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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 本設(shè)計(jì)的目的和意義
汽車是現(xiàn)代交通工具中應(yīng)用的最多，最普遍，也是最方便的交通運(yùn)輸工具。汽車的車橋和懸架是汽車上的重要組成部分。汽車的從動(dòng)橋的轉(zhuǎn)向性能直接影響汽車的行駛安全性。隨著公路業(yè)得迅速發(fā)展和車流密度日益增大，人們對安全性、可靠性的要求越來越高。汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展不可缺少的交通工具，在人門的日常生活中扮演著重要的角色。汽車工業(yè)以其強(qiáng)有力的產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)作用，已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性行業(yè)。隨著我汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車零部件的自行開發(fā)和研究工作也隨之廣泛地展開。汽車在公路上高速行駛，汽車的零部件承受著靜載荷和動(dòng)載荷作用，這些作用直接影響著汽車的使用壽命和汽車運(yùn)行的可靠性。
車橋（也稱為車軸）通過懸架和車架（或承載式車身）相連，它的兩端安裝著車輪，其功用是傳遞車架（或承載式車身），與車輪之間的各方向的作用力及其力矩。
車橋是汽車的主要零件之一，它是汽車主要承載件和傳力件，支撐著汽車的載荷，并將載荷傳給車輪，在實(shí)際行駛中，作用在車輪上的牽引力、制動(dòng)力、橫向力，也是經(jīng)過橋殼傳到懸架及車架上的。同時(shí)汽車在路面上高速行駛，由于路面不平度的影響，汽車的車橋會(huì)受到交變載荷的作用，在這種復(fù)雜的交變載荷的反復(fù)作用下，會(huì)發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)轉(zhuǎn)并導(dǎo)致突然斷裂。因此，在技術(shù)上了解車橋的靜態(tài)特性，有著及其重要的實(shí)際意義。
在汽車車橋及懸架的制造過程中，涵蓋了鑄（灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼）、鍛（模鍛、精鍛、平鍛和熱壓）、焊（電焊、點(diǎn)焊、二氧化碳保護(hù)焊）、熱處理（表面淬火熱處理、表面高頻淬火處理）粉末冶金等各種熱加工工藝。
通過查閱相關(guān)的資料，運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，確定掛車車橋和懸架的總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。進(jìn)一步鞏固和加深對所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)文獻(xiàn)查閱、使用、文件編輯、文字表達(dá)等基本實(shí)踐能力以及外文資料的閱讀和翻譯的基本技能，使初步掌握科學(xué)研究的基本方法。使樹立符合國情和生產(chǎn)實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)、實(shí)事求是、刻苦鉆研、善于與他人合作的工作作風(fēng)。
總之，由上述可見，汽車車橋及懸架設(shè)計(jì)涉及的機(jī)械零部件及元件的品種極為廣泛，對這些零部件、元件及總成的制造也幾乎要涉及到所有的現(xiàn)代機(jī)械制造工藝。因此，通過對汽車車橋與懸架的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)實(shí)踐，再加上優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)和有限元分析等內(nèi)容，可以更好地學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)的全面知識(shí)和技能。
1.2 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
掛車是本身沒有自帶動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)裝置，由汽車牽引組成汽車列車用以載運(yùn)人員及貨物的汽車。掛車分為全掛車和半掛車，全掛車與半掛車最大的不同是，汽車列車在運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，掛車的全部載荷由掛車承載，牽引車只起牽引作用。因此，全掛車的前支撐為輪軸結(jié)構(gòu)，且通常具有轉(zhuǎn)向裝置，一減少側(cè)滑、摩擦和汽車列車的轉(zhuǎn)向阻力。本設(shè)計(jì)為全掛車。而全掛車的前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向從動(dòng)橋。轉(zhuǎn)向方式為輪轉(zhuǎn)向式轉(zhuǎn)向裝置。采用輪轉(zhuǎn)向式轉(zhuǎn)向裝置的掛車的主要優(yōu)點(diǎn)是貨臺(tái)或車廂的地板離地面較低，且左右車輪可以實(shí)現(xiàn)正確的轉(zhuǎn)向角度，車輪磨損較小，但對桿系的傳動(dòng)比精確度要求較高。
根據(jù)懸架的結(jié)構(gòu)的不同，車橋分為整體式和斷開式兩種。
根據(jù)車橋上車輪的作用，車橋又可分為轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、和支持橋四種類型。一般汽車多以前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，以后橋、中橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋。本設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)向橋。
轉(zhuǎn)向橋是利用車橋中的轉(zhuǎn)向節(jié)使車輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向橋一般位于汽車的前部，因此也常稱之為前橋。
前梁用鋼材鍛造，斷面為工字型以提高抗彎強(qiáng)度。為提高抗扭強(qiáng)度，接近兩端略制成方形。中部加工出兩處用以支撐鋼板彈簧的加寬面——彈簧座。中部向下凹，降低發(fā)動(dòng)機(jī)位置，從而降低汽車的重心，擴(kuò)展駕駛員的視野，并減小傳動(dòng)軸與變速器輸出軸之間的夾角。前梁兩端各有一個(gè)加粗部分，呈拳形，其中有通孔，主銷即插入兩孔內(nèi)。通過主銷將轉(zhuǎn)向節(jié)與前梁的拳部相連，并用帶螺紋的楔形鎖銷將主銷固定在拳部孔內(nèi)，是之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。前輪可以繞主銷偏轉(zhuǎn)一定角度而使汽車轉(zhuǎn)向。為了減小磨損，轉(zhuǎn)向節(jié)孔銷內(nèi)壓入青銅襯套，襯套上的潤滑油槽在上面端部是切通的，用裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上的油嘴注入潤滑脂潤滑。為使轉(zhuǎn)向靈活輕便，在轉(zhuǎn)向節(jié)下耳與前梁拳部之間裝有推力滾子軸承。在轉(zhuǎn)向節(jié)上耳與拳部之間裝有調(diào)整墊片，以調(diào)整其間的間隙。在轉(zhuǎn)向節(jié)的上耳上裝有與轉(zhuǎn)向節(jié)臂制成一體的凸緣，在下耳上則裝著與轉(zhuǎn)向梯形臂制成一體的凸緣，這兩個(gè)凸緣均制成有一矩形鍵，因此在左轉(zhuǎn)向節(jié)的上下耳上都有與之配合的鍵槽。轉(zhuǎn)向節(jié)通過矩形鍵及帶有錐形套的雙頭螺栓與轉(zhuǎn)向節(jié)臂及梯形臂相連。在鍵槽端面間裝有條形的橡膠密封墊。
