载重汽车转向桥桥总成设计【优秀机械毕业设计论文】
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载重汽车
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毕业设计
论文
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文档包括:
说明书一份。30页，11600字。
开题报告一份。
图纸共2张，如下所示
A0-装配图.dwg
A1-右转向节.dwg
- 内容简介：
-
毕业 设计 开题报告 题目名称 ： 轻型载重汽车 转向桥 总成设计 院系名称 ： 机 电 学 院 班 级 ： 机 自 051 学 号 ： 200500314108 学生姓名 ： 郑 璐 指导教师 ： 史建茹 2009 年 03 月 中原工学院毕业设计开题报告 1 1本课题所涉及的内容国内 (外 )研究现状综述 外 )研究 现状综述 汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔 8 公里的速度，跑到现在，竟然诞生了从速度为零到加速到 100 公里 /小时只需要三秒钟多一点的超级跑车。这一百年，汽车发展的速度是如此惊人！同时，汽车工业也造就了多位巨人，他们一手创建了通用、福特、丰田、本田这样一些在各国经济中举足轻重的著名公司。 一 汽车的市场现状 在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下， 我国 汽车无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都 已有了很大发展，但与国民经济需求 和世界先进水平相比，差距仍很大 。 直到近年来，中国整体经济发展迅速，居民收入的持续增长以及扩大内需、拉动消费的财政政策，特别是在中国加入 后，汽车关税不断下调，国外知名的汽车巨头也瞄准了中国这个巨大的市场，陆续在华投资设厂，越来越多款式新颖、乘坐舒适安全的汽车随之进入中国市场，加速了轿车进入家庭的步伐。中国人被压抑以久的购买热情得以释放， 汽车市场 出现井喷行情，业界普遍认为 2003 年 是中国汽车正式进入家庭的元年。这两年来我国汽车的销量，特别是轿车的销量取得了大幅增长，有些产品如 雅阁 、波罗等还供不应求，甚至有的还出现需要“加价”才能购买的情况。中国汽车市场火爆的局面也似乎预示着中国汽车工业迎来了真正发展的春天。 转向系是 用来改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统 (汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。 1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 2)转向轮具有自动回正能力。 3)在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。 中原工学院毕业设计开题报告 2 4)转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车轮产生的摆动最小。 5)转向灵敏，最小转弯直径小。 6)操纵轻便。 7)转向轮传给转向盘的反冲力要尽可能小。 8)转向 器和转向传动机构中应有间隙调整机构。 9)转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 10)转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。 正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小 确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。 转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。 为了使汽车具有良好的机动性 能，必须使转向轮有尽可能大的转角，其最小转弯半径能达到汽车轴距的 2。 转向操纵的轻便性通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价。 轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过 ，货车则要求不超过 。 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生 产，并且销售点遍布了全世界。 1、现代汽车转向装置的设计趋势 应汽车高速行驶的需要 从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。 “变速比和高刚性 ”是目前世界上生产的转向器结构的方向。 分考虑安全性、轻便性 中原工学院毕业设计开题报告 3 随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和 动力转向系统。 成本、低油耗、大批量专业化生产 随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。 车转向器装置的电脑化 汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。 2、现代汽车转向装置的发展趋势 代汽车转向装置的使用动态 随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很多，从目 前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有 4 种：有蜗杆肖式（ ）、蜗杆滚轮式（ ）、循环球式（ ）、齿条齿轮式（ ）。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。 据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占 45左右，齿条齿轮式转向器占 40左右，蜗杆滚轮式转向器占 10左右，其它型式的转向器占 5。循环球式转向器一直在稳步发展。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽 车中使用的循环球式转向器，已由 60 年代的 62 5，发展到现今的 100了 (蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰 )。大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占 65，齿条齿轮式占 35。 综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论： 循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮 #0；蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。 