轻型载货汽车转向桥设计（机械CAD图纸）

本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 0 轻型载货汽车转向桥设计 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 1 The design of the truck steering axle Abstract This design is Steering Axle for heavy trucks. The design is need to adapt to different road and under different speeds, so the stability of front axle higher requirements. In car design, manufacture, and should be based on both have enough carrying capacity, and can achieve durable economic thoughts options, in order to reduce the production cost, and meets the requirements in the structure of situations should as far as possible simple. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. (2) Ensure adequate rigidity: in order to change the wheel alignment parameters. (3)To ensure the correct positioning of steering wheel angle: to make the steering wheel movement and stability, manipulating light and reduce tire wear. (4) The steering axle of quality should be as small as possible: to reduce the non-sprung mass, improve vehicle ride comfort. Works by analyzing the design of steering knuckle, front axle, kingpin and other parts of the size, so that the strength of the various components to meet the check, and use other mapping software caxa assembly drawing and parts are drawing. Key words: steering axle; positional parameters; knuckle; front axle；kingpin 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 0 目录 摘 要 .1 1.汽车转向桥的概况 .3 1.1 汽车转向桥目前状况 .3 1.1.1 汽车前桥的分类 .3 1.1.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响 .3 1.2 从动桥的结构形式 .7 1.2.1 从动桥总体结构 .7 1.2.2 载重汽车从动桥 .8 1.2.3 载重汽车从动桥 .9 1.2.4 设计意义 .9 2.转向桥的设计结构参数 .10 2.1 结构参数选择 .10 2.2 从动桥总体结构选择 .10 2.3 确定前桥具体结构型式 .10 3.前轴设计 .11 3.1 前轴强度计算 .11 3.1.1 前轴受力分析简图 .11 3.1.2 前轴载荷的计算（分三种工况分析 ） .12 3.2 前轴弯矩及扭矩计算 .13 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 1 3.2.1 前轴断面分析图 .14 3.2.2 各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析） .15 3.3 断面系数计算 .21 3.4 应力计算 .23 3.5 前轴材料的许用应力 .23 4.转向节设计 .23 4.1 截面系数计算 .24 4.2 弯矩计算 .24 4.3 应力计算 .24 4.4 转向节的材料、许用应力及强度校核 .25 5.主销设计 .25 5.1 在汽车工况下计算 .26 5.2 在汽车侧滑下计算 .27 6.转向传动机构设计 .28 6.1 推力轴承和止推垫片计算 .28 6.2 杆件设计结果 .30 7.经济技术分析 .31 7.1 我国汽车车桥行业发展历程 .31 7.2 国内汽车车桥产量和市场容量分析 .31 7.3 汽车车桥业发展特征及问题透视 .31 7.4 车桥产品结构解析转向桥经济性分析 .31 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 2 7.5 提高转向桥经济性 .32 8.结 论 .33 致 谢 .34 参 考 文 献 .35 附 录 .36 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 3 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 4 销上部向内倾斜一个 角，称为主销内倾角。 图 1-1 主销内倾角 Figure 1-1 Kingpin Inclination 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 3040mm。轻85 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3 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 5 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 Figure 1-2 camber and caster angle 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5.101 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。