轻型载货汽车转向桥设计

0 毕业设计论文毕业设计论文 轻型载货汽车转向桥设计学学生生姓姓名名 专专 业业汽汽车车设设计计与与制制造造 班班 级级 学学 号号 指指导导教教师师 车车辆辆工工程程系系 0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。关键词关键词: : 转向桥；定位参数；转向节；前轴；主销转向桥；定位参数；转向节；前轴；主销1The design of the truck steering axleAbstractThis 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；kingpin0目 录摘 要 .11.汽车转向桥的概况 .31.1 汽车转向桥目前状况 .31.1.1 汽车前桥的分类.31.1.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响.31.2 从动桥的结构形式 .71.2.1 从动桥总体结构.71.2.2 载重汽车从动桥.81.2.3 载重汽车从动桥.91.2.4 设计意义.92.转向桥的设计结构参数 .102.1 结构参数选择 .102.2 从动桥总体结构选择 .102.3 确定前桥具体结构型式 .103.前轴设计 .113.1 前轴强度计算 .113.1.1 前轴受力分析简图.113.1.2 前轴载荷的计算（分三种工况分析）.123.2 前轴弯矩及扭矩计算 .1313.2.1 前轴断面分析图.143.2.2 各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析）.153.3 断面系数计算 .213.4 应力计算 .233.5 前轴材料的许用应力 .234.转向节设计 .234.1 截面系数计算 .244.2 弯矩计算 .244.3 应力计算 .244.4 转向节的材料、许用应力及强度校核 .255.主销设计 .255.1 在汽车工况下计算 .265.2 在汽车侧滑下计算 .276.转向传动机构设计 .286.1 推力轴承和止推垫片计算.286.2 杆件设计结果 .307.经济技术分析 .317.1 我国汽车车桥行业发展历程 .317.2 国内汽车车桥产量和市场容量分析 .317.3 汽车车桥业发展特征及问题透视 .317.4 车桥产品结构解析转向桥经济性分析 .3127.5 提高转向桥经济性 .328.结 论 .33致 谢 .34参 考 文 献 .35附 录 .363第第 1 1 章汽车转向桥的概况章汽车转向桥的概况1.11.1 汽车转向桥目前状况汽车转向桥目前状况1.1.11.1.1 汽车前桥的分类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。1.1.21.1.2 前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响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 . 15 . 01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。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。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。1.21.2 从动桥的结构形式从动桥的结构形式1.2.11.2.1 从动桥总体结构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。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。1.2.21.2.2 载重汽车从动桥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。91.2.31.2.3 载重汽车从动桥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1.2.41.2.4 设计意义：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102 2. .转向桥的设计结构参数转向桥的设计结构参数2.12.1 结构参数选择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)前钢板前钢板弹簧座弹簧座中心距中心距B(mm)B(mm)2425011100180011203025540720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13301460314621242.22.2 从动桥总体结构选择从动桥总体结构选择本前桥采用非断开式转向从动桥2.32.3 确定前桥具体结构型式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 1113.3.前轴设计前轴设计3.1 前轴强度计算前轴强度计算3.1.13.1.1 前轴受力分析简图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 diagram1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 diagram2 - yaw moment map condition123.1.23.1.2 前轴载荷的计算（分三种工况分析）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）12Lhg112. 154. 07 . 0垂直反作用力：Z1l= Z1r=7437N21Gm21110034. 1横向反作用力：X1l=X1r= =5205.9N（3-2）21Gm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：gRVG21，所以，得到=0.822，取=0.7hggRBgR21hgB211 . 