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CSU1042 轻型货车底盘总体设计 目 录 1 绪论 1 1 1 载货汽车的现状及发展趋势 1 1 2 课题研究方法 2 1 3 论文构成及研究内容 3 2 汽车形式的选择 4 2 1 轴数选择 4 2 2 驱动形式的选择 4 2 3 布置形式的选择 5 3 车架 8 3 1 结构形式 8 3 2 主要尺寸和材料 8 4 汽车主要参数设计 9 4 1 主要尺寸 9 4 1 1 外廓尺寸 9 4 1 2 轴距 L 9 4 1 3 前轮距 B1 和后轮距 B2 10 4 1 4 前悬 Lf 和后悬 Lr 10 4 1 5 车头长度 11 4 1 6 货车车厢尺寸 11 4 2 整车质量参数的确定 11 4 2 1 整车整备质量 m0 11 4 2 2 载客量和装载质量 12 4 2 3 质量系数 m0 12 4 2 4 汽车总质量 ma 12 4 2 5 轴荷分配 12 4 2 6 质心位置 13 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 4 3 发动机的选择 14 4 3 1 汽缸排列形式冷却形式的选择 14 4 3 2 发动机冷却形式的选择 14 4 3 3 发动机类型选择 15 4 3 4 发动机的确定 15 4 3 5 发动机的悬置 15 4 4 轮胎 轮辋型号的选择 16 5 传动系传动比的确定 18 5 1 传动系最小传动比的确定 18 5 2 传动系最大传动比的确定 19 6 汽车性能参数的确定 21 6 1 动力性参数 21 6 1 1 最高车速 vamax 21 6 1 2 加速时间 21 6 1 3 行驶阻力 21 6 1 4 上坡能力 22 6 1 5 比功率 Pb 和比转矩 Tb 23 6 2 燃油经济性参数 23 6 3 最小转弯直径 Dmin 24 6 4 通过性几何参数 25 6 4 1 最小离地间隙 hmin 26 6 4 2 接近角 1和离去角 2 26 6 4 3 纵向通过半径 1 26 6 5 操作稳定性 27 6 5 1 转向特性参数 27 6 5 2 车身侧倾角 27 6 5 3 制动前俯角 27 6 6 制动性参数 28 6 7 舒适性 29 7 底盘系统分析与参数确定 30 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 7 1 传动系 30 7 1 1 离合器 30 7 1 2 变速器 31 7 2 行驶系 34 7 2 1 悬架 34 7 2 2 驱动桥 35 7 3 转向系 35 7 3 1 机械式转向器方案 35 7 3 2 转向器效率 36 7 4 制动系 37 7 4 1 制动管路分路统形式 37 7 4 2 制动器形式选择 37 8 汽车总体布置 39 8 1 整车布置的基准线 零线的确定 39 8 1 1 车架上平面线 39 8 1 2 前轮中心线 39 8 1 3 汽车中心线 39 8 1 4 地面线 39 8 1 5 前轮垂直线 39 8 2 发动机的布置 40 8 2 1 发动机的上下位置 40 8 2 2 发动机的前后位置 41 8 2 3 发动机的左右位置 41 8 3 传动系的布置 42 8 4 转向装置的布置 42 8 4 1 转向盘 42 8 4 2 转向器的位置 42 8 5 制动系的布置 43 8 6 悬架的布置 43 8 7 踏板的布置 43 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 8 8 油箱的布置 44 8 9 备胎的布置 44 8 10 蓄电池的布置 44 9 运动校核 45 9 1 传动轴的校核 45 9 2 转向传动机构与悬架运动的校核 47 10 结论 50 参考文献 51 致谢 52 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 1 页 共 52 页 1 绪论 1 1 载货汽车的现状及发展趋势 载货汽车现状 轻型载货汽车是指总质量为1 8 6t 的货物运输汽车 该车型主要承担城乡间中短途 运输任务 市场需求很大 得益于整体经济形势和国家汽车下乡政策回暖 轻型货车增长态势良好 其主要原 因有如下几个方面 1 整体经济的复苏与发展 生产运输的市场需求大 带动了轻型载货汽车产业 又随着农村市场的开拓 在农村也可以作为代步工具 轻型载货汽车的优势得 以体现 2 政府的宏观调控 汽车下乡等政策促进了消费市场 3 经济性要求 随着国际市场燃油价格的上涨 燃油附加税的出现 基于运输成 本的考虑 轻型重型载货汽车更有优势 中型载货汽车在逐渐减少 从增长具体数据来看 09 年上半年 我国轻型载货汽车产销量分别达到74 90 万辆 和74 48 万辆 同比增长8 4 和6 04 目前市场上主要是柴油发动机轻型载货汽车 产品技术发展趋势 轻型载货汽车技术发展趋势是动力柴油机化 配置高档化 制造精细化 轻量化 环保化 电子化 其发展重点是经济性 动力性 环保性 安全性 舒适性和可靠性 我国载货汽车柴油机化倾向日趋明显 据统计 2009 年柴油机轻型货车占轻型货 车的90 以上 现代车用柴油机的震动 噪声 排放指标已达到与汽油机相同的水平 今后柴油机发展方向为采用高压共轨燃油喷射系统 广泛采用可变几何涡轮增压器 冷 却式废气再循环系统 电动气门等技术 使柴油机动力性 经济性 环保 节能技术提 高到更高水平 采用机电一体化技术 提高汽车的安全性 提高汽车的安全性 舒适性和操纵方便 