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副车架设计说明书

摘要

本文是对侧倾式自卸汽车副车架总成设计的简要说明。

本文首先对自卸车的设计特点以及国内外发展现状做了相关的概述，简要介绍了自卸汽车的历史跟发展前景。

文中通过对所给参数进行分析论证，对副车架纵梁的尺寸参数、材料选择，横梁的参数设计、材料选择，纵梁与横梁之间连接结构，举升机构在副车架上的安装方式进行了设计。

在设计副车架总成纵梁的的过程中，充分考虑了自卸汽车的经济性跟使用功能。

在其他部件的设计过程中，充分考虑了它们之间的相互配合，使它们能够协调工作。

所设计的副车架总成能够满足预期期望。

提供车厢、举升机构的安装位置，改善自卸汽车主车架的应力分布情况。

关键字：

自卸汽车副车架总成，纵梁，横梁，连接结构安装位置，举升机构安装位置，设计

ABSTRACT

Thatdesignspecificationisasimpleexplanationforthedesignofasubframeforaroll-typedumptruck.

Inthatdesignspecification,asimplebutclearviewabouttheroll-typedumptruckwasgiventohelppeopleunderstandthehistoryoftheroll-typedumptruckbetter.Toachievethattarget,inthisdesignspecification,thedeputyframerails,thesubframebeams,theconnectionofthedeputyframerailsandthesubframebeams,theinstallationlocationofliftingmechanismmustbewelldesigned.

Thissubframecanachievetheexpectationoftheroll-typedumptruckasrequired.Andthatsubframealsoprovidesomeplacetoinstalltheliftingmechanismandthecompartment.Aspeopleexpect,italsocanmaketheroll-typedumptruckhaveabetterworksituation.Whendesignthesubframebeams,theeconomiceffectandthefunctionwasconsidered.Andsoontheothers.

Keywords:

subframeforaroll-typedumptruck，deputyframerails，subframebeams，locationofconnection，locationofliftingmechanism，design

第一章绪论

1.1课题的研究背景、意义

1.1.1、课题的研究背景

自卸汽车是利用汽车本身的发动机动力驱动液压举升机构，使车厢倾斜一定角度进行卸货，并依靠车厢自重自动落下复位的专用汽车。

目前，自卸汽车的应用相当广泛，随着我国建设速度的加快，对自卸汽车的需求量越来越大。

2007年自卸汽车产量为271830辆，2008年为242712辆。

其中，重型自卸汽车在2007年产量占自卸汽车总产量的44.9％，2008年为57.4％。

[1]

自卸汽车有多种不同的类型，通常按照用途可以分为两类：

①用于非公路运输用的重型和超重型自卸汽车，装载质量一般在20t以上，主要承担大型矿山、水利工地等的运输任务，通常与挖掘机配套使用，这类自卸汽车称为矿用自卸汽车，其长度、宽度、高度及轴荷不受公路法规限制，但是只能在工地、矿山或指定的地方使用；②用于公路运输的车辆，分为轻、中、重型自卸汽车，装载质量为2到20t，主要承担沙石、泥土、煤炭等松散物质的运输，通常与装载机配套使用，称为普通自卸汽车。

[2]

自卸汽车按照结构分类又可以分为后倾式自卸汽车、侧卸自卸汽车、三面卸自卸汽车和底卸式自卸汽车。

重型自卸汽车多采用侧倾式结构，以避免后倾式引起的失稳或卸货不完全等问题。

本课题就是针对总质量为26吨的重型侧倾式自卸汽车进行副车架总成设计。

1.1.2、课题的研究意义

自卸汽车的设计主要是根据用户需求，在定型的二类底盘上合理布置车厢、举升机构等零部件，使汽车具有自卸功能。

自卸汽车的副车架位于车厢底部与汽车底盘主车架之间。

副车架可以起到一个缓冲的作用，改善主车架的承载情况，避免集中载荷。

副车架通常通过U形螺栓和连接板等与主车架固定，副车架后端焊有铰接支座，车厢与副车架通过该铰链支座相连。

车厢在举升机构的作用下，绕着这个铰链支座转动。

副车架实际上就是自卸汽车车厢与自卸汽车主车架连接的一个缓冲带，在不破坏主车架的结构情况下，自卸汽车车厢跟自卸汽车主车架之间采用副车架过渡，可以改善自卸汽车主车架的承载情况，避免集中载荷。

