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1、目 录摘要IAbstractII0文献综述10.1转向系统概况10.2前桥概况21引言42汽车主要参数的确定42.1轴距L42.2前轮距和后轮距42.3整车整备质量52.4汽车的装载质量52.5质量系数52.6汽车满载总质量62.7轴荷分配62.8轮胎选择62.9最小转弯直径72.10数据的确定73转向系统设计83.1汽车转向基本特性83.2转向系统设计要求和主要性能参数83.2.1转向系统设计要求83.2.2转向系传动比93.2.3 转向器效率113.2.4转向系设计参数的确定123.3循环球式转向器设计123.3.1转向系计算载荷的确定123.3.2主要尺寸参数选择133.3.3螺杆、钢球
2、、螺母传动副133.3.4齿条，齿扇传动副143.3.5循环球式转向器零件强度计算173.4整体式转向梯形机构设计183.4.1整体式转向梯形机构数学模型分析183.4.2 基于Matlab的整体式转向梯形机构优化设计214转向从动桥设计274.1转向从动桥主要零件参数确定274.2转向从动桥主要零件设计计算294.2.1制动工况下的前梁强度计算304.2.2在侧滑情况下的前梁强度计算314.2.3转向节在制动和侧滑工况下的强度计算334.2.4主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的强度计算344.2.5转向节推力轴承的计算365结论36参考文献37致谢38汽车转向系统及前桥设计西南大学工程技术
3、学院，重庆 400716摘要：随着汽车的普及，对于汽车的各项性能指标和操纵感受也更加重视。而转向系统和转向桥工作环境复杂多变，其关系着整车的安全性和操纵性，因此对转向系统和车桥的设计提出了更高的要求。本论文对转向系统与前桥的工作性能方面进行设计。秉着兼顾安全性、舒适性、稳定性、经济性及减轻质量的原则对转向系统和前桥的现状、结构、分类和工作原理进行了深入的对比分析，从而选出最优方案进行设计；对结构进行强度校核以达到可靠性良好的目的；对重要部件的参数进行优化，使之更接近理论期望值。关键词：转向系统；前桥；最优化The Designs of Steering system and Front axl
4、eLuo YouCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract：We pay more attention to each performance index and manipulate feelings forcars with the popularity of cars.The complexity of working environment of front axle and steering system is related with the
5、 safety and maneuverability.So weshouldmention higher requirements forthe design of steering system and frontaxle.Thethesis is about the design of the performance aspect of the front axle and steering system.Taking consideration of safety, comfort, stability, economy and lightweight,it analyses thor
6、oughlymany aspects of the steering system and front axle,including present situation,structure, classification and working principle.So the best program is gotten.checking the strength of constructureis to get good reliability;For making it more close to the theoretical expectations, it is necessary
7、 to Optimize the parameters of the important parts.Key Words：steering system;front axle;optimization0文献综述0.1转向系统概况汽车在道路上行驶时，驾驶员根据路况操纵方向盘来控制汽车行驶方向。使汽车改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统。就轮式汽车而言，其通过该机构使转向轮相对汽车行驶方向偏转一定角度而实现转向。具有能够按照驾驶员的要求准确地改变方向，直线行驶并且传递路况的作用。其性能直接影响到安全性能、行驶稳定性和操纵轻便性。图0-1 机械转向系统示意图Fig.0-1 Schematic
