轻型载货汽车转向桥设计(机械CAD图纸)

轻型载货汽车转向桥设计
摘要
本设计为载重汽车的转向桥，此转向桥需要适应不同路况，不同速度下的稳定行驶，因此对前桥的要求也越来越高。

在汽车设计、制造、因此应该本着既能有足够的承载能力，又能实现耐用经济的思想进行方案的选择，为了降低生产成本，又在结构上满足要求的情况下应尽量简单。

通过设计：（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）转向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。

通过分析工作原理设计转向节、前轴、主销等零件的尺寸，使各个零部件的强度满足校核，并运用caxa等绘图软件绘制装配图和零件图。

关键词: 转向桥；定位参数；转向节；前轴；主销
The design of the truck steering axle
Abstract
This design is Steering Axle for heavy trucks. The design is need to adapt to different road and under different speeds, so the stability of front axle higher requirements. In car design, manufacture, and should be based on both have enough carrying capacity, and can achieve durable economic thoughts options, in order to reduce the production cost, and meets the requirements in the structure of situations should as far as possible simple.
By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. (2) Ensure adequate rigidity: in order to change the wheel alignment parameters. (3)To ensure the correct positioning of steering wheel angle: to make the steering wheel movement and stability, manipulating light and reduce tire wear. (4) The steering axle of quality should be as small as possible: to reduce the non-sprung mass, improve vehicle ride comfort.
Works by analyzing the design of steering knuckle, front axle, kingpin and other parts of the size, so that the strength of the various components to meet the check, and use other mapping software caxa assembly drawing and parts are drawing.
Key words: steering axle; positional parameters; knuckle; front axle；kingpin
目录
摘要............................................ 错误!未定义书签。

1.汽车转向桥的概况 (3)
1.1汽车转向桥目前状况 (3)
1.1.1汽车前桥的分类 (3)
1.1.2前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响 (3)
1.2从动桥的结构形式 (7)
1.2.1 从动桥总体结构 (7)
1.2.2 载重汽车从动桥 (8)
1.2.3 载重汽车从动桥 (9)
1.2.4设计意义 (9)
2.转向桥的设计结构参数 (10)
2.1结构参数选择 (10)
2.2从动桥总体结构选择 (10)
2.3确定前桥具体结构型式 (10)
3.前轴设计 (11)
3.1前轴强度计算 (11)
3.1.1前轴受力分析简图 (11)
3.1.2前轴载荷的计算（分三种工况分析） (12)
3.2前轴弯矩及扭矩计算 (13)
3.2.1前轴断面分析图 (14)
3.2.2各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析） (15)
3.3断面系数计算 (21)
3.4应力计算 (23)
3.5前轴材料的许用应力 (23)
4.转向节设计 (23)
4.1截面系数计算 (24)
4.2弯矩计算 (24)
4.3应力计算 (24)
4.4转向节的材料、许用应力及强度校核 (25)
5.主销设计 (25)
5.1在汽车工况下计算 (26)
5.2在汽车侧滑下计算 (27)
6.转向传动机构设计............................... 错误!未定义书签。

6.1推力轴承和止推垫片计算............................... 错误!未定义书签。

6.2杆件设计结果................................ 错误!未定义书签。

7.经济技术分析 (30)
7.1我国汽车车桥行业发展历程 (30)
7.2国内汽车车桥产量和市场容量分析 (30)
7.3汽车车桥业发展特征及问题透视 (30)
7.4车桥产品结构解析－转向桥经济性分析 (31)
7.5提高转向桥经济性 (31)
8.结论......................................... 错误!未定义书签。

致谢.......................................... 错误!未定义书签。

参考文献...................................... 错误!未定义书签。

附录.......................................... 错误!未定义书签。

第1章汽车转向桥的概况
1.1汽车转向桥目前状况
1.1.1汽车前桥的分类
从动桥即非驱动桥，又称从动车桥。

它通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧安装着从动车轮，用以在车架(或承载式车身)与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。

从动桥还要承受和传递制动力矩。

根据从动车轮能否转向，从动桥分为转向桥与非转向桥。

一般汽车多以前桥为转向桥。

为提高操纵稳定性和机动性，有些轿车采用全四轮转向。

多轴汽车除前轮转向外，根据对机动性的要求，有时采用两根以上的转向桥直至全轮转向。

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，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是转向桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。