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 6 图 1-3 前束 Figure 1-3 toe 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 35mm，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(35km/h)。 通常在高速行驶时发生的摆振往往属于受迫振动型。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 7 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。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 8 （a） (b) (c) (d) 图 1-4 主销结构形式 FIG. 1-1 the kingpin structure (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)Cylindrical solid model (b) cylindrical hollow (c) Ranging in diameter from top to bottom- side columns, the middle of the cone of the main sales (d) lower than the upper part of thin cylindrical kingpin 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。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 9 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 10 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 主销后 倾角 前轮外 倾角 a 前轮前 束 1330 1460 314 6 2 1 24 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 11 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 Figure 3-1 Bridge in the braking and steering yaw driven condition of the force analysis diagram 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 - braking and torque diagram of bending moment diagram 2 - yaw moment map condition 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 12 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 =0.7 制动时前轴轴载质量重新分配分配系数 m1= = =1.34 （3-1）12Lhg1.5407 垂直反作用力：Z1l= Z 1r= =7437N21Gm034. 横向反作用力：X1l=X 1r= =5205.9N （3-2）1 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=G1，为保证不横向翻车，须使 V 滑V 翻 ，则有：gRVG 21 ，所以 ，得到 =0.822，取 =0.7hB21hgB211.28 （2）对车轮接地点取矩 垂直反作用力： Z = =8436N)1(1BgGl )46.1705(20 Z =2664N （3-3）)(21hl 横向反作用力 Y1l =5905.2N )1(1BgG Y1r =1864.8N （3-4）21h 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 13 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）13875205.11 GZrl 载荷计算结果列表，如下表 3-2： 表 3-2 单位 N Z1 7437 紧急制动 X1 5205.9 Z1l 8436 Z1r 2664 Y1l 5905.2 侧滑 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 14 图 3-2 三个不同的断面部位计算分析其断面的弯矩、扭矩 Figure 3-2 Calculation of three different sections of the cross section area moment, 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 1MiZL 水平面内弯矩 （3-6）Xi 上式中 Li 对应与 A、B、C 断面分别带入 La、Lb、Lc、 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 15 钢板弹簧外侧扭矩 （3-7）1riMnXh 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 11ri(ZY)(h) （3-8） 上式中 Li,hi 带入值与紧急制动时一致 三、越过不平路面 垂直面内弯矩 （3-9）1iMZL 式中 Li 带入与上面计算中一致 弯扭矩计算结果如下表 3-4 所示： 表 3-4 （单位：N） 结 果 工况 A B CM 2483958 1859250 123454.2 1738770.6 1301475 864179.4 紧急制动 Mn 926650.2 968297.4 1634652.6 侧滑 450482.4 470728.8 -794671.2 越不平路 M4634250 3468750 2303250 3.3 断面系数计算 AA 工字形断面前轴 断面简图 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 