货车转向桥设计终

货车转向桥设计摘要随着汽车行业的发展随着汽车行业的发展，作为汽车的关键零部件的转向桥也得到了相应的发展，基本以形成了专业化、系列化生产的局面。而且随着生产水平的发展，汽车的行驶速度不断提高，人们对汽车的性能要求也越来越高，如何保证既要具有较高的行驶速度又要具有良好的转向性能，就成了必须要解决的问题。本次设计为载重汽车的转向桥，此桥需要适应在不同的路况，不同的速度下使汽车保持稳定的行驶，并且使货车转向桥具有良好的稳定性和灵敏性。文中介绍了转向桥的概念，用途，总体布局，通过对前轴、转向节、转向梯形、主销等零件的尺寸和结构的设计，选择合适的材料，并对其进行强度的校核，以保证所本次设计的转向桥符合汽车道路行驶要求。关键词：转向桥；前梁；主销；定位参数The Design of Steering Axle TruckAbstractWith the development of the automotive industry, as a key component of the steering axle car has also been a corresponding development, basic to the formation of a specialized, series production of the situation. And with the development of the production level, the travel speed car continues to improve, people on the cars performance requirements are also increasing, how to ensure that it is necessary to have a higher travel speed and also has good steering performance, it becomes necessary to solve the problem. The design for the trucks steering axle, this bridge needs to adapt to different road conditions, different speeds making the car stable under travel, and the steering axle truck has good stability and sensitivity. This paper introduces the concept of steering axle, use, overall layout, through the front axle, steering knuckles, steering the size and structure of the trapezoid, kingpin and other parts of the design, selection of suitable materials, and its strength and the order ensure that the design of the steering axle in line with the requirements of automobile roads.Key words:initial velocity method; gas emission rate; mine panel目录摘要1Abstract1第一章绪论11.1汽车转向桥的概述11.2转向桥的研究意义11.3转向桥的发展背景2转向系统发的发展历史2我国转向系统的发展21.4转向桥的分类与基本结构31.5典型车型前桥总成结构3第二章转向桥的零件分析52.1前梁52.2转向节62.3转向梯形6整体式转向梯形6断开式转向梯形72.4主销92.5转向节臂92.6轮毂组合92.7轴承10轮毂轴承10转向节止推轴承10主销轴承102.8转向拉杆总成10转向球头11转向直拉杆11转向横拉杆112.9前轮摆振的机理11自激摆振11受迫摆振12第三章转向桥的设计计算133.1转向从东桥的主要零件尺寸的确定13参考车型制动系相关主要参数数值13实际参数133.2转向从动桥主要零件的校核143.2.1 前梁在制动工况与侧滑工况下的校核14转向节在制动和侧滑工况下的应力计算18主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算20转向节推力轴承的计算22第四章转向梯形的设计244.1转向梯形的理论特性244.2转向梯形的布置254.3转向梯形机构尺寸的初步确定254.4转向梯形设计中应说明的几个问题264.5阿克曼式转向角264.6球头销27第五章转向车轮的定位285.1主销后倾角285.2主销内倾角285.3前轮外倾角295.4前轮前束295.5拆卸、安装及调整29总成的拆卸29总成的装配30车桥的调整30第六章转向桥实验326.1整车道路试验及使用实验326.2台架实验326.3静扭转强度试验32总结33参考文献34致谢35第一章绪论随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及车流密度的日益增大，人们对行车安全也更加的重视，因此对车桥的设计也提出了更高的要求。转向桥的作用是传递车架与车轮之间各方向的作用力及其力矩，直接影响着转向系的操纵性与灵活性，对行车安全有着重要的影响。1.1汽车转向桥的概述前桥一般位于汽车的前部，也称转向桥或从动桥。