轻型载重货车转向系及前桥设计

I轻型载重货车设计转向系及前桥设计摘要在本次毕业设计中，是关于轻型载货汽车的前桥及转向系统的设计。本着力争性能可靠，价优，易造的设计构想，同时也主要参照拖厂的同类车型，努力去改造，去创新。转向从动桥是通过悬架和车相连，两侧安装着从动车轮，用以传递车架与车轮之间的各种力和力矩。汽车的转向系是利用转向节使车轮可以偏转一定角度以实现汽车的转向。汽车的转向系是用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，在行驶中起到重要作用。主要可分为机械转向系，动力转向系和电动转向系。其中电动转向系是未来汽车转向系的发展方向。综合各种因素，本次设计采用采用转向梯形机构布置在前轴之后的整体式车桥和采用了正效率很高，操纵方便且使用寿命长的机械式循环球式转向器。本次设计包括对转向从动桥结构形式的选择，主要是计算前轴、转向节、主销、主销上下轴承、转向节推力轴承或止推垫片等在制动和侧滑两种工况下的应力校核。还包括转向器的结构选择及其设计计算并对转向梯形进行优化设计。设计中水平有限，但希望能设计出一辆经济实用的轻型载货汽车。关键词运输车，前桥，主销，转向轴IITHEDESIGNSOFTHESTEERINGSYSTEMANDFRONTAXLEINOWNUNLOADAGRICULTURETRUCKTOTRANSPORTOFKD1080ABSTRACTINTHISGRADUATEDDESIGNS,MYASSIGNMENTISTHELIGHTTRUCKSFRONTAXLEANDSTEERINGSYSTEMISHALLTRYMYBESTTODESIGNMYASSIGNMENT,IWANTTHELIGHTTRUCKSCAPACITYISSECUREANDTHEPRICEISLOWITISALSOEASYTOMAKE,ATTHESAMETIME,IREFERTOTHELIGHTTRUCKWHICHMADEINYTFACTORYIWANTTOIMPROVEANDINNOVATEITSTEERINGFRONTAXLECONNECTSTHEFRAMEBYSUSPENSIONDRIVENWHEELAREINSTALLEDATTHESIDESOFTHEFOREAXLE,WHICHTRANSMITSKINDSOFFORCESANDTORQUESINTOTHEWHEELSTHESTEERINGKNUCKLELINKTOTHEFRONTAXLECAUSESTHEFRONTWHEELSTOTURNTOTHERIGHTORLEFTTHESTEERINGSYSTEMENABLESTHEDRIVERTOGUIDETHEAUTOMOBILEORWHEELEDTRACTORDOWNTHEROADANDTURNRINGHTORLEFTITISVERYIMPORTANTFORTHETRUCKTHEREAREMANNNUALSTEERING,POWERSTEERINGANDELECTRICPOWERSTEERINGTHEELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMWILLBETHEDIRECTIONINTHEFUTUREINVIEWOFALLTHEFACTORS,IADOPTTHELADDERSHAPEDORGANIZATIONASSIGNSAFTERTHEFRONTAXLEANDVERYEFFICIENTTHATCANBEHANDLEDEASILYANDHADLONGPERFORMANCELIFESTEERINGBOXOFTHECIRCULATIONBALLTYPETHEDESIGNINCLUDESSELECTIONOFTHESTRUCTUREOFTHEFOREAXLEBUTMOSTCALCULATETHESTREYSINSPECTIONUNDERTHEBREAKANDTHESECONDSLIDEOFFRONTAXLE,STEERINGKNUCKLEINSERTS,KINGPINANDBALLBEARING,THRUSTBEARINGANDSTOPLASTSPACERSTILLINCLUDECHOOSINGANDDESIGNINGASLOCALCULATINGANDCARRYINGONOPTIMIZATIONDESIGNLADDERSHAPEDLYOFSTEERINGTHELEVELISLIMITEDINTHEDESIGN,BUTIHOPETODESIGNAECONOMICALANDPRACTICALAGRICULTURALLIGHTTRUCKKEYWORDSTRANSPORTER,THEFRONTAXLE,KINGPIN,STEERINGSHAFT3主要符号表量的名称量的符号单位汽车前轴静载荷G1N汽车质心高度HGMM转向阻力矩MRNMM接触应力MPA前轮承受的制动力PN前轮承受的垂直力Z1N垂向弯矩NMM水平弯矩MHNMM车轮所受的重力GWN前轮轮距BMM两钢板弹簧座中心距SMM转矩TNMM轮胎的滚动半径RMM地面垂向反力ZN地面侧向反力YN力偶矩QNMM轴承的轴向载荷FAN轴承静承载容量CR0KN4轴承当量静载荷P0KN转向轴输入功率P1KW转向器中的摩擦功率2KW效率导程角0RAD附着系数5目录前言3第一章概述3第二章从动桥的方案确定621从动桥总体方案确定6第三章转向系的方案确定831转向系整体方案确定832转向器结构形式及选择833循环球式转向器结构及工作原理9第四章从动桥的设计计算1141从动桥主要零件尺寸的确定1142从动桥主要零件工作应力的计算1143在最大侧向力侧滑工况下的前梁应力计算1344转向节在制动和侧滑工况下的应力计算1545主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算1646转向节推力轴承的计算19第五章转向系统的设计计算2051转向系主要性能参数20511转向器的效率20512传动比的变化特性2052主要参数的确定21521给定的主要计算参数21522选择主要转向参数21523车轮的左右最大转角确定2253转向梯形的选择设计2354转向梯形的优化2455循环球式转向器的设计27551转向器（循环球式）的效率27552主要参数的选择27553螺杆、钢球和螺母传动副28554齿条、齿扇传动副设计29656转向系主要性能参数确定30561转向系的角传动比I30552转向盘旋转圈数N3056循环球式转向器零件强度的校核31561钢球与滚道间的接触应力31562齿的弯曲应力3257转向系其他元件的选择及材料的确定32第六章转向系主要零件的强度计算3461计算载荷的确定3462主要零件的强度计算34总结35致谢37参考文献38前言7在目前金融危机的大环境下，伴随着汽车行业的发展，轻型货运汽车在国民生产中扮演着更重要的角色。轻型载货汽车各个领域得到了广泛应用，对于它的设计是依据以往理论知识及实践经验，在满足其功用的前提下来进行的。转向系统是用来保持或改变汽车行驶方向的机构，它在整体设计中亦有其重要地位，对转向时车轮正确运动和汽车的安全行驶有重大影响，这就要求其工作可靠、操纵轻便。在目前的设计和使用方面，转向系统由机械式和动力式两类，由于动力式转向系统能减轻驾驶员的负担，而且操作方便，所以到广泛使用。机械式转向系统由于造价低廉，而且能够满足轻型货车等一大部分汽车的转向需要，固也得到了广泛的使用。机械式转向系由操纵机构、转向器和转向传动机构组成，其重点是转向器和传动机构的设计。现今国内轻型汽车多才用整体式循环球式转向器，整体式后置梯形。本毕业设计说明书，主要讲述了前桥前悬和转向系统的选择设计和方案分析。对前桥前悬和转向系统的分类和工作原理进行了深入的对比和分析，选出最优方案来进行设计；对于转向系统的重要组成部分转向器和转向传动机构进行分析设计，选择合适的机构和零件。8第一章概述从动桥通过悬架与车架相联，两侧安装着从动车轮，用以在车架与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。从动桥还要承受和传递制动力矩。根据从动车轮能否转向，从动桥分为转向桥与非转向桥。一般汽车多以前桥为转向桥。为提高操纵稳定性和机动性，有些轿车采用全四轮转向。多轴汽车除前轮转向外，根据对机动性的要求，有时采用两根以上的转向桥直至全轮转向。一般载货汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向从动桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是转向桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。从动桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架相匹配的非断开式从动桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是转向桥时，则其两端经转向主销与转向节相联。断开式从动桥与独立悬架相匹配。为了保持汽车直线行驶的稳定性、转向轻便性及汽车转向后使前轮具有自动回正的性能，转向桥的主销在汽车的纵向和横向平而内都有一定倾角。在纵向平面内，主销上部向后倾斜一个角，称为主销后倾角。