一种客车双曲悬架结构及其设计方法与流程

本发明涉及悬架结构，尤其涉及一种客车双曲悬架结构和一种客车双曲悬架结构设计方法。

背景技术：

传统客车大部分采用C型梁结构设计，客车在各工况行驶中C型梁受力较为复杂，存在弯矩的同时也存在一定的扭矩，且扭矩传递到后桥上时又在一定程度上增加了后桥的弯矩，同时由于结构限制，使左右气簧间距较小，降低了整车的侧倾刚度，以及前后气簧所需要的纵向间距较大，从而占用了一定的行李舱空间。针对上述设计不甚完善的地方，本发明人曾在专利201410063564.X中提出了一种双U型悬架结构，结构通过减小气簧的纵向间距及增大气簧的横向间距，不仅有效的增加了行李舱的空间而且有效增加了车身的侧倾刚度，从而有利于整车轻量化的实现。同时相比于C型结构在行驶中，弯曲扭转应力同时存在，所需的截面尺寸较大的问题，此U型悬架结构只存在扭矩，因此可适当减小截面尺寸，有利于结构的轻量化。但此悬架结构U型部的垂直梁仍存在一定的弯矩，同时底部的U型横梁也存在较大的弯矩，从而使与之相连的两根长纵梁存在一定的扭矩，轻量化效果仍不够理想。因此，本发明提出一种新型的双曲型客车悬架结构轻量化设计。

技术实现要素：

本发明提供的双曲悬架结构，取消了前后底横梁，采用两根横向拉杆，使结构质量减轻，从而可以有利于轻量化，且相比于U型结构如双曲梁U型部垂直梁上所承受的弯矩也进一步减小。

本发明提供的双曲悬架设计方法，给出双曲梁部件承重所需最小尺计算公式，相比于传统C型梁空气弹簧的布置形式本发明所需的纵向间距缩短， 从而有利于增大行李舱空间的容积，保证了工艺较为简单、生产成本更为低廉。

