汽车实用技术 ：艺设备材料 ＡＵＴＯＭＯＢＩＬＥ ＡＰＰＬＩＥＤ ＴＥＣＩｔＮ０ＬＯＧＹ ２０ ｌ２年第５期 ２０ｌ ２ Ｎ０．５ 某重卡转向桥用工字梁设计及强度校核 童宁娟 （陕西汉德车桥有限公司，陕西西安７１０２０１） 摘要：本文介绍了某重卡９．５吨转向桥用工字梁的主要技术参数及结构设计，并对该工字梁在几 种典型工况下进行了受力分析及强度校核。通过与材料的力学性能对比及台架试验验证得出该＿丁 字梁的设计是安全、可靠的；与现有成熟产品７．５吨转向桥用工字梁相比，该工字梁的结构是合 理的，并具有轻量化的特点。 关键词：工字梁；强度；工况；疲劳寿命；轻量化 Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃｈｅｃｋ ｏｆ ａ Ｉ－ｂｅａｍ ｆｏｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｘｌｅ ｏｆ ａ Ｈｅａｖｙ Ｔｒｕｃｋ Ｔｏｎｇ Ｎｉｎｇｊｕａｎ （Ｓｈａａｎｘｉ Ｈａｎｄｅａｘｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ， Ｘｉ ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１０２０１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｘｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｉ－ｂｅａｍ ｆｏｒ ９．５ ｔｏｎ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｘｌｅ ｏｆ ａ ｈｅａｖｙ ｔｒｕｃｋ，ａｎｄ ｄｏｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈｅｃｋ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉ－ｂｅａｍ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉ－ｂｅａｍ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｉ－ｂｅａｍ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｉ－ｂｅａｍ；Ｓｔｒｅｎｇｔｈ；Ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ；Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ １、引言 根据车桥上车轮的作用，车桥可分为转向桥、 驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种类型。一般转向 桥多位于汽车前部，囚此也常称为前桥。转向桥是 ２０３６ｍｍ，钢板弹簧中心距为８８０ｍｍ，主销中心距 为１７７０ｍｍ，主销内倾角为５。，落差为１ＯＯｍｍ。 ２、工字梁的结构设计 针对主要设计输入参数，该工字梁设计的重点 利用车桥轮边与工字梁之间的主销联接，使车轮绕 和难点主要在于其各部分横截面的形状及尺寸的确 主销进行旋转以实现汽车的转向。它除了承受垂直 定，要在满足主要参数的情况下，确保足够的强度， 载荷外，还承受纵向力和侧向力及这些力造成的力 并且要兼顾零件的轻量化要求。经过理论计算，并 矩。各种车型的转向桥结构基本相同，主要由工字 对我公司现有工字梁结构进行研究和对照，最终设 梁（又称为前梁）、转向＝ 等组成。作为主体零件的 计的９．５吨］＿＝字梁如图１模型所示，其主要技术参 前梁是用钢材锻造而成的，其断面为“ ’字形， 故通常称之为“工字梁”。工字梁中段部分设计为：Ｉ 字形，可以提高其抗弯强度，而接近两端部分略成 方形，可以提高抗扭强度。 数见图２。 依据某重卡对前轴的开发需求，需设计额定轴 荷为９．５吨的工字梁。其主要参数为：前轴轮距 图１ ９．５吨工字梁三维模型 ６９ 汽车实用技术 ２０１２年第５期 由以上弯矩方程可得弯矩图如图４（ｂ）所示。 Ｏ 图２ ９．