【正文】 載貨汽車轉向橋設計書1 轉向橋本節(jié)重點介紹轉向橋的定義和安裝形式。 轉向橋的定義轉向橋是汽車的重要組成部分，轉向橋是利用車橋中的轉向節(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，以實現(xiàn)汽車的轉向。 轉向橋的安裝形式一般載貨汽車采用前置發(fā)動機后橋驅動的布置形式，故其前橋為轉向從動橋。轎車多采用前置發(fā)動機前橋驅動，越野車均為全輪驅動，故他們的前橋既是轉向橋也是驅動橋，稱為轉向驅動橋。轉向橋按與其匹配的懸架結構不用，又可分為非斷開式與斷開式兩種。與非獨立懸架匹配的非斷開式的轉向橋是一根支承于左、右從動車輪上的剛性整體橫梁，當又是轉向橋時，其兩端經轉向主銷與轉向節(jié)相連。斷開式轉向橋與獨立懸架相匹配。412 轉向橋的結構 轉向橋的組成部分各種車型的非斷開式轉向橋的結構型式基本相同，它主要由前梁（由于汽車前橋為轉向橋，因此其橫梁常稱前梁）、轉向節(jié)、轉向主銷、轉向梯形臂、轉向橫拉桿等組成。1)前梁前梁是非斷開式轉向從動橋最主要的零件，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)動機的安裝位置，從而降低汽車傳動系的安裝高度并減小傳動軸萬向節(jié)主、從動軸的夾角；為提高前梁的抗扭強度，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。中間部分的兩側還要鍛造出鋼板彈簧支座的加寬支承面。非斷開式轉向從動橋的前梁亦可采用組合式結構，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，并可省去大型鍛造設備。2)主銷其結構型式有幾種，如圖21所示，其中（a）、（b）兩種型式是最常見的結構。3)轉向節(jié)多用中碳合金鋼斷模鍛成整體式結構，有些大型汽車的轉向節(jié)，由于其尺寸過大，也有采用組焊式結構的，即其輪軸部分是經壓配并焊上去的。4)轉向節(jié)臂、轉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度和剛度。5)轉向橫拉桿應選用剛性好、質量小的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，以便用于調節(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,工作表面經滲碳淬火，～，表面硬度56～63HRC。允許采用40或圖21 主銷的結構型式 The structural shape of king pin(a)圓柱實心型；(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)下部圓柱比上部細的主銷45中碳鋼制造并經高頻淬火處理，球銷的過渡圓角處用滾壓工藝增強，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。為減小摩擦使轉向輕便，可采用滾動軸承，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，多采用滾動軸承（即壓入轉向節(jié)上、下中的襯套），也有采用滾針軸承的結構。后者的效率較高，轉向阻力小，且可延長使用壽命。8)輪毅軸承多由兩個圓錐滾子軸承組對，這種軸承的支承剛度較大，可承受較大負荷。轎車因負荷較輕，前輪毅軸承也有采用也有采用一對單列或一個雙列向心軸承的，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，左側用左旋，右側用右旋。 轉向橋的結構及其影響因素非斷開式轉向橋主要由前梁、轉向節(jié)及轉向主銷組成。轉向節(jié)利用主銷與前梁鉸接并經一對輪毅軸承支承著車輪的輪毅，以達到車輪轉向的目的。在左轉向節(jié)的上耳處安裝著轉向梯形臂，后者與轉向直拉桿相連；而在左、右轉向節(jié)的下耳處則裝有與轉向橫拉桿聯(lián)接的轉向梯形臂。有的將轉向節(jié)臂與轉向梯形臂聯(lián)成一體并安裝在轉向節(jié)的下耳處以簡化結構。制動底版緊固在轉向節(jié)的凸緣面上。轉向節(jié)的銷孔內壓入帶有潤滑槽的青銅襯套以減小磨損。為使轉向輕便，在轉向節(jié)下耳與前梁拳部之間可裝滾子推力軸承，在轉向節(jié)上耳與前梁拳部之間裝有調整墊片以調整其間隙。