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第1章 前言
車架和懸架系統(tǒng)是汽車設(shè)計(jì)的重要部分,因?yàn)樗鼈兊暮脡闹苯雨P(guān)系到汽車各個(gè)方面(操控、性能、安全、舒適)性能。
現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有作為整車骨架的車架。汽車絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架來固定其位置的,如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、駕駛室、貨箱和有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)。車架是支撐連接汽車的各零部件,并承受來自車內(nèi)、外的各種載荷,所以在車輛總體設(shè)計(jì)中車架要有足夠的強(qiáng)度和剛度,以使裝在其上面的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最小,車架的剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲,也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。過去對(duì)車輛車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算主要考慮靜強(qiáng)度。當(dāng)今,對(duì)車輛輕量化和降低成本的要求越來越高,于是對(duì)車架的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)有高的要求。首先要滿足汽車總布置的要求。汽車在復(fù)雜多邊的行駛過程中,固定在車架上的各總成和部件之間不應(yīng)發(fā)生干涉。汽車在崎嶇不平的道路上行駛時(shí),車架在載荷作用下可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形以及在縱向平面內(nèi)的彎曲變形;車架布置的離地面近一些,以使汽車重心位置降低,有利于提高汽車的行駛穩(wěn)定性。
懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間的一切傳力連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力(支撐力)、縱向反力(驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力)和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架(或承載式車身)上,以保證汽車的正常行駛。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要滿足以下幾點(diǎn)要求:
a.規(guī)范合理的型式和尺寸選擇,結(jié)構(gòu)和布置合理。
b.保證整車良好的平順性能。
c.工作可靠,結(jié)構(gòu)簡單,裝卸方便,便于維修、調(diào)整。
d.盡量使用通用件,以便降低制造成本。
e.在保證功能和強(qiáng)度的要求下,盡量減小整備質(zhì)量。
f.其它有關(guān)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
目前,農(nóng)用運(yùn)輸車不能滿足“三農(nóng)”市場(chǎng)需求,突出表現(xiàn)為一般產(chǎn)品生產(chǎn)能力過剩,技術(shù)水平低,質(zhì)量和維修服務(wù)水平差,價(jià)格較高,而市場(chǎng)急需的高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品不能滿足需求。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,在農(nóng)用運(yùn)輸車基礎(chǔ)上對(duì)低速載貨汽車車架及懸架系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
第2章 總體方案論證
2.1 設(shè)計(jì)選型原則
2.1.1車架的設(shè)計(jì)方案
根據(jù)縱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),車架可分為以下幾種方案:
a.周邊式車架,用于中級(jí)以上的轎車;
b.X形車架,為一些轎車所采用;
c.梯形車架,梯形車架是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。其彎曲剛度較大,而當(dāng)承受扭矩時(shí),各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車身、車箱和布置其他總成,易于汽車的改裝和變型,因此被廣泛地用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上;
d.計(jì)量式車架;
e.綜合式車架;
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及設(shè)計(jì)要求,選用方案c。
2.1.2 懸架的設(shè)計(jì)方案
a.前輪和后輪均采用非獨(dú)立懸架;
b.前輪采用獨(dú)立懸架,后輪采用非獨(dú)立懸架;
c.前后輪均采用獨(dú)立懸架;
非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是,左右車輪用一根整體軸連接再經(jīng)過懸架與車架(或車身)連接;獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是左右車輪通過各自的懸架與車架(車身)連接。
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及設(shè)計(jì)要求,選用方案a。
