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公路货车车架设计的一种客观方法
William j . Sidelko福特汽车
摘要：详细介绍了作为承载程序的车架的设计要求，并结合某公路货车和车架的设计讨论了车架构件的技术要求。介绍了一种检测其基本车辆包装的方法的特点。讨论了一种与服务里程相关的车架的理论和实验测试。
本文的目的是提出公路货车车架设计的依据和系统要求。详细阐述了车架设计要求的制定、理论和实验程序的应用以及车架设计的系统方法。本文旨在为公路货车车架的设计提供指导。此外，讨论的程序和技术适用于所有卡车车架，或任何阶段的车架设计。
在讨论公路货车车架的设计之前，最好先回顾一下影响基本车架设计的因素。公路卡车对业主来说是一项可考虑的投资；因此，它的设计旨在实现最大的回报。1965年，美国货运收入超过500亿美元，在过去20年里，城际货运卡车所占的份额增加了一倍多。
两种趋势有助于公路货运的持续增长:
- 工业和人口不断地从主要城市向外分散。
- 高速州际高速公路建设的扩张。
另一个重要的增长因素是，各州和联邦政府对车辆大小和重量的法律要求越来越宽松和统一。目前，每个麻省理工学院的所有州的车辆总长度至少为50英尺。货车司机希望获得最优的载货重量和容量容量，因此要结合使用卡车牵引车单元和拖车，如图1所示，而不是单一单元卡车。一辆卡车，没有能力限制的满足要求，将导致车轮基础过度，使其不可能具有可操作性。
基本车辆包装
车架与车辆的空间关系在很大程度上取决于底盘和有效载荷设备的位置要求。这些要求是由行业标准和政府法规规定的。例如，车架长度是由不同的车辆代码决定的，这些代码规定了：
- 牵引-拖车组合的总长度限制。
- 组合中单个单元的最大长度。
- 整体组合轴距和轴距由桥式确定。
- 允许轴载荷。
也要考虑驾驶室后部和拖车前部之间的转弯间隙。所有这些因素的总和决定了轴距的最小实用极限。SAE推荐的车架宽度和高度行业标准如图2所示。
SAE报告J691建议将车架宽度设置为34在宽度标准下，这是由于需要容纳四个轮胎，两个刹车，和悬挂部件内的所有车辆宽度限制在96英寸。在大多数州都很流行。
SAE报告J696建议使用48英寸。车架顶部至地面高度，有一个10.00 x 20的轮胎。因为大多数第五个轮子是7-9英寸高，车架的顶部到地面的尺寸约为40英寸。悬吊连接的要求决定了较低的车架水平。由此产生的空间信封，以包含车架的侧边在后方悬架区域限制在约10英寸。在这些规定的限制内，车架结构必须用最少的结构材料来承载所需的荷载。
车架起承重构件的作用
虽然车架的主要功能是承载载荷，但所有底盘设备的支持、附件、位置和对齐都依赖于车架。因此，车架设计涉及组件的排列和比例，将产生一个高效、经济和功能的结构。图3展示了公路货车车架的典型结构和组成。两个主要承载构件通常称为侧构件，并通过横梁在适当的位置连接在一起。边余量和交叉余量形成一个积分。
所有底盘设备的支撑结构和支付载荷。尽管最简单的车架在平面图和俯视图中都有直边杆，但现代大功率v型发动机的包装要求常常要求发动机区域有更复杂的形状。
如图4所示，作用在车架系统上的荷载一般有四种模式:
- 垂直弯曲，导致垂直偏转。
- 扭转，使车架或其中一个构件围绕其纵向中心线旋转。
- 轴向和侧向弯曲，这导致平行绘图和侧向变形。
- 个别侧火的扭曲或局部翘曲。
车架通过侧向余烬抵抗垂直和横向弯曲。由于主要的负载输入是垂直的，由于负载效应，侧燃烧器的设计首先要抵抗这种负载，其次要抵抗横向输入。相应地，侧向余烬被设计成纵梁。一个“I”形状的成员将比一个通道形状的成员更有效地执行这个任务。然而，“I”形有几个限制，制作轮廓专业文件是困难的，制造成本高，和附加的组件和横梁是复杂的。
通道截面有一个独特的性质，剪切中心与质心不一致。任何不朝向剪切中心的垂直荷载(剪切中心位于截面外侧)都会产生旋转位移，幸运的是，车架需要横梁。其抗弯刚度抵抗了槽形侧构件的转动趋势，从而稳定了槽截面，充分发挥了梁的效率。
由于异相载荷，例如当一个车轮掉进坑里或撞到一个凸起时，车架的扭转挠度受到纵梁和侧燃烧器的较大扭转能力的抵抗。通道形状等开口截面具有固有的低扭紧度。同样，横梁需要发挥强大的稳定影响，并增加侧构件的扭转刚度。
