轻型载货汽车转向桥设计.docx
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轻型载货汽车转向桥设计
毕业设计论文
轻型载货汽车转向桥设计
学生姓名
专业
汽车设计与制造
班级
学号
指导教师
车辆工程系
载重汽车转向桥设计
摘要
本设计为载重汽车的转向桥，此转向桥需要适应不同路况，不同速度下的稳定行驶，因此对前桥的要求也越来越高。
在汽车设计、制造、因此应该本着既能有足够的承载能力，又能实现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。
通过设计：
（1）保证有足够的强度：
以保证可靠的承受车轮与车架之间的作用力。
（2）保证有足够的刚度：
以使车轮定位参数不变。
（3）保证转向轮有正确的定位角度：
以使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎的磨损。
（4）转向桥的质量应尽可能小：
以减少非簧上质量，提高汽车行驶平顺性。
通过分析工作原理设计转向节、前轴、主销等零件的尺寸，使各个零部件的强度满足校核，并运用caxa等绘图软件绘制装配图和零件图。
关键词:
转向桥；定位参数；转向节；前轴；主销
Thedesignofthetrucksteeringaxle
Abstract
ThisdesignisSteeringAxleforheavytrucks.Thedesignisneedtoadapttodifferentroadandunderdifferentspeeds,sothestabilityoffrontaxlehigherrequirements.Incardesign,manufacture,andshouldbebasedonbothhaveenoughcarryingcapacity,andcanachievedurableeconomicthoughtsoptions,inordertoreducetheproductioncost,andmeetstherequirementsinthestructureofsituationsshouldasfaraspossiblesimple.
Bydesign:
（1）Toensureadequatestrength:
inordertoensureaffordableandreliableforcebetweenwheelandframe.Bydesign:
（1）Toensureadequatestrength:
inordertoensureaffordableandreliableforcebetweenwheelandframe.
（2）Ensureadequaterigidity:
inordertochangethewheelalignmentparameters.（3）Toensurethecorrectpositioningofsteeringwheelangle:
tomakethesteeringwheelmovementandstability,manipulatinglightandreducetirewear.（4）Thesteeringaxleofqualityshouldbeassmallaspossible:
toreducethenon-sprungmass,improvevehicleridecomfort.
Worksbyanalyzingthedesignofsteeringknuckle,frontaxle,kingpinandotherpartsofthesize,sothatthestrengthofthevariouscomponentstomeetthecheck,anduseothermappingsoftwarecaxaassemblydrawingandpartsaredrawing.
Keywords:
steeringaxle;positionalparameters;knuckle;frontaxle；kingpin
第1章汽车转向桥的概况
1.1汽车转向桥目前状况
1.1.1汽车前桥的分类
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。
1.1.2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β角，称为主销内倾角。
图1-1主销内倾角
Figure1-1KingpinInclination
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
；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。
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
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。
举一个生活中的例子：
我们在骑自行车拐弯的时候，会自然地将车子向所转的方向倾斜，让车轮与地面有一个夹角，学过物理的人知道，这样做是为了产生足够的向心力。
汽车也是一样，右侧车轮在右转弯的时候在主销内倾角和后倾角的共同作用下会向右侧倾倒，而左侧车轮虽也有主销内倾角，却不会向左侧倾倒，因为还有主销后倾角，把它又拉了回来，甚至也能向右微微倾斜。
不仅如此，两侧车轮的转动还使右侧车身降低，左侧车身抬高，整个车身也向右倾斜，于是产生了足够的向心力。
