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1、专用汽车结构与设计主讲：田哲文1第一章专用汽车总体设计2第一节概述一、专用汽车设计的特点和要求特点和要求专用汽车设计多选用定型的基本型汽车底盘进行改装设计专用汽车设计的主要工作是总体布置和专用工作装置匹配针对专用汽车品种多、批量少的生产特点对自制件的设计，应遵循单件或小批量的生产特点，要更多考虑通用设备加工的可能性。3第一节概述一、专用汽车设计的特点和要求特点和要求工作装置中的某些核心部件和总成要从专业生产厂家中优选在普通汽车底盘上改装要对一些重要的总成结构件进行强度校核。专用汽车设计应满足有关机动车辆公路交通安全法规的要求专用汽车在很恶劣的环境下工作应有良好的适应性，工作可靠，是要设安全性装
2、置。4第一节概述(5) 工作装置中的某些核心部件和总成要从专业生产厂家中优选(6)在普通汽车底盘上改装要对一些重要的总成结构件进行强度校核。(7)专用汽车设计应满足有关机动车辆公路交通安全法规的要求(8) 专用汽车在很恶劣的环境下工作有良好的适应性，工作可靠，是要设安全性装置。5第一节概述二、专用汽车底盘的选型所谓二类汽车底盘，即在基本型整车的基础上。去掉货箱。所谓三类汽车底盘，一般是在基本型车的基础上，去掉货箱和驾驶室。常规的厢式车、罐式车、自卸车等通常是采用二类汽车底盘改装设计。底盘选型时应满足如下要求：（）适用性（）可靠性（）先进性（）方便性6第一节概述三、专用汽车的功率平衡和比功率(一
3、)专用汽车的功率平衡计算7第一节概述若考虑发动机功率有一定的储备，则需要给发动机确定一定的负荷率，其范围一般在75一90。当外载负荷变化大，或车辆行驶所需的功率估算不准确时，应取下限值，即0.75；当外载负荷变化小，或所需的功率估算较准确时，取上限值，即0.90，一般负荷率不大于0.90。这样可计算出专用汽车发动机所需要的总功率P为：8第一节概述(二)比功率计算所谓汽车的比功率Pd是指单位汽车总质量的发动机功率，若不计风阻，其计算式有Pd PMa (kwkg)专用汽车(含汽车列车)比功率的大致范围是：Ma 5103 kg Pd0.015一0.021kwkgMa 5103 kg Pd0.0075
4、0.011 kwkgMa 19103 kg Pd0.004780.007 kwkg目前，随着公路条件的改善，车辆运输速度的提高，比功率有增加的趋势。例如有的国家规定规，对于大客车、货车(专用车)及汽车列车，其比功率不能低于0.06kwkg，以防止车辆的动力性不足，阻碍车流。9第二节 专用汽车的总体布置一、总布置的原则专用汽车总体布置的任务是正确选定整车参数，合理布置工作装置和附件。使取力装置、专用工作装置、其它附件与所选定的汽车底盘构成相互协调和匹配的整体，达到设计任务书所提出的整车基本性能和专用性能的要求。在进行总体布置时应按照以下原则：(1)尽量避免对汽车底盘各总成位置的变动尽量避免对汽车
5、底盘各总成位置的变动因为些总成部件位置的变动，不仅会增加成本，而且也可能影响到整车性能。但有时为了满足专用工作装置的性能要求，也需要作一些改动，如截短原汽车底盘的后悬、燃油箱和备胎架的位置作适当调整等。但改变的原则是不影响整车性能。10第二节 专用汽车的总体布置(2)应满足专用工作装置性能的要求，使专用功能得到充分发挥应满足专用工作装置性能的要求，使专用功能得到充分发挥例如气卸散装水泥罐式汽车的专用功能是利用压缩空气使水泥流态化后，通过管道将水泥输送到具有一定高度和水平距离的水泥库中。气卸水泥的主要性能指标是水泥剩余率或剩灰率，为了降低这一指标，可将罐体布置成与水平线成一定角度，如图所示。11
