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载重汽车转向桥设计
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载重汽车转向桥
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中文题目：载重汽车转向桥设计 外文题目：THE DESEGH OF THE TRUCK STEERING AXLE 毕业设计（论文）共 52 页（其中：外文文献及译文 16 页） 图纸共 4 张 完成日期 答辩日期 I 载重汽车转向桥设计 摘 要 本设计为载重汽车的转向桥，此转向桥需要适应不同路况，不同速度下的稳定行驶， 因此对前桥的要求也越来越高。在汽车设计、制造、因此应该本着既能有足够的承载能 力，又能实现耐用经济的思想进行方案的选择，为了降低生产成本，又在结构上满足要 求的情况下应尽量简单。 通过设计：（1）保证有足够的强度：以保证可靠的承受车轮与车架之间的作用力。 （2）保证有足够的刚度：以使车轮定位参数不变。 （3）保证转向轮有正确的定位角度： 以使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎的磨损。 （4）转向桥的质量应尽可能小：以 减少非簧上质量，提高汽车行驶平顺性。 通过分析工作原理设计转向节、前轴、主销等零件的尺寸，使各个零部件的强度满 足校核，并运用 caxa 等绘图软件绘制装配图和零件图。 关键词关键词: : 转向桥；定位参数；转向节；前轴；主销转向桥；定位参数；转向节；前轴；主销 载重汽车转向桥设计 II The design of the truck steering axle Abstract This design is Steering Axle for heavy trucks. The design is need to adapt to different road and under different speeds, so the stability of front axle higher requirements. In car design, manufacture, and should be based on both have enough carrying capacity, and can achieve durable economic thoughts options, in order to reduce the production cost, and meets the requirements in the structure of situations should as far as possible simple. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. (2) Ensure adequate rigidity: in order to change the wheel alignment parameters. (3)To ensure the correct positioning of steering wheel angle: to make the steering wheel movement and stability, manipulating light and reduce tire wear. (4) The steering axle of quality should be as small as possible: to reduce the non-sprung mass, improve vehicle ride comfort. Works by analyzing the design of steering knuckle, front axle, kingpin and other parts of the size, so that the strength of the various components to meet the check, and use other mapping software caxa assembly drawing and parts are drawing. Key words: steering axle; positional parameters; knuckle; front axle；kingpin 目录 前 言.1 1.汽车转向桥的概况.2 1.1 汽车转向桥目前状况.2 1.1.1 汽车前桥的分类.2 1.1.