在横向平面内，主销上部向内倾斜一个角，称为主销内倾角。还有车轮外倾角及前束。在汽车的设计、制造、装配调整和使用中必须注意防止可能引起的转向车轮的摆振，它是指汽车行驶时转向轮绕主销不断摆动的现象，它将破坏汽车的正常行驶。转向车轮的摆振有自激振动与受迫振动两种类型。前者是由于轮胎侧向变形中的迟滞特性的影响，使系统在一个振动周期中路面作用于轮胎的力对系统作正功，即外界对系统输入能量。如果后者的值大于系统内阻尼消耗的能量，则系统将作增幅振动直至能量达到动平衡状态。这时系统将在某一振幅下持续振动，形成摆振。其振动频率大致接近系统的固有频率而与车轮转速并不一致，且会在较宽的车速范围内发生。通常在低速行驶时发生的摆振往往属于自摄振动型。当转向车轮及转向系统受到周期性扰动的激励，例如车轮失衡、端面跳动、轮胎的几何和机械特性不均匀以及运动学上的干涉等，在车轮转动下都会构成周期性的扰动。在扰动力周期性的持续作用下，便会发生受迫振动。当扰动的激励频率与系统的固有频率一致时便发生共振。其特点是转向轮摆振频率与车轮转速一致，而且一般都有明显的共振车速，共振范围较窄35KM/H。通常在高速行驶时发生的摆振往往属于受迫振动型。转向轮摆振的发生原因及影响因素复杂，既有结构设计的原因和制造方面的因素如车9轮失衡、轮胎的机械特性、系统的刚度与阻尼、转向轮的定位角以及陀螺效应的强弱等；又有装配调整方面的影响，如前桥转向系统各个环节间的间隙影响系统的刚度和摩擦系数影响阻尼等。合理地选择这些有关参数、优化它们之间的匹配，精心地制造和装配调整，就能有效地控制前轮摆振的发生。在设计中提高转向器总成与转向拉杆系统的刚度及悬架的纵向刚度，提高轮胎的侧向刚度，在转向拉杆系中设置横向减震器以增加阻尼等，都是控制前轮摆振发生的一些有效措施。10第二章从动桥的方案确定21从动桥总体方案确定转向从动桥的主要零件有前梁，转向节，主销，注销上下轴承及转向节衬套，转向节推力轴承，轮毂等。转向前桥有断开式和非断开式两种。断开式前桥与独立悬架相配合，结构比较复杂但性能比较好，多用于轿车等以载人为主的高级车辆。非断开式又称整体式，它与非独立悬架配合。它的结构简单，承载能力大，这种形式再现在汽车上得到广泛应用。因此本次设计就采用了非断开式从动桥。作为主要零件的前梁是用中碳钢或中碳合金钢的，其两端各有一呈拳形的加粗部分为安装主销的前梁拳部；为提高其抗弯强度，其较长的中间部分采用工字形断面并相对两端向下偏移一定距离，以降低发动机从而降低传动系的安装位置以及传动轴万向节的夹角。为提高其抗扭强度，两端与拳部相接的部分采用方形断面，而靠近两端使拳部与中间部分相联接的向下弯曲部分则采用两种断面逐渐过渡的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽文承面。转向节用中碳合金钢模级成整体式结构。转向节通过主销与前梁的拳部相连，使前轮可以绕主销偏转一定的角度使汽车转向。为减小磨损，转向节销孔内设计时压入青铜衬套，衬套上的润滑油槽在上面端部是切通的，用装在转向节上的油嘴注入润滑脂润滑，为使转向轻便，在转向节和前梁拳部设有圆锥推力滚子轴承。主销的几种结构型式如图21所示，本次设计用A。（A）BCD11图21主销结构形式（A）圆柱实心型B圆柱空心型C上，下端为直径不等的圆柱，中间为锥体的主销D下部圆柱比上部细的主销车轮轮毂通过两个圆锥滚子轴承支撑在转向节外端的轴颈上，轴承的松紧度可通过调整螺母进行调整。轮毂外端用冲压的金属外罩罩住。轮毂内侧有油封，以防润滑油进入制动器内。12第三章转向系的方案确定31转向系整体方案确定用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构即称作汽车的转向系。转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。在现代汽车结构中，常用机械式转向系。机械式转向系依靠驾驶员的手力转动方向盘，经过转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车装有防伤机构和转向减振装置。还有一些汽车的专门装有动力转向机构，并借助此机构来减轻驾驶员的手力，以降低驾驶员的劳累程度。本次设计采用机械式转向器。对转向系的主要要求有一、操纵轻便。本次设计针对轻型载货货车，要求方向盘最大手力不超过360N,方向盘的回转圈数要少。二、工作安全可靠。三、在转向后，方向盘有自动回正能力，能保持汽车有稳定的直线行驶能力。四、在前轮受到冲击时，转向系传递反向冲击到方向盘上要小。五、应尽量减小转向系统连接处的间隙，间隙应能自动补偿即调整，除了设计应正确的选择导向轮的定位角外，转向盘在中间式的自由行程应当保证直线行驶的稳定性和转向盘相对导向轮偏转角的灵敏度。