某商用车前桥结构设计及强度分析

精品资料，值得下载学习！ 摘 要 一般载货汽车采用前置发动机后轮驱动的布置形式，故前桥为转向从动桥 ， 车桥通过悬架和车架相连，它的 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。 本次毕业设计的题目是某商用车前桥结构设计及强度分析，针对此题目，我 首先参考相关书籍，这让能使我充分的了解到前桥的具体结构，前桥主要是由转向主销，转向节，前梁等组成。同时通过计算能对材料进行强度分析进而选取合格的零件，然后应用 件对前桥进行模型生成，在建模过程中采用直接建模的方法，最后应用 件对首先对前梁施加约束，然后是施加 载荷，最后是对前梁进行有限元分析，分析之后便可得到前梁的等效应力图。 关键词： 前桥；前梁；转向节；转向主销； 品资料，值得下载学习！ of to at of of is to of of is of a I of At by of be to to in of of to of be to 品资料，值得下载学习！ 目 录 1 前桥的结构介绍 车桥的分类 前桥的定义及分类 前桥的组成 前桥的定位参数 前桥的设计 前桥的结构分析 车轮定位 从动桥主要零部件尺寸确定 前桥强度计算 品资料，值得下载学习！ 4 义 前梁的网格划分 前梁的约束 仿真分析 退出 结 考文献 谢 品资料，值得下载学习！ 第 1 章 前桥的结构介绍 桥概述 桥的分类 根据车桥上的车轮的作用，车桥又可分为转向桥，驱动桥，转向驱动桥和支持桥四 种类型。其中，转向桥和支持桥都属于从动桥。一般汽车多以前桥为转向桥，而以后桥或中，后两桥为驱动桥。 桥的定义及分类 转向桥是利用车桥的转向节使车轮可以偏转一定角度，以实现汽 车的转向。它除承受垂直载荷外，还承受纵向力和侧向力及这些力造成的力矩。转向桥通常位于汽车前部，因此也常称为前桥。前桥分为整体式和断开式的前桥。 我们要研究是整体式转向桥。 桥的组成 各种类型的整体式转向桥结构基本相同，主要由前梁，转向节，转向主销组成 。如图 1123、 45678 9101112 图 1车前桥组成 精品资料，值得下载学习！ 动桥设计要求 从动设计中应注意以下几点基本要求： （ 1）从动桥应有足够的强度，以保证可靠地承受车轮与车架（或承载式车身）之间的作用力。 （ 2）保证有正确的车轮定位，使转向 轮运动稳定，操作轻便并减轻轮胎的磨损；从动桥要有足够的硬度与刚度，以使车轮定位参数不变。 （ 3）转向节与主销，转向节与前梁之间的摩擦力应尽可能小，以保证转向的轻便性，并有足够的耐磨性。 （ 4）转向轮的摆振应尽可能小，以保证汽车的正常，稳定的行驶。 （ 5）从动桥的质量应尽可能小，以减小非簧上质量，提高汽车的行驶平顺性。 精品资料，值得下载学习！ 第 2 章 前桥的定位参数 桥定位参数包括哪些 转向桥在保证汽车转向功能的同时，应使转向轮具有自动回正作用，以保证汽车稳定行驶。即当转向轮在遇外力作用发 生偏转时，一旦作用的外力消失后，应能立即自动回到原来的直线行驶位置。这种自动回正作用是由转向轮的定位参数来保证的，也就是转向轮，主销和前轴之间的安装应具有一定的相对位置。 转向轮的参数主要有主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角和前轮前束。 设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内，其上部有向后的一个倾角 ，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，如图 2图 2销后倾角作用示意图 主销后倾角 能形成回正的稳定力矩。现代汽车由于轮胎气压降低弹性增加，而引起稳定力矩增大。因此， 角可以减小到接近零，甚至为负值。 2. 