摘 要 中國改革開放以來，在農村實行家庭聯產承包責任制的改革，使農村的經濟空前活躍。農村的貨運量和人口流動量急劇增加，加快了運輸機械化成為農村經濟發展的迫切需要，隨之小型載貨汽車也就應運而生，而前橋作為汽車上一個重要的零部件，也顯得尤為重要。前橋一般位于汽車的前部，也稱轉向橋或駕駛橋。是通過懸架與車架相連，用以承受地面與車架之間的垂直載荷外，還承受制動力和側向力以及這些力構成的力矩，并保證轉向輪作正確的運動。在汽車使用中，轉向橋的受力情況比較復雜，因此應具有足夠的強度。如何保證轉向車輪的正確定位角度，轉向 橋有足夠的剛度，使操縱輕便并減輕輪胎的磨耗、汽車能快速平穩的行駛，就是一個重要問題。于是就有了本課題的研究和設計。本文首先對汽車前橋的發展歷史做了相關描述，然后小型載貨汽車的特點及國內外的發展現狀進行了相關的描述，詳細分析了前橋的組成和各部件的作用，之后對轉向前橋做了詳細的設計計算，主要計算了前梁、轉向節等在制動和側滑兩種工況下的工作應力。本次設計的繪圖均由 關鍵字 ： 汽車 ; 前橋 ; 前梁 ; 轉向節 he of of in is in of in up an a as an is in of as or Is to to to of of of by be of to of of to of be is an So be of of of of at in of of of of to do of of in of by AD 套 資料 ， Q 扣 414951605 目 錄 1、 緒論 . 1 車前橋的發展簡史 . 1 題的研究現狀 . 1 橋的作用與組成 . 1 橋的設計步驟 . 2 橋的結構形式 . 2 橋設計 . 2 2、 前橋的概述和設計要求 . 2 橋簡介 . 2 橋的基本參數 . 2 橋的設計要求 . 3 計要求 . 3 構參數 . 3 3、 前橋的結構 . 4 橋的結構概述 . 4 橋的選擇 . 5 車參數 . 5 4、 汽車前橋的設計計算 . 6 橋在不同工作條件下的受力分析 . 6 車在制動時前梁的應力計算 . . . 汽車在側滑時前梁的應力計算 . 9 向節在受力分析 . 10 車在制動時轉向節的應力計算 . 10 車在側滑時轉向節的應力計算 .他零部件的選用 .、 結論 . 12 6、 參考文獻 . 13 7、 致 謝 . 14 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 1 1 緒論 車前橋的發展簡史 100 多年前，汽車剛剛誕生初期，其轉向操縱是仿照馬車和自行車的轉向方式，即用一個操縱桿或手柄來使前輪偏轉，從而實現轉向。由于操縱費力且不可靠，以至于時常發生車毀人亡的事故。第一輛不用馬拉的四輪車問世時，已經把前橋和前輪組成一個總成，此總成安裝在曲軸上，可以繞前橋的中心的一個點轉動，利用一個桿柱 ,連接前橋的重點，通過地板往上延伸，方向盤就緊固在桿柱上端，以此操縱汽車。這種裝置在汽車車速不超過馬車的速度時，還是很好使的，但當車速提高后，駕駛員就要求提高轉向的準確性，以減少輪胎的磨損，提高輪胎的使用壽命。 1817年，德國人林肯斯潘杰提出類似于現代汽車、將前輪用轉向節與前梁連接的方式，他研制了一種允許汽車前輪在主軸上獨立回轉的結構，這就是把車輪與轉向節連接起來，轉向 節又用可轉動的銷軸與前軸連接，從而發明了現代轉向梯形機構。 題的研究現狀 中國改革開放以來，在農村實行家庭聯產承包責任制的改革，使農村的經濟空前活躍。農村的貨運量和人口流動量急劇增加，加快了運輸機械化成為農村經濟發展的迫切需要，也正是這一市場的需要使具有中國特色的運輸機械 小型載貨汽車的應運而生。它解決了農村運輸的急需，填補了村際、鄉際，城鎮及城鄉結合部運輸網絡的空白，活躍了農村經濟，為農村富裕勞動力找了一條出路，從而使數以萬計的農民走上了小康之路。 小型載貨汽車制造工藝簡單，價格便宜，購車農戶 一般在一年左右就可收回成本。