汽车前桥设计说明书

一、概述
车桥通过悬架与车架连接，支承着汽车大部分重量，并将车轮的牵引力或制动力，以及侧向力经悬架传给车架。

为了便于与不同悬架相配合，汽车的车桥分为整体式和断开式两种。

按使用功能划分，车桥又可分为转向桥、转向驱动桥、驱动桥和支持桥。

本文设计的是JY1061A型采用前置后轮驱动的载货汽车前桥，因此该前桥作为从动桥。

从动桥的功用：从动桥也称非驱动桥，又称从动车轴。

它通过悬架与车架（或承载式车身）相联，两端安装从动车轮，用以承受和传递车轮与车架之间的力（垂直力、纵向力、横向力）和力矩。

并保证转向轮作正确的转向运动。

1、设计要求：
（1）保证有足够的强度：以保证可靠的承受车轮与车架之间的作用力。

（2）保证有足够的刚度：以使车轮定位参数不变。

（3）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磨损。

（4）从动桥的质量应尽可能小：以减少非簧上质量，提高汽车行驶平顺性。

通过对CJ1061A型前桥的设计，可以加深我们的设计思想，即：
（1）处理好设计的先进性和生产的可能性之间的关系；
（2）协调好产品的继承性和产品的“三化”之间的关系。

2、结构参数选择
JY1061A型汽车总布置整车参数见表1：
表1
2.1、从动桥结构形式
本前桥采用非断开式转向从动桥
2.2、选择前桥结构型式及参数
（1）前轴结构形式：工字形断面加叉形转向节主销固定在前轴两端的拳部里。

（2）转向节结构型式：整体锻造式。

（3）主销结构型式:圆柱实心主销。

（4）转向节止推轴承结构形式：止推滚柱轴承。

（5）主销轴承结构形式：滚针轴承
（6）轮毂轴承结构形式：单列向心球轴承
2.3、前轮定位角
本型前轮定位角选择见‘表1’
二、前桥强度计算
1、前轴强度计算
1.1、前轴受力简图
如图1所示：
图1 汽车向左侧滑时前轴受力图
1.2、前轴载荷计算
ⅰ）紧急制动
工 汽车紧急制动时，纵向力制动力达到最大值，因质量重新分配，而使前轴上的垂直载荷增大，对后轮接地点取矩得 取路面附着糸数Ф=0.7
制动时前轴轴载千质量重新分配分配糸数m1=
12+ΦL hg =0.71060
11175
⨯+=1.63 垂直反作用力：Z 1l = Z 1r =
21G m 1.6320727
2⨯=
=16891.6N 横向反作用力：X 1l =X 1r = 2
1G
m Ф=11824.1N ⅱ）侧滑
汽车侧滑时，因横向力的作用，汽车前桥左右车轮上的垂直载荷发生转移。

（1）确定侧向滑移附着糸数：
在侧滑的临界状态，横向反作用力等于离心力F 离，并达到最大值F 离=gR
V G 2
1,Y max =G 1Ф′
,为保证不横向翻车，须使V
滑<V
翻
，则有：
hg
gRB gR 21
〈
Φ'，所以Φ'<hg B 21，得到
Φ'<
1584
21060
⨯=0.747，取Φ'=0.65
（2）对车轮接地点取矩 垂直反作用力： Z )121(211B hg G l Φ'+=
=20727210600.65(1)21584⨯⨯⨯+=19360.5N Z )1
21(211B hg G l Φ'-=
=1346.5N 横向反作用力 Y 1l Φ'Φ'+=
)121(21B hg G =12584.3N Y1r Φ'Φ'-=
)1
21(21B hg G =875.2N ⅲ）越过不平路面
汽国越过不平路面时，因路面不平引起垂直动载荷，至使垂直反作用力达到最大值 取动载荷糸数δ=2.5
111207272.525883.7522
l r G Z Z δ
'===⨯=N 载荷计算结果列表，如下表2：
表2 单位 N
1.3、弯矩及扭矩计算
①选择下述四个部位计版式其断面的弯矩、扭矩
Ⅰ-Ⅰ断面位于钢板弹簧座内侧，属于前轴中部最弱部位。

