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东风 EQ1090E 货车 转向 总成 设计 CAD

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东风EQ1090E型货车转向桥总成的设计含7张CAD图.zip,东风,EQ1090E,货车,转向,总成,设计,CAD

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目 录II摘 要IIIAbstractIV绪 论11 转向桥21.1 转向桥的定义21.2 转向桥的安装形式22 转向桥的结构32.1 组成转向桥的组成32.2 转向桥结构及其影响因素53 转向桥主要零件尺寸84 非断开式转向从动桥前梁应力计算104.1 前梁在制动工况下的应力计算104.2 前梁在侧滑工况下的应力计算115 转向节的应力计算135.1 转向节在制动工况下应力计算135.2 转向节在侧滑工况下应力计算146 主销与转向节衬套的应力计算156.1 主销与转向节衬套在制动工况下的应力计算156.2 主销与转向节衬套在侧滑工况下的应力计算167 推力轴承和止推垫片的计算187.1 推力轴承的计算187.2 转向节止推垫片的计算188 转向桥定位参数208.1 主销后倾角208.2 主销内倾角218.3 前轮外倾角228.4 前轮前束22结 论23参考文献24致 谢25东风 EQ1090E 型货车转向桥总成的设计摘 要在汽车产业的发展上，对转向桥的研究一直都是重点。此次设计是对东风 EQ1090E型货车转向桥总成的设计，其中包含对转向桥进行合理计算，并进行结构设计。在设计之前，首先要查阅相关资料，了解转向桥的结构，熟悉设计转向桥的方法。在此之后，进行转向桥的设计。此次设计的过程会介绍转向桥的定义、结构、工作原理以及可能会影响转向桥的因素等。在设计时还会对转向桥各主要零件的尺寸和结构进行确定， 并会对其在各种工况下的应力进行应力计算，这些零件主要是前梁、转向节、主销、主销上下轴承（即转向节衬套）、转向节推力轴承和止推垫片等。除此之外，还要确定转向桥的定位参数。在设计之后，除了要使转向桥的结构能够比较紧凑，使它的重量更轻，还要使汽车在转向时较为轻松，在制造转向桥时比较容易。这次设计对东风 EQ1090 型货车转向桥总成的计算以及其结构布局，对其他货车转向桥的设计提供设计方法和思路。关键词：汽车转向桥；转向桥前梁；转向节；应力计算；定位参数IVDesign of steering Bridge Assembly for Dongfeng EQ1090E Freight carAbstractIn the development of automobile industry, the study of steering axle has always been the focus. This design is the design of Dongfeng EQ1090E truck steering bridge assembly, which includes reasonable calculation of steering bridge and structural design.Before designing, we should first consult relevant information, understand the structure of steering bridge, and be familiar with the design method of steering bridge. After that, the steering bridge is designed. The design process will introduce the definition, structure, working principle and factors that may affect the steering bridge. The size and structure of the main parts of the steering bridge are also determined, and the stress of the steering bridge under various working conditions is calculated. These parts are mainly front girders, steering joints, and pins. Main pin upper and lower bearings (i.e. steering knuckle bushing), steering knuckle thrust bearings and thrust gaskets, etc. In addition, determine the steering bridge location parameters.After the design, other than to make the steering bridge structure than Compactness makes it lighter, easier to steer and easier to build.The design of Dongfeng EQ1090 truck steering bridge assembly and its structural layout, to other truck steering bridge design methods and ideas.Key words: automobile steering bridge; front beam of steering bridge; steering joint; stress calculation; positioning parameter绪 论自十九世纪末到如今，汽车行业发展极为迅速。