货车转向桥设计

摘要

我国汽车的转向桥一直是该行业见研究人员不停探索和研究的重要方向之一。本设计主要针对轻型货车转向桥的进行设计，通过合理的计算，结构设计，而使汽车转向桥具有较好的转向灵敏性。

本设计介绍了转向桥的概念和原理，总体布局，主要通过对机械设计的学习、了解和掌握，来设计转向桥的各个组成零件，使其具有精确的尺寸和结构，最后通过合理的结构安排，组装成货车转向桥。

设计后的转向桥具有结构紧凑、重量轻、转向灵敏的特点，制造容易。广泛用于微、轻型载货汽车。其结构简单，价格低廉，充分体现的轻型货车转向桥的特点。其转向桥的计算和结构布局，也为其他货车转向桥提供了设计方法和思路。

关键词：转向桥；计算；结构

Abstract

In our country design of automobile's steering axle has always been one of the most important areas in which a lot of researches have been made. Our design mainly focus on the design of van's steering axle, with reasonable computation and structure design, we achieved good agility of automobile's steering axle.

This design introduced steering axle's concept and principles, general planning, from the study and grasp of mechanism design, we design steering axle's components with accolade size and structure, through reasonable structure deployment, we can compose the van's steering axle.

The steering axle we designed has many characteristics such as good compaction in structure, light weight, good agility and also it is easy to produce. it can be widely used in minimize、light truck. Its simple structure and low price fully embodies the features of van's steering axle. V an steering axle's computation and structure deployment also provide a good design method for other van's steering axle.

Key words:steering axle ;account ;structure

目录

前言 (1)

1 转向桥 (2)

1.1转向桥的定义 (2)

1.2转向桥的安装形式 (2)

2 转向桥的结构 (3)

2.1组成转向桥的组成部分 (3)

2.2组成转向桥的结构及其影响因素 (5)

3 转向桥的设计计算 (8)

3.1 转向桥主要零件尺寸的确定 (8)

3.2 非断开式转向从动桥前梁应力计算 (10)

3.2.1 在制动情况下的前梁应力计算 (10)

3.2.2 在最大侧向力（侧滑）工况下的前梁应力计算 (11)

3.3 转向节在制动和侧滑工况下的应力计算 (12)

3.3.1 工况下的转向节应力计算 (13)

3.3.2 在汽车侧滑工况下的转向节应力计算 (14)

3.4 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 (14)

3.4.1 在汽车制动工况下的计算 (14)

3.4.2 在汽车侧滑工况下的计算 (15)

3.5 推力轴承和止推垫片的计算 (17)

3.5.1 推力轴承计算 (17)

3.5.2 转向节止推垫片的计算 (18)

4 转向桥定位参数 (19)

4.1 主销后倾角 (19)

4.2 主销内倾角 (20)

4.3 车轮外倾角 (21)

4.4 车轮前束 (21)

5 转向桥实验 (23)

5.1 车道路实验、使用实验及整车室内台架试验 (23)

5.2 转向桥在扭力机上进行静扭转强度实验 (24)

6 结论 (25)

致谢 (26)

参考文献 (27)

附录A译文 (28)

附录B外文文献 (34)

附录：

前言

我国作为一个发展中国家，汽车使用越来越多，而当前由于设计方案所限，不能精确地选择零部件的尺寸和结构，造成有的地方强度不够，而有的地方强度又过剩，严重地影响了产品的开发和设计，造成直接经济损失。特别对于诸如转向桥等部件,因不能准确确定其失效原因和部位，造成不能从根本上解决其失效问题。不同类型的货车在我国的市场中占有相当大的比例，他们的性能的好、坏在一定程度上也影响着汽车在市场上的地位。针对以上问题，本设计选用轻型货车的转向桥作为设计对象，通过合理的计算，结构设计，而达到汽车转向桥具有较好的转向灵敏性。希望取得一个较好的结果，使轻型货车转向桥提到一个新水平。

1 转向桥

本节重点介绍转向桥的定义和安装形式。

1.1 转向桥的定义

转向桥是汽车的重要组成部分，转向桥是利用车桥中的转向节使车轮可以偏移一定角度，并承受地面与车架之间的力及力矩，以实现汽车的转向。

1.2 转向桥的安装形式

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，越野车均为全轮驱动，故他们的前桥既是转向桥也是驱动桥，称为转向驱动桥。