在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球 式转向器，比率都已达到或超过 90；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50，法国已高达 95。 中原工学院毕业设计开题报告 4 由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用 (包括小客车、小型货车或客货两用车 )得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。 参考文献： 1汽车设计 北京大学出版社 2007 中原工学院毕业设计开题报告 5 2 本课题有待解决的主要关键问题 转向桥的一个三维立体图 汽车的转向桥结构基本 相同，主要由前轴、主销、转向节和轮毂等四部分组成，如图所示。通常，轿车中不设独立的主销，而以转向节上、下球头中心的连线为主销的轴线。 前轴用中碳钢铸造，断面呈工字形，以提高抗弯强度。两端由工字形断面过渡到方形断面，以提高抗扭强度。中部两处用以支承钢板弹簧的底座，其上钻有四个安装骑马螺栓的通孔和一个位于中心的钢板弹簧定位凹坑。前轴中部向下弯曲，使发中原工学院毕业设计开题报告 6 动机位置降低，降低汽车质心，减小传动轴与变速器输出轴之间夹角。前轴两端各有一个拳形，主销插入孔内。主销中部切有槽，用楔形锁销将主销固定在拳部孔内。 转向节是一个叉形部件，上、下两叉制有同轴销孔，通过主销与前轴拳部相连，使前轮可以绕主销偏转一定角度而使汽车转向。为了减小磨损，转向节销孔内压入青铜或尼龙衬套，衬套上开有油槽，用油嘴注入润滑脂润滑。为使转向灵活轻便，在转向节下销孔与前轴拳部下端面之间装有推力轴承。上销孔与拳部上端面之间有调整垫片。 车轮轮毂通过两个圆锥滚子轴承和支承在转向节轴颈上，轴承的松紧度可用调整螺母加以调整。轮毂内侧装有油封，以防止润滑脂进入制动器内。轮毂外端装有金属罩，以防止泥水和尘土侵入。 此次 设计主要是围绕轻型载重汽 车转向器设计展开的，通过从汽车中选出一个典型的部件，并对其设计和分析。通过近断时间查阅资料和毕业调研， 我对本课题的主要设计意图有了一定的了解，认真分析了要完成的设计任务。 本课题要解决的关键问题主要包括以下四 点： 部车轮应该绕一个瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧移。 使运动不协调产生的车轮摆动最小。 处，有消除因摩擦而产生间隙的机构。 制装配图和零件图。 中原工学院毕业设计开题报告 7 3对课题要求及预期目标的可行性分析 (包括解决关键问题技术和所需条件两方面 ) 一 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。 转向桥是汽车前桥的一部分，作为汽车的转向部分汽车转向桥的设计非常重要。转向桥的设计应满足以下的基本要求： 1. 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。 2. 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。 3. 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。 4. 转向轮的摆振应尽可能的小，以保证汽车的正常 、 稳定行驶。 5. 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。 一、转向梯形结构方案分析 1、整体式转向梯形 整体式转向梯形是由转向横拉杆 l，转向梯形臂 2 和汽车前轴 3 组成，如图 18 所示。 其中梯形臂呈收缩 状向后延伸。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。 图 1体式转向梯形 1 转向横拉杆 2 转向梯形臂 3 前轴。 当汽车前悬架采用非独立悬架时，应当采用整体式转向梯形。整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或前轴前 (称为前置梯形 )。对于发动机位置低或前轮驱动汽车，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必须向前外侧方向延伸，因而会与车轮或制动底板发生干涉，所以在布置上有困难。为了保护横拉杆免遭路面不平物的损伤，横拉杆的位置应尽可能 布置得高些，至少不低于前轴高度。 2、断开式转向梯形 转向梯形的横拉杆做成断开的，称之为断开式转向梯形。断开式转向梯形方案之一如图 1开式转向梯形的主要优点是它与前轮采用独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响另一侧车轮；与整体式转向梯形比较，由于杆系、球头增多，所以结构复杂，制造成本高，并且调整前束比较困难。 中原工学院毕业设计开题报告 9 图 1开式转向梯形 二 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 2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。 三 1、类型 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。经常行驶中原工学院毕业设计开题报告 10 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。 四 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。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。主销采用结构简单的实心的圆柱形如上图 a 所示。 对于上述关键问题，虽然处理起来比较困难，但自己也要一步步解决。 本课题需要运用机械设计、机械制造、机械原理、计算机二、三维设计等多学科的知识， 需要相当广阔的知识面 和 较高的 专业 水平。具体解决方法包括以下几个方面： 题 研究初期，我借阅了大量有关 汽车 方面的书籍， 同时在互联网上搜索了大量关于汽车转向桥的资料与论文。 解转向桥设计实际工作中需要考虑的问题。虚心向工人师傅 们 请教 本 课题 中遇到 的不解之处 ，为以后的设计 提供资料和积累宝贵经验，避免走不必要的弯路。 同时，虚心向专业老师请教设计过程中遇到的问题。 据零部件的实际生产情况。同时运用 制二维模具装配图和零件图。 中原工学院毕业设计开题报告 11 4完成本课题的工作计划及进度安排 毕业实习； 方案论证，确定方案，完成调研报告、开题报告和外文翻译； 进行冲压工艺方案及模具结构方案设计（第九周中期检查）； 冲压加工工艺草案，复合冲压模具草图，主要零部件设计，按学院规定的统一规范化要求撰写设计说明书（完成初稿）； 审查设计 ， 准备答辩； 答辩资格评审； 毕业答辩 ； 修改毕业设计。 中原工学院毕业设计开题报告 12 5指导教师审阅意见 指导教师 (签字 )： 年 月 日 6指导小组意见 指导小组组长 (签字 )： 年 月 日 说明： 1. 本报告前 4 项内容由承担毕业论文 (设计 )课题任务的学生独立撰写； 2. 本报告必须在第八学期开学两周内交指导教师审阅并提出修改意见； 3. 学生须在小组内进行报告，并进行讨论； 4. 本报告作为指导教师、毕业论文 (设计 )指导小组审查学生能否承担该毕 业设计 (论文 )课题和是否按时完成进度的检查依据，并接受学校的抽查。 