副车架可以有效的保护主车架，延长自卸汽车的使用寿命。

副车架总成的设计有着很重要的现实意义。

重型自卸汽车装载质量大，对副车架的的要求更加严格。

采用刚性足够的副车架，可以使主车架纵梁所承受的载荷均匀分布，所受应力值较小，有效的避免了载荷集中，有利于增加车架纵梁的强度和寿命。

本课题的基本内容为：

1）根据给定的设计参数，确定副车架结构型式、尺寸；

首先，要根据前人经验预定好副车架的结构形式、尺寸，然后对副车架纵梁进行强度校核，使设计的副车架总成做到充分利用材料，以期达到用料结构性能与其经济性的良好结合。

2）设计副车架连接结构，主、副车架连接结构；

根据所读资料，初步选定副车架的连接结构有两种，一种是焊接，另一种是铆接。

焊接与铆接各自的特点在下文中会有叙述。

3）绘制副车架总成图，主、副车架连接总成图，组件装配图、零件图；

根据给定的基本内容进行副车架总成设计时，需要留意以下几点。

尽量使所设计的副车架总成能够很好的满足自卸汽车使用要求。

1）副车架截面形状及尺寸的设计；

自卸汽车副车架的截面形状一般与主车架的纵梁截面形状相同，多采用槽型结构。

在本设计中，副车架的纵梁初步设计成采用8mm钢板冲压成形。

2）副车架前端形状的设计；

副车架的前端形状设计的优劣直接影响到主车架的应力分布情况。

3）副车架在二类底盘上的布置；

副车架在汽车底盘上布置时,其前端应尽可能的往驾驶室后围靠近。

在满足轴荷分配的前提下，车厢与驾驶室的距离不宜太大，副车架前端离主车架拱形横梁的距离，一般在100mm之内，固定副车架的前面第一个U形螺栓距拱形横梁的距离一般控制在500～800mm的范围内。

[2]

4）副车架与主车架之间连接结构的设计；

当副车架固定在主车架上时，副粱与车架压紧缓冲垫后，副粱与车架上的连接支架之间还应保留20mm左右的间隙。

可采用多种结构形式的联接装置将副车架固定在主车架上。

主、副车架的连接有三种形式：

1、连接支架；2、止推连接板；3、U形螺栓。

[2]

5）副车架练接结构的设计；

1、选择合适的焊接工艺，焊接材料。

使焊接残余应力降到最小。

2、选择合适的铆接工艺，连接材料。

尽量使应力集中降到最小。

6）材料的选择及强度校核；

选定二类底盘后，进行副车架总体方案的设计时，应该在设计过程中考虑副车架自身结构、刚性分布等，要尽量符合主车架在承载状况下的变形规律，使副车架顺应主车架的扭曲，达到主、副车架的刚性尽量匹配合理。

