一种重型载货汽车总体设计.docx
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一种重型载货汽车总体设计
一种重型载货汽车总体设计
重型载货汽车总体设计
设计目标：
设计一辆用于长途城际物流运输的重型载货汽车，最大总质量不超过31t,额定载重质量为16t，最高车速为100km/h的重型载货汽车（售价不高于对标竞争车型）。
第1章汽车形式和主要参数的初步确定
一、汽车形式的选择
1.1汽车轴数
汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。
影响选取轴数的因素主要有汽车的总质量和道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等。
当所设计的汽车总质量增加到轴荷不符合道路法规的限定值时，设计师可以选择增加轴数来减小因为总质量的增加而带来的道路符合增加的问题。
一般的，包括乘用车及汽车总质量小于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。
总质量在19t-26t的公路运输车采用三轴形式，总质量更大的汽车宜采用四轴或者四轴以上的形式。
综合考量，我们设计的重型卡车采用四轴形式。
1.2驱动形式
汽车的驱动形式有很多种。
汽车的用途，总质量和对车辆通过性能的要求等，是影响选取驱动形式的主要因素。
增加驱动轮数能够提高汽车的通过能力，驱动轮数越多汽车的结构越复杂，整备质量和制造成本也随之增加，同时也使汽车的总体布置工作变困难。
对于乘用车以及小质量的商用车，多采用简单的、制造成本低的驱动形式。
总质量大的商用车宜采用6x4、8x4等驱动形式。
我们设计的重卡采用8x4的驱动形式。
1.3布置形式
汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身的相互关系和布置而言。
汽车的使用性能取决于整车和各总成。
其布置的形式也对使用性能也有很重要的影响。
我们设计的重型卡车平头式。
通过对对标车型的参考以及平头式本身具有的优越性，发动机我们采用前置后驱的布置形式。
对于前置后驱的货车形式，容易布置，接近性良好，维修方便以及离合，变速的操纵机构的结构简单。
这些优点使我们在充分考虑用户需求的条件下，通过取舍采用的布置形式。
二、汽车主要参数选择
2.1汽车主要尺寸参数的确定
GB1589—1989汽车外廓尺寸限界规定：
货车总长不应超过12m；不包括后视镜，汽车宽不超过2.5m；空载、顶窗关闭状态下，汽车高不超过4m；根据要求，并参考同类车型，本车的外廓尺寸如下：
11976×2395×3750（mm×mm×mm）
轴距L对整车质量、汽车总长、汽车最小转弯半径、传动轴长度、纵向通过半径等有影响。
综合考虑本车设计要求和根据汽车设计手册与市场上的对标车型，轴距L可选为（2000+4700+1350）mm。
1和后轮距B2
在选定前轮距B1范围内，应能布置下发动机、车架、前悬架和前轮，并保证前轮有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、车轮之间有足够的运动空间间隙。
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。
考虑本次课设实际要求和根据《汽车设计》第四版表1-2提供的数据,前轮距B1=1950mm,后轮距B2=1847mm。
F和后悬LR
前悬尺寸对汽车通过性、碰撞安全性、驾驶员视野、前钢板弹簧长度、下车和上车的方便性以及汽车造型等均有影响。
初选的前悬尺寸，应当在保证能布置个总成、部件的同时尽可能短些。
后悬尺寸对汽车通过性、汽车追尾时的安全性、货厢长度、汽车造型等有影响，并决定于轴距和轴荷分配的要求。
