【正文】 載貨汽車轉(zhuǎn)向橋設(shè)計(jì)書1 轉(zhuǎn)向橋本節(jié)重點(diǎn)介紹轉(zhuǎn)向橋的定義和安裝形式。 轉(zhuǎn)向橋的定義轉(zhuǎn)向橋是汽車的重要組成部分，轉(zhuǎn)向橋是利用車橋中的轉(zhuǎn)向節(jié)使車輪可以偏移一定角度，并承受地面與車架之間的力及力矩，以實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。 轉(zhuǎn)向橋的安裝形式一般載貨汽車采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)的布置形式，故其前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向從動(dòng)橋。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前橋驅(qū)動(dòng)，越野車均為全輪驅(qū)動(dòng)，故他們的前橋既是轉(zhuǎn)向橋也是驅(qū)動(dòng)橋，稱為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。轉(zhuǎn)向橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)不用，又可分為非斷開式與斷開式兩種。與非獨(dú)立懸架匹配的非斷開式的轉(zhuǎn)向橋是一根支承于左、右從動(dòng)車輪上的剛性整體橫梁，當(dāng)又是轉(zhuǎn)向橋時(shí)，其兩端經(jīng)轉(zhuǎn)向主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。斷開式轉(zhuǎn)向橋與獨(dú)立懸架相匹配。412 轉(zhuǎn)向橋的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)向橋的組成部分各種車型的非斷開式轉(zhuǎn)向橋的結(jié)構(gòu)型式基本相同，它主要由前梁（由于汽車前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，因此其橫梁常稱前梁）、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向主銷、轉(zhuǎn)向梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成。1)前梁前梁是非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋最主要的零件，由中碳鋼或中碳合金鋼模鍛而成。其兩端各有一呈拳形的加粗部分作為安裝主銷前梁拳部。為提高其抗彎強(qiáng)度，其較長的中間部分采用工字行斷面，并相對兩端向下偏移一定距離，以便降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，從而降低汽車傳動(dòng)系的安裝高度并減小傳動(dòng)軸萬向節(jié)主、從動(dòng)軸的夾角；為提高前梁的抗扭強(qiáng)度，兩端與拳部相接的部分采用方形斷面，而靠近兩端使拳部與中間部分相連接的向下彎曲部分，則采用上述兩種斷面逐漸過度的形狀。中間部分的兩側(cè)還要鍛造出鋼板彈簧支座的加寬支承面。非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋的前梁亦可采用組合式結(jié)構(gòu)，即由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。這種組合式前梁適用于批量不大的生產(chǎn)，并可省去大型鍛造設(shè)備。2)主銷其結(jié)構(gòu)型式有幾種，如圖21所示，其中（a）、（b）兩種型式是最常見的結(jié)構(gòu)。3)轉(zhuǎn)向節(jié)多用中碳合金鋼斷模鍛成整體式結(jié)構(gòu)，有些大型汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)，由于其尺寸過大，也有采用組焊式結(jié)構(gòu)的，即其輪軸部分是經(jīng)壓配并焊上去的。4)轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂由中碳鋼或中碳合金鋼如35Cr、40CrNi鋼等用模鍛加工制成。多采用沿其長度變化尺寸的橢圓形截面以合理地利用材料和提高其強(qiáng)度和剛度。