由于是載貨汽車,前后懸架均采用縱置半橢圓形鋼板彈簧,當(dāng)采用縱置鋼板彈簧作彈性元件時(shí),它兼起導(dǎo)向裝置作用。緩沖塊用來減輕車軸對(duì)車架(或車身)的直接沖撞,防止彈性元件產(chǎn)生過大的變形。裝有橫向穩(wěn)定器的汽車,能減少轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)車身的側(cè)傾角和橫向角振動(dòng)。
2.1.3整體設(shè)計(jì)方案
綜合上述兩方案確定了整體設(shè)計(jì)方案:梯形車架和前后懸架均采用縱置半橢圓形鋼板彈簧非獨(dú)立懸架。
2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
a.參與總體設(shè)計(jì);
b.車架、懸架結(jié)構(gòu)型式分析和主要參數(shù)的確定;
c.車架、懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第3章 主要尺寸參數(shù)的選定
3.1 外廓尺寸
我國對(duì)低速載貨汽車的限制尺寸是:總高不大于2.05米;總寬不大于2米;總長不大于6米。
3.2 質(zhì)量參數(shù)
3.2.1 裝載質(zhì)量
按要求取=1500kg
3.2.2 整備質(zhì)量
汽車的裝載量與整備質(zhì)量之比/稱為汽車的整備質(zhì)量利用系數(shù)。它表明單位汽車整備質(zhì)量所承受的汽車裝載質(zhì)量。參考國內(nèi)外同類型同級(jí)別的汽車整備質(zhì)量利用系數(shù)和查《汽車設(shè)計(jì)》表2-10,所以:
在輕型載貨汽車之列,所以滿足設(shè)計(jì)要求取。
3.2.3滿載質(zhì)量
3.2.4車架寬度
車架寬度是指左右縱梁腹板外側(cè)面之間的寬度。在總體設(shè)計(jì)中,整車寬度確定后,車架前后部分寬度就可以根據(jù)前輪最大轉(zhuǎn)向角、輪距、鋼板彈簧片寬、裝在車架內(nèi)側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)外廓寬度及懸置等尺寸確定。從提高整車的橫向穩(wěn)定性以及減小車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度來看,車架盡量寬些,同時(shí)前后部分寬度應(yīng)相等。以便簡化制造工藝和避免縱梁寬度變化處產(chǎn)生應(yīng)力集中。由(汽車設(shè)計(jì))表2-25取的車架寬860mm。
3.2.5軸距L
由總體設(shè)計(jì)取軸距2800mm。
第4章 車架總成設(shè)計(jì)
4.1 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
車架是支撐、連接汽車備總成的零部件,并承受來自車內(nèi)外的各種載荷的基礎(chǔ)構(gòu)件。傳統(tǒng)的梯形車架由于其所起到的緩沖、隔振、降低噪聲、延長車身使用壽命等特點(diǎn)及生產(chǎn)上的繼承性、工藝性等原因仍廣泛應(yīng)用在大型掛車上。貨車車架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?。同時(shí)要求其質(zhì)量盡可能小。此外,車架應(yīng)布置得離地面近一些,以降低整車重心位置,有利于提高汽車行駛的穩(wěn)定性。
圖4-1 車架結(jié)構(gòu)示意圖
4.1.1 縱梁形式的確定
縱梁是車架的主要承載部件,在汽車行駛中受較大的彎曲應(yīng)力。車架縱梁根據(jù)截面形狀分有工字梁和槽形梁。由于槽形梁具有強(qiáng)度高、工藝簡單等特點(diǎn),因此在載貨汽車設(shè)計(jì)中選用槽形梁結(jié)構(gòu)。另外為了滿足低速載貨汽車使用性能的要求,縱梁采用直線形結(jié)構(gòu)。這樣既可降低縱梁的高度,減輕整車自身重量,降低成本,亦可保證強(qiáng)度。材料選用16Mn低合金鋼,16Mn低合金鋼在強(qiáng)度,塑性,可焊性方面能較好地滿足剛結(jié)構(gòu),是應(yīng)用最廣泛的低合金鋼,綜合機(jī)械性能良好,正火可提高塑性,韌性及冷壓成型性能。
4.1.2 橫梁形式的確定
橫梁是車架中用來連接左、右縱梁,構(gòu)成車架的主要構(gòu)件。橫梁本身的抗扭性能的好壞及其分布,直接影響著縱梁的內(nèi)應(yīng)力大小及其分布 合理設(shè)計(jì)橫梁,可以保證車架具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。
從早期通過試驗(yàn)所得出的一些結(jié)論可以看出,若加大橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度,可以提高整個(gè)車架的扭轉(zhuǎn)剛度,但與該橫梁連接處的縱梁的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力會(huì)加大;如果不加大橫梁,而是在兩根橫梁間再增加橫梁,其結(jié)果是增加了車架的扭轉(zhuǎn)剛度,同時(shí)還降低了與橫梁連接處的縱梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
在橫梁上往往要安裝汽車上的一些主要部件和總成,所以橫梁形狀以及在縱梁上的位置應(yīng)滿足安裝上的需要。橫、縱梁的斷面形狀、橫梁的數(shù)量以及兩者之間的連接方式,對(duì)車機(jī)架的扭轉(zhuǎn)剛度有大的影響??v、橫梁材料的選用有以下三種:車架A:箱型縱梁、管型橫梁,橫、縱梁間采用焊接連接,扭轉(zhuǎn)剛度最大。車架B:槽型縱梁、槽型橫梁,橫、縱梁間采用鉚接連接,扭轉(zhuǎn)剛度適中。車架C:槽型縱梁、工字型橫梁,橫、縱梁間采用鉚接連接,扭轉(zhuǎn)剛度最小。
從以上三種車架的對(duì)比可以看出:低速載貨汽車應(yīng)該選用車架B。
本設(shè)計(jì)共有六根橫梁,有前橫梁,第二橫梁,第三橫梁,第四橫梁,第五橫梁,第六橫梁。
4.1.3 縱梁與橫梁的連接