虽然汽车工业在发展中也曾遇到过一些挫折，但总的来说，这些挫折也都是其发展机遇。在解决汽车发展中遇到的问题的同时， 一些汽车公司也发展了起来，比如通用、福特、上汽、本田等，这些公司在各个国家的经济中都占着非常重要的位置。在中国国内，由于在国家推行一系列有利的产业政策，并且国家还推行了一些与这些产业政策相匹配的有利的经济政策，所以在我国的汽车数量、质量、技术和能力等方面虽然与国外还有一些的差距，但相比以前，已经有了非常大的进步。因为每辆汽车都需要转向，所以在汽车中，汽车转向桥是非常重要一个部分，甚至转向桥的发展都能够反映出汽车工业的发展。因此转向桥的发展水平有时也可以说是衡量汽车这一产业的总体发展水平的一项重要标志。目前我国国内对于汽车转向桥的研究的状况是：中、轻型货车的转向桥设计在市场上已经是非常成熟的技术，并且在生产时也拥有了非常系列化、标准化的零部件产品，因此在短时间之内不会再比较较大的技术革新；重型货车因为需要装载的物品重量很大，所以要求其转向性能更好，行驶很稳定。国内的许多厂家和研究机构将研究重点放在双前桥转向系统的开发，并且已经有一批成熟的双前桥重型汽车产品问世。目前国内大多数厂家在进行汽车前桥设计时，都是参考几款最成熟的产品，在综合分析各产品的优劣势的基础上，根据自身的设计需要开发类似产品。261 转向桥1.1 转向桥的定义顾名思义，转向桥就是指可以让汽车实现转向的车桥。在汽车转向时，通常情况下会利用转向桥中的转向节，然后使转向桥两侧的汽车车轮发生一些角度的偏转。1.2 转向桥的安装形式一般情况下，汽车的前桥通常会作为汽车的转向桥。但是也有一些特殊情况，比如一些轿车就是用了全四轮转向，这样做可以提高驾驶员操纵时汽车的稳定性并且会使汽车有更好地机动性。还有一种多轴汽车，为了满足汽车对机动性能的需求，除了它的前桥会作为转向轮，有时该种汽车甚至会用两根车桥以上，更有甚者所有车桥都会作为转向桥。就汽车的布置形式来说，一般情况下载货汽车通常是前部放置发动机并使用后桥来驱动，所以这种汽车的前桥被用作转向，被称为转向从动桥。大多数情况下轿车会在前部放置发动机并使用前桥来驱动，越野汽车的所有车桥都会被用来驱动，因为这两种汽车的前桥既被用作转向又被用作驱动，所以这样的前桥通常被称为转向驱动桥。因为与从动桥相互匹配的悬架在结构上可能是不同的，所以从动桥大体上可分为两种，分别是非断开式从动桥与断开式从动桥。与前者相互匹配的悬架结构是非独立式的， 这是从动桥会放在汽车左、右两侧从动车轮处的刚性整体横梁的位置的上方。当从动桥作为转向桥使用的时候，从动桥的两端会通过转向主销这一结构与转向节相连接。而断开式从动桥在结构上与之匹配的悬架是独立式的。2 转向桥的结构本设计为东风 EQ1090E 型货车转向桥总成的设计，为非断开式转向从动桥（图 2-1）。图 2-1 非断开式转向从动桥1-转向节推力轴承；2-转向节；3-调整垫片；4-主销；5-前梁2.1 组成转向桥的组成非断开式转向从动桥是由许多部件组成的，其中包括前梁、转向节、转向节推力轴承、转向横拉杆、注销上下轴承、转向主销、轮毂轴承、转向梯形臂等。1）前梁本次设计要设计的转向桥是非断开式转向从动桥，如图 2-1 所示。前梁在制造时使用的材料是中碳钢或者是中碳合金钢，制造方法是模锻法，在前梁的两端，每端都有被用作安装主销的前梁拳部，其形状是加粗的并且外形像拳形。有时为了增强前梁的抗弯强度， 前梁的中间很长的一段的断面会采用工字形断面，并且这一段和前梁两侧部位相比，此处会比前梁两侧低一定的高度，这种方法会使发动机的高度降低，还会使得传动轴的万向节部位的夹角减小以及传动系的安装位置降低。为了增强前梁的抗扭强度，前梁的两端与前梁的拳部相互连接的部分的断面为方形，前梁的中间一部分和前梁拳之间的过渡部分向下弯曲，此处的断面形状是工字形和方形过渡的形状。在前梁的中间部分的两侧的加宽支承面还要被锻造出来，其作用是支承钢板弹簧支座。2）转向节转向节是整体式结构，通常会使用中碳合金钢作为材料，采用模锻的方法来制造。但是也有采用组焊式结构的，使用这种结构的通常是转向节过大的某些大型汽车。3）主销主销的结构有很多种，如图 2-2 所示，在这几种结构中最常用的有两种，分别是（a） 和（b）中的结构。图 2-2 主销的结构型式（a）圆柱实心型；（b）圆柱空心型；（c）上、下端为直径不等的圆柱，中间为椎体的主销；（d）下部圆柱比上部细的主销4）转向节臂、转向梯形臂这两种部件在制造时使用的材料是中碳钢或者中碳合金钢(比如 40、35Cr、40CrNi 钢等材料)，制造的方法是模锻法。在多数情况下，它们的截面是椭圆形的，该截面的尺寸是随着它们的长度变化而变化的，这样可以就做到使用尽可能少的材料，尽可能多的增强它们的强度和刚度。