主销 内倾角 在设计转向桥 主销在汽车的横向平面内，其上部向内倾斜一个 角（即主销轴线与地面垂直在汽车横向平面内的夹角）称为主销内倾角 ，如图 2主销内倾角 也有使车轮自动回正的作用，如图 2转向轮 在外力作用由中间位置偏转一个角度时，车轮的最低点将陷入路面以下。但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向轮连同整个汽车前部向上抬起一个适应的高度。这样，汽车本身的重力有使转向轮回到原来中间位置的效应。 精品资料，值得下载学习！ 图 2销内倾角作用示意图 前轮外倾角 也具有定位作用， 是通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，如图 2 为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外 轴承的负荷，安装车轮时应预先车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。同时车轮有了外倾角也可以与拱形路面相适应，一般 为1。 车轮有了外倾角后，在滚动时类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了消除轮胎外倾带来的这种不良的后果，在安装车轮的时候，使汽车两个车轮的中心面不平行，两轮前边缘距离 ， 如图所示，一般 前束的值为 零前束即车轮指向正前方，这时轮胎的磨损最小。太大的前束或后束将导致轮胎胎面花纹边缘羽状化的磨损。前束过大则磨损轮胎面外部花纹边缘，每排轮胎花纹内部边缘被羽状化；后束过大则会出现相反的轮胎花纹磨损效果。 当汽车为后轮驱动时，前轮通常具有前束，而当汽车为前轮驱动时，前轮则后束，这是为了在汽车行驶过程中补偿转向杆系和转向轮的变化。当汽车行驶时，前束或后精品资料，值得下载学习！ 束减小（或消失），这是因为车轮在加速度的作用下要回位，同时转向杆系有轻微的弯曲。 当一个转向机构的杆件长度不符合设 计规范或安装角度不正确，就会使车轮前束发生变化，或者转向 时出现抖动，随着悬挂系统的压缩和拉伸，杆件的外端会上下运动 。如果杆件的长度和角度不正确，它就会推拉转向臂，把车轮转向另一个方向，当汽车驶过一个突起或一个凹坑时，驾驶员会感觉到转向轮猛地转向另一边。 图 2轮前束 精品资料，值得下载学习！ 第 3 章 前桥的 设计 桥的结构 设计 参考 3 3车参数表 汽车总质量N） 前轴轴载质量N） 汽车之心到前轴中心线的距离 （ 汽车质心至后轴中民线距离 轴距 L（ 汽车质心高度hg(前钢板弹簧座中心距B (58359 20727 2133 1175 3308 1060 780 主销中心距B (前轮距B1(车轮滚动半径 rr(主销内倾角 主销后倾角 前轮外倾角 a 前轮前束（ 1415 1584 480 8 1 2 大量生产的前梁通常是中部凹下，断面呈工字型， 如图 3模锻而成；批量小，为制造方便，采用焊接前梁 ，即两个拳形部分与一根无缝钢管焊接而成。前梁两端的两个拳部通过转向主销安装转向节，前轮通过滚动轴承安装在转向节的心轴上 ，前轮能在转向角的范围内围绕主销转动，制动鼓装在轮毂上，可随车轮一同旋转，制动器地板用螺栓固定在转向节上。前梁上还有安装钢板弹簧的钢板弹簧座，转向节上安装有转向梯形臂和转向节臂。 图 3梁工字型断面（虚线为当量断面） 精品资料，值得下载学习！ 前梁的材料国内一般采用 45号钢（需要进行质处理）。 构 分析 转向节包括埃利奥特曼式 ，反埃利奥特曼式，李蒙式，马蒙式。其中转向节一般采用埃利奥特 曼式，即转向节制成叉形，用主销联结在车桥上，推力轴承安装在前轴拳部下方，主销与转向节主销孔间装有衬套。其他三个很少在汽车上应用。如图所示 图 3利奥特曼式转向节 图 3其中 柱实心主销）比较常用 ，故采用这种形式的主销。 