挂车设计计算书

前言

ST9430型鹅颈式半挂车主要是为了装运大中型设备而设计的。该列车牵引

车采用斯太尔1491·280/S29/6×4型半挂牵引车。支承装置、车轴装置及制动

系统等，各承受的负荷基本上与已定型产品的设计相吻合，这几部分不再重新

进行计算，本设计计算书只对该列车的动力性有关技术参数，半挂车车架强度

进行计算。

一、列车的基本技术参数

（一）汽车列车

1、外形尺寸(长×宽×高)(空载)(mm) 16500×3200×2955

2、整备质量(Kg) 21840

前桥载质量(Kg) 4560

中桥载质量(Kg) 8130

后桥载质量(Kg) 9150

3、装载质量(Kg) 30000

4、最大总质量(包括驾乘2人)(Kg) 51970

前桥载质量(Kg) 5440

中桥载质量(Kg) 16680 后桥载质量(Kg) 29850 （二）半挂车

1、外形尺寸(长×宽×高)(空载)(mm) 12830×3200×1770

2、平台尺寸(长×宽)(mm) 9000×3200

3、整备质量(Kg) 12980

牵引销(Kg) 3830

后轴(Kg) 9150

4、装载质量(Kg) 30000

5、满载质量(Kg) 42980

牵引销(Kg) 13130

后轴(Kg) 29850

6、轴距(mm) 9890+1220

7、轮距(mm) 1680/915

8、前悬(mm) 450

9、承载面高度(空载)(mm) 860

10、前回转半径(mm) 984

11、间隙半径(mm) 2356

（三）牵引车

1、车型斯太尔1491·280/S29/6×4

2、整备质量(Kg) 8860

3、轴距(Kg) 2925+1350

4、轮距(mm)前轮 1939

后轮 1800

5、牵引座前置距(mm) 300

6、牵引座接合面高度(mm) 1490

7、牵引座 90#

8、最大功率(马力/转/分) 280/2400 9、最大扭距(公斤·米/转/分) 109/1400

二、列车的动力性计算

㈠、列车动力性参数及计算公式 1.发动机扭距M e

M e =M emax － (n M －n e )2

N ·m

式中

M emax ——发动机最大扭距，1068N ·M ； M ——发动机最大功率时对应的扭距，

M p =9550 =9550× =820N ·M ；

n M －发动机最大扭距时对应的转速，1400r/min ； n P －发动机最大功率时对应的转速，2400r/min ； n e －发动机转速。 2.列车行使速度Va

e n p 22r r .n e

i g .i o

档位 1 2 3 4 5 6 7 8 9

i 12.42 8.26 6.08 4.53 3.36 2.47 1.81 1.35 1.00

M e i g i o t

r C D A .V a

2

2

M e －M p （n p －n M ）2

Va=0.377 Km/h

式中：r r —车轮滚动半径，取r r =0.56m ；

i o —主传动比；i o =6.72

i g —变速器传动比，见下表。

3.牵引车驱动力 Ft Ft= N

式中：n t —机械传动效率，取n t =0.85 r —车轮半径， r=r r =0.56m 。 4.列车行驶中的空气阻力Fw Fw= N 式中：

C D —空气阻力系数，取C D =0.95

A —迎风面积，A=BH=1.94×2.96=5.74 B-汽车轮距H-汽车高 5.列车的动力因数D D= 式中：

Ga —列车最大总重，Ga=509306N ㈡、列车动力型参数计算结果 将已知参数代入上述公式中，经过计算即得所需数值。微机计算结果如表1

所示。（只对第1、9档计算，其余省略）

㈢、作列车驱动力图和动力特性图

根据计算结果，可作出列车驱动力图和动力特性图。

图1为驱动力图，即Ft —Va 曲线图。 图2为动力特性图，即D —Va 曲线图。 ㈣、列车动力性能参数的确定 1.列车最高车速的确定

由列车动力特性图（图2）可以看出，列车在满载良好水平的路面使用九档行驶时，其发动机最高转速下所对应的车速即为最高车速V amax ，其值为：

V amax ≈75Km/h

2.列车最大爬坡度的确定

由图2可以看出，汽车以一档低速行驶时的最大动力因数值为： D 1max =0.266 取f=0.016得

F t -F w

G a

012+2

12

D 1m —f 1D 21m

f 2

1f 2

αmax =arcsin ≈14.60

最大爬坡度i max 为

i max =tg αmax =tg 14.60≈0.26=26％

表1：列车的动力性参数

ne 〔r/min 〕 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 Me 〔N·m 〕 1006 1046 1066 1066 1046 1006 946 867 第 1 档 V a 〔Km/h 〕 2.28

