C1091前桥中型货车前桥设计

学号 10110205432本 科 毕 业 论 文题 目： 中型货车前桥设计 教 学 系： 机械与汽车工程系 指导教师： 孟丽君 彭光俊 专业班级： 车辆 1054 班 学生姓名： 毛伟伟 二 00 九年五月郑 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)任务书学生姓名 毛伟伟 专业班级 车辆 1054 班指导教师 孟丽君 彭光俊 工作单位 华夏学院机械与汽车工程系设计(论 文) 题 目: 中型货车 前桥设计 设计（论文）主要内容：内容包括对 1090 型货车前桥结构的选型，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。要求完成的主要任务:（1）开题报告本科不少于 1200 字； （2）毕业设计说明书不少于 1.0 万字；（3）毕业设计参考文献不少于 12 篇，其中外文不少于 2 篇；（4）文献检索 10 篇，每篇不少于 200 字；（5）图纸必须包含装配图和零件图，总制图量折合本不少于 2 张 0 号图纸，其中手绘图纸量折合不少于 0.5 张 0 号图纸，或机绘图纸量折合不少于 0.5 张 0 号图纸，手绘图纸不得与机绘图重复；（6）将毕业设计相关内容（开题报告、文献检索、 毕业说明书、机 绘图纸等）的电子文档集中刻录到一张光盘上。必读参考资料1.张小虞，叶平. 汽车工程手册(设计篇) M.人民交通出版社 20012.刘惟信.汽车车桥设计M.清华大学出版社.20043.安继儒.中外常用金属材料手册M.陕西科学技术出版社.2005 4.文彤. 车桥的技术进展(上)J. 汽车与配件, 2006,(04).5.文彤. 车桥的技术进展(下)J. 汽车与配件, 2006,(08).6.杨通顺. 货车车桥与悬架J. 汽车与配件, 2002,(33).7.陈家瑞.汽车构造M北京：人民交通出版社，2002.48.余志生.汽车理论（第三版）M机械工 业出版社，2002指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章武汉理工大学华夏学院毕业设计毕业设计(论文)开题报告系：机械与汽车工程系 专业：车辆工程 题目 中型货车前桥设计1、设计(论文) 目的及意 义（含国内外的研究 现状分析）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。武汉理工大学华夏学院毕业设计2、基本内容和技术方案桥结构的选型：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。武汉理工大学华夏学院毕业设计3、进度安排第一个阶段是查找资料、完成文献检索和外文翻译第二个阶段是完成主要的计算第三个阶段是构思汽车总图、绘制零件图以及论文设计写作第四个阶段是设计说明书的编写第五个阶段是整理材料，装订论文4、指导教师意见指导教师签名： 年 月 日武汉理工大学华夏学院毕业设计目 录第 1 章 绪论 .11.1 汽车转向桥的功用及分类 11.2 目前汽车转向桥的研究现状 11.3 转向桥设计的主要工作内容、计算方法和预期目标 1第 2 章 从动桥的结构型式的选择 .22.1 对从动桥的要求 22.2 从动桥的结构型式 22.3 前轮定位参数 22.3.1 主销后倾角 .22.3.2 主销内倾角 .32.3.3 车轮外倾角 .32.3.4 前束 .32.4 1090 型汽车前桥结构型式的选择 .32.4.1 前梁 .42.4.2 主销 .42.4.3 转向节 .42.4.4 转向节臂、转向梯形臂 .42.4.5 转向横拉杆 .42.4.6 转向节推力轴承 52.4.7 主销上、下轴承 .52.4.8 轮毂轴承 .52.4.9 左、右轮胎螺栓 .5第 3 章 从动桥主要零件尺寸的确定 .6第 4 章 转向桥主要零件工作应力的计算 .74.1 从动桥前梁应力的计算 74.1.1 在制动工况下的前梁应力计算 .74.1.2 在最大侧向力（侧滑）工况下的前梁应力计算 .104.2 转向节在制动和侧滑工况下的应力计算 124.2.1 在制动工况下的转向节应力计算 134.2.2 在汽车侧滑工况下的转向节应力计算 .144.3 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 144.3.1 在制动工况下下的应力计算 .144.3.2 在侧滑工况下下的应力计算 .174.4 转向节推力轴承和止推垫片的计算 184.4.1 推力轴承的计算 .184.4.2 转向节止推垫片的计算 .20结论 .21致谢 .22参考文献 .23I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 1090 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 1090 型汽车 货车 主销 武汉理工大学华夏学院毕业设计IIAbstractThe 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 1090 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, 1090 truck, truck，steering pin1第 1 章 绪论1.1 汽车转向桥的功用及分类一般载货汽车采用前置发动机后桥驱动的布置型式，故其前桥为从动桥。从动桥即非驱动桥，又称为从动车轴。它通过悬架与车架或承载式车身相联。其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，除此之外还要承受和传递制动力矩。根据前轮的作用不同，前桥可分为转向从动桥和转向驱动桥两种。载货汽车前轮为从动轮，故前桥为转向从动桥；越野汽车和前驱小轿车的前轮有转向和驱动功能，故称为转向驱动桥。按与其匹配的悬架结构的不同，前桥又可分为非断开式和断开式两种。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轮上的刚性整体横梁；与独立悬架相匹配的断开式从动桥采用的是活动关节结构。前桥除了承受载荷，传递铅垂力、纵向力和横向力，承受和传递制动力矩之外，还利用车桥上的转向节使车轮可以偏转一定角度，实现汽车转向。另外还利用车轮定位参数，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功能。1.2 目前汽车转向桥的研究现状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 1090 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。1.3 转向桥设计的主要工作内容、计算方法和预期目标设计汽车转向桥时，首先要根据市场通用的技术和零部件进行结构选型，根据已知条件确定主要零件尺寸，然后对各主要零件进行极限工况下的强度计算，并绘制总装配图和主要零件图。转向桥设计中的主要性能计算方法是：在初步确定主要零件尺寸之后，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。对该设计的预期目标主要是：在满足强度要求的前提下，尽量减小总成质量，保证转向轮运动稳定，并且要操纵轻便，保证各零件耐磨、加工方便，尽量减小生产成本。武汉理工大学华夏学院毕业设计2第 2 章 从动桥的结构型式的选择2.1 对从动桥的要求（1）从动桥应有足够的强度。要使汽车在行驶过程中遇到最严重的受力情况时不被破坏，从动桥必须可靠地承受车轮和车架之间的作用力。（2）保证主销和转向轮有正确的定位角度，使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎的磨耗。从动桥必须有足够的刚度使转向轮的定位角度保持不变。（3）转向节与主销、转向节与前轴之间的摩擦力应尽可能小，以保证转向的轻便性，并有足够的耐磨性。（4）转向轮的摆振应尽可能小，防止汽车在行驶时转向车轮绕主销不断摆动，保证汽车的正常行驶。（5）非悬挂质量应尽可能小，保证悬架受到的冲击载荷小，提高汽车平均行驶速度。2.2 从动桥的结构型式各种车型的非断开式转向从动桥的结构组成基本相同，它主要由前梁、转向节、转向主销、转向节臂、转向梯形臂、转向横拉杆等组成。其中针对不同的车型，前梁的结构略有不同。按这些零件的形状，从动桥结构可分为：（1）工字形断面前轴，夹叉形转向节，主销固定在前轴两端的拳部里。这种前轴在中型以上的货车上应用最广泛。它抗弯强度大，形状易于满足总布置要求，但制造时需要大型锻压设备。这种前轴形状有两种：一种是中部下沉式，这是为了避免前轴与发动机油底壳干涉；另一种是直式，但在布置上要考虑干涉，钢板弹簧也要布置在车架外侧。（2）工字形断面前轴两端制成夹叉形，主销固定在转向节里。这种前轴工艺复杂，目前很少见了。（3）圆管形断面前轴，两端焊有拳形主销支座和钢板弹簧座。它是一种组合式的结构，由无缝钢管的中间部分和模锻成形的两端拳形部分组焊而成。这种结构适用于小批量生产，可省去大型模锻设备。（4）方形断面焊接前轴，两端焊有拳形主销支座。这种前轴由两根槽形钢焊成，垂直面内的抗弯断面系数比较大，但焊缝多，在冲击载荷下，易产生应力集中，因而使用不可靠，应用较少。