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响.2 1.2 从动桥的结构形式.5 1.2.1 从动桥总体结构5 1.2.2 载重汽车从动桥6 1.2.3 载重汽车从动桥7 1.2.4 设计意义.7 2.转向桥的设计结构参数.8 2.1 结构参数选择.8 2.2 从动桥总体结构选择.8 2.3 确定前桥具体结构型式.8 3.前轴设计.9 3.1 前轴强度计算.9 3.1.1 前轴受力分析简图.9 3.1.2 前轴载荷的计算（分三种工况分析）.10 3.2 前轴弯矩及扭矩计算.11 1 3.2.1 前轴断面分析图.11 3.2.2 各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析）.12 3.3 断面系数计算.13 3.4 应力计算.19 3.5 前轴材料的许用应力.20 4.转向节设计.21 4.1 截面系数计算.21 4.2 弯矩计算.21 4.3 应力计算.22 4.4 转向节的材料、许用应力及强度校核.22 5.主销设计.23 5.1 主销受力计算参数.23 5.2 计算载荷.23 5.3 弯矩计算.25 5.4 抗弯断面系数、剪切面积和主销衬套挤压面积的计算.25 5.5 应力计算.26 5.6 主销材料及许用应力.27 6.转向传动机构设计.28 6.1 转向传动机构强度计算.28 6.1.1 球头销.29 6.1.2 转向拉杆.29 载重汽车转向桥设计 2 6.1.3 转向摇臂.29 6.2 杆件设计结果.30 7.经济技术分析.31 7.1 我国汽车车桥行业发展历程.31 7.2 国内汽车车桥产量和市场容量分析.31 7.3 汽车车桥业发展特征及问题透视.31 7.4 车桥产品结构解析转向桥经济性分析.31 7.5 提高转向桥经济性.32 8.结 论.33 致 谢.34 参 考 文 献.35 附 录.36 附录 1 英文原文36 附录 2 中文译文46 1 前前 言言 随着我国交通运输事业的迅速发展，汽车运输的承载重量和运行速度都在不断增加， 于是人们对汽车的安全运行也越来越重视，所以对汽车车桥的设计也提出了更高的要求。 前桥通过悬架与车架相连，两端安装车轮，其功用是传递车架与车轮之间各方向的作用 力及其力矩，因前轮受到垂直力和垂直反力及由其形成的弯矩；水平方向的道路阻力和 侧向制动力以及其形成的水平方向的弯矩；由制动力引起的转矩等各种力均需经过前桥 前梁传递给悬架，然后再传递给车架，故对前桥前梁有以下的要求：必须有足够的强度 和刚度，保证可靠的承受和传递车轮与车架间的最大作用力。应使转向节与主销和前梁 间的摩擦力尽可能小。应保证车轮正确的定位角和合适的转向角；从而保证汽车的行驶 稳定性和操纵轻便性，减轻轮胎磨耗，以延长前桥的使用寿命。本次设计针对前桥的使 用功能方面进行了设计，本着尽量减少车身重量的目的进行设计，随着我国汽车行业的 飞速发展，转向桥的制作及设计技术在不久的将来会全面发展，逐渐赶超欧美、日本等 先进汽车生产国。 载重汽车转向桥设计 2 1.汽车转向桥的概况汽车转向桥的概况 1.1 汽车转向桥目前状况汽车转向桥目前状况 1.1.1 汽车前桥的分类汽车前桥的分类 从动桥即非驱动桥，又称从动车桥。它通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧 安装着从动车轮，用以在车架(或承载式车身)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。 非断开式转向从动桥主要由前梁、转向节及转向主销组成。转向节利用主销与前梁 铰接并经一对轮毂轴承支承着车轮的轮毂，以达到车轮转向的目的。在左转向节的上耳 处安装着转向节臂，后者与转向直拉杆相连；而在转向节的下耳处则装着与转向横拉杆 相连接的转向梯形臂。有的将转向节臂与梯形臂连成一体并安装在转向节的下耳处以简 化结构。转向节的销孔内压入带有润滑油槽的青铜衬套以减小磨损。为使转向轻便，在 转向节上耳与前梁拳部之间装有调整垫片以调整其间隙。带有螺纹的楔形锁销将主销固 定在前梁拳部的孔内，使之不能转动。 1.1.21.1.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响 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。 3 图 1-1 主销内倾角 Figure 1-1 Kingpin Inclination 主销内倾也是为了保证汽车直线行驶的稳定性并使转向轻便。主销内倾使主销轴线 与路面的交点至车轮中心平面的距离即主销偏移距减小，从而可减小转向时需加在方向 盘上的力，使转向轻便，同时也可减小转向轮传到方向盘上的冲击力。主销内倾使前轮 转向时不仅有绕主销的转动，而且伴随有车轮轴及前横梁向上的移动，而当松开方向盘 时，所储存的上升位能使转向轮自动回正，保证汽车作直线行驶。