帶有羅紋的楔形鎖銷將主銷在前梁拳部的孔內，使之不能轉動。為了保持汽車直線行駛的穩(wěn)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，轉向橋的主銷在汽車的縱向和橫向平面內部有一定傾角。在縱向平面內，主銷上部向后傾斜一個角，稱為主銷后傾角。在橫向平面內主銷上部相內傾斜一個β角，稱為主銷內傾角。主銷后傾使主銷軸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。當直線行駛的汽車的轉向輪偶然受到外力作用而稍有偏移時，汽車就偏離直線行使而有轉向，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，使車輪產生主銷旋轉的回正力矩，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，否則在汽車轉向時為了克服此穩(wěn)定力矩需在轉向盤施加更大的力，導致轉向沉重。主銷后傾角通常在30以內?，F(xiàn)在轎車采用低壓寬斷面斜交輪胎，具有較大的彈性回轉力矩，故主銷后傾角就可以減小到接近于零，甚至為負值。但在采用子午線輪胎時，由于輪胎的拖距較小，則需選用較大的主銷后傾角。主銷內傾也是為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)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轉向盤上的力，使轉向輕便，同時也可減小轉向輪傳到轉向盤上的沖擊力。主銷內傾使前輪轉向是不僅有繞主銷的轉動，而且伴隨有車輪軸及前橫梁向上的移動，而當松開轉向盤是，所儲存的上升位能使轉向輪自動回正，保證汽車作直線行使。主銷內傾角一般為50～80；注銷偏移距一般為30～40mm。輕型客車、輕型貨車及裝有動力轉向的汽車可選擇較大的主銷內傾角及后傾角，以提高其轉向車輪的自動回正性能。但主銷內傾角也大，即主銷偏移距圖22轉向橋 The steering axle ；2轉向節(jié)；調整墊片；；5前梁不宜過小，否則在轉向過程中車輪繞主銷偏移時，隨著滾動將伴隨著沿路面的滾動，從而增加輪胎與路面的摩擦阻力，使轉向變得很沉重。為了克服因左、右前輪制動力不等而導致汽車制動時跑偏，近年來出現(xiàn)了主銷偏移距為負值的汽車。前輪定位除上述主銷后傾角，主銷內傾角外，還有車輪外傾角及前束，共四項參數(shù)。車前外傾指轉向輪安裝時，其輪胎中心平面不是垂直與地面，而是向外傾斜一個角度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車輪產生負外傾即內傾，同時車輪外傾也與拱行路面相適應。由于車輪外傾角使輪胎接地點內縮?？s小了主銷偏義距，從而使轉向輕便并改善了制動力的方向穩(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時猶如滾錐，因此當汽車向前行駛時，左、右兩前輪的前端會向外張開），為此在車輪安裝時，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，可通過改變轉向橫拉桿的長度來調整。設定前束的名義值時，應考慮轉向梯形中的彈性和間隙等因素。在汽車設計、制造、裝配調整和使用中必須注意防止可能引起的轉向車輪的擺振，它是指汽車行駛時轉向車輪繞主銷不斷受迫振動的現(xiàn)象，它將破壞汽車的正常行駛。轉向車輪的擺振有自激振動與受迫振動兩種類型。前者是由于輪胎側向變形中的遲滯特性的影響，使系統(tǒng)在一個振動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)內阻尼消耗的能量，則系統(tǒng)將作增幅振動直至能量達到平衡狀態(tài)。這時系統(tǒng)將在某一振幅下持續(xù)震動，形成擺振。其振動頻率大致接近系統(tǒng)的固有頻率而與車輪轉速并不一致。當車輪向車輪及轉向系統(tǒng)受到周期性擾動的激勵，例如車輪失衡。端面跳動，輪胎的幾何和機械特性不均勻及運動學上的干涉等，在車輪轉動下都會構成周期性的擾動。在擾動力周期性的持續(xù)作用下，便會發(fā)生受迫振動。當擾動的激勵頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時便發(fā)生共振。