５吨工字梁主要技术参数 该工字梁的典型截面形状有四种，如图３中所 ： Ａ—＿Ａ Ｂ－Ｂ Ｃ－Ｇ ｌ卜｛） 图３ ９．５ ｐｇ－ｒ字梁典型截面 ３、工字梁强度校核 依据车桥设计理论需要对工字梁进行制动工况 和侧滑工况的强度校核；依据汽车行业标准 ＱＣ／Ｔ５１３—１９９９《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》 需要对不平路面冲击载荷即垂直弯曲工况进行强度 校核，考虑到侧滑工况下前桥主要是转向节、轴头、 轮毂及轴承等零件受力较大，而工字梁本身受力情 况不算最恶劣，因此本文主要选择工字梁的垂直弯 曲工况和制动工况进行校核。 ３．１前轴在垂直弯曲工况和制动工况下的受力分析 ３．１．１垂直弯曲－Ｔ－￣Ｙｕ 前轴在垂直弯曲工况下受力情况可简化为如图 ４（ａ）所示。其中：Ｏ为前轴的轴荷、ｚ为地面对 前轮的垂直支撑力，ｓ为轮距、Ｌ１为板簧中心距， ０、Ｅ为车轮受力点，Ａ、Ｂ为主销中心线与轮胎中 心线交点，Ｃ、Ｄ为板簧销孔中心。 由材料力学知识可求出上述力学模型各段弯矩 方程（忽略车轮的定位角），以Ｏ点为坐标原点， 以水平向右为Ｘ正方向，以竖直向上为弯矩Ｍ正方 向： （１）０ｃ段：Ｍ（ｘ）：Ｑ ２ （２）ｃＤ段：Ｍ（ｘ）：Ｑ ２ （３）ＤＥ段：Ｍ（ｘ）：一一Ｑ． ＋Ｑ．ｓ ２ ２ 图４前轴垂直弯曲工况受力图 ３．１．２制动工况 前轴在制动工况下的受力情况与垂直弯曲：［况 类似，不同的是增加了制动力，并且垂直方向载荷 的值会发生变化。同样，可采用３．１．１中求取弯矩图 的方法得出制动工况时前轴的弯矩图及扭矩图，如 图５所示。 图５前轴制动工况受力图 （１７１．）前轴受力简图． （ｂ）竖直方向弯矩图． （ｃ）水平方向弯矩图， （ｄ）扭矩圈 ３＿２垂直弯曲工况下的强度校核 对照该 ｊ 字梁在该工况下的弯矩图和典型截 面，不难看出该工况最危险处为Ｄ．Ｄ截面，冈此， 只需对Ｄ—Ｄ截面进行垂直弯曲 ｌ 况～１＂－的强度校核， 即可判断该工字梁在垂直弯曲工况下是否安全。 （１）抗弯截面系数 ，Ｄ—Ｄ截面简化如下： ２０１２年第５期 童宁娟：某重卡转向桥用工字梁设计及强度校核 ７Ｏ ＢＨ３－ｂｈ３ ：——６Ｈ ９５Ｘｌｌ６ 一７７×８２ ６Ｘ１１６ ＝１５２０５４＿３ ｒｎｎｌ （２）应力。计算： 根据ＳＱＢ１ １６３０—２００１《斯达．斯太尔载货前轴总 成技术条件》的规定，工字梁在垂直弯曲工况时的 上限载荷为２．９倍静满载轴荷，故： Ｄ—Ｄ截面的弯矩为 ：２．９． ．，＾ ２ ‘ ２．９×—９５０００：—×０．５７８：７９６１９．５Ｎｍ ２ 式中： ，１一一轮胎中心线与板簧中心间的距 离，ｍ； ｆ，一－＾： —·———＿———一一—：—２．—— ０３６－—＇－—－—————０．８８０———————————一＝ ：０．５７８ｍ … ２ ２ 因此，工字梁在Ｄ．Ｄ截面的弯曲应力。为 Ｏ＝一Ｍ ７９６ｌ９．５ １５２０５４．３ｘｌＯ ＝５２３．６ＭＰａ ３．３制动工况下的强度校核 由图５受力图可看出，制动工况下工字梁受力 情况主要为弯曲和扭转。 ３．３．１制动工况下的弯曲强度校核 该工况的弯矩图与垂直弯曲工况基本趋势相 同，因此，只需要对Ｄ．Ｄ截面进行弯曲强度校核。 制动时前轮承受的垂向力ｚ，和制动力 传给 工字梁，使工字梁承受弯矩和扭矩。 制动时汽车质量向前转向桥转移，因此，前轮 所承受的地面垂直反力为 Ｚ： １ ：—９５０００ —１．：５ ７１２５０Ｎ＝０ｍ ．：一ｘ １．＝ ２ ２ 式中：Ｇ——满载静止于水平路面时整个前桥 给地面的载荷，计算时前桥自重忽略不计，取 Ｇｌ：Ｑ； ｍ：——汽车制动时对前桥的质量转移系数，计 算时取１．５。 地面所能提供的制动力为 ＝Ｚ ＝７１２５０Ｘ０．８＝５７０００Ｎ 式中： ——轮胎与路面的附着系数，计算时 取０．８。 因此，地面所能提供的制动力矩为： Ｔ’： ’ ＝５７０００×０．５３６＝３０５５２Ｎｍ 式中： 一一轮胎的滚动半径，计算时取 ０．５３６ｍ（轮胎规格按ｌ ２．００—２０）。 该前桥的制动器所能提供的最大制动力矩为 ３６５００Ｎｍ，单个车轮为 ＝ｌ８２５０Ｎｍ，由于 ＜ ’， 故实际制动时前轮的制动力矩取 ＝１８２５０Ｎｍ，前轮 实际承受的制动力为： Ｔ１８２５０：一：——：３４０４８．５Ｎ ．０．