本发明提供的技术方案为：

一种客车双曲悬架结构，包括：

左双曲梁，其包括：

U型部，其为下凹的U型结构；

外伸梁，其与所述U型部两端圆弧过渡部相接，所述外伸梁向车身外侧并斜向上带有倾角伸出；

右双曲梁，其包括：

U型部，其为下凹的U型结构；

外伸梁，其与所述U型部两端圆弧过渡部相接，所述外伸梁向车身外侧并斜向上带有倾角伸出；

两个横向拉杆，其分别设置在所述左双曲梁和所述右双曲梁之间，所述横向拉杆与所述圆弧过渡部铰接，其中，铰接的轴线平行于客车的纵轴线。

优选的是，还包括后桥固定架，其设置在所述U型部中部，包括：

加强板，其为菱形，设置在所述U型部中部的上表面和下表面；

加强块，其设置在所述加强板之间；

固定夹板，其设置在所述后桥位置；

螺栓，其设置在所述固定夹板底部，并贯穿所述加强块和所述加强板。

优选的是，所述横向拉杆，包括：

拉杆，所述拉杆两端具有旋向相反的螺纹；

连接架，其为一端具有开口的框架，所述框架闭口部设置有螺纹孔，所述螺纹孔与所述螺纹配合，以使所述连接架连接在所述拉杆两端，所述框架开口部与所述圆弧过渡部铰接。

优选的是，还包括锁止螺母，其套设在所述拉杆上。

优选的是，所述拉杆上具有六角凸块，以便于拉杆两端的螺纹旋入。

优选的是，所述外伸梁采用变截面矩形钢管。

优选的是，所述双曲梁最高处上平面高于后桥，以致龙骨仍能够实现前后贯通，不会降低整车的强度和刚度。

优选的是，所述外伸梁顶部为焊接钢板，并在所述焊接钢板上设置空气弹簧，相对于所述空气弹簧内侧设置减震器。

优选的是，还包括：

V型推杆，其一端通过固定衬垫固定在后桥桥壳上，另一端通过橡胶衬垫与车身连接，以控制车身与后桥间的相对运动；

纵向推力杆，其设置在所述后桥两侧固定架上，所述纵向推力杆通过橡胶衬垫连接于车身。

一种客车双曲悬架结构设计方法，包括以下尺寸：

横向拉杆的最小直径，

其中，F为整个悬架上的轴荷，L₁为气簧到弯角处的距离，L₂弯角处到双曲梁底架的距离，σ_s为钢材的屈服极限；n为安全系数；K_v为动载荷系数；

变截面梁最外侧横截面的最小高度h₁的计算公式为，

其中，t为钢管厚度，B为矩形钢管的截面宽度；

变截面梁最内侧弯角处横截面的最小高度h₂的计算公式为，

其中，t为钢管厚度，B为矩形钢管的截面宽度；

变截面矩形梁与水平所要成的角度计算公式为：

其中，h为气簧的高度。

本发明的有益效果

1、本设计能够整体降低双曲梁的弯矩和有效减少传到后桥上的弯矩；特别是通过控制拉杆预紧力去平衡弯矩使传递到最底下的两根纵梁的扭矩为零从而可以使后桥几乎不再承受额外的弯矩，并且悬架的所有构件都只受到一个方向的弯曲载荷作用，进一步简化了悬架结构的受力，从而有利于后桥和双曲梁悬架结构的轻量化。

2、本设计且相比于现有结构，取消了前后底横梁，取而代之的是上面的两根横向拉杆，使结构质量减轻，从而可以有利于轻量化。且相比于U型结构如双曲梁U型部垂直梁上所承受的弯矩也进一步减小，设计时可适当减小截面尺寸，从而有利于轻量化。

3、双曲梁两边延伸出的承托空气弹簧的外伸梁采用上切边并补充平面的变截面，等强度设计，这种焊接补充方式相比于其他方式可使钢板牢牢固定，且不易产生破坏，相比于传统设计所用材料减少，从而更加有利于轻量化。

4、本发明相比于C型梁空气弹簧的布置形式，本发明的布置方法增大了空气弹簧横向间距，使整车侧倾刚度进一步提升，从而更加有利于整车方面的轻量化，相比于传统C型梁空气弹簧的布置形式本发明所需的纵向间距缩短，从而有利于增大行李舱空间的容积，双曲梁悬架结构所用到的均为横纵矩形梁以及平直拉杆等保证了工艺较为简单、生产成本较为低廉。

附图说明

图1为本发明所述的双曲悬架结构的装配图。

图2为本发明所述的双曲悬架结构的轴侧图。

图3为本发明所述的横向拉杆的结构示意图。

图4为本发明所述的后桥固定架的结构示意图。

图5为本发明所述的为双曲梁外伸变截面梁的结构示意图。

图6为本发明所述的双曲梁结构受力示意图。

图7为本发明所述的后桥参数示意图。

图8为本发明所述的双曲梁外伸部上平面和后桥轴线参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供的双曲悬架结构，包括：左双曲梁110、右双曲梁120、横向拉杆130、和后桥固定架140。

其中，左双曲梁110和右双曲梁120左右对称放置，双曲梁包括位于中间的U型部，和设置在两侧的外伸梁150，双曲梁中部采用下凹的U型结构，且左右双曲梁的中部U型区平面应与整车纵向对称平面平行，与U型部相接的两端外伸梁150，外伸梁150和与U型部两端圆弧过渡相接，应向车身外侧弯曲并斜向上带有倾角伸出，为加强机械强度双曲梁均采用矩形钢材。