内倾角一般为；85 主销偏移距一股为 3040mm。轻型客车、轻型货车及装有动力转向的汽车可选择较大的 主销内倾角及后倾角，以提高其转向车轮的自动回正性能。但内倾角也不宜过大，即主 销偏移距不宜过小，否则在转向过程中车轮绕主销偏转时，随着滚动将伴随着沿路面的 滑动，从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力，使转向变得很沉重。为了克服因左、右前轮 制动力不等而导致汽车制动时跑偏，近年来出现主销偏移距为负值的汽车。 主销后倾使主销轴线与路面的交点位于轮胎接地中心之前，该距离称为后倾拖距。 当直线行驶的汽车的转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转时，汽车就偏离直线行驶而有 所转向，这时引起的离心力使路面对车轮作用着一阻碍其侧滑的侧向反力，使车轮产生 绕主销旋转的回正力矩，从而保证了汽车具有较好的直线行驶稳定性。此力矩称稳定力 矩。稳定力矩也不宜过大，否则在汽车转向时为了克服此稳定力矩需在方向盘上施加更 大的力，导致方向盘沉重。后倾角通常在以内。现代轿车采用低压宽断面斜交轮胎，3 具有较大的弹性回正力矩，故主销后倾角就可以减小到接近于零，甚至为负值。但在采 用子午线轮胎时，由于轮胎的拖距较小，则需选用较大的后倾角。举一个生活中的例子： 我们在骑自行车拐弯的时候，会自然地将车子向所转的方向倾斜，让车轮与地面有一个 夹角，学过物理的人知道，这样做是为了产生足够的向心力。汽车也是一样，右侧车轮 载重汽车转向桥设计 4 在右转弯的时候在主销内倾角和后倾角的共同作用下会向右侧倾倒，而左侧车轮虽也有 主销内倾角，却不会向左侧倾倒，因为还有主销后倾角，把它又拉了回来，甚至也能向 右微微倾斜。不仅如此，两侧车轮的转动还使右侧车身降低，左侧车身抬高，整个车身 也向右倾斜，于是产生了足够的向心力。 图 1-2 车轮外倾角和主销后倾角 Figure 1-2 camber and caster angle 前轮定位除上述主销后倾角、主销内倾角外，还有车轮外倾角及前束，共 4 项参数。 车轮外倾指转向轮在安装时，其轮胎中心平面不是垂直于地面，而是向外倾斜一个角度 ，称为车轮外倾角。此角约为，一般为左右。它可以避免汽车重载时车轮5 . 15 . 01 产生负外倾即内倾，同时也与拱形路而相适应。由于车轮外倾使轮胎接地点向内缩，缩 小了主销偏移距，从而使转向轻便并改善了制动时的方向稳定性。 5 图 1-3 前束 Figure 1-3 toe 前束的作用是为了消除汽车在行驶中因车轮外倾导致的车轮前端向外张开的不利影 响(具有外倾角的车轮在滚动时犹如滚锥，因此当汽车向前行驶时，左右两前轮的前端会 向外张开)，为此在车轮安装时，可使汽车两前轮的中心平面不平行，且左右轮前面轮缘 间的距离 A 小于后面轮缘间的距离 B，以使车轮在每一瞬时的滚动方向是向着正前方。前 束即(B-A)，一般汽车约为 35mm，可通过改变转向横拉杆的长度来调整。设定前束的名 义值时，应考虑转向梯形中的弹性和间隙等因素。 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。 1.2 从动桥的结构形式从动桥的结构形式 1.2.11.2.1 从动桥总体结构从动桥总体结构 各种车型的非断开式转向从动桥的结构型式基本相同。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 载重汽车转向桥设计 6 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。有的汽车的转向从动桥的前梁采用组合式结构，即由其采用无缝钢管的中间部分与 采用模锻成形的两端拳形部分组焊而成。这种组合式前梁适于批量不太大的生产并可省 去大型缎造设备。转向节多用中碳合金钢模级成整体式结构。有些大型汽车的转向节， 由于其尺寸过大，也有采用组焊式结构的，即其轮轴部分是经压配并焊接上去的。 主销的几种结构型式如下图所示，其中比较常用的是(a)，(b)两种。 （a） (b) (c) (d) 图 1-4 主销结构形式 FIG. 1-1 the kingpin structure (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 (a)Cylindrical solid model (b) cylindrical hollow (c) Ranging in diameter from top to bottom-side columns, the middle of the cone of the main sales (d) lower than the upper part of thin cylindrical kingpin 转向节推力轴承承受作用于汽车前梁上的重力，为减小摩擦使转向轻便可采用滚动 轴承，例如推力球轴承、推力圆锥滚子轴承或圆锥波子轴承等。