横梁也有助于车架横向加强。为车辆零部件提供支持。横梁截面结构的选择取决于其在特定地点，耐压性能占主导地位。
个别侧燃烧器的翘曲或扭转主要是由于悬臂组件安装，如发动机、油箱、电池和悬挂附件。扭转的效果是克服了适当的交叉放置。侧壁构件的振动及其对侧壁构件的影响被认为比静载荷对侧壁构件的影响更为重要。
平行四边形的挠度是由纵向载荷不平衡引起的。后串联轴的自然倾向，以抵抗转弯机动必须克服的转向前轴。反应性转向力和悬架在立交桥上通过车架传递的力导致横向载荷和平均等位四边形的组合。不相等的制动力，通过悬挂装置传递到车架上，也会产生平行四边形。
作用于结构上的外部荷载的实际确定不仅包括这些荷载的大小，还包括它们在结构上的位置或分布。“荷载”一词被广泛地用来表示作用在车架系统上的所有外力。车架组件的自由体图，如图5所示，显示了一个典型的车架加载模式。
驾驶室由于自身的重量将荷载传递到车架上，对车架的结构价值有限。一般来说，由于驾驶室结构限制了其承受大挠度的能力，车架必须足够坚固，以避免在这一区域产生大挠度。前后悬挂系统通过对负载的反应来加载车架。后悬架支持主要份额的有效载荷和零件制动和传递动力转矩到车架上。由于悬架是具有固有频率的质量弹簧系统，车架的固有光束频率必须在悬架频率的范围之外，以避免共振的可能性。此外，前后悬架辊速一般不同，导致前后车架结构受力不等，容易造成车架的扭转变形。
载荷直接通过安装在车架后部的第五个轮子，包括一个垂直分量，该垂直分量等于在其上叠加动态增量的静载荷。动力或惯性效应是由载荷的水平或垂直加速度或减速引起的。水平动力部件作用于第五个车轮，可以是横向的，也可以是前后的，这取决于车辆是否受到制动、散装货物的移动或作用于半挂车的风荷载的作用。除了支撑系统的静态重量，车架还通过发动机支架抵抗发动机扭矩反应，以及传动轴传递到后悬架的力。其他安装在车架上的部件，如舵机、油箱和电池支架，也必须对其在车架上的加载效果进行分析。
在前面讨论加载的基础上，现在可以根据不同的加载条件来研究车架系统的行为，并建立设计要求。以下行为特征是最有趣的：
- 结构在不同荷载作用下的挠度。
- 产生第一个可应用的永久集或屈服的载荷强度。
- 将产生首次可应用的屈曲变形的载荷强度。
- 循环载荷对疲劳强度的影响。
对这些行为特征的抵抗是通过正确的个体比例来发展的。在这里，截面几何形状和材料力学性能决定了光的比例。质心、惯性矩、部分模量和剪切中心定义了几何形状;屈服强度、疲劳强度和弹性模量决定了机械性能。
车架设计方案
车架设计首先确定功能极限，然后在材料强度和弹性理论的弯曲中进行实际应力分析。这种方法在下面的车架设计过程中是显而易见的：
- 在车辆要求的功能范围内，开发合适的形状。
- 分析车架使用寿命内作用于结构上的外部荷载。
- 建立和评估与预期失效模式相关的“行为准则”。
- 确定内力或应力。
- 根据机械性能和经济性选择材料。
- 选择最终尺寸，使结构构件与车架正确配比，理论应力分析是初始设计过程中使用的基本工具。
理论应力分析是初始设计过程中使用的基本工具。理论分析方法的突出价值在于，它们提供了在制造硬件之前测量机械强度的唯一方法。
开始原始车架设计的第一个组件是侧梁。它是车架系统的主要承载构件。一般的技术是首先将侧向构件作为一个简单的梁来确定最佳的截面特性、外部荷载引起的应力以及所需的材料。在用简单波束理论确定边码结构后，对所提出的边码结构进行了详细的符号分析。
初始侧构件设计-通过剪切中心加载的简单梁产生的应力为：
当选择点“a”使Ya取最大值时，则oa取最大值。对于对称通道截面，Ya (max)将是总截面深度的一半。通过Ya (max)和Eq. 1，我们定义了截面的一个新属性如下:
新的性质Z是关于水平质心轴的通道l在“a”点处的截面模量。截面模量可以描述为描述给定截面承受纯弯曲载荷的能力的参数。
由弹性曲线方程得到了正横截面在简单弯曲载荷作用下的挠度。
在式3中,y是弹性曲线上的任意点的纵坐标,x是同一点的横坐标,E是梁的弹性模量材料,我是惯性矩点x,y。d^2y / dx^2是二阶导数,数量或斜率曲线的斜率。要解这个方程，需要把I和M定义为x的函数，并定义两个零偏转点。这些零偏转点通常被认为是前后轴的中心线。