6、第二节 专用汽车的总体布置但这样布置会使整车质心提高，减少了侧倾稳定角，因此也可以水平布置，如图所示。所在进行总布置时，要从多方面综合考虑。12第二节 专用汽车的总体布置(3)装载质量、轴载质量分配等参数的估算和校核装载质量、轴载质量分配等参数的估算和校核为适应汽车底盘或总成件的承载能力和整车性能要求，在总布置初步完成后应对某些参数其中最主要涉及的是装载质量的确定和轴载质量的分配进行估算和校核，这些参数对整车性能有很大影响。若不满足要求。应修改总体布置方案。(4)应避免工作装置的布置对车架造成集中载荷应避免工作装置的布置对车架造成集中载荷例如下图混凝土搅拌运输车的布置方案，图(a)的布置形成了
7、明显的集中载荷，而在图(b)的布置中、由于采用了具有足够刚性的副车架，因而可将这种集中载荷转化成均布载荷，有利于改善主车架纵梁的强度和寿命。13第二节 专用汽车的总体布置(5)应尽量减少专用汽车的整车整备质量，提高装载质量应尽量减少专用汽车的整车整备质量，提高装载质量(6)应符合有关法规的要求应符合有关法规的要求14第二节 专用汽车的总体布置二、整车总体参数的确定整车总体参数包括尺寸参数和质量参数两大部分。(一一)尺寸参数尺寸参数1外廓尺寸外廓尺寸外廓尺寸即指整车的长、宽、高，由所选的汽车底盘及工作装置确定，但最大尺寸要满足法规要求。例如在我国GB158979G“汽车外廓尺寸的界限”中，明确规
8、定；车辆高不超过4m；车辆宽(不包括后视镜)不超过2.5m；外开窗、后视镜等突出部分距车身不超过250mm，车辆长：货车不超过12m，半挂汽车列车不超过16.5m，全挂汽车列车不超过20m。但有的国家已放宽某些限制，如英国、德国已有。但有的国家已放宽某些限制，如英国、德国已有4.2m高的厢式车。高的厢式车。对于超重型或其它一些特种车辆属于非公路运输车辆，不在此规定的限制之内。15第二节 专用汽车的总体布置16第二节 专用汽车的总体布置2轴距轴距轴距影响到车辆总长，最小转向直径、纵向通过半径或纵向通过角、轴荷分配和质量转移系数，也影响到车辆的操纵稳定性和行驶平顺性。同普通货车相比；自卸汽车要求轴
9、距变短，而轻泡货物运输车则要求轴距加长。3轮距轮距轮距影响到车辆总宽、横向通过半径、转向时的通道宽度以及车轴的横向稳定性。与车宽相适应。对汽车列车，要求挂车轮距和牵引车轮距一致。17第二节 专用汽车的总体布置4前、后悬前、后悬汽车的前、后悬直接涉及到汽车的接近角和离去角，一般要求都在25以上，至少不小于20 。前悬应满足车辆接近角和轴荷分配的要求。前悬与驾驶室、发动机、转向器、前保险杠等总成布置有关。后悬应满足车辆离去角和轴荷分配的要求的同时还要满足有关标准的规定，即对于客车和全封闭厢式车辆，后悬不得超出轴距的0.65倍；对于其它车辆，后悬不得超出轴距的0.55倍，但最长不得超出3.5m。在实
10、际改装过程中，后悬变动比较多。例如对于自卸车，一般要将所选的普通汽车底盘的后悬变短，而对于有些罐式和厢式汽车，则要将后悬加长。18第二节 专用汽车的总体布置(二二)质量参数质量参数1.装载质量装载质量me对装载质量，要考虑以下两方面：(1)用途和使用条件 如货流大，运距长，宜用大吨位，便于提高生产率、降低运输成本；而对于货流多变、运距短的运输，则宜采用中、小吨位车辆。(2)合理分级 在装载吨位级别上，要分布合理利于专用车产品的系列化、通用化和标准化。对于同一底盘，在设计时应尽量提高装载质量。2整备质量整备质量m0所谓整备质量是指专用汽车带有全部工作装置及底盘所有的附属设备，加满油和水，但未载人