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、前梁、转向节衬套、主销上下轴承、转向节推力轴承、轮毂等零部件。前桥通过车架与悬架连接，支撑着汽车大部分重量，并将汽车的牵引力或制动力，以及侧向力经悬架传给车架。转向桥是利用车桥中的转向节使车轮可以偏转一定角度以实现汽车的转向。前桥除常承受垂直载荷外，还承受纵向力和侧向力以及这些力所引起的力矩。为使汽车在行驶中具有较好的直线行驶能力，前桥应满足下列要求：(1)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)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。前轮定位包括主销内倾，主销后倾，前轮外倾和前轮前束。(3)足够的刚度，使受力后变形要小，保证主销和转向轮有正确的定位角度保持不变。(4)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。(5)转向轮的摆振应尽可能小，以保证汽车的正常，稳定行使。(6)前桥的质量应尽可能小，以减少非簧载质量，提高汽车行驶平顺性。1.2转向桥的研究意义改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件的转向系统也得到了相应的发展，基本形成了专业化、系列化生产的局面。而作为汽车转向系的重要部件的转向桥，在汽车系统中占有重要地位，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展。而且随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大，为保证人身和车辆的安全，必须为汽车配备十分可靠的转向系统。在设计中通过优化零件设计，使用合适的材料，提高转向桥的经济性与灵敏性，保证汽车行驶的安全性能。1.3转向桥的发展背景转向系统发的发展历史回顾汽车前桥的发展历史。100多年前，汽车刚刚诞生初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式，即用一个操纵杆或手柄来使前轮偏转，以实现转向。由于操纵费力且不可靠，导致时常发生车毁人亡的事故。第一辆不用马匹来拉的四轮车面世时，它已经把前桥和前轮组成了一个总成。该总成安装在枢轴上，可以绕前桥中心的一个点转动，利用一个杆柱，连接前桥的中点，通过地板注上延伸，方向盘就紧固在杆柱上端，以此操纵汽车。这种装置在汽车车速不超过马车的速度时，还是很好使用的，但当车速提高后，驾驶员就要求提高转向的准确性，以减少轮胎的磨损，提高轮胎的使用寿命。1817年，德国人林肯斯潘杰提出类似于现代汽车、将前轮用转向节与前梁连接的方式(即改进转向器的想法)。他研制了一种允许汽车前轮在主轴上独立回转的结构，这就是把车轮与转向节连接起来，转向节又用可转动的销轴与前轴连接，从而发明了现代转向梯形机构，并在第二年将在英国获得的专利权转让给出版商，即英籍德国人阿克曼。阿克曼向英国专利局申请“平行连杆式转向机构”专利。现在人们常将转向梯形的特性关系式cotcotKL称为阿克曼公式。林肯斯潘杰原理被年轻的汽车工业所采用，但可怜的他并未得到过任何荣誉。而鲁道尔夫阿克曼是一个书商和出版商，他根本不知道什么叫转向节，是一个与汽车毫不相干的人。林肯斯潘杰把他在英国威尔士的发明权给了他，因而阿克曼就成了名。另外一个为发展现代转向器做出重大贡献而从未获得过任何荣誉的人是杰特，他是法国四轮马车的制造商。1878年，他发明了第一个平行四边形转向联动机构，但他当时没有称它为这个名称。杰特的转向机构，可以把转向中心点移向两侧，他把一根杆子与带有两个连接臂的转向节相连。今日称此杆子为横拉杆，而把这两个连接块称为转向臂和随动臂。杰特把转向往的一端与转向臂连接，当转动转向柱时，通过转向臂和从动臂、横拉杆和车轮轴就可以转动车轮。1857年，英国的达吉思蒸汽汽车是第一次采用方向盘的机动车辆。1872年苏格兰的查理士鲁道夫第一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。从前，想把方向盘装到车辆上的多次尝试均未得到认可。上世纪20年代中期，汽车生产者讨论了把驱动作用从后轮移到前轮是否更好些的问题。1934年3月24日，安德烈雪铁龙成功制造了一种新型的汽车，一款名叫7A的前驱动汽车问世。前轮驱动、无底盘的车身结构、通过扭杆实现单轮减振以及液压制动等等，这些都曾有人采用过的，但从未有人把这些集中在一辆汽车上，并且是成批生产的。受雪铁龙委托的安德烈勒费弗尔及其助手莫里斯圣蒂拉创造的这种汽车，其设计方案即使在70多年后的今天也没有过时。我国转向系统的发展我国汽车在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大。直到近年来，中国整体经济发展迅速，居民收入的持续增长以及扩大内需、拉动消费的财政政策，特别是在中国加入WTO以后，汽车关税不断下调，国外知名的汽车巨头也瞄准了中国这个巨大的市场，陆续在华投资设厂，越来越多款式新颖、乘坐舒适安全的汽车随之进入中国市场，加速了轿车进入家庭的步伐。中国人被压抑以久的购买热情得以释放，汽车市场出现井喷行情，业界普遍认为2003年是中国汽车正式进入家庭的元年。这两年来我国汽车的销量，特别是轿车的销量取得了大幅增长，有些产品如雅阁、波罗等还供不应求，甚至有的还出现需要“加价”才能购买的情况。中国汽车市场火爆的局面也似乎预示着中国汽车工业迎来了真正发展的春天。随着我国交通运输业的迅速发展，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和舒适性也越来越重视，因而对汽车车桥的设计也提出了更高的要求。汽车工业作为我国重点发展的支柱产业，其前景非常广阔。