CL02-063@载重汽车前桥总成毕业设计-机械毕业设计论文
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CL02-063@载重汽车前桥总成毕业设计-机械毕业设计论文,机械毕业设计全套
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目 录 主要符号 . 2 1 绪论 . 3 1.1 轻型载重汽车转向桥的设计意义 . 3 1.2 前桥和转向系组成和设计步骤 . 3 2 概述 . 5 2.1 前桥简介 . 5 2.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响 . 5 3 从动桥的结构形式 . 8 3.1 总述 . 8 3.2 轻型载重汽车 的从动桥 . 9 4 转向系的结构形式 . 11 4.1 概述 . 11 4.2 转向器结构形式及选择 . 11 4.3 循环球式转向器结构及工作原理 . 12 5 转向桥的设计计算 . 14 5.1 从动桥主要零件工作应力的计算 . 14 5.2 在最大侧向力 (侧滑 )工况下的前梁应力计算 . 16 5.3 转向节在制动和侧滑工况下的应力 . 17 5.4 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 . 18 5.5 转向节推力轴承的计算 . 21 5.6 转向梯形的优化设计 . 21 5.7 转向传动机构强度计算 . 24 6 经济性分析 . 27 7 结 论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 nts 2 主要符号 1G 汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷， N 1m 汽车制动时对前桥的质量转移系数 轮胎与路面的附着系数 wg 车轮 (包括轮毅、制动器等 )所受的重力， N B 前轮轮距 S 前梁上两钢板弹簧座中心间的距离 1d 转向节的轮轴根部轴径 0d 主销直径 h 转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离 x 设计变量 max0 外转向轮最大转角， r 轮胎的滚动半径 W 前轴弯曲截面系数 1G 满载时车厢分配给前桥的垂向总载荷 nts 3 1 绪论 1.1 轻型载重汽车 转向桥的设计意义 汽车是现代交通工具中用得最 多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。汽车 转向 系是汽车上的一个重要系统 ,它是汽车 转向 运动的装置。 汽车的 转向性 能直接影响汽车的行驶安全性 。 随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大 ,人们对安全 性、 可靠性要求越来越高 ， 为保证人身和车辆的安全 ,必须为汽车配备十分可靠的 转向 系统 。本次毕业设计题目为 轻型载重汽车转向桥总成设计。 通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，确定 载重量为三顿的转向桥总成 设计方案，进行部件的设计计算和结构设计。使其达到以下要求： 具有足够的强度，以保证可靠地承受车轮与车架之间的作用力。 保证真确的车轮定位，使转向轮运动稳定，操作轻便并减轻轮胎的磨损。从动桥要有足够的刚度，以使车轮定位参数保持不变。 转向节与主销 、 转向节与前粱之间的摩擦力应尽可能的小，以保证转向操作的轻便性，并有足够的耐磨性。 转向轮的摆振应尽可能的小，以保证汽车的正常 、 稳定行驶。 从动桥的质量应尽可能的小，以减轻非悬挂质量，提高汽车行驶平顺性。 1.2 前桥和转向系组成和设计步骤 前桥通过悬架与车架 (或承载式车身 )相联，两侧安装着从动午轮，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。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。从动桥按与之匹配的悬架结构不同可分为非断开式与断开式两种。由于要求价廉，所以多采用非断开式前桥。非断开式的前桥主要有前梁，转向节和转向主销组成。 1.2.1 从动桥结构形式 1、非断开式转向从动桥 nts 4 2、合纵臂式后支持桥 一般多采用非断开式转向从动桥。 1.2.2 从动桥设计 1、转向从动桥主要零件尺寸的确定，前梁，工字型断面，可采用常规设计，也可采用计算机程序可靠性优化设计。 2、零件工作应力的计算 （ 1）在制动工况下的前梁应力计算 （ 2）在最大侧压力工况下的应力计算 （ 3）转向节在制动和侧滑工况下的应力计算 （ 4）主销和转向衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 （ 5）转向节推力轴承和止推垫片的计算 1.2.3 转向系设计 1、转向器方案分析 2、转向器主要性能参数设计 3、转向梯形的优化设计 nts 5 2 概述 2.1 前桥简介 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。 2.2 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nts 6 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。 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 3 以内。