2.3 前轮定位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，转向桥的主销在汽车纵向和横向平面内都有一定倾角。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。此外除了上述参数外，还有车轮外倾角和前束， 。武汉理工大学华夏学院毕业设计32.3.1 主销后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，从而保证汽车具有较好的直线行驶稳定性。此力矩称为稳定力矩。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转向盘上施加更大的力，导致转向沉重。主销后倾角通常在 3以内。但选用子午线轮胎时，由于轮胎拖距较小，则需选用较大的主销后倾角。设计任务书中给定的主销后倾角为 230。2.3.2 主销内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转向盘上的力，使转向轻便，同时也可减小转向轮传到转向盘上的冲击力。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，而当松开转向盘时，所存储的上升位能使转向轮自动回正，保证汽车作直线行驶。主销内倾角一般 58；主销偏移距一般为 3040mm。但主销内倾角不宜过大，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，使转向变的很沉重。设计任务书中给定的主销内倾角为 6。2.3.3 车轮外倾角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 0.51.5，一般 为 1左右。它可以避免汽车重载时车轮产生负外倾即内倾，同时车轮外倾也与拱形路面相适应。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。设计任务书中给定的车轮外倾角为 1。2.3.4 前束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，以使前轮在每一瞬时的滚动方向向着正前方。前束值即（B-A） ，一般汽车约为 35 毫米，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。设计任务书中给定的前束为 812 mm。2.4 1090 型汽车前桥结构型式的选择本次设计题目为1090 型汽车前桥设计 ，根据设计任务书给出的要求和参数，该车型属于满载武汉理工大学华夏学院毕业设计4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。本设计选用 2.2 中所述的第一种结构型式。2.4.1 前梁前梁是非断开式从动桥的最主要零件，由中碳钢或中碳合金钢模锻而成。其两端各有一呈拳形的加粗部分作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，以便降低汽车发动机的安装位置，从而降低汽车传动系的安装高度并减小传动轴万向节主、从动轴间的夹角；为提高 前梁的抗扭强度，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，则采用上述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。2.4.2 主销主销的结构型式，一般载货汽车常用实心或空心圆柱形，本设计采用空心主销，作成空心的目的主要是有利于润滑。主销中部要铣凹槽，与锲销配合防止主销转动。主销两端均有端盖，防止污泥侵入，并可安装黄油嘴。2.4.3 转向节由中碳钢或中碳合金钢如 40、35Cr、40Cr、40CrNi 钢等用模锻加工制成。从装配关系上看，转向节要支承前轮毂，使轮毂能相对主销作转向运动，并通过主销与前梁拳部联接，通过止推轴承和减磨垫圈承受汽车前轴上的质量。转向节指轴用两个圆锥滚子轴承支持轮毂。另外为了转向系统中零件的应力，应使车轮中心线尽可能接近主销中心线，即使车轮中心线距离内侧大轴承较近。为保证汽车行驶安全，转向节指销直径应按侧滑载荷校核强度。同时为避免应力集中，指轴根部的圆角半径应较大，并应光滑过渡。因轴承内圈圆角半径较小，故内轴承的内侧均有一隔圈，隔圈厚度与内倒角应使指轴根部圆角得到可靠保护。在隔圈内侧用毛毡油封防止黄油渗入制动鼓内。此外还有薄钢片冲压的挡油圈。