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A0-转向桥总成装配图.dwg
A3-右转向节臂.dwg
A3-左转向节臂.dwg
A3-横拉杆.dwg
中英文翻译.doc
设计说明书.doc
目 录
摘 要 III
Abstract IV
1 绪 论 1
1.1 汽车转向桥的发展状况 1
1.2 汽车从动桥的结构形式 4
2 转向桥的设计结构参数 7
2.1 结构参数选择 7
2.2 从动桥的总体结构选择 7
2.3 确定前桥各部分的具体结构形式 7
3 前轴的设计 8
3.1 前轴强度的计算 8
3.2 前轴的弯矩及扭矩计算 10
3.3 断面系数的计算 11
3.4 各工况下的应力计算 15
3.5 前轴的材料及许用应力 17
4 转向节的设计 18
4.1 计算截面系数 18
4.2 计算弯矩 18
4.3 计算应力 18
4.4 转向节的材料及许用应力 19
5 主销设计 20
5.1在紧急制动时的计算数据 20
5.2 在发生侧滑时的计算数据 21
6 转向传动机构的设计 23
6.1 计算推力轴承和止推垫片 23
6.2 杆件的设计结果 24
7 转向梯形机构的优化设计 25
7.1 转向梯形机构概述 25
7.2 整体式转向梯形结构分析 25
7.3 整体式转向梯形机构优化分析 26
7.4 整体式转向梯形机构的优化设计 28
8 结 论 31
参考文献 32
致 谢 33
3吨载重跃进货车转向桥总成的设计
摘 要
本人毕设题目为3吨载重货车的转向桥总成设计，设计出的转向桥要求在不同速度与路况下都能够稳定的行驶，因此对前桥的设计要求较高。本次设计的主要内容包括：确定设计方案，转向节的设计，主销的设计，前轴的设计，轴承的选择和转向梯形的设计。同时，在进行汽车设计时，应制定出既具有优异的承载能力，还能实现耐用经济性的方案。此外，节约生产成本也应作为设计原则之一，那么也就是说本次设计出的结构就应在满足要求的前提下尽可能的简单。
本次设计中需满足的要求有：（1）保证各部件有足够的强度：可承受车架与车轮之间相互的作用力。（2）保证各结构有足够的刚度：使得车轮的定位参数能始终保持不变。（3）保证汽车的转向轮有适合的定位角度：使得转向轮运动时更加的稳定，操纵起来也能更轻便并且可减轻轮胎磨损。（4）保证转向桥质量尽量小：可以提高汽车在行驶时的平顺性。
关键词: 转向桥；转向节；主销；前轴；轴承；转向梯形
- 内容简介：
-
I 目 录 摘 要 III ABSTRACT IV 1 绪 论 1 1.1 汽车转向桥的发展状况 1 1.2 汽车从动桥的结构形式 4 2 转向桥的设计结构参数 .7 2.1 结构参数选择 7 2.2 从动桥的总体结构选择 7 2.3 确定前桥各部分的具体结构形式 7 3 前轴的设计 .8 3.1 前轴强度的计算 8 3.2 前轴的弯矩及扭矩计算 .10 3.3 断面系数的计算 .11 3.4 各工况下的应力计算 .15 3.5 前轴的材料及许用应力 .17 4 转向节的设计 18 4.1 计算截面系数 .18 4.2 计算弯矩 .18 4.3 计算应力 .18 4.4 转向节的材料及许用应力 .19 5 主销设计 20 5.1 在紧急制动时的计算数据20 5.2 在发生侧滑时的计算数据 .21 6 转向传动机构的设计 23 6.1 计算推力轴承和止推垫片 .23 6.2 杆件的设计结果 .24 7 转向梯形机构的优化设计 25 II 7.1 转向梯形机构概述 .25 7.2 整体式转向梯形结构分析 .25 7.3 整体式转向梯形机构优化分析 .26 7.4 整体式转向梯形机构的优化设计 .28 8 结 论 .31 参考文献 32 致 谢 .33 III 3 吨载重跃进货车转向桥总成的设计 摘 要 本人毕设题目为 3 吨载重货车的转向桥总成设计，设计出的转向桥要求在不同速度 与路况下都能够稳定的行驶，因此对前桥的设计要求较高。本次设计的主要内容包括： 确定设计方案，转向节的设计，主销的设计，前轴的设计，轴承的选择和转向梯形的设 计。同时，在进行汽车设计时，应制定出既具有优异的承载能力，还能实现耐用经济性 的方案。此外，节约生产成本也应作为设计原则之一，那么也就是说本次设计出的结构 就应在满足要求的前提下尽可能的简单。 本次设计中需满足的要求有：（1）保证各部件有足够的强度：可承受车架与车轮之 间相互的作用力。 （2）保证各结构有足够的刚度：使得车轮的定位参数能始终保持不变。 （3）保证汽车的转向轮有适合的定位角度：使得转向轮运动时更加的稳定，操纵起来也 能更轻便并且可减轻轮胎磨损。 （4）保证转向桥质量尽量小：可以提高汽车在行驶时的 平顺性。 