轎車車架的縱、橫梁采用焊接方式連接,而貨車則多以鉚釘連接(見下圖)。鉚釘連接具有一定彈性,有利于消除峰值應(yīng)力,改善應(yīng)力狀況,這對(duì)于要求有一定扭轉(zhuǎn)彈性的貨車車架有重要意義。
圖4-2 車架鉚接示意圖
鉚接設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):
a.盡量使鉚釘?shù)闹行木€與構(gòu)件的端面重心線重合;
b.鉚接厚度一般不大于5d;
c.在同一結(jié)構(gòu)上鉚釘種類不益太多;
d.盡量減少在同一截面上的鉚釘孔數(shù),將鉚釘交錯(cuò)排列;
4.2 車架的技術(shù)要求
a.車架左右縱梁間的距離為860,而在車架前橫梁及轉(zhuǎn)向器范圍內(nèi)應(yīng)為860。
b.車架總成左右縱梁上表面應(yīng)在同一平面內(nèi),其不平度在全長上不大于3.0,且在轉(zhuǎn)向器固定處,該表面與縱梁側(cè)面的垂直度應(yīng)不大于0.5。
c.車架總成駕駛室前后固定點(diǎn)的相對(duì)位置尺寸應(yīng)符總裝圖要求,駕駛室后支點(diǎn)與前支點(diǎn)高度差為10。
d.在車架總成上,左右對(duì)稱的前后鋼板彈簧支架及吊耳支架其銷孔中心線應(yīng)在同一直線上,且與車架中心線垂直,偏差不大于1000:1.5,左右對(duì)稱支架的相對(duì)位置尺寸應(yīng)符合要求。
e.車架總成鉚接零件的接合面必須緊固無縫隙,緊接面的直徑應(yīng)不小于鉚釘直徑的1.5倍,且具有正確形狀不允許有傾斜,呲牙等缺陷,鉚接后的鉚釘頭和鉚釘中心線的不同軸度應(yīng)不大于1.0。
f.車架的全部鉚接部分應(yīng)仔細(xì)檢查,鉚后零件上不得有裂縫,若有裂縫須更換重鉚。
g. 車架總成車架第二橫梁連接的螺母應(yīng)裝置于車架的內(nèi)部。
第5章 車架的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 車架的計(jì)算:
5.1.1 縱梁彎曲應(yīng)力
彎矩M可用彎矩差法或多邊形法求得。對(duì)于載重汽車,可假定空車簧上重量Gs均布在縱梁全長上,載重Ge均布在車箱中,空車時(shí)簧上負(fù)荷 (對(duì)4X2貨車可取=2)整備質(zhì)量。
圖5-1縱梁彎曲應(yīng)力
由上圖得:
(5-1)
(5-2)
(5-3)
a=625mm,b=800mm,=2800mm,L=4225mm,,,。
將已知量代入上式得:
=6744.4N
=1.24m
=7352.03N.m
5.1.2局部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
相鄰兩橫梁如果都同縱梁翼緣連接,扭矩T作用于該段縱梁的中點(diǎn),則在開口斷面梁中扇性應(yīng)力可按下式計(jì)算:
(5-4)
式中 Iw—扇性慣性矩;
W—扇性坐標(biāo);
對(duì)于槽形斷面 ?
(5-5)
由材料力學(xué)表B-4熱軋槽鋼(GB/T-707-1988)查得
h=80mm,b=43mm,d=5.0mm,t=8.0mm
則mm
對(duì)于工字形斷面
5.1.3 車架扭轉(zhuǎn)時(shí)縱梁應(yīng)力
如橫梁同縱梁翼緣相連,則在節(jié)點(diǎn)附近,縱梁的扇性應(yīng)力:
(5-6)
式中 E—彈性模量,對(duì)低碳鋼和16Mn鋼:E=2.06;
—車架軸間扭角;
L—軸距;
節(jié)點(diǎn)間距;
a系數(shù),當(dāng)kL=0時(shí),a=6;kL=1~2時(shí),a=5.25。
車架扭轉(zhuǎn)時(shí),縱梁還將出現(xiàn)彎曲應(yīng)力,須和相加。
5.2 車架載荷分析
汽車靜止時(shí),車架上只承受彈簧以上部分的載荷稱為靜載荷。汽車在行駛過程中,隨行駛條件(車速和路面情況)的變化,車架將主要承受對(duì)稱的垂直動(dòng)載荷和斜對(duì)稱的動(dòng)載荷。
5.2.1 對(duì)稱的垂直動(dòng)載荷
這種載荷是當(dāng)汽車在平坦道路上以較高車速行駛時(shí)產(chǎn)生的,其值取決于作用在車架上的靜載荷及其在車架上的分布,還取決于靜載荷作用處的垂直加速度之值。這種動(dòng)載荷會(huì)使車架產(chǎn)生彎曲變形。
5.2.2 斜對(duì)稱的動(dòng)載荷
當(dāng)汽車在不平道路上行駛時(shí),汽車的前后幾個(gè)車輪可能不在同一平面上,從而使車架連同車身一起歪斜,其值取決于道路不平坦的程度以及車身、車架和懸架的剛度。這種動(dòng)載荷將會(huì)使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
由于汽車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使用工況多變,除了上述兩種主要載荷的作用外,汽車車架上還承受其他的一些載荷。如汽車加速或制動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致車架前后載荷的重新分配;汽車轉(zhuǎn)向時(shí),慣性力將使車架受到側(cè)向力的作用。一般來說,車架主要損壞的疲勞裂紋起源于縱梁和橫梁邊緣處,然后向垂直于邊緣的方向擴(kuò)展。在縱梁上的裂紋將迅速發(fā)展乃至全部斷裂,而橫梁上出現(xiàn)的裂紋則往往不再繼續(xù)發(fā)展或擴(kuò)展得很緩慢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料可知,車架的使用壽命主要取決于縱梁抗疲勞損傷的強(qiáng)度。因此,在評(píng)價(jià)車架的載荷性能時(shí),主要應(yīng)著眼于縱梁。
5.3 車架彎曲強(qiáng)度的計(jì)算
由于結(jié)構(gòu)的限制,車架必須滿足強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。
5.3.1 受力分析
為簡化計(jì)算,設(shè)計(jì)時(shí)做以下幾點(diǎn)假設(shè):
a.縱梁為支撐在前后軸上的簡支梁
b.空車時(shí)簧載質(zhì)量均布在左、右縱梁的全長上.