此断面内弯矩最大（钢板弹簧座可视为梁的固定端），故两钢板弹簧之间这段梁可不考虑受扭）
Ⅱ-Ⅱ断面位于钢板弹簧座外侧附近，此断面内就弯矩最大，而扭矩最小 Ⅲ-Ⅲ断面处的弯矩，扭矩均较大
Ⅳ-Ⅳ断面位于梁端，此断面内扭矩最大，而弯矩最小 各断面示意图如图1 各断面的计算参数如下表3 表3
②各断面弯扭矩计算如下 ⅰ）紧急制动
垂直面内弯矩 M ′=Z 1l i
水平面内弯矩 M〝=X
1
l i
上式中Li对应与Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ断面分别带入L1、L2、L3、L4
钢板弹簧外侧扭矩Mn=X
1() r i r h
上式中h i对应与Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ断面分别带入h1、h2、h3、0。

ⅱ）侧滑
左侧各断面垂直面内弯矩'
1
M=Z1l-Y1l(r r-h i)
上式中Li,hi带入值与紧急制动时一致
ⅲ）越过不平路面
垂直面内弯矩Mˊ=Z1ˊLi
式中Li带入与上面计算中一致
弯扭矩计算结果如下表4
表4 单位N
(4)断面糸数计算
<A>A工字形断面前轴
a)断面简图
本汽车前轴简化为换算断面形状后如图3所示
图3 前轴简化图
b)计算断面糸数 i )Ⅰ-Ⅰ断面 如图3所示
①垂直面内抗弯断面糸数
61
636606172633313⨯⨯-⨯=-='
-H h b BH W I
I =37003.48N.mm
②水平面内抗弯断面糸数
mm N B t h B t W II
II .2174472
61236725.122623
3331=⨯⨯+⨯⨯=+='
-
ⅱ）Ⅱ--Ⅱ 断面 ① 换算断面简图如图4
图4 II —II 断面计算简图
② 垂直面内抗弯断面系数
Ⅱ--Ⅱ断面为上，下翼缘不等长的工字形断面。

