[CAD图纸全套]汽车前桥的设计

摘 要 中国改革开放以来，在农村实行家庭联产承包责任制的改革，使农村的经济空前活跃。农村的货运量和人口流动量急剧增加，加快了运输机械化成为农村经济发展的迫切需要，随之小型载货汽车也就应运而生，而前桥作为汽车上一个重要的零部件，也显得尤为重要。前桥一般位于汽车的前部，也称转向桥或驾驶桥。是通过悬架与车架相连，用以承受地面与车架之间的垂直载荷外，还承受制动力和侧向力以及这些力构成的力矩，并保证转向轮作正确的运动。在汽车使用中，转向桥的受力情况比较复杂，因此应具有足够的强度。如何保证转向车轮的正确定位角度，转向 桥有足够的刚度，使操纵轻便并减轻轮胎的磨耗、汽车能快速平稳的行驶，就是一个重要问题。于是就有了本课题的研究和设计。本文首先对汽车前桥的发展历史做了相关描述，然后小型载货汽车的特点及国内外的发展现状进行了相关的描述，详细分析了前桥的组成和各部件的作用，之后对转向前桥做了详细的设计计算，主要计算了前梁、转向节等在制动和侧滑两种工况下的工作应力。本次设计的绘图均由 关键字 ： 汽车 ; 前桥 ; 前梁 ; 转向节 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 资料 ， Q 扣 414951605 目 录 1、 绪论 . 1 车前桥的发展简史 . 1 题的研究现状 . 1 桥的作用与组成 . 1 桥的设计步骤 . 2 桥的结构形式 . 2 桥设计 . 2 2、 前桥的概述和设计要求 . 2 桥简介 . 2 桥的基本参数 . 2 桥的设计要求 . 3 计要求 . 3 构参数 . 3 3、 前桥的结构 . 4 桥的结构概述 . 4 桥的选择 . 5 车参数 . 5 4、 汽车前桥的设计计算 . 6 桥在不同工作条件下的受力分析 . 6 车在制动时前梁的应力计算 . . . 汽车在侧滑时前梁的应力计算 . 9 向节在受力分析 . 10 车在制动时转向节的应力计算 . 10 车在侧滑时转向节的应力计算 .他零部件的选用 .、 结论 . 12 6、 参考文献 . 13 7、 致 谢 . 14 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 1 1 绪论 车前桥的发展简史 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，从而实现转向。由于操纵费力且不可靠，以至于时常发生车毁人亡的事故。第一辆不用马拉的四轮车问世时，已经把前桥和前轮组成一个总成，此总成安装在曲轴上，可以绕前桥的中心的一个点转动，利用一个杆柱 ,连接前桥的重点，通过地板往上延伸，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，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。 题的研究现状 中国改革开放以来，在农村实行家庭联产承包责任制的改革，使农村的经济空前活跃。农村的货运量和人口流动量急剧增加，加快了运输机械化成为农村经济发展的迫切需要，也正是这一市场的需要使具有中国特色的运输机械 小型载货汽车的应运而生。它解决了农村运输的急需，填补了村际、乡际，城镇及城乡结合部运输网络的空白，活跃了农村经济，为农村富裕劳动力找了一条出路，从而使数以万计的农民走上了小康之路。 小型载货汽车制造工艺简单，价格便宜，购车农户 一般在一年左右就可收回成本。另外，公路的快速建设也促进了小型载货汽车的发展，目前全国 98%的乡村都通上了公路，使得全国小型载货汽车有了用武之地。 我们要开发的小型载货汽车要多进行优化设计，使产品新颖化，品种多样化以适应多种需要。在小型载货汽车的设计中，如何在复杂的路况下保证汽车能快速平稳的行驶，就是一个重要问题。于是就有了本课题的研究和设计。 桥的作用与组成 汽车前桥是行驶系统的重要组成部分，它通过悬架与车架相连，两端安装汽车的转向车轮，用于支持车架并传递车轮与车架之间的各种作用力，并驱使转 向节的摆动来实现汽车的转向。利用铰链装置使车轮偏转一定角度，以实现车辆转向的车桥称为转向桥，一般汽车都以前桥为转向桥，本题前桥即为转向桥。转向桥不仅能使装在前端的左右车轮偏转中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 2 一定的角度来实现转向，还应能承受垂直载荷和由道路、制动等力产生的纵向力和侧向力以及这些力所形成的力矩。因此，转向桥必须有足够的强度和刚度。车轮转向过程中内部件之间摩擦力应该尽可能小，并且保证汽车转向轻便和方向的稳定性。 转向桥一般由前轴、转向节、转向节臂，转向节主销及轮毂组成。 桥的设计步骤 桥的结构形式 前桥 按与之匹配的悬架结构不同，可分为非断开式与断开式两种。小型载货汽车要求价廉，所以多采用非断开式前桥。