性 广泛采用ABS 采用三点式安全带和安全气囊 逐渐向高端发展 不仅要求装CD 音 响 电动车窗 冷暖空调等 而且更加注重人性化设计 合理布置室内乘坐空间 对座 椅全新设计 增强乘坐舒适性 整车平顺性 操纵稳定性也向轿车水平靠拢 比如采用 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 2 页 共 52 页 前 后桥的独立悬挂 动力转向等装备 并采取合理分配前 后桥的轴荷 降低重心 宽轮距 大轴距等手段 将人机工程研究成果用于仪表板 控制按键和操纵杆件的设计 便于驾驶操作 使轻型载货汽车逐渐趋于高档化和豪华化 对驾乘安全的考虑日益全面 将采用吸收冲击能的方向盘 可平方式转向柱 重视 汽车安全性研究和安全车身的开发设计 特别是平头车耐撞压性能的研究 开发行的车 身结构 采用高强度材料 增加整车的安全性 采用计算机辅助设计手段进行车身的耐 撞模拟分析以及实车耐撞性试验 2 利用先进的现代设计方法和制造技术 从产品的概念设计到计算机辅助工艺设计到 整车的检测检验等环节实施数字化设计和管理 以实现轻型车的精细化设计和制造 注重汽车的轻量化设计 以科学的态度和方法对整车及零部件进行优化设计 分析 和试验 改变盲目的 粗壮笨重 的设计概念 1 2 课题研究方法 进行总体设计工作应满足如下基本要求 2 1 尽最大可能地去贯彻三化 即零件标准化 部件通用化和产品系列化 2 考虑使用条件的复杂多变 3 重视汽车使用中的安全 可靠 经济和环保 4 车身设计既重视工程要求更注重外观造型 5 在保证可靠性的前提下尽量减小汽车的自身重量 6 严格遵守和贯彻有关法规 标准中的规定 7 进行有关运动学方面的校核 保证汽车有正确的运动和避免运动干涉 8 拆装与维修方便 进行设计时 先了解汽车的构造 汽车是由动力装置 底盘 车身 电器及仪表等 四部分组成 而底盘又包括传动系统 行驶系统 转向系统 制动系统 3 总体设计应 从汽车的外廓尺寸 主要参数 各组成部分的形式和型号选择几方面来设计 设计时考 虑达到以上的基本要求以及动力性 经济性 通过性 操纵稳定性 制动性 舒适性 排放性等要求 并根据有关标准及规定或参考已有的研究成果来确定关键参数 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 3 页 共 52 页 1 3 论文构成及研究内容 论文主要包括 1 汽车形式的选择 2 车架 3 汽车主要参数设计 4 传动系传动比的确定 5 汽车性能参数的确定 6 四大系统分析与参数确定 7 汽车总体布置 8 运动校核 主要研究内容为 1 从技术先进性 生产合理性和使用要求出发 正确选择性能指标 质量和主要 尺寸参数 提出总体设计方案 为各部件设计提供整车参数和设计要求 2 对各部件进行合理布置和运动校核 3 如何对整车性能进行合理的计算和控制 保证汽车主要性能指标实现 4 如何协调好整车与总成之间的匹配关系 配合总成完成布置设计 使整车的性 能 可靠性达到设计要求 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 4 页 共 52 页 2 汽车形式的选择 根据给定装载质量 整车质量 最高车速 货箱面积 整车长度 乘员数量及满载 时的前轴载荷等相关参数进行汽车总体设计 计算并匹配合适功率的发动机 轴荷分配 和轴数 确定主要尺寸参数等 已知设计参数如表 2 1 表表 2 1 已知设计参数已知设计参数 汽车型号 装载质量 me kg 整备质量 m0 kg 最大车速 Km h 货箱面积 m2 乘员 人 整车长度 mm CSU1042 2000 2100 95 5 5 2 4800 根据以上已知设计参数 经查有关书籍得以下初步总体设计方案 2 1 轴数选择 汽车轴数的选择应根据车辆的用途 总质量 使用条件 公路车辆法规和轮胎负载 能力等方面因素综合考虑 1 汽车轴数增加以后 不仅轴 而且车轮 制动器 悬架等 相应增加 使整车结构变得复杂 整备质量以及制造成本增加 1 若转向轴数不变 汽 车的最小转弯半径又增大 后轴轮胎的磨损速度也加快 1 根据国家道路交通法规 设计规范及汽车的用途可知 包括乘用车以及汽车总质量 小于 19t 的公路运输车辆和轴荷不受道路 桥梁限制的不在公路上行驶的车辆 均采用 结构简单 制造成本低廉的两轴方案 1 根据本设计给定的货车额定载荷和整备质量的 上限 两者之和为 4100kg 加上成员的质量 总质量远远小于 19t 故设计采用两轴方 案 2 2 驱动形式的选择 汽车的驱动形式有4 2 4 4 6 2 6 4 6 6 8 4 8 8 等 其中前一位数字表 示车轮总数 后一位数字表示驱动轮数 1 汽车的驱动形式常由汽车的使用条件 通过 性和平顺性等条件决定 增加驱动轮数能提高汽车的通过能力 驱动轮数越多 汽车的 结构越复杂 整备质量和成本也随之增加 同时也使汽车的总体布置工作变得困难 4 2 布置的汽车结构相对简单 制造成本相对低 一般用在乘用车 客车和总质量小于19t 的 公路用车上 1 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 5 页 共 52 页 设计时要考虑各轴的最大负荷不能超过国家标准的规定 汽车及挂车单轴最大允许 轴荷限值见表 2 2 1 表表 2 2 汽车及挂车单轴的最大允许轴荷汽车及挂车单轴的最大允许轴荷 车辆类型 最大允许轴荷限值 kg 挂车及二轴货车 每侧单轮胎 6000 每侧双轮胎 10000 客车 半挂牵引车及三轴以 上 含三轴 货车 每侧双轮胎 7000 