車輪輪轂通過兩個(gè)圓錐滾子軸承支撐在轉(zhuǎn)向節(jié)外端的軸頸上。軸承的松緊度可用調(diào)整螺母（裝于軸承外端）加以調(diào)整。輪轂外端用沖壓的金屬罩蓋住。輪轂內(nèi)側(cè)裝有油封。如果油封漏油，則外面的擋油盤仍足以防止?jié)櫥瓦M(jìn)入制動(dòng)器內(nèi)，轉(zhuǎn)向節(jié)上靠近主銷孔的一端有方形的凸緣，固定制動(dòng)底板。
對車橋提出的設(shè)計(jì)要求：
（1）外廓尺寸小，保證汽車具有足夠的離地間隙，以足通過性要求。
（2）具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以承受和傳遞作用于路面和車架或車身間的各種力和力矩；在此條件下，盡可能降低質(zhì)量，尤其是簧下質(zhì)量，以減少不平路面的沖擊載荷，提高汽車的行駛平順性。
（3）結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，維修、調(diào)整方便。
（4）與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。
對車橋設(shè)計(jì)完成之后要進(jìn)行校核和ANSYS有限元分析。
懸架是車架（或車載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱。其功用是把路面作用于車輪上的垂直反力（支承力）、縱向反力(牽引力和制動(dòng)力)和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩都要傳遞給車架或車載式車身上，以保證汽車的正常行駛。
現(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但是一般都由彈性元件、導(dǎo)向裝置、減振器和輔助元件組成。輔助元件包括緩沖塊和橫向穩(wěn)定器等。彈性元件的功用是緩和沖擊，減振器的作用是使振動(dòng)迅速衰減，振幅迅速減小。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是使車輪按一定的軌跡相對于車架和車身運(yùn)動(dòng)。懸架是采用非獨(dú)立懸架，因?yàn)榉仟?dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、制造簡單、維修方便。
非獨(dú)立懸架其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)的車輪有一整體式車橋相連。車輪連同車橋一起通過彈性懸架與車架（或承載式車身）連接。當(dāng)一側(cè)車輪因道路不平而發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，必然引起另一側(cè)的車輪在汽車橫向平面內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)，故稱為非獨(dú)立懸架。在中、重型汽車上普遍采用。
對懸架提出的設(shè)計(jì)要求有：
（1）保證汽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）保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。
（4）汽車制動(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。
（5）有良好的隔聲能力。
（6）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸小。
（7）可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩，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。
對懸架設(shè)計(jì)完成之后要進(jìn)行校核。
1.3 本設(shè)計(jì)的主要參數(shù)
表1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表
前輪輪距
1840
彈簧座中心距
880
彈簧座中心到主銷中心距離
370
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
125
138/65
65/65
55/58
16/14
主銷長度
221
主銷直徑
50
主銷中心到上襯套中心距
81
主銷中心到下襯套中心距
81
上襯套長度
52
下襯套長度
52
止推軸承高度
16.5
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
100
110
61
35
55
35
第2章 從動(dòng)橋的概述及選型
2.1 從動(dòng)橋的概述
從動(dòng)橋即非驅(qū)動(dòng)橋，又稱從動(dòng)車軸。它是通過懸架與車架（或承載式車身）相聯(lián)，兩側(cè)安裝著從動(dòng)車輪，用以在車架（或承載式車身）與車輪之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力。從動(dòng)橋還要承受和傳遞制動(dòng)力矩。
根據(jù)從動(dòng)車輪能否轉(zhuǎn)向，從動(dòng)橋分為轉(zhuǎn)向橋和非轉(zhuǎn)向橋。一般汽車多以前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋。為提高操縱穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，有些轎車采用全四輪轉(zhuǎn)向。多軸汽車除前輪轉(zhuǎn)向外，根據(jù)對機(jī)動(dòng)性的要求，有時(shí)采用兩根以上的轉(zhuǎn)向橋直至全輪轉(zhuǎn)向。
一般載貨汽車采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)的布置形式，故其前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向從動(dòng)橋。對于非轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋，由于它僅起支持汽車部分簧上質(zhì)量的作用，因此又稱為支持橋或支持車軸。
從動(dòng)橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)的不同，也可分為斷開式和非斷開式兩種。與非獨(dú)立懸架相匹配的非斷開式從動(dòng)橋式一根支承于左、右從動(dòng)車輪上的剛性整體橫梁，當(dāng)又是轉(zhuǎn)向橋時(shí)，則其兩端經(jīng)轉(zhuǎn)向主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)相聯(lián)。
在汽車的設(shè)計(jì)、制造、裝配調(diào)整和使用的過程中必須注意防止可能引起的轉(zhuǎn)向車輪的擺陣，它是指汽車行駛轉(zhuǎn)向輪繞主銷不斷的擺動(dòng)的現(xiàn)象，它將破壞汽車的正常行駛。轉(zhuǎn)向車輪的擺動(dòng)有自激振動(dòng)與受迫振動(dòng)兩種類型。前者是由于輪胎側(cè)向變形中的遲滯特性的影響，使系統(tǒng)在一個(gè)振動(dòng)周期中路面作用于輪胎的力對系統(tǒng)作正功，即對外界系統(tǒng)輸入能量。如果后者的值大于系統(tǒng)內(nèi)阻尼消耗的能量，則系統(tǒng)將作增幅振動(dòng)直至能量達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)。這時(shí)系統(tǒng)將在某一振幅下持續(xù)振動(dòng)，形成擺動(dòng)。其振動(dòng)頻率大致接近系統(tǒng)的固有頻率而與車輪轉(zhuǎn)速并不一致，而且會(huì)在較寬的車速范圍內(nèi)發(fā)生。通常在低速行駛時(shí)發(fā)生的擺陣往往屬于自激振動(dòng)型。當(dāng)轉(zhuǎn)向車輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到周期性擾動(dòng)的激勵(lì)，例如車輪失衡、斷面跳動(dòng)、輪胎的幾何和機(jī)械特性不均勻以及運(yùn)動(dòng)學(xué)上的干涉等，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)下都會(huì)構(gòu)成周期性擾動(dòng)。在擾動(dòng)力周期性的持續(xù)作用下，便會(huì)發(fā)生受迫振動(dòng)。當(dāng)擾動(dòng)的激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)便發(fā)生共振。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向輪擺陣頻率與車輪轉(zhuǎn)速一致，而且一般都有明顯的共振車速，共振范圍較窄。通常在高速行駛時(shí)發(fā)生的擺陣往往屬于受迫振動(dòng)型。