非断开式的前桥主要有前梁、转向节和转向主销组成。 桥设计 转向前桥主要零件尺寸的确定，前梁、无缝钢管型断面，可采用常规设计。 零件工作应力计算 :制动时前梁应力计算；最大侧压力的情况下的应力计算；其他零件的选用。 2、前桥的概述和设计要求 桥简介 前桥一般位于汽车的前部，也称转向桥或驾驶桥。是通过悬架与车架相连，用以承受地面与车架之间的垂直载荷外，还承受制动力和侧向力以及这些力构成的力 矩，并保证转向轮作正确的运动。在汽车使用中，转向桥的受力情况比较复杂，因此应具有足够的强度。为保证转向车轮的正确定位角度，使操纵轻便并减轻轮胎的磨耗，转向桥也应有足够的刚度。此外，还应尽量减轻转向桥的重量。 前桥承受汽车的前部重量，把汽车的前进推力从车架传给车轮，并与转向装置的有关机件作关节式的联系，实施汽车的转向。越野汽车的前桥同时还承担着与驱动后桥同样的驱动任务。一般载货汽车采用发动机前置后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向桥。 桥的基本参数 主销后倾角：为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，前桥的主销在汽车的纵向和横向平面内都有一定的倾角。在纵向平面内，中国地质大 学长城学院 2012 届毕业设计 3 主销上部向后倾斜一个角，称为后倾角。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。当直线行驶时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，从而保证了汽车具有较好的直线行驶稳定性。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，需要在 方向盘上施加更大的力，导致方向盘沉重。后倾角通常在 3以内。 主销内倾角：在横向平面内，主销上部响内倾斜一个角，称为主销内倾角。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方向盘上的力，使转向轻便，同时也可减小转向轮传到方向盘上的冲击力。主销内倾使前轮转向时不仅有绕主销的转动，而且伴随车轮轴及前横梁向上的移动，当松开方向盘时，所储存的上升位能能使转向轮自动回正，保证汽车作直线行驶。内倾角一般为 5 8；主销偏移距一般为 3040车、轻型货车可选较大的主销内倾角，以提高其转向车轮的回正能力。但内倾角也不宜过大，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，使转向变得沉重。 车轮外倾角：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，这个角度称为车轮外倾角。这个角一般为 5 一般为 1左右。它可以避免汽车载重时车轮产生内倾，同时也和弓形的路面相适应。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。 前束：前轮安装后，两前轮的旋转平面不平行，前端略向内束，称为前束。两轮前端距离小于后端距离，其差值是前束值，一般在 1 12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，消除因前轮外倾使汽车行驶时向外张开的趋势，减少轮胎磨损和燃料消耗。 桥的设计要求 计要求 保证有足够的设计强度，以保证可靠的承受车轮与车架之间的作用力。 保证有足够的刚度，以使车轮定位参数不变。 保证转向轮有正确的定位角度，以使转 向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎的摩擦。 转向桥的质量尽量小，以减轻非簧上质量，提高汽车行驶平顺性。 构参数 载重质量 1500车总质量 2500箱尺寸 3300*1600*360 前轮为单轮胎，后轮为双轮胎 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 4 有关国家标准 3、前桥的结构 桥的结构概述 用前桥转向时当今汽车的基本趋势。从动转向桥的基本结构主要由前轴、转向节和轮毂三部分组成。 前轴：前桥的主要零件的结构形式：前轴是前桥的主体，按其整体形状可分为直式和中部下沉式两种。直式前轴由于锻造工艺简单，在汽车总布置允许的情况下可以采用。中部下沉式前轴可以降低发动机的位置，从而降低汽车的重心，有利于提高汽车行驶稳定性，并可降低驾驶室的高度，减小迎风的面积，改善汽 车的空气动力性，对长头式驾驶室汽车又可加宽驾驶员视野。因此，中部下沉式前轴得到最广泛的应用。 中部下沉式前轴按其截面形状及制造工艺又可分为工字形断面和圆管形断面两种。工字形断面多用 45 号碳素结构钢整体锻造，其抗弯强度高，自重小，但锻造工艺复杂，需要大型锻造设备，多为大型制造厂采用。