为：f=dFdFf=dRdRFFwC+CF1F2FRwC+CR1R2(3-10)(3-11)代入得：fFd二3.3X3。422925:8.9cm；fRd二3x30656.254995=7.4cm。前钢板橡胶垫块高度为5cm，压缩量为3.6cm，所以极限动行程计算值应取为f=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Fd取为f-7.4+1.4-8.8cm。Rd修正后的副钢板弹簧接触点挠度为：（一、--1fk-+f(C1+C2X(3-12)于是可得：f=7.8cm；f-7.2cm；FkRkF-fC-12667.2N；F=14760N。RkRk满载主簧挠度：f1F——w满载极限应力：C+C12(3-13)于是可得：omax-ox(f1+f)(3-14)fF1F+fC—FwFk-F2-12.05cm；C+C12fF2-f—f-4.25cm；fF1FkF0FF1oF1oF2o-CxfF1F1-oxfF1F1-oxfF2F2-o-19569