5）转向横拉杆转向横拉杆在制造时应该用无缝钢管，这种钢管使用的材料是 20 钢，30 钢或 35 钢等， 并且有着质量小，刚性好等优点。转向横拉杆的两端是球形铰接，他们都是单独的组件， 在把它们组装好之后，要把横拉杆的两侧端部旋到该组件客体的螺纹上，这样做会使得横拉杆的长度可以通过旋转螺纹来调节，方便对前束进行调节。使用低碳合金钢（如12CrNi3A，20CrNi，20CrMnTi）作为材料制作的球形铰接的球销与衬垫,它们的工作表面要经淬火处理，淬火方式采用渗碳淬火，其中渗碳层的深度大约是 1.53.0mm，此时的表面硬度大约为 5663HRC。球销在制造时可以使用 40 或 45 中碳钢作为材料，在淬火时可以采用的技术是高频淬火，球销的过渡圆角在制造时采用的工艺是滚压工艺，球形铰接的壳体在制造时使用的材料是 35 钢或 40 钢。为了提高球头的耐磨性与衬垫的工作表面的耐磨性，可以采用的方法有：采用特殊工艺提高耐磨性，比如离子金属喷镀工艺；在制作衬垫的时候选用的材料耐磨性要更好。在制造衬垫的时候，如果在其制造过程中加入一些东西（比如说尼龙二硫化钼），那么这种衬垫在使用时可以不用考虑润滑。6）转向节推力轴承转向节推力轴承的作用是承受汽车本身对汽车的前梁的作用力。在汽车行驶时，为了减小汽车转向时的摩擦力，使汽车转向时更加轻松，可以选用的轴承种类可以为滚动轴承。当然，我们也可以是用青铜制作的止推垫片。7）主销上、下轴承因为主销上、下轴承在使用时会受到很大的径向力，所以在这里使用的轴承通常为滑动轴承，有时也可能会选用滚针轴承作为主销上、下轴承。相比于滑动轴承，使用滚针轴承的优点有传动效率高，在汽车转向时汽车受到阻力减小，并且他还有着更长的使用寿命。8）轮毂轴承轮毂轴承通常会采用一对单列圆锥滚子轴承，相对于其它种类的轴承，这种类型的轴承会有较大的刚度，并且能够承受住很大的负荷。在轿车中因轮毂轴承所受到的负荷较小， 一般情况下，其前轮毂轴承也会用一对单列向心球轴承或用一个双列向心球轴承，这是因为球轴承一般都会有较高效率，能够使汽车滑行更长的距离。当然，轿车也会有用一个双列圆锥滚子轴承作为轮毂轴承的。9）左、右轮胎螺栓汽车左、右车轮的轮胎螺栓的螺纹旋转方向在多数情况下都是向右旋，但是为了不让螺纹在使用时出现松动，有些汽车的左侧轮胎螺栓的螺纹采用左旋、右侧轮胎螺栓的螺纹采用右旋。2.2 转向桥结构及其影响因素非断开式转向从动桥由几部分组成，其中主要有前梁、转向节、转向节推力轴承及转向主销等，如图 2-1 所示。为了让车轮能够转向，通常情况下会利用主销以及前梁饺节这两个结构，并且转向节的两端还会分别经一个轮毂轴承来把着汽车车轮的轮毂支承着。转向节臂通常会安装在转向桥左侧的转向节的上耳位置，并且此转向节臂会和转向直拉杆相互连接；同时还有转向梯形臂这一结构安装在转向节的下耳位置，这时的转向梯形臂会和转向横拉杆这一部件相连接。更有甚者，为了是结构更为简单，有时还会先把转向节臂和转向梯形臂连接成一个整体，然后再把他们安装在转向节的下耳位置。制动底板会始终紧紧地固定在转向节的突缘面的上面1。有时为了不让磨损变大，会在青铜衬套上制作出润滑油槽，并且把衬套压到转向节上面的销孔之内。有时为了使汽车在转向的时候更轻便， 可把安装滚子推力轴承，安装的位置在转向节的下耳部位和前梁拳部之间的位置，还可以安装调整垫片，这次安装的位置是在转向节的上耳部位与前梁的拳部之间，其作用是用调整它们之间的间隙。还有一种楔形锁销，它上面带有螺纹，它的作用是把主销给固定住， 固定的位置在前梁拳部的孔内。在驾驶汽车时，因为要使汽车能够在直线行驶的过程中保持着行驶稳定、在汽车进行转向的时候更轻松，并且让汽车在进行转向之后其前部车轮方向可以自动回到让汽车可以保持直线行驶时的方向，所以转向桥的主销在汽车的纵向平面内要有适当的倾角，并且主销在其横向平面内也要有适当的倾角。在纵向这一平面之内，转向桥主销上部会向后方有一定的倾斜，并且这个倾斜会形成一个 角，这个角可以称为主销后倾角。在横向这一平面之内，转向桥主销上部会向内有一定的倾斜，这个倾斜会形成一个角 ，这个角可以称为主销内倾角2。因为主销后倾的原因，主销的轴线所在直线和路面所在平面相交形成的一个交点会落在轮胎与地面相接触的部位的中心点的前方，这两个点之间有一定的距离，这个距离被称为后倾拖距。在直线行驶中的汽车，如果在不经意之间受到一个来自外部的力，那么此时汽车的转向轮就会发生一些偏转，汽车就不会再继续直线行驶而会进行转向。汽车转向时会形成一个离心力，为了避免侧滑，路面会给汽车车轮会一个侧向反力，这个力会使汽车车轮产生一个回正力矩，这个力矩是绕主销旋转的，因此汽车在直线行驶的时候具稳定性非常好。所以这个力矩又可以称为稳定力矩。为了使汽车转向时轻松一些，稳定力矩要小一些，如果不这样做，转向时驾驶员转动方向就会很困难，这是因为汽车在进行转向的时候为了平衡汽车转向时的稳定力矩，驾驶员需要在方向盘上有一个与之相匹配的力。主销后倾角通常情况下会选取 3以内的角。通常情况下现代轿车大多采用的轮胎是低压宽断面斜交轮胎，这种轮胎有着非常大的弹性回正力矩，因此在选择主销后倾角时，该后倾角大致上就可以再减小一些，减小到接近零也可以，选取时甚至可以取一个负值3。如果选取轮胎时选取子午线轮胎，因为这种轮胎的拖距很小，所以在选后倾角时要选大些的后倾角。