128 . 1（2）对车轮接地点取矩垂直反作用力：Z=8436N)121 (211BhgGl)46. 17 . 054. 021 (211100Z=2664N（3-3）)121 (211BhgGl横向反作用力Y1l=5905.2N )121 (21BhgGY1r=1864.8N（3-4）)121 (21BhgG13三、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=2.5N （3-5）138752111005 . 22111GZZrl载荷计算结果列表，如下表 3-2： 表 3-2 单位 NZ17437紧急制动X15205.9Z1l8436Z1r2664Y1l5905.2侧滑Y1r1864.8越过不平路面Z1138753.2 前轴弯矩及扭矩计算前轴弯矩及扭矩计算3.2.13.2.1 前轴断面分析图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, torqueA 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ABC断面长度 L334250166断面高度 h13612803.2.23.2.2 各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析）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 1MiZ L 水平面内弯矩 （3-6）1MXiL 上式中 Li 对应与 A、B、C 断面分别带入 La、Lb、Lc、15钢板弹簧外侧扭矩 （3-7）1riMnXrh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 11111riM(ZY ) (rh ) （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=7590 N (3-30)(11dclZ5 .485 .48997437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）=Z1rrr/ (c+d) =74371.0314/（48.5+48.5）=24074N (3-31)16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=3718.5 N (3-32)(Prdcd5 .485 .485 .487437Qrl=3718.5 N (3-33)(Prdcc5 .485 .485 .487437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)51rPll115997437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 .485 .48996402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)(dcNd5 .485 .485 .486402QNl=3201 N (3-37)(dcNc5 .485 .485 .486402 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= =22)()(ruMrNuMNMZQQQQQ22)5 .371824074()320165347590(=23097.52 N (3-38)Ql=22)()(rlMrNlMNMZQQQQQ22)5 .371824074()320165347590( =32750.25N (3-39)17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。5.25.2 在汽车侧滑工况下的计算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=)/()(111dcrYlZrLL)5 .485 .48/()9959053148436(=21281.54N (3-40)QMZR=)/()(111dcrYlZrRR)5 .485 .48/()9918643142664( =6721 N (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；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=1.0.1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sw=497.5 MPa (3-42)301 . 0 dhQj3241 . 02132750s=72.5 MPa (3-43) 204dQj22414. 332750418式中:d0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。6.16.1 推力轴承和止推垫片的计算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=m1Y1L+Y1R=G11=m1g1=820101.0=8200N (3-46)Rva2式中：P1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；R汽车转弯半径，mm;va汽车行使速度，mm/s;g重力加速度，mm/s2；Y1L、Y1R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191= (3-47)gaRv2Z1L= (3-48)(2(1 2211gagRvBhG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）C0转向节止推垫片的计算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)21G26150这时止推垫片的挤压力为c=1 MPa (3-51)(422dDFa式中：d；D止推垫片的内、外径。