挂车车桥与悬挂设计

挂车车桥与悬挂设计1 绪论1.1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。

1.2 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]。

1.3 挂车车桥与悬挂的设计要求1.3.1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。

1.3.2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]，如表2-1：表2-1车桥结构的参数表单位：mm 汽车牌号解放牌CA——10 曼MAN415L1前轮轮距B1700 1824弹簧座中心距K740 930弹簧座中心到主销中心距离b370 348断面尺寸全高H上凸缘宽度1B下凸缘宽度2B上下凸缘间距h幅板厚度85/88 75138/65 13765/65 5955/58 5016/14 14主销长度221 198 主销直径38 42 主销中心到上衬套中心距n81 70 主销中心到下衬套中心距e81 80 上衬套长度52 46 下衬套长度52 48 止推轴承高度16.5 23转向节主销中心到压力中心距g主销中心到转向节大轴颈中心距P大轴颈宽度小轴颈宽度大轴颈直径小轴颈直径110 99104.5 7761 5035 5255基孔2级5540db 352.1 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2.1.1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1m ：10g1+=b h m ϕ(2-1)式中：ϕ——车轮与道路的附着系数，取7.0=ϕ；g h ——挂车重心的高度，取mm 1200g =h ；0b ——挂车重心到后轴中心线的距离，取mm 22500=b 。

代入得：373.11=m 。

前轮所承受的地面垂直反力为： 1112m G Z =(2-2)式中：1G ——汽车满载静止于水平路面时车桥给地面的载荷，取为N 627841=G 。

代入得：N 26.431011=Z 。

前轮所承受的制动力为：ϕ1Z P x = (2-3) 代入得：N 8512.30170=x P 。

由于制动力引起的扭转力矩在拳部为最大：T =r x r P ⨯ (2-4) 式中：r r —轮胎的滚动半径，取为500mm 。

代入得：T =6.15085425N·mm 。

由于1Z 和x P 对前梁引起的垂向弯矩v M 和水平方向的弯矩h M 在两钢板弹簧座之间达最大值，分别为：()g t Z M+=1v(2-5)()g t P M +=τh (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：2.19395547v =M N·mm ；04.13576883h =M N·mm 。

垂直平面内的抗弯断面系数[6]： Hht BH W 6313v －= (2-7)代入得：333v mm 24404012568520125100=⨯⨯⨯=－W 。

水平平面内的抗弯断面系数：Bht B t W 623132h ＋=(2-8)代入得：333h mm 6780010062085100202=⨯⨯⨯⨯=＋W 。

前梁在钢板弹簧座附近危险断面处(拳部)抗扭截面系数：3T C W β= (2-9)式中：β——查表取β =0.208；C ——拳部截面宽取C =80mm 。

代入得： 3T mm 106496=W 。

前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力：kkvvw W MW M＋=σ (2-10)代入得：MPa 73.279w =σ。

前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的扭转应力： TW T =τ (2-11)代入得：MPa 65.141=τ。

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 ，[]MPa 300w =σ，[]MPa 150 =τ；[]w w σσ<，[]ττ <。

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L 1Z 和R 1Z 与侧向反力L 1Y ，R 1Y 各不相等，前轮的地面反力(单位都为N )分别为：)21(211g 1L 1B h G Z ϕ+= (2-12) )21(211g 1R 1B h G Z ϕ-=(2-13)1L 1L 1ϕZ Y = (2-14)1R 1R 1ϕZ Y = (2-15)式中：1ϕ——横向附着系数，取为0.75；1B ——车轮轮距，取mm 18401=B 。

代入得： N 56522.62101L 1=Z ；N 4347826.682R 1=Z ；N 17392.46576L 1=Y ；N 826087.511R 1=Y 。

左钢板弹簧座处弯矩：()r 1L 1L 1r g t Z M ϕ-+⨯= (2-16)右钢板弹簧座处弯矩：)r (r 1R 1R 1ϕ＋g t Z M +⨯= (2-17)左拳部弯矩：r L 1L 2r ⨯=Y M (2-18)右拳部弯矩：r R 1R 2r ⨯=Y M (2-19)代入得：392.4657617L 1=M N·mm ； 6956.563008R 1=M N·mm ；96.23288086L 2=M N·mm ；0435.255913R 2=M N·mm 。

拳部的抗弯断面系数：62cb W =' (2-20)式中：c ——拳部的高度，取80mm =c ；b ——拳部的长度，取80mm =b 。

代入得：3mm 3.85333='W 。

弯曲应力：W M'=L2σ (2-21)代入得：MPa 91.272=σ，[]w σσ<。

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：r L 11L 1L r Y C Z M -= (2-22)式中：1C ——压力中心到转向节指轴根部的距离，取为mm 351=C 。

代入得：17.21114532L =M N·mm 。

转向节的抗弯断面系数：331.032ddW ≈=π(2-23)式中：d ——转向节的指轴根部轴径为4mm 7。

代入得：33mm 4.40522741.0=⨯=W 。

指轴根部的弯曲应力：WM LL =σ (2-24)代入得：MPa 06.521L =σ。

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30Cr ，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[L σ]=550MPa ，[]L L σσ<，故满足使用条件。

2.3主销与转向节衬套设计和校核2.3.1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由1Z 所产生的反作用力'1S 和"1S ：en g Z S S +="='111 (2-25)由τP 所产生的反作用力'2S 和"2S ：e n e P S +='τ2 (2-26) en nP S +="τ2(2-27)由横拉杆所产生的反作用力'3S 和"3S ：e n e l g P S +⨯⨯='13τ (2-28) en n l g P S +⨯⨯="13τ (2-29)由制动力矩T 所产生的反作用力'4S 和"4S ：en r P S S +⋅="='r 44τ (2-30)式中：n ——主销中心到上衬套中心距，取mm 75=n ；e ——主销中心到下衬套中心距，取mm 85=e 。

代入得：N 26.2693811="='S S ；N 2647.160282='S ；N5865.141422="S ；N 665707.78183='S ；N 822683.68983="S ；N 91.9428344="='S S 。