副车架上还要设计出举升机构的安装位置。

在副车架的相关零部件结构设计中，根据主车架的横梁、纵梁的尺寸来确定副车架横梁、纵梁的尺寸。

根据主车架的纵梁截面形式选择副车架的纵梁截面形式。

主、副车架的截面形状一般相同。

主、副车架联接结构的设计。

连接支架应该和止推连接板配合使用。

一般布置是在后悬架前支座前用连接支架连接，后悬架前支座后用止推连接板连接，相邻的俩个止推连接板之间的距离在500～1000mm的范围内。

U形螺栓不能用在车架受扭转载荷最大的范围内。

第二章副车架总体方案设计

在专用汽车设计时，为了改善主车架的承载情况，避免集中载荷，同时也为了不破坏主车架的结构，一般多采用副车架过渡。

本车最大允许总质量为26T，在工作中可能会受较大的弯曲应力。

因此，本车副车架纵梁将采用抗弯性能较好的材料，材料为16MnL，即Q345钢。

这种材料在工程上一般用于汽车纵梁的生产制造。

在增加副车架的同时，为了避免由于副车架刚度的急剧变化而引起主车架上的应力集中，所以对副车架的形状、安装位置及与主车架的连接方式都有一定的要求。

专用汽车二类底盘选用CA3258P1K2BT1。

详细参数见表2-1。

表2-1CA3258P1K2BT1二类底盘尺寸

底盘型号

CA3258P1K2BT1

质量参数

底盘整备质量

7900kg

整备质量时前（后）轴荷

3535/4365kg

最大允许总质量

25490kg

前（后）轴允许最大载荷

5490/20000kg

性能参数

最高车速

92km/h

最大爬坡度

43%

加速行驶车外最大噪声

88dB（A）

最小转弯直径

16.8m

续驶里程

950km

最高档60km/h等速油耗

27L/100km

制动距离

≦36.7m

尺寸参数

总长

7290mm

总宽

2455mm

总高

2730mm

驾驶室翻转半径

前、后悬

1240/1200mm

轴距

3500+1350mm

轮距

1914/1847mm

空（满）最小离地间隙

245mm

接近角

30°

离去角

32°

重心至前轴中心距

2300mm

底盘重心高度

910mm

推荐车厢长度

5400mm

发动机

型号

CA6DE2

-24

CA6DF2

-24

CA6DF2

-26

最大功率（kw/rpm）

177/2300

177/2300

192/2300

最大扭矩（n.m/rpm）

890/1400

890/1400

930/1400

生产厂家

一汽集团

离合器

型式

单片、干式、膜片弹簧压紧式离合器，摩擦片外径430mm；机械式操纵机构

生产商

一汽集团

变速器

型号

CA7T156

型式

机械式变速器

生产商

一汽集团

车架

总量断面尺寸

280mm×90mm×8mm

加强板尺寸

264mm×82mm×5mm

车架总成宽度

865mm

车架上表面离地高度

1075mm

车架有效长度

（底盘/满载）后桥中心处车架

上平面至地面高度

1082/1034mm

悬架

前簧（长×宽×厚mm-片数）

1350×90×10-12

后簧（长×宽×厚mm-片数）

1350×100×20-10

辅助弹簧（长×宽×厚mm-片数）

底盘如图2-1。

图2-1CA3258P1K2BT1自卸车底盘车架总成图

自卸汽车副车架的总体方案设计就是在CA3258P1K2BT1自卸车底盘车架总成的基础上进行。

CA3258P1K2BT1自卸车底盘车架总成详细资料见附录1。

2.1副车架截面形状及尺寸的设计

专用汽车副车架的截面形状一般和主车架纵梁的截面形状相同，多采用如图2-2所示的槽形结构，其截面形状尺寸取决于专用汽车的种类及其承受载荷的大小。

对于随车起重运输车的副车架来说，在安装起重装置的范围内，应按如图2-3和图2-4所示的方式用一块腹板将副车架截面封闭起来，以提高副车架的抗扭和抗弯能力。

图2-2副车架的截面形状

图2-3加强后的副车架截面形状

1-副车架；2-腹板

图2-4加强腹板的位置

参照CA3258P1K2BT1二类底盘主车架车架纵梁端面尺寸（见表2-1，详见附录3），初步选定副车架纵梁端面尺寸为200mm×90mm×8mm。

所设计的副车架截面形状如图2-2。

腹板可根据实际情况补充添加，如果添加，其副车架的截面形状如图2-3。

2.2副车架前端形状的设计

为了避免由于副车架截面高度尺寸的突然变化而引起主车架纵梁的应力集中，副车架的前端形状应采用逐步过渡的方式。

例如采用如图2-2所示的3种过渡方式。

对于这三种不同形状的副车架前端，在其与主车架纵梁相接触的翼面上部加工有局部斜面，其斜面尺寸如表2-5所列：

h0=1mm；l0=12~20mm。

[2]