图1-2车轮外倾角和主销后倾角
Figure1-2camberandcasterangle
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
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。
图1-3前束
Figure1-3toe
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。
1.2从动桥的结构形式
1.2.1从动桥总体结构
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。
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。
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1-4主销结构形式
FIG.1-1thekingpinstructure
（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
（a）Cylindricalsolidmodel（b）cylindricalhollow（c）Rangingindiameterfromtoptobottom-sidecolumns,themiddleoftheconeofthemainsales（d）lowerthantheupperpartofthincylindricalkingpin
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。
1.2.2载重汽车从动桥
本设计为载重汽车的转向前桥，因此应该本着既能有足够的承载能力，又能实现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。
与断开式前桥相比它的结构简单，经济性高，强度大、安装维修方便的优点，这种形式在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。
前梁采用中间部分为整体锻件与两端拳部组焊的形式。
主销采用结构简单的实心的圆柱形如上图a所示。
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。
目前国内载重汽车前桥一般可以承受10吨左右的载重量，并且大部分都是采用非断开式转向桥。
像早期东风汽车公司生产的EQ1090E型载重货车，它采用的是钢材锻造的并且断面为工字型的前梁，采用非断开式结构。
前梁的拳形部分通过主销相连转向节，转向节通过轴承与轮毂相连。
这种方式连接稳定、可靠，可以完成车轮的灵活转向。
1.2.3载重汽车从动桥
本文首先确定主要部件的结构型式和主要设计参数，然后参考类似转向桥的结构，确定出总体设计方案，最后对前梁、主销、主销上下轴承、转向桥、调整垫片，转向节推力轴承等及轮毂等零件的尺寸进行设计，对强度进行校核以及对主要轴承进行了寿命校核。
对前桥进行力学模型的建立，将物理力学模型转化成数学模型（数学公式）。
2.主要解决的问题：
对以往同类的转向桥的资料进行总结分析，得到一些新的观点及思路，针对载重车转向桥的主要功用即对车身的支持作用、灵活转向的作用。
通过设计使前桥更可靠、更灵活
1.2.4设计意义：
采用传统方法对载重汽车转向桥进行结构尺寸设计，使转向桥满足如下的设计要求：
（1）保证有足够的强度：
以保证可靠的承受车轮与车架之间的作用力。
（2）保证有足够的刚度：
以使车轮定位参数不变。
（3）保证转向轮正确的定位角度：
使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎磨损。
（4）从动桥的质量应尽可能小：
以减少非簧上质量，提高汽车行驶平顺性。
合理优化前梁、转向节、等零部件的结构，使各个部分零件能够合理的配合，以适应复杂路况。
尽可能降低整个桥身的质量，从而减轻车的重量。
并且对车轮轮毂进行配合设计，使其与转向桥合理配合达到灵活转向的目的
2.转向桥的设计结构参数
2.1结构参数选择
转向桥设计参数参照CA1021型号汽车前桥数据获得，如表2-1所示
表2-1
汽车总质量Ga（N）
前轴轴载质量G1（N）
汽车质心至前轴中心线距离L1（mm）
汽车质心至后轴中心线距离L2（mm）
轴距L（mm）
汽车质心高度hg（mm）
前钢板弹簧座中心距B（mm）
24250
11100
1800
1120
3025
540
720
主销中心距B′（mm）
前轮距B1（mm）
车轮滚动半径rr（mm）
主销内倾角β
主销后倾角ﻻ
前轮外倾角a
前轮前束
1330
1460
314
6°
2°
1°
2～4
2.2从动桥总体结构选择
本前桥采用非断开式转向从动桥
2.3确定前桥具体结构型式
（1）前轴结构形式：
工字形断面加叉形转向节主销固定在前轴两端的拳部里。
（2）转向节结构型式：
整体锻造式。
（3）主销结构型式：
圆柱实心主销。
（4）转向节止推轴承结构形式：
止推滚柱轴承。
（5）主销轴承结构形式：
滚针轴承
（6）轮毂轴承结构形式：
单列向心球轴承
（7）前轮定位角选择见表1
3.前轴设计
3.1前轴强度计算
3.1.1前轴受力分析简图
如图3-1所示：
图3-1转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图