1- 轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承；2-轉(zhuǎn)向節(jié)；3-調(diào)整墊片；4主銷；5-前梁
圖2.1 非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋
如圖2.1所示，非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要由前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向主銷組成。轉(zhuǎn)向節(jié)利用主銷與前梁鉸接并經(jīng)一對輪轂軸承支承著車輪的輪轂，以達(dá)到車輪轉(zhuǎn)向的目的。在左轉(zhuǎn)向節(jié)的上耳處安裝著轉(zhuǎn)向節(jié)臂，后者與轉(zhuǎn)向直拉桿相連；而在轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處則裝著與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連接的轉(zhuǎn)向梯形臂。有的將轉(zhuǎn)向節(jié)臂與梯形臂連成一體并安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處以簡化結(jié)構(gòu)。制動(dòng)底板緊固在轉(zhuǎn)向節(jié)的突緣面上。轉(zhuǎn)向節(jié)的銷孔內(nèi)壓入帶有潤滑槽的青銅襯套以減小摩擦。為使轉(zhuǎn)向輕便，在轉(zhuǎn)向節(jié)下耳與前梁拳部之間可裝滾子推力軸承，在轉(zhuǎn)向節(jié)上耳與前梁拳部之間裝有調(diào)整墊片以調(diào)整其間隙。帶有螺紋的楔形鎖銷將主銷固定在前梁拳部的孔內(nèi)，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。
主銷的幾種結(jié)構(gòu)形式如圖2.2所示，其中最常使用的是（a）（b）兩種。
（a）圓柱實(shí)心型；（b）圓柱空心型（c）上、下端為直徑不等的圓柱、中間為椎體的主銷；（d）下部圓柱比上部細(xì)的主銷
圖2.2 主銷的結(jié)構(gòu)型式
為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性及汽車轉(zhuǎn)向后使前輪具有自動(dòng)回正的性能，轉(zhuǎn)向橋的主銷在汽車的縱向和橫向平面內(nèi)都有一定的傾角。在縱向平面內(nèi)，主銷上部向后傾角一個(gè)γ角，稱為主銷后傾角。在橫向平面內(nèi)，主銷上部內(nèi)傾一個(gè)β角，稱為主銷內(nèi)傾角。
主銷后傾使主銷軸線與路面的交點(diǎn)位于輪胎接地中心之前，該距離稱為后傾拖地距。當(dāng)直線行駛的汽車的轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)時(shí)，汽車就偏離直線行駛而有所轉(zhuǎn)向，這時(shí)引起的離心力使路面對車輪作用著一阻礙其側(cè)滑的側(cè)向反力，使車輪產(chǎn)生繞主銷旋轉(zhuǎn)的回正力矩，從而保證了汽車具有較好的直線行駛穩(wěn)定性。此力矩稱穩(wěn)定力矩。穩(wěn)定力矩也不宜過大，否則在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)為了克服此穩(wěn)定力矩需在方向盤上施加更大的力，導(dǎo)致方向盤沉重。后傾角通常在3°以內(nèi)。
主銷內(nèi)傾也是為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性并使轉(zhuǎn)向輕便。主銷內(nèi)傾使主銷軸線與路面的交點(diǎn)至車輪中心平面的距離即主銷偏移距離減小，從而可減小轉(zhuǎn)向時(shí)需加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)也可減少轉(zhuǎn)向輪傳到方向盤上的沖擊力。主銷內(nèi)傾角使前輪轉(zhuǎn)向時(shí)不僅有繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且伴隨有車輪軸及前橫梁向上的移動(dòng)，而當(dāng)松開方向盤時(shí)，所儲(chǔ)存的上升位能使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，保證汽車作直線行駛。內(nèi)傾角一般為5°到8°;主銷偏移距離一般為30——40mm。輕型貨車及裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車可選擇較大的主銷內(nèi)傾角及后傾角，以提高其轉(zhuǎn)向車輪的自動(dòng)回正性能。但內(nèi)傾角也不宜過大，即主銷偏移距離不宜過小，否則在轉(zhuǎn)向過程中車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)時(shí)，隨著滾動(dòng)將伴隨著沿路面的滑動(dòng)，從而增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉(zhuǎn)向變的很沉重。
2.2 從動(dòng)橋轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)形式選擇及確定
全掛車的轉(zhuǎn)向方式有兩種：一種是軸轉(zhuǎn)向式，即轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪除繞其中心旋轉(zhuǎn)外，還與車軸一起繞車軸中心中點(diǎn)垂直線轉(zhuǎn)動(dòng)。軸轉(zhuǎn)向式轉(zhuǎn)向通常有單轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向和雙轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向。另一種是輪轉(zhuǎn)向式，即轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪繞轉(zhuǎn)向主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，而車軸不轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用輪轉(zhuǎn)向式轉(zhuǎn)向裝置。
掛車的牽引桿通過一個(gè)擺臂將牽引車轉(zhuǎn)向的擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹崩瓧U的推拉運(yùn)動(dòng)，然后再通過一個(gè)轉(zhuǎn)向拐臂拉動(dòng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿使掛車隨牽引車一起實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用輪轉(zhuǎn)向式轉(zhuǎn)向裝置的掛車的主要優(yōu)點(diǎn)是貨臺(tái)或車廂的地板離地面較低，且左右車輪可以實(shí)現(xiàn)正確的轉(zhuǎn)向角度，車輪磨損較小，但對桿系的傳動(dòng)比精確度要求較高。