也有采用青铜止推垫片 的。主销上、下轴承承受较大的径向力，多采用滑动轴承，也有采用滚针轴承的结构。 后者的效率高，转向阻力小，且可延长使用寿命。 1.2.21.2.2 载重汽车从动桥载重汽车从动桥 本设计为载重汽车的转向前桥，因此应该本着既能有足够的承载能力，又能实现耐 用经济的思想进行方案的选择，为了降低生产成本，又在结构上满足要求的情况下应尽 量简单。 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 7 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。与断开式前桥相比它的结构简单，经济性高，强度大、安装维修方便的优点， 这种形式在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。 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。前梁采用中间部分为整体锻件与两端拳部组焊的形式。主销采用结构简单的 实心的圆柱形如上图 a 所示。 另外为了保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个转向瞬时转向中心，在不同的圆周上 作无滑动的纯滚动，本次设计有进行了转向梯形的优化设计。本方案转向梯形布置在前 轴之后，进行梯形的最佳参数和强度计算。 目前国内载重汽车前桥一般可以承受10吨左右的载重量，并且大部分都是采用非断 开式转向桥。像早期东风汽车公司生产的EQ1090E型载重货车，它采用的是钢材锻造的并 且断面为工字型的前梁，采用非断开式结构。前梁的拳形部分通过主销相连转向节，转 向节通过轴承与轮毂相连。这种方式连接稳定、可靠，可以完成车轮的灵活转向。 1.2.31.2.3 载重汽车从动桥载重汽车从动桥 本文首先确定主要部件的结构型式和主要设计参数，然后参考类似转向桥的结构， 确定出总体设计方案，最后对前梁、主销、主销上下轴承、转向桥、调整垫片，转向节 推力轴承等及轮毂等零件的尺寸进行设计，对强度进行校核以及对主要轴承进行了寿命 校核。对前桥进行力学模型的建立，将物理力学模型转化成数学模型（数学公式） 。 2.主要解决的问题： 对以往同类的转向桥的资料进行总结分析，得到一些新的观点及思路，针对载重车转向 桥的主要功用即对车身的支持作用、灵活转向的作用。通过设计使前桥更可靠、更灵活 1.2.41.2.4 设计意义：设计意义： 采用传统方法对载重汽车转向桥进行结构尺寸设计，使转向桥满足如下的设计要求： （1）保证有足够的强度：以保证可靠的承受车轮与车架之间的作用力。 （2）保证有足够的刚度：以使车轮定位参数不变。 （3）保证转向轮正确的定位角度：使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎磨损。 （4）从动桥的质量应尽可能小：以减少非簧上质量，提高汽车行驶平顺性。 合理优化前梁、转向节、等零部件的结构，使各个部分零件能够合理的配合，以适应复 杂路况。尽可能降低整个桥身的质量，从而减轻车的重量。并且对车轮轮毂进行配合设 载重汽车转向桥设计 8 计，使其与转向桥合理配合达到灵活转向的目的 2 2. .转向桥的设计结构参数转向桥的设计结构参数 2.1 结构参数选择结构参数选择 转向桥设计参数参照东风 EQ140 型号汽车前桥数据获得，如表 2-1 所示 表 2-1 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) 42140231282200127039001100850 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 16701800490621 24 2.2 从动桥总体结构选择从动桥总体结构选择 本前桥采用非断开式转向从动桥 2.3 确定前桥具体结构型式确定前桥具体结构型式 （1）前轴结构形式：工字形断面加叉形转向节主销固定在前轴两端的拳部里。 （2）转向节结构型式：整体锻造式。 （3）主销结构型式：圆柱实心主销。 （4）转向节止推轴承结构形式：止推滚柱轴承。 （5）主销轴承结构形式：滚针轴承 （6）轮毂轴承结构形式：单列向心球轴承 （7）前轮定位角选择见表 1 9 3.3.