32转向器结构形式及选择根据转向器所用传动副的不同，转向器有多种。常见的有循环球式球面蜗杆蜗轮式、蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式等。转向器的结构形式，决定了其效率特性以及对角传动比变化特性的要求。选用那种效率特性的转向器应有汽车用途来决定，并和转向系方案有关。经常行驶在好路面上的轿车和市内用客车，可以采用正效率较高的、可逆程度大的转向器。效率高、工作可靠、平稳，蜗杆和螺母上的螺旋槽在淬火后经过磨削加工，所以耐磨且寿命较长。齿扇和齿条啮合间隙的调整工作容易进行。和其它形式转向器比较，其结构13复杂，对主要零件加工精度要求较高。蜗杆曲柄销式转向器角传动比的变化特性和啮合间隙特性变化受限制，不能完全满足设计者的意图。齿轮齿条式转向器的结构简单，因此制造容易，成本低，正、逆效率都高。为了防止和缓和反向冲击传给方向盘，必须选择较大的传动比，或装有吸振装置的减振器。本设计采用循环球式转向器。33循环球式转向器结构及工作原理循环球式转向器中一般有两级传动副。第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。转向螺杆的轴颈支撑在两个圆锥滚子轴承上。轴承紧度可用调整垫片调整。转向螺母的下平面上加工成齿条，与齿扇轴内的齿扇部分相啮合。通过转向盘转动转向螺杆时，转向螺母不转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。为了减小转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，其间装有小钢球以实现滚动摩擦。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面轮廓的螺旋管状通道。转向螺母外有两根导管，两端分别插入螺母的一对通孔。导管内装满了钢球。两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球流道。转向器工作是两列钢球只是在各自封闭的流道内循环，而不脱出。转向螺母上的齿条式倾斜的，因此与之啮合的齿应当是分度圆上的齿厚沿齿扇轴线按线性关系变化的变厚齿扇。因为循环球转向器的正传动效率很高，操作轻便，使用寿命长。经常用于各种汽车。综上最后本次设计选定循环球式转向器。14第四章从动桥的设计计算41从动桥主要零件尺寸的确定转向从动桥采用工字形断面的前梁，可保证其质量最小而在垂向平面内的刚度大，强度高。工字形断面尺寸的推荐值，见图51，图中虚线绘出的是其当量断面。该断面的垂向弯曲截面系数和水平弯曲截面系数（单位为）可近似取为VWHW3M详细DWG图纸三二1爸爸五四0六全套资料低拾10快起3331045120MAWV41685H式中A工字形断面的中部尺寸,A115MM由经验公式4220LV式中M作用于前梁上的簧上质量,M806KG；L车轮中线至板簧中线的距离,L335MM。WV33107220154M42从动桥主要零件工作应力的计算15主要是计算前梁、转向节、主销、主销上下轴承即转向节衬套、转向节推力轴承或止推垫片等在制动和侧滑两种工况下的工作应力。绘制计算用简图时可忽略车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角，车轮外倾角均为零，而左右转向节轴线重合且与主销轴线位于同一侧向垂直平面内。如下所示图41转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图1制动工况下的弯矩图2侧滑工况下的弯矩图制动工况下的前梁应力计算制动时前轮承受的制动力和垂直力传给前梁，使前梁承受弯矩和转矩。考虑到制动时ZP1Z汽车质量向前，转向桥转移，则前轮所承受的地面垂直反力为21MGZ43式中汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷，N；1G汽车制动时对前桥的质量转移系数，对轿车和载货汽车的前桥可取15；M16质量分配给前桥35；21MGZN15942806前轮所承受的制动力44ZPZ式中轮胎与路面的附着系数取为06；594210635545NZP由于和对前梁引起的垂向弯矩和水平方向的弯矩在两钢板弹簧座之间达最大值，1ZPVMH分别为45MNSBGGLGMWWV2211NMM461212LZLPZH式中见图41，取335MM车轮包括轮毅、制动器等所受的重力，N；取980N；WGWG前轮轮距取B1320MM；BS前梁上两钢板弹簧座中心间的距离取为650MM则MNMV61052613098524NMM13H制动力还使前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转矩TZPTNMM47R式中轮胎的滚动半径取635/23175MMR则有T3554531751129000NMM图41给出了前梁在制动工况下的弯矩图及转矩图。