丽驰汽车4166前桥的设计

[15]。一般计算零件的工作应力主要包含以下几个部分：一是需要计算汽车制动时前梁所产生的应力；二是要计算汽车在受到最大侧压力情况下汽车所产生的应力；三四计算其他零部件的相关参数，选用合适的零部件。2.2前桥的基本参数前桥的基本参数主要包括主销后倾角γ、主销内倾角β、车轮外倾角α和汽车前束等，这几个参数是影响汽车性能的最为重要的因素，也是汽车前桥设计过程中需要重点考虑的因素，这些参数的具体功能、作用和取值分别如下表2—1所示。表2—1前桥的基本参数、作用及取值范围名称主销后倾角主销内倾角车轮外倾角前束：符号γβα/取值一般取值为3°一般取值为5°~8一般为5°~1.5°一般在1～12mm之间。作用保持汽车直线行驶的稳定性；转向轻便性；使前轮具有自动回正的性能；保证汽车具有较好的直线行驶稳定性。能使转向轮自动回正，保证汽车直线行驶的稳定性；使转向轻便；可减小转向时需加在方向盘上的力；也可减小转向轮传到方向盘上的冲击力。它可以避免汽车载重时车轮产生内倾；同时也和弓形的路面相适应。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；消除因前轮外倾使汽车行驶时向外张开的趋势，减少轮胎磨损和燃料消耗。2.3前桥的设计要求2.3.1设计技术要求汽车在行驶过程中不仅需要有良好的直线保持能力，此外前桥还需要满足下表2—2所述的6方面具体要求。表2—2汽车前桥常规设计要求类型前桥质量要小足够的强度正确的车轮定位足够的刚度转向节与主销前桥间的摩擦力要小较小的转向轮摆振目的减少非簧载的质量，提高汽车行驶平顺性。保证可靠地承受车轮与车架（或承载式车身）之间的作用力。使转向轮运动稳定；操纵轻便；减轻轮胎磨损。减小受力后的变形；保证主销和转向轮间的定位角度。保证转向操作的轻便性；并有足够的耐磨性。保证汽车的正常平稳行驶。2.3.2结构参数载重质量1500kg；汽车总质量2500kg；汽车尺寸3300·1600·360；前轮为双轮胎，后轮为双轮胎。3前桥设计参数及结构选择计算过程中所用到的具体参数如下表3—1所示。表3—1计算过程中所用到的具体参数汽车总质量Ga（N）前轴轴载质量G1（N）汽车质心至前轴中民线距离L1（mm）汽车质心至后轴中心线距离L2(mm)913852954729371400前轮前束（mm）轴距L（mm）汽车质心高度hg(mm)前钢板弹簧座中心距B’’(mm)主销中心距B′(mm)10430011707401480前轮距B1(mm)车轮滚动半径rr(mm)主销内倾角β主销后倾角γ前轮外倾角a17004858°1.5°1°3.1前桥的确定汽车的转向前桥主要常有两种形式，一种是断开式的，一种是非断开式的。相比而言非断开式的前桥结构相对比较简单，制作维修成本相对较低，其承载能力也相对比较大，因此在汽车上的应用最为广泛，因此本此设计也采用这种常用的非断开式前桥结构，其他结构的确定如下表3—2所示。表3—2其他结构的选择前轴结构形式转向节结构型式主销结构型式转向节止推轴承结构形式主销轴承结构形式轮毂轴承结构形式工字形断面、叉形转向节、主销固定在前轴两端整体锻造式圆柱实心主销止推滚柱轴承滚针轴承单列向心球轴承3.2前轮定位角的选择前轮定位角不仅能有效减小前轮偏转时所产生的阻力矩，继而使转向结构操纵方便、灵活，同时还能使前轮在使用过程中具有自动调正的功能，进而有效保证汽车在直线行驶过程中能够保持极好的稳定性，还能有效减轻汽车轮胎的磨损，降低维护成本。计算过程中的前轮定位角的确定如表3—1所示，其中路面附着系数取φ=0.7。垂直反作用力的计算：N横向反作用力的计算：N考虑汽车行使过程中可能会通过不平路面，而当汽车行使到不平路面的时候，由于路面不平的原因可能会导致汽车产生垂直动载荷，进而使得垂直反作用力迅速达到最大峰值。计算过程中汽车的动载荷系数可以取σ=2.0。N（3-1）载荷的具体计算结果分别如下所示（表3—3）。