现代轿车采用低压宽断面斜交轮胎，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。 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 30 40mm。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。 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 5.15.0 ，一般为 1 左右。它可以避免汽车重载时车轮产生负外倾即内倾，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。 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nts 7 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 3 5mm，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 (3 5km/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。 nts 8 3 从动桥的结构形式 3.1 总述 各种车型的非断开式转向从动桥的结构型式基本相同，如图 1 1 所示。 图 16-1 汽车转向桥 1-制动鼓； 2-轮毂； 3、 4-轮毂轴承； 5-转向节； 6-油封； 7-衬套； 8-调整垫片； 9-转向节臂； 10-主销； 11-滚子推力轴承； 12-前轴 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。 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。 nts 9 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 3-1 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 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。 3.2 轻型载重 汽 车 的 从动桥 本设计为 轻型载重汽车 转向前桥，因此应该本着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。 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。主销采用结构简单的实心的圆柱形如上图 a 所示。 nts 10 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。 nts 11 4 转向系的结构形式 4.1 概述 汽车在行驶过程中，经常需要改变方向。就轮式汽车而言，改变行驶方向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车的转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。此时路面作用于转向轮上的向后的反力就有了垂直与车轮的分量并成为汽车作曲线运动的向心力。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而干扰行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这一套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套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。 对转向系的主要要求有： 1、操纵轻便。转向时加在方向盘上的力对轿车不超过 200N，对中型货车不超过360N,对中型货车不超过 450N,方向盘的回转圈数要少。 2、工作安全可靠。 3、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。 4、在前轮受到冲击时，转向系传递反向冲击到方向盘上要小。 5、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。 4.2 转向器结构形式及选择 1、类型 nts 12 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。 2、特点 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。 4.3 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nts 13 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。 nts 14 5 转向桥的设计计算 5.1 从动桥主要零件工作应力的计算 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 5-1-1 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 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P和垂直力 1Z 传给前梁，使前梁承受弯矩和转矩。