而且我国的汽车车桥行业发展迅速，已经形成了一定的规模市场。中、轻型货车的转向桥设计在市场上已成为通用的成熟技术，也有非常完备的系列化、标准化的零件产品，短期内不会有较大的创新改革，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。虽然目前我国汽车车桥技术与国外先进技术还有较大的差距，但是随着我国社会的发展，我国汽车车桥行业将会有更大的进步。1.4转向桥的分类与基本结构转向桥按与其匹配的悬架结构不同，可分为非断开式和断开式两类。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。根据车桥上车轮的作用，车桥又可分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种类型。其中，转向桥和支持桥都属于从动桥。一般汽车多以前桥为转向桥，而以后桥和中、后两桥为驱动桥。越野汽车的前桥则为转向驱动桥。由于本车采用非独立悬架系统，所以采用非断开式转向桥。本车为发动机前置后轮驱动，故前桥为转向从动桥。非断开式转向桥主要由前轴、转向节和转向主销等组成。转向节利用主销与前轴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联；而左、右转向节的下耳处则装有与转向横拉杆联接的转向梯形臂。有的将转向节臂与转向梯形臂联成一体并安装在转向节的下耳处以简化结构。制动底板紧固在转向节的凸缘面上。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，在转向节下耳与前梁部之间可装滚子推力轴承，在转向节上耳与前轴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。1.5典型车型前桥总成结构(1)微型汽车前轴微型汽车前悬架普遍采用了独立悬架的结构。前轴的载荷相对较小，结构也较为简单。微型汽车前轴一般多为断开式活动关节的结构，由前轴本体，左右横摆臂，加强杆臂等组成。(2)轿车前桥轿车前桥采用麦弗逊式悬架。它承担着驱动及转向的双重功能，悬架上端与车身相连，下端与车轮轴承壳体相连，车轮的外倾是通过悬架与轴承壳体的连接螺栓来调整的，副车架利用弹性件通过控制臂，球铰与悬挂相连，提高了行驶的稳定性和乘坐的舒适性。(3)越野车前桥越野汽车的前桥负有转向和驱动两种任务，故称为转向驱动桥。它和一般驱动桥一样，具有主传动器、差速器和半轴。不同之处是，由于转向的需要，半轴被分为内，外两段而用万向节连接起来，同时主销也因而做成上下两段。(4)载重汽车前轴载重汽车前轴采用工字形断面主要用以提高前轴的抗弯强度。上部有二处加宽平面，用以支承钢板弹簧。前轴两端各有一个拳形部分，其中有通孔，作为装转向节主销只用。主销与左右转向节铰接，用带有螺纹的楔形锁销横穿过与主销孔垂直通孔，靠锁销楔面将主销固定在前轴孔内，使它不能转动。第二章转向桥的零件分析本章主要介绍转向桥的主要零部件的作用、构成以及各零部件之间的连接关系。2.1前梁前梁的主要起承载作用，它上面不仅承担着整个车头的全部重量，还要承载车厢部位分配过来的部分重量，并将这些重量经前轴两端传递给车头部两边的车轮。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支承面。其主要涉及参数有板簧中心距、主销中心距、前轴落差、及板簧座截面尺寸及主销倾角。前轴有工字梁前轴，其形状复杂，截面起伏较大，特别是弹簧座、工字梁部位具有深而窄的截面，是一种难锻造的轴类零件；有钢板拼焊成管状的前轴梁；还有采用热挤压技术制造一体式无缝钢管前轴梁成型工艺，其包括七道工序，下料、增厚、推方、镦实、压颈脖、整体成型、热处理。优点是轻量化、承载强、成型简单；不足是材料多次加热，材料晶粒粗大，影响材料机械性能，目前受到无缝钢管刚度限制，5 t 的一体式无缝钢管前轴梁暂时制造不出来。图2-1 一体式无缝钢管成型的前轴梁三维视图本次设计所采用转向从动桥，其采用无缝钢管的中间部分与采用锻模成型的两端拳形部分组焊而成。与传统工字梁比较，等截面面积的空心梁截面模量要大于等截面面积的工字梁截面模量，因此理论上等强度的空心梁重量要低于工字梁，或者等重量的空心梁强度要优于工字梁。这种设计结构简单，大大减少了从动转向桥的质量，提高了汽车的行驶平顺性，而且运行成本更低，有效载荷增加，使挠度最小化，抗扭强度提高，使用寿命延长。但焊接式空心梁的缺点是对焊接的质量控制难度、成本均较高。2.2转向节转向节熟称羊角，是前桥上主要的转向件。转向节是一个叉形部件，上下两叉制有同轴销孔，通过主销与前梁拳部相连，使前轮可以绕主销偏转一定角度而使汽车转向。转向节用中碳合金钢模级成整体式结构。转向节与前梁组装后构成铰链装置，利用该铰链装置使车轮可以偏转一定角度，从而实现汽车的转向行驶。转向节是车轮和方向盘之间的联系纽带，通过方向盘的旋转，带动连杆，即开始调整车轮的高度，而车轮通过两个轴承与转向节配合，使他们连接在一起。转向节锥孔与转向节臂配合，并和转向横拉杆连接。转向节法兰面通过四个螺钉和制动盘连接在一起。转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮转向。在汽车的行驶状态下受到多变的冲击载荷。转向节的结构形式按节体和轮轴的组合方式，分为整体式和分开式两种。整体式转向节是节体和轮轴合为一个整体，其毛坯一般采用锻造成型。分开式转向节是节体和轮轴分成两件。轮轴采用棒形坯料，节体毛坯为锻造或铸造成型，分别加工后再压配成一体。整体式主要用于商用车（货车），分开式主要用于乘用车（轿车）。转向节按扭转方向是否有明显的弹性，可分为刚性转向节和挠性转向节。