关键词关键词: : 转向桥；转向节；主销；前轴；轴承；转向梯形 IV The design of steering axle assembly for 3 tons truck Abstract The design is Steering Axle for 3 tons trucks. It need to adapt to different road conditions and different speeds, so it need higher requirements. The design of the main contents include: determine design scheme, knuckle design, kingpin design, front axle design, bearing selection and design of steering trapezoid. During the car design, it should be developed not only has excellent carrying capacity, but also to achieve the durability of the economic program. In addition, production cost savings should be used as one of the design principles, the design of the structure should meet the requirements under the premise as simple as possible. The design requirements have to be met: (1) ensure adequate strength: can withstand the force of each other between the frame and wheels; (2) ensure that there is sufficient rigidity: to get the wheel alignment parameters can remain unchanged;(3) to ensure that there is appropriate vehicle steering wheel angle positioning: making it more stable movement of the steering wheel, steering it more portable and can reduce tire wear; (4) ensure the steering axle mass as small as possible: you can improve the car at the time of ride comfort. Key words: steering axle; steering knuckle; kingpin; front axle; bearing; steering trapezoid 1 1 绪 论 汽车转向是指车辆在行驶过程中，按照驾驶员的意志改变其行驶方向。以轮式汽车 为例，通常是由驾驶员使用一套专门设置的机构，使得汽车转向桥（通常是前桥）上的 车轮可以和汽车的纵轴线之间形成一定的角度，以此来实现转向。不难发现，当汽车直 线行驶于路面上时，路面一般情况下都会给汽车转向轮一个侧向干扰力，行驶方向会随 着车轮自动偏转而改变。这个时候，驾驶员就能通过此套专设机构使汽车的转向轮反向 偏转从而恢复正确方向行驶。上文所提到的用来控制汽车行驶方向的这一套专设机构， 也就是我们通常所说的汽车转向系统。本文通过 3 吨载重跃进货车转向桥总成的设计、 计算及绘图工作，使自己掌握基本的设计方法，受到初步的工程技术训练，学习与掌握 相应的国家标准和设计规范，使自己具备一定的独立分析和解决实际问题的能力，也能 培养自己不怕困难、严谨细致的工作作风。 1.1 汽车转向桥的发展状况 1.1.1 前桥的分类 从动桥即非驱动桥，又被称作从动车桥。从动桥由悬架与车架相联，其两侧安装着 从动车轮，起到在车架与车轮间传递横向或纵向力与铅垂力的作用。此外，系统产生的 制动力矩也需要从动桥来承受和传递。 从动桥按照其从动车轮是否能转向，可以划分为转向桥与非转向桥两种。仅以前桥 作为转向桥的汽车占了很大一部分，还有一部分汽车使用全四轮转向技术来提高机动性 能和操作的稳定性。除去前轮转向以外，为了实现全轮转向，可以根据多轴汽车对机动 性能要求的不同，在有些情况下采用两根或两根以上的转向桥。 将发动机前置而后桥驱动是很多载货汽车会选择的布置方法，这时的前桥就是转向 从动桥。大多数轿车都采用前置发动机和前桥驱动，而越野车则大部分为全轮驱动，所 以很多越野车的前桥既可以作为驱动桥，又有转向桥的功用，这种一般被称作转向驱动 桥。 从动桥一般有非断开式从动桥与断开式从动桥两种，根据与其匹配的悬架结构的不 同来选择。非断开式从动桥是一根刚性整体横梁，它支承于左、右两从动车轮之上，并 且与非独立悬架相匹配，当它作为转向桥时，桥两端就会通过转向主销和转向节相连在 一起。独立悬架则是与断开式从动桥相匹配的。 转向主销、前梁以及转向节是非断开式转向从动桥主要组成部分。转向节通过一对 轮毂轴承支承车轮轮毂，同时利用主销与前梁形成铰接，以此来完成车轮的转向。