转向桥按与其匹配的悬架结构不用，又可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架匹配的非断开式的转向桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是转向桥时，其两端经转向主销与转向节相连。断开式转向桥与独立悬架相匹配。

2 转向桥的结构

2.1 转向桥的组成部分

各种车型的非断开式转向桥的结构型式基本相同，它主要由前梁（由于汽车前桥为转向桥，因此其横梁常称前梁）、转向节、转向主销、转向梯形臂、转向横拉杆等组成。

1)前梁

前梁是非断开式转向从动桥最主要的零件，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前梁拳部。为提高其抗弯强度，其较长的中间部分采用工字行断面，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连接的向下弯曲部分，则采用上述两种断面逐渐过度的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽支承面。

非断开式转向从动桥的前梁亦可采用组合式结构，即由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。这种组合式前梁适用于批量不大的生产，并可省去大型锻造设备。

2)主销

其结构型式有几种，如图2-1所示，其中（a）、（b）两种型式是最常见的结构。

3)转向节

多用中碳合金钢断模锻成整体式结构，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上去的。

4)转向节臂、转向梯形臂

由中碳钢或中碳合金钢如40、35Cr、40CrNi钢等用模锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强度和刚度。

5)转向横拉杆

应选用刚性好、质量小的20钢，30钢或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,工作表面经渗碳淬火，渗碳层深 1.5～3.0mm，表面硬度56～63HRC。允许采用40或

图2-1 主销的结构型式

Fig.2-1 The structural shape of king pin

(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

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，球形铰接的壳体用35钢或40钢制造。为了提高球头和衬垫工作表面的耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀工艺；亦可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。

6)转向节推理轴承

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，如推力球轴承、推力圆锥滚子轴承等。也有采用青铜止推垫片的。

7)主销上、下轴承

承受较大的径向力，多采用滚动轴承（即压入转向节上、下中的衬套），也有采用滚针轴承的结构。后者的效率较高，转向阻力小，且可延长使用寿命。

8)轮毅轴承

多由两个圆锥滚子轴承组对，这种轴承的支承刚度较大，可承受较大负荷。轿车因负荷较轻，前轮毅轴承也有采用也有采用一对单列或一个双列向心轴承的，球轴承的效率高，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。

9)左、右轮胎螺栓

多数为右旋螺纹，但有些汽车为了防松，左侧用左旋，右侧用右旋。

2.2 转向桥的结构及其影响因素

非断开式转向桥主要由前梁、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毅轴承支承着车轮的轮毅，以达到车轮转向的目的。在左转向节的上耳处安装着转向梯形臂，后者与转向直拉杆相连；而在左、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。制动底版紧固在转向节的凸缘面上。转向节的销孔内压入带有润滑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拳部之间可装滚子推力轴承，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。带有罗纹的楔形锁销将主销在前梁拳部的孔内，使之不能转动。

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面内部有一定倾角。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相内倾斜一个β角，称为主销内倾角。

主销后倾使主销轴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移时，汽车就偏离直线行使而有转向，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，使车轮产生主销旋转的回正力矩，从而保证了汽车具有较好的直线行使稳定性。此力矩称为稳定力矩。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转向盘施加更大的力，导致转向沉重。主销后倾角通常在30以内。现在轿车采用低压宽断面斜交轮胎，具有较大的弹性回转力矩，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，则需选用较大的主销后倾角。

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是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，而当松开转向盘是，所储存的上升位能使转向轮自动回正，保证汽车作直线行使。主销内倾角一般为50～80；注销偏移距一般为30～40mm。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。但主销内倾角也大，即主销偏移距

图2-2转向桥

Fig.2-2The steering axle

1.转向推力轴承；2转向节；调整垫片；4.主销；5前梁

不宜过小，否则在转向过程中车轮绕主销偏移时，随着滚动将伴随着沿路面的滚动，从而增加轮胎与路面的摩擦阻力，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，近年来出现了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，共四项参数。

车前外倾指转向轮安装时，其轮胎中心平面不是垂直与地面，而是向外倾斜一个角度α，称为车轮外倾角。此α角约为0.50～1.50,一般α为10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行路面相适应。由于车轮外倾角使轮胎接地点内缩。缩小了主销偏义距，从而使转向轻便并改善了制动力的方向稳定性。

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