前轴设计前轴设计 3.1 前轴强度计算前轴强度计算 3.1.13.1.1 前轴受力分析简图前轴受力分析简图 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 Figure 3-1 Bridge in the braking and steering yaw driven condition of the force analysis diagram 1制动工况下的弯矩图和转矩图； 2侧滑工况下的弯矩图 1 - braking and torque diagram of bending moment diagram 2 - yaw moment map condition 载重汽车转向桥设计 10 3.1.23.1.2 前轴载荷的计算（分三种工况分析）前轴载荷的计算（分三种工况分析） 一、紧急制动 汽车紧急制动时，纵向力制动力达到最大值，因质量重新分配，而使前轴上的垂直 载荷增大，对后轮接地点取矩得 取路面附着系数 =0.7 制动时前轴轴载质量重新分配分配系数 m1=1.655（3-1）1 2 L hg 1 175 . 1 1 . 17 . 0 垂直反作用力：Z1l= Z1r=19138.2N 2 1G m 2 23128655 . 1 横向反作用力：X1l=X1r= =13396.89N（3-2） 2 1G m 二、侧滑 汽车侧滑时，因横向力的作用，汽车前桥左右车轮上的垂直载荷发生转移。 （1）确定侧向滑移附着糸数： 在侧滑的临界状态，横向反作用力等于离心力 F 离，并达到最大值 F离 =,Ymax=G1，为保证不横向翻车，须使 V 滑V翻，则有：，所以 gR VG 2 1 hg gRB gR 2 1 ，得到=0.822，取=0.7 hg B 2 1 1 . 12 8 . 1 （2）对车轮接地点取矩 垂直反作用力： Z=21402.9N) 1 2 1 ( 2 1 1 B hgG l ) 8 . 1 7 . 01 . 12 1 ( 2 23128 Z=1725N（3-3）) 1 2 1 ( 2 1 1 B hgG l 横向反作用力 Y1l=14982.03N ) 1 2 1 ( 2 1 B hgG Y1r=1207.5（3-4） ) 1 2 1 ( 2 1 B hgG 11 三、越过不平路面 汽国越过不平路面时，因路面不平引起垂直动载荷，至使垂直反作用力达到最大值 取动载荷系数因为是载货汽车所以=2.5 N （3-5）28910 2 23128 5 . 2 2 1 11 G ZZ rl 载荷计算结果列表，如下表 3-2： 表 3-2 单位 N Z119138.42 紧急制动 X113396.89 Z1l21402.9 Z1r1725 Y1l14982 侧滑 Y1r1207.5 越过不平路面 Z128910 3.2 前轴弯矩及扭矩计算前轴弯矩及扭矩计算 3.2.13.2.1 前轴断面分析图前轴断面分析图 由于前轴为不规则工字型钢锻铸形成，因此前轴的受力点是变化的，必须取点分段 进行设计与力的校核。 选择下述三个部位计算分析其断面的弯矩、扭矩 如下图 3-2 所示 载重汽车转向桥设计 12 图 3-2 三个不同的断面部位计算分析其断面的弯矩、扭矩 Figure 3-2 Calculation of three different sections of the cross section area moment, torque A 断面位于钢板弹簧座内侧，属于前轴中部最弱部位。此断面内弯矩最大（钢板弹簧 座可视为梁的固定端） ，故两钢板弹簧之间这段梁可不考虑受扭） B 断面处的弯矩，扭矩均较大 C 断面位于梁端，此断面内扭矩最大，而弯矩最小 各断面的计算参数如下表 3-3 表 3-3 参数ABC 断面长度 L424325187 断面高度 h1361280 3.2.23.2.2 各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析）各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析） 一、紧急制动 垂直面内弯矩 1 M i Z L 水平面内弯矩 （3-6） 1 MX i L 上式中 Li 对应与 A、B、C 断面分别带入 La、Lb、Lc、 13 钢板弹簧外侧扭矩 （3-7） 1ri MnXrh 上式中 hi 对应与 A、B、C 断面分别带入 ha、hb、hc。 