每侧双轮胎 非驱动轴 10000 驱动轴 11500 安装名义断面宽度超过 400 公制系统 或 13 00 英制系统 轮胎的车轴 其最大允许载荷不得超过各轮胎规 定的负荷之和 其最大限制为 10000kg 装备空气悬架时最大允许轴和的最大限值为 11500kg 综合上述各种因素 本设计货车总质量为 4t 左右 采用 4 2 的驱动形式 后轮双 胎并装 2 3 布置形式的选择 汽车的布置形式是指发动机 驱动桥和车身 或驾驶室 的相互关系和布置特点而言 汽车的使用性能除取决于整车和各总成的有关参数外 其布置形式对使用性能也有重要 影响 货车的布置相对简单 较多采用发动机前置后轮驱动方案 9 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 6 页 共 52 页 a 发动机位于前轴之上 驾驶室之前 b 发动机位于前轴之上 部分深入驾驶室 c 发动机位于前轴之上 驾驶室的正下方 d 发动机位于前轴之后 驾驶室的后下方 图 2 1 货车的布置方案 发动机位于前轴之上 驾驶室之前 这种布置一般为长车头外形 如图2 1 a 所示 俗称 长头车 这种布置形式的主要优点是 驾驶室相对靠后 正面碰撞的缓冲区长 安全系数高 发动机维修的接近性好 驾驶室离发动机较远 振动 噪声和热量对驾驶室的影响较小 发动机散热性能好 驾驶室的地板高度较低 上下车相对比较方便 驾驶室布置容易 汽车的操纵机构简单 易于布置 轴荷分配比较合理 这种布置形式的主要缺点是 车 身前部较长 转弯半径较大 由于车头部分体积较大 货箱相对整车的面积利用率较低 由于车头突出 前部视野较差 1 发动机位于前轴之上 部分深入驾驶室 这种方案是在前一方案的基础上将驾驶室 前移 使前悬变短 故称 短头车 如图2 1 b 所示 这种布置形式的主要优点是 相对于长头车 其视野有显著提高 货箱的面积利用 率提高 改善了长头车的机动性能和外形尺寸过大的问题 这种布置形式的主要缺点是 由于驾驶室前移 发动机占用了部分驾驶空间 故须抬高驾驶室地板 影响驾乘人员出 入的方便性 发动机维修的接近性和维修方便性变差 发动机的振动 噪声和热量较容 易传入驾驶室 驾驶室布置较困难 1 发动机位于前轴之上 驾驶室的正下方 采用这种布置时 车头常采用较平坦的造 型 即所谓 平头车 如图2 1 c d 所示 这种布置形式的主要优点是 可以获得最短的轴距和车长 由于减少了车身的尺寸 可以降低整车整备质量 机动性和视野良好 前面驾驶区缩短 可以大大提高后货箱面 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 7 页 共 52 页 积的利用率 1 这种布置形式的主要缺点是 驾驶室容易受到发动机的振动 噪声 热量等影响 发动机占用部分驾驶室空间 发动机罩突出于驾驶室内正副驾驶座之间 中间不易布设 座位 大多数采用翻转式驾驶室 操纵机构相对复杂 驾驶室地板高 一般采用多级踏 步 上下车不便 由于货箱相对整车的面积利用率较高 载货量大 优点相对突出 此 种方案目前在轻型和中型载货汽车上应用非常广泛 1 本设计货车主要用于城镇短途运输 对面积利用率 机动性要求较高 所以选择平 头式作为其布置形式 选择发动机前置后轮驱动形式 主要优点是 可以采用直列 V 型或者卧式发动机 发现发动机故障容易 发动机的接近性良好 维修方便 离合器 变速器等操纵机构的 结构简单 容易布置 货箱地板高度低 1 参考车型 长安 SC1040S 和 EQ1050G46D3 11 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 8 页 共 52 页 3 车架 3 1 结构形式 车架是汽车的机基体 一般由两根纵梁和几根横梁组成 经由悬挂 前桥等装置支 承在车轮上 要求具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击 2 图 3 1为CA1040轻型载货汽车的车架 图3 1 轻型解放车架 CA1040 纵梁的上表面沿全长不变 两端的下表面适当向上收缩 采用全长等宽车架 3 2 主要尺寸和材料 总体设计中 根据国家标准以及以前 后围的要求 并参考同型其他车 确定车架 宽度K为750mm 货车车架的组装采用冷铆工艺 铆钉连接具有一定的弹性 有利于消除峰值应力 改善应力状况 车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限 低的应力集中敏感性 良好的冷冲压性能和焊接性能 1 常用车架材料在冲压成形后的疲劳强度均为140 160MPa CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 9 页 共 52 页 4 汽车主要参数设计 4 1 主要尺寸 4 1 1 外廓尺寸 汽车的长 宽 高称为汽车的外廓尺寸 在公路和市内行驶的汽车最大外廓尺寸受 到有关法规限制 不能随意确定 GB 1589 2005 道路车辆外廓尺寸 轴荷及质量限 值 规定的汽车外廓尺寸见表4 1 1 表表4 1 货车及半挂牵引车外廓尺寸的最大限值货车及半挂牵引车外廓尺寸的最大限值 车辆类型 总长 总宽 总高 货车及半 挂牵引车 二轴 最大设计总质量 3500kg 6000 2500 4000 最大设计总质量 3500kg 且 8000kg 7000 最大设计总质量 8000kg 且 12000kg 8000 最大设计总质量 12000kg 9000 三轴 最大设计总质量 20000kg 11000 最大设计总质量 20000kg 