11、和载货时的整车质量。整备质量是一个重要设计指标，对运输型专用汽车的动力性和经济性影响很大。据估计，载重汽车整备质量减少10%，可使经济性提高8.5。19第二节 专用汽车的总体布置3. 总质量ma所谓总质量是指专用汽车装备齐全,满载(规定值)货物及乘员时的质量。对于作业型专用汽车，如起重举升车、高空作业车等，总质量主要由改装后的汽车底盘质量和专用工作装置质量确定，无需考虑装载质量。为了部分弥补专用汽车装载质量的下降，可采用原车底盘允许的最大总质量，合理地利用原车底盘的超载能力。一般最大允许可超过原车型总质量的5左右。4. 轴载质量最大轴载质量是专用汽车在公路行驶时使用受限制的一个技术参数，也是公
12、路和桥梁设计载荷标准的依据。20第二节 专用汽车的总体布置(1)轴载质量的计算轴载质量的计算专用汽车总质量ma和专用工作装置备部件质量及其质心位置确定后，就可计算轴载质量。下图为某随车起重运输车的总布置图，设m1、m2为整车前、后轴轴载质量，根据力矩平衡有：21第二节 专用汽车的总体布置(2)轴载质量的限值轴载质量的限值轴载质量(轴荷)的限定值是确定车辆总质量确定的依据。22第二节 专用汽车的总体布置5轴载质量的分配原则轴载质量的分配原则所谓轴载质量分配是指车辆某一轴的承载质量占整车总质量的百分比，应分空载和满载两种上况考虑。改装后的专用汽车轴载质量分配应尽量和原车型靠近。对于单车在满载条件下
13、，长头车的前轴质量应达到25，平头车的前轴质量应达到30，对于半挂汽车列车，在空载时，鞍式牵引车驱动桥轴载质量至少应达到汽车列车总质量的25。23第二节 专用汽车的总体布置24第二节 专用汽车的总体布置在确定轴载质量分配时，还应满足以下原则：轮胎磨损均匀。如对于4x 2型单胎车辆，前、后轴应各占12，对于42型后双胎车辆，前轴应占13，而后轴应占23。允许轴载质量的限制。 轮胎负荷系数。所谓轮胎负荷系数是指轮胎所受到的静负荷与轮胎额定负荷之比。一般取0.9-1。操纵稳定性。要求改装后的专用汽车在各种工况下，应具有一定的不足转向。质心位置。在横向，应使左、有车轮的承载质量分配均等，其最大偏差不得
14、大于3%4%。在纵向，要满足前面提到的轴载质量分配条件。在高度位置，应使质心尽可能低。从车辆行驶稳定性考虑，质心高度应满足以下条件：25第二节 专用汽车的总体布置26第二节 专用汽车的总体布置三、底盘改装部件的布置在图纸上进行底盘改装部件(如发动机、传动轴、制动系、转向梯形等)布置之前，要确定基准线，一般以底盘车架的上平面线作为高度基准，以前轮中心线作为纵向基准，以汽车中心线(纵向对称平面)作为横向基准。(一)发动机的布置以三类汽车底盘改装专用汽车时，有更换发动机的可能，这时要对发动机作重新布置，其布置原则为：应使整车质心在横向尽量落在纵向对称垂直平面内。尽量降低发动机的位置，以便于传动系的布
15、置和降低整车的质心高度。但要注意保证适当的地隙及和转向拉杆等杆件间的运动间隙。27第二节 专用汽车的总体布置 曲轴中心线与车架上平面必要时可有一定的倾角。一般取14，以减少万向节传动的夹角。发动机维修保养方便。(二)传动轴的布置对于需要变动轴距的车辆，要对传动轴作重新布置，在布置时要特别注意以下两点；(1)满载静止时，两传动轴的夹角不大于满载静止时，两传动轴的夹角不大于3 4 。 过大的传动轴夹角，会使传动效率降低，磨损加快。(2)若轴距加大后，传动轴要加长，此时要计算传动轴的临界转速。28第二节 专用汽车的总体布置29第二节 专用汽车的总体布置(三)制动系统的布置制动系统对专用汽车的安全性有
16、重大影响，因此在对汽车底盘的行车制动、驻车制动和辅助制动系统作某些改装时，应注意以下事项：1管路的布置管路的布置在增加制动管路时，应采用与底盘相同的制动管或软管、管夹、管螺纹等连接件。制动管与其它运动件之间应留有足够的自由空间，避免造成干涉，避免制动软管与金属件的相互摩擦造成的损坏，必要时应增加防护装置。2储气简的布置储气简的布置储气筒的布置必须便于检查和排水。在某些厢式专用汽车上，储气筒排水开关上需要多装一个控制操纵开关，操纵杆尽可能安装成水平位置,以利于排水开关的操作。30第二节 专用汽车的总体布置3附加耗气装置的布置附加耗气装置的布置(四)电器装置的布置1.附加耗电装置的电源附加耗电装置