2.4.4 转向节臂、转向梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如 40、35Cr、40Cr、40CrNi 钢等用模锻加工而成，且采用沿其长度变化的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强度与刚度。2.4.5 转向横拉杆选用刚性好、质量小的 20 钢、30 钢、35 钢的无缝钢管制造，其两端的球形铰接作为单独组件，组装好以后以组件客体上的螺纹旋到杆的两端端部，使横拉杆的杆长可调，以便用于调节前束。球形铰接的球销与衬垫均采用低碳合金钢如 12CrNi3A、20CrNi、20CrMnTi 制造，工作表面经渗碳淬火，渗碳层深 1.53.0mm,表面硬度 5663HRC。允许采用 40 或 45 中碳钢制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处用滚压工艺增强。球形铰接的壳体采用 35 钢或 40 钢制造。为了提高球头和衬垫工作表面的武汉理工大学华夏学院毕业设计5耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀工艺；亦采用耐磨性好的工程塑料制造衬垫。后者在制造过程中可渗入专门的成分（例如尼龙-二硫化钼） ，对这类衬垫可免去润滑。2.4.6 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。本设计中拳部上方采用减磨垫圈，由钢垫片于耐磨铜垫片（含粉末的多孔紫铜）组成，这种结构制造容易、成本低，但摩擦阻力大、转向沉重、寿命较短。拳部下放采用推力球轴承，这种结构转向轻便。2.4.7 主销上、下轴承承受较大的径向力，采用滑动轴承（即压入转向节上、下孔中的衬套） 。2.4.8 轮毂轴承由两个圆锥滚子轴承组成，这种轴承的支承刚度较大，可承受较大负荷。2.4.9 左、右轮胎螺栓为了防松，左侧选用左旋，右侧用右旋。武汉理工大学华夏学院毕业设计6第 3 章 从动桥主要零件尺寸的确定从动桥采用的是工字型断面的前梁，这种结构可保证其质量最小而在垂向平面内的刚度大、强度高。工字型断面的垂向弯曲截面系数 和水平弯曲截面系数 可近似取为vWhW（3-205.ha1）式中：a工字型断面的中部尺寸，mm。在设计中为了预选前梁在板簧座处的弯曲截面系数 ，可采用经统计取得的经验公式：vW（3-/20vml2）式中： 作用于该前梁上的簧上质量，可客观 ；mkg车轮中线至板簧座中线间的距离， ；l c2200系数， 2kgcmA根据设计任务书给出的初始参数：簧上质量 ，前轮轮距 和初选的板簧3158mkg180Bm座中心距 ，可得出：851s2180479.l根据式（3.2） ，求得： 35./20vW3368.cm又根据式（3.1） ， ，20va可得出， 15.此时，参照 EQ1090E 型汽车的技术参数，设计任务书中所给的前梁载荷明显较大，因此应该无法满足前梁在极限工况下的许用应力要求。此时取15.am。20另外，其它主要尺寸有：前梁工字型断面高度取 ，约等于前132m梁拳部的高度。主销直径取 ，主销上下滑动轴承（即压入转向节上45m下孔中的衬套）的长度取 和 。前梁工字形断面的尺寸关系如70图 1。武汉理工大学华夏学院毕业设计7图 3.1 工字形断面的尺寸第 4 章 转向桥主要零件工作应力的计算从动桥强度计算的目的是要确定从动桥的主要零件的适宜尺寸，即要满足强度要求和使用寿命要求，又要使部件重量尽可能减轻。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。 首先要绘制计算用简图。绘制简图时可忽略车轮定位的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角及车轮外倾角均为零，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，如图 2 所示。图 4.1.转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图（a）制动工况下的弯矩图和转矩图；（b）侧滑工况下的弯矩图4.1 从动桥前梁应力的计算4.1.1 在制动工况下的前梁应力计算制动尤其是紧急制动是从动桥最严重的工况之一。此时前轴的垂直载荷增大，水平弯曲力矩达到武汉理工大学华夏学院毕业设计8最大值，同时还存在巨大的制动扭转力矩。制动时前轮承受的制动力 和垂向力 传给前梁，使前梁承受的转矩和弯矩。P1Z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向反力为（4-12Gm3）式中， 汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷，N；1G汽车制动时对前桥的质量转移系数。