表3—3计算载荷结果紧急制动Z123489.87X116442.91侧滑Z1l28601.50Z1r945.50Y1l19449.02Y1r642.94越过不平路面Z1’295474计算弯矩和扭矩计算过程中分别选择四个部位来计算其断面的弯矩和扭矩，具体计算如下文所述。I-I断面是指位于座内侧的情况，它是整个前轴中最弱的部位。该断面的弯矩是最大的，鉴于计算过程中可以将座看作是梁的固定端，因此这段梁之间不需要考虑受扭的情况，以减小计算量，优化计算过程中；II-II断面是指处于座外侧的部分，此部分断面的弯矩是最大的，但是其扭矩却是最小的；而III-III断面处所处的弯矩和扭矩都相对比较大；IV-IV断面是指处于梁端的部分，此部分断面内的扭矩是最大的，但是弯矩同样也是最小的。四个断面的相关计算的具体参数分别表示如下（表4—1）。表4—1计算参数类型L1L2L3L4h1h2h3h4汽车4803902501551131133004.1计算各断面的弯扭矩4.1.1紧急制动时情况时垂直面内的弯矩计算表示为：M’=Z1Li水平面内的弯矩计算表示为：M’’=X1Li外侧的扭矩计算可以表示为：Mn=X1(rr-hi)上述公式中的Li对应与I-I、II-II、III-III、IV-IV断面分别带入L1、L2、L3、L4。上述公式中的hi对应与I-I、II-II、III-III、IV-IV断面分别代入h1、h2、h3、h4。4.1.2发生侧滑现象时计算左侧的各断面在垂直面内的弯矩可以表示为：M1’=Z1lLi-Y1(rr-hi)上式中的Li和hi带入的数值大小与紧急制动时代入的数据一样。4.1.3在不平路面时的计算计算垂直面内的弯矩可以表示为M’=Z1’Li，公式中的Li代入数值大小与前面计算中的数值大小一样，计算可得弯扭矩，具体数据如下表4—2所示。表4—2弯扭矩的具体计算结果结果I-III-IIIII-IIIIV-IV紧急制动M’11275137.69161049.35872467.53640929.85M’’7892596.86412734.94110727.52548651.05Mn6116762.526116762.527481524.057974811.35侧滑M1’6493.453919.56-1699.05-4999.61越不平路M’14182.5611523.335909.404579.794.2断面系数计算4.2.1垂直面内抗弯断面系数：mm3（4-1）4.2.2水平面内抗弯断面系数：mm3（4-2）（1）II-II断面垂直面内的抗弯断面系数计算在计算过程中II-II断面是指上、下翼缘中的长度不相同的工字形断面。其形心轴Xc-Xc的坐标可以表示为：=40.30y2=H-y1=92-40.3=51.70h2=y2-t2=51.70-16=35.70；h1=h-h2=60-35.70=24.30；该断面对形心轴的惯性矩：mm4（4-3）上翼面的抗弯断面系数：mm3（4-4）下翼面的抗弯断面系数：mm3（4-5）水平面内抗弯断面系数：mm3（4-6）抗扭断面系数计算：视工字形断面由几个矩形断面组成。引用材料力学关于“矩形及狭长形截面等直杆在纯扭转”时的公式进行计算，任一个矩形截面的Jni和Wni为：当m=h/b＜4时，Jni=αb4，Wni=βb3；当m=h/b＞4时，Jni=(m-0.63)/3*b4，Wni=(m-0.63)/3*b3；其中h-矩形长边的长，b-矩形短边的长度，α、β-系数。表4—3参数明细m1.01.52.03.04.06.08.010.0α0.1400.2940.4570.7901.1231.7892.4563.123β0.2080.3460.4930.8011.1501.7892.4563.123γ1.00.8590.7950.7530.7450.7430.7420.742m1=B/t1=108/16=6.75＞4mm4mm3mm（4-7）①对中间矩形截面m2=h/t=60/24=2.5＜4，使用插值法得α2.5=0.6235，β2.5=0.647；Jn2=αt4=0.6235×244=206862.335mm4；Wn2=βt3=0.647×243=8944.128mm3，Jn2/Wn2=23.13。