从动桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。

与非独立悬架相匹配的非断开式从动桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是转向桥时，则其两端经转向主销与转向节相联。

断开式从动桥与独立悬架相匹配。

非断开式转向从动桥主要由前梁、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毂轴承支承着车轮的轮毂，以达到车轮转向的目的。

在左转向节的上耳处安装着转向节臂，后者与转向直拉杆相连；而在转向节的下耳处则装着与转向横拉杆相连接的转向梯形臂。

有的将转向节臂与梯形臂连成一体并安装在转向节的下耳处以简化结构。

转向节的销孔内压入带有润滑油槽的青铜衬套以减小磨损。

为使转向轻便，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。

带有螺纹的楔形锁销将主销固定在前梁拳部的孔内，使之不能转动。

1.1.2前桥各参数对汽车稳定性的作用与影响
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而内都有一定倾角。

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，主销上部向内倾斜一个β角，称为主销内倾角。

与路面间的摩擦阻力，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，近年来出现主销偏移距为负值的汽车。

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。

现代轿车采用低压宽断面斜交轮胎，具有较大的弹性回正力矩，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，则需选用较大的后倾角。

举一个生活中的例子：我们在骑自行车拐弯
的时候，会自然地将车子向所转的方向倾斜，让车轮与地面有一个夹角，学过物理的人知道，这样做是为了产生足够的向心力。

汽车也是一样，右侧车轮在右转
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，可使汽车两前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，以使车轮在每一瞬时的滚动方向是向着正前方。

前束即(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。

在汽车的设计、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轮绕主销不断摆动的现象，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于轮胎的力对系统作正功，即外界对系统输入能量。

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动平衡状态。

这时系统将在某一振幅下持续振动，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，且会在较宽的车速范围内发生。

通常在低速行驶时发生的摆振往往属于自摄振动型。

当转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以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。

其特点是转向轮摆振频率与车轮转速一致，而且一般都有明显的共振车速，共振范围较窄(3～5km/h)。

通常在高速行驶时发生的摆振往往属于受迫振动型。

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

合理地选择这些有关参数、优化它们之间的匹配，精心地制造和装配调整，就能有效地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震器以增加阻尼等，都是控制前轮摆振发生的一些有效措施。

1.2从动桥的结构形式
1.2.1 从动桥总体结构
各种车型的非断开式转向从动桥的结构型式基本相同。

作为主要零件的前梁是用中碳钢或中碳合金钢的，其两端各有一呈拳形的加粗部分为安装主销的前梁拳部；为提高其抗弯强度，其较长的中间部分采用工字形断面并相对两端向下偏移一定距离，以降低发动机从而降低传动系的安装位置以及传动轴万向节的夹角。

为提高其抗扭强度，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联接的向下弯曲部分则采用两种断面逐渐过渡的形状。

中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽文承面。

有的汽车的转向从动桥的前梁采用组合式结构，即由其采用无缝钢管的中间部分与采用模锻成形的两端拳形部分组焊而成。

这种组合式前梁适于批量不太大的生产并可省去大型缎造设备。

转向节多用中碳合金钢模级成整体式结构。

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接上去的。

主销的几种结构型式如下图所示，其中比较常用的是(a)，(b)两种。

（a） (b) (c) (d)
图1-4主销结构形式
FIG. 1-1 the kingpin structure
(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
(a)Cylindrical solid model (b) cylindrical hollow (c) Ranging in diameter from top to bottom-side columns, the middle of the cone of the main sales (d) lower than the upper part of thin cylindrical kingpin
转向节推力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，例如推力球轴承、推力圆锥滚子轴承或圆锥波子轴承等。

也有采用青铜止推垫片的。

主销上、下轴承承受较大的径向力，多采用滑动轴承，也有采用滚针轴承的结构。

后者的效率高，转向阻力小，且可延长使用寿命。

1.2.2 载重汽车从动桥
本设计为载重汽车的转向前桥，因此应该本着既能有足够的承载能力，又能实现耐用经济的思想进行方案的选择，为了降低生产成本，又在结构上满足要求的情况下应尽量简单。