m由 ， ，求得：134589.1.3589.132Z06.N前轮所承受制动力为（4.4）式中，1P轮胎与路面的附着系数。由 ，求得:0.82016.58P093.2N由 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1ZP vMh为（4-121()()2vwwBsZgl5）（4-21hsPl6）式中， 、 、 见式 3 和式 4 下的说明；1Gm见图 4.1，为轮胎中心线至至板簧座中线间的距离，mm；2l车轮（包括轮毂、制动器等）的重力，N；wg前轮轮距，mm；B前梁上两钢板弹簧座中线间的距离，mm。s武汉理工大学华夏学院毕业设计9由 ， ， ， ，求得：1206.5ZN609.85wgN180Bm851s(26.)2vM9.410A8513h67.Nm制动力 还使前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转矩 ：P T（4-rTP7）式中， 轮胎的滚动半径，mm。r由于设计任务书中规定了轮胎规格为 9.00-20in，则轮胎断面宽为 ，轮辋直92.548.6m径为 ，若选用轮胎高宽比为 75，则轮胎断面高为 ，轮胎20.548m 071直径为 。此时取 ，则求得：17251425rm16093.T8NA图 2（a）给出了前梁在汽车制动工况下的弯矩图及转矩图。前梁在钢板弹簧座附近危险断面出的弯曲应力 和扭转应力 （单位均为 MPa）分别为w（4-max(/)KvhwTMWJ8）式中， ， ， 见式 5式 7， ；vMhTNA， 见式 1， ；W3前梁在危险断面处的扭转截面系数， ；T 3m前梁横断面的最大厚度，mm；max前梁横断面的极惯性矩，对工字形断面：KJ武汉理工大学华夏学院毕业设计10（4-30.4KJh9）工字形断面矩形元素的长边长，mm；h工字形断面矩形元素的短边长，mm。由 ，根据式 1 可得：20am353201.60vWm45.h再根据式 5 和式 6 的计算结果，可得： 66559.107.4w23MPa如图 2，根据工字形截面的尺寸参数，可得： 330.4810.492KJ6.m由式 7 和式 8 的计算结果，有 6.8104.3(4/2)MPa前梁采用 45 钢制造，硬度为 241285HB。前梁应力的许用值为 ；30wPa。150MPa根据式 8 的计算结果可知： ， 。因此在制动工况下前梁应力满足强度要求。w4.1.2 在最大侧向力（侧滑）工况下的前梁应力计算在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 、 和侧向反力1LZR、 各不相等，前轮的地面反力（单位均为 N）分别为1LYR（4-112gLhGZB10）（4-112gRh武汉理工大学华夏学院毕业设计1111）（4-112gLhGYB12）（4-112gRh13）式中， 汽车停于水平路面时的前桥轴荷，N；1G汽车前轮轮距，mm；B汽车质心高度，mm；gh轮胎与路面的侧向附着系数，取 。11.0式中“+” 、 “-”号的取舍：当 、 向左作用时取向右作用时（如图 2 所示）取上面的符号。1LYR取 ，可求得：850ghm13589.28501LZ38.0N1194.2R11308.LYZN94R求侧滑时左、右钢板弹簧对前梁的垂向作用力（N）为（4- 11 0.5/LgrRTGhs14）式中， 汽车满载时车厢分配给前桥的垂向总载荷，N； 1G板簧座上表面的离地高度，mm；r， ， 见式 13 下的说明；1gh两板簧座中心间的距离，mm。s武汉理工大学华夏学院毕业设计12由于 1090 型汽车满载时车厢承重为 4 吨，因此 。又 ， ，13Gkg325rm81s可求得： 10.539.85.80/1LT26N11.532/R59汽车侧滑时左、右前轮轮毂内、外轴承的径向支承立（单位为 N）分别为（4-111rLLLbSYZa15）(4-16)211rLLLab(4-17)1rRRRSYZ（4-211ra18）式中， 轮胎的滚动半径，mm；r ， 至车轮中线的距离，mm；a1LSR ， 至车轮中线的距离，mm。b2将由式 10式 13 求得的 ， ， ， 代如入式 15式 18，即可求得左、右前轮轮毂内1LZR1LYR轴承对轮毂的径向支承力 、 和外轴轴承对轮毂的径向支承力 、 ，这样也就求出了轮毂S 2LSR轴承对轮轴的径向支承反力。 14259038.38.9015L5140N2S14.94.0.5R 1590358N根据这些力及前梁在钢板弹簧座处的垂向力 、 ，可绘出前梁与轮轴在汽车侧滑时的垂向受1LTR力弯矩图（见图 2（b） ） 。