5)轉(zhuǎn)向橫拉桿應(yīng)選用剛性好、質(zhì)量小的20鋼，30鋼或35鋼的無縫鋼管制造，其兩端的球形鉸接作為單獨(dú)組件，組裝好后以組件客體上的螺紋旋到桿的兩端端部，使橫拉桿的桿長可調(diào)，以便用于調(diào)節(jié)前束。球形鉸接的球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如12CrNi3A,20CrNi,20CrMnTi,工作表面經(jīng)滲碳淬火，～，表面硬度56～63HRC。允許采用40或圖21 主銷的結(jié)構(gòu)型式 The structural shape of king pin(a)圓柱實(shí)心型；(b)圓柱空心型；(c)上、下端為直徑不等的圓柱、中間為錐體的主銷；(d)下部圓柱比上部細(xì)的主銷45中碳鋼制造并經(jīng)高頻淬火處理，球銷的過渡圓角處用滾壓工藝增強(qiáng)，球形鉸接的殼體用35鋼或40鋼制造。為了提高球頭和襯墊工作表面的耐磨性，可采用等離子或氣體等離子金屬噴鍍工藝；亦可采用耐磨性好的工程塑料制造襯墊。后者在制造過程中可滲入專門的成分（例如尼龍二硫化鉬），對這類襯墊可免去潤滑。6)轉(zhuǎn)向節(jié)推理軸承承受作用于汽車前梁上的重力。為減小摩擦使轉(zhuǎn)向輕便，可采用滾動(dòng)軸承，如推力球軸承、推力圓錐滾子軸承等。也有采用青銅止推墊片的。7)主銷上、下軸承承受較大的徑向力，多采用滾動(dòng)軸承（即壓入轉(zhuǎn)向節(jié)上、下中的襯套），也有采用滾針軸承的結(jié)構(gòu)。后者的效率較高，轉(zhuǎn)向阻力小，且可延長使用壽命。8)輪毅軸承多由兩個(gè)圓錐滾子軸承組對，這種軸承的支承剛度較大，可承受較大負(fù)荷。轎車因負(fù)荷較輕，前輪毅軸承也有采用也有采用一對單列或一個(gè)雙列向心軸承的，球軸承的效率高，能延長汽車的滑行距離，有的轎車采用一個(gè)雙列圓錐滾子軸承。9)左、右輪胎螺栓多數(shù)為右旋螺紋，但有些汽車為了防松，左側(cè)用左旋，右側(cè)用右旋。 轉(zhuǎn)向橋的結(jié)構(gòu)及其影響因素非斷開式轉(zhuǎn)向橋主要由前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向主銷組成。轉(zhuǎn)向節(jié)利用主銷與前梁鉸接并經(jīng)一對輪毅軸承支承著車輪的輪毅，以達(dá)到車輪轉(zhuǎn)向的目的。在左轉(zhuǎn)向節(jié)的上耳處安裝著轉(zhuǎn)向梯形臂，后者與轉(zhuǎn)向直拉桿相連；而在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處則裝有與轉(zhuǎn)向橫拉桿聯(lián)接的轉(zhuǎn)向梯形臂。有的將轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向梯形臂聯(lián)成一體并安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處以簡化結(jié)構(gòu)。制動(dòng)底版緊固在轉(zhuǎn)向節(jié)的凸緣面上。轉(zhuǎn)向節(jié)的銷孔內(nèi)壓入帶有潤滑槽的青銅襯套以減小磨損。為使轉(zhuǎn)向輕便，在轉(zhuǎn)向節(jié)下耳與前梁拳部之間可裝滾子推力軸承，在轉(zhuǎn)向節(jié)上耳與前梁拳部之間裝有調(diào)整墊片以調(diào)整其間隙。帶有羅紋的楔形鎖銷將主銷在前梁拳部的孔內(nèi)，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性及汽車轉(zhuǎn)向后使前輪具有自動(dòng)回正的性能，轉(zhuǎn)向橋的主銷在汽車的縱向和橫向平面內(nèi)部有一定傾角。在縱向平面內(nèi)，主銷上部向后傾斜一個(gè)角，稱為主銷后傾角。在橫向平面內(nèi)主銷上部相內(nèi)傾斜一個(gè)β角，稱為主銷內(nèi)傾角。主銷后傾使主銷軸與路面的交點(diǎn)位于輪胎接地中心之前，該距離稱為后傾拖距。當(dāng)直線行駛的汽車的轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏移時(shí)，汽車就偏離直線行使而有轉(zhuǎn)向，這時(shí)引起的離心力使路面、對車輪作用著一阻礙其側(cè)滑的側(cè)向反力，使車輪產(chǎn)生主銷旋轉(zhuǎn)的回正力矩，從而保證了汽車具有較好的直線行使穩(wěn)定性。