12000 综上所述 参考现有车型长安SC1040S的尺寸 结合设计要求 货箱面积不低于 5 5m2 整车长度不低于4800mm参照CA1040 11 取外廓尺寸长 宽 高 5700 1900 2180 单位 mm 4 1 2 轴距 L 轴距 汽车前轮中心点到后轮中心的距离 L 对整备质量 汽车总长 最小转弯直径 传动轴长度 纵向通过半径 轴荷分配等都有影响 1 轴距选择必须在合适的范围 轴 距过短会使车厢长度不足或后悬过长 上坡或制动时轴荷转移过大 汽车制动性能和操 纵稳定性变差 车身纵向振动角过大 汽车的平顺性变差 万向传动轴夹角也会增大 1 一般来说 级别高的乘用车以及装载量较大的货车或载客量较大的客车 轴距一般 较长 对机动性能要求高的汽车轴距一般较短 为了满足市场需求 汽车厂商在标准轴 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 10 页 共 52 页 距货车的基础上衍生出短轴距和长轴距的变形车 其轴距变化推荐为0 4 0 6m 1 各类汽车的轴距和轮距如表 4 2 1 并参考车型长安 SC1040S 取 轴距 3200mm 表表4 2 4 2货车货车的轴距和轮距的轴距和轮距 总质量ma t 轴距 L m 轮距B m 2 2 1 7 2 9 1 15 1 35 2 2 3 0 2 3 3 2 1 30 1 50 3 5 5 0 2 6 3 3 1 40 1 65 6 0 9 0 3 6 4 2 1 70 1 85 10 0 14 0 3 6 5 5 1 84 2 00 14 0 17 0 4 5 5 6 1 84 2 00 4 1 3 前轮距 B1 和后轮距 B2 改变汽车轮距B会影响车厢或驾驶室内宽 汽车总宽 总质量 侧倾刚度 最小转 弯直径等 受汽车总宽不得超过2 5m的限制 轮距不宜过大 1 但在选定的前轮距B1范 围内 应能布置下发动机 车架 前悬架和前轮 并保证有足够的转向空间 同时转向 杆系与车架 车轮之间有足够的运动间隙 在确定后轮距B2时 应考虑车架两纵梁之间 的宽度 悬架宽度和轮胎宽度及它们之间应留有必要的间隙 2 前轮距 B1 和后轮距B2 的选取还必须要考虑整车的宽度和整车的美观 根据表 4 2 提供的数据 并参考长安 SC1040S 取前轮距 1 5m 后轮距 1 4m 4 1 4 前悬 Lf 和后悬 Lr 汽车的前悬是通过两前轮中心的垂直地面与抵靠在车辆最前端并垂直于汽车纵向 对称平面的垂直面之间的距离 其长度应能布置发动机 水箱 转向器等部件 但不能 过长 不然接近角太小 影响汽车通过性 2 后悬是通过汽车最后车轮轴线的垂面与抵 靠在汽车最后端并垂直于汽车纵向对称平面的垂直面之间的距离 其长度主要取决与货 厢的长度 轴距和轴荷分配的要求 对于货车而言 其后悬长度主要取决于货箱 轴距 和轴荷分配要求 轻型 中型货车后悬一般控制在 1200 2200mm 特长货箱汽车的后 悬一般控制在 2600mm 但不得超过轴距的 55 1 参考同类车型 取 前悬 1080mm 后悬 1420mm CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 11 页 共 52 页 4 1 5 车头长度 货车车头长度指从汽车的前保险杠到驾驶室后围的距离 1 车头长度尺寸对汽车外 观 驾驶室的容积 发动机维修的方便性都有很明显的影响 对于平头型货车车头一般 控制在 1400 1500mm 故取 1400mm 4 1 6 货车车厢尺寸 车厢尺寸要考虑汽车的用途参考同类车型选取 但必须保证运送散装煤和袋装粮食 时能装足额定的装载质量 车厢边板高度对汽车装载货物后的质心高度以及货物装卸的 方便性有很大的影响 一般在 450 650mm 范围内选取 3 我国对汽车的宽度有明确规 定 在适合国家标准的前提下 可适当取宽值 参考同类车型长安 SC1040S 的车厢尺寸 取 4200 1800 450mm 4 2 整车质量参数的确定 4 2 1 整车整备质量 m0 整车整备质量m0 是指车上带有全部装备 包括备胎 随车工具等 加满燃料 冷却 水等 但没有装载货物和人时的整车质量 1 整车整备质量对汽车的制造成本和燃油经济性均有影响 尽可能减小整车整备质量 主要是为了增加装载量或载客量 抵消为满足安全标准 排气净化标准和噪声标准所带 来的整备质量的增加 减少燃料消耗 1 减少整车整备质量的措施主要有 采用高强轻 质的材料 如塑料 铝合金等 合理设计 优化结构 减小整车整备质量是汽车设计人 员设计工作中应该遵循的重要原则 整车整备质量一般在设计阶段进行估算确定 在日常工作中 收集大量同类型汽车 的各总成 部件和整车相关的质量参数 结合新车设计的结构特点 工艺水平等进行各 总成 部件的质量计算 再累积估算构成整车整备质量 综上所述 结合设计要求整车整备质量不大于2100 Kg 所以取为2050 Kg CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 12 页 共 52 页 4 2 2 载客量和装载质量 根据给定的参数 本车设计为 2 人坐 给定的载质量为 me 2000 kg 4 2 3 质量系数 m0 质量系数 m0是指汽车载质量与整车整备质量的比值 即 m0 me m0 1 该系数反映了汽 车的设计水平和工艺水平 其值越大 说明其结构和制造工艺越先进 货车的质量系数 m0如表所示 1 表表 4 3 货车的质量细数货车的质量细数 m0 参数 车型 总质量 ma t m0 货车 1 8 ma 6 0 0 80 1 10 6 