刚性转向节是靠零件的铰链式连接传递动力的，可分成不等速转向节(如十字轴式)、准等速转向节(如双联式、凸块式、三销轴式等)和等速转向节(如球叉式、球笼式等)。挠性转向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减振作用。不等速转向节是指转向节连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动，但平均角速度比为1的转向节。准等速转向节是指在设计角度下工作时以等于1的瞬时角速度比传递运动，而在其它角度下工作时瞬时角速度比近似等于1的转向节。输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的转向节，称之为等速转向节。本次采用传统类型的转向节，包括三部分“轴-盘-叉”，采用模锻中的卧锻方式（锻压力与轴的轴线方向垂直），可获得较高的力学性能。2.3转向梯形转向梯形可分为整体式和断开式，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有关。无论采用哪一种方案，都必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动。同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径，转向轮应有足够大的转角。由于轿车、轻型越野车、轻型客车的前轴普遍采用独立悬架，因此断开式转向梯形在这些汽车上得到广泛应用。而货车、大客车采用整体式前轴占得比例居多，故采用整体式转向梯形的比例也相应占大多数。整体式转向梯形整体式转向梯形是由转向横拉杆l，转向梯形臂2和汽车前轴3组成，如图1-1所示。图1-1中梯形臂呈收缩状向后延伸。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。图2-2整体式转向梯形1转向横拉杆 2转向梯形臂 3前轴当汽车前悬架采用非独立悬架时，应当采用整体式转向梯形。整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或前轴前(称为前置梯形)。对于发动机位置低或前轮驱动汽车，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必须向前外侧方向延伸，因而会与车轮或制动底板发生干涉，所以在布置上有困难。为了保护横拉杆免遭路面不平物的损伤，横拉杆的位置应尽可能布置得高些，至少不低于前轴高度。断开式转向梯形转向梯形的横拉杆做成断开的，称之为断开式转向梯形。断开式转向梯形有对称杆式、中间臂式、齿轮齿条拉杆式等几种方案。断开式转向梯形的主要优点是它与前轮采用独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响另一侧车轮；与整体式转向梯形比较，由于杆系、球头增多，所以结构复杂，制造成本高，并且调整前束比较困难。(1)中心臂式转向梯形，如图2-3.中心臂式转向梯形结构特点是，在汽车的纵向对称平面附近布置有绕固定轴转动的中心臂，中心臂的一端与左、右横拉杆相连转向摇臂也经转向拉杆与中心臂相连。当转向摇臂摆动时经转向拉杆带动中心臂转动，进而牵动左、右横拉杆，使左、右轮偏转，实现转向。图2-3 中心臂式转向梯形1-齿条；2-横拉杆；3-梯形臂(2)对称杆式转向梯形，如图2-4.对称杆式转向梯形结构特点是，固定在转向节的左右梯形臂经各自球头销与横拉杆连接。两横拉杆端部分别与转向摇臂和过渡臂连接。当摇臂摆动时，带动中间杆同时推拉两个横拉杆，是转向轮偏转，实现转向。图2-4 对称杆式转向梯形1-梯形臂；2-横拉杆；3中间杆；4-过渡臂；5转向摇臂(3)齿轮齿条拉杆式转向梯形，如图2-5.齿轮齿条拉杆式转向梯形的特点是，将齿轮齿条式转向器横置在汽车上，经齿条两端的球头或中间部位与左右横拉杆连接。当齿条移动时，推动或拉动横拉杆，使转向轮偏转，实现转向。图2.5 齿轮齿条拉杆式转向梯形2.4主销主销是传统汽车上转向轮转向时的回转中心，是一根较粗的销轴。他是影响整车性能的重要零部件。它将转向节和前梁铰接在一起，以实现车轮的转动。主销上有止动槽，锁栓通过止动槽将主销固定在前轴的主销孔内，使其不能转动也不能轴向移动。主销的几种结构型式如图2-1所示，本次设计采用（a）型主销。（a）(b) (c) (d)图2-6主销结构形式(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2.5转向节臂整体式前轴靠近转向盘一侧的转向节上有两个臂，分别于纵拉杆和横拉杆相连，另一侧的转向节上只有一个通过横拉杆连接的节臂。转向节臂在转向节上的连接方式主要是通过1/81/10的锥面和键连接，其连接牢靠，不易松动，但转向节的加工工序较多。转向节臂多采用与转向节相同的材料锻造而成，并通过热处理使之与转向节达到同一硬度。一般提高硬度可增加零件的疲劳寿命，但是硬度过高，原件的韧性也会变差，机械加工也比较困难。2.6轮毂组合车轮轮毂通过两个圆锥滚子轴承支撑在转向节外端的轴颈上，带动车轮转动，同时与摩擦片形成摩擦副，实现车轮的止动。轮毂外端用冲压的金属外罩罩住。轮毂内侧有油封，以防润滑油进入制动器。轮胎螺栓采用止口定位，规格为M22*1.5，数量为10个。2.7轴承轮毂轴承大多数汽车前轮轮毂均安装在一对滚锥轴承上。其由多个圆锥滚子轴承组成，这种轴承的支撑刚度较大，可承受较大负荷。轿车因负荷较轻，前轮毂轴承也有采用一对单列或一个双列向心轴承的，球轴承的效率较高，能延长汽车的滑行距离，有的轿车采用一个双列圆锥滚子轴承。而且轴承的松紧度可通过调整螺母进行调整。转向节止推轴承转向节通过止推轴承来承受作用于汽车前梁上的重力。止推轴承主要有以下几种类型。