其特點是轉向車輪擺振頻率與車輪轉速一致，而且一般豆油明顯的共振車速，共振范圍（35km/h）。通常在告訴行駛時發(fā)生的擺振往往都屬于受迫振動型。轉向車輪擺振的發(fā)生原因及影響因素復雜，既有設計結構的原因和制造方面的因素，如車輪失衡、輪胎的機械特性、胸的剛度與阻尼、轉向車輪的定位角以及陀螺效應的強弱等；又有裝配調整方面的影響，如前橋轉向系統(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。合理地選擇有關參數(shù)。優(yōu)化他們之間的匹配，精心地制造和調整裝配，就能有效的控制前輪擺振的發(fā)生。在設計中提高轉向器總成與轉向拉桿系統(tǒng)的剛度及懸架的縱向剛度，提高輪胎的側向剛度，在轉向拉桿系中設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 轉向橋的設計計算 轉向橋主要零件尺寸的確定轉向橋采用工子形斷面的前梁，可保證其質量最小而在垂向平面內的剛度大、強度高。工字形斷面尺寸值見圖31，圖中虛線繪出的是其當量斷面。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在設計中為了預選前梁在板簧座處的彎曲截面系數(shù)Wv,可采用經統(tǒng)計取得的經驗公式：Wv=ml/2200=820345/2200= cm3 (33)式中：m——作用于該前梁上的簧上質量，kg。l——車輪中線至板簧座中線間的距離，cm。2200——系數(shù)，kgcm2。轉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、下滾動軸承（即壓入轉向節(jié)上、下孔中的襯套）～。圖31 前梁工字形斷面尺寸關系的推薦值 n. remendation D1 of dimension轉向橋主要零件工作應力的計算本設計以DD1021汽車為研究對象，其有關參數(shù)為：前軸軸荷：820kg；整車質心高度：540mm；滾動半徑：314mm。主要是計算前梁、轉向節(jié)、主銷、主銷上下軸承（即轉向節(jié)襯套）、轉向節(jié)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。繪制計算用簡圖時可忽略車輪的定位角，即認為主銷內傾角、主銷后傾角及車輪外傾角均為零，而左、右轉向節(jié)軸線重合且與主銷軸線位于同一側向垂直平面內，如圖（32）所示[3]。圖32 轉向橋在制動和側滑工況下的受力分析簡圖 The force analysis of steering axle（a）制動工況下的彎矩圖和轉矩圖；（b）側滑工況下的彎矩圖 非斷開式轉向從動橋前梁應力計算 在制動情況下的前梁應力計算制動時前輪承受的制動力Pr和垂向力Z1傳給前梁，使前梁承受轉矩和彎矩?？紤]到制動時汽車質量向前轉向橋的轉移，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前橋給地面的載荷； ——汽車制動時對前橋的質量轉移系數(shù)，~。前輪所承受的制動力為 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。制動力Pr還使前梁在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉矩T:T=Prrr=6150314=106 Nmm (38)式中：rr——輪胎的滾動半徑。圖32給出了前梁在汽車制動工況下的彎矩圖及轉矩圖。前梁在鋼板彈簧座附近危險斷面處的彎曲應力w和扭轉應力（單位均為MPa）分別為w===300MPa (39)===150MPa (310)式中：WT——前梁在危險斷面處的扭轉截面系數(shù)，mm。——前梁橫斷面的最大厚度，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。 在最大側向力（側滑）工況下的前梁應力計算 當汽車承受大側向力時無縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力Z1L,Z1R和側向反力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的前橋軸荷，N； B1——汽車前輪輪距，mm。 hg——汽車質心高度，mm。