16 本汽车前轴简化为换算断面形状后如图 3 所示 图 3-3 前轴简化后 c 断面计算图 Figure 3-3 Front axle simplified calculation chart c section 如图计算断面系数 一、求 A 断面 如图 3 所示 1）垂直面内抗弯断面系数 =47117.57N.mm （3-10）67376 331HhbBWI 2）水平面内抗弯断面系数 （3-11） mNBtht .7942016673132631 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 17 二、B 断面 换算断面简图如图 4 图 3-4 前轴 B 断面计算简图 Figure 3-4 Front axle cross section diagram calculation 1）垂直面内抗弯断面系数 B 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：Fiy1 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 18 = （3-12）hBbttHtBt )()2/(*2/1(2/1*11 =29.3 H2=y2-t2=27.7 H1=h-h2=12.3 （3-13） 该断面对形心轴的惯性矩： （3-14 ） 2）上翼面的抗弯断面系数： （3-15）3 15947.826.myJWxc上 3）下翼面的抗弯断面 系数： （3-16） 4）水平面内抗弯断面系数： 432132131726. )(mhbyhByJxc8.29376yH 1 324816.07.myJxc下 33212896.)(mhtbtBW 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 19 （3-17） 5）抗扭断面系数 由经验公式得 （3-18 ）3 33323 218.74467)(9.18)0(1.3)()(467589218. )3467(.104760.)2(. 1.3)2047(6.16.mbBChHWntbBbBhHCB 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 20 三、C 断面 C 断面计算简图如图 如图 3-5 前轴 C 断面计算简图 Figure 3-5 front axle diagram of a cross section calculation 1）垂直面内，水平面内抗弯断面系数： （3-19） 2）抗扭断面系数： （3-20） 各断面尺寸参数见表 3-5： 表 3-5 单位： mm A-A B-B C-C B 76 94 B1 76 601t 13 13 3224 7.1604536.98mHbW 3334 4.209146. mbW 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 21 b 76 58 431 63 442t 13 13 t 13 42 h 37 40 H 66 70 52 断面系数计算结果列表见表 3-6 表 3-6 单位： 3m A-A B-B C-CW 47117.57 59475.98 19378.7 79420.16 42816.86 16024.7n 28896.39 20910.34 3.4 应力计算 一、汽车紧急制动时 垂直面内弯曲应力 （3-21）WM 水平面内弯曲应力 （3-22） 合成应力 （3-23）合 计算扭转应力： 在矩形长边中点上的扭转应力 （3-24）nWMmax 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 22 在矩形短边中点上的扭转应力 （3-25）max 工字形断面中所产生的最大应力和最大扭转应力是作用在梁断面上的不同 点处。对于上翼面长边中点，其相当应力： 23合d （3-26 ） 二、汽车侧滑时 垂直面弯曲应力 WM 三、汽车越过不平路面时 垂直面弯曲应力 应力值计算结果如表 3-7 所示： 表 3-7 单位： 28/10mN A-A B-B C-C 52.7 31.3 26.06 21.8 30.3 36.7max 33.5 31.8紧急制动 d 372.59 95.1 94.56 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 23 侧 滑 9.6 7.9 -16.7 越不平路 58.36 81 9.7 3.5 前轴材料的许用应力 一、材料：30Cr 调质硬度 ： HB241281 ：800937)/(2mNb 二、许用应力： bs)7.06(合 ss7.0 4.转向节设计 图 4-1：转向节、主销、及转向节衬套的受力计算用图 Figure 4-1: knuckles, kingpins, and the steering knuckle bushing diagram for calculating the force 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 24 计算所需作用力 、 、 按表 1-1 取值1ZX1Y 4.1 截面系数计算 取轮毂内轴承根部处指轴为计算断面 12.4578326dW （4-1） 4.2 弯矩计算 一、紧急制动时 （4-9.18542074320121 XZCM制 2） 二、侧滑时 16854059861rY制 （4-3） 三、超越不平路面时 2750138CZM制 （4-4） 4.3 应力计算 一、紧急制动 6.3912.4578WM制 （4-5） 二、侧滑时 5.3612.45780侧 （4-6） 三、越不平路面时 61.02.4578WM越 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 25 （4-7） 弯矩、应力计算结果列表见表 4-1 表 4-1 功 况 M 紧急制动 181549.99 39.66 侧 滑 -1685450 -368.15 超越不平路 277500 60.61 4.4 转向节的材料、许用应力及强度校核 转向节材料选用 ：40Gr 许用应力 查 YB6-71： s 2/980mNb )75.6.(bS 5 主销设计 在制动和侧滑工况下，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，在侧向平面和纵向平面内，对主销作用有垂直其轴线 方向的力。