此力矩稱為穩(wěn)定力矩。穩(wěn)定力矩也不宜過大，否則在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)為了克服此穩(wěn)定力矩需在轉(zhuǎn)向盤施加更大的力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷后傾角通常在30以內(nèi)。現(xiàn)在轎車采用低壓寬斷面斜交輪胎，具有較大的彈性回轉(zhuǎn)力矩，故主銷后傾角就可以減小到接近于零，甚至為負(fù)值。但在采用子午線輪胎時(shí)，由于輪胎的拖距較小，則需選用較大的主銷后傾角。主銷內(nèi)傾也是為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性并使轉(zhuǎn)向輕便。主銷內(nèi)傾使主銷軸線與路面的交點(diǎn)至車輪中心平面的距離即主銷偏移距減小，從而可減小轉(zhuǎn)向時(shí)需加在轉(zhuǎn)向盤上的力，使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)也可減小轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向盤上的沖擊力。主銷內(nèi)傾使前輪轉(zhuǎn)向是不僅有繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且伴隨有車輪軸及前橫梁向上的移動(dòng)，而當(dāng)松開轉(zhuǎn)向盤是，所儲存的上升位能使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，保證汽車作直線行使。主銷內(nèi)傾角一般為50～80；注銷偏移距一般為30～40mm。輕型客車、輕型貨車及裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車可選擇較大的主銷內(nèi)傾角及后傾角，以提高其轉(zhuǎn)向車輪的自動(dòng)回正性能。但主銷內(nèi)傾角也大，即主銷偏移距圖22轉(zhuǎn)向橋 The steering axle ；2轉(zhuǎn)向節(jié)；調(diào)整墊片；；5前梁不宜過小，否則在轉(zhuǎn)向過程中車輪繞主銷偏移時(shí)，隨著滾動(dòng)將伴隨著沿路面的滾動(dòng)，從而增加輪胎與路面的摩擦阻力，使轉(zhuǎn)向變得很沉重。為了克服因左、右前輪制動(dòng)力不等而導(dǎo)致汽車制動(dòng)時(shí)跑偏，近年來出現(xiàn)了主銷偏移距為負(fù)值的汽車。前輪定位除上述主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角外，還有車輪外傾角及前束，共四項(xiàng)參數(shù)。車前外傾指轉(zhuǎn)向輪安裝時(shí)，其輪胎中心平面不是垂直與地面，而是向外傾斜一個(gè)角度α，稱為車輪外傾角。～,一般α為10左右。它可以避免汽車重載時(shí)車輪產(chǎn)生負(fù)外傾即內(nèi)傾，同時(shí)車輪外傾也與拱行路面相適應(yīng)。由于車輪外傾角使輪胎接地點(diǎn)內(nèi)縮?？s小了主銷偏義距，從而使轉(zhuǎn)向輕便并改善了制動(dòng)力的方向穩(wěn)定性。前束的作用是為了消除汽車在行駛中因車輪外傾導(dǎo)致的車輪前端向外張開的不利影響（具有外傾角的車輪在滾動(dòng)時(shí)猶如滾錐，因此當(dāng)汽車向前行駛時(shí)，左、右兩前輪的前端會(huì)向外張開），為此在車輪安裝時(shí)，可使汽車兩輪的中心平面不平行，且左、右輪前面輪緣間的距離A小于后面輪緣間的距離B，以使前輪在每一瞬間的滾動(dòng)方向向著正前方。前束值即（BA），一般汽車約為3～5mm，可通過改變轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度來調(diào)整。設(shè)定前束的名義值時(shí)，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向梯形中的彈性和間隙等因素。在汽車設(shè)計(jì)、制造、裝配調(diào)整和使用中必須注意防止可能引起的轉(zhuǎn)向車輪的擺振，它是指汽車行駛時(shí)轉(zhuǎn)向車輪繞主銷不斷受迫振動(dòng)的現(xiàn)象，它將破壞汽車的正常行駛。