另外，公路的快速建設也促進了小型載貨汽車的發展，目前全國 98%的鄉村都通上了公路，使得全國小型載貨汽車有了用武之地。 我們要開發的小型載貨汽車要多進行優化設計，使產品新穎化，品種多樣化以適應多種需要。在小型載貨汽車的設計中，如何在復雜的路況下保證汽車能快速平穩的行駛，就是一個重要問題。于是就有了本課題的研究和設計。 橋的作用與組成 汽車前橋是行駛系統的重要組成部分，它通過懸架與車架相連，兩端安裝汽車的轉向車輪，用于支持車架并傳遞車輪與車架之間的各種作用力，并驅使轉 向節的擺動來實現汽車的轉向。利用鉸鏈裝置使車輪偏轉一定角度，以實現車輛轉向的車橋稱為轉向橋，一般汽車都以前橋為轉向橋，本題前橋即為轉向橋。轉向橋不僅能使裝在前端的左右車輪偏轉中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 2 一定的角度來實現轉向，還應能承受垂直載荷和由道路、制動等力產生的縱向力和側向力以及這些力所形成的力矩。因此，轉向橋必須有足夠的強度和剛度。車輪轉向過程中內部件之間摩擦力應該盡可能小，并且保證汽車轉向輕便和方向的穩定性。 轉向橋一般由前軸、轉向節、轉向節臂，轉向節主銷及輪轂組成。 橋的設計步驟 橋的結構形式 前橋 按與之匹配的懸架結構不同，可分為非斷開式與斷開式兩種。小型載貨汽車要求價廉，所以多采用非斷開式前橋。非斷開式的前橋主要有前梁、轉向節和轉向主銷組成。 橋設計 轉向前橋主要零件尺寸的確定，前梁、無縫鋼管型斷面，可采用常規設計。 零件工作應力計算 :制動時前梁應力計算；最大側壓力的情況下的應力計算；其他零件的選用。 2、前橋的概述和設計要求 橋簡介 前橋一般位于汽車的前部，也稱轉向橋或駕駛橋。是通過懸架與車架相連，用以承受地面與車架之間的垂直載荷外，還承受制動力和側向力以及這些力構成的力 矩，并保證轉向輪作正確的運動。在汽車使用中，轉向橋的受力情況比較復雜，因此應具有足夠的強度。為保證轉向車輪的正確定位角度，使操縱輕便并減輕輪胎的磨耗，轉向橋也應有足夠的剛度。此外，還應盡量減輕轉向橋的重量。 前橋承受汽車的前部重量，把汽車的前進推力從車架傳給車輪，并與轉向裝置的有關機件作關節式的聯系，實施汽車的轉向。越野汽車的前橋同時還承擔著與驅動后橋同樣的驅動任務。一般載貨汽車采用發動機前置后橋驅動的布置形式，故其前橋為轉向橋。 橋的基本參數 主銷后傾角：為保持汽車直線行駛的穩定性、轉向輕便性 及汽車轉向后使前輪具有自動回正的性能，前橋的主銷在汽車的縱向和橫向平面內都有一定的傾角。在縱向平面內，中國地質大 學長城學院 2012 屆畢業設計 3 主銷上部向后傾斜一個角，稱為后傾角。主銷后傾使主銷軸線與路面的交點位于輪胎接地中心之前，該距離稱為后傾拖距。當直線行駛時的汽車的轉向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉時，汽車就偏離直線行駛而有所轉向，這時引起的離心力使路面對車輪作用著一阻礙其側滑的側向反力，使車輪產生繞主銷旋轉的回正力矩，從而保證了汽車具有較好的直線行駛穩定性。此力矩稱為穩定力矩。穩定力矩也不宜過大，否則在汽車轉向時為了克服此穩定力矩，需要在 方向盤上施加更大的力，導致方向盤沉重。后傾角通常在 3以內。 主銷內傾角：在橫向平面內，主銷上部響內傾斜一個角，稱為主銷內傾角。主銷內傾也是為了保證汽車直線行駛的穩定性并使轉向輕便。主銷內傾使主銷軸線與路面的交點至車輪中心平面的距離，即主銷偏移距減小，從而可減小轉向時需加在方向盤上的力，使轉向輕便，同時也可減小轉向輪傳到方向盤上的沖擊力。主銷內傾使前輪轉向時不僅有繞主銷的轉動，而且伴隨車輪軸及前橫梁向上的移動，當松開方向盤時，所儲存的上升位能能使轉向輪自動回正，保證汽車作直線行駛。內傾角一般為 5 8；主銷偏移距一般為 3040車、輕型貨車可選較大的主銷內傾角，以提高其轉向車輪的回正能力。