主销内倾也有和后倾差不多的作用，就是让在进行直线行驶汽车在行进方向上保持稳定性并且在汽车转向时也很轻松。因为主销内倾的原因，主销的轴线所在直线和路面所在平面之间的交点和车轮中心平面之间有一定的距离，这个距离称为主销偏移距，并且会变小，这样在行驶中的汽车转向时驾驶员对方向盘用的力就会变小，汽车转向会显得轻松一些，与此同时转向轮会还会传递一定的冲击力到汽车的方向盘上，此冲击力也会变小。当有主销内倾的时候，与前轮转向同时发生的有围绕着主销的转动，还会伴使汽车车轮前轴以及汽车前部横梁发生移动，方向向上。当转向结束，驾驶员松开方向盘的时候，方向盘中在转向时储存的上升位能会释放出来，从而使汽车的转向轮自动回到直线行驶的位置， 让汽车能够再次进行直线上行驶。主销内倾角的角度一般上在 58之间，并且主销偏移距的范围一般上为 3040mm。轻型客、货车以及装载着动力转向装置的汽车在一般情况下会选择一个比较大的主销内倾角和一个比较大的主销后倾角，这样做可以增加这些汽车在转向的时候汽车转向轮的自动回正性能。在设置主销内倾角时不要让内倾角过于大，也就是说不要把汽车的主销偏移距设置的太小，否则汽车的车轮在汽车在转向过程中会一边滚动还会一般沿着路面发生滑动，因为发生滑动，所以汽车轮胎与路面之间的会产生一定的摩擦力，造成路面对汽车的摩擦阻力增大，汽车在进行转向的时候所需要的力也会增加很多。有时汽车的左、右前轮在制动的时候，其两侧的制动力大小不相等，这样汽车就会跑偏，甚至会发生车祸，所以最近几年，汽车市场上就出现了主销偏移距的值为负值的汽车。因为车轮外倾，所以在安装汽车的转向车轮的时候，汽车的车轮轮胎的中心平面和地面所在平面之间是不互相垂直的，此时汽车车轮向外倾斜，其中心平面向外倾斜的一定的角度，记作 ，这个角就是车轮外倾角。一般情况下 角的范围在 0.51.5之间，多数情况下会取 1左右。因为在汽车在装很多东西的时候，车轮外倾可以使汽车的车轮不会产生负外倾（即内倾），与此同时也可以使车轮和呈现拱形的路面相互适应。如果汽车的车轮外倾那么汽车的轮胎和地面接触的地方就会向内缩，从而导致主销偏移距会变小，那么汽车在转向的时候会很轻便并且还会使汽车在制动的时候行驶方向保持稳定。前束作为前轮定位的四项参数的最后一项，也有着很大的作用。在汽车行驶的过程中如果汽车的车轮发生外倾，那么汽车的车轮前端就可能会向外张开，这会造成很大的不利影响，而前束可以消除这个影响。所以如果想要给汽车安装车轮，就不能要让汽车的两个前轮的中心平面互相平行，并且还要求汽车的左右前轮的前面轮缘间距离 A 与汽车左右前轮的后面轮缘间距离 B 相比更小。按照这种标准安装车轮后，在汽车行驶时车轮每时每刻都会向着正前方滚动的。前束（即 B-A)的取值范围一般在 35mm 之间，其大小是可以调节的，具体方法是改变转向横拉杆的长度。如果想要对汽车前束的名义值进行设定，就应该考虑转向桥的转向梯形这一结构中的存在的间隙以及弹性。在汽车在行驶的时候，汽车转向轮可能会绕着转向桥主销不停地摆动，这一现象通常被称为摆振，可能会导致汽车不可以正常行驶。所以为了避免发生摆振，在一辆汽车的设计、制造、装配调整和使用过程中都必须要注意。转向车轮有两种摆振的类型，分别是自激振动与受迫振动。转向车轮发生自激振动是因为汽车轮胎发生侧向变形的时候会有一种迟滞特性，受这一特性影响，汽车车轮在一个振动周期之中会受到路面对轮胎的力，这个力会对汽车系统作正功，即汽车外部会传入能量给汽车内部。如果外部传入汽车内部的能量多于汽车系统内部所消耗的能量，汽车内部的系统就会持续作增幅振动，等到传入汽车系统的能量与其消耗的能量达到一种动平衡的状态时才会停止。此时车轮就会在一个不变的振幅下持续不断保持振动，这样就形成摆振。这种情况下的振动频率在大体上会和该系统原本就有的频率相接近而且此时和车轮此时的转速相比并不一致，此现象可能会发生在一定的车速范围之内，此范围比较大。在一般情况下，汽车在较低的车速下行驶时发生的摆振通常是属于自激振动型。这种情况下转向轮发生摆振的频率和汽车车轮的转速相比是一致的，这时的共振车速很明显，共振车速的范围可能比较小（35km/h)。3 转向桥主要零件尺寸转向桥的前梁的断面形状一般是用工字形，这种形状的前梁会让前梁具有质量最小的特点，而且此时这种前梁在垂向平面内还有很大的刚度还有很高的强度。该前梁的工字形断面上的各个尺寸的值见图 3-1，在图中用虚线绘制出的断面是前梁的当量断面。图 3-1 前梁工字型断面尺寸关系的推荐值该前梁断面在垂直方向上的弯曲截面系数 Wv 和在水平方向上弯曲截面系数 Wh 用下面的公式可以近似的求出:vW =20a3hW =5.5a3该式中：a-前梁的工字形断面的中间一部分的尺寸，见图 3-1（3-1）（3-2）在这次设计之中有时为了可以提前选出转向桥的前梁在转向桥板簧座位置处的弯曲截面系数 Wv，计算时可以用经验公式：Wv =ml / 2200该式中：m-汽车质量分配在转向桥前梁上的质量，kg；l-前桥车轮的中线到板簧座的中线之间的距离，cm；2200-上式中计算所需的系数，kgcm-2。