图 3销的结构形式 结构分析 转向节推力轴承承受作用在汽车前桥上的重力，一般包括推力球轴承，推力圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承等形式，也可以采用青铜止推垫片，在这里选取圆锥滚子轴承，如图所示 精品资料，值得下载学习！ 图 3锥滚子轴承 主销后倾角的作用是为了保持汽车直线行驶时的稳定性，并且当汽车转向后使前轮具有自动回正作用。后倾角 通常在 3以内。由于子午线轮胎拖距比较大，则需选用较大的后倾角，故选取 为 主 销内倾的作用也是为了保证汽车直线行驶时的稳定性，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离减小，从而可减少转向时施加在转向盘的力，是转向器便，也可减少转向轮传到转向盘的冲击力。一般主销内倾角 =5 ，主销偏移距为 30但是有的时候偏移距出现负值，其目的是为了减少左右制动力不等而导致汽车制动时跑偏。轻型货车其转向力不是主要矛盾，因而可以选用较大的后倾角提高其自动回正作用，故取 8 一般车轮外倾角 =由于外倾角的存在使轮胎接地点向内缩，减小了主销偏移距，从而改善了制动时的方向稳定性及转向轻便性。故取 1。 前束的作用是为了消除汽车在行驶中因车轮外倾而使车轮前端向外张开的不利精品资料，值得下载学习！ 影响，因此，在车轮安装时，使左右车轮 的中心平面不平行。前束（ 般取 3是考虑到转向梯形中的弹性与间隙，故去 2 桥设计计算 要零件尺寸确定 转向从动桥前梁一般采用工字形断面，可保证其质量，但是在垂直平面内刚度大，强度高。为了避免跳动过程中与发动机发生碰撞，前梁中部要向下弯曲，但是中部最低处距地面高度不可太小，以免影响汽车通过性，一般轻型货车不小于 160里我们取 180梁的材料选取 45号钢，并经过调质处理，硬度为 前梁工字形断面尺寸的推荐值，见图 3中虚线会出的是其当量断面。 图 3梁工字形断面尺寸关系推荐值 该断面的弯曲截面系数为 ： 320 （ 3 (3式中 :a - 工字形断面中部尺寸， 垂直弯曲截面系数， 3 水平弯曲截面系数， 3 精品资料，值得下载学习！ 设计中 取 a=20入式子 （ 3(3得： 332 0 2 0 2 0 2 0 2 0 3 4 5 6 0vW a N m m 5 . 5 5 . 5 2 0 2 0 2 0 9 5 0 4hW a N m m 在设计中为了预选在板簧座处的弯曲截面系数 可采用经验公式计算： 2200v （ 3 式中： m 作用在前梁上的质量， l 车轮中线至板簧座中心线的距离， 将数代入式子 （ 3中得： 32 0 7 2 . 7 4 0 . 2 3 7 . 8 72 2 0 0 2 2 0 0v c m 前梁拳部的高度约等于工字形断面的高度。约为 72 转向主销的直径可取为拳部高度的 。即 D 主销 =72 2销的长度按直径的 6倍设计， L 主销 =6 D 主销 =6 32=192 主销上下滑动轴套（即嵌入转向节上下孔中的 衬套 ） L 衬套 =32=48销材料主要选用 过处理后，使其渗碳层深 度 汽车前梁的强度计算是以施加在前梁的静载荷为基础的，并考虑到汽车在行驶时受到来至路面的冲击对前梁带来的附加垂直载荷（动载荷），制动时转移到前梁的载荷，以及汽车转弯时在离心力的作用下造 成的汽车侧滑而产生的载荷等因素。因而，对前梁的弯曲和扭转强度都要进行计算。 1） 垂直载荷工况下的应力计算 垂直载荷工况下的前梁弯矩分布，如图 3 精品资料，值得下载学习！ 图 3直载荷工况下前梁 的弯矩分布 此时作用在前梁上的最大静弯矩为： ()22 B （ 3 式中： 静载荷作用下的最大弯矩， ； 前梁上的静载荷， N ； B 前轮轮距， m ； b 前梁两板簧座之间的距离， m ； 将数值代入式（ 3得： ( ) 2 0 1 2 7 ( 1 . 5 8 4 0 . 7 8 ) 4 0 4 5 . 