计算其垂直面内抗弯断面系数的关系是确定出形心轴坐标。

形心轴Xc-Xc 的坐标：
∑∑=
Fi
Fiyi y 2 =
h
B B bt Bt h t h B B t H bt t Bt )()
2/(*)()2/1(2/1*121112211-+++-+-+
=30.796
216830.79637.204
y H y =-=-= 22237.20412.524.704h y t =-=-= 124324.70418.296h h h =-=-=
该断面对形心轴的惯性矩：
33331112124
1
()
3
1708769xc J By B h by b h mm =-+-= 上翼面的抗弯断面系数：
1
31708769
30.796
55486.72xc
J W y mm =
=
=‘上
下翼面的抗弯断面系数：
2
31708769
37.204
45929.72xc
J W y mm =
=
=‘下
③水平面内抗弯断面系数：
333123
1
()
627822.98W B t b t t h B
mm =
++= ③ 抗扭断面系数
由经验公式得
123
3
23
6843
2 1.26()275 1.26()136.14221.67() 1.76()
26843
68 1.67 1.76(7543)
2
103.4459258
7522
7542331(
)()1236843136.14()103.445(753123H h C B H h
C H B b B b B b B t H h C C B b Wn B b --'=-=⨯-⨯=-''=-+--=-⨯+⨯-=++'=
==''=-=-=-''+-=''
--+-=33
3)753362935.97mm -=
iii) Ⅲ-Ⅲ断面
III-III 断面计算简图如图
5
如图5 III-III 断面计算简图
1）垂直面内，水平面内的抗弯断面系数：
33333
32
2
"3343
/6()(5215)18913.52652
43()(5215)11402.266
W b H H h mm b W H h mm =-=
-=⨯=
-=-=
2）抗扭断面系数：
216.0171
.029.143
52=====
βα取b h m 330.2164317173.512n W b β==⨯=
iv) Ⅳ-Ⅳ断面
1）垂直面内，水平面内抗弯断面系数：
3
2
2"
43
2
2'
47.160246
524367.193786
52436mm H b W mm bH W =⨯===⨯== 2）抗扭断面系数：
3330.2634320910.34n W b mm β==⨯=
v) 各断面尺寸参数见表5：
表5 单位：mm
vi)断面系数计算结果列表见表6
表6 单位： .N mm
Ⅰ-Ⅰ Ⅱ-Ⅱ Ⅲ-Ⅲ Ⅳ-Ⅳ W' 37003.48 34347.214 18913.52 19378.7 W"
21744 27822.97 11402.2 16024.7 n W
62935.57
17173.512
20910.34
（5）应力计算
a)计算公式 i)汽车紧急制动时
垂直面内弯曲应力 '''W M =
σ 水平面内弯曲应力 "
"
"W M =σ
合成应力 '''
σσσ=+ 合
扭转应力：
在矩形长边中点上的扭转应力 n
n
W M =
max τ 在矩形短边中点上的扭转应力 max γττ=
工字形断面中所产生的最大应力和最大扭转应力是作用在梁断面上的不同点处。

对于上翼面长边中点，其相当应力： 2
23τσσ+=合d
ii)汽车侧滑时
垂直面弯曲应力 ''
'W M =σ iii)汽车越过不平路面时 垂直面弯曲应力 '
''W M =
σ b) 应力值计算结果列表：
表7 单位： 2
8
/10mm N ⨯
（6）JY1061 前轴材料的许用应力
材料：30Cr 调质硬度 ： HB241—281 )/(2
mm N b σ：800—937
许用应力： b s σσσ)7.06.0(-=≤合 s s σττ7.0=< 2、转向节强度计算
作用力11Z 、11X 、11Y 按表1-1取值 2.1、截面系数计算
取轮毂内轴承根部处指轴为计算断面 64.894132
4532
3
3
=⨯=
=ππd W
2.2、弯矩计算
A 紧急制动时
22.825303211830287.16902202221211=⨯+⨯⨯=+=X Z C M 制
B 侧滑时
60
.56583248049.125962022.1937911111-=⨯-⨯=-=r r Y C Z M 制
C 超越不平路面时
5181752075.2590811
=⨯='=C Z M 制 计算用参数JY1061
451=d ， 201=C ， 302=d 2.3、应力计算
A ）紧急制动时3.9264
.894122
.82530==
=
W M 制σ
B ）侧滑时85.63264.894160
.56588732-=-=
=
W
M 侧σ
C ）超越不平路面时951.5764
.8941518175
==
=
W
M 越σ
弯矩、应力计算结果列表见表8 表8
2.4、转向节的材料、许用应力及强度校核 材料 JY1061 40Gr
许用应力 ][s σσ< 查YB6-71： 2
/980][mm N b =σ
])[75.065.0(][b S σσ-= 3、主销强度计算
3.1、主销作用力计算简图如图6
如图6 主销作用力计算简图
主销受力计算参数见表9 表9
3.2、计算载荷
计算时，忽略主销倾角的影响，并假定力的作用点位于主销衬套中点。