在左 转向节上耳处安装转向节臂，并且要保证转向直拉杆和和转向节臂相连；在转向节下耳 处安装转向梯形臂，并且使其与转向横拉杆相连，但也有一些为了简化结构而将其安装 在转向节下耳处，并且要保证转向节臂和梯形臂连成一个整体。很多时候，带有润滑油 2 槽的青铜衬套会被压入转向节的销孔内用以减小磨损。为了让转向更加的轻便，应该把 调整垫片安装在转向节上耳和前梁拳部的中间位置，并以此来调整间隙大小。最后，要 使用带螺纹的楔形锁销把主销固定在前梁拳部的孔中，保证它没办法转动。 1.1.2 各个参数对汽车稳定性产生的影响 保证汽车正常行驶有以下几个基本要求：具有行驶的稳定性、转向轻便性还有前轮 可以自动回正等。无论是在纵向还是横向平面之内，汽车转向桥的主销都会形成一个倾 角，在纵向平面之内，主销上端会向后倾斜与垂直面形成一个角度，记作角，也就是通 常所称的主销后倾角，如图 1-1 所示；在横向平面之内，主销上端会向内倾斜与水平面 形成一个角度，记作 角，也就是主销内倾角，如图 1-2 所示。 图 1-1 主销外倾角 在直线道路上行驶的时候，汽车应该尽量平稳并且转向轻便，所以要采取主销内倾。 这种方法可以使驾驶员用更小的力转动方向盘，从而转向更加轻便。主销内倾会导致前 轮转动方向时产生一个绕着主销的转动，也可能导致车轮轴和前横梁略微向上的移动， 这时，若驾驶员松开方向盘，转向轮能通过轮上具有上升势能而自动回正，从而有效保 证汽车的直线行驶。一般情况下，内倾角在 5-8之间；主销的偏移距离大约为 3040mm 范围内。轻型客车与轻型货车通常选择比较大的主销内倾角及后倾角，这样其 转向车轮会更好地实现自动回正。内倾角一定要适中，因为若是主销向内偏移量过大， 转向时车轮就会产生沿路面的滑动，这就会加大摩擦阻力，转向也就更困难。 现代汽车通常会使用低压宽断面斜交轮胎，因为这种轮胎具有较大的弹性回正力矩， 所以也会出现主销后倾角小于等于零的情况。当使用的是子午线轮胎时，由于这种轮胎 的拖距偏小，后倾角就要大一点。比如说我们骑自行车在弯道拐弯的时候，会不自觉的 倾斜向要转的方向，这时地面与车轮间会形成一个夹角，从而产生足够的向心力。对于 汽车也是这样，在右转弯的时候，右侧车轮由于主销内倾角和后倾角的共同作用下就会 3 向右侧倾斜，产生足够的向心力。 图 1-2 车轮外倾角和主销内倾角 前轮定位除了主销后倾角和内倾角外还有车轮外倾角（如图 1-2）及前束（如图 1- 3）这两项参数。在安装转向轮时，其中心平面与地面间会形成一个向外倾斜角 ，这个 角也就是车轮的外倾角，其范围大约在 0.5-1.5，一般为 1,它能有效规避汽车载 重时车轮内倾，同时确保车轮与拱形路面更好地适应。 图 1-3 前束 在行驶过程中，由于汽车车轮外倾很多时候会导致车轮前端向外侧张开，这会带来 十分不利的影响，而前束就起到消除这个不利影响的作用，因此安装车轮的时候，为了 保证车轮在每一瞬时都是朝着正前方滚动，就要将两前轮的中心平面设计成不平行的， 并且左右轮后轮缘间距离 B 要大于前轮缘间的距离 A，这样才能达到预期效果。前束的值 也就是 B-A 所形成的差值，一般大约在 3mm-5mm，前束也是可以改变的，一般我们通过改 变转向横拉杆的长度对其进行调整。 在设计时选择合适的参数，并优化参数间的契合度，通过严谨的生产制造和精心的 装配，就能切实避免发生前轮摆振现象。与此同时，设计时刻意提高转向器总成和转向 拉杆系统部件的刚度，增加悬架的纵向刚度，加强轮胎的侧向刚度，并且在转向拉杆系 中增加一个横向减震器来增加阻尼等，这些措施都能够有效的控制前轮摆振现象的发生。 4 1.2 汽车从动桥的结构形式 1.2.1 从动桥的总体结构 在不同类型的车上非断开式转向从动桥都具有很相似的结构型式，前梁是其主要部 件，大多数前梁是由中碳钢或者中碳合金钢制成的。为了更加方便地安装主销，前梁两 端均有一块加粗部分，因形似拳头，故称为前梁拳部；由于前梁中间部分较长，需要提 升其抗弯强度，于是这部分断面设计为工字形，同时与两侧相比，该部分向下移动了一 小段距离，这样也就使得安装发动机和传动系的位置向下移动，同时减小了传动轴万向 节的夹角。提升抗弯强度的同时还需加强抗扭强度，采用方形断面能很好的实现强度的 增强，这就是前梁拳部和主体连接的部分采用方形断面的原因，而在两侧主体向前梁拳 部过渡的弯曲区则是由工字型断面逐渐过渡到方形断面。同时，在主体中部两侧锻造出 加宽支承面以承载钢板弹簧支座。此外，部分汽车上应用有一种组合式结构的转向从动 桥前梁，这类前梁将无缝钢管的主体部分和模锻出的两侧拳形部分组焊在一起，该类型 的前梁是组焊而成，故不需要大型锻造设备，适用于中小批量的生产。部分汽车的转向 节也随车型增大而增大，故也采用组焊的方法制造，即压配轮轴部分后与无缝钢管的中 部焊接。 如图所示为主销的四种结构型式，(a)与(b)都较为常用。 （a） (b) (c) (d) 图 1-4 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 为了方便汽车转向，需要减小摩擦以减轻汽车前梁承受的作用在转向节轴承上的重 力，因此最好采用滚动轴承，比如推力滚子轴承或者圆锥滚子轴承等，或者也可以安装 止推垫片以达到预期效果。