(3-3)从转向桥设计的任务书给出的初始参数中可得知该货车的前轮轮距 B=1810mm ；取该货车前桥的簧上质量m=2360kg ，并且初步选择的前桥的两板簧座的中心之间的距离s=880mm ，所以可以求出：l=(1810-880)/2 =465mm把数据代入公式（3-3)之中，可以求得：vW =2360 46.5/2200 =48.88cm3=49880mm3再把数据代入公式（3-1）之中，可以求出:vW =20a3 =49880mm3根据上面两个公式可以求出： a=13.56mm ，所以a=l5mm ,故vW =20a3 =67500mm3hW =5.5a3 =18562.5mm3转向桥前梁的拳部在高度上和转向桥前梁的工字形断面的高度基本上差不多，在选择主销的直径时，其值的选取范围为转向桥前梁的拳部高度的 0.350.45 倍。主销的上、下两处的滚动轴承的长度在选取时的范围是主销直径的 1.251.50 倍。这次设计是东风 EQ1090E 型货车转向桥总成的设计，其中的一部分参数是： 汽车的前轴轴荷：2360kg；整辆汽车质心高度：845mm； 前轮的滚动半径：229mm。这次设计的计算主要有前梁的应力、转向节的应力、主销与转向节衬套的应力、转向节推力轴承和止推垫片的应力，这些部件的计算都分为制动和侧滑两种工况。在绘制下列计算时需要使用简图的时候可以大体上认为车轮的各个定位角大小为零，所绘制的图如图（3-2）:图 3-2 转向桥在制动和侧滑工况下得受力分析简图（a）在制动工况下的转向桥的弯矩图和转矩图；（b）在侧滑工况下转向桥的弯矩图4 非断开式转向从动桥前梁应力计算4.1 前梁在制动工况下的应力计算在汽车进行制动时候，前轮会受到一个制动力 Pr 和一个垂向力 Z1，并且会把这两个力传到前梁上，这样就会使前梁受到转矩和弯矩的作用。又因为汽车在制动的时候汽车的总体质量可能会向前方移动使前轮受到更大的载荷，所以地面对汽车前轮的力即垂向反力也会变大，可用下面的公式计算：Z1=G1m1/2=23600 1.5/2 =17700N(4-1)该式中：G1-在汽车处于满载的状况下停放在水平路面上时汽车前桥对地面的载荷；m1-在汽车处于制动工况下其对前桥的质量转移系数，该系数范围为 1.41.7。汽车前轮在制动时收到的制动力用下面的公式可求出：Pr =Z1=17700 1.0 =17700N(4-2）该式中：-汽车的车轮轮胎和路面之间的附着系数。作用在前梁的其中一个力 Z1 会在前梁上引起一个垂向弯矩 Mv，并且另一个力 Pr 会在前梁上引起一个水平弯矩 Mh，这两个弯矩在前梁上的两个钢板弹簧座之间的某个位置会达最大值，这两个弯矩可分别计算出来：M v = (Z1-gw ) l2 =(Z1-gw )B-S = (17700-980)21810-8802=7774800Nmm(4-3)M =Pl =Z B-S =17700 1810-880 =8230500Nmm(4-4)hr 21 22该式中：l2-前轮的轮胎中线至与其接近的板簧座中线之间的距离，mm；gw-汽车车轮（其中包括轮毂、制动器等结构）的重力，N； B-汽车的前轮轮距，mm；S-前桥上两个板簧座的中线之间的距离，mm。因为在制动时，存在着制动力 Pr，所以在前梁上主销孔和钢板与何其相近的弹簧座之间的位置会有一个转矩 T，计算为:T =Prrr =17700 229 =4053300Nmm(4-5)该式中：rr-汽车在行驶时轮胎的滚动半径。从图 3-2 中的 a 部分可以看出，前梁的危险断面在前梁上的钢板弹簧座附近。这个位置的弯曲应力 w 以及扭转应力 分别可以用下面的公式求出： = Mv + Mh = 7774800 + 8230500 =558.58MPa(4-6) w Wv Wh6750018562.5 = T =WTTJk / max= 4053300 =385.34MPa(4-7)10518.75该式中：WT-转向桥前梁在其危险断面的位置处的扭转截面系数，mm；max-转向桥前梁的横断面中的最厚的地方的厚度，mm；kJk-转向桥前梁横截面位置处的极惯性矩，对于横断面为工字形的断面。Jk 的计算公式为： J =0.4 h3mm4h-前梁的工字形断面，其矩形元素的比较长的一条边的长度，mm； -前梁的工字形断面，其矩形元素的比较短的一条边的长度，mm。在前梁上各个应力的许用值为分别为w =558.58MPa ；=385.34MPa 。前梁在制造时使用中碳钢或者中碳合金钢作为材料都可以，比如 45，30Cr,40Cr 等， 前梁的硬度应该在 241285HB 这个范围。4.2 前梁在侧滑工况下的应力计算如果汽车在行驶时只受到侧向力的作用，那么汽车左、右连个前轮受到地面对车轮的垂向反力 Z1L、Z1R 就不会相等，不仅如此，其侧向反力 Y1L、Y1R 也不会相等，所以可以用下面的公式计算出前轮受到的来自地面的反力，计算过程如下：G1Z1L= （1+ 22hg1 )=B123600 （1+ 2 845 1.021810）=22817.68N(4-8)G1Z1R= （1-22hg1 )=B123600 （1- 2 845 1.021810）=782.32N(4-9)Y = G1（1+ 2hg1 ) = 23600 （1+ 2 845 1.0 ） 1.0 =22817.68N(4-10)1L2B11218101Y = G1（1- 2hg1 ) = 23600 （1- 2 845 1.0 ） 1.0 =782.32N(4-11)B1R2121810该式中：G1-当汽车静止在水平路面上的时候，汽车前桥所受到的负荷，N；B1-汽车前桥的两轮之间的轮距，mm； hg-整辆汽车的质心高度，mm；1-汽车轮胎和路面之间在侧方向的附着系数。一般情况下1 = 1.0 。