c.所有作用力均通過截面的彎心(局部扭轉(zhuǎn)的影響忽略不計(jì))
其中=413mm,=910mm,=906mm,=885mm,=835mm,
所以
5.3.2 彎矩的計(jì)算
總體設(shè)計(jì)中又知:車載質(zhì)量為=1500kg ,簧上整備質(zhì)量2000kg。
A.所以均布載荷集度q為:
圖5-2 車架載荷示圖
B.求支反力
由平衡方程得:
得:
把車架縱梁分為六段。如圖5-3所示:
圖5-3 縱梁分段受力示圖
當(dāng)時(shí):
剪力
彎矩
當(dāng)時(shí):
剪力
彎矩
當(dāng)時(shí):
剪力
彎矩
a. 變載面處的剪力和彎矩:
當(dāng)時(shí):
當(dāng)時(shí):
當(dāng)時(shí):
當(dāng)時(shí):
當(dāng)時(shí):
b. 求最大彎矩:
因?yàn)椋援?dāng)Q=0時(shí),彎矩最大
即,時(shí),彎矩最大
5.3.3 強(qiáng)度驗(yàn)算
實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)車速約40 km/h時(shí),汽車在對(duì)稱的垂直動(dòng)載工況下,其最大彎矩約為靜載荷下的3(卵石路)~4.7(農(nóng)村土路)倍,同時(shí),考慮到動(dòng)載荷作用下,車架處于受疲勞應(yīng)力狀態(tài),如取疲勞安全系數(shù)為1.15~1.4,可求得動(dòng)載荷下的最大彎矩:
可用下式來校核縱梁的彎曲強(qiáng)度:
(5-7)
式中: —— 縱梁的彎曲強(qiáng)度
—— 抗彎模量
如圖可知區(qū)域載面形狀和載面特性,即抗彎截面系數(shù)為:
(5-8)
, (5-9)
比較車架全長上受力分析可知:
最大受力可能發(fā)生在最大彎矩處或變載面處,求兩點(diǎn)的受力值加以比較求出安全系數(shù):
(5-10)
其中為材料的屈服應(yīng)力,取其值為345MPa
綜上所述:車架發(fā)生最大受力時(shí),靜載安全系數(shù)不小于1.43, 按上式求得的彎曲應(yīng)力不超過縱梁材料的疲勞極限。
5.4 車架扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的計(jì)算
5.4.1 受力分析
簡化設(shè)計(jì)計(jì)算,假設(shè)牽引橫梁為一根前懸架梁,共有七根主橫梁,分別為前端橫梁,工具箱橫梁,三根方形橫梁,一根矩形橫梁和后端橫梁,間距分別為=413mm, =910mm, =906mm, =885mm, = 835mm, =280mm。反載荷均勻分布在縱
圖5-4 車架在反對(duì)稱載荷作用下的受扭情況簡圖
1—6為橫梁;a—e為縱梁的區(qū)段
圖5-4為車架在反對(duì)稱載荷作用下的受扭情況簡圖。作用在車架上的四個(gè)力R位于前后車輪軸線所在的橫向鉛垂平面內(nèi)。
5.4.2 求最大扭矩
這時(shí)各橫梁的扭轉(zhuǎn)角相等。此外,縱橫梁單位長度的扭轉(zhuǎn)角亦相等。由于扭轉(zhuǎn)角與扭矩T,扭轉(zhuǎn)剛度存在以下關(guān)系:
(5-11)
式中:T——車架元件所受的扭矩,N·mm
L——車架元件的長度,mm
G——材料的剪切彈性模量,MPa
——車架元件橫斷面的極慣性矩,
因此,作用在車架元件上的扭矩與該元件的扭轉(zhuǎn)剛度成正比,故有
式中: ——橫梁1,2,…所受的扭矩;
——橫梁1,2,…橫斷面的極慣性矩;
——縱梁在1,2和1,2,…橫梁間所受的扭矩;
——縱梁在1,2和1,2,…橫梁間橫斷面的極慣性矩;
如果將車架由對(duì)稱平面處切開見圖5.8,則切掉的一半對(duì)尚存的一半的作用相當(dāng)于在切口橫斷面上作用著扭矩和橫向力。對(duì)最右邊的橫梁1取力矩的平衡方程式,則有
圖5-5 車架在反對(duì)稱載荷作用下的受力簡圖
(5-12)
由(5-11)式得:;;…
;;…
;…
將上式代入(5-12),經(jīng)整理后得:
(5-13)
式中:n——橫梁數(shù)為6;
M——兩橫梁之間的縱梁區(qū)段數(shù)為5;
C——車架寬為860mm;
L——前后橋的距離為2800mm;
a.求極慣性矩和抗扭截面系數(shù);
第6章 懸架的總成設(shè)計(jì)
6.1懸架的設(shè)計(jì)要求:
a.保證汽車有良好的行駛平順性和良好的操縱穩(wěn)定性。
b.具有合適的衰減振動(dòng)的能力。
c.汽車制動(dòng)或加速時(shí),保證車身穩(wěn)定,減少車身側(cè)傾,轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾角要合適。
d.有良好的隔聲能力。
e.結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小。
f.可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩,在滿足另部件質(zhì)量要小的同時(shí),還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命。
6.2懸架的兩種形式:
非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架
A.非獨(dú)立懸架如圖(a)所示。其兩側(cè)車輪安裝于一整體式車橋上,當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊力時(shí)會(huì)直接影響到另一側(cè)車輪上。