2.3 本章小結(jié)
本章對掛車前橋進(jìn)行了系統(tǒng)的概述和總結(jié)，系統(tǒng)的分析了前橋的種類、結(jié)構(gòu)形式、及工作原理，并根據(jù)本設(shè)計(jì)所要求的參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)范的選取，選取了適合本設(shè)計(jì)的前橋的結(jié)構(gòu)形式，還對跟前橋有關(guān)的零部件進(jìn)行了細(xì)致地分析和選取，是以后計(jì)算和設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和工作依據(jù)。
第3章 從動(dòng)橋設(shè)計(jì)計(jì)算及校核
3.1 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋前梁的設(shè)計(jì)和校核
主要是計(jì)算前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、主銷上下軸承(即轉(zhuǎn)向節(jié)襯套)、轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承或止推墊片等在制動(dòng)和側(cè)滑兩種工況下的工作應(yīng)力。繪制計(jì)算用簡圖時(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3.1所示。
1-制動(dòng)工況下的彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖；2-側(cè)滑工況下的彎矩圖
圖3.1 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的受力分析簡圖
3.1.1 在制動(dòng)工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算
制動(dòng)時(shí)前輪承受的制動(dòng)力Pr和垂向力Z1傳給前梁，使前梁承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。
考慮到制動(dòng)時(shí)汽車質(zhì)量向前轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)移，則前輪所承受的地面垂向反力為：
（3.1）
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;
——汽車制動(dòng)時(shí)對前橋的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，對轎車和載貨汽車的前橋可取1.4~1.7。
緊急制動(dòng)是車橋所承受的最惡劣的工況之一。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)力矩。前梁垂直載荷增大的比例稱為質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)：
（3.2）
式中：——車輪與道路的附著系數(shù)，?。?
——掛車重心的高度，取；
——掛車重心到后軸中心線的距離，取。
代入得：。
結(jié)合（3-1）和（3-2）兩式，代入得：Z1=43101.216N。
前輪所承受的制動(dòng)力為：
Pr=Z1 （3.3）
式中：——輪胎與路面的附著系數(shù)，??；
Z1——前輪所承受的地面垂向反力，N。
代入得：Pr=30170.8512N。
由Z1和Pr對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)到最大值，分別為
（3.4）
= Pr(t+g ） （3.5）
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離，取為350；
Z1——前輪所承受的地面垂向反力，N；
Pr——前輪所承受的制動(dòng)力，N。
代入得：=19395547.2 N·mm；
=13576883.04 N·mm。
制動(dòng)力Pr還使前梁在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉(zhuǎn)矩:
= Pr (3.6)
式中：Pr——前輪所承受的制動(dòng)力，N；
—輪胎的滾動(dòng)半徑，取為500mm。
代入得：=15085425.6 N·mm。
轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋采用工字形斷面的前梁，可保證其質(zhì)量最小而在垂向平面內(nèi)的剛度大、強(qiáng)度高。該斷面的垂向彎曲截面系數(shù)：
(3.7)
代入得：。
該斷面的水平平面內(nèi)的抗彎斷面系數(shù)：
（3.8）
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)：
(3.9)
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：
（3.10）
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：
（3.11）
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HB241～285HB，，；，。
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。
3.1.2 在最大側(cè)向力（側(cè)滑）工況下的前梁應(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：
(3.12)
(3.13)
(3.14)
(3.15)
式中：——橫向附著系數(shù)，取為0.75；
——車輪輪距，取；
——汽車停于水平路面前橋軸荷，N；
——掛車重心的高度，取。
代入得：Z1L=62101.538N；
Z1R=682.435N；
Y1L=46576.154N；
Y1R=511.826N。
左鋼板彈簧座處彎矩：
(3.16)
右鋼板彈簧座處彎矩：
(3.17)
左拳部彎矩：
(3.18)
(3.19)
式中：Z1L——左車輪承受地面的垂向反力；
Z1R——右車輪承受地面的垂向反力；
Y1L——左車輪承受地面的側(cè)向反力；
Y1R——右車輪承受地面的側(cè)向反力；
——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離，取為350；
——橫向附著系數(shù)，取為0.75。
代入得：N·mm；
N·mm；
N·mm；
N·mm。
拳部的抗彎斷面系數(shù)：
(3.20)
式中：——拳部的高度，取
——拳部的長度，取。
代入得：。
彎曲應(yīng)力：
(3.21)
代入得：，。
可見前梁在側(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。
約束和加載
當(dāng)大梁校正儀安裝完畢保持穩(wěn)定是時(shí)，支架最低面就是固定面，所以約束就加在支架最低的面， 支撐重量全部作用在方口鋼立柱的上部截面上，豎直向下。加載時(shí)加的為面力，則載荷情況為。
求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。查看結(jié)果并分析
查看變形結(jié)果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;X 、Y、 Z 和總變形
最大變形量DMX=0.138mm，
變形
3.2 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)和校核