考虑到制动时汽车质量向前，转向桥转移，则前轮所承受的地面垂直反力为： 111 2 mGZ (5-1) 式中： 1G 汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷， N； 1m 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nts 15 取 1.5；质量分配给前桥 35%； 1Z = 21 1G 1m =0.3588551.5=6641.25 前轮所承受的制动力 1ZPx 式中： 轮胎与路面的附着系数取为 0.6； xP=6641.25 0.6=3984.75 N 由于 1Z 和xP对前梁引起的垂向弯矩vM和水平方向的弯矩kM在两钢板弹簧座之间达最大值，分别为： 2)2()( 1121 SBgmGlgZM wwv Nmm (5-2) 22 11212 SBmGlZlPM xk Nmm (5-3) 式中：取 2l =285 mm wg 车轮 (包括轮毅、制动器等 )所受的重力， N；取wg=980N； B 前轮轮距取 B=1650 mm； S 前梁上两钢板弹簧座中心间的距离取为 550 mm 则 2 5501 3 20)98025.6 6 41( vM=2179581.25 Nmm 2 550132075.3984 kM=1534128.75 Nmm 制动力xP还使前梁在主销孔至钢 板弹簧座之间承受转矩 T： T=rx rPNmm 式中： r 轮胎的滚动半径取为 373.425 mm 则有 T=3984.75373.425=1488005.269 Nmm 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 （单位均为 MPa）分别为： 222 TMMM vv (5-4) WTMMWM kvw222 (5-5) nts 16 式中 : W 前轴弯曲截面系数， W= )(32 33 dD 。 前梁应力的许用值为 w=300 500 MPa,当取 D=68 mm ， d=58 mm 时，W= )5868(32 33 =11714.2 M=2643533.9 Nmm w=225.67 w=300MPa 故 D=68 mm ， d=58 mm 满足使用条件。 5.2 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 LZ1和 RZ1 与侧向反力 LY1 ， RY1 各不相等，前轮的地面反力 (单位都为 N)分别为： )21(21111 BhGZ gL )21(21111 BhGZ gR 1111 )21(2 BhGY gL 11 111 )21(2 BhGY gR 式中：gh 汽车质心高度取为 840 mm； 1 车轮与地面附着系数取为 0.3； 此时 LY1 ， RY1 向右作用。则有： NZL 6 1 18)1 3 20 3.084021(28 8 551 NZ R 2737)1320 3.084021(288551 NY L 4.18353.0)1320 3.084021(288551 NY R 1.8 2 13.0)1 3 2 0 3.08 4 021(28 8 5 51 侧滑时左、右钢板弹簧对前梁的垂直作用力为： SrhGGT rgL )(5.0 1111 SrhGGT rgR )(5.0 1111 式中 : 1G 满载时车厢分配给前桥的垂向总载荷 nts 17 1r 板簧座上表面离地高度 取 400mm 1G =1239 9.8=12142.2N； 则有 NT L 35.7869650)400840(3.0885512 14 2. 25.01 NT R 85.42 7 2650)400840(3.088 5 512 1 42 . 25.01 5.3 转向节在制动和侧滑工况下的应力 如图 5-3-1 所示，转向节的危险断面在轴径为 1d 的轮轴根部即 III-III 剖面处。 图 5-3-1 转向节，主销及转向节衬套的计算用图 一 、 在制动工况下 III III 剖面处的轴径仅受垂向弯矩vM和水平方向的弯矩hM而不受转矩，因制动力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，hM及 III III 剖面处的合成弯矩应力w（ MPa）为： 31 )( lgZM wv (5-6) 3lPM xh (5-7) nts 18 WMM hvw22 =312123 1.0)(dgZPl w (5-8)式中： 1d 转向节的轮轴根部轴径取为 50mm，3l=30 mm， w=550 MPa， 则 WMM hvw22 =32245*1.075.3984)98025.6641(30 =22.7Mpa550Mpa 转向节采用 30Cr， 40Cr 等中碳合金钢制造，心部硬度 HRC241 285，高频淬火后表面硬度 HRC57 65，硬化层深 1.5 2.0mm。轮轴根部的圆角液压处理。 二 、 在侧滑工况下 在侧滑时左、右转向节在危险断面 III III 处的弯矩是不等的，可分别按下式求得： 245.5 0 1 8 4 4425.3734.1835306118131 rLLL rYlZM 3.388 729425.3731.82130273 7131 rrRRR rYlZM 因此左右转向节都符合要求。 5.4 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 5-3-1(c)和纵向平面 (图 5-3-1(d)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 1Z 所引起的力矩 11lZ ，由位于通过主销轴线的侧向平面内并在转向节上下衬套中点处垂直地作用于主销的力mzQ所形成的力偶矩mzQ（ c+d）所平衡 (见图 5-3-1(b)，故有 84.53016257 9525.664111 dc lZQ mz N 式中 1l 取 95， c 取 57， d 取 62 mm； 制动力矩rxP由位于纵向平面内并作用于主销的力mQ所形成的力偶mQ（ c+d） 所平衡 (见图 5-3-1(c)。