但內傾角也不宜過大，即主銷偏移距不宜過小，否則在轉向過程中車輪繞主銷偏轉時，隨著滾動，將伴隨著沿路面的滑動，從而增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉向變得沉重。 車輪外傾角：轉向輪在安裝時，其輪胎中心平面不是垂直于地面，而是向外傾斜一個角度，這個角度稱為車輪外傾角。這個角一般為 5 一般為 1左右。它可以避免汽車載重時車輪產生內傾，同時也和弓形的路面相適應。由于車輪外傾使輪胎接地點向內縮，縮小了主銷 偏移距，從而使轉向輕便并改善了制動時的方向穩定性。 前束：前輪安裝后，兩前輪的旋轉平面不平行，前端略向內束，稱為前束。兩輪前端距離小于后端距離，其差值是前束值，一般在 1 12束的作用是為了消除汽車在行駛中因車輪外傾導致的車輪前端向外張開的不利影響，消除因前輪外傾使汽車行駛時向外張開的趨勢，減少輪胎磨損和燃料消耗。 橋的設計要求 計要求 保證有足夠的設計強度，以保證可靠的承受車輪與車架之間的作用力。 保證有足夠的剛度，以使車輪定位參數不變。 保證轉向輪有正確的定位角度，以使轉 向輪運動穩定，操縱輕便并減輕輪胎的摩擦。 轉向橋的質量盡量小，以減輕非簧上質量，提高汽車行駛平順性。 構參數 載重質量 1500車總質量 2500箱尺寸 3300*1600*360 前輪為單輪胎，后輪為雙輪胎 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 4 有關國家標準 3、前橋的結構 橋的結構概述 用前橋轉向時當今汽車的基本趨勢。從動轉向橋的基本結構主要由前軸、轉向節和輪轂三部分組成。 前軸：前橋的主要零件的結構形式：前軸是前橋的主體，按其整體形狀可分為直式和中部下沉式兩種。直式前軸由于鍛造工藝簡單，在汽車總布置允許的情況下可以采用。中部下沉式前軸可以降低發動機的位置，從而降低汽車的重心，有利于提高汽車行駛穩定性，并可降低駕駛室的高度，減小迎風的面積，改善汽 車的空氣動力性，對長頭式駕駛室汽車又可加寬駕駛員視野。因此，中部下沉式前軸得到最廣泛的應用。 中部下沉式前軸按其截面形狀及制造工藝又可分為工字形斷面和圓管形斷面兩種。工字形斷面多用 45 號碳素結構鋼整體鍛造，其抗彎強度高，自重小，但鍛造工藝復雜，需要大型鍛造設備，多為大型制造廠采用。圓管形斷面的前軸中部采用無縫鋼管，兩端焊有拳形主銷支座。這種前軸取材方便，不需要大型鍛造設備，適用于中小型汽車制造廠。前軸材料多用 35、 40、 45號碳素結構鋼或用 3040鍛造和回火后，經過調質處理。 轉向節： 轉向節俗稱羊角，它通過主銷將前軸與車輪相連接，并驅使前輪轉動，實現汽車轉向。轉向節由固定制動器底板的凸緣和支撐輪轂的指軸構成。轉向節一般由三種結構型式，即整體煅造式、焊接式和螺栓連接式。轉向節材料為中碳合金鋼，并經模鍛和熱處理。 轉向節主銷：轉向節主銷俗稱大王針，有空心和實心兩種。轉向節主銷承受強烈的沖擊載荷，它要求具有很高的表面硬度和耐磨性，且要求心部具有一定的韌性。轉向節主銷多用 200造，也有用 2020過滲碳處理。主銷的幾種結構型式如下圖所示，其中比較 常用的是前兩種，即圓柱實心型和圓柱空心型兩種。 圖 1 主銷的類型 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 5 轉向節主銷襯套：轉向節主銷襯套工作條件惡劣，負荷較大。多用耐沖擊、耐磨損的青銅或鐵基粉末冶金制造，也有剛 轉向節止推軸承：汽車轉向節銷止推軸承是安裝在前橋轉向節部位的重要零件，它既要承載著車身的重力，又要保證前輪轉向的靈活平穩。由于汽車是在不同的路面上行駛，各種顛簸所形成的沖擊力都要作用在軸承上，所以要求軸承具有很高的額定靜負荷能力。目前主要的止推軸承主要有 圓柱滾子軸承、單列圓錐滾子軸承、推力球軸承、推力圓錐滾子軸承四 大類。 