前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力（单位为MPA）为WMPA48VHWMW92168301930465166式中，T见式（41）VH扭转应力为17MPA4975812609/MAXKTJW式中前梁在危险截面处的扭转截面系数，MM前梁横断面的最大厚度，MMAX前梁横截面的极惯性矩，对工字型断面KJ0439564103H46104MH工字型断面矩形元素的长边长，MM工字型断面矩形元素的短边长，MM前梁应力的许用值【】340500MPA【】150240MPAW前梁可采用45,30,40等中碳钢或中碳合金钢制造，硬度241285HBRCR43在最大侧向力侧滑工况下的前梁应力计算当汽车承受最大侧向力时无纵向力作用，左、右前轮承受的地面垂向反力和LZ1R与侧向反力，此时，向右作用,各不相等，前轮的地面反力单位都为N分LY1RL1RY别为411211BHGZGLN8692132082980641211GR4413112BHYGLN50161320682980641411GGR72式中汽车质心高度取为800MM；GH车轮与地面附着系数取为06；1前轴轮距取为1320MMB满载时车厢分配给前桥的前轴载荷806KG1G侧滑时左、右钢板弹簧对前梁的垂直作用SRHTGL501118SRHGTGR5011则有415NL47650318069806416R312汽车侧滑时左右前轮轮毂内外轴承的径向力（单位为N）分别为417ZYSLBALBAR826549540162032357111418RRR419LBALBAR320320351712420NSR506146公式中车轮的滚动半径；RA至车轮中线的距离,MM；RLS1,B至车轮中线的距离,MM；2求得即可求得左右前轮轮毂内轴承对轮毂的径向支承和外轴LYZ11,RLS1,承对轮毂的径向支承，这样就求出了轮毂轴承对轴轮的径向支承反力。根据这些力RS2及前梁在钢板弹簧座处的垂向力可绘出前梁与轮轴在汽车侧滑时的垂向受力弯矩图RLT1,（412），汽车的最大弯矩发生在侧滑方向一侧的主销孔处，另一处在钢板弹簧座处，可以按下式求得4211MNMLZRYL6110586925317404222R2304公式中左右车轮承受地面的垂直反力，N；L1,左右车轮承受侧滑的反力，N44转向节在制动和侧滑工况下的应力计算如图52所示，转向节的危险断面在轴径为的轮轴根部即IIIIII剖面处。1D19图42转向节，主销及转向节衬套的计算用图441、在制动工况下转向节应力计算IIIIII剖面处的轴径仅受垂向弯矩和水平方向的弯矩而不受转矩，因制动力VMH矩不经转向节的轮轴传递而直接由制动底板传给在转向节上的安装平面。这时的，VM及IIIIII剖面处的合成弯矩应力（MPA）为HMW423NMLGZWV19764081592431424H26425WMHVW2MPADHV351650147891032232式中转向节的轮轴根部轴径取为50MM，40MM，550MPA，1DLW得W故50MM的轴颈满足要求。转向节采用30CR，40CR等中碳合金钢制造，心部硬度HRC241285，高频淬火后表面硬度HRC5765，硬化层深1520MM。轮轴根部的圆角液压处理。442、在侧滑工况下转向节应力计算在侧滑时左、右转向节在危险断面IIIIII处的弯矩是不等的，可分别下式求得（426）NMLZRYMRLL631104869251740（427）RR3572左右转向节在危险截面处的弯曲应力为20（428）MPAWML8036510（429）R24500MPA,故左右转向节均满足要求；W45主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算在制动和侧滑工况下，在转向节上、下衬套的中心，即与轮轴中心线相距分别为C，D的两点处，在侧向平面图42C和纵向平面图42D内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。一、在制动工况下地面对前轮的垂向支承反力所引起的力矩，由位于通过主销轴线的侧向平面内并1Z1LZ在转向节上下衬套中点处垂直地作用于主销的力所形成的力偶矩（CD）所平衡见MZQMZQ图42B，故有430NDCLZQMZ46070154291式中取150，C取70MM，D70MM；1L制动力矩由位于纵向平面内并作用于主销的力所形成的力偶RZPMZQ（CD）所平衡见图42C。