故有 Ndc rPQ rm 25.125046257 425.37375.3984 nts 19 而作用于主销的制动力xp，则由在转向节上下衬套中点处作用于主销的力tuQ，lQ平 衡 (见图 5-3-1(c)，且有： 09.207 66257 6275.398 4 dc dPQ xu N Ndc cPQ l 67.19086257 5775.3984 由转向桥的俯视图 (图 5-3-1(d)的下图 )可知，制动时转向横拉杆的作用力 N 为： N= NllP t 2.24741539575.398451 力 N 位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为 4l （取为 80 mm）如将 N的着力点移至主销中心线与轮铀中心线的交点处则需对主销作用一侧向力矩N4l (见图 4 2(b)。力矩 N4l 由位于侧向平面内并作用于主销的力偶矩所平MNQ（ c+d）衡，故有 Ndc NlQ MN 22.20336257 8041.30244 而力 N 则内存整向节上下衬套中点处作用于主销的力NQ，NlQ所平衡，且有：dcNdQN = N7.1575119 6241.3024 dcNlQNl = N7.1448119 5741.3024 由图 5-3-2(b)可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力Q和下衬套的中心作用于主销的合力 1Q 分别为： 22 )()( QQQQQQ MNMNMZ (5-9) = 22 )09.207612504()7.157522.203384.5301( =11912.88N 221 )()( lMNlMNMZ QQQQQQ (5-10) nts 20 =16878.59N 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 1Q =16878.59N 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mzQ是不相等的，它们可分别按下式求得： Ndc rYlZQ rLLM Z L 41.8756257 425.373.4.1835956118111 Ndc rYlZQ rRRM Z L 8.47616257 425.3731.821952737111 取 MZRMZL QQQ ,1 中最大的作为主销的计算载荷 59.1 6 8 7 81 QQ jN，计算主销在前梁拳部下端面应力w和剪切应力s： hdQ jw 301.0 MPa ； (5-11) 204dQjs MPa； (5-12) 式中：0d 主销直径取为 32 mm； h 转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离，见图 5 2(a),取 h=28mm； 5.3 0 228251.0 59.1 6 8 7 8 3 w w ; 4.34251415926.3 59.168784 2 s s ; 其中 w=500MPa； s=100MPa。 主销采用 20cr， 20CrNi， 20crMnTi 等低碳合金钢制造，渗碳淬火，渗碳层深1.0 1.5mm， HRC56 62。 转向节衬套的挤压应力c为： M P aMPldQ cjc 508.262530 59.168780 式中： l 衬套长为 30mm。 nts 21 在静载荷下，上式的计算载荷取 jQ 84.530 16257 9525.664 111 dc lZQ MZ N M PaldQ jc 07.72530 84.53010 MPac 15 。 5.5 转向节推力轴承的计算 对转向节推力轴承，取汽车以等速an 40km h，沿半径 R 50m 的圆周行驶的工况作为计算工况。如果汽车向右转弯，外轮即左前左轮的地面垂向反力 LZ1 增大。 )(2(12 2111gagL RVBhGZ ， 将上述计算工况的有关数据代入上式，并没1Bhg 0.5，则有：111 625.0225.1 GGZL ， 可近似地认为推力轴承的轴向载荷aF等于上述前外轮的地面垂向外力，即 : aF 4.5534625.0 1 GN。 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，轴承的选择按其静承载容量 KNCr 8.420 进行，且取当量静载荷KNCP r 12.174.0 00 aF ，故此推 力轴承满足要求。 5.6 转向梯形的优化设计 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。设计转向梯形的主要任务之一是确定转向梯型的最佳参数和进行强度计算。转向梯形有整体式和断开式两种。一般转向梯形机构布置在前轴之后，但当发动机位置很低或前轴驱动时，也有位于前轴之前的。 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应交于后轴延长线。设0，i分别 是外内转向车轮转角， k 为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离，则梯形机构应保证内外转向车轮的转角有如下关系： nts 22 ctgLKctg i 0，若自变角为0则因变角i的期望值为： )()( 010 LKc tgc tgfi ，现有转向梯形机构仅能满足上式要求。