B.獨(dú)立懸架如圖(b)所示,其兩側(cè)車輪安裝于斷開式車橋上,兩側(cè)車輪分別獨(dú)立地與車架(或車身)彈性地連接,當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊,其運(yùn)動(dòng)不直接影響到另一側(cè)車輪。
圖6-1非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架
C. 鋼板彈簧又叫葉片彈簧,它是由若干不等長的合金彈簧片疊加在一起組合成一根近似等強(qiáng)度的梁。如下圖所示。鋼板彈簧3的第一片(最長的一片)稱為主片,其兩端彎成卷耳1,內(nèi)裝青銅或塑料或橡膠。粉沫冶金、制成的襯套,用彈簧銷與固定在車架上的支架、或吊耳作鉸鏈連接。鋼板彈簧的中間用U形螺栓與車橋固定。中心螺栓4用來連接各彈簧片,并保證各片的裝配時(shí)的相對(duì)位置。中心螺栓到兩端卷耳中心的距離可以相等,也可以不相等。為了增加主片卷耳的強(qiáng)度,將第二片末端也彎成半卷耳,包在主片卷耳和外面,且留有較大的間隙,使得彈簧在變形時(shí),各片間有相對(duì)滑動(dòng)的可能。鋼板彈簧在載荷作用下變形,各片之間因相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦,可促使車架的振動(dòng)衰減。各片間的干摩擦,車輪將所受沖擊力傳遞給車架,且增大了各片的摩損。所以在裝合時(shí),各片間涂上較稠的潤滑劑(石墨潤滑脂),并應(yīng)定期保養(yǎng)。
圖6-2鋼板彈簧示意圖
1. 卷耳;2. 彈簧夾;3. 鋼板彈簧;4. 中心螺栓;
鋼板彈簧可分為對(duì)稱式鋼板彈簧和非對(duì)稱式鋼板彈簧,對(duì)稱式鋼板彈簧其中心螺栓到兩端卷耳中心的距離相等,不等的則為非對(duì)稱式鋼板彈簧。我們?cè)O(shè)計(jì)的是對(duì)稱式鋼板彈簧,鋼板彈簧在載荷作用下變形,各片之間因相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦,可促使車架的振動(dòng)衰減,起到減振器的作用鋼板彈簧本身還兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用,可不必單設(shè)導(dǎo)向裝置,使結(jié)構(gòu)簡化,并且由于彈簧各片之間摩擦引起一定減振作用。
D.懸架系統(tǒng)中由于彈性元件受沖擊產(chǎn)生振動(dòng),為改善汽車行駛平順性,懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝減振器,為衰減振動(dòng),汽車懸架系統(tǒng)中采用減振器多是液力減振器,其工作原理是當(dāng)車架(或車身)和車橋間受振動(dòng)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),減振器內(nèi)的活塞上下移動(dòng),減振器腔內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)腔經(jīng)過不同的孔隙流入另一個(gè)腔內(nèi)。此時(shí)孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對(duì)振動(dòng)形成阻尼力,使汽車振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為油液熱能,再由減振器吸收散發(fā)到大氣中。在油液通道截面和等因素不變時(shí),阻尼力隨車架與車橋(或車輪)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增減,并與油液粘度有關(guān)。
減振器與彈性元件承擔(dān)著緩沖擊和減振的任務(wù),阻尼力過大,將使懸架彈性變壞,甚至使減振器連接件損壞。因面要調(diào)節(jié)彈性元件和減振器這一矛盾。
a .在壓縮行程(車橋和車架相互靠近),減振器阻尼力較小,以便充分發(fā)揮彈性元件的彈性作用,緩和沖擊。這時(shí),彈性元件起主要作用。
b .在懸架伸張行程中(車橋和車架相互遠(yuǎn)離),減振器阻尼力應(yīng)大,迅速減振。
c .當(dāng)車橋(或車輪)與車橋間的相對(duì)速度過大時(shí),要求減振器能自動(dòng)加大液流量,使阻尼力始終保持在一定限度之內(nèi),以避免承受過大的沖擊載荷。
在汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用的是筒式減振器,且在壓縮和伸張行程中均能起減振作用叫雙向作用式減振器,還有采用新式減振器,它包括充氣式減振器和阻力可調(diào)式減振器。
圖6-3雙向作用筒式減振器工作原理圖