5 2 72 2 2 2 B m 在静载荷的作用下，前梁的最大弯曲应力 s 发生在两板簧座之间，其值为： （ 3 式中： 前梁的垂直弯曲截面系数， 3m 将数值代入式（ 3得： 4 0 4 5 . 5 2 7 1 0 6 . 8 23 7 . 8 7 p 汽车行驶过程中，前梁还受到来至地面的冲击力，因此在进行前梁的强度计算时还要考虑一个动载系数。前梁的动载系数随汽车底盘和轮胎的刚度不同而异。考虑了前梁动载荷后的最大应力： d b s （ 3 精品资料，值得下载学习！ 式中： 动载荷系数，对货车取 将数值代入式（ 3 得： 2 . 5 1 0 6 . 8 2 2 6 7 . 0 5d b s d 2） 制动工况下前梁的应力计算 前梁制动时，由于载荷向前桥转移，前梁所受的垂直载荷会增加，另外在制动时，前梁还要承受转矩和水平弯矩的作用。 制动时，车轮在路面滑行时汽车受力情况如图 3 图 3动时汽车受力简图 此时前梁所受的载荷 ： 2 （ 3 式中： L m ； 2L 汽车质心至后轴的距离， m ； 汽车质心至地面的高度， m ； 路面的附着系数。一般取 = 汽车总重， N 。 将数值代入式（ 3 得： 2 1 . 1 7 5 0 . 7 1 . 0 8 0 5 8 3 5 9 3 4 0 6 6 . 2 73 . 3 0 8 作用在车轮上的制动力为 : 精品资料，值得下载学习！ 1 3 4 0 6 6 . 2 7 0 . 7 2 3 8 4 6 . 3 8 9 N 图 3向从动桥在制动和侧滑工况下的受力简图（左边为制动时的弯矩图与扭矩图，右边为侧滑时弯矩图） 由于制动力和载荷力对前梁引 起的垂直弯矩和水平弯矩在两弹簧座之间达到最大值，分别是 ： 2 2v f f l G （ 3 22 2h t f f l G l G （ 3 式中： B 前轮轮距， s 前轮两钢板弹 簧中心之间的距离， 精品资料，值得下载学习！ 将数值代入式（ 3 3中 得： 22 1 5 8 4 7 8 0 3 4 0 6 6 4 0 6 7 4 8 0 422v f f l G N m m 22 1 2 1 5 8 4 7 8 0 3 4 0 6 6 0 . 7 2 8 4 7 2 3 6 2 . 822h t f l Z l G N m m 制动力 前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转距 T, r (3式中： 轮胎的滚动半径， 将数值代入式（ 3得 ： 22 3 8 4 6 . 3 8 9 4 8 0 1 1 4 4 6 2 6 6 r N m m 前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力 w 和扭转应力 （ m a x/ ( / ) (3 式中 ： 前梁在危险断面出的扭转截面系数， 2 前梁横断面的最大厚度， 前梁横断面的极惯性距， 4 对工字形断面： 30 （ 3 将数值代入式 (3(33 得： 340 . 4 1 2 8 6 5 0 0kJ h m m 40674804 4758333 1673 4 5 6 0 9 5 0 4M M p m a x/ ( / ) 1 1 4 4 6 2 6 6 / ( 1 2 8 6 5 0 0 / 8 5 ) 7 5 J M p 当前梁在钢板弹簧座附近的危险断面为圆管断面时（无缝钢管 组焊式前梁），则在该断面处的合成弯矩及合成弯曲应力与驱动桥壳的计算相同。 前梁应力的许用值 3 0 0 ; 1 5 0w M p a M p a。 精品资料，值得下载学习！ 