转向前桥有断开式和非断开式两种。

断开式前桥与独立悬架相配合，结构比较复杂但性能比较好，多用于轿车等以载人为主的高级车辆。

非断开式又称整体式，它与非独立悬架配合。

与断开式前桥相比它的结构简单，经济性高，强度大、安装维修方便的优点，这种形式在现在汽车上得到广泛应用。

因此本次设计就采用了非断开式从动桥。

转向从动桥的主要零件有前梁，转向节，主销，注销上下轴承及转向节衬套，转向节推力轴承。

前梁采用中间部分为整体锻件与两端拳部组焊的形式。

主销采用结构简单的实心的圆柱形如上图a所示。

另外为了保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个转向瞬时转向中心，在不同的圆周上作无滑动的纯滚动，本次设计有进行了转向梯形的优化设计。

本方案转向梯形布置在前轴之后，进行梯形的最佳参数和强度计算。

目前国内载重汽车前桥一般可以承受10吨左右的载重量，并且大部分都是采用非断开式转向桥。

像早期东风汽车公司生产的EQ1090E型载重货车，它采用的是钢材锻造的并且断面为工字型的前梁，采用非断开式结构。

前梁的拳形部分通过主销相连转向节，转向节通过轴承与轮毂相连。

这种方式连接稳定、可靠，可以完成车轮的灵活转向。

1.2.3 载重汽车从动桥
本文首先确定主要部件的结构型式和主要设计参数，然后参考类似转向桥的结构，确定出总体设计方案，最后对前梁、主销、主销上下轴承、转向桥、调整垫片，转向节推力轴承等及轮毂等零件的尺寸进行设计，对强度进行校核以及对主要轴承进行了寿命校核。

对前桥进行力学模型的建立，将物理力学模型转化成数学模型（数学公式）。

2.主要解决的问题：
对以往同类的转向桥的资料进行总结分析，得到一些新的观点及思路，针对载重车转向桥的主要功用即对车身的支持作用、灵活转向的作用。

通过设计使前桥更可靠、更灵活
1.2.4设计意义：
采用传统方法对载重汽车转向桥进行结构尺寸设计，使转向桥满足如下的设计要求：
（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）保证转向轮正确的定位角度：使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎磨损。

（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。

合理优化前梁、转向节、等零部件的结构，使各个部分零件能够合理的配合，以适应复杂路况。

尽可能降低整个桥身的质量，从而减轻车的重量。

并且对车轮轮毂进行配合设计，使其与转向桥合理配合达到灵活转向的目的
2.转向桥的设计结构参数
2.1结构参数选择
转向桥设计参数参照CA1021型号汽车前桥数据获得，如表2-1所示表2-1
汽车总质量Ga （N）前轴轴载
质量G1
（N）
汽车质心至
前轴中心线
距离L1（mm）
汽车质心至
后轴中心线
距离L2(mm)
轴距
L（mm）
汽车质
心高度
hg(mm)
前钢板
弹簧座
中心距
B(mm)
2425011100180011203025540720
主销中心距B′(mm)前轮距
B1(mm)
车轮滚动半
径r r(mm)
主销内倾角
β
主销后
倾角
ﻻ
前轮外
倾角a
前轮前
束
133014603146°2°1°2～4 2.2从动桥总体结构选择
本前桥采用非断开式转向从动桥
2.3确定前桥具体结构型式
（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
（7）前轮定位角选择见表1
3.前轴设计
3.1前轴强度计算
3.1.1前轴受力分析简图
如图3-1所示：
图3-1 转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图
Figure 3-1 Bridge in the braking and steering yaw driven condition of
the force analysis diagram
1—制动工况下的弯矩图和转矩图； 2—侧滑工况下的弯矩图
1 - braking and torque diagram of bending moment diagram
2 - yaw moment map condition
3.1.2前轴载荷的计算（分三种工况分析）
一、紧急制动
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 取路面附着系数Ф=0.7
制动时前轴轴载质量重新分配分配系数m1=12
+ΦL hg
=
112.154.07.0+⨯=1.34 （3-1）
垂直反作用力：Z1l= Z 1r =21G m 2
11100
34.1⨯==7437N 横向反作用力：X1l=X 1r = 2
1G
m Ф=5205.9N （3-2）
二、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 21,Ymax=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'<1.128.1⨯=0.822，取Φ'=0.7
（2）对车轮接地点取矩
垂直反作用力：
Z )
121(211B hg G l Φ'+=
=)46.17.054.021(211100
⨯⨯+⨯=8436N
Z )1
21(211B hg G l Φ'
-=
=2664N （3-3）
横向反作用力
Y1l Φ'Φ'+=
)
1
21(21B hg G =5905.2N
Y1r Φ'Φ'-=)121(21B hg G =1864.8N （3-4）
三、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
取动载荷系数因为是载货汽车所以σ=2.5
138752
111005.22111=⨯==='
G Z Z r l σN
（3-5）
载荷计算结果列表，如下表3-2：
表3-2 单位 N
3.2前轴弯矩及扭矩计算
3.2.1前轴断面分析图
由于前轴为不规则工字型钢锻铸形成，因此前轴的受力点是变化的，必须取点分段进行设计与力的校核。