行驶中的汽车如果发生侧滑，前桥上的左、右两侧的钢板弹簧在垂直方向上对前梁各有一个作用力，通过计算可得出：T1L =0.5G1+G11(hg -rr)/S=0.5 23600+23600 1.0 (845-200)/880=29097.7NT1L =0.5G1-G11(hg -rr)/S=0.5 23600-23600 1.0 (845-200)/880=29097.7N该式中：G1-在满载的情况下汽车给前桥的在垂直方向的载荷，N；(4-12)(4-13)rr-转向桥上的板簧座位于上方表面和地面之间的距离，mm； S-转向桥的两个板簧座的中心面之间的距离，mm在发生侧滑的情况下，汽车的左、右前轮的轮毂的内侧轴承和外侧轴承都有一个径向力，用下面的公式可以计算：S =rrY 1L-bZ1L = 229 22817.68-20 22817.68 =110904.54N(4-14)1L a+ba+b23+2023+20S =rrY 1L+aZ1L = 229 22817.68+20 22817.68 =132130.29N(4-15)2L a+ba+b23+2023+20S =rrY 1R+bZ1R = 229 782.32+20 782.32 =3802.44N(4-16)1R a+ba+b23+2023+20S=rrY 1R-aZ1R = 229 782.32-20 782.32 =4530.18N(4-17)2R a+ba+b23+2023+20该式中：rr-在行驶时，汽车轮胎滚动的滚动半径，mm；a-S1L、S1R 和与之距离比较近的车轮的中线之间的长度，mm；b-S2L、S2R 和与之距离比较近的车轮的中线之间的长度，mm。由前面求出的 S1L、S1R、S2L、S2R，可以得到与这些力相平衡支承反力。根据前面的这些力和 T1L、T1R，可绘制出图 3-2 中的 b 处弯矩图。从这个弯矩图中可以看出，在前梁上有最大弯距，并且在其中的一侧发生在图上的剖面处；而另一侧则发生在图上的 剖面处，这两处的最大弯矩可以用下面的公式计算求出：M=Y r -Z l =22817.68 229-22817.68 99=5.23 106N mm(4-18)1L r1L 1M=Z l +Y r =782.32 465+782.32 229=5.43 105N mm(4-19)1R 21R r该式中：M-弯矩，Nmm；Z1L、Z1R-汽车左、右两个前轮受到的地面对车轮的垂直方向上的反力，N；Y1L、Y1R-汽车左、右两个前轮受到的地面对车轮的侧方向上的反力，N。5 转向节的应力计算从图 5-1 中可以看出，这个转向节的危险断面是在一个轴径尺寸为 d1 的轮轴根部，就是图上的剖面处：图 5-1 转向节、主销及转向衬套的计算用图5.1 转向节在制动工况下应力计算在汽车制动时，转向节在位于剖面处的转向节轴径只会受到受垂向弯矩 Mv 以及另一个水平弯矩 Mh，它不会受到转矩，因为此时制动力矩的传递过程不会经过转向节的轮轴，而是通过制动底板直接传递到转向节上的安装平面之上。所以可以通过以下两个公式算出 Mv 及 Mh。M =(Z -g )l =(17700-980) 48.5 =8.11105Nmm(5-1)v1w 3M =Z l = G m l =17700 1.0 48.5 =8.58105Nmm(5-2)h1 3 21 3 该式中：Z1-前轮所承受的地面垂向反力，N；-轮胎与路面的附着系数；l3-轮胎中心线至剖面间的距离。在这个剖面位置处的合成弯曲应力 w 通过计算得： =(5-3)1ww0.1d 30.1 353该式中：d1-转向节轮轴根部轴径，mm。因为 ww，所以满足强度要求。转向节在制造的时候可以使用 30Cr，40Cr 等中碳合金钢作为材料，它的心部硬度的范围为 241285HB，淬火方式为高频淬火，在淬火之后的它的表面硬度范围为 5765HRC，并且硬化层深在 1.52.0mm 之间。在轮轴的根部应该是圆角，此处用滚压处理。5.2 转向节在侧滑工况下应力计算1L r1L 3在汽车侧滑时，转向桥左、右两侧转向节的危险断面在处，这两个地方的弯矩是不等的，它们的值可以通过下面两个公式求出：M L M R =Y r -Z l =22817.68 229-722817.68 48.5 =4.12106Nmm(5-4)1R 31R r=Z l +Y r =782.32 48.5+782.32 229 =2.17105Nmm(5-5)转向桥左、右两侧的转向节在处的弯曲应力可求出：w1 =M L w= Z1Ll3 -Y1Lrr10.1d 3= 22817.68 229-22817.68 48.5 =906.6MPa(5-6)0.1 353w1= M R w= Z1Rl3 +Y1R rr10.1d 3= 782.32 229+782.32 48.5 =50.6MPa(5-7)0.1 353因为在左右两侧的转向节在处的 w1 均是w1 w，所以满足强度要求。6 主销与转向节衬套的应力计算在汽车制动和发生侧滑的时候，在转向节上、下衬套的中点，即与轮轴中心线相距分别为 c，d 的两点处，在侧向平面(图 5-1(b)和纵向平面（图 5-1(c)）内，对主销作用有垂直其轴线方向的力4。