[机械仪表]1092汽车前桥设计

武汉理工大学华夏学院毕业设计郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 毕业设计(论文)开题报告 题目1092汽车前桥设计1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 前桥是汽车上一个重要的总成件，主要包括转向节、转向主销、前轴等零部件，由于在汽车的行驶过程中，前桥所处的工作环境恶劣，工况复杂，其承受的载荷也多为交变载荷，从而其零部件易出现疲劳裂纹甚至断裂现象。这就要求其在结构设计上必须有足够的强度、刚度和抗疲劳破坏的能力。车桥通过悬架与车架连接，支撑着汽车大部分重量，并将车轮的牵引力或者制动力，以及侧向力经过悬架传给车架。无论从重要程度来讲，还是从价格来看，车桥都是商用车上仅次于发动机和车身（驾驶室）的三大核心总成之一。过去，国内商用车整车企业的发展战略是车身必须自制，发动机立足或争取自制，而车桥则一般采用社会资源。然而，随着近年商用车市场，特别是中、重型卡车市场竞争的加剧，为了在核心总成上不受制于人，国内一汽、东风和中国重汽等主要商用车企业要么投巨资、重兵布局发展自己的车桥业务；要么积极主动与有关大型车桥生产企业建立长期战略联盟，以确保自己稳定的零部件供应。下面特别就国内商用车车桥行业现状、面临的挑战、产品发展动向及主要生产企业发展动态进行深度分析。据中国汽车工业协会近期统计数据显示，截至9月底，全国总计销售汽车722.91万辆，同比增长11.94%。其中，乘用车销售510.32万辆，同比增长11.36%；商用车销售212.60万辆，同比增长13.35%，这一增幅与2007年一样，继续超过乘用车。商用车中的卡车销售186.39万辆，同比增长14.90%，而其中的重卡销售增长率依然高达27.22%，是商用车各大细分车型中最高的。显然，车桥行业是随着商用车行业的发展而不断提升的，近几年商用车市场，特别是重卡市场的良好形势推动了与其配套的车桥行业快速增长。据粗略统计，2007年我国商用车车桥的市场销量已超过550万根，销售金额超过800亿元人民币。从产品分类来看，商用车车桥主要分为前桥和后桥。其中前桥包含简单前桥和带有驱动功能的转向桥；而后桥则可分为普通后驱动桥、支撑桥和一些重型车上应用的双后桥驱动的贯通桥（中桥）与后驱动桥。在商用车车桥行业，前桥业务仅占整个车桥行业全部销售额的30左右。前桥中简单前桥占绝对主导地位，而具有驱动功能的前桥应用非常小，仅在需要特殊工况下工作的军用卡车，及在石油、工矿、林业、野外作业等特殊领域的车辆中使用。对于后桥，普通后驱动桥占绝对主导地位，而支撑桥与贯通桥的份额不到10 从商用车车桥行业企业竞争格局来看，若按车桥的承重来分，国内近百家车桥生产企业可分为中重型和轻型两大类。中重型车桥市场的企业竞争非常激烈 目前，国内中、重型车桥生产企业主要集中在东风德纳车桥有限公司、一汽解放汽车有限公司车桥分公司、中国重汽济南桥箱有限公司、陕西汉德车桥有限公司、安徽安凯福田曙光车桥有限公司、一汽山东汽车改装厂及青特众力车桥有限公司等七家主要的生产企业，其2007年中重型车桥产量均超过了12万根，它们在中重型车领域的市场份额之和高达90以上，市场集中度很高。造成这种态势的主要原因一是国内中重卡企业普遍偏爱采用自己建厂或控股的车桥企业产品进行配套，二是由于中重型桥比轻型桥的利润率要高得多。也正是这两个原因，本文下面比较分析的重点也主要针对此七家企业。轻型车桥市场的企业竞争程度较低由于轻型桥的附加值和技术壁垒相对较低，再加上轻型整车厂家车桥采购体系相对开放，故目前的轻型车桥市场竞争激烈程度和市场集中度均不高。目前国内轻型车桥生产企业多达80余家，其中比较知名的有三环车桥公司、曙光车桥公司、湖南车桥厂、博盈车桥公司、江淮汽车底盘公司等，但它们的市场份额普遍不高。不过轻型桥市场的这种竞争状况有利于轻型桥行业的技术进步和新进入企业的快速发展。2、 基本内容和技术方案 本课题所研究1092汽车，其前桥为转向从动桥，需要适应在不同路况，不同速度下的稳定行驶，因此对前桥的要求也就要越来越高。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车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。转向车轮摆振的发生原因与影响因素很复杂，既要有结构设计的原因和制造的原因，如轮胎失衡，轮胎的机械特性，系统的刚度与阻尼，转向车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和摩擦系数等。合理选择相关参数，优化它们之间的匹配，精心的制造和装配调整，有效地控制前轮摆振的发生。 