圆管形断面的前轴中部采用无缝钢管，两端焊有拳形主销支座。这种前轴取材方便，不需要大型锻造设备，适用于中小型汽车制造厂。前轴材料多用 35、 40、 45号碳素结构钢或用 3040锻造和回火后，经过调质处理。 转向节： 转向节俗称羊角，它通过主销将前轴与车轮相连接，并驱使前轮转动，实现汽车转向。转向节由固定制动器底板的凸缘和支撑轮毂的指轴构成。转向节一般由三种结构型式，即整体煅造式、焊接式和螺栓连接式。转向节材料为中碳合金钢，并经模锻和热处理。 转向节主销：转向节主销俗称大王针，有空心和实心两种。转向节主销承受强烈的冲击载荷，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韧性。转向节主销多用 200造，也有用 2020过渗碳处理。主销的几种结构型式如下图所示，其中比较 常用的是前两种，即圆柱实心型和圆柱空心型两种。 图 1 主销的类型 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 5 转向节主销衬套：转向节主销衬套工作条件恶劣，负荷较大。多用耐冲击、耐磨损的青铜或铁基粉末冶金制造，也有刚 转向节止推轴承：汽车转向节销止推轴承是安装在前桥转向节部位的重要零件，它既要承载着车身的重力，又要保证前轮转向的灵活平稳。由于汽车是在不同的路面上行驶，各种颠簸所形成的冲击力都要作用在轴承上，所以要求轴承具有很高的额定静负荷能力。目前主要的止推轴承主要有 圆柱滚子轴承、单列圆锥滚子轴承、推力球轴承、推力圆锥滚子轴承四 大类。 前轮轮毂：轮毂通过两个圆锥滚子轴承支撑在转向节轴上，轴承的松紧度可由调整螺母进行调整，并用锁紧装置锁紧。为防止润滑脂进入制动鼓内，轮毂内侧装有双外刃油封和挡油盘。轮毂外端面用轴头盖封住，以防止泥沙侵入。目前，轮毂多用可锻铸铁 锻铸铁有较高强度、塑性和韧性，可满足汽车轮毂的工作条件。也有采用球墨铸铁和碳素钢铸造，经渗碳处理。 桥的选择 转向前桥有断开式和非断开式两种，非断开式结构简单，承载能力较大，成本较低，在现代汽车上得到广泛应用，因此本设计就采用非断开式前桥。 前桥结 构形式：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 转向节结构：整体锻造式 注销结构：圆柱实心主销 转向节推力轴承结构：调心球轴承 车参数 汽车总质量 M （ :2500 前桥轴载重量 1G (N):8500 汽车质心至前桥中心线距离 1L (1800 汽车质心至后轴中心线距离 2L (1000 轴距 L (2800 前轮距 B (1350 前钢板弹簧座中心距 s (650 主销中心距 1B (1200 汽车质心高度gh(850 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 6 车轮滚动半径 r (350 主销内倾角 : 6 主销 后倾角 : 2 前轮外倾角 : 1 前轮前束 ( 2 4、汽车前桥的设计计算 转向前桥的设计计算主要是计算前桥、转向节、主销、主销上下轴承、转向节推力轴承或止推垫片等在制动和侧滑两种工况下的工作应力。 绘制计算用简图时刻忽略车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角均为 0，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。 桥在不同工作条件下的受力分析 前桥的受力弯矩图 图 2 前桥的受力弯矩图 1 为制动工况下的弯矩图 2 为侧滑工况下的弯矩图 1Z 、 用在前桥左、右车轮上的铅直反力（垂直路面） 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 7 作用在前桥左、右车轮上的制动力（垂直前桥，贴于路面） 作用在前桥左、右车轮上的侧向力（平行前桥，贴于路面） 1G 前桥满载静负荷 (本车为 8500N) r 前车轮轮胎滚动半径（本车 350 车轮满载重心高度（本车 850 B 前轮距（本车 1350 S 前桥两板簧座中心距（本车 650） 1B 两转向节销孔中心线与转向节轴颈中心线交点间的距离（ 本车 1200动时前梁应力计算 制动时前轮承受的制动力Z 传给前桥，使前桥承受转矩和弯矩。此时制动力向力 0。 制动时汽车质量向前桥转移，则前轮所承受的地面垂向反力为 1Z =21G 1m（公式 1） 1G 汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷， 1m 汽车制动时对前桥的质量转移系数，由汽车构造，可取 处取 量分配到前桥 35%。 