通常取c30MPa6.26.2 杆件设计结果杆件设计结果设计计算结果如表 6-2 所示表 6-220设计零件长度右转向节臂/mm128左转向节臂/mm128转向横拉杆/mm9227.经济技术分析经济技术分析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。7.3 汽车车桥业发展特征及问题透视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21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。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。22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。8 结论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23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。致谢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。24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！参考文献参考文献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,2000.255 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:北京理工大学出版社,1998.10 中国第一汽车集团公司著编.中国轿车丛书-红旗M.北京:北京理工大学出版社,1998.11 李卓森等编.中外汽车图册车身分册(一) M.长春:吉林科学技术出版社,1995.附录汽车转向系统的发展历史及未来技术趋势屈裕丰（合肥工业大学，机械汽车工程学院）26摘要：转向系统是整车系统中必不可少的最基本的组成系统，驾驶者通过方向盘来操纵和控制汽车的行进方向，从而实现自己的驾驶意图。一百多年来，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。本文介绍了汽车转向系统的历史及未来的技术发展趋势。 关键词：转向系统；转向器；液压助力 传统的汽车转向系统是机械式的转向系统，汽车的转向由驾驶员控制方向盘，通过转向器等一系列机械转向部件实现车轮的偏转，从而实现转向。随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向动力的来源由以前的人力转变为人力加液压助力。液压助力系统 HPS（Hydraulic Power Steering）是在机械式转向系统的基础上增加了一个液压系统而成。该液压系统一般与发动机相连，当发动机启动的时候，一部分发动机能量提供汽车前进的动能，另外一部分则为液压系统提供动力。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。这种助力转向系统主要的特点是液压力支持转向运动，减小驾驶者作用在方向盘上的力，改善了汽车转向的轻便性和汽车运行的稳定性行的稳定性。27 但同时液压助力系统也存在一些缺点： 在车辆设计制造完成后，车辆转向的助力特性不能改变。直接后果是，当助力特性偏向于低速助力时，汽车在低速段可以得到很好的助力，但是在高速段需要有较好路感的时候，由于助力特性不能调节，使得驾驶者没有较好的路感；当助力特性偏向于高速助力时，在低速段得不到很好的助力效果；即使车辆不转向，液压系统也必须在发动机的带动下工作。其结果是，消耗发动机能量，增加油耗 ； 存在液压油泄漏问题，不仅对环境造成污染，而且容易使其他部件损坏；在低温下，液压系统的工作性能比较差。 近年来，随着电子技术在汽车中的广泛应用，转向系统中也愈来愈多地采用电子器件。转向系统因此进入了电子控制时代，相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两类 ：电动液压助力转向系统EHPS（Electro-Hydraulic Power Steering）和电控液压助力转向ECHPS（Electronically Controlled Hydraulic Power Steering）。电动液压助力转向系统是在液压助力系统基础上发展起来的，与液压助力系统不同的是，电动液压助力系统中液压系统的动力来源不是发动机而是电机，由电机驱动液压系统，节省了发动机能量，减少了燃油消耗。电控液压助力转向也是在传统液压助力系统基础上发展而来，它们的区别是，电控液压助力转向系统增加了电子控制装置。电子控制装置可根据方向盘转向速率、车速等汽车运行参数，改变液压系统助力油压的大小，从而实现在不同车速下，助力特性的改变。而且电机驱动下的液压系统，在没有转向操作时，电机可以停止转动，从而降低能耗。虽然电液助力转向系统克服了液压助力转向的一些缺点。但是由于液压系统的存在，它一样存在液压油泄漏的问题，而且电液助力转向系统引入了驱动电机，使得系统更加复杂，成本增加，可靠性下降。为了规避电液助力转向系统的缺点，电动助力转向系统 EPS（Electric Power Steering）便应时而生。它与前述各种助力转向系统最大的区别在于，电动助力转向系统中已经没有液压系统了。原来由液压系统产生的转向助力由电动机来完成。电动助力式转向系统一般由转矩传感器、微处理器、电动机等组成。基本工作原理是 ：当驾驶者转动方向盘带动转向轴转动时，安装在转动轴上的转矩传感器便将转矩信号28转化为电信号并传送至微处理器，微处理器根据转矩信号并结合车速等其他车辆运行参数，按照事先在程序中设定的处理方法得出助力电动机助力的方向和助力的大小。自 1988 年日本铃木公司首次在其 Cervo 车上装备该助力转向系统至今，电动助力转向系统己经得到人们的广泛认可。 助力转向系统优点主要体现在以下几个方面： 电动助力转向系统能在不同车速下提供不同的助力特性。