为了更好的设计汽车前桥技术，更好的与国际汽车技术接轨，本文以小型载货汽车的前桥设计与研究为例，现提出一下设计要求：1）保证有足够的设计强度：以保证可靠地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摩擦4）转向桥的质量应尽量小，以减小非簧上质量，提高汽车行驶平顺性5）采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向前桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是前桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。6）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。7）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。3、进度安排 第1周： 下发毕业设计任务说明书，校内资料收集 第2-3周： 方案构思，完成开题报告 第4-7周： 设计计算、结构草图、外文翻译 第8-10周：图样绘制，编写设计计算说明书，中期检查 第11-12周：图样及设计计算说明说整理，资料袋整理，答辩资格审查 第13周： 提交毕业设计给老师评审 第14周： 答辩4、指导老师意见指导教师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后三周内完成；2设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。28目录摘要11 绪论21.1 中型载货汽车的发展前景21.2 前桥的组成和设计步骤32 前桥的基本概况和设计要求42.1 前桥简介42.2 前桥的基本参数52.3 前桥的设计标准63 前桥的结构形式73.1总述73.2前桥的选择83.2.1 前桥的结构形式83.2.2 整车参数84 前桥的设计计算94.1 前桥在三种工况下的受力分析94.1.1 制动工况下的前桥应力计算114.1.2 在最大侧向力(侧滑)工况下的前桥应力计算134.1.3 越过不平路面工况的前桥应力计算144.2.1 在制动工况下的转向节应力计算154.2.2 在汽车侧滑工况下得转向节应力计算164.3 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算164.3.1 在制动工况下164.3.2 在汽车侧滑工况下174.4 转向节推力轴承和止推垫片的计算194.4.1 推力轴承的计算194.4.2 转向节止推垫片的计算214.5 轮辋尺寸的确定215 结论23参考文献24致谢25摘 要 前桥是汽车的重要组成部分，中型货车的前桥为非断开式转向从动桥。前桥对货车的转向功能和行驶稳定性有很重要的影响。在货车前桥的设计和开发过程中，其结构型式、车轮定位参数和强度占有十分重要的地位。本文通过分析各种类型前桥的结构和性能特点，以目前市场上的成熟车型为基础，进行1092型汽车的前桥设计。设计过程中首先提出适用该车型的前桥结构型式，然后进行其主要零件的尺寸计算，最后计算其主要零件工作应力主要是计算前梁、转向节、主销、主销上下轴承（即转向节衬套）、转向节推力轴承和止推垫片等在制动和侧滑工况下的工作应力。设计出既满足强度要求，又有良好转向性能、直线行驶稳定性和自动回正功能的前桥总成。关键词：前桥;1092型汽车;转向节;主销 Abstract The front axle is one of the most important parts of the automobile. The front axle of the medium gravity truck is a disconnected steering followed axle. It makes an important effect on the performance of the steering and the stability. In the design and development of the front axle, the structure, the alignment and the intensity has been a very important task. The article introduces the design of the front axle on the 1092 truck through analyzing the structure and performance all types of trucks and based on the popular vehicles in the market. In the design, its introduced that the structure of the front axle available for that kind of vehicle in the first. Then the calculation about the size of the main accessory is carried on. Finally computing the working stress