1Z =6375N 前轮所承受的制动力 1Z =3825N （公式 2） 由汽车设计查的 ， 轮胎与地面的附着系数取 Z 和 前梁引起的垂向弯矩 水平方向的弯矩 两钢板弹簧座之间达到最大值，分别为： 1Z l （公式 3） hM=l（公式 4） 其中， 2l = 2/)( ，见图 4 图中 1l =(B - 1B )/2 N，取00N 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 8 则916250 N338750 N制动力 rNT=1338750 N前梁在钢板弹簧座附近危险截面处的弯曲应力 w 和扭转应力 分别为： w=总M W/=（ 222T ） 2/1 W/ （公式 5） /T （公式 6） 其中 ，垂直平面内的弯矩；为前梁弯曲截面系数， W ( 3D - 3d )/32 （公式 7） 设计中为预选前梁在板簧座处的弯曲截面系数3,可采用经验公式 VW=2200 （公式 8） 其中， m=74%M， l=2l 所以9432 3 对于圆形截面 W 3D /32 （公式 9） 则可初步预算出 D=67 D=70， d=50 W ( 3D - 3d )/32 ， 3D (1- 4 ) 则 W =12470 3 =30999 3 代入公式（ 5） 和公式（ 6）可得，板簧座处弯曲应力 =216 =险截面为圆面）， 前轴可采用 40度为 机械设计手册可查得 w=355 =200 经校核，强度符合强度要求，故选取尺寸为 D=70d=50 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 9 车 在侧滑时前梁的应力计算 设汽车高速行驶时，急速右转弯。 确定侧向滑移附着系数： 在侧滑的临界状态下，即在最大侧向力时，横向反作用力等于离心力高F，并达到最大值 高F= 1G 2V / （公式 10） 最大侧向力 ： 1G 1 （公式 11） 为保证汽车不会横向翻车，须使清V翻V， 则有1g R， 1 2/ 即 1 1 为 汽车承受最大侧向力时无纵向力的作用，此时前梁仅受弯矩的作用。左、右前轮承受的地面垂直反作用力和横向侧向反力各不相同， 左、右前轮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， =； =承受的方向向右的横向侧向反力： 1G 2/ )/21(1 1（公式 14） 1G 2/ )/21(1 1（公式 15） 得， ； 时， 右作用。 汽车向左侧滑时，由弯矩图可见，最大弯矩出现在侧滑方向一侧拳部的主销孔处和另一侧的板簧座处，则有 1M = l - 2M = l - 得， 1M = ； 2M =94500 N弯曲应力分别为： 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 10 1 = 1M W/ 2 = 2M W/ 得， 1 =； 2 =有 W=355 =200 所以符合强度要求。 向节在受力分析 图 3 转向节受力分析 由图可知，转向节的危险截面在轴径为 1d 的轮轴根部，即 -处。 由汽车前桥及转向系统结 构与维修可了解，转向节多采用 40淬火制造，轮 轴根部的圆角滚压处理，许用弯曲应力为 =550 车在制动时转向节的应力计算 转向节在 -处仅受垂向弯矩动力矩直接由制动底板传给转向节的安装平面。 1Z 3l（公式 16） P 3l= 1Z 3l（公式 17） W 31d /32 其中， 1d 为转向节的轮轴根部轴径，取为 45为 30，64250 N 14750 N 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 11 W 合成弯曲应力 =( 222/1 W/ （公式 18） 得， = ，所以符合要求。 车在侧滑时转向节的应力计算 汽车侧滑时，左右转向节在 -处弯矩是不相等的，则有： = Y1 r ; = l + r ; 弯曲应力分别为： W/ ; W/ ; 其中， 32/3 可得，； 又有， =550以符合要求。 他零部件的选用 表 1 其他零部件的选用 部件名称 选用材料或型号 主销 20碳淬火处理，直径为 25度为 167推轴承 8105 型，推力球轴承，尺寸 D=42d=25上数据均摘自汽车前桥及转 向系统结构与维修 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 12 5、结论 本文首先对汽车前桥的发展历史和小型载货汽车的特点及国内外的发展现状进行了相关的描述后，详细分析了前桥的组成和各部件的作用，由于汽车在制动和侧滑时前桥上所受的工作应力最大，所以本文主要计算了前梁、转向节等在制动和侧滑两种工况下的工作应力，使该前桥在有足够的强度和保证汽车行驶时的平稳性的基础上，还对小型载货汽车进行优化设计，使产品新颖化，品种多样化，适应多种需要。圆管形断面的前轴中部采用无缝钢管，两端焊有拳形主销支座。这种前轴取材方便，不需要大型锻造