6.1 主销与转向节衬套在制动工况下的应力计算由地面对前轮的垂向支承反力 Z1 引起的力矩 Z1l1，会由位于通过主轴线的侧平面内并且在转向节上、下衬套中点处垂直地作用于主销的力 QMZ 所形成的力偶 QMZ(c+d)所平衡5， 所以有：Q= Z1l1 = 17700 99 =18065N(6-1) MZ (c+d )48.5+48.5制动力矩 Prrr 会由位于纵向平面内作用于主销的力 Qmr 所形成的力偶 Qmr(c+d)来平衡， 所以有：Qmr =Prrr /(c+d )=Z1rrr /(c+d )=17700 1.0 229/(48.5+48.5) =41786.6N(6-2)而作用于主销的制动力 Pr 则由在转向节上、下衬套中点出作用的主销的力 Qru、Qrl 所平衡，且有:Q =Prd = 17700 48.5 =8850N(6-3)ru (c+d )48.5+48.5Q =Prc = 17700 48.5 =8850N(6-4)rl (c+d )48.5+48.5由转向桥的俯视图可知，制动时转向横拉杆的作用力 N 为:N = Prl1 = 17700 99 =15237.4N(6-5)l5115此作用力 N 在侧向平面内并且和轮轴中心线的垂直距离为 l4，如果将 N 的着力点移到主销中心线和轮轴中心线交点位置处，就需对主销作用一个侧向力矩 Nl4。力矩 Nl4，由位于侧向平面内并作用于主销的力偶 QMZ(c+d)所平衡，故有:Q=Nl4= 15237.4 99 =15551.6N(6-6)MN (c+d )48.5+48.5而力 N 则在转向节上、下衬套中点处作用于主销的力 QNu，QNl 所平衡，且有:Q=Nd= 15237.4 48.5 =7613.7N(6-7)Nu (c+d )48.5+48.5Q =Nc= 15237.4 48.5 =7613.7N(6-8)Nl (c + d )48.5+48.5如图 5-1，在转向节上衬套处的中点作用在主销上的合力 Qu 和在下衬套处的中点作用在主销上的合力 Ql 分别为:Qu =41964N(6-9)Ql =120871N(6-10)由上两式得知，在汽车制动工况下，主销的最大载荷发生在转向节下衬套处中点上， 大小为Ql =120781N 。6.2 主销与转向节衬套在侧滑工况下的应力计算在侧滑工况下仅有在侧向平面内起作用的力以及力矩，并且作用于左、右转向节主销上的力 QMZ 是不相等的，他们可以分别按下式求得：QMZL= Z1Lrr -Y1Ll1c+d= 22817.68 229-22817.68 99 =30580.40N(6-11)48.5+48.5Q= Z1Rrr-Y 1Rl1 = 782.32 314-782.32 99 =1048.47N(6-12) MZRc+d48.5+48.5该式中：Z1L、Z1R-汽车左、右前轮所承受的地面对汽车垂向反作用力，N；Y1L、Y1R-左、右前轮承受地面的侧向反力，N； l1-轮胎中心线至主销轴线的距离，mm；rr-轮胎的滚动半径，mm。取 Q1、QMZL、QMZR 中最大的作为主销的计算载荷 Qj，则Qj = 120871N计算主销在前梁拳部下端处的弯曲力 w 和剪应切力 s：W =Qjh 00.1d 3= 120871 21 =1836MPa(6-13)0.1 243 = 4Qj = 4 120871 =267MPa(6-14) 0s d 2 3.14 242该式中：d0-主销直径，mm；h-转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离，mm。主销的许用应力弯曲力w =1836MPa ；许用剪切应力s=267MPa 。主销用 20Cr，20CrNi，20CrMnTi 等低碳合金钢来制造，经渗碳淬火，渗碳层深为 1.01.5mm，硬度为 5662HRC。 转向衬套的挤压应力 c 为：= Qj = 120871=37MPa(6-15)cld136 240该式中：l-衬套长，mm。转向节衬套的许用挤压应力为c=37MPa 。在静载荷下，上式的计算载荷 Qj 取：Qj=QMZ =18065N故：(6-16) = Qj = 18065=5.5MPa0c ld136 24此时取c=5.5MPa 。7 推力轴承和止推垫片的计算计算时首先要确定推力轴承和止推垫片的当量静载荷。7.1 推力轴承的计算对转向节推力轴承进行计。据文献推荐取汽车以等速va =40km/h 的速度、沿半径为R=50m 或以va =20km/h 的速度，沿半径为 R=12m 的圆周行驶的工况作为计算的工况。如果汽车向右转弯则其前外轮即前左轮的地面垂向反力 Z1L 增大。如式（4-8）所示，该公式亦可表达为：G12hg v2Z =1+()( a )(7-1)1L2B1 Rg将上述计算工况的 va、R 等的相关数据代入式（7-1）之中，并假设hg /B=0.5 ，则有：Z1L =1.25G1 /2=0.625G1可以近似地认为推力轴承的轴向载荷 F 等于上述对前轮作用的地面垂向反力，故有：Fa =0.6256G1=0.625 23600 =14750N(7-2)由于转向节推力轴承会在工作中的相对转角不大以及轴承滚道圈破坏会带来很大的危险性，轴承的选择应按其静承载容量 C0 进行，此时取当量静载荷 P0 为6：P0 = (0.50.33) C0此时取系数 0.4， P0 =Fa =14750N ，代入式(7-3)得：C0 =P0 /0.4=14750/0.4 =36875N(7-3)通过相关书籍查阅止推轴承的标准，可选用规格为 51209 的止推轴承，由于其静承载容量C=83.8kN ，满足强度要求。