主销轴承会受到较大的径向力，因此大多使用滑动轴承，有 时也可以使用滚针轴承，众所周知，滚针轴承的转动阻力相比于其他轴承更小，有更高 的使用效率和更长的使用寿命。 1.2.2 载重汽车从动桥 5 作为应用于 3 吨载重货车上的转向前桥，需要具有充足的载重能力，同时也需要具 备经济和耐用的特性，并且，为了在减少生产成本的条件下还具有符合要求的结构，转 向前桥的设计应尽量避免复杂。 转向前桥一般有两种，分别为断开式和整体式。断开式前桥的结构比较复杂，它和独 立悬架一起使用，但使用性能较好，以搭载乘客为主的高级轿车多采用这种形式。整体 式又叫做非断开式，和断开式转向前桥不同，它和非独立悬架一起使用，结构上更加简 单、整体强度更大，并且生产成本较低、装配修理方便。现代汽车大部分采用后者。综 上所述，本次从动桥设计采用整体式。 转向从动桥主要由前梁、主销、主销上下轴承、转向节及其衬套和推力轴承构成。前 梁采用组焊的形式，由锻造出的中间主体部分和两端的前梁拳部焊接在一起构成；主销 则使用较常见的圆柱实心形，如图 1-4（a）所示。 此外，该设计还对转向梯形的设计进行了优化，以确保车辆在弯道转弯的时候全部车 轮可以在不同的圆周上围着相同的转弯圆心进行纯滚动。在设计中，将转向梯形安装于 前轴的后侧，并校核转向梯形的强度设计出最优参数。 现在10吨差不多是国产载重汽车前桥的承重极限，它们基本均采用整体式转向桥。 例如早期二汽制造的载重汽车EQ1090E型，它的前梁由钢材锻造而成、采用工字型断面和 整体式结构。前梁拳部和转向节由主销连接，转向节和轮毂则由轴承连接。该设计比较 可靠，并且结构稳定，也满足车轮转向的灵活性。 1.2.3 从动桥设计方法 本文主要按照以下步骤完成设计：一、拟定整体结构方案和主要部件的关键参数。 二、查询相关资料，根据已有类似设计，确定总体方案。三、对主要部件进行尺寸设计， 如：前梁、转向节、转向节推力轴承、主销、主销上下轴承等。四、进行强度校核和寿 命校核。五、建立前桥的物理模型，并实现物理模型到数学模型（数学公式）的转化。 查询类似的转向桥设计资料，并通过总结分析获得不同以往的想法和观点，以载重 汽车转向桥对汽车的支撑和灵活转向这两点为核心，通过新的设计，使转向前桥这两点 核心作用更加完善，即更可靠更灵活。 1.2.4 本次设计的要求： 首先要有自己的思想，并能有效的结合前人的经验，设计出货车转向桥的结构并计 算出主要部件的尺寸数据，保证自己设计出的转向桥符合下列使用要求：（1）强度要求： 确保所设计的结构能承受车架和轮胎之间的相互作用力。 （2）刚度要求：保证轮胎的定位参数稳定不变。 （3）转向轮定位精度要求：转向轮定位角度准确、运动稳定，使转向的操作简单轻便， 6 降低轮胎损耗。 （4）减小从动桥质量：减小承重，提升车辆运行平顺性和稳定性。 优化设计前梁、主销、转向节等主要部件的结构和尺寸，让他们能更好的配合，从 而可以应对各种路况。尽量减小所设计的车桥质量，从而减轻车身的整体质量。对轮毂 进行设计，确保轮毂和转向桥的搭配合理，使汽车转向更加灵活。 7 2 转向桥的设计结构参数 2.1 结构参数选择 由 NJ1061DBHW 跃进货车参数所获得的转向桥总成设计数据如表 2-1 所示 表 2-1 货车数据参数 汽车总 质量 Ga（N） 前轴轴载 质量 G1（N） 汽车质心至前 轴中心线距离 L1（mm） 汽车质心至后 轴中心线距离 L2(mm) 轴距 L（mm） 汽车质心 高度 hg(mm) 前钢板弹 簧座中心 距 B(mm) 6164227930180018003600540720 主销中 心距 B(mm) 前轮距 B1(mm) 车轮滚动半径 rr(mm) 主销内倾角 主销后 倾角 前轮外倾 角 a 前轮前束 1330158431462124 2.2 从动桥的总体结构选择 本此前桥设计选择非断开式转向从动桥。 2.3 确定前桥各部分的具体结构形式 （1）前轴的结构形式：选用工字形断面，叉形转向节，将主销固定在前轴两端的拳 部中。 （2）转向节的结构型式：设计成整体锻造式。 （3）主销的结构型式：采用圆柱实心型。 （4）止推轴承的结构形式：采用止推滚柱轴承。 （5）主销轴承的结构形式：选择滚针轴承。 （6）轮毂轴承的结构形式：选择单列向心球轴承。 （7）各定位角的选择参考表 2-1。 8 3 前轴的设计 3.1 前轴强度的计算 3.1.1 前轴的受力情况 如图 3-1 所示： 图 3-1 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和转矩图； 2侧滑工况下的弯矩图 3.1.2 前轴载荷的计算（三种不同工况下的分析） 一、紧急制动时 汽车紧急制动的时候，纵向制动力变得最大，由于质量重新分配，使得前轴上的垂 直载荷变大， 此时，取路面的附着系数 =0.7 9 轴载质量重新分配后的分配系数 m1=1.21（3-1）1 2 L hg 1 8.1 54.07.0 受到的垂直反作用力为：Z1l= Z1r=16898N 2 1G m 2 2793021.1 受到的横向反作用力为：X1l=X1r= =11828N （3-2） 2 1G m 二、侧滑时 汽车在发生侧滑时，因为受到横向力的作用，左右转向车轮上受到的垂直载荷发生 了位置转移。 （1）确定侧滑附着系数： 在侧滑的临界状态下，所受横向反作用力等于离心力 F 离，并且会达到最大值：此 时 F 离= , Ymax=G1，必须保证 V 滑V 翻来避免横向翻车，则有： gR VG 2 1 ，所以，得到 =0.73，取=0.7 hg gRB gR 2 1 hg B 2 1 1.12 584.1 （2）计算作用力 受到的垂直反作用力为： Z=20630N) 1 2 1 ( 2 1 1 B hgG l ) 584.1 7.054.02 1( 2 27930 Z=7300N（3-3）) 1 2 1 ( 2 1 1 B hgG l 受到的横向反作用力为： Y1l=14441N ) 1 2 1 ( 2 1 B hgG Y1r=5110N（3-4） ) 1 2 1 ( 2 1 B hgG 三、驶过不平路面时 当车辆驶过不平路面时，由于路面不平会导致出现垂直动载荷，以至于垂直反作用 力在此时达到最大值。 因为参考对象是载货汽车所以此时取动载荷系数=2.5 N （3-5）5.34912 2 27930 5.2 2 1 11 G ZZ rl 10 经计算，结果如表 3-1 所示： 表 3-1 计算结果 单位 N Z116898 紧急制动 X111828 Z1l20630 Z1r7300 Y1l14441 侧滑 Y1r5110 驶过不平路面 Z134912.5 3.2 前轴的弯矩及扭矩计算 3.2.1 前轴的断面分析图 前轴是由工字型钢锻铸所成的不规则形状，因此前轴上的受力点是不固定的，所以 必须在前轴上取不同的点分成几段来进行设计，并最终完成力的校核。 选择下图中的三个部位计算并分析其断面的弯矩、扭矩，如下图 3-2 所示 图 3-2 三个不同的断面部位的弯矩、扭矩计算分析 A 断面在钢板弹簧座内侧，是前轴中部最弱的部位，此处断面弯矩是最大的。 B 断面所在的弯矩和扭矩都比较大。 C 断面内的扭矩最大，弯矩则最小。 三处断面的计算数据如下表 3-2 所示 11 表 3-2 断面尺寸 参数ABC 断面长度 L334250166 断面高度 h1361280 3.2.2 各断面弯矩及扭矩计算 一、紧急制动时 垂直面内的弯矩为 （3- 1 M i Z L 6） 水平面内的弯矩为 1 MX i L 3-6 式中 Li 分别对应 A、B、C 断面的 La、Lb、Lc、 钢板弹簧的外侧扭矩为： （3- 1ri MnXrh 7） 3-7 式中 hi 分别对应 A、B、C 断面的 ha、hb、hc。 二、侧滑时 左侧各个断面的垂直面内的弯矩为 （3- 11111ri M(ZY ) (rh ) 8） 3-8 式中 Li 和 hi 的值与紧急制动时所代表的值一致 三、驶过不平路面时 垂直面内的弯矩为： （3- 1i MZL 9） 3-9 式中 Li 的值与上述计算中的值一致 弯矩及扭矩的计算结果如下表 3-3 所示： 表 3-3 （单位：N） 结果 工况 ABC M 564393242242162804880 M 39505522956951.21963415.6 紧急制动 Mn2105349.32199971.73713930.7 侧滑 M 1101429.511509321942971.1 12 越不平路 M 1165977387273755794977 3.3 断面系数的计算 计算各个断面系数 一、 计算 A 断面系数 图 3-3 前轴简化后 A 断面的计算简图 1）垂直面上抗弯断面系数为： =47117.57N.m （3- 666 73366667 6 333 1 3 H hbBH W II 10） 2）水平面上抗弯断面系数为： （3- 11） mmN B thBt W.79420.16 676 371367132 6 2 3333 1 13 二、计算 B 断面系数 换算后的断面简图如下图 3-4 所示 图 3-4 前轴 B 断面的计算简图 1）垂直面上抗弯断面系数 B 断面为上，下端长度不等的工字形的断面。计算此断面垂直面上的抗弯断面系数关 系首先要确定出形心轴坐标。 其形心轴 Xc-Xc 的坐标计算如下： =29.3 （3- Fi Fiyi y1 hBBbtBt hthBBtHbttBt )( )2/(*)()2/1(2/1* 121 112211 12） H1=h-h2=12.3 （3- 13） H2=y2-t2=27.7 B 断面对形心轴产生的惯性矩为： （3- 14） 4 3 21 3 2 3 11 3 1 1742646.1)( 3 1 mmhbbyhBByJ xc 8.292.3767yHy 12 14 2）计算出上翼面的抗弯断面系数为： （3- 3 1 上 59475.98 29.3 1742646.1 m y J W xc 15） 3）计算出下翼面的抗弯断面系数为： （3- 16） 4）计算出水平面内的抗弯断面系数为： （3- 17） 5）得出抗扭断面系数为： （3-18） 三、计算 C 断面系数 C 断面的计算简图如图 4-5 所示： 3 2 下 42816.86 40.7 1742646.1 m y J W xc 33 2 3 1 3 28896.39)( 6 1 mmhttbtB B