（4-8）②对下方矩形m3=b/t2=68/16=4.25＞4mm4mm3Jn3/Wn3=16mm（4-9）所以mm3=18142.494mm3（2）III-III断面垂直面内抗弯断面系数III-III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：y2=H-y1=70-34.22=35.78h2=y2-t2=35.78-25=10.78；h1=h-h2=25-10.78=14.22该断面对形心轴的惯性矩：Jxc=1/3(By13-B1h13+by23-b1h23)=1943391.93mm4（4-10）上翼面的抗弯断面系数：W上’=Jxc/y1=1943391.93/34.22=56791.11mm3下翼面的抗弯断面系数：W下’=Jxc/y2=1943391.93/35.78=54315.03mm3水平面内抗弯断面系数：计算抗扭断系数假设工字形的断面是由好几个矩形断面组合而成。利用材料力学中的知识“矩形和狭长形的截面其实是等直杆在纯扭转”来进行计算，那么任何一个矩形截面的Jni和Wni都可以表示为：当m=h/b＜4时，Jni=αb4，Wni=βb3；当m=h/b＞4时，Jni=(m-0.63)/3*b4，Wni=(m-0.63)/3*b3；其中h-矩形长边的长，b-矩形短边的长度，α、β-系数。①对上方矩形截面m1=B/t1=75/20=3.75＜4，使用插值法得α3.75=1.03975，β3.75=1.06275，Jn1=αt14=1.03975×204=166360mm4Wn1=βt13=1.06275×203=8502mm3，Jn2/Wn2=19.57mm（4-11）②对中间矩形截面m2=t/h=35/25=1.4＜4，使用插值法得α1.4=0.2632，β1.4=0.3184，Jn2/Wn2=20.67mm（4-12）③对下方矩形m3=b/t2=65/25=2.6＜4，使用插值法得α2.6=0.6568，β2.6=0.6778，mm4mm3Jn2/Wn2=24.23mm（4-13）所以=21697.69mm3（4-14）（3）IV-IV断面①垂直面内抗弯断面系数：W4’=bH2/6=65×702/6=53083.33mm3②水平面内抗弯断面系数：W4’’=bH2/6=652×70/6=49291.67mm3③抗扭断面系数：m=H/b=70/65=1.077＜4，使用插值法得α1.077=0.1637，β1.077=0.2293，Wn=βb3=0.2293×653=62958.33mm3（4-15）表4—3各断面尺寸参数见I-III-IIIII-IIIIV-IVB7510875/B1608440/t1161620/b75686565b1604430/t2161625/t152435/h606025/H92927070W’82321.7485465.2454315.0353083.33W’’3045040147.7834008.8949291.67W’’’/18142.49421697.6962958.334.3应力计算4.3.1汽车紧急制动时⑴垂直面内弯曲应力：⑵水平面内弯曲应力：合成应力：⑶扭转应力：在矩形长边中点上的扭转应力：；在矩形短边中点上的扭转应力：计算过程中的工字形断面能够产生的最大应力，以及最大扭转应力是指分别在梁断面上不同点作用处。