选择下述三个部位计算分析其断面的弯矩、扭矩 如下图3-2所示
图3-2 三个不同的断面部位计算分析其断面的弯矩、扭矩
Figure 3-2 Calculation of three different sections of the cross section area
moment, torque
A 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）
B 断面处的弯矩，扭矩均较大
C 断面位于梁端，此断面内扭矩最大，而弯矩最小 各断面的计算参数如下表3-3
表3-3
参数 A B C 断面长度L 334 250 166 断面高度h
136
128
3.2.2各个断面弯扭矩计算（分三种工况分析）
一、紧急制动
垂直面内弯矩 1M i Z L '= 水平面内弯矩 1M X i L ''=
（3-6）
上式中Li 对应与A 、B 、C 断面分别带入La 、Lb 、Lc 、 钢板弹簧外侧扭矩 ()1r i Mn X r h =-
（3-7）
上式中hi 对应与A 、B 、C 断面分别带入ha 、hb 、hc 。

二、侧滑
左侧各断面垂直面内弯矩 1
1111r i M (Z Y )(r h )'=-⨯- （3-8）
上式中Li,hi 带入值与紧急制动时一致 三、越过不平路面
垂直面内弯矩 1
i M Z L ''=⨯ （3-9）
式中Li 带入与上面计算中一致 弯扭矩计算结果如下表3-4所示：
3.3断面系数计算
A —A 工字形断面前轴 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3-3 前轴简化后c 断面计算图
Figure 3-3 Front axle simplified calculation chart c section
如图计算断面系数
一、求A 断面 如图3所示
1）垂直面内抗弯断面系数
6
667336666763
3313⨯⨯-⨯=-='-H h b BH W I I =47117.57N.mm
（3-10）
2）水平面内抗弯断面系数
（
3-11）
mm N B t h B t W .79420.166
76371367132623
33
31=⨯⨯+⨯⨯=+=''I -I
二、B 断面 换算断面简图如图4
图3-4 前轴B 断面计算简图
Figure 3-4 Front axle cross section diagram calculation
1）垂直面内抗弯断面系数
B 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 1
=
h
B B bt Bt h t h B B t H bt t Bt )()
2/(*)()2/1(2/1*121112211-+++-+-+
（3-12）
=29.3
H2=y2-t2=27.7
H1=h-h2=12.3
（3-13）
该断面对形心轴的惯性矩：
（3-14）
2）上翼面的抗弯断面系数：
3
1
59475.9829.31742646.1
m y J W xc
==
='上
（3-15）
3）下翼面的抗弯断面
系数：
（3-16）
4）水平面内抗弯断面系数：
432132311311742646.1)(3
1m m h b by h B By J xc =-+-=
8
.292.3767y H y 12=-=-=32
42816.8640.7
1742646.1m y J
W xc ==
='下
333)(1
h t t b t B W ++=
（3-17）
5）抗扭断面系数 由经验公式得
（3-18）
333
3
23
2138.73478
3467)3467(9.181)20470(
1.3133
1)()2(
13
143246767258
492
18.91)3467(76.12
47067.170)(76.1)2(67.11.313)20470(26.1672)2(
26.12m m b B b B C h H C Wn t B b b B B b B h
H H C h
H B C =--+-=
'-''-'+-=
=-=-'='=+=
+=
'=-⨯+-⨯
-='-'+--==-⨯-⨯=--'=
]三、C 断面
C 断面计算简图如图
如图3-5 前轴C 断面计算简图
Figure 3-5 front axle diagram of a cross section calculation 1）垂直面内，水平面内抗弯断面系数：
（3-19）
2）抗扭断面系数：
（3-20）
各断面尺寸参数见表3-5：
表3-5 单位： mm
A-A B-B C-C B 76 94 B1
76 60 1t 13 13 b
76
58
43
3
22"
43
2
2'
47.160246
524367.19378652436m m H b W m m bH W =⨯===⨯==3
33"'
434.2091043263.0mm b W =⨯==β