轉(zhuǎn)向節(jié)多用中碳合金鋼模鍛成整體式結(jié)構(gòu)。有些大型汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)，由于其尺寸過大，也有采用組焊式結(jié)構(gòu)的，即其輪軸部分是經(jīng)壓配并焊接上去的，作用效果良好。轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承承受作用于汽車前梁上的重力，為減小摩擦使轉(zhuǎn)向輕便可采用滾動(dòng)軸承，例如推力球軸承、推力圓錐滾子軸承或圓錐滾子軸承等。也有采用青銅止推墊片的。
如圖3.2所示，從動(dòng)橋轉(zhuǎn)向節(jié)的危險(xiǎn)斷面在軸徑為d1的輪軸根部剖面處。
圖3.2 轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷及轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的計(jì)算用圖
3.2.1 在制動(dòng)工況下的計(jì)算
Ⅲ—Ⅲ剖面處的軸徑僅受垂向彎矩和水平方向的彎矩而不受轉(zhuǎn)矩，因制動(dòng)力矩不經(jīng)轉(zhuǎn)向節(jié)的輪軸傳遞而直接由制動(dòng)底板傳給在轉(zhuǎn)向節(jié)上的安裝平面。這時(shí)可按公式計(jì)算其垂向彎矩和水平方向的彎矩，則Ⅲ—Ⅲ剖面處的合成彎曲應(yīng)力：
（3.22）
式中：d1——轉(zhuǎn)向節(jié)的輪軸根部軸徑，mm；
——汽車停于水平路面前橋軸荷，N；
——質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。
代入得：=399.445MPa。
上式的許用彎曲應(yīng)力為=550MPa。故彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足使用條件。轉(zhuǎn)向節(jié)采用40Cr中碳合金鋼制造，心部硬度HB245，高頻淬火后表面硬度HRC60，硬化層深1.8mm。輪軸根部的圓角滾壓處理。
3.2.2 在側(cè)滑工況下的計(jì)算
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)：
(3.23)
式中：——壓力中心到轉(zhuǎn)向節(jié)指軸根部的距離，取為。
代入得：N·mm。
轉(zhuǎn)向節(jié)的抗彎斷面系數(shù)：
(3.24)
式中：——轉(zhuǎn)向節(jié)的指軸根部軸徑為84mm。
代入得：。
指軸根部的彎曲應(yīng)力：
(3.25)
代入得：。
轉(zhuǎn)向節(jié)采用30Cr中碳合金鋼制造，經(jīng)過調(diào)制處理，心部硬度HRC241～285，高頻淬火后表面硬度HRC57～65，硬化層深1.5～2.0mm，輪軸根部的圓角液壓處理。應(yīng)力的許用值為[]=550，，故滿足使用條件。
3.3 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋的主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的設(shè)計(jì)和校核
3.3.1 主銷在制動(dòng)工況下的應(yīng)力計(jì)算
主銷在制動(dòng)工況下的受力簡圖如圖3.3所示：
圖3.3 主銷在制動(dòng)工況下的受力分析簡圖
由所產(chǎn)生的反作用力和：
(3.26)
由Pr所產(chǎn)生的反作用力和：
(3.27)
(3.28)
由橫拉桿所產(chǎn)生的反作用力和：
(3.29)
(3.30)
由制動(dòng)力矩所產(chǎn)生的反作用力和：
(3.31)
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：
(3.32)
代入得：
3.3.2 主銷在側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算
主銷在側(cè)滑工況下的受力簡圖如圖3.4所示：
圖3.4 主銷在側(cè)滑工況下的受力分析簡圖
假設(shè)向左側(cè)滑，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：
(3.33)
下端：
(3.34)
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：
(3.35)
(3.36)
式中：——主銷直徑，取為50mm；
——轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套中點(diǎn)到拳部下端面的距離，取28mm。
代入得：；。
主銷采用20Cr，20CrNi，20CrMnTi等低碳合金鋼制造，本設(shè)計(jì)采用20Cr，滲碳淬火，滲碳層深1.0～1.5mm，HRC56～62，，；，。
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。
3.3.3 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：
(3.36)
式中：——襯套長度，取為52mm；
——主銷直徑，取為50mm。
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)算載荷取：
(3.37)
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。
3.4整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來保證轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)汽車的車輪均能繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心在不同半徑的圓周上作無滑動(dòng)的純滾動(dòng)。為此，轉(zhuǎn)向梯形應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的理想轉(zhuǎn)向關(guān)系如公式（3.38）所示。因此，在設(shè)計(jì)中首先是要確定轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)，其次是進(jìn)行零件的強(qiáng)度計(jì)算。
汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞位于后軸延長線上的點(diǎn)滾動(dòng)，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點(diǎn)滾動(dòng)。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。由于影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，且難以精確確定，故下面是在忽略側(cè)偏角的影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問題。此時(shí)兩轉(zhuǎn)向軸線的延長線應(yīng)交在后軸延長線上，如圖3.5所示。設(shè)、分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角，為汽車軸距，為兩主銷中心線延長線到地面交點(diǎn)之間的距離。若要保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系為：
(3.38)
若自變角為，則因變角的期望值為：
(3.39)
轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)實(shí)際上不能完全精確地滿足公式（3.38）的要求，而只能以足夠的工程精度接近該式。即轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)使式（3.38）中的值不再是汽車的軸距，而是(見圖3.5)。若令,愈接近1，則該轉(zhuǎn)向梯形愈能精確地反映式（3.38）的要求，使轉(zhuǎn)向亦愈順暢。
（a）內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的理想轉(zhuǎn)角關(guān)系；（b）由轉(zhuǎn)向梯形決定的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系