前輪輪轂：輪轂通過兩個圓錐滾子軸承支撐在轉向節軸上，軸承的松緊度可由調整螺母進行調整，并用鎖緊裝置鎖緊。為防止潤滑脂進入制動鼓內，輪轂內側裝有雙外刃油封和擋油盤。輪轂外端面用軸頭蓋封住，以防止泥沙侵入。目前，輪轂多用可鍛鑄鐵 鍛鑄鐵有較高強度、塑性和韌性，可滿足汽車輪轂的工作條件。也有采用球墨鑄鐵和碳素鋼鑄造，經滲碳處理。 橋的選擇 轉向前橋有斷開式和非斷開式兩種，非斷開式結構簡單，承載能力較大，成本較低，在現代汽車上得到廣泛應用，因此本設計就采用非斷開式前橋。 前橋結 構形式：無縫鋼管的中間部分和模鍛成型的兩端拳形部分組焊而成 轉向節結構：整體鍛造式 注銷結構：圓柱實心主銷 轉向節推力軸承結構：調心球軸承 車參數 汽車總質量 M （ :2500 前橋軸載重量 1G (N):8500 汽車質心至前橋中心線距離 1L (1800 汽車質心至后軸中心線距離 2L (1000 軸距 L (2800 前輪距 B (1350 前鋼板彈簧座中心距 s (650 主銷中心距 1B (1200 汽車質心高度gh(850 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 6 車輪滾動半徑 r (350 主銷內傾角 : 6 主銷 后傾角 : 2 前輪外傾角 : 1 前輪前束 ( 2 4、汽車前橋的設計計算 轉向前橋的設計計算主要是計算前橋、轉向節、主銷、主銷上下軸承、轉向節推力軸承或止推墊片等在制動和側滑兩種工況下的工作應力。 繪制計算用簡圖時刻忽略車輪的定位角，即認為主銷內傾角、主銷后傾角、車輪外傾角均為 0，而左、右轉向節軸線重合且與主銷軸線位于同一側向垂直平面內。 橋在不同工作條件下的受力分析 前橋的受力彎矩圖 圖 2 前橋的受力彎矩圖 1 為制動工況下的彎矩圖 2 為側滑工況下的彎矩圖 1Z 、 用在前橋左、右車輪上的鉛直反力（垂直路面） 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 7 作用在前橋左、右車輪上的制動力（垂直前橋，貼于路面） 作用在前橋左、右車輪上的側向力（平行前橋，貼于路面） 1G 前橋滿載靜負荷 (本車為 8500N) r 前車輪輪胎滾動半徑（本車 350 車輪滿載重心高度（本車 850 B 前輪距（本車 1350 S 前橋兩板簧座中心距（本車 650） 1B 兩轉向節銷孔中心線與轉向節軸頸中心線交點間的距離（ 本車 1200動時前梁應力計算 制動時前輪承受的制動力Z 傳給前橋，使前橋承受轉矩和彎矩。此時制動力向力 0。 制動時汽車質量向前橋轉移，則前輪所承受的地面垂向反力為 1Z =21G 1m（公式 1） 1G 汽車滿載靜止于水平路面時前橋給地面的載荷， 1m 汽車制動時對前橋的質量轉移系數，由汽車構造，可取 處取 量分配到前橋 35%。 1Z =6375N 前輪所承受的制動力 1Z =3825N （公式 2） 由汽車設計查的 ， 輪胎與地面的附著系數取 Z 和 前梁引起的垂向彎矩 水平方向的彎矩 兩鋼板彈簧座之間達到最大值，分別為： 1Z l （公式 3） hM=l（公式 4） 其中， 2l = 2/)( ，見圖 4 圖中 1l =(B - 1B )/2 N，取00N 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 8 則916250 N338750 N制動力 rNT=1338750 N前梁在鋼板彈簧座附近危險截面處的彎曲應力 w 和扭轉應力 分別為： w=總M W/=（ 222T ） 2/1 W/ （公式 5） /T （公式 6） 其中 ，垂直平面內的彎矩；為前梁彎曲截面系數， W ( 3D - 3d )/32 （公式 7） 設計中為預選前梁在板簧座處的彎曲截面系數3,可采用經驗公式 VW=2200 （公式 8） 其中， m=74%M， l=2l 所以9432 3 對于圓形截面 W 3D /32 （公式 9） 