由弯矩图可见，前梁的最大弯矩发生在汽车侧滑方向一侧拳部的主销孔处（-剖面处） ；而另一侧则在钢板弹簧座处（-剖面处） ，可由下式直接求出：武汉理工大学华夏学院毕业设计13（4-12LrRMZlY19）式中， 弯矩， ；MNmA主销到车轮中心的距离，mm；1l， 左、右前轮承受地面的垂向反力，N；LZR， 左、右前轮承受地面的侧向反力，N。1Y取 ，根据式 10式 13 的计算结果，求得：0lm 6308.1308.4259.710MNmA94759 4.2 转向节在制动和侧滑工况下的应力计算如图 4.2 所示，转向节的危险断面处于轴径为 的轮轴根部，即-剖面处。1d图 4.2 转向节、主销及转向节衬套的计算用图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 和水平方向的弯矩 而不受转矩，因制动力矩不vMh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。这时可按式式 5 和式 6 计算其武汉理工大学华夏学院毕业设计14及 ，但需以 代替该两式中的 ，即vMh3l2l（4-13()vwMZgl20）（4-13hl21）式中， 前轮所承受的地面垂向反力，N，见式 3；1Z轮胎与路面的附着系数；见式 6 下的说明；wg见图 3，即轮胎中心线至-剖面间的距离。3l取 ， ，可求得：45m0.85(2016.58)4.710vMNmA2h-剖面处的合成弯曲应力 为w（4-22310.vhvhMWd22）式中， 转向节轮轴根部轴径，mm，见图 3；1d取 ，求得：60m2538.7102.6wMPa上式的许用应力为 ，显然 ，满足强度要求。50MPaw转向节采用 45 钢制造，心部硬度 241285HB，高频淬火后表面硬度 5765HRC，硬化层深1.52.0mm。轮轴根部的圆角滚压处理。4.2.2 在汽车侧滑工况下的转向节应力计算在汽车侧滑时，左、右转向节在危险断面-处的弯矩是不等的，可分别按下式求得：武汉理工大学华夏学院毕业设计15（4-13LLrRRMZlY-23）根据式 10式 13 的计算结果，可求得： 7308.(452)1.0L Nm- A59.RM 左右转向节在危险断面处的弯曲应力为（4-310LLWRRMd-24）根据式 23 的计算结果，求得： 731.059.6WL wMPa34.2.4R因此，转向节在侧滑工况下满足强度要求。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 ， 的两点处，cd在侧向平面（图 3（b） ）和纵向平面（图 3（c） ）内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。4.3.1 在制动工况下下的应力计算地面对前轮的垂向支承反力 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1Z1Zl上、下衬套中点处垂直地作用于主销的力 所形成的力偶矩 所平衡（图 3（b） ） ，故有：MQ()MZQcd（4-1()Zlcd25）式中： 见式 3。1Z武汉理工大学华夏学院毕业设计16取 ， ，可求得：10cm10d2016.597.3MZQN制动力矩 由位于纵向平面内并作用于主销的力 所形成的力偶矩 所平衡（见图rP MQ ()MQcd3（c） ） ，故有（4-()rMPcd26）根据式 4 的计算结果有 416093.245.10MQN而作用于主销的制动力 则由在转向节上、下衬套中点处作用于主销的力 、 所平衡（见P uQl图 3（c） ） ，且有（4-()udc27）（4-()lPQcd28）求得： 16093.2849.7u N63lQ由转向桥俯视图（图 3（d） ）可知，制动时转向横拉杆的作用力 N 为（4-15PlN29）取 ，求得：510lm16093.216093.2NN力 N 位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离 ，如将 N 的着力点移至主销中心线与轮轴中心4l线交点处，则需对主销作用一侧向力矩 （见图 3（b） ） 。力矩 由位于侧向平面内并作用于主销4l 4l武汉理工大学华夏学院毕业设计17的力偶矩 所平衡，故有()MNQcd（4-4()MNlQcd30）取 ，求得：410lm16093.2763.4MNN而力 N 则由在转向节上、下衬套中点处作用于主销的力 ， 所平衡，且有uQl（4-()NudQc31）（4-()Nlcd32）求得： 16093.2849.7NuQN63l由图 3（b）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uQ合力 分别为lQ（4-22uMZNuMuQ33）（4-22lZNl lQ34）根据式 25式 32 的计算结果，求得： 224957.36.489.73.1089.7uQ42.10N22463.l4.