of them, that is computing the working stress of I-beam configuration, steering knuckle, steering pin, the bearings of on the top and bottom of the steering pin, the push bearings and the push shims etc. The front axle assembly meets the strength requirement, but also have good performance on the steering, steering stability and the automatic function of returning back .Key word: Front axle, 1092 truck, knuckle，steering pin1 绪论1.1 中型载货汽车的发展前景 中国改革开放以来，在农村实行家庭联产承包责任制的改革，使农村的经济空前的活跃。农村的货运量和人口的流动量急剧增加，加快运输机械化成为农村经济发展的迫切需要，正是这一市场的需要使具有中国特色的运输机械-小型载货汽车应运而生。它解决了农村运输的急需，填补了村际，乡际，城镇及城乡结合部运输网络的空白，活跃了农村经济，为农村富裕劳动力找了一条出路，从而使数以万计的农民走上了小康之路！ 中型载货汽车的竞争对手是轻型汽车。与轻型汽车相比，中型载货汽车有许多优点。入世后中型载货汽车没有受到多大冲击，因为它是中国特色的产业，符合国情，在国外几乎没人搞过。但是我们不能回避轻型汽车与中型载货汽车在市场的竞争，中型载货汽车利用比较底的生产成本和微利经营的生产方式并引进先进的汽车技术，坚持“三低一高”的特色，注重产品质量，使之与在汽车行业的竞争中得以提高。中型载货汽车制造工艺简单，价格便宜，四轮车价格在11.5万元/辆，购车农户一般半年左右即可收回10000元投资。另外，中型载货汽车的养路费为每月每吨70元，是汽车的30%，使用成本为同吨位汽车的1/3到1/2。公路快速建设也促进了中型载货汽车的发展。旧中国，全国公路仅13104 km，而到1997年底，已达1.226106 km，目前全国98%的乡和80%的村都通了公路，使得中型载货汽车有用武之地。因此，在近十几年里我国中型载货汽车得到快速发展。1980年全国中型载货汽车产销量不足万辆，1992年产销量达到113万辆，首次超过当年汽车产销量（106.2万辆）。1998年中型载货汽车产销量达到270万辆，而同期汽车产销量为163万辆。我们要开发的中型载货汽车要采用设计理念，多进行优化设计，使产品新颖化，品种多样化以适应多种需要。而在中型载货汽车的设计中，如何适应复杂的路况下保证汽车能快速平稳的行驶，就是一个很重的问题。前桥是汽车上一个重要的总成件，主要包括转向节、转向主销、前轴等零部件，由于在汽车的行驶过程中，前桥所处的工作环境恶劣，工况复杂，其承受的载荷也多为交变载荷，从而其零部件易出现疲劳裂纹甚至断裂现象。这就要求其在结构设计上必须有足够的强度、刚度和抗疲劳破坏的能力。因此就有了本课题的研究和设计。1.2 前桥的组成和设计步骤随着我国交通运输事业的迅速发展，汽车运输的承载重量和运行速度都在不断增加。于是人们对汽车的安全运行也越来越重视，所以对汽车车桥的设计也提出了更高的要求。目前国内关于汽车转向桥的技术研究现状是：中、轻型货车的转向桥设计在市场上已成为通用的成熟的技术，也有非常完备的系列化、标准化的零部件产品，因此短期内不会有较大的技术革新；重型货车由于其载重量的因素，需要更好的转向性能和更稳定的行驶能力，国内的许多厂家和研究机构将研究重点放在双前桥转向系统的开发，并且已经有一批成熟的双前桥重型汽车产品问世。目前国内大多数厂家在进行1092型汽车或类似吨位的汽车前桥设计时，都是参考几款最成熟的产品（如EQ1090E、EQ1092、EQ1098、EQ140、CA1090等），在综合分析各产品的优劣势的基础上，根据自身的设计需要开发类似产品。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。前桥还要承受和传递制动力矩。前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。前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。由于中型载货汽车要求价廉，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、前桥结构形式本设计采用非断开式转向前桥2、前桥设计（1）转向前桥主要零件尺寸的确定：前梁，无缝钢管型断面，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2 前桥的基本概况和设计要求2.1 前桥简介前桥即非驱动桥，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。