7.2 转向节止推垫片的计算如果用青铜止推垫片来代替转向节推力轴承，在汽车满载的情况下，止推垫片的静载荷可以取为7：F = G1 = 23600 =11800N(7-4) a 22这时止推垫片的挤压力为：c =4Fa(D2 -d 2 )=4 118003.149 (652 -482 )=7.8MPa(7-5)该式中：d，D-止推垫片的内、外径。通常取c 30MPa ，故满足强度要求。显然c =7.8MPac=30MPa ，该止推垫片符合其强度校核要求。8 转向桥定位参数转向桥除了能够让汽车转向，还能够让发生转向的转向轮自动回正的，用以保证汽车在直线行使时的稳定。即转向轮如果偶然间受到一个外力，在这个力的作用下发生偏移， 当外力消失的时候，转向轮的位置会立刻自动回到汽车在直线行使时所处的位置。转向轮的这种自动回正功能是通过其定位参数来保证的，所以转向轮、主销和前梁之间在安装应该有一定的相对位置。这些用来保证转向的定位参数有四项，它们分别是主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。8.1 主销后倾角在进行汽车转向桥设计的时候，其主销在汽车的纵向平面内，并且它的上部还会有一个向后的倾角 ，也就是在汽车的纵向平面内主销轴线和与地面相垂直的直线之间的夹角， 就像图 8-1 所标注的一样8：8-1 主销后倾角作用示意图主销后倾角 能够形成回正的稳定力矩9。当主销具有后倾角时，主销轴线和路面所在平面之间的交点 a 将会处在这个车轮和路面之间接触点 b 的前方，就如图 8-1 所表示的一样。一个正在直线行驶的汽车，在偶然间受到一个作用在其转向轮上的外力时，它就会在行使方向上向外力的方向偏转。这个时候，汽车本身会受到一个离心力，为了防止车辆侧滑，就要有一个路面对车轮作用的侧向反力 Fy 来平衡，作用点在车轮与路面之间的接触点 b 处。反力 Fy 会使车轮形成一个绕主销轴线作用的力矩 FyL，这个力矩的方向和车轮发生偏移的方向刚好相反10。因为该力矩的存在，在方向上发生偏移的车轮会回到其发生偏移前的位置，这样就保证了汽车在直线行驶的时候可以比较稳定，所以这个力矩可以被称为稳定力矩。但这个稳定力矩不应该过大。否则在真正需要转向的时候，为了克服这个使汽车稳定的稳定力矩，汽车驾驶员往往需要向转向盘上施加一个更大的力，这样就会造成转向困难11。因为稳定力矩的大小和力臂 L 的大小有关，而力臂 L 的大小又和后倾角 的大小有关。所以 角的范围一般是 23。现在高速汽车的轮胎由于气压相对降低，并且其弹性也相对增加，是得这样的汽车稳定性明显增大。因此，主销后倾角 可以减小，它的大小可以接近零，甚至为负值也可以12。本设计采用主销后倾角为 230。8.2 主销内倾角在进行汽车转向桥的设计时，主销位于汽车的横向平面内，在该平面内主销的轴线和地面垂直线之间会有一个夹角 ，这个角被称为主销内倾角，就如图 8-2 所表示的：8-2 主销内倾角作用示意图及车轮外倾角主销内倾角 也可以让汽车车轮自动回正。如图 8-2 所示，在外力的作用下，转向轮会从中间位置偏转一个角度，就像图中虚线位置表示的一样，汽车车轮的最低点可能会陷入到路面的下方。实际上汽车车轮是不可能陷入路面下面的，车轮可能会使转向车轮和汽车前部都升高一定的高度。因此，在汽车的自重作用下，转向轮会回到其原来所处的中间位置。除此之外，主销内倾角可能还会使主销轴线和路面之间的交点到与车轮中心平面和地面之间的交线之间的距离 c 减小（图 8-2），从而使驾驶员用在转向盘上用于使汽车转向的力减小，使得进行转向操作更轻松，同时也会使从汽车转向轮上作用到其转向盘上的冲击力减小。但是 c 的值也不应该太小，否则汽车在转向的时候，轮胎与路面之间会发生不小的滑动，因此还会使路面对轮胎的摩擦阻力增大。这时汽车在转向的时候很比较困难，并且其轮胎的磨损速度也会加快。因此，在选取内倾角 时，其值不应大于 8，在本设计中内倾角 采用的是 6。主销内倾角是在设计前梁的过程中保证的，通过机械加工来实现。因此，在加工时， 将前梁两端主销孔轴线上端向内倾，就会形成内倾角 13。8.3 前轮外倾角除上述主销后倾角和内倾角两个角度保证汽车稳定直线行使外，前轮外倾角 也具有这个作用。外倾角 指的是通过前轮中心的汽车横向平面和前轮平面的交线与地面垂线之间的夹角（如图 8-2）14。如果在空车的时候汽车车轮的中心平面和路面相垂直，那么在汽车满载的时候，汽车车桥因为承受很大的载荷可能会发生变形，从而使得车轮内倾，此时轮胎的偏磨损会增加。另外，因为路面对车轮的有一垂直反作用力，会增大轮毂外轴的负荷，会降低其使用寿命。因此，为了能够让汽车轮胎在磨损的时候比较均匀，并且使得轮毂外轴承的负荷能够减小，车轮在设计时首先就应该有一定外倾角，来使车轮内倾不会发生。但是，在选取外倾角时也不可以过大，否则轮胎还是会发生偏磨损。前轮外倾角是在转向节的设计过程中确定的。在设计的时候使转向节轴颈的轴线和水平面之间有一定角度，这个角度就是前轮外倾角 ，一般上 的取值在 1左右。8.4 前轮前束如果车轮有外倾角，车轮就会像滚锥一样滚动，两侧的车轮会向各自所处的一侧的外侧滚动。由于受到转向横拉杆和车桥的约束，车轮就不可能再向外侧滚开，所以车轮就会地面上一边滚动一边滑动，使得轮胎的磨损速度加快。为了使这种不良后果不能发生，