故有MZ431而作用于主销的制动力，则由在转向节上下衬套中点处作用于主销的力，平衡见ZPZUQZL图42C，且有432NDCQZZU3170534433PZZL由转向桥的俯视图图42D的下图取80，115可知，制动时转向横拉杆的作用力4L5LN为N434NLPZ351351力N位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为，如将N的着力点移至主销中心线4L与轮铀中心线的交点处则需对主销作用一侧向力矩N见图42B。力矩N由位于4LNDCRZM806705316592421侧向平面内并作用于主销的力偶矩所平（CD）衡，故有MNQ（435）DCNLQM2907085344而力N则内存整向节上下衬套中点处作用于主销的力，所平衡，且有NULQ（436）DCU5170534（437）LQNL20318由图42B可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力和下衬套的中心作用于主销UQ的合力分别为112500N（438）22TUMZNUMZUQ16600N（439）221TLZLZQ公式中汽车左右前轮承受地面垂直反作用力，N；RL1,车轮中心线到主销轴线的距离，MML轮胎的滚动半径，MMR汽车左右前轮承受地面的侧向反力，N；RLY1,由上两式可见，在汽车制动时，主销的最大载荷发生在转向节下衬套的中点处，其值为16600N。1Q二、在侧滑工况下仅有在侧向平面内起作用的力和力矩，且作用于左右转向节主销的力是不相等的，MZQ它们可分别按下式求得（440）NDCRYLZQLML69070531463586921（441）LRRZR201取最大的作为主销的计算载荷，计算主销在前梁拳部下端面应力QJ31708和剪切应力WS442；HDQJ301MPA25246322443204DQJSMPA435162式中主销直径取为24MM；H转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离，（见图42A）取H21MM；其中主销的许可弯曲应力440MPA；许可剪切应力66MPA。WS主销采用20CR，20CRNI，20CRMNTI等低碳合金钢制造，渗碳淬火，渗碳层深1015MM，HRC5662。转向节衬套的挤压应力为C444MPAPALDQCJC506582401式中衬套长为80MM；取中最大值；JMZRL,1主销直径；0D在静载荷下，上式的计算载荷取N445JQDCLMZ51470735921。446PALJC8480MPAC46转向节推力轴承的计算对转向节推力轴承，取汽车以等速40KMH，沿半径R50M的圆周行驶的工况作为AN计算工况。如果汽车向右转弯，外轮即左前左轮的地面垂向反力增大。LZ1，447211GALRVBGZ将上述计算工况的有关数据代入上式，并设05，则有，4481BHG1116250L可近似地认为推力轴承的轴向载荷等于上述前外轮的地面垂向外力，即AF。AFNG749362501鉴于转向节推力轴承在工作中的相对转角不大及轴承滚轮使圆周破坏带来的危险性，轴23承的选择按其静承载容量进行，且取当量静载荷KNCR8420KNCPR12740，故此推力轴承满足要求。AF第五章转向系统的设计计算51转向系主要性能参数511转向器的效率功率1P从转向轴输入，经转向器输出所求得的效率称为正效率，用符号表示，23；反之称为逆效率，用符号表示，32P。其中，2P为转向器中的摩擦功率；3P为作用在齿条轴上的功率。为了保证转向时驾驶员转动方向盘轻便，要求正效率高；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动回正，又需要一定的逆效率。为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至方向盘时应尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。转向器的正效率影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结果特点、结构参数和制造质量等。转向器类型、结构特点与效率在前述的几种转向器中，齿轮齿条式、循环球式的正效率比较高。同一类型的转向器，因结构不同效率也不一样。转向器逆效率根据逆效率大小的不同，转向器又分为可逆式、极限可逆式、和不可逆式三种。