前桥还要承受和传递制动力矩。 根据从动车轮能否转向，前桥分为前桥与非前桥。一般汽车多以前桥为前桥。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前桥直至全轮转向。 一般载货汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向前桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是前桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。 前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前桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是前桥时，则其两端经转向主销与转向节相联。断开式前桥与独立悬架相匹配。本文设计的是9吨专用载货汽车采用前置后轮驱动的载货汽车前桥，因此该前桥作为前桥。非断开式转向前桥主要由前梁、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。前桥的功用：前桥也称非驱动桥，又称从动车桥。它通过悬架与车架（或承载式车身）相联，两端安装从动车轮，用以承受和传递车轮与车架之间的力（垂直力、纵向力、横向力）和力矩，并保证转向轮作正确的转向运动。2.2 前桥的基本参数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，前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；主销偏移距一般为3040mm。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，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。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。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。2.3前桥的设计标准2.3.1 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（或承载式车身）之间的作用力。（2）保证有正确的车轮定位，使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎的磨损。从桥要有足够的刚度，以使车轮定位参数保持不变。（3）转向节与主销，转向节与前桥之间的摩擦力应尽可能小，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小，以保证汽车的正常，稳定行使。（5）前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。通过对9吨专用载货汽车前桥的设计，可以加深我们的设计思想，即： 1）处理好设计的先进性和生产的可能性之间的关系； 2）协调好产品的继承性和产品的“三化”之间的关系。2.3.2结构参数：本次设计题目为1092型汽车前桥设计，根据设计任务书给出的要求和参数，该车型属于满载质量为9吨的中型载货汽车。目前市场上同类型或吨位相近的车型有很多，因此从动桥的结构与参数可根据设计要求和同类产品的参数进行初选。(1)驱动形式：单驱，装载质量9000kg，汽车总质量2490kg；(2)货箱尺寸33001610360；(3)轮胎型号6.00-15,前单、后双轮胎；(4)有关国家以及行业标准；(5)参照1092型汽车参数和结构。3 前桥的结构形式3.1 总述各种车型的非断开式转向前桥的结构型式基本相同，如图11所示。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。有的汽车的转向前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具成整体式结构。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)（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 图3-1主销结构形式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前桥的选择本设计为9吨载货车的转向前桥，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前桥。转向前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无缝钢管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3-1所示。