圖3.5 不計(jì)輪胎側(cè)向彈性時(shí)的汽車轉(zhuǎn)向簡圖
由圖3-5（b）中的有：
（3.40）
代入得：
轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)有：兩轉(zhuǎn)向主銷中心線與地面交點(diǎn)間的距離,轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端球鉸接中心間的距離，轉(zhuǎn)向梯形臂長和梯形底角
。根據(jù)汽車的總體布置或轉(zhuǎn)向橋的布置圖，首先可找出汽車的軸距及轉(zhuǎn)向主銷間距,再按在圖(3-6)的關(guān)系曲線圖上找出，則有：
（3.41）
代入得：
圖3.6 轉(zhuǎn)向梯形簡圖及與的關(guān)系曲線
確定整體式后置轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何尺寸后就進(jìn)行校核，而校核前是按經(jīng)驗(yàn)公式確定梯形的初選尺寸，即認(rèn)為后置梯形的參數(shù)
從而求得：
(3.42)
代入得：
3.5本章小結(jié)
本章對掛車的前橋進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，主要有轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋前梁的設(shè)計(jì)計(jì)算、轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算、主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的設(shè)計(jì)計(jì)算、轉(zhuǎn)向梯形的計(jì)算。這些零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算都是從兩方面進(jìn)行的，即在制動(dòng)工況下和最大側(cè)向力（側(cè)滑）工況下，其中前梁的力學(xué)要求比較高，所以針對前梁做了ANSYS分析，進(jìn)一步對所設(shè)計(jì)的前梁進(jìn)行校核分析，以保證本設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
第4章 懸架的概述及選型
4.1 懸架的概述
懸架式保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)（車架或承載式車身）之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總稱。
懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架（或承載式車身）之間的一切力和力矩，并緩和汽車行駛過不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的行駛平順性。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接，依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷，并依靠其變形來吸收能量，達(dá)到緩和沖擊的目的。采用彈性聯(lián)接后，汽車可以看作是由懸掛質(zhì)量（即簧載質(zhì)量）、非懸架質(zhì)量（即非簧載質(zhì)量）和彈簧（彈性元件）組成的振動(dòng)系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動(dòng)力及傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。
掛車懸架是將掛車車架與車軸相連的全套裝置的總稱，其主要功能是傳遞作用在車輪和車架之間的各種載荷，并減少或消除由不平路面通過車軸傳給車架的沖擊和振動(dòng)，以改善掛車行駛的平順性。掛車的懸架也是由彈性元件、減震器和導(dǎo)向裝置三部分組成的。懸架彈性元件很多，但掛車常用的彈性元件主要有鋼板彈簧、空氣彈簧、液壓彈簧以及它們的組合。掛車的懸架應(yīng)用最普遍的是縱置鋼板彈簧非獨(dú)立懸架、獨(dú)立的或是非獨(dú)立的空氣彈簧懸架、鋼板彈簧平衡懸架和液壓彈簧平衡懸架等。我國現(xiàn)生產(chǎn)使用的通用型掛車半掛車仍然都裝用鋼板彈簧，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和工藝簡單，安裝維修方便，價(jià)格低廉，在緩沖功能方面也能基本滿足要求。在一些較大裝載質(zhì)量的掛車上，因其具有多軸承載，為保證各軸車輪與地面均有良好的接觸及使懸架系統(tǒng)的載荷均勻，多采用鋼板彈簧平衡懸架。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期，空氣彈簧的結(jié)構(gòu)更加成熟，并且功能更加多樣化，空氣彈簧懸架裝置的使用性能優(yōu)點(diǎn)越來越得到認(rèn)同。據(jù)報(bào)道，在空氣彈簧生產(chǎn)地的歐洲，目前已有超過50%的新型掛車使用了空氣彈簧懸架。但是由于對空氣囊的折疊疲勞壽命、抗老化性能、上下蓋板的粘接強(qiáng)度和氣密性都要求甚嚴(yán)，同時(shí)對托臂的板材質(zhì)量及變截面成形工藝設(shè)備也要求很高，因此使得空氣彈簧的成本很高。液壓懸架主要用于運(yùn)載大噸位成套設(shè)備的低速、超寬、超重噸位的掛車上。除了一些客車掛車外，一般掛車懸架很少次用橫向穩(wěn)定器裝置。
為了緩和列車的垂直振動(dòng)，希望所設(shè)計(jì)的懸架剛度要小。但懸架過軟，又容易引起車輛的縱向和側(cè)向角振動(dòng)，制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生不安全感，使車輛的操縱惡化。若懸架的剛度過大，則列車在通過不平路面時(shí)，將產(chǎn)生很大的沖擊和劇烈的垂直振動(dòng)，乘坐不舒適，駕駛員容易疲勞，所運(yùn)載的貨物也容易遭致?lián)p壞。理論和實(shí)踐還證明，在懸架中，若減振器的阻尼特性與系統(tǒng)剛度不匹配，懸架的振動(dòng)特性比不裝用減振器時(shí)還差。
4.2 前后懸架形式的選擇
掛車懸架設(shè)計(jì)要點(diǎn)：在設(shè)計(jì)汽車列車懸架時(shí)，必須解決以下幾個(gè)主要問題：①正確選擇彈性元件、減振器及導(dǎo)向裝置的最佳特性；②確定懸架所有零部件的最合理的結(jié)構(gòu)形式和尺寸；③保證懸架中各零部件的必要的可靠性和壽命；④使用維護(hù)費(fèi)用低，磨損部件少，潤滑點(diǎn)少，調(diào)整方便；⑤懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)與整車參數(shù)及有關(guān)系統(tǒng)具有最佳的匹配，保證列車具有良好的行駛性能。另外，所設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)還應(yīng)使輪胎的磨損量小、車輪的跳動(dòng)量最小、保證各車軸相互平行并始終與車架垂直、轉(zhuǎn)向軸主銷后傾角變化盡量小以及制造成本低廉等。
汽車列車懸架設(shè)計(jì)中的匹配問題：
汽車列車懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選型和匹配問題。首先，要決定懸架內(nèi)部質(zhì)量-彈性-阻尼的匹配，以獲得局部的彈性-阻尼特性；其次要進(jìn)行車輛前后軸懸架之間剛度的匹配和牽引車與掛車之間的剛度匹配，以改善車輛的垂直振動(dòng)特性和角振動(dòng)特性等。另外，在整個(gè)懸架設(shè)計(jì)過程中，不僅要涉及懸架本身的彈性和阻尼特性，即行駛平順性問題，還要涉及列車的操縱穩(wěn)定性和通過性能等。同時(shí)，它還必須與車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)裝置等有良好的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)或匹配。這就是說，懸架的設(shè)計(jì)還必須與整車參數(shù)和其他系統(tǒng)有良好的協(xié)調(diào)和配合。