2.78

3.29

3.79

4.30

4.81

5.31

5.82

F t 〔N 〕 127444 132511 135045 135045 132511 127444 119843 109835 F w 〔N 〕 1.38 2.04 2.86 3.80 4.89 6.12 7.46 8.96 D

0.251

0.261 0.266 0.266 0.261 0.251 0.236 0.216 第 9 档

Va 〔Km/h 〕 28.28 34.55 40.83 47.12 53.40 59.68 65.96 72.24 Ft 〔N 〕 10261

10669

10873

10873

10669

10261

9649

8843

Fw 〔N 〕

206.20 307.76 429.81 572.44 735.19 918.28 1121.7 1345.46 D

0.0198 0.0204 0.0206 0.0203 0.0196 0.0184 0.0168 0.0148

三、列车的牵引性能计算 （一）列车的最大牵引力F tmax 由表1可知，列车的最大牵引力为135000N ，即一档行使时发动机最大扭矩时的驱动力。

（二）按头档起步条件计算列车的最大爬坡能力计算公式为：

F tmax =

G a ·cos αmax ′·f+G a sin αmax ′+ ·δ·j 由于最大爬坡值不会太大，上式可近似的写为：

F tmax ≈

G a ·f+G a tg αmax ′+ ·δ·j 式中：

f －滚动阻力系数，取f=0.016；

g －重力加速度，9.8m/s 2；

δ－旋转质量换算系数，取δ=1.5；

j －列车起步过程中的加速度，其值为一变数，一般地V a 从0到 0.5m/s 2

时取j=0.4s/m 2。

αmax ′－列车用一档起步时最大爬坡角度。

将上述各已知参数代入公式中可求得最大爬坡度：

i max ′=tg αmax ′= -f- ·j= -0.016- ×0.4 ≈0.1889

即 αmax ′ =arctg0.1889≈10°48′ （三）、列车比功率计算 牵引车的发动机功率为206KW ，列车总质量为51770Kg ，即51.77t ，其列车

G a

g G a

g

的比率为206KW/51.77t ≈3.98KW/t 。

因此，牵引列车的比功率值满足国家标准GB6420-86《货运挂车系列型谱》所规定的比功率不小于1.10KW/t 的要求。

（四）、按附着条件计算列车最大牵引力 根据驱动附着条件： Ft ≤F z φ·φ，N 式中；

F z φ—作用与所有驱动轮上的地面法向反作用力 F z φ=163954N

φ—道路附着系数，取值分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 计算结果列表如下：

φ 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Fzφ·φN

65582

81977

98372

114768

131163

由计算结果知当列车行驶于φ＞0.82的路面上时，满足附着条件。 四、列车最小转弯直径的确定

根据公式D min =2

L 21+

B 12

+L 22-S 2

+B 22）2

］2　

式中L 1——牵引车轴距 L 1=2925mm L 2——半挂车轴距 L 2=10500mm S ——牵引车前置距 S=300mm B 1——牵引车前轮距 B 1=1939mm B 2——半挂车轮距 B 2=1680mm