综上做出如下的选择：3.2.1前桥的结构形式本前桥采用非断开式转向前桥桥结构的选型：本前桥采用非断开式转向从动桥对前梁，转向节，主销，主销衬套等主要部件进行详细的设计计算和相关校核。它通过悬架与车架（或承载式车身）相联，两端安装从动车轮，用以承受和传递车轮与车架之间的力（垂直力、纵向力、横向力）和力矩。并保证转向轮作正确的转向运动。3.2.2 整车参数（1）前桥结构形式：无缝钢管的中间部分和模锻成型的两端拳形部分组焊而成前桥加叉形转向节主销。（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）转向节推力轴承结构形式：滚动轴承(调心球轴承)。（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）轮胎螺栓：左侧左旋，右侧右旋9吨专用载货汽车总布置整车参数见表3.1：Ga =2490*9.8=24402N = 0.3Ga=0.3*24404=8540.7N表3.1汽车总重量Ga（N）前桥轴载重量（N）汽车质心至前桥中民线距离L（mm）汽车质心至后轴中心线距离L (mm)轴距L（mm）前轮距B (mm)前钢板弹簧座中心距s (mm)244028540.71852.5997.528501345660主销中心距 (mm)汽车质心高度hg(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（mm）115084035262124 前桥的设计计算本车为单桥驱动的两轴汽车，即前桥为前桥、后桥为驱动桥，由于整体式车桥较断开式车桥具有经济性高、强度大、结构紧凑、安装维修方便的优点，所以，本车决定采用整体式前桥。前桥前桥要求采用钢管型梁结构，前桥后桥均采用非独立悬架形式。转向前桥的设计计算主要是计算前桥、转向节、主销、主销上下轴承（即转向节村套）、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。绘制计算用简图时刻忽略车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角均为0，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。4.1 前桥在三种工况下的受力分析前桥的受力及弯矩图如下： 图 41转向前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、作用在前桥左、右车轮上的铅直反力（垂直路面）作用在前桥左、右车轮上的制动力（垂直前桥，贴于路面）、作用在前桥左、右车轮上的侧向力（平行前桥，贴于路面）前桥满载静负荷(本车为8540.7N)前车轮轮胎滚动半径（本车352mm）车轮满载重心高度（本车960mm）前轮距（本车1345mm）s前桥两板簧座中心距（本车660mm）两转向节销孔中心线与转向节轴颈中心线交点间的距离（本车1150mm）4.1.1制动工况下的前梁应力计算:制动时前轮承受的制动力和垂向力传给前桥，使前桥承受转矩和弯矩。此时制动力最大，侧向力、为0。考虑到制动时汽车质量向前前桥的转移，则前轮所承受的地面垂向反力为 = （4-1）式中：汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷，N；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取1.41.7。此处取1.5。质量分配给前桥35%。=0.58540.71.5=6405.525N前轮所承受的制动力 式中：轮胎与路面的附着系数取为0.6；=6405.5250.6=3843.3 N由于和对前梁引起的垂向弯矩和水平方向的弯矩在两钢板弹簧座之间达最大值，分别为： Nmm (4-2) Nmm (4-3)式中：见图41，其中=97.5mm, =342.5mm车轮(包括轮毂、制动器等)所受的重力，N；取=900N；B前轮轮距取B=1345 mm；s前梁上两钢板弹簧座中心间的距离取为660 mm其中=97.5mm, =342.5mm则 =1885642.313 Nmm =1316330.25 Nmm制动力还使前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转矩T：T= Nmm式中：轮胎的滚动半径取为352 mm则有 T=3843.3352=135284.16 Nmm前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力和扭转应（单位均为MPa）分别为： （4-4）式中: 为铅直反力在垂直平面内的弯矩；为制动力在水平面内的弯矩；W 前梁弯曲截面系数，W=。在设计中为了预选前梁在板簧座处的弯曲截面系数()，可采用经验公式 = （4-5） 式中，m为作用在该前梁上的簧上质量（kg）；l为车轮中线至板簧座中线间的距离（cm）,2200为系数（）。