如图3所示，横向拉杆130包括平行设置的前拉杆和后拉杆，设置在左双曲梁110和右双曲梁120之间，在双曲梁的横向弯角侧面打有孔洞并插入固定螺栓135，固定螺栓135与连接架相连，横向拉杆130包括：连接架131，其端部具有螺纹孔，连接架131设置在拉杆132两端；拉杆132两端具有旋向相反的螺纹,从而使横向拉杆130可以在连接架131上的螺纹孔内进行旋进旋出，使拉杆两侧达到所需的预紧力，拉杆两端车有六角凸块134，以方便用扳手进行旋进旋出，拉杆132两端设有锁止螺母133，调整预紧力后，用两边的锁止螺母133进行锁止并涂锁止胶进行固定，从而可以消除双曲梁最下面纵梁的扭矩。

如图4所示，左右双曲梁最底下的纵梁上下表面均布置有加强板141，且加强板设置为菱形，加强板之间布置有4个加强块142，4个螺栓分别贯穿加强板141与加强块142，螺栓布置在底纵梁内外两侧，并将其固定在后桥180的固定夹板143上，此种设计既保证了连接强度又保证了纵梁的完整，作为一种优选，双曲梁最高处上平面仍然高于后桥180，以致龙骨仍可实现前后贯通，不会降低整车的强度、刚度。

如图5所示，U型部底纵梁的中部连接到后桥固定架上，的双曲梁外伸梁150采用变截面矩形钢管设计，均采用等宽、等壁厚的变高度设计即以空气弹簧座下平面为基准切割曲梁倾斜的伸出部，缺口由平直的平面钢板20如图5焊接补充，即矩形钢管下表面倾斜伸出而上表面以空气弹簧底座下平面为基准进行切削，并以平面钢板300焊接补充切削出的平面缺口，相比于在 其他部位切割并焊接补充钢板，此种方式的焊缝仅承受向下的压应力，所以可以保证钢板固定牢固且工艺亦简单。截面部的平直钢板上布置有空气弹簧底座，4个空气弹簧安装在底座上，空气弹簧160安装在补充的平面30上，空气弹簧160靠近双曲梁边缘进行布置，减震器170相对于空气弹簧内侧进行布置。

作为一种优选，在保证伸出的变截面梁150、空气弹簧、与轮胎运动不发生干涉的前提下，尽量增大左右空气弹簧的间距使整车侧倾刚度提高，以及尽量减小纵向前后空气弹簧的间距，使空气弹簧轴线在轮胎边缘切垂线的内侧从而有效增大行李舱的空间。

车架两边平行布置双列轮胎，V型推杆210一端通过固定衬垫固定在后桥桥壳上，另一端通过橡胶衬垫与车身连接，以控制车身与后桥间的相对运动。后桥两侧固定架140上还布置有纵向推力杆220，推力杆通过橡胶衬垫连接于车身，其为与龙骨传递力的主要部件，整个双曲型悬架与横向拉杆、后桥等构成了一种矩形的结构，使整个后悬结构更加稳定，刚度也相应提高，截面形状不复杂，工艺较为简单，并使轻量化程度进一步提高。

一种客车双曲悬架结构设计方法，包括以下尺寸：

横向拉杆的最小直径，

其中，F为整个悬架上的轴荷，L₁为气簧到弯角处的距离，L₂弯角处到双曲梁底架的距离，σ_s为钢材的屈服极限；n为安全系数；K_v为动载荷系数；

变截面梁最外侧横截面的最小高度h₁的计算公式为，

其中，t为钢管厚度，B为矩形钢管的截面宽度；

变截面梁最内侧弯角处横截面的最小高度h₂的计算公式为，

其中，t为钢管厚度，B为矩形钢管的截面宽度；

变截面矩形梁与水平所要成的角度计算公式为：

其中，h为气簧的高度。

实施以整个悬架上轴荷为15t为例，计算双曲悬架结构的尺寸，作进一步说明：

一、设计拉杆的尺寸

由于设计拉杆尺寸，需要知道拉杆所承受的拉力，而根据本专利设计在双曲梁底梁处要求扭矩为零，这样就确定了拉杆上的拉力即所需要的预紧力。

如图6所示，取整个悬架上的轴荷F为15t，后桥上共有4个空气弹簧，作用在一个空气弹簧上的力经过测量气簧到弯角处的距离L₁＝0.4m，经过测量弯角处到双曲梁底架的距离L₂＝0.3m，根据公式F₁·L₁＝F₂·L₂经计算得到F₂＝50KN；再根据公式计算拉杆的尺寸；