(1)滑动止推轴承由钢垫片和耐磨衬垫组合而成。其优点是制造容易，成本低，对灰沙不像滚轴轴承那样敏感，磨损均匀；缺点磨损快，寿命短，润滑困难，摩擦阻力大，致使转向沉重。(2)止推滚珠轴承此结构基本上能克服滑动轴承的缺点，使转向轻便，但是因为滚珠与座圈之间为点接触容易在座圈上压出凹痕，影响使用寿命和效果。(3)止推滚柱轴承具有止推滚珠轴承的优点，同时它是线接触，接触面积大，可降低接触面上的单位负荷，不易压出凹痕，寿命较长并能承受较大的冲击。其缺点是尺寸较滚珠轴承大，价格昂贵。(4)止推滚锥轴承轴承外座圈压在转向节上，内座圈与主销配合，省去了主销下部的衬套。它能承受径向载荷，又能承受轴向载荷。此外，其摩擦阻力小，保持润滑时间长，保养简单。缺点是转向节上主销孔加工复杂。主销轴承主销轴承要承受较大的径向力，因此多数汽车采用两个滑动轴承来承担。滑动轴承一般采用钢带卷成，衬套上压出树枝状油槽。近年来有些汽车的主销轴承采用钢背复合衬套。它首先在钢背上融合上一层多孔青铜层，然后在这多孔层上压上一层与添加材料混合的合成材料，形成牢固的结合体。其特点是摩擦系数低，使用中不易与主销烧结在一起。也有一些汽车主销轴承采用双排滚针轴承，其效率高，转向阻力小，且可延长使用寿命，但价格昂贵，径向尺寸大。2.8转向拉杆总成转向拉杆是用来连接汽车前轮转向节和转向齿轮，使方向盘转动时，可使前轮由一边摆向另一边。转向拉杆分为转向直拉杆和转向横拉杆。转向横拉杆是汽车转向梯形的一部分，起到转向的传力作用。转向直拉杆是方向机拉臂和转向节左臂连接的一个杆，把方向机动力传给转向节后就可以控制车轮了。拉杆应有较小的质量和足够的刚度。拉杆的形状应符合布置要求，有时不得不做成弯的，这就减小了纵向刚度。稳定性安全系数不小于1.52.5。转向球头转向拉杆球头的工作原理带球头外壳的拉杆，转向主轴的球头置于球头外壳内，球头通过其前端的球头座与球头外壳的轴孔边缘铰接，球头座与转向主轴间的滚针镶在球头座内孔面槽内，本实用新型具有减轻球头磨损，提高主轴的抗拉等特点。转向直拉杆转向直拉杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂(或转向节臂)。它所受的力既有拉力、也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可靠。在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。转向横拉杆横拉杆是连接左右转向臂的，可以使两个车轮同步，二可以可通过旋转横拉杆改变其长度完成前束的调整。转向拉杆末端通过球节与转向节相连，左右接头结构相同，但与横拉杆旋装的螺纹旋向相反，球销上端与梯形臂锥孔相连，可绕球心做一定范围内的摆动。由于直接用力转动车轮用力较大，故现大部分车都是用的液压转向，减轻驾驶者的用力，也使转向更灵活、易操作。横拉杆通常为冷拔钢管，由40钢无缝钢管制成。2.9前轮摆振的机理转向轮的摆振从其发生机理分析，则有两种不同性质的摆振，即自激摆振和受迫摆振。由于两种摆振机理不同，其消除方法也不同。自激摆振汽车转向轮产生自己摆振是由于汽车的悬架和转向系统结构上存在问题，使得行驶中反馈增强，而悬架和转向系统的摆振阻尼较小时，一旦受到力的干扰和冲击，就会发生摆振，并且车速越高，摆振的幅度和摆振的可能性也越大。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。受迫摆振转向轮受迫摆振的原因是在转向轮上作用着一种周期性的干扰力，迫使转向轮产生摆振。其干扰的频率总是与车轮的转动频率相同，与车速成正比。当车速达到某个数值，干扰的频率与转向轮系统的自振频率相等时，就会产生共振现象，摆振最厉害。当车速提高或降低后，破坏了共振的条件，摆振减弱至消失。通常在高速行驶时发生的摆振往往属于受迫振动型。所以车速越高摆振越厉害的摆振属于自激摆振，某个车速摆振最厉害的摆振是受迫振动。在区分两种摆振类型时，会有两种不同的感受。如果是受迫振动，在车速增加时，可以明显的感觉到方向盘的振幅逐渐增加的变化过程，自激摆振，就难感觉到此过程，好像摆幅在一瞬间就达到了最大值，即使减速，摆振也无明显减弱，只有等车速降低到最低时摆振才会停止。这是因为自激摆振并非车速一高就必然发生，而是需要一定的诱发干扰力，即具有一定的偶然性。其发生时的车速往往高于能维持摆振最低车速。确定引起摆振的具体根源，一般原则是自激摆振在悬架和转向系统上，受迫摆振在车轮上。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。第三章转向桥的设计计算本次设计的转向从动桥采用无缝钢管热挤压整体式成型。这种设计结构简单，耐久性极高，运行成本低，有效载荷增加，大大减少了从动转向桥的质量。3.1转向从东桥的主要零件尺寸的确定参考车型制动系相关主要参数数值驱动形式:4*2 满载轴荷:5t车轮规格：7.50V-20 轮胎规格：10.00- 20前轴落差：93主销中心距：1773主销内倾角：7车轮外倾角：1前束：13内轮胎最大转角：47外轮胎最大转角：36轮距：1940簧距：820转向节臂中心孔到主销：313 mm转向节臂中心孔到板簧（下表面）：52转向节臂中心孔到前轴中心：偏后6车轮栓:10个均匀分布于直径为285.75的圆上定位方式：球面座定位实际参数驱动形式:4*2 满载轴荷:5t车轮规格：8.00V-20 轮胎规格：11.00 R20前轴落差：87主销中心距：1773.3主销内倾角：7车轮外倾角：1前束：13内轮胎最大转角：47外轮胎最大转角：36轮距：1980簧距：820转向节臂中心孔到主销：216 mm转向节臂中心孔到板簧（下表面）：172转向节臂中心孔到前轴中心：偏后6车轮栓:10个均匀分布于直径为335的圆上定位方式：止口定位分布圆直径为280.8mm3.2转向从动桥主要零件的校核3.2.1 前梁在制动工况与侧滑工况下的校核前梁矩形空心截面的垂向弯曲截面系数、水平弯曲截面系数和扭转截面系数（单位均为mm）图3-1 矩形空心截面的截面系数图3-2转向从动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和转矩图；2-侧滑工况下的弯矩图(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直力传给前梁，使前梁承受弯矩和转矩。