对于该种车辆，选m=74%，l=l=342.5mm，故=28686对于圆形截面，W=。则初步预算出D=67mm.取D=70mm，d=50mm。则W=12470.=30999。板簧座处弯曲应力和扭转应力（危险断面为圆面）所以将数值代入（5-4）中的=184.7；=4.4前梁可采用45、30Cr、40Cr等中碳钢或中碳合金刚制造，硬度应达到HB241285。 此处采用40Cr，因此由机械设计手册可查得前桥应力的许用值为 经校核此工况下符合强度要求。故D=70 mm ，d=50 mm符合要求。 4.1.2 在最大侧向力(侧滑)工况下的前梁应力计算设向左侧滑，如汽车高速行驶时，急速右转弯。确定侧向滑移附着系数： 在侧滑的临界状态，横向反作用力等于离心力，并达到最大值=,=G1,为保证不横向翻车，须使，则有：，所以，得到=0.80，取=0.65。此时汽车承受最大侧向力时无纵向力的作用，此时前梁仅受弯矩而没有转矩。左、右前轮承受的地面垂直反作用力、和横向侧向反力、各不相等，前轮的地面反力（N）分别为= （4-6）= （4-7） = （4-8）= （4-9） 式中，为汽车停于水平路面时的前桥轴荷（N）；B为汽车前轮轮距（mm）；为汽车质心高度（mm）；为侧滑附着系数，=0.65。此时，向右作用。则有： 汽车向左侧滑时，前桥在铅直面内的弯矩图如5-1图中的第2种工况，由该弯矩图可见，前梁的最大弯矩出现在侧滑方向一侧拳部的主销孔处，而另一侧出现在板簧座处，可求出 （4-10） （4-11） 代入数值得：=7737.4*97.5-5029.3*352=-1015917.1N.mm=803.3*342.5-522*352=91386.25N.mm 则在这两处的弯曲应力分别为=81.5MPa=7.4MPa 经校核此工况下符合强度要求。4.1.3 越过不平路面工况的前梁应力计算： 汽车越过不平路面时，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。此时仅受弯矩而不受转矩。作用在前梁铅直面内的弯矩M= （4-12）式中动载荷系数，载货汽车25。代入数值得=3656487.188 N.mm其中M在两钢板弹簧座之间达到最大，则弯曲应力=293MPa 经校核此工况下符合强度要求。4.2 转向节在制动和侧滑工况下的应力如图42所示，转向节的危险断面在轴径为的轮轴根部即III-III剖面处。图42 转向节，主销及转向节衬套的计算用图转向节的危险断面处于轴径为d的轮轴根部，即剖面处。转向节采用40Cr制造，心部硬度HB241285，高频淬火后表面硬度HRC5765，硬化层深1.5mm，轮轴根部的圆角滚压处理，许用弯曲应力为=550MPa。4.2.1在制动工况下的转向节应力计算转向节在剖面处的轴径仅受垂向弯矩和水平弯矩而不受转矩，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，这时可按公式（4-2）和（4-3）计算其和，但需要以l替换其中的l。即=()l=* l （4-13）= （4-14）式中：转向节的轮轴根部轴径取为45mm，=30mm，=550MPa，剖面处的合成弯曲应力为= （4-15）代入数值得 =165165.75 Nmm =115299 NmmW=8947.3所以=22.5MPa=550MPa，符合要求4.2.2 在汽车侧滑工况下得转向节应力计算 在汽车发生侧滑时，左、右转向节在危险断面-处得弯矩是不等的，可分别按下式求得： （4-16） （4-17）左、右转向节在危险断面处得弯曲应力为 (4-18) （4-19）代入数值得=168.8MPa=22.8MPa由于=550MPa，符合要求。4.3 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、下衬套的中点，即与轮轴中心线相距分别为c、d的两点处，在侧向平面(图52(b)和纵向平面(图52(c)内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。4.3.1 在制动工况下地面对前轮的垂向支承反力Z所引起的力矩，由位于通过主销轴线的侧向平面内并在转向节上、下衬套中点处垂直的作用于主销的力(N)所形成的力偶矩所平衡(见图52(b)，故有= （4-20）式中取97.5mm，c取58mm，d取65 mm；则=5077.6N。制动力矩P由位于纵向平面内并作用于主销的力所形成的力偶矩（c+d）所平衡（如图52(c)），故有= N （4-21）代入数值得=10998.7N而作用于主销的制动力P则在转向节上、下衬套中点处作用于主销的力、所平衡(见图52(c)，且有= （4-22）= （4-23）由前桥的俯视图（如图）可知，制动时转向横拉杆的作用力N为N= （4-24）式中为转向横拉杆与前梁得距离。取=155mm代入数值得=2031N =1812.3N N=3046.5N力N位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为l，如将N的着力点移至主销中心线与轮轴中心线的交点处，则需对主销作用一侧向力矩N l（如图）。