齿轮齿条式转向器属于可逆式转向器，其逆效率相当高，它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶的安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神紧张；如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。24512传动比的变化特性1转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比。2力传动比与转向系角传动比的关系轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间的关系WFRMRWA51式中，A为主销偏移距此处A72，指从转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮中心平面与支撑平面交线间的距离。作用在方向盘上的手力为HF为2HSWMD52式中，HM为作用在方向盘上的力矩；为方向盘的直径。将式51、52代入2WPHFI后得到RSWPHMDIA53有53知，当主销偏移矩A小时，力传动比应取大些才能保持转向轻便。52主要参数的确定521给定的主要计算参数轴距L2880MM轮距前轮1320MM轮胎60020D635MMB293MM最小转弯半径小于等于5M522选择主要转向参数25汽车在转向时需要有自动回正能力，这需要转向主销在汽车的纵向和横向平面内各有一定的倾角。所以选定主销后倾角为230，主销内倾角为7，车轮外倾角为1，前轮前束为10MM。转向盘由轮毂、轮缘和轮辐构成，方向盘的直径D有一系列尺寸（如表51）表51转向盘直径汽车类型方向盘直径D，MM轿车、小型客车、小载重量货车400中型大客车、中等载重量货车450、500大型客车、大载重量货车550可选择方向盘直径400MM,转向轴是用双万向节，轴与万向节的连接用花键来实现。523车轮的左右最大转角确定为了避免在汽车转向时产生路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎的过快磨损，要求转向系统能保证汽车转向时所有车轮均做纯滚动，这就需要所有车轮的轴线都交于一点才能实现。此轻型货车应满足转向时候最小转弯半径小于5米，而理想的车轮转角与应满足理想关系式KCOTL56式中为车轮外转角，为车轮内转角，K为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离（M），L为2880MM。又因为理想情况下，最小转弯半径MINR与外转向轮最大偏转角MAX的关系为MINAXSL57联立（56）（57）式得到MAX3517，MAX4468图51理想内外轮转角关系简图车轮的内外转向角度均大于35度，满足设计任务的要求。53转向梯形的选择设计26图52整体式转向梯形1转向横拉杆2转向梯形臂3前轴转向梯形选择的是整体式后置梯形（如图52），图视为两轴式时的图形，L为假想的轴线距离，即是上图的L,为转向梯形的底角，S为两个梯形臂延长线与汽车中心线的交点与前轴的距离，一般为2/323L由公式COT075KL（68）得转向梯形的底角7298转向梯形臂的长度M，是参考现有汽车梯形臂长度与主销中心距K之比的统计数据后进行选择，一般范围是M011015K129361764MM。由于是轻型载重汽车，固可取梯形臂长度M150MM。由图形可知，转向横拉杆的长度1L跟K和有关，其关系式为1LK2MCOS1088MM59则横拉杆长度为1088MM。54转向梯形的优化转向梯形机构用来保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。两轴汽车转向时，若忽略轮胎侧偏影响，两转向前轴的延长线。转向梯形机构的优化问题是一个小型的约束非线性规划化问题，可用符合形法来求解。27优化设计程序如下INCLUDEINCLUDE“MATHH“DEFINEHUDU31415926/180MAININTM1INTMDOUBLERDOUBLEGDOUBLEFX0DOUBLEADOUBLEBDOUBLECDOUBLEDDOUBLEEDOUBLEFDOUBLENDOUBLER1DOUBLEMIN100000FORM246M1|FABSF1E1F1IFGFXIFN0MINFXJMR1RPRINTF“DNF“,M1,R1优化的结果为30转向梯形臂长M14972MM,转向梯形底角7233055循环球式转向器的设计551转向器（循环球式）的效率为保证转向时驾驶员转动转向盘的轻便，要求正效率高；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动回正，又需要一定的逆效率；为减轻驾驶员在不平路面上的疲劳，防止打手，又要求逆效率尽可能低。