目 录 主要符号 . 2 1 绪论 . 3 型载重汽车转向桥的设计意义 . 3 桥和转向系组成和设计步骤 . 3 2 概述 . 5 桥简介 . 5 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 述 . 8 型载重汽车 的从动桥 . 9 4 转向系的结构形式 . 11 述 . 11 向器结构形式及选择 . 11 环球式转向器结构及工作原理 . 12 5 转向桥的设计计算 . 14 动桥主要零件工作应力的计算 . 14 在最大侧向力 (侧滑 )工况下的前梁应力计算 . 16 向节在制动和侧滑工况下的应力 . 17 销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 . 18 向节推力轴承的计算 . 21 向梯形的优化设计 . 21 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 中原工学院毕业设计说明书 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 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 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 中原工学院毕业设计说明书 3 1 绪论 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。 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。 动桥结构形式 1、非断开式转向从动桥 中原工学院毕业设计说明书 4 2、合纵臂式后支持桥 一般多采用非断开式转向从动桥。 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 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 中原工学院毕业设计说明书 5 2 概述 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。 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。在纵向平中原工学院毕业设计说明书 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 40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 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，左右中原工学院毕业设计说明书 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 (一般汽车约为 3 5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。 中原工学院毕业设计说明书 8 3 从动桥的结构形式 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汽车转向桥 123、 456789101112 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。 中原工学院毕业设计说明书 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。 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。 中原工学院毕业设计说明书 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。 中原工学院毕业设计说明书 11 4 转向系的结构形式 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。 向器结构形式及选择 1、类型 中原工学院毕业设计说明书 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。 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，操作中原工学院毕业设计说明书 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。 中原工学院毕业设计说明书 14 5 转向桥的设计计算 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向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图 1 2制动工况下的前梁应力计算：制动时前轮承受的制动力Z 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 (5 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中原工学院毕业设计说明书 15 取 量分配给前桥 35%； 1Z = 21 1G 1m =855前轮所承受的制动力 1式中： 轮胎与路面的附着系数取为 由于 1Z 和别为： 2)2()( 1121 N (522 11212 N (5式中：取 2l =285 mm 车轮 (包括轮毅、制动器等 )所受的重力， N；取80N； B 前轮轮距取 B=1650 S 前梁上两钢板弹簧座中心间的距离取为 550 2 5501320) 55 013 4 动力弹簧座之间承受转矩 T： T=rx 中： r 轮胎的滚动半径取为 有 T=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 别为： 222 (5 (5中原工学院毕业设计说明书 16 式中 : W 前轴弯曲截面系数， W= )(32 33 。 前梁应力的许用值为 w=300 500 取 D=68 d=58 ，W= )5868(32 33 =M= w=w=300 D=68 d=58 足使用条件。 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 与侧向反力 不相等，前轮的地面反力 (单位都为 N)分别为： )21(21111 )21(21111 1111 )21(2 11 111 )21(2 式中：汽车质心高度取为 840 1 车轮与地面附着系数取为 此时 右作用。则有： 1 18)1 3 20 8 8 551 2737)1320 88551 320 88551 320 88551 侧滑时左、右钢板弹簧对前梁的垂直作用力为： )(1111 )(1111 式中 : 1G 满载时车厢分配给前桥的垂向总载荷 中原工学院毕业设计说明书 17 1r 板簧座上表面离地高度 取 4001G =1239 则有 6 96 5 0)4 0 08 4 0( 5 51 2 1 4 2 . 7 26 5 0)4 0 08 4 0( 5 51 2 1 4 2 . 向节在制动和侧滑工况下的应力 如图 5示，转向节的危险断面在轴径为 1d 的轮轴根部即 面处。 