重型特长货箱汽车的前悬可达2.6m，参考实际同类车型的前后悬尺寸，并根据本车结构特点确定
前悬LF：
1350mm和后悬LR：
2576mm。
货车车头长度系指从汽车的前保险杠到驾驶室后围的距离。
参考同类型车，本车车头长2000mm
参考同类型车,考虑本车设计要求，确定本车车箱长度为9776mm。
2.2汽车质量参数的确定
汽车载客量：
3人（65kg/人）汽车的载重量：
me=16t
ηmo
质量系数ηmo是指汽车载质量与整车整备质量的比值：
ηmo=me/m0。
（1-1）
根据表1-1：
表1-1各类汽车的整备质量利用系数ηmo
取ηmo=me/m0=1.35
o
整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等），加满燃料、水，但没有装货和载人的整车质量。
根据公式ηmo=me/m0可求mo=me/ηmo=16t/1.35=11.805t
a
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。
商用货车的总质量ma由整备质量mo、载质量me和驾驶员以及随行人员质量三部分组成，乘员和驾驶员每人质量按65kg计即
ma=mo+me+3×65kg=11805kg+16000kg+195kg=28000kg=28t
表1-2质量参数：
载质量me（t）
质量系数ηm0
整车整备质量m0（t）
总质量（t）
16t
1.35
11.805t
28t
2.3轴荷分配
轴荷分配系指汽车在空载或满载静止状态下，各车轴对支撑面的垂直负荷，也可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。
表3-3各型汽车轴荷分配
设计的重型卡车轴荷分配：
满载：
第一轴20%，第二轴30%，第三轴30%，第四轴20%
空载：
第一轴34%，第二轴22%，第三轴22%，第四轴22%。
第2章、整车主要性能参数的确定和计算·
一、发动机的选择
1．1发动机的最大功率及转速的确定
汽车的动力性能在很大程度上取决于发动机的最大功率。
参考该题目中的参数，按要求设计的载货汽车最高车速是ua=100km/h，那么发动机的最大功率应该大于或等于以该车速行驶时，滚动阻力功率与空气阻力功率之和，即
（1-1）
式中，Pemax是发动机的最大功率（KW）；
ηT是传动系效率（包括变速器、辅助变速器传动轴万向节、主减速器的传动效率），ηT=95%*95%*98%*96%=84.9%，传动系各部件的传动效率参考了机械工业出版社的《汽车设计课程设计指导书》表1-1得；Ma是汽车总质量，Ma=28000kg；g是重力加速度，g=9.8m/s2；f是滚动阻力系数，由试验测得，在车速不大于100km/h的情况下可认为是常数。
取f=0.008，参考《汽车设计课程设计指导书》表1-2得；CD是空气阻力系数，一般中重型货车可取0.8～1.0，这里取CD=0.9；A是迎风面积（㎡），取前轮距B1*总高H，A=2.395×3.75㎡。
故
也可以利用比功率的统计值来确定发动机的功率值。
如选取功率为197.2KW的发动机，则比功率为
参考了国内的一汽解放J6M重卡、中国重汽豪沃系列8x4重卡和国外的沃尔沃、奔驰等同类型汽车，其比功率都在6KW/t以上，故比功率为7.043KW/t符合市场要求，则整备质量28t的汽车，其发动机应具有的功Pe=7.043*28=200kw
再考虑该载货汽车要求具有相对高的车速，因此初步选择汽车发动机的最大功率为200kw。
1.2发动机的最大转矩及其转速的确定
当发动机最大功率和其相应转速确定后，可通过下式确定发动机的最大转矩。
（1-2）
式中，Temax是发动机最大转矩（N·m）；α是转矩适应性系数，标志着当行驶阻力增加时，发动机外特性曲线自动增加转矩的能力，