在常見的縱置鋼板彈簧的非獨(dú)立懸架中，轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)向節(jié)使與前軸一起跳動(dòng)的，而轉(zhuǎn)向節(jié)搖臂球頭又與轉(zhuǎn)向直拉桿相連接。因此轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭的運(yùn)動(dòng)，既隨車架上下運(yùn)動(dòng)，又受到轉(zhuǎn)向直拉桿前后運(yùn)動(dòng)的牽連。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須使縱置鋼板彈簧與轉(zhuǎn)向直拉桿運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生干涉，否則，車輪或車架的振動(dòng)將會(huì)引起轉(zhuǎn)向車輪繞主銷的擺動(dòng)和轉(zhuǎn)向盤的抖動(dòng)，從而影響了汽車列車的操縱穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使轉(zhuǎn)向搖臂球頭中心布置在鋼板彈簧瞬時(shí)跳動(dòng)中心附近。本設(shè)計(jì)的前后懸架都是縱置鋼板彈簧懸架，是有副簧的鋼板彈簧，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維修方便、價(jià)格低廉。由主鋼板彈簧和副鋼板彈簧疊合而成，是貨車懸架常用的結(jié)構(gòu)形式。從受力情況而言，主、副鋼板彈簧是并聯(lián)的。當(dāng)汽車空載或是實(shí)際裝載質(zhì)量不大時(shí)，副簧不承受載荷而由主簧單獨(dú)工作。在重載或是滿載的情況下，車架相對車橋下移，使車架上的副簧滑板式支座與副簧接觸，即主、副簧共同參加工作，一起承受載荷而使懸架剛度增大，以保證車身振動(dòng)頻率不致因載荷增大而變化過大。如下圖4.1所示載貨汽車主、副鋼板彈簧后懸架。
1-主簧 2-副簧
圖4.1 載貨汽車主、副鋼板彈簧后懸架
4.3 本章小結(jié)
本章對掛車懸架進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與總結(jié)，之后對本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的懸架進(jìn)行了選取，本設(shè)計(jì)采用鋼板彈簧懸架，因?yàn)樗兄圃旌唵?、價(jià)格低廉、維修方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用主、副簧鋼板彈簧懸架，當(dāng)掛車所承載的載荷較小時(shí)，由主簧單獨(dú)起作用，當(dāng)掛車滿載或裝載質(zhì)量較大時(shí)，由主簧和副簧共同起作用?？梢愿玫耐瓿蓱壹艿淖饔煤捅匾难b載任務(wù)。
第5章 彈性元件的計(jì)算
5.1 懸架主要參數(shù)的確定計(jì)算
懸架靜撓度
懸架靜撓度是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度之比，既。
掛車前、后懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)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。因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)ε近似等于1，于是汽車前、后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。因此，汽車前、后部分車身的固有頻率和（亦稱偏頻）可用下列公式表示：
=；
=。 （5.1）
式中：1和2為前、后懸架的剛度；
m1、m2為前、后懸架的簧上質(zhì)量（kg）。
當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí)，前、后懸架的靜撓度可用下式表示：
fc1=；
fc2=。 （5.2）
式中：g為重力加速度，取g=981 ；
1和2為前、后懸架的剛度；
m1、m2為前、后懸架的簧上質(zhì)量（kg）。
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，后懸架期望滿載固有頻率取為。
所以，前懸架滿載固有頻率取為。
懸架動(dòng)撓度
懸架的動(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)，車輪中心相對車架（或車身）的垂直位移。要求懸架應(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。對貨車；取6～9cm。
懸架彈性特性
懸架受到的垂直外力與由此所引起的車輪中心相對于車身位移（即懸掛的變形）的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈性特性，其切線的斜率是懸架的剛度。
懸架的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當(dāng)懸架變形f與所受垂直外力之間成固定的比例變化時(shí)，彈性特性為直線，稱為線性彈性特性。對于空載與滿載時(shí)簧上質(zhì)量變化大的貨車和客車，為了減少振動(dòng)頻率和車身高度的變化，應(yīng)當(dāng)選用剛度可變的非線性懸架。本掛車前后懸架采用主副簧鋼板彈簧，為剛度可變的非線性彈性特性。
懸架主、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??；二是副鋼板彈簧接觸支架前、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撓度等于滿載時(shí)懸掛的撓度。
于是，可求得：
；
(5.3)
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：
(5.4)
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：
(5.5)
式中：——為副簧剛度；
——為主簧剛度；
——副簧、主簧的剛度比，。
主副簧的總剛度為：
(5.6)
式中：——為副簧剛度；
——為主簧剛度；
——副簧、主簧的剛度比，；
——掛車滿載時(shí)的固有頻率。
鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)
葉片的截面形狀
最常用的板簧材料為熱軋彈簧扁鋼，其截面形狀為上下表面平坦（允許稍向內(nèi)凹）。兩側(cè)為圓邊，半徑為厚度的0.65——0.85倍。由于板簧的疲勞破壞總是始于受拉伸的上表面，故下表面常采用如圖（b）,（c）,（d）所示，的拋物線側(cè)邊或單面單槽、單面雙槽形狀以使截面的中性軸向上移動(dòng)，減小拉伸應(yīng)力。通常認(rèn)為許用壓應(yīng)力可大于許用拉應(yīng)力，其比值達(dá)1.27——1.30.經(jīng)驗(yàn)表明，采用圖（b）、（c）、（d）截面的板簧與采用傳統(tǒng)圖（a）截面的板簧相比可節(jié)約10%——14%的鋼材，疲勞壽命約可提高30%。
（a）標(biāo)準(zhǔn)型 （b）拋物線側(cè)邊 （c）單面單槽 （d）單面雙槽
葉片的端部結(jié)構(gòu)圖5.1 葉片截面形狀
葉片的端部可以按其形狀和加工方式分為矩形、梯形（片端切角）、橢圓形（片端壓延）和片端壓延切斷四種，分別如圖（a）、（b）、（c）、（d）所示。其中矩形為制造成本最低的一種（由于對片端不做任何加工），但同時(shí)也是效果最差的一種。與壓延過的片端相比，再片端得接觸區(qū)域內(nèi)，傳遞的壓力更大也更集中，導(dǎo)致片間摩擦和磨損加劇。同時(shí)也是板簧的作用機(jī)理與“應(yīng)力方式”去甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致了板簧質(zhì)量的增大。梯形片端切角結(jié)構(gòu)比矩形有所改善，制造成本略有增加。片段壓延的橢圓形端部更接近于理想的“應(yīng)力形狀”，并且在接觸區(qū)內(nèi)壓力分布更均勻，片端片間摩擦磨損都有所減少，但需要專門的延壓設(shè)備。延壓后在切斷的端部結(jié)構(gòu)制造成本最高，效果也最好。