在确定初始横截面尺寸之前，必须确定许用应力水平。从允许应力水平和简支梁理论出发，可以计算出侧向截面尺寸。初步设计的侧钻是根据槽深、法兰宽度和压力计之间的最佳比例设计的。
为了确定允许应力，设计人员从所提出的侧钻材料的屈服强度开始，对其进行修改，以反映侧钻的实际工作强度。在公路牵引车辆道路试验中，确定了修正屈服强度以补偿冲击和所经历的动力条件的动态因子为1.75。即最大重复动态荷载为静态荷载的1.75倍。影响许用应力的其他条件有：偏心加载、非对称加载、残余应力和表面光洁度。
在初步分析中，为了补偿这些条件，使用了1.70的因子。虽然这个因素已经被发现是考虑未知参数的一个很好的估计，当应用简单梁理论时，需要持续的工程努力来量化和限定它们对许用应力的影响。
综合以上两个因素，设计荷载为:
将该因素应用于材料的屈服强度：
通过考虑构件的体积和简支梁的应力和挠度的理论计算，可以较为准确地估算构件的截面模量。以这些特性为指导，提出了具体的设计方案，并进行了挠度和应力的详细计算。简支梁理论在初始侧量设计中的应用图6为某系列公路拖拉机的最大静力弯曲模量。以轴的承载能力和最大允许的第五轮定位为极限，计算了不同轴距的弯矩。如图所示，拖拉机家族的最大静弯矩为39.6MPa。
为了获得具有重量优势的高材料强度，所选用的侧向材料为110,000 psi屈服强度的高强度钢。应用式5，初步允许应力为:
弯矩和许用应力是用截面模量的定义来确定边长截面的判据。截面模量由公式2求得：
初步的功能考虑，第五轮高度和后桥净空的要求规定了一个侧面截面高度小于10英寸。断面模量和边坡断面高度参数用于确定不同材料厚度范围内的矿山法兰宽度。开发了一种用于确定任意金属厚度形成半径的通道截面横向截面特性的诺莫图，如图7所示。
诺莫图的使用方式如下：截面模量(z)和侧部深度(W)之前已经确定。剩下的参数是通道尺度(t)，它被分配不同的值来确定一系列侧梁部分。为了确定其截面特性，将下列比例表列如下。
方程6和7由已知参数建立，方程8和10由列线图读取。给定的材料厚度如图7所示0.25英寸，边距高9.5英寸，和截面模量为10.8 in^3。对河道段的剩余特性进行了开采。
在图7中绘制“a”和z/t^3的值定义了一个点。然后将A/t^2、x/t和b的比值从适当的比例尺取下来；
得到的通道截面如图8 (a)所示。满足截面模量和由诺莫图确定的高度要求如图8 (b)和(c)所示。
这三个截面的每一个都满足36700Pa的许用应力和小于10英寸的截面深度的要求。
第二个要考虑的标准是允许的挠度。应用简单的梁技术，可以把侧梁看作是在主销中心线集中荷载作用下，支承在前后桥中心线上的梁。指定一个值的允许绕度和应用挠曲公式的一个简单的梁给出了所需的惯性矩。知道惯性矩、侧向深度和给定的材料厚度，就可以确定通道的截面特性。
图9显示了模拟侧钻的简单荷载梁的挠度。挠度与转动惯量的关系为:
将式11应用于142英寸。轴距，主销定位24英寸。给定的允许偏差为0.4英寸。对于转动惯量为51in^4。
为了确定已知的惯性矩、截面深度以及给定的材料厚度和s的通道截面特性，开发了一种诺莫图，如图10所示。
这一列线图显示了通道截面设计参数与惯性矩和截面面积之间的关系。利用Eq. 6中建立的比值和Eq. 12中计算得到的新关系，可以确定图10中的通道横截面特性。
将图10上的Ix/t^4和“a”的值作图，定义一个点，则可以对式10的比值进行插值。绘制上述值得到：
得到的沟道截面如图11所示，以及满足允许挠度的各种规的其他可能的沟道截面。
对比图8和图11中任意as材料厚度的截面可知，图8中较大的法兰宽度既能满足应力要求，又能满足挠度要求。确定构件截面尺寸的第三个标准是截面稳定性。侧梁部分满足应力和挠度目标也可能获得经验压应力,会导致横向屈曲压缩法兰和成熟之前失败的侧梁。图12显示了曲线的压力将导致弹性屈曲压缩法兰侧梁适用于各种法兰宽度和厚度比。
这条曲线是由美国钢铁公司的H. Malcolm Priest在他的《高强度钢的设计手册》中提出的。测试表明，这条曲线是保守的。同时忽略了以下条件的影响:
- 负载条件——集中与均匀分配。
- 负载应用-通过侧面剪切中心或法兰。
- 竖向荷载与高扭转荷载相结合。
- 横梁间距和附件。
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