二、侧滑 左侧各断面垂直面内弯矩 （3- 11111ri M(ZY ) (rh ) 8） 上式中 Li,hi 带入值与紧急制动时一致 三、越过不平路面 垂直面内弯矩 （3-9） 1i MZL 式中 Li 带入与上面计算中一致 弯扭矩计算结果如下表 3-4 所示： 表 3-4 （单位：N） 结果 工况 ABC M 8114960.0862199283578884.54 M 5680281.364353989.252505218.43 紧急制动 Mn4742499.064849674.186028600.5 侧滑 M 2272998.61682275.8-2889405 越不平路 M 1222578493957505406170 3.3 断面系数计算断面系数计算 AA 工字形断面前轴 断面简图 本汽车前轴简化为换算断面形状后如图 3 所示 载重汽车转向桥设计 14 图 3-3 前轴简化后 c 断面计算图 Figure 3-3 Front axle simplified calculation chart c section 如图计算断面系数 一、求 A 断面 如图 3 所示 1）垂直面内抗弯断面系数 =46584.9N.mm（3-10） 666 83266667 6 333 1 3 H hbBH W II 2）水平面内抗弯断面系数 （3- 11） 二、B 断面 换算断面简图如图 4 mmN B thBt W.33.86292 676 381467142 6 2 3333 1 15 图 3-4 前轴 B 断面计算简图 Figure 3-4 Front axle cross section diagram calculation 1）垂直面内抗弯断面系数 B 断面为上，下翼缘不等长的工字形断面。计算其垂直面内抗弯断面系数的关系 是确定出形心轴坐标。 形心轴 Xc-Xc 的坐标： Fi Fiyi y1 =（3-12） hBBbtBt hthBBtHbttBt )( )2/(*)()2/1(2/1* 121 112211 =37.2 载重汽车转向桥设计 16 222 hyt 29.8 14 15.8 （3- 12 hhh 42 15.8 26.2 13） 该断面对形心轴的惯性矩： （3- 14） 2）上翼面的抗弯断面系数： （3-15） 3 1 14.49565 2 . 37 37.1843823 m y J W xc 上 3）下翼面的抗弯断面系数： （3- 16） 4）水平面内抗弯断面系数： （3-17） 4 3 21 3 2 3 11 3 1 37.1843823 )( 3 1 mm hbbyhBByJxc 8 . 29 2 . 3767 yHy 12 3 2 26.61873 8 . 29 37.1843823 m y J W xc 下 3 3 2 3 1 3 3 . 32865 )( 6 1 mm httbtB B W 17 5）抗扭断面系数 由经验公式得 （3- 18） 三、C 断面 C 断面计算简图如图 3 33 3 2 3 2 1 4 . 83778 3487 )3487(39 . 4 12) 2 2472 ( 1 . 713 3 1 )() 2 ( 1 3 1 434487 87 2 6069 2 39. 421 )3487(76. 1 2 2472 67 . 1 72 )(76 . 1 ) 2 (67 . 1 1 . 713) 2 2472 (26 . 1 872) 2 (26 . 1 2 mm bB bBC hH C Wn tBb bB B bB hH HC hH BC 载重汽车转向桥设计 18 如图 3-5 前轴 C 断面计算简图 Figure 3-5 front axle diagram of a cross section calculation 1）垂直面内，水平面内抗弯断面系数： （3-19） 2）抗扭断面系数： （3-20） 各断面尺寸参数见表 3-5： 表 3-5 单位： mm A-A B-BC-C B7696 B16050 1 t 12.512.5 b765843 1 b 6016 2 t 12.512.5 t1242 h3643 H616852 断面系数计算结果列表见表 3-6 表 3-6 单位： 3 mm A-A B-BC-C W 46584.940327.219378.7 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 19 W 28629.3332865.316024.7 n W 83778.420910.34 3.4 应力计算应力计算 一、汽车紧急制动时 垂直面内弯曲应力 （3-21） W M 水平面内弯曲应力 （3-22） “ “ “ W M 合成应力 （3-23） 合 计算扭转应力： 在矩形长边中点上的扭转应力 （3-24） n n W M max 在矩形短边中点上的扭转应力 （3-25） max 工字形断面中所产生的最大应力和最大扭转应力是作用在梁断面上的不同点处。对 于上翼面长边中点，其相当应力： （3- 2 2 3 合d 26） 二、汽车侧滑时 垂直面弯曲应力 W M 三、汽车越过不平路面时 垂直面弯曲应力 W M 载重汽车转向桥设计 20 应力值计算结果如表 3-7 所示： 表 3-7 单位： 28 /10mmN A-AB-BC-C 174.19154.2120.379 “198.4132.47101.89 max 57.88251.40 紧急制动 d 372.59373.49496.14 侧 滑48.7941.7-106.81 越不平路“262.4232.98184.50 3.5 前轴材料的许用应力前轴材料的许用应力 一、材料：30Cr 调质硬度 ： HB241281 ：800937)/( 2 mmN b 二、许用应力： bs )7 . 