图2-5副车架的三种前端形状

（a）U形；（b）角形；（c）L形

表2-2副车架前端的结构尺寸

序号

类别

l

l0

h

h0

α

a

U形

（1.0～1.2）H

15～20mm

（0.6～0.7）H

1mm

b

角形

15～20mm

（0.2～0.3）H

1mm

＜30°

c

L形

＞H

15～20mm

（0.25～0.35）H

1mm

＜50°

如果加工上述形状困难时，可以采用如图2-6所示的副车架前端简易形状，此时斜面尺寸较大。

对于钢质副车架：

h0=57mm；l0=200mm～300mm。

[2]

对于硬木质副车架；h0=5mm～10mm；l0=H。

[2]

图2-6副车架前端简易形状

（a）刚质副车架；（b）硬木质副车架

本课题即采用图2-6副车架前端简易形状中的（a）刚质副车架。

初步选定其尺寸h0=57mm；l0=200mm。

2.3举升机构位置的设计

举升机构的液压油缸通过油缸支座铰接固定于副梁油缸支座横梁上，油缸可绕油缸下轴线在油缸支座内摆动。

油缸下销轴位于副车架对称面并平行于副梁的对称中心线。

副车架上的副梁油缸支座横梁形状如图2-7所示。

在本设计中，举升液压缸的安装铰支座是有两根横梁组成的。

如图，每根横梁上各自安装有轴承，这样的设计，在自卸汽车车厢侧倾的情况下，能够方便举升液压缸的安装。

图2-7副车架液压缸铰支座安装横梁

详细内容见cad图纸。

2.4连接结构安装位置的选择

副车架与主车架的连接常采用如下几种形式。

1）止推连接板[2]

图2-8是一种重型专用汽车（斯太尔）所采用的止推连接板的结构形状及其安装方式。

连接板上端通过焊接与副车架固定，而下端则利用螺栓与主车架纵梁腹板相连接。

止推板的优点在于可以承受较大的水平载荷，防止副车架与主车架纵梁产生相对水平位移。

相邻两个推止推连接板之间的距离在500～1000mm范围内。

图2-8止推连接板的结构

1-副车架；2-止推连接板；3-主车架纵梁

2）连接支架[2]

连接支架由相互独立的上、下托架组成，上、下托架均通过螺栓分别与副车架和主车架纵梁的腹板相固定，然后再用螺栓将上、下托架相连接，见图2-9所示。

由于上、下托架之间留有间隙，因此连接支架所能承受的水平载荷较小，所以连接支架应和止推连接板配合使用。

一般布置是在后悬架前支座前用连接支架连接，在后悬架前支座后用止推连接板连接。

图2-9连接支架

1-上托架；2-下托架；3螺栓

3）U形夹紧螺栓[2]

