关于转向纵拉杆、转向垂臂、球头销强度校核规范(新)

关于转向纵拉杆、转向垂臂、 球头销强度校核规范（设计参考）

一、转向传动机构设计总体要求

转向垂臂、转向节臂和梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如35Cr 、40、40Cr 和40CrNi 用模锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形或矩形截面以合理地利用材料和提高其强度与刚度。转向垂臂与转向垂臂轴用渐开线花键联接，且花键轴与花键孔具有一定的锥度以得到无隙配合，装配时花键轴与孔应按标记对中以保证转向垂臂的正确安装位置。转向垂臂的长度与转向传动机构的布置及传动比等因素有关，一般在初选时对小型汽车可取100～150mm ；中型汽车可取150～200mm ；大型汽车可取300～400mm 。

转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的20、30或35号钢（低碳钢）的无缝钢管制造，其沿长度方向的外形可根据总布置的需要确定。

转向传动机构的各元件间采用球形铰接。球形铰接的主要特点是能够消除由于铰接处的表面磨损而产生的间隙，也能满足两铰接件间复杂的相对运动。在现代球形铰接的结构中均是用弹簧将球头与衬垫压紧。横拉杆左右边杆外端的球形铰接应作为单独组件，组装好后以其壳体上的螺纹旋到杆的端部，以使杆长可调以便用于调节前束。球头与衬垫需润滑，并应采用有效结构措施保持住润滑材料及防止灰尘污物进入。

球销与衬垫均采用低碳合金钢如12CrNi3A 、18MnTi 或40Cr 制造，工作表面经（高频常用）渗碳（慢时间长）淬火处理，渗碳层深1.5—3.0mm ，表面硬度HRC56—63，允许采用中碳钢40或45制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。球形铰接的壳体则用钢35或40制造。 为了提高球头和衬垫工作表面的耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀工艺。

二、转向纵拉杆、转向垂臂、球头销校核规范

（一）纵拉杆校核规范

纵拉杆应有较小的质量和足够的刚度。纵拉杆的形状应符合布置要求，有时不得不做成弯的，这就减小了纵向刚度。拉杆用20、30或40钢无缝钢管制成。

1、 纵拉杆为直杆，可按压杆稳定校核，计算其受压时的纵向弯曲稳定性。根据《材料力学》

中有关压杆稳定性计算公式进行验算,如下所示。

22

EJ

n Fl

π≥

―――――（1）

式中 n ——杆的刚度储备系数，即安全系数。一般取1.5~2.5

F ——杆承受的轴向力

E ——弹性模量，E = 5210MPa ⨯ l ——杆长，按杆两端球铰中心间的距离计 J ——断面惯性矩

2、 纵拉杆为弯杆，则应计算弯曲应力和拉压应力，合成后校核强度。

（1）按原地转向阻力矩计算

按哥夫（Gough ）经验公式：

r M =

―――――（2） 式中 f ——轮胎和路面间的滑动摩擦系数 1G ——前轴负荷

p ——轮胎气压MPa

① 前轮处于中间直行位置

a 、 从阻力矩算出纵拉杆球头连线的轴向力：按图纸布置，求出此连线至主销

的垂距，除阻力矩则为轴向力；

b 、 求出轴向力（即球头连线）至拉杆折弯处的最大垂距（力臂）；

c 、 轴向力⨯力臂则为危险断面弯矩（内力）；

d 、 求断面系数和断面积；

e 、 求弯曲应力（断面系数弯矩=

）和拉压应力（断面积

轴向力

=），两者之和则为合

成拉压应力（按应力方向求代数和）； f 、 求安全系数，s n =

s

σσ合

，汽车理论推荐的安全系数值1.7~2.4，这种工况取上限2.4。

② 前轮处于最大转角极限位置（方法同①，数值变大）

a 、 从阻力矩算出球头连线轴向力，垂距变小，轴向力变大；

b 、 求出弯曲力臂，与①相同；

c 、 求出危险断面弯矩，比①增大；

d 、 求断面系数和断面积；

e 、 求弯曲应力和拉压应力，合成（数据比①增大），注意力的方向；

f 、求安全系数，这种工况取下限1.7。

（2）按油泵卸荷油压或转向机卸荷油压计算

a 、设定前轴转向节已被螺栓限位（相当于轮被卡住），而转向机还未限位。转

向机输出扭矩按油泵最大卸荷压力或转向机卸荷压力两者之中卸荷油压最小值计算；

b 、 限位的极限位置，从图纸求出纵拉杆与垂臂的夹角，找到纵拉杆球头连线

相对转向机输出轴的垂距； c 、 此垂距除输出扭矩则是轴向力；

d 、 求出轴向力（球头连线）至折弯处垂距（力臂），两者相乘则为弯曲力矩；

e 、 按上述办法求到合成应力和安全系数，s n 可取下限（1.7），甚至更小，但必须大于1.2；

f 、 若转向节没有被限位之前，或车轮没有被外力卡住，转向机已达到极限位

置，转向机输出轴（垂臂轴）已被限位，不管是油压卸荷或是机械式挡住，垂臂已不可能将转向力传给纵拉杆，这时纵拉杆受力并不大，不必校核。所以油泵或转向机卸荷的作用取决于它是在转向节被限位之后（指转向机

油压卸荷是以行程控制），以及中途车轮被强制卡住的工况（此工况很罕见）。

★（二）转向垂臂校核规范

转向垂臂用模锻制成，断面为椭圆形或矩形。为了实现无间隙配合，垂臂与垂臂轴用渐开线花键连接的居多。为保证垂臂能正确安装到垂臂轴上，应在它们的侧面做安装记号。在球头销上作用的力F ，对转向垂臂构成弯曲和扭转力矩的联合作用。危险断面在垂臂根部，如图1-1所示，其危险截面在A —A 处。根据第三强度理论，在危险截面的最大应力点a 处，弯扭联合作用的等效应力应为：

s

n s

2

2

4στ

σ

σ≤

+=主 ―――――（3）

式中：σ——弯曲应力 τ——剪应力

s σ——材料的屈服极限

s n ——相对于s σ的强度储备系数，取1.7~2.4

图 1-1转向垂臂与球铰及危险截面处

的应力示意图

σ值如下所示：

b

Fl

W σ=

―――――（4）