力矩N l由位于侧向平面内并作用于主销的力偶矩所平衡，故有= （4-25）代入数值得 =1981.5N 而力N则由在转向节上下衬套中点处作用于主销的合力、所平衡，且有 = （4-26） = （4-27）代入数值得 = 1610 N =1436.3N由图可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力和在下衬套的中点作用于主销的合力分别为= （4-28）= （4-29）由以上两式可见，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，其值为= 15371.8N (=14123.2N) 4.3.2 在汽车侧滑工况下 汽车发生侧滑时，仅有在侧向平面内起作用的力和力矩，且作用于左、右转向节主销的力是不相等的。他们可分别按下式求得： （4-30） (4-31)式中：、汽车前桥左、右车轮上承受的地面垂向反作用力（垂直路面）N；轮胎中心线至主销轴线的距离(97.5mm)；前轮轮胎滚动半径（本车352mm）；、作用在前桥左、右车轮上的侧向力（平行前桥，贴于路面），N；c、d见图4-2前桥满载时静止于水平路面时前桥给地面的载荷(本车为8540.7N，见表1)；车轮满载重心高度（本车840mm，见表3.1）；前轮距（本车1345mm，见表3.1）；轮胎与路面的侧向附着系数，计算时可取=0.65。取中最大的作为主销的计算载荷，计算主销在前桥拳部下端面处的弯曲应力和剪切应力。代入数值得= 15371.8N =8259.5N =2130.6N所以=15371.8N= （4-32） = （4-33）式中：d主销直径，取25mm；h转向节下衬套中点至前桥拳部下端面的距离，见图4-2，取30mm；此时求得=295MPa， =32MPa 主销的许用弯曲应力为=500MPa；许用剪切应力=100MPa。主销采用20Cr，20CrNi，20CrMnTi等低碳合金钢制造，渗碳淬火，渗碳层深1.01.5mm，5662HRC.本处采用20Cr。经校核符合强度要求。转向节衬套的挤压应力为= （4-34）式中：l衬套长30mm；计算载荷，取中最大值,=15371.8NN；d主销直径，25mm，见图；销的长度50200mm。此时求得=21MPa。转向节衬套的许用挤压应力=50MPa。经校核符合强度要求。在静载荷下，上式的计算载荷取 （4-35）式中：,Z,l，c，d，G见式（4-20）及式（4-1）及其下的说明及图4-1。此时15MPa。代入数值求得=3385N，则=4.5MPa，经校核符合要求。4.4 转向节推力轴承和止推垫片的计算4.4.1 推力轴承的计算 对转向节推力轴承，取汽车以等速=40km/h、沿半径R=50m或以=20km/h、沿半径R=12m的圆周行驶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增大。汽车的前桥侧滑条件为= （4-36）式中：前桥所受的侧向力，N；汽车满载时的整车质量分配给前桥的部分；R汽车转弯半径，mm；汽车行驶速度，mm/s；G重力加速度，；、作用在前桥左、右车轮上的侧向力（平行前桥，贴于路面）N；轮胎与路面的侧向附着系数；前桥满载时静止于水平路面时前桥给地面的载荷(本车为8540.7N)；由上式得： =将此式代入（4-6），得= （4-37）将上述计算工况的、R等有关数据代入式（2-38），并设=0.5,则有 =0.625可近似的认为推力轴承的轴向载荷等于上述前外轮的地面垂向反力，即有 =0.625 （4-38）则=0.625*8540.7=5338N=（0.50.33） （4-39）鉴于转向节推力轴承在工作中的相对转角不大及轴承滚道圈破坏带来的危险性，根据=45mm选轴承内径为d=45mm，轴承的选择按其静承载容量进行，且取当量静载荷 ，故此调心轴承满足要求。所选取的轴承尺寸为d=45mm，D=85mm，轴承型号为1209E型。4.4.2 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的时候，在汽车满载的情况下，止推垫片的静载荷可取为： =/2 （4-40）=4270.35N这时止推垫片的挤压应力为 = （4-41）式中：d、D止推垫片的内、外径。d=45mm，D=55mm。=5.45MPa。 通常取30MPa。经校核符合要求。4.5 轮辋的尺寸计算根据轮胎的型号6.00-15，经国家标准可知轮辋的型号为4.50E，求得轮辋直径D=466mm。由下表可得轮辋的各个尺寸：A=114mm B=12mm G=20mm 另外球头销头部的直径选择可依据如下许用接触应力为2530MPa。球头销用合金结构钢12CrNiB、15CrMo、20CrNi或液体碳氮共渗钢35Cr、35CrNi制造。设计初期，球头直径d可根据表中推荐的数据进行选择。 表 4-3 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 20 到6000