将上述已知参数代入上式中可求得最小转弯直径：

D min =22

2

+

1

2+1

2

-

2

+

1

2）2］2

=23730mm ≈23.7m 五、车架强度计算 （一）计算基本参数

半挂车整备质量 12980Kg 非悬挂质量 3000Kg 最大载质量 30000Kg 说明：

非悬挂质量为悬挂支架以下（不包括支架）的总成质量。 （二）关于计算的假设 本计算基于下述假设：

1.假设车架是支于牵引销与悬挂支架上的简支梁。

2.忽略偏心负荷的影响，假设所有重力均通过纵梁的弯心。

3.将车架分为前段与后段两部分，假设每段的质量均匀分布于其总长上，结构简化图及其计算参数如图3所示。

F t

G a δg 1

509

4.假设装载质量均匀分布于9000mm长的承载面上。

5.车架左右对称，作用于两纵梁上的负荷是相等的，因此，只对单根纵梁进行计算。

（三）负荷分配

1.空载负荷分配：

牵引销负荷 37534N

后轴负荷 89670N

2.满载负荷分配：

牵引销负荷 128674N

后轴负荷 292530N

（四）半挂车车架的简化及悬挂质量与载质量的分布

1.半挂车车架的简化

将半挂车车架简化为前后两段，前段长度为3150mm，后段长度为9900mm, 两段相重叠部分为500mm

2.悬挂质量与载质量的分布

悬挂质量为9980Kg ，包括以下几个部分：

车架前段 2100Kg 车架后段 7480Kg 支腿（两根） 270Kg

备胎架（含备胎） 130Kg

载质量3000Kg均匀分布于承载面长度上。

悬挂质量与载质量的分布如图4所示，根据理论力学的知识，可计算出牵引销处、支腿处和后轴的载荷分配。

牵引销处 12210Kg 后轴处 27770Kg （五）计算并绘制满载状况下的单根纵梁弯距图（见图5）

1.纵梁的载荷线集度

将纵梁简化为前后两段，忽略支腿与备胎架集中载荷的影响，纵梁前后两段的质量按在其全长上均匀分布，则两段的重量线集度分别为：

q1=2

3=3.27N.mm-1

q2=7

9=3.95N.mm-1

载质量在承载面上均匀分布，其载荷线集度为

q3=3

9=16.3N.mm-1

2.纵梁支点处的支反力

牵引销A处的支反力 R A=64337N

后轴 B处的支反力 R B=14925N

3.计算纵梁各截面上的弯距：

纵梁受力简图及计算所取坐标见图5所示。CA段： M W（x）=- q1x2 （0≤x≤400）

AE 段： M W （x ）=R A （x-400）- q 1x 2 （400≤x ≤2640）

EF 段： M W （x ）=R A （x-400）- q 1x 2

-

（2640≤x ≤3150） FB 段：M W （x ）=R A （x-400）- -3150q 1（x- ） - （3150≤x ≤10900）

BG 段： M W （x1）=- q 2x

12

- q 3（x 1-400）2

（400≤x ≤1650） GD 段： M W （x1）=- q 2x 12

（0≤x 1≤400） 4.绘制弯距图： 以纵梁长度为横坐标，以纵梁各截面的弯距值M W 为纵坐标建立坐标系，将已知量q 1、q 2、q 3代入弯距方程，便可绘制出单根纵梁的弯距图（见图5）。

（六）纵梁静弯曲应力的计算

静弯曲应力的计算旨在校核纵梁的弯曲强度，因此只对危险断面进行计算。 1.危险断面Ⅰ：纵梁前段截面突变处x=1150mm 此处的弯距值由弯距方程所求得。 M W Ⅰ=46090000N.mm

2.危险断面Ⅱ：纵梁前段截面变化处x=2190mm M W Ⅱ=107320000N.mm

3.危险断面Ⅲ：最大弯距处，由弯距图知在FB 段内，其位置可通过对该区段的弯距方程求导来得到。

对弯距方程求导，并令M W ′（x ）=0 得X= ≈5719mm

M W Ⅲ=227000000N.mm

4.计算危险断面的抗弯系数

三处危险断面形状均为工字型，断面形状如图6所示。 截面抗弯系数W= （1）危险断面Ⅰ

B=220mm t=16mm H=300mm h=252mm b=B-t=204mm W= =1486326mm 2

（2）危险断面Ⅱ

B=220mm t=16mm H=373mm h=325mm b=B-t=204mm W= =1972291mm 2

1

2

12

1

2

q 2（x -2

2

q 2

（x -2

2

32

q 3（x -2

2

12

12

1

2

R A -q 1+q 2+

q 3

q 2+q 3

（3）危险断面Ⅲ

B=220mm t=16mm H=520mm h=472mm b=B-t=204mm

W= =3039210mm 2

5.计算危险断面上的弯曲应力

根据公式δ= 可计算出危险断面上的弯曲应力如下表所示 图6 （七）强度分析：

纵梁采用16Mn 优质合金钢板，其屈服强度

δ ≥343MPa ，上述各危险断面的弯曲应力远小于材料的屈服强度，故强度足够。 各危险断面的安全系数ηs 的值见下表

图1 列车驱动力图

图2

列车动力特性图

主要参考资料

1.《汽车设计》吉林工业大学汽车教研室编。

B 3-b 36H

2

3

-

3

62

3

-

3

6

23-3

6

M

W

危险断面 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 应力δN.mm

31

54.4

74.7

2.《汽车理论》清华大

学余志生编。

3.《材料力学》刘鸿文主编。

4.《专用汽车设计》崔靖主编。

5.《专用汽车设计》蒋崇贤、何明辉主编。

本资料编写人员： 周淑芳

审核： 贾倩

危险断面 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 安全系数ηs

11.06

6.31

4.59