1b 63 44 2t
13 13 t 13 42 h 37 40 H 66
70
52
断面系数计算结果列表见表3-6
表3-6 单位： 3
m m
A-A B-B C-C W '
47117.57 59475.98 19378.7 W ''
79420.16
42816.86 16024.7 n W
28896.39
20910.34
3.4应力计算
一、汽车紧急制动时 垂直面内弯曲应力 ''
'W M =
σ （3-21）
水平面内弯曲应力 "
"
"W M =σ （3-22） 合成应力 σσσ''+'=合 （3-23）
计算扭转应力：
在矩形长边中点上的扭转应力 n
n
W M =max τ （3-24）
在矩形短边中点上的扭转应力 max γττ
=
（3-25）
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
（3-26）
二、汽车侧滑时 垂直面弯曲应力 '
''W M =σ
三、汽车越过不平路面时
垂直面弯曲应力 ''
'W M =σ
应力值计算结果如表3-7所示：
表3-7 单位： 2
8
/10mm N ⨯
越不平路
"σ 58.36 81 9.7
3.5前轴材料的许用应力
一、材料：30Cr 调质硬度 ： HB241—281 )/(2
mm N b σ：800—937
二、许用应力： b s σσσ)7.06.0(-=≤合
s s σττ7.0=<
4.转向节设计
图4-1：转向节、主销、及转向节衬套的受力计算用图
Figure 4-1: knuckles, kingpins, and the steering knuckle bushing diagram for
calculating the force
计算所需作用力11Z 、11X 、11Y 按表1-1取值
4.1截面系数计算
取轮毂内轴承根部处指轴为计算断面
12.457832
3632
3
3
=⨯=
=
ππd W
（4-1）
4.2弯矩计算
一、紧急制动时
99.18154952057437202221211=+⨯=+=X Z C M 制
（4-2）
二、侧滑时
1685450
314
590520843611111-=⨯-⨯=-=r r Y C Z M 制
（4-3）
三、超越不平路面时
277500201387511
=⨯='=C Z M 制
（4-4）
4.3应力计算
一、紧急制动66.3912
.457899
.181549==
=
W
M 制σ
（4-5）
二
、
侧滑时15.36812
.45781685450
-=-=
=
W
M 侧σ
（4-6）
三
、
越
不
平
路
面
时
61.6012
.4578277500
==
=
W
M 越σ
（4-7）
弯矩、应力计算结果列表见表4-1
表4-1
功 况 M σ
紧急制动 181549.99 39.66 侧 滑 -1685450 -368.15 超越不平路
277500
60.61
4.4转向节的材料、许用应力及强度校核
转向节材料选用 ：40Gr
许用应力 ][s σσ< 查YB6-71： 2/980][mm N b =σ ])[75.0~65.0(][b S σσ=
5 主销设计
在制动和侧滑工况下，在转向节上、下衬套的中点，即与轮轴中心线相距分别为c,d 的两点处，在侧向平面和纵向平面内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。

5.1 在汽车制动工况下的计算
地面对前轮的垂向支承反力Z 1所引起的力矩Z 1l 1,由位于通过主轴线的侧平面内并在转向节上、下衬套中点处垂直地作用于主销的力Q MZ 所形成的力偶Q MZ （c+d ）所平衡，故有
Q MZ=
)(1
1d c l Z +=
5
.485.48997437+⨯=7590 N (3-30) 制动力矩P r r r 由位于纵向平面内并作用于主销的力Q mr 所形成的力偶Q mr
（c+d ）所平衡，故有
Q mr =P r r r /（c+d ）=Z 1ϕr r r / (c+d) =7437×1.0×314/（48.5+48.5）=24074N (3-31) 而作用于主销的制动力P r 则由在转向节上、下衬套中点出作用的主销的力Q ru 、Q rl 所平衡，且有
Q ru=
)(P r d c d
+=5
.485.485.487437+⨯=3718.5 N (3-32) Q rl=
)
(P r d c c +=5.485.485.487437+⨯=3718.5 N (3-33) 由转向桥的俯视图可知，制动时转向横拉杆的作用力N 为
N=
5
1r P l l =115997437⨯=6402 N (3-34)
力N 位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为l 4，如将N 的着力点移至主销中心线与轮轴中心线交点处，则需对主销作用一侧向力矩N l 。