17、的电源当专用工作装置的驱动系统或控制系统需要电源时，可直接接上底盘电路、但此时应校核底盘所装用的发电机、蓄电池塘的功率和容量是否足够，必要时应相应地增大。2电器装置的接地电器装置的接地专用汽车所用电器均是负极接地(搭铁)。对于加油或运油车，要有疏导静电的措施。在加油或供油的专用工作装置(油罐、管路、附件等)与车架及地面管道之间都要有导线或导体相连，并通过金属链条或专用导电橡胶板条接地。3导线的布置导线的布置需延长导线时，应尽量采用与底盘上型号、颜色相同的导线，通过插接件或接线住相连。当导线穿过车架纵横梁时，应有保护装置。导线的固定管夹的间距应在200800 mm之间。31第二节 专用汽车的总体
18、布置(五)其它附件的布置1消声器消声器2燃油箱燃油箱3各胎架各胎架4后保险杠后保险杠5防护装置防护装置6阀门箱及泵箱阀门箱及泵箱32第二节 专用汽车的总体布置四、取力器的布置除了少量专用汽车的工作装置因考虑工作可靠相符殊的要求而配备专门动力驱动外(例如部分冷藏汽车的机械制冷系统)，绝大多数专用汽车上的专用设备都是以汽车底盘自身的发动机为动力源，经过取力器，用来驱动齿轮液压泵、真空泵、柱塞泵、轻质油液压泵、自吸液压泵、水泵、空气压缩机等，从而为自卸车、加油车、牛奶车、垃圾车、吸污车、随车起重车、高空作业车、散装水泥车、拦板起重运输车等诸多专用汽车配套使用。因此，取力器在专用汽车的设计和制造方面显
19、得尤为重要。33第二节 专用汽车的总体布置34第二节 专用汽车的总体布置(一)前置式1发动机前端取力发动机前端取力发动机前端取力是一种常用的型式，一般都是由正时齿轮室或由风扇、水泵的皮带轮输出，例如气刹制动系统中的气泵，某些专用工作装置所用的液压马达等。由于该方式的取力器到专用装置的距离较长，且需要转换传动方向，若采用机械传动其结构就很复杂，因此一般采用液压传动。2发动机后端取力发动机后端取力一般都是在飞轮处。这种布置在机场消防车上有所应用。如下图35第二节 专用汽车的总体布置36第二节 专用汽车的总体布置3夹钳式取力器夹钳式取力器下图为夹钳式取力器独立总成结构图，安装在主离合器和变速器之间。
20、这种取力方式在消防车上应用较多。37第二节 专用汽车的总体布置38第二节 专用汽车的总体布置(二)中置式1.变速器上盖取力变速器上盖取力这种布置方案是改制原变速器的上盖，将取力器叠置于变速器之上，用一个惰轮和变速器的第一抽输入齿轮常啮合，再由该齿轮将动力传给取力器的输出轴，适合于需要有高转速输入的工作装置。2变速器侧盖取力变速器侧盖取力又可分为左侧盖取力和右侧盖取力。一般在变速器左侧和右侧都留有标准的取力接口。也有专门生产与之配套的取力器厂家，因此这种取力器较常用。但这种取力形式一般都是从变速器的中间轴上的齿轮取力，因而在传动路线上经过了变速器一对常啮合齿轮的减速，所以取力器输出轴的转速总是低
21、于发动机转速。3变速器后端盖取力变速器后端盖取力39第二节 专用汽车的总体布置40第二节 专用汽车的总体布置(三)后置式1分动器取力分动器取力对于有分动器的汽车底盘，可用这种取力方式，如混凝土搅拌运输车。2传动轴取力传动轴取力传动袖取力是将取力器作成独立总成，设置于传动轴之间。无论哪种型式的取力器，其传动比应由专用工作装置所需的转速、功率和发动机的外特性决定。其基本原则是在满足工作装置所需功率相转速的前提下，选择较低的发动机转速和较高的发动机负荷率。41第二节 专用汽车的总体布置42第三节 专用汽车底盘车架的改装设计一、主车架的改装主车架是汽车底盘上各总成及专用工作装置安装的基础，改装时受到的