0 ma 14 0 1 20 1 35 ma 14 0 1 30 1 70 装柴油机的货车为 0 80 1 00 经计算 本车质量系数 m0 2000 2050 0 98 可见 所取参数符合要求 4 2 4 汽车总质量 ma 汽车总质量 ma是指装备齐全 并按规定装满客 货时的整车质量 商用车的总质量 ma由整备质量 m0 载质量 me和驾驶员以及随行人员质量三部分组 成 即 1 ma m0 me 65 n1 kg 4 1 式中 n1为包括驾驶员及随行人员数在内的人数 应等于座位数 经计算 本车总 质量 ma 2050 2000 2 65 4180 kg 4 2 5 轴荷分配 汽车的轴荷分配是指汽车在空载或满载静止状态下 各车轴对支承平面的垂直负 荷 汽车的轴荷分配对轮胎寿命和汽车的许多使用性能有影响 为使轮胎磨损均匀和寿 命相近 各车轮的负荷应相差不大 为保证汽车良好的动力性和通过性 驱动桥的负荷 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 13 页 共 52 页 应足够大 因此从动轴的负荷可以适当减小 以利于减小从动轴滚动阻力和提高在坏路 面上的通过性 为了保证汽车有良好的操纵稳定性 又要求转向轴的负荷不能过小 1 综合考虑 本车多用于市内行驶 坏路面相对较少 而前轴为从动轴和转向轴 可 以使前轴载荷适当小些 又因为本车后轮设计为双轮胎 虽然其单胎负荷比前轴要小 但其总负荷可以更大 因而也可以取得更大些 根据汽车的驱动形式 发动机位置 汽车结构特点 车头形式及总质量等 并参考同 类车型和参考文献 1 表 4 4 为各类汽车的轴荷分配比例 1 表表 4 4 各类汽车的轴荷分配各类汽车的轴荷分配 车型 满载 空载 前轴 后轴 前轴 后轴 商用车 4 2 后轮单胎 4 2 后轮双胎 长 短头式 4 2 后轮双胎 平头式 6 4 后轮双胎 32 40 25 27 30 35 19 25 60 68 73 75 65 70 75 81 50 59 44 49 48 54 31 37 41 50 51 56 46 52 63 69 参考汽车的各项性能 根据上表所给轴荷分配比例和任务书规定 该方案设计轴荷 分配比例和轴荷值如表 4 5 所示 1 表表 4 5 设计轴荷分配设计轴荷分配 空载 满载 前轴轴荷 Kg 后轴轴荷 Kg 前轴轴荷 Kg 后轴轴荷 Kg 1050 48 1130 52 1450 33 2730 67 4 2 6 质心位置 4 2 6 1 质心水平位置 图4 1中出示了确定整车质心所需要的距离和角度参数 汽车置于水平位置 前后轴 载荷分别为mv f 1450kg mv r 2730kg 轴距L 3 2m 根据力矩公式 LL ma rmv f 4 2 LL ma fmv r 4 3 故 Lf 2 09m Lr 1 11m CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 14 页 共 52 页 图4 1 汽车质心位置的确定示意图 4 2 6 2 质心竖直位置 由于载荷是一个变量 质心高度也会随之改变 但幅度不会很大 当货物加载时 质心高度会略有增加 因为货物加载于货箱中 属于整车上部分 在此 估算质心高度 约为1 05m 4 3 发动机的选择 4 3 1 汽缸排列形式冷却形式的选择 气缸直列式发动机结构简单 维修容易 工作可靠 宽度窄 在汽车上布置容易 但缸数较多时质量大 布置困难 V 型发动机虽然高度小 长度尺寸短 但其发动机太 宽 在平头汽车上布置较为困难 造价也高 1 水平对置式发动机多属排量小的汽油机 并用于乘用车 根据以上限制 本设计选择汽缸直列式发动机 4 3 2 发动机冷却形式的选择 发动机有水冷和风冷两种冷却方式 水冷发动机冷却均匀可靠 散热良好 噪声小 易于解决车内供暖问题 气缸变形小 缸盖 活塞等主要零件热负荷较低 可靠性较高 除此之外 加大散热面积后 能较好的适应发动机增压后散热的需要 其缺点是结构复 杂 使用和维修不方便 冷却性能受环境温度影响大 风冷发动机冷却系统简单 但其 存在冷却不均匀 缸盖等零件热负荷大等缺点 本车选择水冷方式 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 15 页 共 52 页 4 3 3 发动机类型选择 汽油机与柴油机在排放 工作噪声 振动 使用可靠性 耐久性以及质量大小等方 面都有诸多不同 总质量较大的车辆上一般采用柴油机 考虑到本款车主要用于城市运 输 对机动性能要求较高 所以选择柴油机 4 3 4 发动机的确定 通过以上的对比 并参考可供选择的发动机型号 表4 6 由于全负荷燃油消耗 率YC4F90柴油机更低 柴油价格也更便宜 故选择YC4F90柴油机 表表 4 6 可供选择的发动机型号及其主要参数可供选择的发动机型号及其主要参数 型号 额定功率 转速 kW r min 最大扭矩 转速 N m r min 全负荷最低燃油消耗率 g kW h YC4F90 柴油机 66 3400 210 2200 203 492Q 汽油机 64 3800 4000 173 2600 3000 300 YC4F90 30 柴油机各参数下表 4 7 表表 4 7 YC4F90 30 发动机主要参数发动机主要参数 发动机型号 玉柴 YC4F90 30 系列 玉柴 YC4F 系列 发动机厂商 玉柴 适配范围 低吨位中卡 进气形式 增压中冷 汽缸数 4 燃油种类 柴油 汽缸排列形式 直列 排量 2 66L 排放标准 国 最大输出功率 66kw 额定功率转速 3400RPM 