车辆工程毕业设计56货车转向桥设计

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 axle1.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，以使前轮在每一瞬间的滚动方向向着正前方。

前束值即（B-A），一般汽车约为3～5mm，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车轮绕主销不断受迫振动的现象，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与轮胎的力对系统做正功，即外面对系统输入能量。

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平衡状态。

这时系统将在某一振幅下持续震动，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。

当车轮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。

其特点是转向车轮摆振频率与车轮转速一致，而且一般豆油明显的共振车速，共振范围（3-5km/h）。

通常在告诉行驶时发生的摆振往往都属于受迫振动型。

转向车轮摆振的发生原因及影响因素复杂，既有设计结构的原因和制造方面的因素，如车轮失衡、轮胎的机械特性、胸的刚度与阻尼、转向车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，如前桥转向系统各环节间的间隙（影响系统的刚度）和摩擦（影响阻尼）等。

合理地选择有关参数。

优化他们之间的匹配，精心地制造和调整装配，就能有效的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振器以增加阻尼等，都是控制前轮摆振的一些有效措施。

3 转向桥的设计计算3.1 转向桥主要零件尺寸的确定转向桥采用工子形断面的前梁，可保证其质量最小而在垂向平面内的刚度大、强度高。

工字形断面尺寸值见图3-1，图中虚线绘出的是其当量断面。

该断面的垂向弯曲截面系数W v 和水平弯曲截面系数Wh可近似取为W v=20a3=20×11.53=3.04×104mm3 (3-1)W h=5.5a3 =5.5×11.5=8.36×103 mm3 (3-2)式中：a——工字形断面的中部尺寸，见图3-1在设计中为了预选前梁在板簧座处的弯曲截面系数W v,可采用经统计取得的经验公式：W v=ml/2200=820×345/2200=128.60 cm3(3-3) 式中：m——作用于该前梁上的簧上质量，kg;l——车轮中线至板簧座中线间的距离，cm;2200——系数，kg·cm-2。