W 3 33 3 2 3 2 1 38.73478 3467 )3467(9.181) 2 0470 (1.313 3 1 )() 2 (1 3 1 432467 67 2 5849 2 18.91 )3467(76.1 2 0470 67.170 )(76.1) 2 (67.1 1.313) 2 0470 (26.1672) 2 (26.12 mm bB bBC hH C Wn tBb bB B bB hH HC hH BC 15 如图 4-5 前轴 C 断面计算简图 1）在垂直面与水平面上的抗弯断面系数分别为： （3- 19） 2）得出抗扭断面系数为： （3- 20） 各个断面的尺寸参数如表 3-4 所示： 表 3-4 各断面尺寸参数 单位： mm A-A B-BC-C B7694 B17660 1 t 1313 b765843 1 b 6344 2 t 1313 3 22 “ 4 3 22 4 7 . 16024 6 5243 6 7 . 19378 6 5243 6 mm Hb W mm bH W 333 “ 4 34.2091043263 . 0 mmbW 16 t1342 h3740 H667052 各断面的系数计算结果如表 3-5 所示： 表 3-5 各断面的系数 单位： 3 mm A-AB-BC-C W 47117.5759475.9819378.7 W 79420.1642816.8616024.7 n W 28896.3920910.34 3.4 各工况下的应力计算 一、汽车紧急制动时： 垂直面上的弯曲应力为： （3-21） W M 水平面上的弯曲应力为 （3-22） “ “ “ W M 合成应力为： （3-23） 合 计算扭转应力为： 计算长边中点处的扭转应力为： （3-24） n n W M max 计算短边中点处的扭转应力为： （3-25） max 在梁断面上的不同点处，产生最大弯曲应力和最大扭转应力。计算上翼面的长边中 点处应力为： （3- 2 2 3 合d 26） 二、发生侧滑时 垂直面内的弯曲应力为： W M 17 三、驶过不平路面时 垂直面上的弯曲应力为： W M 各工况下应力值的计算结果如下表 3-6 所示： 表 3-6 各工况下应力值 单位： 28 /10mmN A-AB-BC-C 52.731.326.06 “21.830.336.7 max 33.531.8 紧急制动 d 372.5995.194.56 侧 滑9.67.9-16.7 越不平路“58.36819.7 3.5 前轴的材料及许用应力 前轴材料：30Cr 调质硬度 ：HB241281 许用应力 ：800937 要满足 由计算结果可知 A-A 截面处应力最大，并对其进行校核。 bs )7.06.0( 合 18 4 转向节的设计 图 4-1：转向节、主销、及转向节衬套的受力简图 计算所需作用力、按表 3-1 取值 11 Z 11 X 11 Y 4.1 计算截面系数 由图，可以取轮毂内的轴承根部处为所要计算的断面 （4-1）12.4578 32 36 32 33 d W 4.2 计算弯矩 一、紧急制动下 （4-412520118281689820 222 1 2 11制 XZCM 2） 二、侧滑时 （4- 4121874314144412020630 11111制 r rYCZM 3） 三、驶过不平路面时 （4-698250205.34912 11制 CZM 4） 19 4.3 计算应力 一、紧急制动下 （4-1.90 12.4578 412520 制 W M 5） 二、侧滑时 （4-3.900 12.4578 4121874 侧 W M 6） 三、驶过不平路面下 （4-5.152 12.4578 698250 越 W M 7） 弯矩及应力的计算结果如表 4-1 所示 表 4-1 弯矩及应力计算结果 工 况M 紧急制动41252090.1 侧 滑-4121874-900.3 驶过不平路面698250152.5 4.4 转向节的材料及许用应力 转向节选用的材料为 ：40Cr 许用应力为 s 查 YB6-71： 2 /980mmN b )75 . 0 65 . 0 ( bS 20 5 主销设计 5.1 在紧急制动时的计算数据 通过分析可知，地面对前轮会产生一个垂直方向的支承反力 Z1，其引起的力矩 Z1l1和 力 QMZ所形成的力偶 QMZ（c+d）相互平衡，因此得： QMZ= = =17246.4 N (5-1) )( 11 dc lZ 5.485.48 9916898 制动力矩 Prrr于位于纵向平面上并且作用在主销上的力 Qmr所形成的力偶 Qmr（c+d） 相互平衡，因此得： Qmr=Prrr/（c+d）=Z1 rrr/ (c+d) =168981.0314/（48.5+48.5）=54700N (5-2) 作用于主销上的制动力 Pr 则和在转向节上、下衬套中点处的力 Qru、Qrl 所相互平衡， 可得到： Qru=8449 N (5-3) )( Pr dc d 5.485.48 5.4816898 Qrl=8449 N (5-4) )( Pr dc c 5.485.48 5.4816898 查看转向桥的俯视图可以清晰的看到，紧急制动时转向横拉杆的作用力 N 为 N=14547 N (5-5) 5 1rP l l 115 9916898 此力位于侧向平面并且距轮轴中心线的垂直距离为 l4，如果把 N 的着力点移动到主 销中心线与轮轴中心线的交点位置，那么则需要对主销施加一个侧向力矩 Nl。