最大马力 90 马力 最大扭矩 220N m 最大扭矩转速 1900 2200r min 全负荷最低燃油 耗率 203g kW h 发动机形式 立式 直列 四冲程 水冷 发动机净重 300Kg 一米外噪音 95dB 行程 x 缸径 100 x92mm 4 3 5 发动机的悬置 发动机的悬置应满足下述要求 因悬置元件要承受动力总成的重量 为使其不产生 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 16 页 共 52 页 过载的静位移而影响工作 故要求悬置元件刚度大些为好 发动机本身的激励以及来自 路面的激励都经过悬置元件来传递 因此又要求悬置元件有减振降噪功能 并要求悬置 元件工作有良好的隔振性能 因发动机工作频带宽 要求悬置元件有减振降噪功能 并 要求悬置元件工作在低频大振时提供大的阻尼特性 而在高频低幅振动激励下提供低的 动刚度特性 以衰减高频噪声 悬置元件还应当满足耐机械疲劳 橡胶材料的热稳定性 及抗腐蚀能力等方面的要求 此外 液室与外部之间应密封良好 5 传统的橡胶悬置由金属板件和橡胶组成 其特点是结构简单 制造成本低 但动刚 度和阻尼损失角 阻尼损失角越大表明悬置元件提供的阻尼越大 的特性曲线基本上不 随激励频率变化 本设计采用液压悬置 图4 2 所示为液压悬置结构简图 当橡胶主簧承受动载荷上 下运动时 产生类似 于活塞的泵吸作用 当液压悬置受到低频 大振幅激励时 液体将经过惯性通道内往复 流动 并随之产生沿程能量损失和在惯性通道出入口处克服液柱而产生的局部能量损 失 液压悬置将产生较大的阻尼效应 使振动能量得到耗散 从而达到衰减振动的目的 1 10 连接螺栓 2 金属骨架 3 橡胶主簧4 缓冲位盘 5 解耦盘 6 惯性通道体 7 惯性通道8 底膜 9 底座 10 空气室 11 补偿孔 图4 2 液压悬置结构简图 4 4 轮胎 轮辋型号的选择 轮胎及车轮用来支撑汽车 承受汽车重力 在车桥 轴 与地面之间传力 驾驶人 员经操纵转向轮 可实现对汽车运动方向的控制 1 轮胎及车轮对汽车的许多重要性能 包括动力性 经济性 通过性 操纵稳定性 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 17 页 共 52 页 制动性及行驶安全性和汽车的承载能力都有影响 因此 选择轮胎是很重要的工作 轮胎及车轮部件应满足下述基本要求 足够的负荷能力和速度能力 较小的滚动阻力和 行驶噪声 良好的均匀性和质量平衡性 耐磨损 耐老化 抗刺扎和良好的气密性 质 量小 价格低 拆装方便 互换性好 1 综合上述因素 并参考同类车型 选取如下 轮辋规格 6 50in 轮胎规格 6 50 16LT 斜交胎 层级 10 充气外缘尺寸外直 径 750mm 6 50 是名义断面宽度 16 是轮辋直径 单位 英寸 胎数 6 个 最大负荷 975kg 表表 4 8 三角三角 6 50 16LT 参数参数 轮胎规格 层级 负荷指数 单双胎 速度级 别 花纹深度 mm 标准轮 辋 允许使用轮辋 充气断 面宽 mm 充气外 直径 mm 负荷能 力 Kg 单 胎 双 胎 6 50 16LT 10 107 102 Q 10 5 50B 5 00E 5 00F 185 750 975 850 校核 空载时 由于载荷小 不必校核 满载时 前轴载荷 33 ma 即为 1450kg 后轴 载荷 2730kg 前轴单个轮胎载荷为 1450 2 725 kg 后轴单个轮胎载荷为 2730 4 682 5 kg 经过验算 参考表 4 8 可知 前后轴轮胎的最大承载力均大于对应轴的设计轴荷 故轮胎选择合理 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 18 页 共 52 页 5 传动系传动比的确定 5 1 传动系最小传动比的确定 在选定最小的传动比时 要考虑到最高挡行驶时有足够的动力性能 根据参考文献 1 发动机最大功率时的车速 应等于最高车速或略小于最高车速 5 1 即主减速器传动比 0 i 3 gm a xa m a xpr 0 iu nr377 0 i 5 2 式中 r r为滚动半径 maxp n为发动机额定功率时的转速 maxa u为最高车速 应根 据选定发动机后的参数重新估算 g i为变速器的最高挡传动比 若最高挡为直接挡 则 g i 1 已选轮胎得 自由直径为 d 750mm maxp n 3400 rpm 由式 3 rr Fd 2 5 3 得 滚动半径 r r 357 09mm 其中 子午线轮胎 F 3 05 斜交轮胎 F 2 99 最高车速 vamax 若要满足整车最高车速的要求 通过下面的公式估算出发动机必须具备的最大有效 功率 5 4 式中 Pemax为所选发动机的额定功率 即 Pemax 66kW A 为正投影面积 根据外形 尺寸计算得到 车 CD取 0 8 1 0 本处取 0 8 A 1900 2180 mm 4142000mm2 4 142m2 货车 CD取 0 8 1 0 本处取 0 8 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 19 页 共 52 页 T 为传动系效率 对驱动桥用单级主减速器的 4 2 汽车可取 90 故 T取 90 fr为滚动阻力系数 对货车取 0 02 g 为重力加速度 取 9 8m s2 ma为汽车总质量 4180kg 由以上参数可计算得 vamax 95 34km h 根据公式可得 gmaxa maxpr 0 iu nr377 0 i 4 80 齿轮的传动比应避免取整数 