雙向作用筒式減振器工作原理說明。在壓縮行程時(shí),指汽車車輪移近車身,減振器受壓縮,此時(shí)減振器內(nèi)活塞3向下移動(dòng)?;钊虑皇业娜莘e減少,油壓升高,油液流經(jīng)流通閥8流到活塞上面的腔室(上腔)。上腔被活塞桿1占去了一部分空間,因而上腔增加的容積小于下腔減小的容積,一部分油液于是就推開壓縮閥6,流回貯油缸5。這些閥對(duì)油的節(jié)約形成懸架受壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力。減振器在伸張行程時(shí),車輪相當(dāng)于遠(yuǎn)離車身,減振器受拉伸。這時(shí)減振器的活塞向上移動(dòng)?;钊锨挥蛪荷撸魍ㄩy8關(guān)閉,上腔內(nèi)的油液推開伸張閥4流入下腔。由于活塞桿的存在,自上腔流來的油液不足以充滿下腔增加的容積,主使下腔產(chǎn)生一真空度,這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液推開補(bǔ)償閥7流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。由于這些閥的節(jié)流作用對(duì)懸架在伸張運(yùn)動(dòng)時(shí)起到阻尼作用。
由于伸張閥彈簧的剛度和預(yù)緊力設(shè)計(jì)的大于壓縮閥,在同樣壓力作用下,伸張閥及相應(yīng)的常通縫隙的通道載面積總和小于壓縮閥及相應(yīng)常通縫隙通道截面積總和。這使得減振器的伸張行程產(chǎn)生的阻尼力大于壓縮行程的阻尼力,達(dá)到迅速減振的要求。
6.3懸架主要參數(shù)的確定:
6.3.1懸架靜撓度
懸架靜撓度是指汽車的滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度c之比即
(6-1)
汽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,是影響汽車行駛平順性的主要參數(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n1和n2(亦稱偏頻)可以用下式表示
n1=; n2= (6-2)
式中,c1、、c2為前后懸架的剛度(N/cm);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
=m1g/c1; =m2g/c2 (6-3)
式中,g為重力加速度,g=981cm/s2。
將、代入式(6-1)得到:
n1=5 n2=5 (6-4)
由(2)可知:懸架的靜擾度直接影響車身振動(dòng)的偏頻n。因此,要保證汽車有良好的行駛平順性,必須正確的選取懸架的靜擾度。在選取前、后懸架的靜擾度和時(shí),應(yīng)當(dāng)使之接近,并希望后懸架的靜擾度比前懸架的靜擾度小些,這有利于防止出身產(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,n1/n2<1時(shí)的車身縱向角振動(dòng)要比n1/n2>1時(shí)小,故推薦取:=(0.8~.9)??紤]到貨車前后軸荷的差別和駕駛員的乘坐舒適性,取前懸架的靜擾度值大于后懸架的靜擾度值,推薦=(0.6~.8)。貨車滿載時(shí),前懸架偏頻要求在1.50~2.10Hz,而后懸架則要求在1.70~2.17Hz。根據(jù)需要我選定:n1=1.3,n=1.5
將n1=1.3, n=1.5代入(6-4)得
=14.8cm,=11.1cm
6.3.2 懸架的動(dòng)擾度
懸架的動(dòng)擾度是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(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(duì)車架(或車身)的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)擾度,以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)貨車,取6~9cm。貨車車架的最大彎曲擾度通常應(yīng)小于10mm。貨車車架質(zhì)量約為整車整備質(zhì)量的1/10。
6.3.3 懸架彈性特性
懸架受到的垂直外力F與由此所引起的車輪中心相對(duì)于車身位移f(即懸架的變形)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。
圖6-4懸架彈性特性曲線
懸架的動(dòng)容量越大,對(duì)緩沖塊擊穿的可能性越小。對(duì)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。鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的彈性特性可視為線性的,而帶有副簧的鋼板彈簧均為剛度可變的非線性彈性特性懸架。
6.3.4 后懸架主、副簧剛度的分配
貨車后懸架多采用有主、副簧結(jié)構(gòu)的鋼板彈簧。
圖6-5貨車主、副簧為鋼板彈簧結(jié)構(gòu)的彈性特性
具體確定方法有兩種:第一種方法是使副簧開始起作用時(shí)的懸架擾度等于汽車空載時(shí)懸架的擾度,而使副簧開始起作用前一瞬間的擾度等于滿載時(shí)懸架的擾度。于是,可求得=。式中,F(xiàn)0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
(6-5)
式中:
為副簧剛度;
cm為主簧剛度。
用此方法確定的主、副簧剛度的比值,能保證在空、滿載使用范圍內(nèi)懸架振動(dòng)頻率變化不大,但副簧接觸托架前、后的振動(dòng)頻率變化比較大。
第二種方法是使副簧開始起作用時(shí)的載荷等于空載與滿載時(shí)時(shí)懸架載荷的平均值,即=0.5(F0+Fw),并使F0和間的平均載荷對(duì)應(yīng)的頻率與和間平均載荷對(duì)應(yīng)的頻率相等,此時(shí),副簧與主簧的剛度比為
(6-6)
用此方法確定的主、副簧剛度的比值,能保證副簧起作用前、后懸架振動(dòng)頻率變化不大。對(duì)于經(jīng)常處于半載運(yùn)輸狀態(tài)的車輛,采用此法較為合適。