力矩 Nl4 和位于侧向平面上并且作用在主销上的力偶 QMN（c+d）相互平衡，可得： QMN=14847 N (5-6) )( 4 dc Nl 5.485.48 9914547 而力 N 则和在转向节上、下衬套中点位置处作用在主销上的力 QNu,QNl相互平衡，则 得到： QNu=7273.5 N (5-7) )(dc Nd 5.485.48 5.4814547 QNl=7273.5 N (5-8) )(dc Nc 5.485.48 5.4814547 由图 4-3 可看出，合力 Qu 是在转向节上衬套的中点位置作用于主销的力，Ql 则是在 21 下衬套的中点位置作用于主销上的合力，它们分别可表示为： Qu= = 22 )()(ruMrNuMNMZQQQQQ 22 )844954700()5.7273148474.17246( =52490 N (5-9) Ql= 22 )()(rlMrNlMNMZQQQQQ = 22 )844954700()5.7273148474.17246( =74415N (5-10) 由以上两公式可得，在汽车紧急制动的工况下，主销于转向节下衬套的中点位置处 有最大载荷，其值为 Ql。 5.2 在发生侧滑时的计算数据 作用在左、右两转向节主销的力可分别表示为 QMZL 和 QMZR，它们的值是不相等 的，可以分别按下述两式求得： QMZL= )/()(111dcrYlZrLL)5.485.48/()991444131420630( =52043N (5-11) QMZR=)/()(111dcrYlZrRR)5.485.48/()9951103147300( =18415 N (5-12) 5-11 与 5-12 式中参数含义： Z1L，Z1R分别代表地面给左前轮与右前轮的垂向反力，N； l1代表轮胎中心线到主销轴线间的距离 mm; rr代表轮胎的滚动半径 mm; Y1L，Y1R分别代表地面给左前轮和右前轮的侧向反力，N； G1代表汽车在水平路面上静止时前桥的轴荷大小，N； hg代表汽车质心位置的高度，mm; B1代表汽车两前轮之间的距离，mm; 代表轮胎和路面间的侧向附着系数，一般取=1.0. 1 在 Ql, QMZL, QMZR 中取最大值作为主销计算时的载荷 Qj，还要计算主销于前梁的 拳部位置下端处所具有的弯曲力w 和剪切应力s，分别为： w= =1130.4 MPa (5-13) 3 0 1 . 0 d hQj 3 241.0 2174415 22 s= =164.6 MPa (5-14) 2 0 4 d Qj 2 2414.3 744154 式中参数含义: d0表示主销的直径 mm; h表示转向节的下衬套中点到前梁拳部下端面之间的距离,mm。 主销的许用弯曲力w为 1130.4MPa;许用剪切应力s为 164.6MPa。 主销的材料一般采用 20Cr,20CrNi,20CrMnTi 等低碳合金钢来进行生产制造，然后进 行渗碳淬火，渗碳层一般深度为 1.01.5mm,材料硬度为 5662HRC。 23 6 转向传动机构的设计 6.1 计算推力轴承和止推垫片 6.1.1 推力轴承的计算 汽车发生侧滑的条件为： P1=m1Y1L+Y1R=G1 1=m1g1=820101.0=8200N (6-1) R va 2 式中参数含义： P1表示前桥所受到的侧向力，N； m1表示汽车在满载时分配给前桥的质量部分，kg； R表示汽车的转弯半径，mm; va表示汽车的行驶速度，mm/s; g表示重力加速度，mm/s2； Y1L、Y1R分别表示地面给左前轮和右前轮的侧向反力，N； 1表示轮胎和地面之间的侧向附着系数； G1表示汽车满载并静止于水平路面上时前桥给地面的载荷，N。 由上式可推导出： 1= (6-2) g a R v 2 Z1L= (6-3)( 2 (1 2 2 1 1 g a g R v B hG 将以上所得的 va、R 等数据代入到(3-44), (3-45)式，并使得 hg/B=0.5, 则可得 Z1L=1.25G1/2=0.625G1 这样就可以得到推力轴承的轴向载荷 F 与上述前轮的地面垂向反力大致相等，即 Fa=0.6256G1=0.6256150=3844 N (6-4) 由于转向节推力轴承在实际工作中的相对转角并不大，并且轴承滚道圈被破坏也具 有一定危险性，轴承按其静承载容量 C0来进行选择，那么当量静载荷 P0可取为： P0=（0.50.33）C0 (6-5) 6.1.2 止推垫片的计算 24 在汽车满载情况下，当选择用青铜止推垫片来替代转向节推力轴承时，可取止推垫 片的静载荷为： Fa=3075 N (6-6) 2 1G 2 6150 这个时候止推垫片所受的挤压力就为： c= =1 MPa (6-7) )( 4 22 dD Fa 式中参数含义：d；D分别表示止推垫片的内径与外径大小。 通常情况下都取 c30MPa。 