22、影响最大要特别引起注意。(一)主车架的钻孔和焊接主车架是受载荷很大的部件，除承受整车静载荷外，还要受到车辆行驶时的动载荷，为了保持主车架的强度和刚度，原则上不允许在主车架纵梁上钻孔和焊接，应尽量使用车架上原有的孔。如果安装专用设备或其它附件，不得不在车架上钻孔或焊接时应避免在高应力区钻孔或焊接。主车架纵梁的高应力区在轴距之间纵梁的下翼面和后悬的上翼面处。因为这些部位纵梁应力较大，钻孔容易产生应力集中。43第三节 专用汽车底盘车架的改装设计44第三节 专用汽车底盘车架的改装设计45第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(二)主车架的加长设计因专用汽车法布置的需要，对主车架有时要进行加长。例如厢式零担
23、货物运输车和轻泡货物运输车，若用普通汽车底盘改装则需要将轴距加大，改装长货厢来提高运输效率，此时要将车架在其中部断开后再加长。也有将车架后悬部分加长的改装设计。车架加长部分应尽量采用与原车架纵梁尺寸规格一样、性能相同的材料。车架的加长部分与车架的连接一般采用焊接。46第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(三)主车架加强板的设计47第三节 专用汽车底盘车架的改装设计48第三节 专用汽车底盘车架的改装设计49第三节 专用汽车底盘车架的改装设计4加强板的控制加强板的控制加强板和主车架的固定最好采用铆接。加强板末端和铆钉孔之间的最小距离为25mm,铆钉的间距为70一150 mm。当铆接有困难时，可在加强
24、板上加工孔塞焊于纵梁胶板上，塞焊孔直径为20一30mm，塞焊孔与加强板端部的最小距离为25mm，孔间距为100一170mm。50第三节 专用汽车底盘车架的改装设计右图为斯泰尔91系列重型车车架末端加长超过200mm时，所用的两块加强板的结构和尺寸。加强板和主车架纵梁腹板的固定采用圆孔塞焊和角焊，但只能焊接在主车架纵梁的腹板上。加强板两端头以及距两端头10 mm的区间内严禁焊接。51第三节 专用汽车底盘车架的改装设计二、副车架的设计在专用汽车设计时，为了改善主车架的承载情况，避免集中载荷，同时也为了不破坏主车架的结构，一般多采用副车架(副梁)过渡。在增加副车架的同时，为了避免由于副车架刚度的急剧
25、变化而引起主车架上的应力集中，所以对副车架的形状、安装位置及与主车架的连接方式都有一定的要求。52第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(一)副车架的截面形状及尺寸基本同于原车架形状提高抗扭抗弯能力53第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(二)副车架的前端形状及安装位置1.前端形状为了避免由于副车架截面高度尺寸的突然变化而引起主车架纵梁的应力集中，副车架的前端形状应采用逐步过渡的方式。如图所示有三种前端形状:第一种: U形l (1.0 1.2) Hh (0.6 0.7) H第二种: 角形h(0.20.3)H 3054第三节 专用汽车底盘车架的改装设计第三种: L形h (0.25 0.35) H 45
26、 , l H副车架前端与主车架纵梁相接触的翼面上都加工有局部斜面,斜面尺寸如下:h0 1mm, l0 15 20mm55第三节 专用汽车底盘车架的改装设计若加工成此类形状困难,可采用如下图所示的副车架前端简易形状。此时的斜面较大。尺寸如下；钢质副车架：硬木质副车架：h0 5 7mm, l0 200 250mmh0 5 10mm, l0 H副车架在主车架上安装时，其前端应尽可能向前伸，愈靠近驾驶室愈好。56第三节 专用汽车底盘车架的改装设计2.安装位置57第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(三)副车架与主车架的连接1.止推连接板58第三节 专用汽车底盘车架的改装设计2.连接支架连接支架59第三节