3） 侧滑工况下前梁的应力计算 汽车转向行驶时，车轮还要承受由此产生的侧向力，当发生侧滑时，侧向力达到最大值 ， 最大侧向力发生在外前轮上，其值按下式计算： 当汽车承受最大侧向力时无纵向力作用 且当汽车向右转弯时 ，左右前轮承受的地面垂直反力 111轮的地面反力为 ： 1111111111111111112(1 )22(1 )22(1 )22(1 )2(3式中： 1G 汽车停在水平路面上的前轴轴荷， N； 汽车质心高度， 1B 汽车前轮距， 1 侧滑附着系数，取 1 =1； 将数值代入式（ 3得： 1111111111111111112 2 0 1 2 7 2 1 0 6 0 1(1 ) (1 ) 2 3 5 3 22 2 1 5 8 42 2 0 1 2 7 2 1 0 6 0 1(1 ) (1 ) 3 4 0 52 2 1 5 8 42 2 0 1 2 7 2 1 0 6 0 1(1 ) (1 ) 1 2 3 5 3 22 2 1 5 8 42 2 0 1 2 7 2 1 0 6 0 1(1 ) (1 ) 1 3 4 0 52 2 1 5 8 4 侧滑时左右钢板弹簧对前梁的垂直作用力为： 1 1 1 10 . 5 ( ) /L g G h r s (31 1 1 10 . 5 ( ) /R g G h r s （ 3 式中： 1G N； r 板簧座上表面离地面高度， s 两板簧座中心距离， 将数值代入式（ 3（ 3中 得： 精品资料，值得下载学习！ 1 1 1 11 1 1 10 . 5 ( ) / 0 . 5 2 0 1 2 7 2 0 1 2 7 1 (1 0 6 0 3 0 0 ) / 7 8 0 1 2 0 6 9 . 50 . 5 ( ) / 0 . 5 2 0 1 2 7 2 0 1 2 7 1 (1 0 6 0 3 0 0 ) / 7 8 0 8 1 4 7L g rR g G h r s N m G h r s N m m 汽车侧滑时，左右前轮轮毂内外轴承的径向支持力分别为： 1 1 12 1 11 1 12 1 1 Za b a Za b a Za b a Za b a b(3将数值代入式（ 3 得： 1 1 12 1 11 1 12 1 14 8 0 6 02 3 5 3 2 2 3 5 3 2 7 8 4 4 01 2 0 6 0 1 2 0 6 04 8 0 6 02 3 5 3 2 2 3 5 3 2 4 7 0 6 41 2 0 6 0 1 2 0 6 04 8 0 6 03 4 0 5 3 4 0 5 6 8 1 01 2 0 6 0 1 2 0 6 04801 2 0 6 Z Na b a Z Na b a Z Na b a Za b a b 603 4 0 5 3 4 0 5 1 1 3 5 00 1 2 0 6 0N 将 1R 13，即可得左右前轮轮毂内轴承对轮毂的径向支撑力 12L 样也就求出轮毂轴承对轮轴的径向支撑反力。根据这些力及前梁在板簧座处的垂直力 1R,可绘出前梁与轮轴在汽车侧滑时的垂直受力弯矩图，前梁的最大弯矩出现在侧滑方向一侧拳部的主销孔处；而另一侧在板簧座处， 可由下列直接求出 1 1 1z h u x ia o L L l Y r （ 3 1 2 1b a n R R l Y r （ 3 将数值代入式（ 3 3 得： 1 1 11 2 12 3 5 3 2 8 4 . 5 2 3 5 3 2 4 8 0 9 3 0 6 9 0 63 4 0 5 4 0 2 3 4 0 5 4 8 0 3 0 0 3 2 1 0z h u x i a o L L rb a n R R l Y r N m l Y r N m m 销强度计算 在汽车转向行驶并且发生侧滑时，外前轮主销所承受的载荷及主销衬套的压力为精品资料，值得下载学习！ 最大，这种工况是主 销强度校核的主要工况。 汽车转向行驶时，外前轮主销受力最大，侧滑时车轮要承受垂直载荷 设这些载荷对转向主销上下衬套所产生的力分别为 2,这两个力分别作用在两个衬套中点处， 2分别为： 10() （ 3 20() （ 3 主销衬套受到的挤压力为： 111 (3222 （ 3 式中： 1j 主销上衬套挤压力， 2j 主销下衬套挤压力， 1l 主销上衬套长度， 2l 主销下衬套长度， d 主销轴径， 将数值代入式（ 3(3 3（ 3得： 10207 7 . 