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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，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)知識的認(rèn)識掌握，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)，取；
——掛車重心的高度，??；
——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，??；
——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，?。?
——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?。?
(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)樗兄圃旌唵巍r(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?。卷耳根據(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