５３６ 由Ｚ 和 对工字梁引起的垂向弯矩Ｍ和水平 弯矩Ｍｈ在两钢板弹簧座之间达最大值，分别为 ＝，Ｚｌ『’＝７１２５０Ｘ ０．５７８＝４１ １８２．５Ｎｍ ＝ 『’；３４０４８．５ Ｘ ０．５７８＝ｌ９６８０Ｎｍ 该截面的垂向抗弯截面系数 ．见３．２（１）的计 算结果； 该截面的水平抗弯截面系数 为 （Ｈ－ｈ）Ｂ３＋ｈ（Ｂ－ｂ）３ ：——６Ｂ ｎ１６—８２）×９５ ＋８２Ｘ（９５—７７） ６Ｘ９５ ：５１９８０ｍｍ 该工字粱在板簧面附近危险截面Ｄ—Ｄ处的弯曲 应力 …为 １９６８０×１０ 上—— １ ５２０５４．３ ５１９８０ ：６４９．４ＭＰａ ３＿３．２制动工况下的扭转强度校核 扭转主要发生在主销孔至钢板弹簧座之间，这 段扭矩相同，截面由Ａ．Ａ过渡到Ｂ—Ｂ，不难看出最 薄弱的是Ａ—Ａ截面，因此，还需对Ａ．Ａ截面进行扭 转强度校核。 在Ａ＿Ａ截面处的剪应力 为 Ｉ３ ＝ １－ 一 ７１ ｒ＝一 ｒ 汽车实用技术 １８２５０ （ ／ 一）（０．４￣８４ｘ８２ ）／８２ ：８０．８ＭＰ ４、台架疲劳试验验证 ２０１２年第５期 式中： ——工字梁在危险断面处的抗扭截面系 ２００９年１１月１１目，我公司试验中心对９．５吨前 轴进行了垂直弯曲疲劳试验。按照ＳＱＢｌ１６３０．２００１（（斯 达一斯太尔载货前轴总成技术条件》的要求，试验上 数，ｍｌＹｌ ： ——工字梁断面的最大厚度，ｍｎｌ； 一一Ａ—Ａ： ９倍静满载轴荷，即２７５．５×１０ Ｎ。垂直 工字梁断面的极惯性矩，对矩形截面 限载荷取２．弯曲疲劳试验检验结果为：最低寿命８３．５４万次（未 断裂）、中值寿命８９．４６万次（未断裂），符合 ＳＱＢ１１６３０ ２００１要求。图６为９．５吨工字梁作台架 Ｊ ＝０．４ｈ＆ ３．４结论 ３．４．１通过材料的力学性能判定 工字梁材料采用４２ＣｒＭｏ，可查得该材料的屈服 极限为 ＝９３０ ＭＰａ。该材料设计安全系数为 ｎ。＝１．３时，则弯曲许用应力【 ］＝ ／１．３＝７１５ ＭＰａ。 试验时的现场。 剪切许用应力 】＝０．６［０－］；４２９ＭＰａ 该工字梁的在典型工况下的弯曲应力和剪切应 力均小于材料的许用应力，故此工字梁的结构设计 是合理的，工字梁强度能够满足使用要求。 ３＿４．２通过与同类成熟产品进行对比判定 为了进一步判断此工字梁强度是否满足要求， 用同样的理论计算方法与我公司成熟产品７．５吨转 向桥用工字梁进行对比。 图６ ９．５吨工字梁台架试验现场 ５、结束语 本文主要介绍了某重卡转向桥用工字梁的设 计，对汽车不同工况下，前轴的受力模型进行了系 统分析，经过理论计算校核，工字梁强度能够满足 要求。该工字梁顺利通过了台架试验，进一步验证 了此轻量化工字梁的设计是合理可靠的。本文结合 ７．５吨工字梁主要参数为轮距２０３６ｍｍ，钢板弹 簧中心距为８８０ｍｍ，主销中心距为１７９２ｍｍ，主销 内倾角为５。，落差为１００ｍｍ。采用与９．５吨同样 的计算方法，可得７．５吨工字梁对应截面系数及不 同工况的应力值。 表１中列出了９．５吨与７．５吨工字梁强度校核结 果及重量。 表１ ９．５吨与７．５吨工字梁数值对照表 ］ 字梁 Ｗ ｍｍ ） Ｗｄ（ｍｍ３） 垂直弯曲 工况 趔动工况Ｏ－ 盯／ＭＰａ ｗ／Ｍｐａ 理论计算及台架试验，为转向前桥用工字梁的设计 及校核提供了参考。 参考文献 ［１］《汽车构造》（陈家瑞，２版）北京：机械工业出版社， ２００５．１ （Ｋｇ） 扭转应力 重量ｍ／ ／ＭＰａ ７．５吨 ｌ１９３９３．３ ９．５吨 ｌ５２０５４．３ ４２７１３ ５１９８０ ５２６．５ ５２３．６ ７３３ ６４９．４ ｌｌ４．２ ８Ｏ．８ ｌｌ０ ９９ ［２］《材料力学》（刘鸿文，第三版）北京：高等教育出版社， １９９２．９ 以上两种工字梁采用相同材料，且７．５吨工字 梁已是我公司经过市场验证的成熟产品，故：该９．５ 吨工字粱强度能够满足使用要求，结构设计合理， 且具有轻量化的特点。 ［３］《汽车车桥设计》（刘惟信）清华大学出版社，２００６．５ ［４】ＱＣ／Ｔ５１３．１９９９《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》 ［５ ＳＱＢ１５］ １６３０．２００１《斯达．斯太尔载货前轴总成技术条件》 ［６］《安全系数和许用应力》（徐灏） 机械工业出版社，１９８１