轉(zhuǎn)向車輪的擺振有自激振動(dòng)與受迫振動(dòng)兩種類型。前者是由于輪胎側(cè)向變形中的遲滯特性的影響，使系統(tǒng)在一個(gè)振動(dòng)周期中路面作用與輪胎的力對系統(tǒng)做正功，即外面對系統(tǒng)輸入能量。如果后者的值大于系統(tǒng)內(nèi)阻尼消耗的能量，則系統(tǒng)將作增幅振動(dòng)直至能量達(dá)到平衡狀態(tài)。這時(shí)系統(tǒng)將在某一振幅下持續(xù)震動(dòng)，形成擺振。其振動(dòng)頻率大致接近系統(tǒng)的固有頻率而與車輪轉(zhuǎn)速并不一致。當(dāng)車輪向車輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到周期性擾動(dòng)的激勵(lì)，例如車輪失衡。端面跳動(dòng)，輪胎的幾何和機(jī)械特性不均勻及運(yùn)動(dòng)學(xué)上的干涉等，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)下都會(huì)構(gòu)成周期性的擾動(dòng)。在擾動(dòng)力周期性的持續(xù)作用下，便會(huì)發(fā)生受迫振動(dòng)。當(dāng)擾動(dòng)的激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)便發(fā)生共振。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向車輪擺振頻率與車輪轉(zhuǎn)速一致，而且一般豆油明顯的共振車速，共振范圍（35km/h）。通常在告訴行駛時(shí)發(fā)生的擺振往往都屬于受迫振動(dòng)型。轉(zhuǎn)向車輪擺振的發(fā)生原因及影響因素復(fù)雜，既有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的原因和制造方面的因素，如車輪失衡、輪胎的機(jī)械特性、胸的剛度與阻尼、轉(zhuǎn)向車輪的定位角以及陀螺效應(yīng)的強(qiáng)弱等；又有裝配調(diào)整方面的影響，如前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的間隙（影響系統(tǒng)的剛度）和摩擦（影響阻尼）等。合理地選擇有關(guān)參數(shù)。優(yōu)化他們之間的匹配，精心地制造和調(diào)整裝配，就能有效的控制前輪擺振的發(fā)生。在設(shè)計(jì)中提高轉(zhuǎn)向器總成與轉(zhuǎn)向拉桿系統(tǒng)的剛度及懸架的縱向剛度，提高輪胎的側(cè)向剛度，在轉(zhuǎn)向拉桿系中設(shè)置橫向減振器以增加阻尼等，都是控制前輪擺振的一些有效措施。3 轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)計(jì)算 轉(zhuǎn)向橋主要零件尺寸的確定轉(zhuǎn)向橋采用工子形斷面的前梁，可保證其質(zhì)量最小而在垂向平面內(nèi)的剛度大、強(qiáng)度高。工字形斷面尺寸值見圖31，圖中虛線繪出的是其當(dāng)量斷面。該斷面的垂向彎曲截面系數(shù)Wv和水平彎曲截面系數(shù)Wh可近似取為Wv=20a3=20=104 mm3 (31)Wh= ==103 mm3 (32)式中：a——工字形斷面的中部尺寸，見圖31在設(shè)計(jì)中為了預(yù)選前梁在板簧座處的彎曲截面系數(shù)Wv,可采用經(jīng)統(tǒng)計(jì)取得的經(jīng)驗(yàn)公式：Wv=ml/2200=820345/2200= cm3 (33)式中：m——作用于該前梁上的簧上質(zhì)量，kg。l——車輪中線至板簧座中線間的距離，cm。2200——系數(shù)，kgcm2。轉(zhuǎn)向橋前梁拳部之高度約等于前梁工字形斷面的高度，～。主銷上、下滾動(dòng)軸承（即壓入轉(zhuǎn)向節(jié)上、下孔中的襯套）～。圖31 前梁工字形斷面尺寸關(guān)系的推薦值 n. remendation D1 of dimension轉(zhuǎn)向橋主要零件工作應(yīng)力的計(jì)算本設(shè)計(jì)以DD1021汽車為研究對象，其有關(guān)參數(shù)為：前軸軸荷：820kg；整車質(zhì)心高度：540mm；滾動(dòng)半徑：314mm。