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 26 5.1 在汽车制动工况下的计算 地面对前轮的垂向支承反力 Z1 所引起的力矩 Z1l1,由位于通过主轴线的侧平 面内并在转向节上、下衬套中点处垂直地作用于主销的力 QMZ 所形成的力偶 QMZ（c+d ）所平衡，故有 QMZ= = =7590 N (3-30)(1dclZ5.48.973 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）=Z 1 rrr/ (c+d) =74371.0314/（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、Q rl 所平衡，且有 Qru= = =3718.5 N (3-32)(rdc5.48.73 Qrl= = =3718.5 N (3-33)(Pr. 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= = =6402 N (3-34)51rl9743 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= = =6534 N (3-35)(4dcNl5.8.9602 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= = =3201 N (3-36)(dc5.48.602 QNl= = =3201 N (3-37)(N. 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 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 27 点作用于主销的合力 Ql 分别为 Qu= =22)()( ruMNuMZQ5.37184031654790 =23097.52 N (3-38) Ql= =22)()( rlMNlMZQ 22)5.371840()31654790 =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= )/(1dcrYlZL )5.48./()95031486( =21281.54N (3-40) QMZR= )/(1dcrYlZR )5.48./()91864326( =6721 N (3-41) 式中：Z 1L， 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，Y 1R左、右前轮承受地面的侧向反力，N； G1汽车静止于水平路面时的前桥的轴荷，N； 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 28 hg汽车质心高度，mm; B1汽车前轮轮距，mm; 轮胎与路面的侧向附着系数，计算时可取 =1.0. 取 Ql, QMZL, QMZR 中最大的作为主销的计算载荷 Qj,计算主销在前梁拳部下 端处的弯曲力 w 和剪应切力 s w= = =497.5 MPa (3-42)301.d hj 324.175 s= = =72.5 MPa (3-43)20 4Qj2. 式中:d 0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=413MPa;许用剪切应力 s=66MPa。 主销采用 20Cr,20CrNi,20CrMnTi 等低碳合金钢制造，渗碳淬火，渗碳层深 1.01.5mm,5662HRC 。 6.1 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 推力轴承计算 对转向节推力轴承，文献推荐取汽车以等速 va=40km/h、沿半径 R=50m 或 以 va=20km/h,沿半径 R=12m 的圆周行使的工况作为计算工况。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。 汽车前桥的侧滑条件为 P1=m1 Y 1L+Y1R=G1 1=m1g 1=820101.0=8200N (3-46)Rva 2 式中：P 1前桥所受的侧向力，N； m1汽车满载时的整车质量分配给前桥的部分； 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 29 R汽车转弯半径，mm; va汽车行使速度， mm/s; g重力加速度，mm/s 2； Y1L、Y 1R地面给左、右前轮的侧向反作用力，N； 1轮胎与地面的侧向附着系数； G1汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷， N。 由上式可得 1= (3-47)gaR v2 Z1L= (3-48)(2 211gaBhG 将上述计算工况的 va、R 等的有关数据代入(3-44), (3-45)式，并 hg/B=0.5, 则有 Z1L=1.25G1/2=0.625G1 可近似地认为推力轴承的轴向载荷 F，等于上述前轮的地面垂向反力，即有 Fa=0.6256G1=0.6256150=3844 N (3-49) 鉴于转向节推力轴承在工作中的相对转角不大的及轴承滚道圈破坏带来的 危险性，轴承的选择按其静承载容量 C0 进行，且取当量静载荷 P0 为： P0=（0.50.33）C 0 转向节止推垫片的计算 当采用青铜止推垫片代替转向节推力轴承时，在汽车满载情况下，止推垫 片的静载荷可取为 Fa= = =3075 N (3-50)21G650 这时止推垫片的挤压力为 c= =1 MPa (3-51)( 42dDa 式中：d；D止推垫片的内、外径。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 30 通常取 c30MPa 6.2 杆件设计结果 设计计算结果如表 6-2 所示 表 6-2 设计零件 长度 右转向节臂/mm 128 左转向节臂/mm 128 转向横拉杆/mm 922 7.经济技术分析 7.1 我国汽车车桥行业发展历程 我国汽车车桥行业发展迅速，经过几十年的时间，已经形成了一定的市场规模， 虽然目前我国汽车力桥行业与国外先进技术相比还有所差别，但是相信随着社 会的不断发展，我国汽车车桥行业将会有更大的进步。 7.2 国内汽车车桥产量和市场容量分析 2003 年我国车桥产量达到800 万只，2004 年我国车桥产量超过1000 万只，达 到1080 万只，2005 年我国车桥产量达到1800 万只，市场容量达到2000 万只 左右。