考虑到制动时汽车质量向前，转向桥转移，则前轮所承受的地面垂直反力为：(3-1) 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1.5；1.5=36750N前轮所承受的制动力为： (3-2)式中：轮胎与路面的附着系数取为0.6； =367500.6=22050N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：（3-3）（3-4）式中：见图3-2，取=580 mm车轮(包括轮毅、制动器等)所受的重力，N；=357.7N；汽车前轮轮距；取B=1980 mm；前梁上两钢板弹簧座中心间的距离；取为820 mm制动力还使前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转矩：(3-5)式中：轮胎的滚动半径，取为512mm=22050512=11289600Nmm弯曲应力：(2)在最大侧向力(侧滑)工况下的前梁应力计算汽车在侧滑时，因横向力的作用，汽车左右车轮上的垂直载荷发生偏移。 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,为保证不翻车，须使，则有：，所以，得到，取。 侧滑工况下的受力分析及应力计算当汽车承受最大侧向力时无纵向力作用，左、右前轮承受的地面垂向反力和与侧向反力和各不相等，前轮的地面反力(单位都为N)分别为：(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)式中：汽车质心高度,取为1100mm；此时，向右作用。则有：侧滑时左、右钢板弹簧对前梁的垂直作用力为： (3-10) (3-11)式中：满载时车厢分配给前桥的垂向总载荷，则有侧滑时左右前轮轮毂内外轴承的径向支承力分别为：(3-12)(3-13)(3-14) (3-15)式中- -轮胎的滚动半径，；-至车轮中心线的距离，取a=50；-至车轮中心线的距离，取b=50所以有：根据这些力及前梁在板簧座处的垂向力可绘出前梁与轮轴在汽车侧滑时的垂向受力弯矩图。由该弯矩图可见，前梁的最大弯矩发生在侧滑方向一侧拳部的主销孔处；另一侧则在板簧座处，可由下式直接求出： (3-16) (3-17)式中-弯矩，。所以可以求出：则弯曲应力为：MPa(3)前梁材料、许用应力及强度校核前梁采用30Cr合金钢。许用应力为:，所以H=124mm, B=116mm,=10mm的前梁符合条件。转向节在制动和侧滑工况下的应力计算如图3-2所示，转向节的危险断面在轴径为d1的轮轴根部即-剖面。图3-3 转向节、主销及转向节衬套的计算用图（1）截面系数计算（2）在制动工况下转向节的受力分析及应力计算IIIIII剖面处的轴径仅受垂向弯矩和水平方向的弯矩而不受转矩，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。这时的，及IIIIII剖面处的合成弯矩应力（MPa） (3-18) (3-19) (3-20)式中：转向节的轮轴根部轴径取为76mm；=50；则有：（3）在侧滑工况下的受力分析及应力计算在侧滑时左、右转向节在危险断面IIIIII处的弯矩是不等的，可分别按下式求得：NmmNmmMPaMPa（4）转向节的材料、许用应力及强度校核转向节采用40Cr制造，心部硬度241285HRC，高频淬火后表面硬度5765HRC，硬化层深1.52.0mm。许用应力MPaMPaMPa，所以所选转向节符合要求。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、下衬套的中心，即与轮轴中心线相距分别为c，d的两点处，在侧向平面(图33(c)和纵向平面(图33(d)内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。主销弯曲截面系数计算：主销剪切面积：主销衬套挤压面积：式中：主销直径，取为47 mm；D-主销衬套外径，取为52；H-主销下衬套的长度，取为65。在制动工况下受力分析: (3-21)式中：-主销中心线到轮胎中心线的距离，取103.5；取106,取80；N制动力矩由位于纵向平面内并作用于主销的力所形成的力偶所平衡(见图33(c)。故有NN与主销的力，平衡(见图33(c)，且有：由转向桥的俯视图(图33(d)的下图)可知，制动时转向横拉杆的作用力N为：力N位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为（取为80 mm）如将的着力点移至主销中心线与轮铀中心线的交点处则需对主销作用一侧向力矩 (见图33(b)。力矩由位于侧向平面内并作用于主销的力偶矩所平衡，故有而力N则内存整向节上下衬套中点处作用于主销的力，所平衡，且有：由图32(b)可，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力和下衬套的中心作用于主销的合力分别为：由上两式可见，在汽车制动时，主销的最大载荷发生在转向节下衬套的中点处，其值为82294.8N。