06 . 0( 合ss 7 . 0 21 4.转向节设计转向节设计 图 4-1：转向节、主销、及转向节衬套的受力计算用图 Figure 4-1: knuckles, kingpins, and the steering knuckle bushing diagram for calculating the force 计算所需作用力、按表 1-1 取值 11 Z 11 X 11 Y 4.1 截面系数计算截面系数计算 取轮毂内轴承根部处指轴为计算断面 （4-64.8941 32 45 32 33 d W 1） 4.2 弯矩计算弯矩计算 一、紧急制动时 载重汽车转向桥设计 22 （4-22.825303211830287.1690220 222 1 2 11 XZCM制 2） 二、侧滑时 （4- 60.565832 48049.125962022.19379 11111 r rYCZM制 3） 三、超越不平路面时 （4-5181752075.25908 11 CZM制 4） 4、计算用参数 d1=50 ， c=50 ，d=55，h=36 4.3 应力计算应力计算 一、紧急制动时 （4- 3 . 92 64.8941 22.82530 W M制 5） 二、侧滑时 （4-85.602 64.8941 60.56588732 W M侧 6） 三、越不平路面时 （4-951.57 64.8941 518175 W M越 7） 弯矩、应力计算结果列表见表 4-1 表 4-1 功 况M 紧急制动825303.22155.8 侧 滑-5658732.69-602.85 超越不平路51817557.951 23 4.4 转向节的材料、许用应力及强度校核转向节的材料、许用应力及强度校核 转向节材料选用 ：40Gr 许用应力 查 YB6-71： s 2 /980mmN b )75 . 0 65 . 0 ( bS 5.主销设计主销设计 主销作用力计算简图如图 6 如图 5-1 主销作用力计算简图 Figure 5-1 diagrams the main sales force calculation 载重汽车转向桥设计 24 5.1 主销受力计算参数主销受力计算参数 主销计算参数如下表 5-1 所示： 表 5-1单位：mm 参数车行abcefl1 l n r r DhH 参考参数677020500360 2 1 BB 155 2 1 BB 490303845 5.2 计算载荷计算载荷 计算时，忽略主销倾角的影响，并假定力的作用点位于主销衬套中点。 一、按表 1 取值 1 Z 1 X 1 Y 二、汽车紧急制动时 力在主销的支承反力和。 1 Z 1 S 1 S （5-N ba lZ SS27.9080 7067 6542.19138 1 11 1） 主销受到和 u 的作用，力 u 由下式求得： 1 X （5-56.5277 155 65 89.13396 1 1 l l Xu 2） 力在主销的两个支承上反作用力和 1 X 2 S 2 S （5-N ba b XS12.4586 7067 70 13396.89 12 3） N ba a XS76.6551 7067 67 89.13396 12 力 u 在主销的两个支承上反作用力和 3 S 3 S 25 （5- N ba b S N ba b S 99.2580 137 67 56.5277 56.2696 137 70 56.5277 3 3 4） 由制动力矩的作用，在主销的 两个支撑上产生反作用力和 r rX1 4 S 4 S N ba r XSS r 8 . 47915 137 490 89.13396 144 作用在主销下端的 合力（图 14）（5-5） N SSSSS 88.55701 )18.4145145.5786()36.29635 .10425( )()( 22 2 42 2 31 （5-6） 三、汽车侧滑时 左主销上支承的 反作用力 （5-7） 左主销下支承的 反作用力 （5-8） 右主销上支承的 反作用力 （5-9） N ba lZfY S rr 4 . 3991 137 651725360 5 . 1207 11 上 右主销下支承的 反作用力 （5- N ba lZeY S rr 36.5225 137 651725500 5 . 1207 11 下 10） 四、汽车越过不平路面时 动载荷在主销上、下支承上产生的作用反力和。（5-11） 1 S 1 S N ba ZfY S ll 29214 137 65 9 . 