則可初步預算出 D=67 D=70， d=50 W ( 3D - 3d )/32 ， 3D (1- 4 ) 則 W =12470 3 =30999 3 代入公式（ 5） 和公式（ 6）可得，板簧座處彎曲應力 =216 =險截面為圓面）， 前軸可采用 40度為 機械設計手冊可查得 w=355 =200 經校核，強度符合強度要求，故選取尺寸為 D=70d=50 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 9 車 在側滑時前梁的應力計算 設汽車高速行駛時，急速右轉彎。 確定側向滑移附著系數： 在側滑的臨界狀態下，即在最大側向力時，橫向反作用力等于離心力高F，并達到最大值 高F= 1G 2V / （公式 10） 最大側向力 ： 1G 1 （公式 11） 為保證汽車不會橫向翻車，須使清V翻V， 則有1g R， 1 2/ 即 1 1 為 汽車承受最大側向力時無縱向力的作用，此時前梁僅受彎矩的作用。左、右前輪承受的地面垂直反作用力和橫向側向反力各不相同， 左、右前輪承受的地面垂直反作用力： 1G 2/ )/21(1 （公式 12） 1G 2/ )/21(1 （公式 13） 得， =； =承受的方向向右的橫向側向反力： 1G 2/ )/21(1 1（公式 14） 1G 2/ )/21(1 1（公式 15） 得， ； 時， 右作用。 汽車向左側滑時，由彎矩圖可見，最大彎矩出現在側滑方向一側拳部的主銷孔處和另一側的板簧座處，則有 1M = l - 2M = l - 得， 1M = ； 2M =94500 N彎曲應力分別為： 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 10 1 = 1M W/ 2 = 2M W/ 得， 1 =； 2 =有 W=355 =200 所以符合強度要求。 向節在受力分析 圖 3 轉向節受力分析 由圖可知，轉向節的危險截面在軸徑為 1d 的輪軸根部，即 -處。 由汽車前橋及轉向系統結 構與維修可了解，轉向節多采用 40淬火制造，輪 軸根部的圓角滾壓處理，許用彎曲應力為 =550 車在制動時轉向節的應力計算 轉向節在 -處僅受垂向彎矩動力矩直接由制動底板傳給轉向節的安裝平面。 1Z 3l（公式 16） P 3l= 1Z 3l（公式 17） W 31d /32 其中， 1d 為轉向節的輪軸根部軸徑，取為 45為 30，64250 N 14750 N 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 11 W 合成彎曲應力 =( 222/1 W/ （公式 18） 得， = ，所以符合要求。 車在側滑時轉向節的應力計算 汽車側滑時，左右轉向節在 -處彎矩是不相等的，則有： = Y1 r ; = l + r ; 彎曲應力分別為： W/ ; W/ ; 其中， 32/3 可得，； 又有， =550以符合要求。 他零部件的選用 表 1 其他零部件的選用 部件名稱 選用材料或型號 主銷 20碳淬火處理，直徑為 25度為 167推軸承 8105 型，推力球軸承，尺寸 D=42d=25上數據均摘自汽車前橋及轉 向系統結構與維修 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業設計 12 5、結論 本文首先對汽車前橋的發展歷史和小型載貨汽車的特點及國內外的發展現狀進行了相關的描述后，詳細分析了前橋的組成和各部件的作用，由于汽車在制動和側滑時前橋上所受的工作應力最大，所以本文主要計算了前梁、轉向節等在制動和側滑兩種工況下的工作應力，使該前橋在有足夠的強度和保證汽車行駛時的平穩性的基礎上，還對小型載貨汽車進行優化設計，使產品新穎化，品種多樣化，適應多種需要。圓管形斷面的前軸中部采用無縫鋼管，兩端焊有拳形主銷支座。這種前軸取材方便，不需要大型鍛造