当选用其它连接装置有困难时，可采用U形夹紧螺栓。

但在车架受扭转载荷最大的范围内不允许采用U形螺栓。

当采用U形螺栓固定时，为防止主车架纵梁翼面变形，应在其内侧衬以木块，坦在消声器附近，必须使用角铁等作内衬。

图2-10是一种U形螺栓的实物图。

图2-10一种U形螺栓的实物图

综合考虑三种连接方式的特点、以及装配工艺性，本课题的连接结构方式选择止推连接板和连接支架两种形式。

自卸汽车主车架、副车架的具体连接位置尺寸参见附录2。

2.5铰支座位置的设计

本课题要求此侧倾式自卸汽车的车厢应当能够满足往左右倾斜卸货，以满足不同工况下的使用情况。

在副车架的两根纵梁上都安装铰支座、同时配合车厢上的铰支座，便可满足这一要求。

为了减轻铰支座上的载荷，每根纵梁上采用5个铰支座。

其安装位置如图2-11所示。

图2-11副车架上铰支座位置图

副车架上与车厢连接的铰支座具体位置在附录2里也有体现。

2.6副车架在二类底盘上的布置

侧倾式自卸汽车副车架在二类底盘上的布置应大体按照以下两个原则进行：

1）在保证自卸汽车使用安全、可靠的前提下，为了提高挠曲性、减小副车架刚度，应尽量减少副车架横梁的数量，以减少对纵梁扭转的约束。

2）当副车架结构刚性要求较高时，可在主、副车架的中间增加一层橡胶垫或软木。

这样，当主车架变形时可以用弹性橡胶或软木的变形来减弱副车架对主车架的约束。

副车架与主车架连接如图2-12所示。

图2-12副车架与主车架的连接

第三章副车架及相关零部件结构设计

3.1纵梁的设计

3.1.1纵梁结构、材料设计

副车架纵梁初步选用16MnL来制造，即Q345钢。

这种材料在工程上一般用于汽车纵梁的生产制造。

在本设计中，副车架纵梁已初步选定用8mm钢板冲压而成。

截面尺寸初步选为200mm×90mm×8mm。

腹板尺寸也为8mm，材料初步定为Q235。

3.1.1纵梁强度校核

纵梁的弯矩计算。

在实际使用状况下，主、副车架的受力情况比较复杂。

在车架的初始设计时，一般把对车架的强度校核简化为对车架纵梁进行弯曲强度校核。

在对车架纵梁进行强度校核时，作以下假设：

1、纵梁是支撑在悬架支座上的简支梁；2、所有作用力均通过车架纵梁断面的弯曲中心（即纵梁只发生纯弯曲）；空车簧载质量均匀分布在汽车左、右纵梁上；3、满载时的有效载质量为集中载荷（在平稳行驶工况下，满载时车厢内的货物易简化为均布载荷，卸货过程中并须按照集中力处理）；主、副车架为刚性连接，即主、副车架的桡度完全相同。