5)懸架側(cè)傾角剛度及及其在前、后軸的分配
懸架側(cè)傾角剛度系指簧上質(zhì)量產(chǎn)生單位側(cè)傾角時(shí),懸架給車身的彈性恢復(fù)力矩。它對(duì)簧上質(zhì)量的側(cè)傾角有影響。側(cè)傾角過大或過小都不好。貨車車身側(cè)傾角不超過~。
6.4鋼板彈簧的設(shè)計(jì)
6.4.1鋼板彈簧的布置方案
縱置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩,并且結(jié)構(gòu)簡單,故在汽車上得到廣泛應(yīng)用。
縱置鋼板彈簧有對(duì)稱和不對(duì)稱之分,因大多數(shù)汽車采用對(duì)稱式鋼板彈簧所以我選用了對(duì)稱式鋼板彈簧。
6.4.2 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定
A.鋼板彈簧材料及許用應(yīng)力選用:
《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》單行本 彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件,7—112表7-11-6
材料:60Si2MnA, ,, 。
表7-11-7鋼板彈簧許用應(yīng)力
載重汽車的前板簧許用彎曲應(yīng)力;
載重汽車的后板簧許用彎曲應(yīng)力。
B.板彈簧設(shè)計(jì)與計(jì)算:
表7-11-8
半橢圓式板彈簧:
(6-7)
由已知滿載靜止時(shí)汽車前、后軸負(fù)荷G1、G2和簧下部分荷重Gu1、Gu2。單個(gè)鋼板彈簧的載荷:Fw1=和,懸架的靜擾度和動(dòng)擾度縱置鋼板彈簧,汽車的軸距。常取=10~20mm。
C.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。
貨車前懸架 =(0.26~0.35),后懸架=(0.35~0.45)。
前懸架主葉取=0.3;后懸架主葉取。
D.鋼板彈簧斷面尺寸及片數(shù)的確定
a.鋼板斷面寬度b的確定
對(duì)于鋼板彈簧
(6-8)
式中,s為U形螺栓中心距(mm);k無效長度系數(shù)(剛性夾緊:取k=0.5,擾性夾緊:取k=0);c為鋼板彈簧垂直剛度(N/mm),;為擾度增大系數(shù)(重疊片數(shù)n1,總片數(shù)n0,求得,再用;E為材料的彈性模量(MPa)。
鋼板彈簧總截面系數(shù)W0
W0 (6-9)
式中,為許用彎曲應(yīng)力。對(duì)于55SiMnVB或60Si2Mn等材料,表面經(jīng)噴丸處理后,推薦在下列范圍內(nèi)使用:前彈簧350~450MPa;后主簧450~550MPa;后副簧220~250MPa。
將式(6-9)代入下式計(jì)算鋼板彈簧的平均厚度
(6-10)
b.鋼板彈簧片厚h的選擇
矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩J0
(6-11)
式中,n為鋼板彈簧片數(shù)。
c.鋼板彈簧斷面形狀
圖6-6鋼板彈簧斷面形狀
d.鋼板彈簧片數(shù)n
多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6~14片之間選取,根據(jù)設(shè)計(jì)要求和計(jì)算取10片。
6.4.3 鋼板彈簧各片長度的確定
圖6-7鋼板彈簧各片長度
6.4.4 鋼板彈簧的剛度驗(yàn)算
剛度驗(yàn)算公式為
(6-12)
式中 :
為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),=0.90~0.94;??E為材料彈性模量; 、為主片和第k+1片的一半長度。
結(jié) 論
本課題是針對(duì)目前農(nóng)用運(yùn)輸車不能滿足“三農(nóng)”市場(chǎng)需求,突出表現(xiàn)為一般產(chǎn)品生產(chǎn)能力過剩,技術(shù)水平低,價(jià)格過高,質(zhì)量和維修服務(wù)水平差,而市場(chǎng)急需的高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)型的產(chǎn)品不能滿足市場(chǎng)需求。二十一世紀(jì),農(nóng)業(yè)機(jī)械要圍繞我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整要求,努力開發(fā)生產(chǎn)適用、先進(jìn)的農(nóng)用產(chǎn)品。
在市場(chǎng)的需求下,在老師的指導(dǎo)下,我們一組六人對(duì)YC1040低速載貨汽車做了簡要設(shè)計(jì),我主要對(duì)車架和懸架系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),通過設(shè)計(jì)知道了車架動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和路面引起的振動(dòng)與噪聲可通過車架與車身間的橡膠墊減振,使之不易傳到車身上和車廂內(nèi);便于車身的變形和改裝,汽車底盤和車身可分別裝配,但是,采用車架的汽車,其高度及質(zhì)量都會(huì)增大,也需要有大型壓力機(jī)制造。