，Tp是最大功率时的转矩（N·m），α可参考同类发动机数值选取，初取α=1.05；Pemax是发动机最大功率（KW）;np是最大功率是的转速（r/min）。
所以
一般用发动机转矩适应性系数
表示发动机转速适应行驶工况的程度，Φ越大，说明发动机的转速适应性越好。
采用Φ值大得发动机可以减少换挡次数，减轻司机疲劳、减少传动系的磨损和降低油耗。
通常，汽油机取1.2～1.4，柴油机取1.2～2.6，以保证汽车具有相当的最低稳定车速。
初取nT=1300r/min，则
，
。
1.3发动机的主要参数
根据所需发动机的最大功率和最大转矩及相应转速，初步选择一汽大连柴油机股份有限公司的型号为BF6M1013-28E3的发动机，它的主要技术参数如下表2-1所示。
表2-1大柴BF6M1013-28E3发动机的主要技术参数
单位
大柴BF6M1013-28E3
外形尺寸（长×宽×高）
mm
1146×622×897
缸径/行程
mm
108/130
质量
㎏
650
排量
L
7.14
额定工况功率/转速
Kw/（r/min）
206/2200
最大转矩/转速/最大马力
N·m/（r/min）/马力
1050/1400/280
最低燃油消耗率
g/（kw·h）
≤203
一米外噪音
B
96
压缩比
18.1
满足排放要求
国Ⅲ/欧Ⅲ
进气形式/每缸气门数
增压中冷/4
气缸排列形式
直列
二、配置大柴BF6M1013-28E3发动机的整车性能计算
2.1汽车动力性能计算
（1）汽车驱动力和行驶阻力
汽车行驶过程中必须克服滚动阻力Ff和空气阻力Fw的作用，加速时会受到加速阻力Fj的作用，上坡时会受到重力沿坡道的分力——坡度阻力Fi的作用。
汽车行驶时驱动力与行驶阻力的平衡方程式为
（3-1）
发动机在转速n下发出的转矩Te，经汽车传动系传递到驱动轮上的驱动力Ft按下式计算
（3-2）
式中，Te是发动机转矩（N·m）；ig是变速器速比；i0是主减速器速比，io=4.875；ηT是传动系效率，ηT=0.849；rr是车轮的滚动半径（m），rr=0.5249m。
在驱动轮不打滑的情况下，发动机转速n（r/min）所对应的汽车车速ua（Km/h）为
（3-3）
滚动阻力Ff为
（3-4）
式中，g是重力加速度，g=9.8m/s2;α是坡道的坡度角（º）；f是滚动阻力系数，同式（1-1）说明。
空气阻力Fw为
（3-5）
式中，CD是空气阻力系数，CD=0.9；A是迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，A=2.065×3.390㎡；ρ是空气密度，一般取ρ=1.2258N·s2·m-4；ua是汽车行驶速度（m/s）,若ua以km/h计，则
。
坡度阻力Fi为
（3-6）
式中，i是道路坡度，计算时i取值从0%到40%。
坡度阻力
随坡度角α的增加而增大，且与变速器档位和车速无关。
将各挡驱动力Ft随车速ua的变化关系和不同坡度i时的
随ua的变化关系画在同一张纸上，则形成汽车的行驶性能曲线。
由汽车的行驶性能曲线可知该车的最高车度、最大爬坡度、档位的使用情况及各档位某车速的爬坡能力。
选用大柴BF6M1013-28E3发动机时，最高车速在100km/h时，经计算，一档时最大爬坡度为
。
2．2汽车的加速性能计算
加速阻力
计算。
为计算最大加速能力，这里就取道路坡道为零的平直道路上行驶进行计算。
，由此可得
（3-7）
式中，δ是汽车旋转质量换算系数，δ按式
估算，取
ig为变速器速比。
参照《汽车设计课程设计指导书》中的图1-8绘制出汽车加速度曲线图。
进而参照《汽车设计课程设计指导书》中的图1-9绘制各挡加速度倒数曲线图。
由
得
（3-8）
通过上式可求得汽车从初始车速u1全力加速到u2的加速时间t，结合汽车的行驶性能曲线，可以作出该汽车连续换挡加速时间曲线图。
四、轮胎的选择