以免磨损不均匀 故 0 i 取 4 9 5 2 传动系最大传动比的确定 确定传动系最大传动比时 要考虑三方面 最大爬坡度 附着力及汽车最低稳定车 速 4 就普通货车而言 当 0 i已知时 确定传动系最大传动比也就是确定变速器 I 挡传 动比 汽车爬大坡时车速很低 可忽略空气阻力 汽车的最大驱动力应为 m a xm a xift FFF 5 5 或 maxmax 01max sincos GGf r iiT Tgtq 5 6 即 Trq g iT rfG i 0max maxmax 1 sincos 5 7 一般货车的最大爬坡度为 30 即7 16 max 上式中 fr为滚动阻力系数 取一般的沥青或混凝土路面 fr 0 02 由已知数据和计算数据得 最大总质量 G mag 40964N 5 8 有上述所选数据得 r 357 09mm Ttqmax 210N m 0 i 4 9 由此得 Trq g iT rfG i 0max maxmax 1 sincos 4 84 根据附着条件校核最大传动比 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 20 页 共 52 页 2 01max G r iiT r Tge 5 9 式中 2 G为后轴轴荷 r r为滚动半径 1g i为变速器的 I 挡传动比 所以 Tre r g iT rG i 0max 2 1 5 10 根据已知数据和计算数据得 2 G 26745N 0 8 rr 0 357m 0 i 4 9 T 0 9 Temax取 发动机的最大扭距 210 N m Tre r g iT rG i 0max 2 1 8 25 故取 1g i 6 5 所以 传动系最大传动比itmax ig1 i0 6 5 4 9 31 85 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 21 页 共 52 页 6 汽车性能参数的确定 6 1 动力性参数 动力性能包括汽车的最高车速vamax 加速时间t 爬坡能力和汽车的比功率和比扭矩 等 6 1 1 最高车速 vamax 汽车的最高车速vamax是指汽车在平直的良好的路面上行驶时所能达到的最高速度 不同车型的最高车速范围见表6 1 1 根据设计任务书规定 最高车速不低于95km h 表表 6 1 货车动力性参数范围货车动力性参数范围 最大总质量 最高车速 vamax km h 比功率 Pb kW 比转矩 Tb N m t ma 1 8 80 135 16 28 30 44 1 8 ma 6 0 15 25 38 44 6 0 ma 14 0 75 120 10 20 33 47 ma 14 0 6 20 29 50 求取结果为 vamax 95 34km h 故 最大车速满足不小于 95km h 的要求 6 1 2 加速时间 载货汽车常用0 60km h 换挡加速时间或在直接挡下由20 km h 加速到某一车速 的时间来评价 1 由汽车驱动力 行驶阻力平衡图计算得出各挡节气门全开时的加速度曲 线 将 曲线转画成曲线 用图解积分法求得CSU1042轻型货车的0 60km h 换挡加速时间约为18s 6 1 3 行驶阻力 汽车在水平道路上等速行驶时 必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻 力 滚动阻力用Ff表示 空气阻力用Fw表示 汽车在坡道上上坡行驶时 还必须克服重 力沿坡道的分力 称为坡度阻力 用Fi表示 汽车加速行驶时还需要克服加速阻力 用 Fj表示 3 在爬坡行驶时 一般不会加速 故 不考虑加速阻力 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 22 页 共 52 页 6 1 3 1 滚动阻力 车轮滚动时 轮胎与路面的接触区域产生法向和切向的相互作用力以及相应的轮胎 和支撑路面的变形 从而形成滚动阻力 NGF28 81902 08 94180ff 6 1 3 2 空气阻力 汽车在直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力 3 6 1 以上公式中 除 r外 其余均为已知 汽车爬坡时 以最大牵引力行驶 车速很低 并 且不加速 最大牵引力时的转速已知为2200r min 要获得最大牵引力 车的档位应置于 一档 其传动比也已知 因此根据最大扭矩时的转速 一档的传动比和主减速器传动比 计算出车速 0g a ii rn 377 0 6 2 计算可知 a为15 09km h 将计算所得的 a带入式 6 1 可算得 Fw 35 68N 用于本计算时 几乎可以忽略 不计 汽车全速行驶时 其最大空气阻力Fwmax 1413 96N 6 1 4 上坡能力 汽车发动机产生的转矩 经过传动系传至驱动轮上 此时作用于驱动轮上的转矩 Tt产生一对地面的圆周力 F0 地面对驱动轮的反作用力即为驱动汽车的外力 即称为驱 动力 在本设计中驱动力 TF r 0gtq t r iiT 6 3 其中 Ttq表示发动机转矩 ig表示变速器的传动比 i0表示主减速器的传动比 rr 表示滚动半径 T表示传动系的机械效率 可见 其最大驱动力为NF52 16857 0 35709 0 94 96 5210 tmax 汽车上坡时 不考虑加速阻力 因此 由 wftFFFF i CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 23 页 共 52 页 其中 Fw以最大空气阻力计算 可以知道 Fi 14624 