在侧滑工况下受力分析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，它们可分别按下式求得：弯曲应力和剪切应力的计算取中最大的作为主销的计算荷,N,计算主销在前梁拳部下端面弯曲应力和剪切应力：MPaMPa式中： h 转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离见图32(a),取h=60.5mm；主销材料及许用应力主销材料采用20CrNi制造，渗碳淬火，渗碳层深1.01.5mm，5662HRC。许用弯曲应力和许用剪切应力分别为=500MPa和=100MPa；MPaMPa转向节衬套的受力分析转向节衬套的挤压应力为MPa转向节衬套的许用挤压应力为=50MPaMPa在静载荷下，上式的计算载荷取NMPa此时取MPa,MPa。转向节推力轴承的计算对转向节推力轴承，取汽车以等速40kmh，沿半径R50m的圆周行驶的工况作为计算工况。如果汽车向右转弯，外轮即左前左轮的地面垂向反力增大。 (3-22)将上述计算工况的有关数据代入上式，并设=0.5，则有：可近似地认为推力轴承的轴向载荷等于上述前外轮的地面垂向外力，即:于转向节推力轴承在工作中的相对转角不大及轴承滚轮使圆周破坏带来的危险性，轴承的选择按其静承载容量进行，且取当量静载荷。此时，取系数0.4，则所以选择轴承型号为81210.第四章转向梯形的设计4.1转向梯形的理论特性为了使汽车转向时转向轮只有纯滚动而无滑移，应如图4-1所示，两转向轮应绕后轴延长线上的O点转动，且内外转向轮的转角应保证下列关系： (4-1)式中：-外转向轮转角；-内转向轮转角；K-两主销延长线至地面交点间的距离，如图4-1；L-两主销延长线与地面脚垫至后轴的距离，如图4-1。图4-1理论上的转向特性曲线图4-1中的GC线为理论上转角正确的转向梯形特性曲线，其作法如下。以两主销延长线至地面的交点A和B作垂直于后轴轴线，交于C和D点，前轴轴线的中点G作一直线至后轴上的C点，GC即为理论特性曲线。由此可见GC线上任何一点与A和B两点连线所形成的角和角都符合纯滚动关系式，所以称之为理论特性曲线。进行转向梯形的设计时应要保证内、外转角符合或接近纯滚动关系式，也就是说内外转向轴线的交点都应在GC线上或在其附近。目前的转向梯形机构还不能绝对保证符合转向梯形理论特性曲线。由于受到车轮前轴布置的影响，梯形设计时在常用的范围1520内偏差应尽量小，以减小汽车在高速行驶时轮胎的磨损；至于转向轮在最大转角时，汽车速度较低，偏差大些影响不大。上面论证的梯形特性是以刚性车轮为前提的，目前汽车上所用的车轮都是弹性的充气轮胎，在轮胎受到横向阻力时，车轮不在与轴相垂直平面内滚动，而是在与平面成角的平面内滚动，即绕线滚动。由于弹性轮胎存在横向偏离问题，当汽车转向时，所有车轮不是绕点滚动，而是绕点滚动，点又不在后轴延长线上，而在前轴与后轴中间与汽车纵轴线相垂直的某一直线上，即点的位置取决于前轮的横向偏离角和后轮的横向偏离角。由于影响轮胎的横向偏离因素太多，目前无法用简单方法加以确定，所以目前仍以刚性轮胎的假设来进行转向梯形设计，而一般车辆在实际使用中完全可以满足要求，因此暂时不考虑轮胎横向偏离问题。4.2转向梯形的布置为保证汽车行驶的安全性，在一般情况下应尽量将梯形布置在前轴之后，横拉杆的高度在前轴下表面以上15处，以避免障碍物的碰撞。4.3转向梯形机构尺寸的初步确定转向梯形的基本尺寸主要是梯形底角和梯形臂长m。梯形臂长m主要根据布置空间而定，它直接影响到横拉杆轴向力的大小图。通常汽车梯形臂长度与两主销中心距的比值约为：取为0.15，则梯形臂长m=1773.30.15=266。由公式（4-2）得转向梯形的底角=71.6由图4-2可知，转向横拉杆的长度跟和有关，其关系式为：图4-2整体式转向梯形梯形底角是一个非常重要的参数，一般情况下，对整体式转向轴后置梯形来说，两梯形臂延长线的交点约在前轴后轴的2/3处左右。在实际设计中梯形底角是根据整车布置最后确定的，一般在7080范围内。梯形底角主要受到车轮的限制，不能设计的十分合理，一般设计时横拉杆接头与车轮间隙不小于8。4.4转向梯形设计中应说明的几个问题对于转向特性来说，轴距L并非是整车轴距，因为要考虑主销后倾而变化了的实际轴距；当为标准车型设计转向梯形以后，对长轴距或短轴距的变型车，转向梯形一般情况下不在重新设计；汽车转向梯形机构设计完成后，验证内外转向轮实际的转角关系式中的K既不是主销中心距，也不是两主销延长线与地面交点的距离，而是横拉杆两球头销中心向两主销或主销延长线引垂线交于两个垂足的水平面投影之间的距离。4.5阿克曼式转向角图4-3表示了阿克曼式转向角与左右轮转向角相等的平行转向的转向角的比较。而实际转向角则位于这两者之间。在机械连接装置中很难完全实现阿克曼几何学。所以采用转向节臂和转向横拉杆，并且使左右转向节臂的延长线能够交于后轮轴中心形成转向梯形，这样的梯形连接才能近似的实现阿克曼几何学。当与车轴平行的转向横拉杆左右运动时，与转向横拉杆相连接的转向节臂也随之转动。因为转向节臂与轮胎的转向面不平行，所以可以通过把转向节臂与转向横拉杆设计成梯形结构使左右轮产生转向角差。图4-3阿克曼式转向角4.6球头销球头销经常由于球面部分磨损而损坏，为此用下式验算接触应力: (4-3)式中- F为作用在球头销的力；A为在通过球心垂直于F力方向的平面内，球面承载部分的投影面积。许用接触应力为。设计初期，球头直径可根据表5-1中推荐的数据经行选择。表4-1球头直径与转向轮负荷的关系球头直径/转向轮负荷/N球头直径/转向轮负荷/N20到60003524000-3400022600090004034000-49000259000125004549000-700002712500160005070000-100000301600024000根据轮胎负荷，本次设计选择的球头销球头直径为35。