主要是計(jì)算前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、主銷上下軸承（即轉(zhuǎn)向節(jié)襯套）、轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承或止推墊片等在制動(dòng)和側(cè)滑兩種工況下的工作應(yīng)力。繪制計(jì)算用簡圖時(shí)可忽略車輪的定位角，即認(rèn)為主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及車輪外傾角均為零，而左、右轉(zhuǎn)向節(jié)軸線重合且與主銷軸線位于同一側(cè)向垂直平面內(nèi)，如圖（32）所示[3]。圖32 轉(zhuǎn)向橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的受力分析簡圖 The force analysis of steering axle（a）制動(dòng)工況下的彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖；（b）側(cè)滑工況下的彎矩圖 非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋前梁應(yīng)力計(jì)算 在制動(dòng)情況下的前梁應(yīng)力計(jì)算制動(dòng)時(shí)前輪承受的制動(dòng)力Pr和垂向力Z1傳給前梁，使前梁承受轉(zhuǎn)矩和彎矩?？紤]到制動(dòng)時(shí)汽車質(zhì)量向前轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)移，則前輪所承受的地面垂向反力為Z1=G1/2=8200(34)式中：G1——汽車滿載靜止于水平路面時(shí)前橋給地面的載荷； ——汽車制動(dòng)時(shí)對前橋的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，~。前輪所承受的制動(dòng)力為 Pr=Z1 =6150=6150N (35)式中：——輪胎與路面的附著系數(shù)。由Z1和Pr對前梁引起的垂向彎矩Mv和水平方向彎矩Mh在兩鋼板彈簧座之間達(dá)最大值，分別為Mv=（Z1gw）l2===106 Nmm(36)Mh=Prl2= Z1=6150=106 Nmm (37)式中：l2——為輪胎中線至板簧座中線間的距離，mm。 gw——車輪（包括輪毅、制動(dòng)器等）的重力，N； B——前輪輪距，mm；S——前輪上兩板簧座中線間的距離，mm。制動(dòng)力Pr還使前梁在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉(zhuǎn)矩T:T=Prrr=6150314=106 Nmm (38)式中：rr——輪胎的滾動(dòng)半徑。圖32給出了前梁在汽車制動(dòng)工況下的彎矩圖及轉(zhuǎn)矩圖。前梁在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力w和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位均為MPa）分別為w===300MPa (39)===150MPa (310)式中：WT——前梁在危險(xiǎn)斷面處的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm?！傲簷M斷面的最大厚度，mm。Jk——前梁橫截面的極慣性矩，對工字形斷面：Jk= mm4h——工字形斷面矩形元素的長邊長，mm?！ぷ中螖嗝婢匦卧氐亩踢呴L，mm前梁應(yīng)力的許用值為[w]=340MPa；[]=150MPa。前梁可采用45,30Cr,40Cr等中碳鋼或中碳合金鋼制造，硬度為241～285HB。 在最大側(cè)向力（側(cè)滑）工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算 當(dāng)汽車承受大側(cè)向力時(shí)無縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力Z1L,Z1R和側(cè)向反力Y1L、Y1R各不相等，則可推出前輪的地面反力（單位均為N）分別為== (311) ==902 N (312)== (313) ==902 N (314)式中：G1——汽車停于水平路面時(shí)的前橋軸荷，N； B1——汽車前輪輪距，mm。 hg——汽車質(zhì)心高度，mm。