相对于上翼面中的长边的中点，其有效应力可以表示为：4.3.2汽车侧滑时垂直面弯曲应力4.3.3汽车越过不平路面时垂直面弯曲应力：表4—4应力值计算结果项目类型符号I-III-IIIII-IIIIV-IV紧急制动σ’136.96107.19108.1268.59σ’’259.20159.73120.8751.71τmax345.6786.06178.0185.91σd422.21290.79329.80191.35侧滑σ’78.8845.86-31.28-94.18越不平路σ’’172.28134.83108.6586.284.4计算相关转向节的强度计算过程中用到的Z11、X11、Y11等作用力分别按照表格2—1中的数据进行取值。4.4.1计算相关截面系数计算时取轮毂内轴承，根部处的指轴作为计算过程中的断面，则：W=πd3/32=π×553/32=16325.55（4-16）4.4.2弯矩计算紧急制动时：（4-17）侧滑时：（4-18）超越不平路面时：M制y=Z1’C1’=29547×30=886410（4-19）计算用参数：d1=55，C1=30，d2=404.4.3应力计算⑴紧急制动时（4-20）⑵侧滑时（4-21）⑶超越不平路面时（4-22）表4—5弯矩、应力计算结果工况Mσ紧急制动860191.2352.69侧滑-8574720-525.23超越不平路88641054.304.4.4转向节的材料、许用应力及强度校核材料：HX6850A40MnB；许用应力：σ＜[σs]；查YB6-71：[σb]=980N/mm2；[σs]=(0.65-0.75)[σb]。4.5主销强度计算表4—6主销受力计算参数符号bcdefL数值82.530562.5357.7402.5(B1-B’)/2aL1nrrDhH77.5193(B1-B’’)/24853842484.5.1载荷的计算在计算载荷时，我们需要忽略主销倾角对其的影响，同时还是假设力的作用点全部处在主销的衬套中点。⑴其中Z1、X1、Y1分别按照表格2—1中的数值进行取值。⑵当汽车发生紧急制动时，Z1力在其主销上能产生的反支承力S’和S’’分别为：（4-23）主销受到X1和u的作用，力u由下式求得：（4-24）力X1在主销的两个支承上反作用力S2’和S2’’NN（4-25）力u在主销的两个支承上反作用力S3’和S3’’NN（4-26）鉴于制动力矩X1r1在主销支撑上，能够产生的两个反作用力S4’和S4’’分别为：N（4-27）作用在主销上端的合力：作用在主销下端的合力：⑶汽车侧滑时，左主销上支承的反作用力左主销上支承的反作用力N（4-28）左主销下支承的反作用力（4-29）右主销上支承的反作用力N（4-30）右主销下支承的反作用力N（4-31）⑷当汽车成功越过，不平路面的时候运动过程中的动载荷在主销的上、下支承上，所能产生的反作用力S1’和S1’’分别为：N（4-32）4.5.2主销材料及许用应力许用应力：σ＜[σ]=83.3N/mm2；τ＜[τ]=83.3N/mm2；σc＜[σc]=49.0N/mm2；按力X1=G1/2作静载荷计算时，σc＜15N/mm2。因此，根据各应力计算结果，说明该汽车前桥满足强度要求及设计要求。5总结与展望首先，本文对汽车前桥的发展历史以及汽车的特点进行了相关总结，同时也归纳了国内外目前发展现状。此外还更加详细地分析了汽车前桥的组成转向节、前梁以及转向主销等部件，以及汽车前桥所包括的各个部件的作用。鉴于汽车在日常应用中的制动以及发生侧滑时，汽车前桥所受的应力是非常大的，因此本文就首先计算了汽车的前梁以及转向节等，计算这几个因素在制动以及侧滑等不同工况下的工作应力。保证前桥具有足够强度，同时还能够平稳行驶的基础上对前桥进行了校核验证，保证了设计的正确性和可靠性。但是由于作者水平的知识水平以及个人能力有限，本文中难免会存在一些缺点或错误，还希望大家能积极批评指正，以便进一步地进行更加深入的研究。参考文献季恺.新能源纯电动汽车前舱设计的研究[J].中国新技术新产品,2020(01):8-9.任帅.电动汽车前悬架的结构优化研究[D].沈阳工业大学,2019.贾安祥,吴怀华,王平亮,王书.某纯电动汽车前保防撞梁设计[J].时代汽车,2019(01