轮胎的尺寸和型号是进行汽车性能计算和绘制总布置图的重要原始数据，因此，在总体设计开始阶段就应选定。
选择的依据是车型、使用条件、轮胎的额定负荷以及汽车的行驶速度。
为了提高汽车的动力因数、降低汽车质心的高度、减小非簧载质量，对公路用车，在其轮胎负荷系数以及汽车离地间隙允许的范围内，应尽量选取尺寸较小的轮胎。
同时还应考虑与动力—传动系参数的匹配和对整车尺寸参数（例如汽车的最小离地间隙、总高等）的影响。
参考《汽车设计课程设计指导书》表1-3给出的部分国产汽车轮胎的规格、尺寸及使用条件。
通过查阅货车轮胎标准GB2977-2008《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》和参考同类车型所选轮胎规格，各轴轮胎规格选择如下：
前轴轮胎规格为11.00R20,轮胎数量为2；中间轴轮胎规格为11.00R20，轮胎数量为2；后轮并装双轴双胎，型号为11.00R20,轮胎数量为8。
所选轮胎的单胎最大负荷28700N，气压0.74MPa，加深花纹，外直径1090mm。
五、汽车重要性能参数
（1）动力性能参数
根据以上的计算可知该设计车辆的动力性能参数：
最高车速100km/h，比功率7.043KW/t,最大爬坡度≥30%
（2）货车单位质量百公里燃油消耗量1.45L/（100t.km）
即空载时约为17.5L/100km，满载时约为40L/100km
（3）最小转弯直径约为17m，
（4）通过性的几何参数（绘图实测）
1）最小离地间隙300mm
2）接近角约为38°
3）离去角约为26°
4）纵向通过半径约为3.5m
（5）操纵稳定性参数
1）通常用汽车以0.4g的向心加速度沿着定圆转向时，前后轮侧偏角之差作为评价参数，此参数在1°-3°，此处取2°
2）通常用汽车以0.4g的向心加速度沿着定圆等速行驶时，车身侧倾角控制
在3°以内较好，最大不超过7°，此处取6°
3）汽车以0.4g的减速度制动时，车身的前俯角不大于1.5°
（6）制动性（详见制动系统设计）
（7）舒适性（详见悬架系统设计）
根据前面的计算和目标参数的综合考虑，可以确定设计车辆的动力传动系统匹配280马力的大柴BF6M1013-28E3发动机匹配使用时，整车的爬坡性能、加速性能和转矩适应性都有了较为显著的提高，经济车速的范围也较大，燃油经济性较好，同时也满足最高车速为100km/h的设计要求。
该重型载货汽车的车身造型图如附录1所示
第3章、总体布置
一、总体布置要求与分析
1、总体布置基准线的选择和画法
车架上平面：
纵梁上翼面较长的一段平面在前视图上的投影线，作为垂直方向尺寸的基准线。
前轮中心线：
通过左右前轮中心，并垂直于车架平面线的平面，在侧视图和俯视图上的投影线，作为纵向方向尺寸的基准线。
汽车中心线：
汽车纵向垂直对称面在俯视图和前视图上的投影线，作为横向尺寸的基准线。
地面线：
地平面在侧视图和前视图上的投影线，是标注汽车高度、接近角、离去角、离地间隙、等尺寸基准线。
前轮垂直线：
通过左右前轮中心，并垂直于地面的平面，在侧视图和俯视图上的投影线，用来标注汽车轴距和前悬的基准线。
根据上述说明，我们绘制了简单的坐标草图如下所示：
2、发动机的布置
1）、悬置位置
a．首先要保证本系统的功能特性，前后悬置刚度匹配，能有效减震，防抖，降噪
b．要保证前后悬置结构设计能够实现
c．在前后悬置处尽量能布置横梁或托架梁，防止车架变形
d．保证发动机吊装工艺性良好，易于使用气动工具紧固
e．要考虑发动机维修、拆卸的可行性、方便性
2）、发动机总成位置及倾角的确定
a、在前悬已经确定的情况下，发动机，中冷器和水箱一起尽可能靠前，使之靠近驾驶室前外罩，以增加发动机的散热能力；
b、上下位置的确定，一要考虑发动机与驾驶室地板的空间，二要考虑前轴或横拉杆在上跳最大挠度状态下与油底壳之间的间隙；
c、发动机的倾角对不同吨位的载货汽车有不同的要求
中型车
准重型车