27、 专用汽车底盘车架的改装设计3.U形螺栓形螺栓60第三节 专用汽车底盘车架的改装设计二、副车架的设计在专用汽车设计时，为了改善主车架的承载情况，避免集中载荷，同时也为了不破坏主车架的结构，一般多采用副车架(副梁)过渡。在增加副车架的同时，为了避免由于副车架刚度的急剧变化而引起主车架上的应力集中，所以对副车架的形状、安装位置及与主车架的连接方式都有一定的要求。(一)副车架的截面形状及尺寸61第三节 专用汽车底盘车架的改装设计基本同于原车架形状提高抗扭抗弯能力62第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(二)副车架的前端形状及安装位置为了避免由于副车架截面高度尺寸的突然变化而引起主车架纵梁的应力集中，副
28、车架的前端形状应采用逐步过渡的方式。如图所示63第三节 专用汽车底盘车架的改装设计64第三节 专用汽车底盘车架的改装设计(三)副车架与主车架的连接1.止推连接板65第三节 专用汽车底盘车架的改装设计2) 连接支架66第三节 专用汽车底盘车架的改装设计3)U形螺栓形螺栓67第四节专用汽车主要性能计算一、动力性计算(一)发动机的外特性发动机的外特性是指发动机油门全开时的速度特性，是汽车动力性计算的主要依据。68第四节专用汽车主要性能计算1.已知外特性曲线时，根据外特性数值建立外特性方程式已知外特性曲线时，根据外特性数值建立外特性方程式,利用拉格利用拉格朗日三点插值法，求出公式a，b，c的值。69第
29、四节专用汽车主要性能计算2无外特性曲线时，按经验公式拟合外特性方程式无外特性曲线时，按经验公式拟合外特性方程式70第四节专用汽车主要性能计算(二)汽车的行驶方程式71第四节专用汽车主要性能计算72第四节专用汽车主要性能计算73第四节专用汽车主要性能计算74第四节专用汽车主要性能计算(三)动力性评价指标的计算衡量汽车动力性能的评价指标有三个:最高车速、最大爬坡度和加速性能。1.最高车速Vmax75第四节专用汽车主要性能计算2.最大爬坡度imax3.最大加速度jmax4.加速时间t和加速行程s76第四节专用汽车主要性能计算(四)动力性计算实例77第四节专用汽车主要性能计算78第四节专用汽车主要性能
30、计算79第四节专用汽车主要性能计算80第四节专用汽车主要性能计算81第四节专用汽车主要性能计算82第四节专用汽车主要性能计算83第四节专用汽车主要性能计算84第四节专用汽车主要性能计算85第四节专用汽车主要性能计算二、燃油经济性计算三、静态稳定性计算由普通汽车底盘改装成的专用汽车，其质小位置均较普通货车为高，其原因是由于副车架或工作装置的布置，使装载部分的位置提高了，例如罐体、箱体等，因此应对整车的静态稳定性进行计算。对有些专用汽车，不仅要对运输状态进行稳定性计算，而且对作业状态的稳定性也应进行计算，如自卸汽车在举升卸货时，就有纵向或侧向失稳的可能性。分析专用汽车的静态稳定性，首先应计算出整车的质心位置。当专用汽车的总布置基本完成后即可对该车的质心位置进行计算。86第四节专用汽车主要性能计算87第四节专用汽车主要性能计算车辆的稳态稳定性是指车辆停放或等速行驶在坡道上，当整车的重力作用线越过车轮的支承点(接地点)则车辆会发生翻倾。最大倾翻稳定角是指若整车的重力作用线正好通过支承点，则车辆处于临界的倾翻状态，此时的坡度角另一方面，当车辆停放在坡道或在坡道行驶时，若坡道阻力大于附着力时车辆由于附着力不足而向下滑移，同样也会出现失稳。88第四节专用汽车主要性能计算89第四节专用汽车主要性能计算90