如下图所示，在图上作辅助虚线，利用余弦定理可推得转向梯形所绘出的实际因变角 i为： )c os (212c os)c os (c os2a r c c os)c os (21)()s i n (a r c s i n020020)( mKmKmKmKMKi其中 m 梯形臂长 梯形底角 图 5-6-1 汽车瞬时转向图 应使设计的转向梯形所绘出的实际因变角 i尽可能接近理论上的期望值i。其偏差最常使用的中间位置附近小转角范围应尽可能小，以减小高速行驶时轮胎的磨损。而在不经常使用且车速较慢的最大转角时可适当放宽要求，因此在加入加权因子 )(00 构成评价优略的目标函数 f(x)为 : f（ x） = m a x1 1 0000 100)()()()( iiiiiii 将上式代得： f(x)= nts 23 m a x1100200)c ot ( c ot)c os (21)()s in (a r c s in)(LKar cmKMKiiii1001)c ot ( c ot)c os (212c os)c os (c os2a r c c os02)(LKar cmKmKmKiii 其中 x 设计变量 x= 21XX=mmax0 外转向轮最大转角，又上图可得：max0=aDL2arcsinmax其中 minR 汽车最小转弯半径为 6.5m， a 主销偏移距为 55mm， K=1650mm L=3600mm max0= 2.28 考虑到此时使用工况下转角小于 20 ，且 100 以内的小转角使用的更加频繁，因此取： 当 10005.1)(0 2010 0 1)( 0 max0020 5.0)(0 建立约束条件时应考虑到：设计变量 m 及 过小时，会使横拉杆上的转向力过大；当 m 过大时，将使梯形布置困难，故对 m 的上、下限及对 的下限应设置约束条件。因 越大，梯形越接近矩形 f(x)值就越大，而优化过程是求 f(x)的极小值，故可不必对 的上限加以限制。综上所述，各设计变量的取值范围构成nts 24 的约束条件为： m- 0min m 0max mm0min 梯形臂长度 m 设计时常取在 minm 0.11K，maxm 0.15K 梯形底角 min 70 此外，由机械原理得知，四连杆机构的传动角 不宜过小，通常取 40min 。如上图所示，转向梯形机构在汽车向右转弯至极限位置时达到最小值，故只考虑右转弯时 min 即可。利用该图所作的辅助虚线及余弦定理，可推出最小传动角约束条件为 02c os)c os( c os )c os (c os2c osm i nm a x0m i n Km ，式中， min 为最小传动角。 由上述数学模型可知，转向梯形机构的优化设计问题是一个小型的约束非线性规划问题，可用复合形法来求解。 5.7 转向传动机构强度计算 1、 球头销 球头销常由于球面部分磨损而损坏，为此用下式验算接触应力jAFj 式中， F 为作用在球头上的力； A 为在通过球心垂直于 F 力方向的平面内，球面承载部分 的投影面积。 许用接触应力为 j25 30 2/mmN 。 设计初期，球头直径 d 可根据表 7-4 中推荐的数据进行选择。 表 5-7-1 球头直径 球头直径 mm 转向轮负荷 N 球头直径 mm 转向轮负荷 N nts 25 20 22 25 27 30 到 6000 6000-9000 9000-12500 12500-16000 16000-24000 35 40 45 50 24000-34000 34000-49000 49000-70000 70000 100000 球头销用合金结构钢 12CrNiB、 15CrMo、 20CrNi 或液体碳氮共渗钢 35Cr、35CrNi 制 造。 2、 转向拉杆 拉杆应有较小的质量和足够的刚度。拉杆的形状应符合布置要求，有时不得不做成弯 的，这就减小了纵向刚度。拉杆应用材料力学中有关压杆稳定性计算公式进行验算。稳定性安全系数不小于 1.5 2.5。拉杆用 20、 30 或 40 钢无缝钢管制成。 3、 转向摇臂 在球头销上作用的力 F，对转向摇臂构成弯曲和扭转力 矩的联合作用。危险断面在摇臂根部，应按第三强度理论验算其强度 222222 4nw WeFWdF 式中，W、nW为危险断面的抗弯截面系数和抗扭转截面 系数；尺寸 d、 e见图 5-7-1。 图 5-7-1 转向摇臂受力图 nts 26 要求 nT 式中， T 为材料的屈服点； n 为安全系数，取 n=1.7 2.4。 转向摇臂与转向摇臂轴经花键连接，因此要求验算花键 的挤压应力和切应力。 nts 27 6 经济性分析 随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。 本课题 是以 EQ1060 轻型载重汽车的转向桥为 设计对象，通过对其 前桥，转向节，主销等进行设计和强度校核。 汽车的转向从动桥的前梁可采用组合式结构，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。但不能满足强度要求，故不用。而采用整体式工字钢形式，这种形式结构相对较为简单 ，强度也能满足要求。价格也不会太高。 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。 而本车设计的转向节尺寸不大而不采用焊接形式，而是整体式结构。这种结构采用锻造的加工方式，造价也不高还可满足设计要求。 由于 转向桥总成 较复杂， 主要选择上述两个主要零件进行了分析。 nts 28 7 结 论 本 次毕业 设计参考汽车的转向从动桥和转向器多种结构形式而确定 轻型载重 转向从动桥及转向器的方案 :主销采用实心圆柱形 ,前轴为 整体式的结构 ,转向器采用循环球式。 车辆在制动和侧滑情况下 ,出现重量前移的现象 ,此时转向从动桥受力最大。因此本次设计在制动和
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