28N 由 GiGGF tansini 6 4 可知 i 0 35 货车在各种地区的各种道路上行驶 所以必须具有足够的爬坡能力 一般imax在30 即 16 7o左右 更要进一步说明的是 imax代表了汽车的极限爬坡能力 它应该比实际行 驶中遇到的道路最大爬坡度超出很多 这是因为应考虑到在实际坡道行驶时 在坡道上 停车后顺利起步加速等要求的缘故 3 对比计算的数据 本设计中 即使以最高速计算 也能满足最大爬坡度要求 符合规范 6 1 5 比功率 Pb 和比转矩 Tb 比功率Pb是汽车所装发动机的标定最大功率Pemax与汽车最大总质量ma之比 即 Pb Pemax ma 6 5 计算得到 Pb Pemax ma 15 79kW t 参考表 6 1 可知 本设计符合 GB7258 1997 机动车运行安全技术条件 比扭矩Tb是汽车发动机的最大转矩Temax 与汽车总质量ma之比 即Tb Temax ma 计算得到 Tb Temax ma 50 24N m t 6 2 燃油经济性参数 我国规定 汽车的燃油经济性用汽车在水平的水泥或沥青路面上 以经济车况或多 工况满载行驶百公里的燃油消耗量 L 100km 来评价 该值越小燃油经济性越好 汽车 的燃油经济性指标与发动机的特性和汽车的自重 车速及各种运动阻力如空气阻力 滚 动阻力和爬坡阻力的大小以及传动系的效率和减速比等都有关系 对于货车 有时用单位质量的百公里油耗量来评价 见表6 2 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 24 页 共 52 页 表表6 2 货车单位质量百公里燃油消耗量货车单位质量百公里燃油消耗量 L t 100km 总质量ma t 4 4 6 6 12 12 汽油机 3 0 4 0 2 8 3 2 2 68 2 82 2 50 2 60 柴油机 2 0 2 8 1 9 2 1 1 55 1 86 1 43 4 53 最低燃油消耗量根据等速行驶工况燃油消耗量来计算 等速百公里燃油消耗量 Qs L 100km 为 3 g1 02 P Qs a b 6 6 式中 P 表示为克服滚动阻力和空气阻力 发动机应提供的功率 故 1 6 7 b 为燃油消耗率 已知YC4F90柴油机机的最低燃油消耗率为203g kw h 为燃油的密度 g为重力加速度 g汽油的取为7 94 8 13N L 3 在此取8 00N L CD为空气阻力系数 轿车取0 30 0 35 货车取0 80 1 0 大客车取0 60 0 70 在 这里取0 80 A为汽车的迎风面积 A 1900 2180mm2 4 142m2 G 为汽车总重 单位N a为车速 km h 又 6 8 按国家标准 计算最低油耗时 货车的 a一般取60km h 所以 算得Qs 值约为 7 485L 100km 此即为最低油耗量 所以 CSU1042 轻型货车的单位质量百公里燃油 消耗量为 100 79 1 4 180 7 485 m Qs a kmtL 符合要求 6 3 最小转弯直径 Dmin 转向盘转至极限位置时 汽车前外转向轮轮辙中心在支承平面上的轨迹圆的直径称 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 25 页 共 52 页 为最小转弯直径Dmin Dmin 用来描述汽车转向机动性 是汽车转向能力和转向安全性 能的一项重要指标 其值与转向轮最大转角 汽车轴距 轮距等有关 轻型货车要求有 高的机动性 因此Rmin值应尽可能小一些 两轴汽车转向时 在忽略侧偏角影响的条件 下 两转向前轮轴线的延长线交在后轴延长线上 如图6 1 所示 设 1 0分别为内 外转向车轮转角 L 为汽车轴距 K 为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离 汽车的最小转弯半径Rmin与内 外转向车轮最大转角 imax 0max轴距L 主销距K 及转向 轮的转臂a 等尺寸有关 可按 5 9 3 式计算 6 9 已确定轴距L 3200mm 初步设计好图之后 确定 imax 38o K 750mm 322 9mm 代入上式后求得Rmin 6 01 m GB7258 1997 机动车运行安全技术条件 中规定 总质 量为3 6t 的货车 Rmin为5 0 9 0m 初定的Rmin值在此范围内 是合理的 所以确定 CSU1042 轻型货车的Rmin为6 01m 图6 1 理想的内 外车轮转角关系简图 6 4 通过性几何参数 总体设计要确定的通过性几何参数有 最小离地间隙hmin 接近角 1 离去角 2 纵向通过半径 1等 1 另外 汽车的最小转弯直径和内轮差 转弯通道圆及车轮半径也 CSU1042 轻型货车底盘总体设计 第 26 页 共 52 页 是汽车通过性的重要参数 6 4 1 最小离地间隙 hmin 最小离地间隙hmin是汽车除车轮之外的最低点与路面之间的距离 它表征汽车无碰 撞地越过石块 树桩等障碍物的能力 汽车的前桥 油底壳 变速器壳 消声器和主减 速器外壳等通常有较小的离地间隙 汽车前桥的离地间隙一般比飞轮壳的还要小 以便 利用前桥保护较弱的油底壳免受地面突起的碰撞 后桥内装有直径较大的主减速器齿 轮 一般离地间隙最小 在设计汽车时 应保证有足够的最小离地间隙 根据设计图确 定为225 75mm 6 4 2 接近角 1和离去角 2 接近角 1和离去角 2表征了汽车接近或离开障碍物 如小丘 沟洼地等 时 不发生碰 撞的能力 接近角和离去角越大 则汽车的通过性越好 由所画图纸得出最终 1 23 2 22 6 4 3 纵向通过半径 1 纵向