在低速行驶时，增加转向助力，使得转向更加轻便 ；在高速行驶时减少转向助力，甚至为了提高路感增加转向阻尼。电动助力转向系统只在转向时电动机才工作，为转向提供助力，因而能减少能耗。电动机由蓄电池供电，因此电动助力转向系统可以在发动机不工作的情况下工作。电动助力转向系统没有液压系统，与液压助力系统相比，装配自动化程度更高。而且电动助力转向系统可以通过改变微处理器中的助力程序算法，很容易实现助力特性的改变。 科学技术的发展总是日新月异的，传统的转向系均由转向操纵机构（方向盘）、转向器、转向传动机构三大部分组成。但是思想的火花总是能给人带来惊喜！电子转向系统 SBW（Steering-By-Wire）的诞生颠覆了转向系三大部分的旧有观念，它用微控制器取代了转向传动机构，由三大部分变为了两部分。电子转向系统是汽车转向系统最为先进和前沿的技术之一。它主要由方向盘控制模块、转向执行模块以及微控制器三大模块组成。方向盘控制模块的主要功能是通过转向力矩传感器检测驾驶员的转向意图，并将检测到的信号（包括旋29转方向以及旋转速度等）通过总线传递给微控制器，然后微控制器根据此信号，并结合车速信号反馈给方向盘控制模块一个回正力矩，使得驾驶员能够感受到路感。但是这种路感是虚拟的，是开发人员根据千万次的试验数据综合起来，形成的“经验路感”，并以程序的形式固化在微控制器内的。因此它与车速、转向速率以及转向力矩的大小存在着某种对应关系。 转向执行机构包括转角传感器、转向电机、转向电机控制器等组成。它的功能是根据微控制器的控制命令，驱动转向执行电机旋转一定角度，完成转向动作。同时转角传感器监测转角的大小，反馈给微控制器，形成一个闭环控制系统，完成精确的转向动作。微控制器是电子转向系统的核心。它接收检测信号，经过处理发送相应的控制信号。由于微控制器取代了转向传动机构，因此各部件之间的机械连接减少了，使转向系统的响应速度和响应的准确性得以提高。而且可以对转向策略进行软件编程控制，实现传动比的任意设置 ；可与其他设备，如 ABS、自动导航设备进行整合。传动机构的减少还带来了更大的汽车内部空间，给驾乘带来更大的乐趣。而且转向行为可以被软件记录下来，保存在 EEPROM 中，有助于以后进一步完善转向控制策略，甚至还可以为交通肇事提供证据。 汽车的安全问题一直是大众关注的焦点。转向系统与灯光系统的结合能给在夜间行驶的车辆带来更好的安全性。如上页左图所示，传统的车辆灯光系统是向车辆正前方直线照射的，如果行人在弯角处，驾驶者将很难发现弯角中的行人，极易造成交通事故。如果灯光系统与转向系统结合起来，如上图所示，当驾驶者在向右打方向盘的时候，灯光随着方向盘角度的变化而向右照射，弯道内侧照明更宽，照明范围更大，那么在道路弯角中的行人将很容易被发现。目前该项灯光照明技术已经在中档的雪铁龙凯旋、丰田凯美瑞上得到应用。 目前电子转向系统的可靠性和成本是阻挠其发展的主要因素。主要表现在如果微控制器出现问题，转向系统将完全失灵，其不像电动助力转向系统、电液助力转向系统，在电机或者液压系统出现问题时，还可以以人力来控制汽车。电子转向系统的微控制器出现故障的话，因为没有机械系统能连接方向盘和转向器，因此根本不可能控制汽车的转向。但是尽管如此电子转向系统依然是未来转向系统的发展方向之一。30现代汽车转向装置的设计趋势： 1.1 适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。1.2 充分考虑安全性、轻便性 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。 1.3 低成本、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。 1.4 汽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。31 2 现代汽车转向装置的发展趋势 2.1 现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(WP 型)、蜗杆滚轮式(WR 型)、循环球式(BS 型)、齿条齿轮式(RP 型)。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 625，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。2.2 循环球式转向器特点 循环球式转向器的特点是：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。布置方便。特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。 可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。 通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿32命，也是这种转向器的优点之一。我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆#0;滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。 2.3 转向器生产专业化 循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国 ZF 公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从 1948年开始生产 ZF 型转向器，年产各种转向器 200 多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司 SAGINAW 分部；英国 BURM#0;AN 公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。 2.4 动力转向是发展方向 动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和