力矩Nl 4，由位于侧向平面内并作用于主销的力偶Q MN （c+d ）所平衡，故有
Q MN =
)(4
d c Nl +=5
.485.48996402+⨯=6534 N (3-35) 而力N 则在转向节上、下衬套中点处作用于主销的力Q Nu ,Q Nl 所平衡，且有
Q Nu =
)(d c Nd +=5
.485.485.486402+⨯=3201 N (3-36) Q Nl =
)
(d c Nc +=5.485.485.486402+⨯=3201 N (3-37) 由图3-3可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力Q u 和在下衬套的中
点作用于主销的合力Q l 分别为
Q u =22)()(ru Mr Nu MN MZ Q Q Q Q Q -+-+ =22)5.371824074()320165347590(-+-+
=23097.52 N
(3-38)
Q l =22)()(rl Mr Nl MN MZ Q Q Q Q Q ++++=22)5.371824074()320165347590(++++
=32750.25N (3-39)
由上两式可见，在汽车制动工况下，主销的最大载荷发生在转向节下衬套的中点处，其值计算所得到的Q l 。

5.2 在汽车侧滑工况下的计算
仅有在侧向平面内起作用的力和力矩，且作用于左、右转向节主销的力Q MZ
是不相等的，他们分别按下式求得：
Q MZL ==+-)/()(111d c r Y l Z r L L )5.485.48/()9959053148436(+⨯-⨯
=21281.54N
(3-40)
Q MZR ==+-)/()(111d c r Y l Z r R R )5.485.48/()9918643142664(+⨯-⨯ =6721 N
(3-41)
式中：Z 1L ，Z 1R ——汽车左、右前轮承受的地面垂向反作用力，N ；
l 1——轮胎中心线至主销轴线的距离 mm; r r ——轮胎的滚动半径 mm;
Y 1L ，Y 1R ——左、右前轮承受地面的侧向反力，N ； G 1——汽车静止于水平路面时的前桥的轴荷，N ； h g ——汽车质心高度，mm; B 1——汽车前轮轮距，mm;
1ϕ——轮胎与路面的侧向附着系数，计算时可取ϕ=1.0.
取Q l , Q MZL , Q MZR 中最大的作为主销的计算载荷Q j ,计算主销在前梁拳部下端处的弯曲力σw 和剪应切力τ
s
σw =
3
1.0d h Q j =3241.021
32750⨯⨯=497.5 MPa (3-42) στs =
2
04d Q j π=224
14.3327504⨯⨯=72.5 MPa (3-43) 式中:d 0——主销直径 mm;
h ——转向节下衬套中点至前梁拳部下端面的距离,mm 。

主销的许用应力弯曲力[σw ]=413MPa;许用剪切应力[τs ]=66MPa 。

主销采用20Cr,20CrNi,20CrMnTi 等低碳合金钢制造，渗碳淬火，渗碳层深1.0～1.5mm,56～62HRC 。

6.1 推力轴承和止推垫片的计算
计算时首先要确定推力轴承和止推垫片的当量静载荷
推力轴承计算
对转向节推力轴承，文献推荐取汽车以等速v a =40km/h 、沿半径R=50m 或以v a =20km/h,沿半径R=12m 的圆周行使的工况作为计算工况。

如果汽车向右转弯则其前外轮即前左轮的地面垂向反力Z 1L 增大。

汽车前桥的侧滑条件为
P 1=m 1R
v a
2
≥Y 1L +Y 1R =G 1ϕ1=m 1g ϕ1=820×10×1.0=8200N (3-46)
式中：P 1——前桥所受的侧向力，N ；
m 1——汽车满载时的整车质量分配给前桥的部分； R ——汽车转弯半径，mm; v a ——汽车行使速度，mm/s; g ——重力加速度，mm/s 2；
Y 1L 、Y 1R ——地面给左、右前轮的侧向反作用力，N ；。