懸架以縱置鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)力懸架在載貨汽車上用的比較廣泛,其主要優(yōu)點(diǎn)是;結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,維修方便,工作可靠。缺點(diǎn)是:由于整車布置上的限制,鋼板彈簧不可能有足夠的長度(特別是前懸架),使之剛度較大,所以汽車平順性較差;簧下質(zhì)量大;在不平路面上行駛時(shí),左右車輪相互影響,并使車軸(橋)和車身傾斜;當(dāng)兩側(cè)車輪不同步跳動(dòng)時(shí),車輪會(huì)左右搖擺,使前輪容易產(chǎn)生擺振;前輪跳動(dòng)時(shí),懸架易于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉;當(dāng)汽車直線行駛在凹凸不平的路段上時(shí),由于左右兩側(cè)車輪反向跳動(dòng)或只有一則車輪跳動(dòng)時(shí),不僅車輪外傾角有變化,還會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性;汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),離心力也會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性;車軸(橋)上方要求有與彈簧行程相適應(yīng)的空間。
本次的設(shè)計(jì)方案是邊梁式車架和前后均采用縱置鋼板彈簧懸架,通過設(shè)計(jì),證明了我的設(shè)計(jì)方案是可行的,但是這畢竟是純理論的,如果將它投入到生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中進(jìn)行檢驗(yàn)和校正,相信會(huì)得到很好的完善。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] GB7258-2004 , 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].
[2] GB18320-2001 , 農(nóng)用運(yùn)輸車安全技術(shù)條件[S].
[3] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.
[4] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[5] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(上冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[6] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[7] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本(機(jī)械振動(dòng).機(jī)架設(shè)計(jì)) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[8]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本(聯(lián)接與緊固) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[9] 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)(設(shè)計(jì)篇)[M].北京:人民交通出版社,2001.
[10]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本(彈簧.起重運(yùn)輸件.五金件) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[11] QC/T 491-1999,汽車筒式減振器 尺寸系列及技術(shù)條件[S].
[12] QCn 29035-1991 ,汽車鋼板彈簧技術(shù)條件[S].
附 錄
1 車架總裝圖 YC1040-01-00 A0
2 車架前橫梁 YC1040-01-01 A2
3 車架第二橫梁 YC1040-01-02 A2
4 車架第三橫梁 YC1040-01-03 A2
5 車架第四橫梁 YC1040-01-04 A2
6 車架第五橫梁 YC1040-01-05 A2
7 車架第六橫梁 YC1040-01-06 A2
8 前保險(xiǎn)杠右支架 YC1040-01-07 A4
9 前保險(xiǎn)杠左支架 YC1040-01-08 A4
10 車廂前支架 YC1040-01-09 A3
11 車架第二橫梁右角板 YC1040-01-10 A4
12 車架第二橫梁左角板 YC1040-01-11 A4
13 車架第六橫梁右斜撐 YC1040-01-12 A3
14 車架第六橫梁左斜撐 YC1040-01-13 A3
15 車架第五橫梁撐角板 YC1040-01-14 A4
16 車架第三橫梁加固板(前左、后右) YC1040-01-15 A3
17 車架第三橫梁加固板(前右、后左) YC1040-01-16 A3
18 散熱器支架 YC1040-01-17 A4
19 懸架前鋼板彈簧 YC1040-01-18 A3
20 后懸架鋼板彈簧 YC1040-01-19 A3
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