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 31 7.3 汽车车桥业发展特征及问题透视 我国汽车车桥业发展迅速，市场规模也在逐渐增长，在发展的同时也存在一定 的问题，如技术、质量、外观、功能等众多问题，与国际产品相比，都有一定 的差距，市场竞争激烈，要想在竞争的市场当中占有一席之地，我国车桥生产 企业产品还需要进一步改善。 7.4 车桥产品结构解析转向桥经济性分析 行驶系分为四大主要部分：车桥、车轮、车架和悬架。车桥(也称车轴)通 过悬架和车架(或承载式车身)相连，两端安装汽车车轮。其功能是传递车架(或 承载式车身)与车轮之间各方向作用力。 车桥可以是整体式的，有如一个巨大的杠铃，两端通过悬架系统支撑着车 身，因此整体式车桥通常与非独立悬架配合；车桥也可以是断开式的，象两把 雨伞插在车身两侧，再各自通过悬架系统支撑车身，所以断开式车桥与独立悬 架配用。 根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥 四种。其中转向桥和支持桥都属于从动桥。大多数汽车采用前置后驱动(FR)， 因此前桥作为转向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动(FF)汽车则前桥成为转 向驱动桥，后桥充当支持桥。转向桥的结构基本相同，由两个转向节和一根横 梁组成。如果把横梁比做身体，转向节就是他左右摇晃的脑袋，脖子就是我们 常说的主销，车轮就装在转向节上，仿佛脑袋上带了个草帽。不过，行驶的时 候草帽转，脑袋却不转，中间用轴承分隔开，脑袋只管左右晃动。 汽车转向桥是汽车主要的部件之一，它包括承载车身负荷及完成灵活转向的目 的。本次设计主要完成以下任务： （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。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 32 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 7.5 提高转向桥经济性 1.优化零件设计。对转向节、主销、前轴的设计要合理，进行充分的受力分析， 在保证满足载荷需求的前提下，尽量减小各个零件的尺寸。 2.使用合适的材料。材料的选择要根据受力、零件的接触方式、及各个零件的 配合运动关系进行选择，本着低成本，高性能的要求进行选择。建议选择高强 度合金钢，如 20CrNi 等材料。 本次设计根据以上两个方法，对转向桥的各个零件进行了合理的设计，并且选 择了较为合适的材料，这样就大大的提高了转向桥的经济性。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 33 8 结论 近年来随着生产水平汽车水平和路面的改善，汽车行使速度的不断提高， 同时人们对客车的性能要求也越来越高，如何保证既要具有高的行使速度又要 具有良好的转向性能以满足用户的要求，是亟待解决的问题。针对此现象，本 论文选择汽车的主要组成部分转向桥来进行设计并以 CA1021 轻型货车转向桥作 为研究对象。 本设计以汽车设计为理论基础，在设计中确定了转向桥设计方案，设 计了转向桥及其零件组成，通过计算设计出了主要零件的尺寸、强度和合理的 整体布局。设计后的转向桥具有结构简单、紧凑、重量轻、转向灵敏的特点， 制造容易，成本低。广泛用于微、轻型载货汽车。 本文所设计的转向桥对同类型的转向桥的设计有一定的参考价值。 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 34 致谢 此次毕业设计经过十几周的努力已经结束了，在这十几周的时间里我已经 按照预期的目的设计好了前期老师所给定的题目，已经基本完成了老师所布置 的任务。由于水平有限，缺乏实际经验，本设计还有很多不足之处。本设计是 在指导老师的积极鼓励和精心指导下完成的。指导老师丰富的理论知识、实践 经验和严谨的治学态度使我在专业知识方面受益。在此要非常感谢指导老师长 时间的帮助与指导。 我要感谢帮助所有汽车工程系的老师，你们丰富的理论知识、实践经验和 严谨的治学态度使我在专业知识方面受益匪浅，你们无微不至的关怀对我论文 的完成起到了极大的帮助作用。 在这里，我要特别感谢在设计中给予我大力支持的所有老师，他们渊博的 专业知识，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，将一直是 我工作、学习中的榜样。本设计过程中遇到了很多困难，老师们的辛勤指导对 本论文的完成起到了至关重要的作用。在我做毕业设计的每个阶段，从开始的 查阅资料，到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等 整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是指导教师仍 然细心地纠正图纸中的错误。在本毕业设计的过程中，我向老师学习到的不仅 仅是专业知识，面对困难时的坚韧性格，更学到了如何做人。“欲做事，先做 人”将在我今后的学习和工作中成为我做人的准则，成为我人生路上的宝贵财 富。 能够顺利的完成毕业设计，在此对各位老师和同学以及在设计期间，曾经 对我的毕业设计给予帮助的领导、老师、同学表示最诚挚的谢意！ 最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩 的各位老师再次表示感谢！ 本科机械毕业设计论文 CAD 图纸 QQ 401339828 35 参考文献 1 王洪欣.机械设计工程学() M.徐州:中国矿业大学出版社 ,2001. 2 王洪欣.机械设计工程学() M.徐州:中国矿业大学出版社 ,2001. 3 竺延年.最新车桥设计、制造、质量检测及国内外实用手册M.中国知识出版社, 2005. 4 陈家瑞.汽车结构M.吉林工业大学 ,2000. 5 徐清富.国外汽车最近结构手册M.北京:机械工业出版社 ,1996. 6 D.J.Segal.Highway Vehic Object Simulation ModelM .Programmers Manual,1976. 7 程振彪.世界载货汽车工业最新发展动态M.汽车科技 ,2001. 8 谢卫国,汪红心.货车平顺性预测与优化J.汽车工程 ,1991,(3):6979. 9 神龙汽车有限公司著编.中国轿车丛书-富康M.北京 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