A ）1Z 、1X 、1Y 按表1取值 B ）汽车紧急制动时
力1Z 在主销的支承反力1
S '和1S ''。

N b
a l Z S S 5.1042570
6721415
158487.16902111=+-+
=+⋅=
"
='
主销受到1X 和u 的作用，力u 由下式求得： 4.6059165
5.841183211
=⨯==l l X u 力1X 在主销的两个支承上反作用力'2S 和"
2S N b a b X S 55.604570
6770
118321
2=+⨯=+='
N b a a X S 45.578670
6767
118321
2=+⨯=+="
力u 在主销的两个支承上反作用力'
3S 和"3S
N
b a b S N
b a b S 36.2963137
674.605904.3096137
704.605933=⨯=+="
=⨯=+='
μμ
由制动力矩r r X 1的作用，在主销的两个支撑上产生反作用力'4S 和"
4S N b a r X S S r 18.41455137
480
118321
44=⨯=+="
=' 作用在主销下端的 合力（图14）
N
S S S S S 27.49102)18.4145145.5786()36.29635.10425()()(222
42231=+++=
"
+"+"+"="∑
C)汽车侧滑时
左主销上支承的 反作用力
N b a Z f Y S l l 42.211471375
.8422.193793605.1259611=⨯-⨯=
+-=
上 左主销下支承的 反作用力 N b a l Z e Y S l l 72.33743137
5
.8422.193794975.1259611=⨯-⨯=+-=
下
右主销上支承的 反作用力 N b
a l
Z f Y S r r 35.313311=++=
上
右主销下支承的 反作用力 N b
a l
Z e Y S r r 41.400911++=
下
D ）汽车越过不平路面时
动载荷在主销上、下支承上产生的作用反力1
S '和1S ''。

N b
a l
Z S S 21.15980111=+'
="=' 3.3、弯矩计算
在紧急制动和侧滑时，主销下支承的反作用力为最大，在越过不平路面时，因主销下端的作用力臂大于上端，所以只需要计算主销下支承处的弯矩（图15） A) 汽车紧急制动时
h S M ⋅"
=∑=1816786.99N.mm B) 汽车侧滑时
h S M ⋅=下=1248525.04N.mm C) 汽车越过不平路面时
h S M ⋅"
=1=2650.72N.mm
（5）抗弯断面系数、剪切面积和主销衬套挤压面积的计算 A)主销抗弯断面系数
)1(3244
3
D
d D W -=π=2650.72mm 3 B)主销剪切面积 )(4
22d D F -=
π
=706.86mm 2
D) 主销衬套挤压面积
H D F ⋅='=1200mm 2
D:主销外径，d ：主销内径 3.4应力计算
分别计算个工况下的弯曲应力、剪切应力、挤压应力见表10。

表10
载荷、弯矩、应力计算结果列表见表11：88
表11 主销受力单位：N M 单位：2
mm 其余量单位：2
/mm N
3.5、主销材料及许用应力 JY1061:＃
45
许用应力 2/833][mm N =<σσ 2
/3.83][mm N =<ττ
2
/0.49][mm N c c =<σσ
按力2
11G X =
作静载荷计算时，2
/15mm N c <σ 参考文献：
1、《汽车设计》 刘惟信 2001.7 清华大学出版社
2、《汽车车桥设计》 刘惟信 2004.4 清华大学出版社
3、CA1080,NJ130,BJ130前桥总成图，零件图。

4、《汽车设计》郭学讯，邓亚东 2005.8 人民交通出版社
5、《汽车设计》吉林工业大学出版社 王望予 2004.5 机械工业出版社
6、《汽车构造》吉林大学汽车工程系 陈家瑞 2006.5 人民交通出版社
JY106A 前桥设计日志：
（1）2008.12.25 阅读设计任务书，选择前桥设计相关参数 （2）2008.12.26汽车前轴强度计算 填写“表1-1”“ 表1-2”“表1-3” “表1-4” （3）2008.12.27转向节强度计算 填表“1-5”，主销强度计算，填表“1-6” （4）2008.12.28 编辑“前桥设计说明书” （5）2008.12.29-2008.12.30 手绘转向节零件图
（6）2008.12.31-2009.01.01 用计算机绘制前桥总成图。