5 4 1 4 4( ) ( ) 2 4 2 3 3 6 5 1 4 52 1 3 5 . 29 6 . 2 1 1 4 4( ) ( ) 2 4 2 3 3 6 1 7 9 92 1 3 5 . 2 N 11122265145 5 0 . 8 93 2 4 061799 4 8 . 2 83 2 4 0 p p 主销下端所受的弯曲应力 w 为： 2231232 （ 3 将数值代入 式（ 3中得： 精品资料，值得下载学习！ 223311 6 4 02 6 1 7 9 9 1 3 6323 2 3 2p 主销下端所受的剪切应力 为： 234（ 3 将数值代入式 （ 3中得： 23361799 9 4 . 9 13244S M p 衬套许用挤压应力 j=50主销许用弯曲应力 w =500 用剪切应力 =100 计算 转向节是从动桥最重要的零件，其最大应力往往发生在侧滑工况下，最大应力部位在转向节轴径根部。 1） 制动工况下的强度计算 制动力矩不经转向节 的轮轴传递而直接由制动底盘传给在转向节上的安装平面，这时之前的式子 计算其 h,但需要 径剖面处的弯曲应力 w 为 22 2 2 33 1 1 1/ ( 0 . 1 )M l Z P （ 3 式中： 1d 转向节根部直径， 将数值代入式（ 3中得： 22 2 2 33 1 1 1/ ( 0 . 1 ) 2 6 4M l Z P d M p 上述的许用弯曲应力 w =550满足要求。 转向节采用 30碳合金钢制成，心部硬度达到 频淬火后表面硬度达到 化层深 轴根部的圆角滚压而成。 2） 侧滑工况下的强度计算 在汽车发生侧滑时， 左右转向节在危 险断面处的弯矩不等，可按下列式计算： 1 3 1L L l Y r (3 精品资料，值得下载学习！ 1 3 1R R l Y r （ 3 将数值代入式 (3（ 3中 得： 1 3 11 3 12 3 5 3 2 5 0 2 3 5 3 2 4 8 0 1 0 1 1 8 7 6 03 4 0 5 5 0 1 8 0 4 6 5 0 3 4 0 5 4 8 0 1 4 6 4 5 0L I I I I I I L L I I I I I R R l Y r N m l Y r N m m 左右转向节在危险断面处的弯曲应力为 1 3 130 . 1L I I I I I I L L Z l Y (31 3 130 . 1R I I I I I I R R Z l Y （ 3 将数值代入式 (3（ 3得 ： 1 3 1331 31970 . 1 0 . 1 8 01804650 3 5 . 2 40 . 1 0 . 1 8 0L I I I I I I L L I I I I I R R l Y r M p l Y r M p 故满足强度设计要求。 精品资料，值得下载学习！ 第 4 章 体建模 以某型汽车的前桥结构为例，给出了在 建立汽车前桥强度结构模型的过程。首先通过对前桥的结构分析，采用自下而上的建摸方法。结合 令模式建立了前桥的强度结构的 “ 模型。 有限元分析软件 泛应用于各领域。其前处理模块可方便地实现实体建模、参数化建模，支持各种可控制的有限元离散化，并可自动进行单元形态、求解精度检查；其分析计算模块可进行线性、非线性、断裂力学、寿命疲劳分析及多物理场耦合分析等等 。因此， 面就以某型汽车前桥结构为例，介绍在 构分析 前桥作为汽车的重要承载部件，通过悬架与车架 (或承载式车身 )相连，用以在车架 (或承载式车身 )与车轮之问传递铅垂力、纵向力和横向力。同时从动桥还要承受和传递制动力矩。本文分析的是 整体 式车桥结构，是由 前梁 、 主销 、 转向节 、 转向节推力轴承等部分组成 。 立文件 及创建实体模型准备 选择菜单栏中的 ，然后单击左键，选中 统将弹出（修改 分析文件名）对