6.2 杆件的设计结果 杆件的设计计算结果如表 6-1 所示： 表 6-1 设计零件长度 右转向节臂/mm 128 左转向节臂/mm 128 转向横拉杆/mm 922 25 7 转向梯形机构的优化设计 7.1 转向梯形机构概述 转向梯形机构的作用是确保车辆在转弯的时候，所有的轮胎都可以在不同的圆周上 围着相同的转弯圆心进行纯滚动。该机构普遍在前轴后侧安装，不过当发动机安装在较 低处或者在前驱汽车上，该机构则安装在前轴前侧。转向梯形机构断开式和整体式两种 形式，选择哪一种形式基于汽车选择何种悬架。不过在两种方案下，转向梯形机构的功 能都相同，并且转向轮也需要具有足够的转角量来实现转弯直径达到最小。 7.2 整体式转向梯形结构分析 图 7.1 整体式转向梯形机构 1转向横拉杆 2转向梯形臂 3前轴 如图 7.1 所示，整体式转向梯形机构主要由转向梯形臂，转向横拉杆和前轴组成。转 向梯形臂紧缩并向后侧伸出。整体式转向梯形机构一般构造较为简单，需要的生产成本 也较少，前束很容易调整；但不可避免也会存在缺点，当一侧的车轮发生跳动时，另一 侧也会受到影响。 整体式转向梯形多应用于前悬架为非独立悬架的车辆上。当发动机安装在较低处或 者汽车采用前轴驱动时，转向横拉杆一般安装在前轴前侧。前置梯形的转向梯形臂会沿 前侧和外侧伸出，在该方向上有轮胎和制动底板的存在，梯形臂可能与它们产生干涉， 因此在布置前置梯形时需要多加考虑。转向横拉杆则需要安装在较高的位置，防止它与 路面上凸起物发生碰撞造成损伤，因此它的位置要高于前轴所在位置。 26 7.3 整体式转向梯形机构优化分析 车辆在转弯的时候，在弹性轮胎侧偏角的干扰下，全部轮胎滚动围绕的中心点并不 在后轴延伸线上，而在前、后轴中间的靠车辆内侧的某个位置。其具体位置由前、后轮 胎的侧偏角大小确定。因为轮胎侧偏角大小受到很多内外因影响，很难确定其具体值， 于是我们在分析两轴车辆转弯问题时，忽略掉侧偏角的影响。如图 72 所示，在这种情 况下，前轮转向时轴线的延长线会在后轴延长线上相交。令 i、o 为两转向转角，K 为 两主销中心延长线到地面交点间的距离，L 为汽车轴距。若要确保车辆在弯道时，所有轮 胎围绕相同的瞬时转弯圆心作纯滚动行驶，转向梯形机构需要使两转向转角有式（7-1） 关系： （7- L K io cotcot 1） 图 7.2 理想情况下内、外车轮转角的关系简图 如果自变角为 o，那么因变角 i 的期望值则为： （7-)/cot(cot)( 0 LKarcf oi 2） 目前有的转向梯形机构只能近似满足要求，无法做到完全符合。以图 7.2 为例，由余 弦定理可以近似的推出转向梯形所具有的真实因变角大小为： i （7-3） )cos(21 2cos)cos(cos2 arccos )cos(21 )sin( arcsin 0 2 0 0 2 0 m K m K m K m K m K i 27 式中参数含义：m 表示梯形的臂长； 表示梯形底角角度。 我们设计出来的转向梯形所具有的真实因变角，越接近理论值越好。为了降低 i i 车辆高速行进时对车胎的损耗，实际值与理论值的偏差在使用率最高的的中间位置即转 角较小时应尽量小；而在使用率较低并且车速慢的最大转角时，可以酌情降低要求。因 此可以再设置一个加权因子，再构造目标函数进行评定设计质量。 ）（ 0 )(xf （7-%100 )( )()( )()( max 1 oii oiioi i i oi o oi xf 4） 由上述公式可得： （7- %100 cotcot )cos(21 2cos)cos(cos2 arccos cotcot )cos(21 )sin( arcsin )()( 0 2 0 0 2 0 1 max L K arc m K m K m K L K arc m K m K xf oi i oi i i oi o oi 5） 7-5 式中的 x 表示设计变量，；omax 表示外转向车轮的最大转动角度， mx x x 2 1 由图 7.2 可得： （7- a D L 2 arcsin min maxo 6） 7-6 式中，Dmin 表示汽车的最小转弯直径；a 表示为主销偏移的距离。 考虑到大多数情况下转角 o 都小于 20，甚至是集中在 10以内的小转角，因此取： （7- max 205 . 0 20100 . 1 1005 . 1 )( oo o o o 28 7） 于此同时，还要考虑到优化过程是在求的极小值情况，因此大可不必限制 的 上限值。综合以上的因素，约束条件设定为： （7- 0 0 0 min max min mm mm 8） 梯形臂的长度 m 在设计时通常都会取在 0.11K- 0.15K 之间，而梯形底角则是 min=70。 另外，四连杆机构设计的传动角 也不能过小，通常都取在 40以上。所以最小传 动角设置的约束条件就是： （7-9）0 2 cos)cos(cos )cos(cos2cos min maxmin K m o 7-9 式中：min 表示最小传动角。min=40，因此根据
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