2140236014982l 11 上 N ba lZeY S ll 17.44524 137 659 .2140250014982 11 下 载重汽车转向桥设计 26 N ba l ZSS 4 . 13716 137 6528910 111 5.3 弯矩计算弯矩计算 在紧急制动和侧滑时，主销下支承的反作用力为最大，在越过不平路面时，因主销 下端的作用力臂大于上端，所以只需要计算主销下支承处的弯矩（图 15） 一、汽车紧急制动时 =2116671.44N.mm（5-12）hSM 二、汽车侧滑时 =1691918.46N.mm（5-13）hSM 下 三、汽车越过不平路面时 =521223.2N.mm（5-14）hSM 1 5.4 抗弯断面系数、剪切面积和主销衬套挤压面积的计算抗弯断面系数、剪切面积和主销衬套挤压面积的计算 一、主销抗弯断面系数 =2646.47mm3（5-15）)1 ( 32 4 43 D dD W 二、主销剪切面积 =678.58mm2（5-16）)( 4 22 dDF 三、主销衬套挤压面积 =1350mm2（5-17）HDF D:主销外径，d：主销内径 5.5 应力计算应力计算 一、 分别计算个工况下的弯曲应力、剪切应力、挤压应力见表 5-2。 表表 5-2 弯曲应力剪切应力挤压应力 紧急制动时 W M F S F S c 27 侧滑时 W M F S下 F S c 下 越过不平路面时 W M F S 1 F S c 1 公式编号676869 二、载荷、弯矩、应力计算结果列表见表 5-3： 表表 5-3 主销受力单位：N M 单位： 其余量单位： 2 mm 2 /mmN 主销受力Mc 紧急制动 S 55701.882116671.44788.969.540.920 上 S 29214 侧滑 下 S 44524.171691918.46 越过不平路面 1 S 13716.4521223.2434.322.6113.32 5.6 主销材料及许用应力主销材料及许用应力 主销材料采用 20CrNi 许用应力 2 /833mmN 2 / 3 . 83mmN 2 / 0 . 49mmN cc 按力作静载荷计算时， 2 1 1 G X 2 /15mmN c 载重汽车转向桥设计 28 6.转向传动机构设计转向传动机构设计 6.1 转向传动机构强度计算转向传动机构强度计算 转向传动机构是由转向摇臂至左、右转向车轮之间用来传递力及运动的转向杆、臂 系统，其任务是将转向器输出端的转向摇臂的摆动转变为左、右转向车轮绕其转向主销 的偏转，并使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上，实现车轮无滑动地滚动 转向。为了使左、右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运动学的要求，则 要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。采用最优化设计方法优选转向 梯形结构参数则可得到最佳设计效果。 在非独立悬架汽车的转向系中，转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、 两个相同的转向梯形臂和转向横拉杆组成。后者与左、右转向梯形臂又组成转向梯形机 29 构。转向器在汽车上应这样安置：首先应使转向摇臂下端与纵拉杆铰接的球头中心在转 向过程中是在平行于汽车纵向平面的平面内移动；其次，为了使转向纵拉杆与纵置钢板 弹簧协调运动以避免转向车轮的摆振，转向摇臂下端的球头中心应尽量与转向节臂与纵 拉杆铰接球头中心：的摆动中心重合。 转向摇臂、转向节臂和梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如 35Cr，40，40Cr 和 40CrNi 用模锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强 度与刚度。转向摇臂与转向摇臂轴用三角花键联接，且花键轴与花键孔具有一定的锥度 以得到无隙配合，装配时花键轴与孔应按标记对中以保证转向摇臂的正确安装位置。转 向摇臂的长度与转向传动机构的布置及传动比等因素有关，一般在初选时对小型汽车可 取 100150mm；中型汽车可取 150200mm；大型汽车可取 300400mm。 转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的 20、30 或 35 号钢的无缝钢管制造， 其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。 转向传动机构的各元件间采用球形铰接。球形
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