重型a
重型b
倾角
1.5-2o
2-3o
4-5o
5-5.5o
本设计车辆发动机倾角取5o
3、冷却系的布置
a．首先要保证散热器的散热能力满足发动机的要求
b．护风圈偏心不宜太大
c．风扇至水箱芯片距离要合理
d．保证水箱离地间隙及与车身的运动间隙
e．副水箱要布于较高处，副水箱补水管和溢气管走向合理，便于补水和排气，加水要方便
f．风扇与护风圈的间隙，上下方向单边应在20-25mm，左右方向单边应在15-20mm
g．自卸车等工程车辆，水箱下面要加护栏保护，防撞
h．要保证接近角的要求
4、传动系的布置
由于发动机、离合器、变速器装成一体，所以发动机位置确定之后，包括发动机、离合器、变速器在内的动力总成位置就确定了，驱动桥的位置取决于驱动轮的位置，为了是左右半轴通用，差速器壳体中心线应与汽车中心线重合。
为了满足万向传动两端的夹角相等，在满载时不大于4o，最大不大于7o要求，常将后桥主减速器的轴向上翘起。
我们的轴距总长为8050mm，故而需采用多传动轴的传动方式，
变速器输出轴和差速器输入轴转角差为零的主要条件是θ1=θ2；
θ3=θ4；θ5=0，如下图所示
5、转向装置的布置
a．转向盘的布置符合人体工程学的要求
b．保证转向与悬架运动协调
c．保证转向传动轴下万向节靠近车身翻转中心，以便翻转时运动协调
d．在车身翻转情况下，转向传动轴不应有夹角太大或抽出，顶死情况
e．在各极限转角情况下，转向摇臂与拉杆不应有死角，或干涉，直拉杆与板簧轮胎应保持15cm以上间隙
6、悬架的布置
货车的前后悬架，多采用纵置半椭圆形钢板弹簧，为了满足转向轮偏转所需要的空间，常将前钢板弹簧布置在纵梁下面。
钢板弹簧端通过弹簧销和支架与车架相连，而后端用吊耳和支架与车架相连，同时为了满足主销后倾的要求，前钢板弹簧布置成前高后低状。
后钢板弹簧布置在车架与车轮之间，应注意钢板弹簧上的U形螺栓和固定弹簧的螺栓与车架之间应有足够的间隙。
减震器尽可能布置成直立状，以充分利用其有效行程。
根据设计要求和实际对标车型的特点，本设计车辆采前悬架为9块钢板弹簧、后悬架采用12块钢板弹簧的布置方式。
7、制动系的布置
制动踏板应布置在靠近驾驶员附近，并且要求做到脚制动踏板和手制动操纵轻便。
应检查杆件运动时有无干涉和死角，更不应在车轮跳动时自行制动。
布置制动管路时注意安全可靠、整齐美观。
在一条管路上，当两个固定点之间相对运动时，要采用软管过渡。
平行管之间的距离不小于5mm，或者完全束在一起，交叉管之间的距离应不小于20mm，同时注意不要将管子布置在车梁内侧下翼上，以免由于积水使管路腐蚀。
8、油箱、备胎、蓄电池的布置
油箱：
a．燃油箱的容积要保证续驶里程的需要
b．油箱的位置要离发动机油泵尽量近，并要尽量与消音器、排气管分开，油箱的布置要尽量使左右载荷均匀，并适当照顾轴荷分配，油箱的布置要尽量模块化，并能满足多种轴距的需要
c．油箱的走向要顺畅，贴近车架走，合理固定，不能因相互运动磨擦而损坏
备胎：
备胎可布于底盘，也可布于上装上（包括自卸车、半挂车上等）。
可在轴距之间，也可在后悬上。
可前后斜置（后悬上，或在自卸车前栏板上），也可左右斜置（轴距之间），可平置，也可立置。
可以是一个，也可是两个。
但必须保证足够的离地间隙或离去角，固定牢固可靠，以及备胎装拆方便。
还要注意备胎对轴荷的影响。
蓄电池：
蓄电池要尽量靠近起动机，蓄电池要拆装方便，蓄电池的布置要考虑轴荷和模块化要求
9、驾驶室的布置
a．保证发动机舱空间足够
b．保证轮罩空间足够
c．保证转向机构布置理想
d．保证车轮与车身外观协调
e．尽量让出上装空间
二、绘制总体布置草图
根据上述分析和各目标参数等方面因素的综合考虑，绘制出该重型载货汽车的整车总体布置草图（详见附录2）如下所示
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