圖5.2 葉片端部結(jié)構(gòu)
鋼板彈簧端部的支撐形式
以板簧端部的支撐形式而言，可以大致分為卷耳和滑板（見圖）兩大類?；逍褪蕉嘁娪趦杉壥街鞲被蓱壹苤懈被傻闹魏推胶鈶壹苤邪鍙椈傻闹巍＞矶鶕?jù)其相對簧上平面的位置可以分為上卷耳、平卷耳和下卷耳三類，分別如圖（b）（ｃ）（ｄ）所示。其中平卷耳的縱向作用力可以直接傳遞給主片，減少了附加的對主片的卷曲力矩，下卷耳可用于對板簧的安裝位置或角度有特殊要求的情況（比如使軸轉(zhuǎn)向趨于不足轉(zhuǎn)向）但采用下卷方式時(shí)無法像上卷耳和平卷耳那樣可以在必要的時(shí)候用第二片加強(qiáng)卷耳，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)多用于軍用車輛或重型載貨汽車，其主要目的是為了在竹片斷裂時(shí)起支撐作用，還可以在懸架反彈時(shí)與主片共同擔(dān)負(fù)非簧載部分的重力。為了方便采用非各向同性的橡膠支撐以減緩懸架所受的水平?jīng)_擊。
圖5.3 卷耳形式
5.2 懸架的基本參數(shù)的計(jì)算
該載貨汽車前、后懸架的總負(fù)荷空載時(shí)，該載貨汽車前懸架空載時(shí)總負(fù)荷；FRO該載貨汽車后懸架空載時(shí)的總負(fù)荷。滿載時(shí)，得。
求總剛度：
。
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。
鋼板彈簧主要參數(shù)的確定
鋼板彈簧長度L的確定：
鋼板彈簧長度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板彈簧長度L能顯著降低彈簧應(yīng)力，提高使用壽命；降低彈簧剛度，改善汽車行駛的平順性；在垂直剛度C給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度。鋼板彈簧的縱向角剛度，是指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時(shí)，作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時(shí)，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長些的鋼板彈簧，會(huì)在汽車布置上時(shí)產(chǎn)生困難。原則上，在總布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長些。推薦掛車懸架前鋼板彈簧主簧長度L=（0.26-0.35）軸距，后懸架L=（0.35-0.45）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：
（5.7）
式中：——考慮U形螺栓夾緊板簧后的無效長度系數(shù)（剛性夾緊時(shí)=0.5，撓性夾緊時(shí)=0）；
S——U形螺栓中心距，取120mm；
——為撓度增大系數(shù)（先確定與主片等長的重疊片數(shù)n1，再估計(jì)一個(gè)總片數(shù)n0，求的η=n1／n2，然后用初定）；
——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450～550，后副簧為220～250。
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6～10范圍內(nèi)選取，取前后鋼板彈簧主副簧=100mm。
鋼板斷面形狀：
前后主副彈簧均采用矩形斷面形狀，其中性軸在鋼板斷面的對稱位置上，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)力絕對值相等。
鋼板彈簧片數(shù)：
根據(jù)掛車的總質(zhì)量及結(jié)構(gòu)形式，選取前后主簧的片數(shù)為=6片，副簧的片數(shù)為=5片。
鋼板彈簧各片長度的確定
鋼板彈簧各片長度就是基于實(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)既為各片長度。各片實(shí)際長度尺寸需經(jīng)過圓整后確定。
L/2
S/2
A
B
h33
圖5.4 確定鋼板彈簧各片長度得作圖法
由上述方法得到前鋼板彈簧主簧各片長度：1350mm、1100mm、940mm、780mm、610mm、450mm；副簧各片長度：1150mm、880mm、610mm、450mm、350mm，后鋼板彈簧主簧各片長度：1575mm、1325mm、1075mm、835mm、585mm、335mm；副簧各片長度：1330mm、1100mm、860mm、630mm、400mm。
鋼板總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑的計(jì)算
鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高
鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差（如圖5-5），稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高用公式計(jì)算
(5.8)
式中： 為靜撓度；
為滿載弧高；
為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后引起的弧高變化。
(5.9)
式中：為U形螺栓中心距；
L為鋼板彈簧主片長度；
為靜撓度；
為滿載弧高。
鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑
（5.10）
圖5.5 鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑
前鋼板彈簧：
主簧：
=15
=113.43
=15+113.43+16.6=145
副簧：
=15
=40.38
=15+40.38+8.4=63.78
后鋼板彈簧：
主簧：
=15
=97.02
=15+97.02+12.5=124.52
副簧：
=15
=34.54
=6.5+15+34.54=56.04
鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑的確定
因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同，裝配后各片產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其值確定了自由狀態(tài)下的曲率半徑Ri。各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是：使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能很好地緊貼，減少主片工作應(yīng)力，使各片壽命接近。
矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定：
（5.11）
式中：為第片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑（mm）;
為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑（mm）；
為各片彈簧預(yù)應(yīng)力（MPa）；
為材料彈性模量（MPa），取MPa；
為第片的彈簧厚度（mm）。
在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力的條件下，可以用公式（5.11）計(jì)算各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑。選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí)，要求做到：裝配前