图 5转向节，主销及转向节衬套的计算用图 一 、 在制动工况下 面处的轴径仅受垂向弯矩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，面处的合成弯矩应力w（ ： 31 )( (53(5中原工学院毕业设计说明书 18 =312123 w (5中： 1d 转向节的轮轴根部轴径取为 50l=30 w=550 则 =32245*)(30 =50向节采用 3040中碳合金钢制造，心部硬度 285，高频淬火后表面硬度 65，硬化层深 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 的弯矩是不等的，可分别按下式求得： 2 4 1 8 4 44 2 3 5306 1 1 8131 因此左右转向节都符合要求。 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 5c)和纵向平面 (图 5d)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 11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c+d）所平衡 (见图 5b)，故有 dc N 式中 1l 取 95， c 取 57， d 取 62 制动力矩c+d） 所平衡 (见图 5c)。故有 中原工学院毕业设计说明书 19 而作用于主销的制动力由在转向节上下衬套中点处作用于主销的力 衡 (见图 5c)，且有： 7 66257 8 4 dc N l 由转向桥的俯视图 (图 5d)的下图 )可知，制动时转向横拉杆的作用力 N 为： N= t 7 41 5 8 451 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 将 需对主销作用一侧向力矩(见图 4 2(b)。力矩 位于侧向平面内并作用于主销的力偶矩所平c+d）衡，故有 N 而力 N 则内存整向节上下衬套中点处作用于主销的力有：= 511 9 4 = 811 9 4 由图 5b)可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力Q 分别为： 22 )()( (5 = 22 ) =21 )()( (5中原工学院毕业设计说明书 20 =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 =、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们可分别按下式求得： L L 取 ,1 中最大的作为主销的计算载荷 QQ 算主销在前梁拳部下端面应力w和剪切应力s： ； (5204 (5式中：0d 主销直径取为 32 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=28 78 3 w w ; 1 5 9 2 8 7 84 2 s s ; 其中 w=500s=100 主销采用 202020低碳合金钢制造，渗碳淬火，62。 转向节衬套的挤压应力c为： M P 0 式中： l 衬套长为 30 中原工学院毕业设计说明书 21 在静载荷下，上式的计算载荷取 0 16257 4 111 dc Z N M P 5 。 向节推力轴承的计算 对转向节推力轴承，取汽车以等速40h，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 大。 )(2(12 2111， 将上述计算工况的有关数据代入上式，并没1 有：111 6 2 ， 可近似地认为推力轴承的轴向载荷 : 1 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 进行，且取当量静载荷r 0 故此推 力轴承满足要求。 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： 中原工学院毕业设计说明书 22 i 0，若自变角为0则因变角i的期望值为： )()( 010 ，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： )co s (212co s)co s (co s2ar s)co s (21)()s i n (ar cs i ( m 梯形臂长 梯形底角 图 5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 0000 1 0 0)()()()( 将上式代得： f(x)= 中原工学院毕业设计说明书 23 m a )c o t ( c o t)c o s (21)()s i n (ar c s i n)(r 001)c o t ( c o t)c o s (212c o s)c o s (c o s2a r c c o r 其中 x 设计变量 x= 21m 外转向轮最大转角，又上图可得： 汽车最小转弯半径为 a 主销偏移距为 55 K=1650L=3600 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 10000 2010 0 1)( 0 m 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中原工学院毕业设计说明书 24 的约束条件为： m 0 梯形臂长度 m 设计时常取在 形底角 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 40 。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 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 02co s)co s( co s )co s (co sm i nm a i n ，式中， 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。 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j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/ 设计初期，球头直径 d 可根据表 7推荐的数据进行选择。 表 5球头直径 球头直径 向轮负荷 N 球头直径 向轮负荷 N 中原工学院毕业设计说明书 25 20 22 25 27 30 到 6000 6000000250060005 40 45 50 24000400090000000 100000 球头销用合金结构钢 121520液体碳氮共渗钢 355 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 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 4 式中，W、数；尺寸 d、 图 5转向摇臂受力图 中原工学院毕业设计说明书 26 要求 式中， T 为材料的屈服点； n 为安全系数，取 n= 转向摇臂与转向
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