当满载时有效在质量作为集中力处理时，车架受力分析如下图3-1所示：

图3-1满载有效载荷作为集中载荷处理时的车架受力分析

其中Ge为有效载质量的集中载荷。

GefGer为前、后支架所承受的有效载质量。

由上装平衡条件计算可得：

（3-1）

（3-2）

Ff、Fr为前、后轴对车架的支反力。

由车架平衡条件计算可得：

（3-3）

（3-4）

Gs为空车簧载质量，取

（m0是汽车整备质量）。

在这种情况下，车架纵梁弯矩计算公式见下：

在平稳行驶时，自卸汽车的有效载质量可以简化为均布载荷。

在这种情况下，自卸汽车车架受到的弯矩的计算方法与上述不同。

本课题中，汽车弯矩的计算方法取第二种，即自卸汽车的有效载质量简化为均布载荷。

其受力分析图如图3-2。

图3-2

在这种情况下，

（3-5）

（3-6）

剪力计算公式：

（3-7）

弯矩计算公式：

（3-8）

在本设计中，经过计算，副车架（纵梁、横梁、与车厢的连接铰支座）的近似体积为：

纵梁：

V1=

=33440cm3

横梁：

V2=

=15912cm3

与车厢的连接铰支座：

V3=

=6520cm3；

V=V1+V2+V3=55872cm3；

又知道钢的密度为：

7.85g/cm3；

所以，副车架的质量为m=

=0.438t。

又因为底盘的整备质量为7.9t，自卸汽车的最大允许载质量为26t，故当汽车满载时，加在主、副车架上的质量共有17.662t。

均布载荷计算公式：

q=

（3-9）

M=17.721t；

g为重力加速度，此处取值9.8n/kg。

L为副车架的长度，即5.5m。

经过计算，均布载荷为q=31.47kn/m。

已知弯矩计算公式：

。

代入数据：

q=31.47kn/m，0

经过计算，最大弯矩发生在车架中部，Mmax=120.18kN/m。

主、副车架的弯矩计算

设在车架最大弯矩处，主车架纵梁的弯矩为Mz，副车架纵梁所受的弯矩为Mf，则有以下关系式：

（3-10）

（3-11）

（3-12）

（3-13）

式中，yf、yz是副、主车架的挠度；Ez、Ef是主、副车架纵梁材料的弹性模量；Jz、Jf是主、副车架纵梁的截面惯性矩。

假设主、副车架纵梁的材料基本一致，即Ez=Ef，则可得出副车架的最大弯矩：

（3-14）

截面惯性矩的算法

槽型钢跟腹板的组合可以近似认为为矩形截面粱，其近似形状见图3-3。

图3-3

矩形截面的对Z轴的截面惯性矩计算公式为：

（3-15）

文中已经说明，副车架的截面尺寸初步选定为200mm×90mm×8mm。

根据二类底盘主车架资料，其长度选定为5500mm。

即B=0.09m；H=0.2m；b=0.082m；h=0.184m。

带入数据求得副车架的截面惯性矩为：

0.000017432m4。

同理可得主车架的截面惯性矩为0.00002714m4。

根据公式：

，上文已求得车架的最大弯矩Mmax=120.18kN/m，并代入上述数据可求得：

副车架最大弯矩Mfmax=47.002kN/m。

对此预选副车架纵梁强度进行强度校核。

副车架纵梁最大动弯曲应力计算公式：

（3-16）

式中，Hf为副车架纵梁高度，其高度为200mm；[σfs]为副车架纵梁材料的许用应力。

代入数据，求得σfd=102.497Gpa＜[σfs]=345Gpa。

[σfs]查机械设计手册可得。

计算可得，此副车架能够满足强度要求。

为提高自卸汽车的经济性，减少底盘质量，决定减少副车架纵梁的高度，降为140mm。

在本设计中，经过计算，副车架（纵梁、横梁、与车厢的连接铰支座）的近似体积为：

纵梁：

V1=

=28160cm3；

横梁：

V2=

=13625cm3；

与车厢的连接铰支座：

V3=

=6520cm3；

V=V1+V2+V3=48305cm3；

又知道钢的密度为：

7.85g/cm3；

所以，副车架的质量为m=

=0.379t。

又因为底盘的整备质量为7.9t，自卸汽车的最大允许载质量为26t，故当汽车满载时，加在主、副车架上的质量共有17.721t。

均布载荷计算公式：

q=

M=17.721t；

g为重力加速度，此处取值9.8n/kg。

L为副车架的长度，即5.5m。

经过计算，均布载荷为q=30.886kn/m。

代入数据求得，副车架的截面惯性矩为0.2m4。

主车架的截面惯性矩为0.00002714m4。

副车架最大弯矩为：

Mfmax=17.746kN·m

对此副车架的纵梁进行强度校核。

副车架纵梁最大动弯曲应力：

（3-16）

式中，HfM为副车架纵梁高度；[σfs]副车架纵梁材料的许用应力。

代入数据，求得σfd=77.6Gpa＜[σfs]=345Gpa

[σfs]查机械设计手册可得。

此副车架总成设计能够满足自卸汽车的强度要求。

对副车架强度的校核公式观察可以发现，在一定条件下，副车架分得的弯矩虽其高度发生变化，其惯性截面矩的变化相对较小。

故，在一定条件下，其副车架的高度无论多少，都能达到其强度要求。

不过为了优化自卸汽车主车架的应力分析，副车架的总成高度不能再降低，副车架的截面尺寸选定：

140×90×8。

3.2横梁的设计

横梁的材料为Q235钢。

本课题中的自卸汽车是侧倾式的，举升液压缸有2个，故必须设计出2个举升液压缸的安装支座。

其具体位置详见附录2。

横梁的具体安装位置详见附录