其中，A为横向拉杆的截面面积；σ_s为钢材的屈服极限，这里取为256MPa；n为安全系数，这里取为2；k_v为动载荷系数，这里取为2；

经计算横截面积A约等于804mm²；再根据面积公式π·r²＝A，计算可得半径r约为16mm，直径D为32mm。

二、横向拉杆及连接架结构制造完成以后，多次测量施加在六角凸台上的扭矩T与横向拉杆上所产生的拉力F₂的数值，以扭矩T为横坐标，拉杆上的拉力F₂为纵坐标进行绘制并拟合曲线从而找出它们之间的关系曲线，通过所计算的预紧拉力F₂值50KN，和它们之间的关系曲线，从而找到所需的预紧扭矩T值，以指导实际生产安装时扳手所要施加的扭力值。

三、如图5-6所示，设计双曲梁外伸部变截面梁的尺寸实例计算变截面梁最外侧横截面的最小高度h₁；

应保证最外侧的最大剪切应力满足第三强度理论即由公式

F₁为作用在一个空气弹簧上的力即37500N；矩形钢管的截面宽度B这里设为定值取为120mm；钢管厚度t经测量取为8mm；σ_s为钢材的屈服极限此处取为344Mpa；k_v为动载荷系数,取为2；n为安全系数,取为2；

经计算可得此处的最小h₁值为0.0786m约等于79mm，取为79mm。

四、计算变截面梁最内侧弯角处横截面的最小高度h₂；

由于此处的正应力要明显大于切应力所以应保证钢材不会超过许用正应力，

L₁为最内侧弯角处距离气簧的长度，即变截面梁的长度此处取为0.4m；σ_s为钢材的屈服极限此处取为344Mpa；钢管厚度t经测量取为8mm；矩形钢管的截面宽度B，这里设为定值取为120mm；k_v为动载荷系数，取为2；n为安全系数，取为2。

经计算可得此处的最小h₂值为175mm；即此处的高度取为175mm。

五、由变截面梁最外侧横截面的最小高度h₁和变截面梁最内侧弯角处横截面的最小高度h₂，得出在两个位置上固定宽度时的高度值，由此数据经计算即可得到外伸变截面梁应弯曲的角度值；以及可以确定应在何处对矩形梁上表面及侧面进行切割；可参照图5所给出的一种方法，具体操作将由以下实例给出；

如图5所示，这里的h₁，h₂值均对应于步骤三，四所计算出的高度值，计算前还需要知道气簧的预计布置高度h值，此值可根据不同设计情况由设计 人员给出；这里h值取为40mm，以图5所示的X Y建立坐标系即可知道AB两点的坐标值，具体数据由表一给出；

表一

通过A、B两点的坐标值，可用一次直线进行拟合，可得出直线的方程及斜率，再通过斜率的反三角确定α角,此处经计算α值大约为19deg,即为变截面矩形梁与水平所要成的角度，即要弯曲的角度为19deg，然后沿X轴向上h的高度进行切削，最后用平面钢板将缺口焊接补齐。

六、如图7-8所示，基于轮胎外廓尺寸(D＝1m)、轴荷及质量限值，本专利中双曲梁悬架主要尺寸如下(单位：米)：空气弹簧横向间距L₅＝2；空气弹簧纵向距离L₃＝0.9；后桥桥壳最高点到后桥轴线的垂向距离L₄＝0.26；双曲梁外伸部上平面到后桥轴线的垂向距离L₆＝0.29；车轮最外侧宽度L₇＝2.6；U型部矩形钢的截面尺寸为120*175mm,厚度t为7mm；局部加强版16厚度为7mm；局部加强块尺寸为100*50mm，高度为80mm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。