正效率的计算公式0TAN（510）其中0为螺杆的螺线导程角，选6；为摩擦角，RCTA；为摩擦因数，选004，则229。数据代入（410）解得721。逆效率的计算公式0TAN713（511）552主要参数的选择主要参数参考汽车设计表71模数摇臂轴直径螺杆外径钢球直径螺距工作圈数环流数M4D25251DD6350P952515B2螺母长度齿扇齿数齿扇整圈齿数齿扇压力角切削角齿扇宽4651327565B25553螺杆、钢球和螺母传动副螺母内径3D28127MM（512）每个环路中钢球的数量为3110COSDWND1D19（513）其中0为螺杆的螺线导程角，选6。接触角是钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法向截面轴线间的夹角，一般取45，以使轴向力和径向力分配均匀。图53螺杆,钢球,螺母传动副转向盘转动角，对应螺母移动距离S为2P（514）与此同时齿扇节圆转过的弧长等与S，相应摇臂轴转过P角，其关系SPR515其中R为齿扇节圆半径。联立（514）（515）得2PRP，将对P求导，得转向器角传动比1I为1I2R1MZ17142（516）554齿条、齿扇传动副设计循环球式转向器的齿扇为变厚齿扇，它的齿顶和齿根的轮廓是圆锥的一部分，分度圆上的齿厚是变化的，所以此传动副的设计主要是变厚齿扇的设计。32图54变厚齿扇齿形计算简图将中间剖面11规定为基准剖面。由11剖面向右时，变位系数为正，向左则正变为零（00剖面），再变为负。在切削角一定的情况下，各剖面的变位系数取决于距基准剖面11的距离A一、在00剖面处的齿形系数齿顶高系数08；齿顶高32MM；（517）HAAHM齿根高系数095；齿根高38MM；（518）FCF顶隙系数025；全齿高H7MM（519）CFA分度圆直径52MM（520）ZD齿顶圆直径584MMM（521）AAH2齿根圆直径444MM（522）FF二、变厚齿扇小端（33剖面）齿形系数变位系数（523）23704356TAN23TANMRBX齿顶圆直径（524）XDO齿根圆直径MM（525）3HAF小端齿厚M559MM（526）TAN2/0MIMINS三、变厚齿扇大端（22剖面）处齿形系数变位系数（527）4384356TAN23TA2BX齿顶圆直径（528）XDO91齿根圆直径（529）HAF07233大端齿厚M756MM（530）TAN2/0MXMAXS56转向系主要性能参数确定561转向系的角传动比II12I（531）式中1I为转向器的角传动比，17142；为转向传动机构的角传动比，一般选择2I1。代入（69）得I17142其中23LI式中3L为转向摇臂长（MM），所以3L2162MM。552转向盘旋转圈数N360PRN532式中PR为转向盘从一个极限位置到另一个极限位置所转过的角度，且MAXI17142（35174468）136879所以56循环球式转向器零件强度的校核为了进行强度计算，首先要确定其计算载荷，可利用汽车在干燥硬路面上作原地转向时转向轮的转向阻力矩，利用它可求得转向摇臂上的力矩和在转向盘上的切向力。他们均可作为转向系的最大载荷。561钢球与滚道间的接触应力用下式计算钢球与滚道之间的接触应力32RREFK式中K系数，根据值查汽车设计表73查出，,BA/2/1/RRA；/1/RB滚道截面半径；2R钢球半径；34螺杆外半径；1RE材料弹性模量，等于；AMP5102钢球与螺杆之间的正压力，3F可用下式计算COS023N式中螺杆螺线导程角；0接触角；参与工作的钢球数；N作用在螺杆上的轴向力。2FLRWHMAXAXN6825103其中，COS2DDLNF5134S819600MAX3AAMPP250107525322AX当接触表面硬度为5864HRC时，许用接触应力2500。562齿的弯曲应力用下式计算齿扇齿的弯曲应力26BSFHW式中作用在齿扇上的圆周力；齿扇的齿高；HB齿扇的齿宽；基圆齿厚。S其中，,取MMNLMFR47210935413502L35，显然符合要求。AWAWMPP540529413257096许用弯曲应力为。W螺杆和螺母用20CRMNTI钢制造，表面渗碳。前轴负荷不大的汽车，渗碳层深度在0812MM；前轴负荷大的汽车，渗碳层深度在105145MM。表面硬度为5863HRC。57转向系其他元件的选择及材料的确定转向主销选用圆柱实心型，D40MM；一般选用20CR。转向节臂和梯形臂有中碳钢或中合金钢如35CR，40，