球头销用合金结构钢12CrNiB、15CrMo、20CrMnTi或液体碳氮共渗钢35Cr、35CrNi等制造，一般选用20CrMnTi。第五章转向车轮的定位为保证汽车稳定的直线行驶,应使转向轮具有自动回正作用,即当转向轮在偶然遇到外力(如碰到石块)作用发生偏转时,在外力消失后能立即自动回到直线行驶的位置。这种回正作用是由转向轮的定位参数来保证实现的。转向轮定位参数包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角、前轮前束四项参数。5.1主销后倾角主销后倾角如图5-1所示；当汽车水平停放时，在汽车的纵向垂面内，主销上部向后倾斜一个角度r,称为主销后倾角。主销后倾角能形成回正的稳定力矩。当主销具有后倾角角时，主销轴线与路面交点A将位于车轮与路面接触点的前面。当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转（例如向右偏转，如图中箭头所示），将使汽车行驶方向向右偏离。这时由于汽车本身离心力的作用，在车轮与路面接触点B处，路面对车轮作用着一个侧向反作用力Y。反力Y对车轮形成饶主销轴线作用的力矩Yl，其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下，将使车轮回复到原来中间位置，从而保证汽车能稳定地直线行驶，故此力矩称为稳定力矩（回正力矩）。因稳定力矩的大小取决于力臂l的数值，而力臂又取决于后倾角r的大小，因此，为了不使转向盘沉重，主销后倾角r不宜过大。现在一般采用不超过 23的后倾角。现代高速汽车由于轮胎气压降低、弹性增加，而引起稳定力矩增加，因此r可以减小至或接近于零，甚至为负。5.2主销内倾角主销内倾角如图5-2所示；当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。主销内倾角的作用是使车轮自动回正。汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。车轮轴线与主销夹角在转向过程中是不变的，当车轮转过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。主销内倾角的另一个作用是使主销轴线与路面的交点到车轮接地面的中心的距离（内偏置距）a减小，可以减小转向阻力矩，及底面冲击力对方向盘的作用。再来看看回正力矩的情况。汽车除了有主销后倾，还有内偏置。前轮只转向不驱动时，外轮的回正力矩大于内轮所受回正力矩，总的效果是使内外轮顺。因此回正力矩总的效果是使汽车回正。5.3前轮外倾角如图5-3所示，当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，车轮平面与地面垂线的夹角为前轮外倾角。如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出现车轮内倾，这样将加速车轮胎的磨损。另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的寿命。因此，为前轮有一个外倾角。但是外倾角也不宜过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。在现代一些独立悬架的轿车上，前轮采用了负的外倾角这往往是为了在高速转向时车身的侧倾。5.4前轮前束如图5-4所示为前轮前束示意图；车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束车轮不致向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了避免这种由于圆锥滚动效应带来的不良后果，将两前轮适当向内偏转，即形成前轮前束。我们称两前轮后边缘的距离与前边缘的距离的差为前轮前束。在前轮驱动的汽车上，因为驱动力是向前作用于车轮，所以在设计中要考虑到这一因素对前轮前束值的影响，有时会出现零前束和负前束的情况。子午胎的前束值一般为13，斜交胎一般为36。前轮定位参数的选择(1) 主销后倾角=130(2) 主销内倾角=7(3) 前轮外倾角=1(4) 前轮前束A-B A-B=135.5拆卸、安装及调整总成的拆卸(1)拆卸前轮毂制动毂总成拆下前轮毂轴承端盖。取下开口销、调整螺母及挡片。轻轻转动轮毂制动毂总成，并用外力向外抽拔，同时在制动鼓上轻轻敲击以震松外轴承内圈。待松动后，取下轮毂制动鼓总成。注意：轮毂制动鼓总成较重，不要摔坏或砸伤人。(2)拆卸转向节及主销拆除转向节臂。从主销的上下端拆下堵盖和关联零件。拧松主销的楔形锁销螺母，直到螺母外平面与锁销端部平齐。用铜锤子敲打螺母，将锁销与主销之间敲松：拆除锁销螺母和锁销。使用铜锤和铜棒将主销从上向下敲出。拆下转向节、止推轴承和调整垫片。(3)拆卸横拉杆拆下横拉杆臂和横拉杆接头的槽形螺母。用拉力器将横拉杆臂与横拉杆分离。拆下接头上的横拉杆夹紧螺栓。从横拉杆上拆下横拉杆接头。从横拉杆接头拔出开口销，拆下槽形螺母分解各零部件总成的装配各零部件的安装过程与上述过程相反，但要注意螺纹联接件的拧紧力矩和轴承预紧力的调整。车桥的调整(1)前束的调整首先，将横拉杆紧固螺栓松开；转动横拉杆，使前束值在轮胎外径处为O-2mm(斜交胎)或2-Omm(子午线胎)；拧紧横拉杆紧固螺母，此时左右接头的相互夹角不大于4度，最大转角时，横拉杆接头的摆动角应有余量。(2)刹车间隙调整当刹车间隙过大或过小时，会影响整车制动动性能，此时请用扳手调节调整臂上的蜗杆轴六方头。先顺时针方向转动，使间隙为零，再反转，听到两声钢珠滑落响为止，此时间隙为：。(3)转向节轴向间