Figure3-1Bridgeinthebrakingandsteeringyawdrivenconditionoftheforceanalysisdiagram
1—制动工况下的弯矩图和转矩图；2—侧滑工况下的弯矩图
1-brakingandtorquediagramofbendingmomentdiagram
2-yawmomentmapcondition
3.1.2前轴载荷的计算（分三种工况分析）
一、紧急制动
汽车紧急制动时，纵向力制动力达到最大值，因质量重新分配，而使前轴上的垂直载荷增大，对后轮接地点取矩得
取路面附着系数Ф=0.7
制动时前轴轴载质量重新分配分配系数m1=
=
=1.34（3-1）
垂直反作用力：
Z1l=Z1r=
=7437N
横向反作用力：
X1l=X1r=
Ф=5205.9N（3-2）
二、侧滑
汽车侧滑时，因横向力的作用，汽车前桥左右车轮上的垂直载荷发生转移。
（1）确定侧向滑移附着糸数：
在侧滑的临界状态，横向反作用力等于离心力F离，并达到最大值F离=
Ymax=G1Ф′，为保证不横向翻车，须使V滑，所以
<
，得到
<
=0.822，取
=0.7
（2）对车轮接地点取矩
垂直反作用力：
Z
=
=8436N
Z
=2664N（3-3）
横向反作用力
Y1l
=5905.2N
Y1r
=1864.8N（3-4）
三、越过不平路面
汽国越过不平路面时，因路面不平引起垂直动载荷，至使垂直反作用力达到最大值
取动载荷系数因为是载货汽车所以
=2.5
N（3-5）
载荷计算结果列表，如下表3-2：
表3-2单位N
紧急制动
Z1
7437
X1
5205.9
侧滑
Z1l
8436
Z1r
2664
Y1l
5905.2
Y1r
1864.8
越过不平路面
Z1′
13875
3.2前轴弯矩及扭矩计算
3.2.1前轴断面分析图
由于前轴为不规则工字型钢锻铸形成，因此前轴的受力点是变化的，必须取点分段进行设计与力的校核。
选择下述三个部位计算分析其断面的弯矩、扭矩
如下图3-2所示
图3-2三个不同的断面部位计算分析其断面的弯矩、扭矩
Figure3-2Calculationofthreedifferentsectionsofthecrosssectionareamoment,torque
A断面位于钢板弹簧座内侧，属于前轴中部最弱部位。
此断面内弯矩最大（钢板弹簧座可视为梁的固定端），故两钢板弹簧之间这段梁可不考虑受扭）
B断面处的弯矩，扭矩均较大
C断面位于梁端，此断面内扭矩最大，而弯矩最小
各断面的计算参数如下表3-3
表3-3
参数
A
B
C
断面长度L
334
250
166
断面高度h
136
128
0
3.2.2各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析）
一、紧急制动
垂直面内弯矩
水平面内弯矩
（3-6）
上式中Li对应与A、B、C断面分别带入La、Lb、Lc、
钢板弹簧外侧扭矩
（3-7）
上式中hi对应与A、B、C断面分别带入ha、hb、hc。
二、侧滑
左侧各断面垂直面内弯矩
（3-8）
上式中Li,hi带入值与紧急制动时一致
面内并在转向节上、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，故有
QMZ=
=
=7590N（3-30）
制动力矩Prrr由位于纵向平面内并作用于主销的力Qmr所形成的力偶Qmr（c+d）所平衡，故有
Qmr=Prrr/（c+d）=Z1
rrr/（c+d）=7437×1.0×314/（48.5+48.5）=24074N（3-31）
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
Qru=
=
=3718.5N（3-32）
Qrl=
=
=3718.5N（3-33）
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=
=
=6402N（3-34）
力N位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为l4，如将N的着力点移至主销中心线与轮轴中心线交点处，则需对主销作用一侧向力矩Nl。
力矩Nl4，由位于侧向平面内并作用于主销的力偶QMN（c+d）所平衡，故有
QMN=
=
=6534N（3-35）
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
QNu=
=
=3201N（3-36）
QNl=
=
=3201N（3-37）
由图3-3可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力Qu和在下衬套的中点作用于主销的合力Ql分别为
Qu=
=
=23097.52N（3-38）
Ql=
=
=32750.25N（3-39）
由上两式可见，在汽车制动工况下，主销的最大载荷发生在转向节下衬套的中点处，其值计算所得到的Ql。
5.2在汽车侧滑工况下的计算
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QMZ是不相等的，他们分别按下式求得：
QMZL=
=21281.54N（3-40）
QMZR=
=6721N（3-41）
式中：
Z1L，Z1R——汽车左、右前轮承受的地面垂向反作用力，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;
Y1L，Y1R——
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