武汉理工大学华夏学院毕业设计18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，其值为由式 34 计算所得的 。416.50lQN4.3.2 在侧滑工况下下的应力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 是不相等的，它们可MZQ分别按下式求出：（4-1()/(MZLLrRRQlYcd35）式中， ， 汽车左、右前轮承受的地面垂向反作用力，N；1LZR轮胎中心线至主销轴线的距离，mm；l轮胎的滚动半径，mm；r， 左、右前轮承受的地面侧向反力，N；1LYR， 见图 3；cd根据式 10式 13 的计算结果，求得： (08.1308.425)/(10)MZLQ4.6N(9.)/()MZR230取 ， ， 中最大的作为主销的计算载荷 ，显然此时 最大， =lQZLR jQMZLjQ。计算主销在前梁拳部下端面处的弯曲应力 和剪切应力 。4.610MZLN ws（4-30.1jwhd36）（4-204jsQd37）式中， 主销直径，mm；0d武汉理工大学华夏学院毕业设计19转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离，见图 3（a） ，mmh取 ， ，求得：46m045d43.6102.5wMPa42.8.9s主销许用应力为 ；许用剪切应力为 。显然 ，50wMPa10sPaw，满足强度要求。s主销采用 20Cr 制造，渗碳淬火，渗碳层深 1.01.4 毫米，硬度 HRC5864。转向节衬套的挤压应力 为c（4-0jcQld38）式中， 衬套长，mm；l计算载荷，取 ， ， 中最大值，N；jQlMZLR主销直径，mm，见图 3（a） 。0d取 ，求得：7lm 4.610.75cMPa转向节衬套的许用应力为 ，显然， ，满足强度要求。cPac在静载荷下，式 38 的计算载荷取（4-11/()/()2jMZGQldld39）式中， ， ， ， ， ， 见式 25 及式 3 及其下的说明及图 3。MZQ1lcd1G求得： 589.10/()2jQ74.6N.505c cMPaPa武汉理工大学华夏学院毕业设计20因此在静载荷下衬套满足强度要求。4.4 转向节推力轴承和止推垫片的计算计算首先要确定推力轴承和止推垫片的当量静载荷。4.4.1 推力轴承的计算对转向节推力轴承，根据推荐取汽车等速 、沿半径 的圆周行驶的工况作为40/aukmh50Rm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。1LZ由于汽车前桥的侧滑条件为(4-21111aLRvPmYGg40）式中， 前桥所受的侧向力，N；1P汽车满载时的整车质量分配给前桥的部分；m汽车的转弯半径， ；Rm汽车行驶速度， ；av/s重力加速度， ；g2， 地面给左、右前轮的侧向反作用力，N；1LYR轮胎与地面间的侧向附着系数；汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷，N。1G由上式可得： 21avRg将此式代入式 10，得（4-2112gaLhvGZB41）将上述计算工况的 、 等有关数据代入式 41，并设 ，则有avR1/0.5ghB武汉理工大学华夏学院毕业设计21111.25/0.6LZG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反力，即有aF（4-10.642）求得： 0.6253189.342.8aFN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，轴承的选择按其静承载容量 进行，且取当量静载荷 为：0C0P（4-0)3.5(C43）此时， 取系数为 0.4， ，则01942.8aPFN/3/0.2357.4CNk通过查阅止推轴承的标准，可选用规格 51209 的止推轴承，由于其静承载容量 ，满足强083.CkN度要求。4.4.2 转向节止推垫片的计算转向节上衬套处由于采用青铜止推垫片，在汽车满载情况下，止推垫片的静载荷可取为 12aGF这时止推垫片的挤压应力为（4-24acDd44）式中，d，D止推垫片的内、外径。取 ， ，求得：48m652431589./0.56c MPa由于通常 ，显然 ，满足强度要求。30cMPac