8、 diagram of steering system1 转向盘；2转向轴；3转向万向节；4转向传动轴；5转向器；6转向摇臂；7转向直拉杆；8转向节臂；9左转向节；10，12梯形臂；11转向横拉杆；13右转向节；14花键图0-1示出机械转向系统，其由转向器和转向传动机构组成。其核心部件为机械转向器。机械转向器完全有由人力操纵，通过一定的传动比来减小转向力。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。其完全靠驾驶员手力操纵，当转向车桥负荷较大时则难以顺利转向，驾驶员容易疲劳，但其相对于动力转向系统来说结构简单，制造和维护成本小，油耗相对较低。所有转向系统的核心部件是转向器，常见转
9、向器有两种：(1)齿轮齿条式转向器：该转向器由于与转向轴做成一体的转向小齿轮和常与与转向横拉杆做成一体的齿条组成。其结构简单紧凑，质量轻，传动效率高达90%，体积小，没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大，成本低。可自动消除齿间间隙。逆效率高。主要用于轿车。(2)循环球式转向器：该转向器由螺杆螺母共同形成的螺旋槽、内装钢球构成的传动副以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成。其传动效率高，使用寿命容易保障，转向器传动比可以变化，工作平稳可靠，齿条齿扇间的间隙调整工作容易，适合做整体式动力转向器。但其逆效率高，结构复杂，制造困难，精度要求高。主要用于客货车上。0.2前桥概况汽车前桥（前轴）
10、通过悬架与车架或承载式车身相联，两端安装转向轮。用于承受地面与车架间的铅垂力，纵向力和横向力及其力矩，并保证车轮合适的转向范围和正确的定位角度。它的两端通过主销与转向节连接，通过转向节摆动来实现汽车转向。根据与车桥相匹配的悬架结构的不同，车桥分为断开式和整体式两种。与独立悬架相匹配的是断开式车桥，其为左右两段铰接的结构。当左右两车轮经过各自悬架直接和车架相联时，实际上已经没有了车桥，习惯上称为断开式车桥。与非独立悬架相匹配的非断开式车桥即一根横置于两轮间的轴。根据是否传递驱动力，转向桥又分为转向驱动桥和转向从动桥。如图0-2所示，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
11、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；而在左、右转向节的下耳处则装有与转向横拉杆连接的转向梯形臂。有的将转向节臂与转向梯形臂连成一体安装在转向节下耳处以简化结构。制动底板紧固在转向节的凸缘面上。转向节销孔内压入带油槽的衬套以减小摩擦。在转向节下耳与前梁拳部间装滚子推力轴承以使转向轻便，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。整体式转向桥从动桥的结构形式：前轴：由中碳钢锻造，采用抗弯性较好的工字形断面。为了提高抗扭强度，接近两端略呈方形。前轴中部下凹使发
12、动机的位置得以降低，进而降低汽车质心下凹部分的两端制有带通孔的加宽平面，用以安装钢板弹簧。前轴两端向上翘起，各有一个呈拳形的加粗部分，并制有通孔。图0-2 非断开式转向从动桥Fig.0-2 Schematic diagram of integral front axle1转向节推力轴承；2转向节；3调整垫片；4主销；5转向梯形臂；6转向节臂；7前梁；8转向横拉杆；9球销主销：即插入前轴的主销孔内。为防止主销在孔内转动，用带有螺纹的楔形销将其固定。转向节：转向节上的两耳制有销孔，销孔套装在主销伸出的两端头，使转向节连同前轮可以绕主销偏转，实现汽车转向。转向节的两个销孔，要求有较高的同心度，以保证
13、主销的安装精度和转向灵活。轮毂：轮毂通过内外两个滚锥轴承套装在转向节轴颈上。轴承的松紧度可以由调整螺母调整，调好后的轮毂应能正、反方向自由转动而无明显的摆动。轮毂外端装有冲压的金属端盖，防止泥水或尘土浸入。1引言在目前全国经济快速发展的大环境下，伴随着汽车行业的蓬勃发展，轻型货运汽车扮演着重要的角色。对于它的设计是依据以往理论知识及实践，在满足其功用的前提下进行的。转向系统和前桥工作环境复杂多变，多受交变载荷，零件易受疲劳损伤。其关系着整车的安全性和操纵性，成为了消费者选择汽车的重要的参考因素，因此必须保证其结构轻便可靠，能应对各种复杂路况和驾驶环境的同时提升其舒适性。该设计在解决上诉问题的同
14、时，加深大学所学知识并使之系统化、综合化，以及培养了文献查阅，计算机应用和文字表达等技能，树立正确的设计思想和观点，提高独立处理问题的能力。在该设计中，通过分析转向系统和前桥的目前状况及历史背景，结合本设计研究意义和目的来确定结构方案，利用文献研究、功能分析、定性分析、归纳演绎、经验总结和数学方法进行结构、参数和尺寸设计，利用数学方法进行各种工作情况下的强度和刚度校核。学习并利用优化设计方法对梯形机构进行结构最优化设计。在说明书中，主要讲述了转向系统和前桥的选择设计和方案分析。对转向系统和前桥的分类和工作原理进行了对比分析。并对两者的重要组成部分进行分析设计。2汽车主要参数的确定综合以上对转向
15、系统和前桥的综合分析，结合载货汽车的当前状况。由于转向桥轴荷质量不超过2.5t的商用车可以不用动力转向系统，本设计前桥满载载荷1.82t，故采用循环球式转向器的机械转向系统，配以整体式转向桥的4x2后轮双胎的平头载货汽车的设计方案。2.1轴距L轴距L对整备质量、汽车总长、最小转弯直径、传动轴长度、纵向通过半径有影响。4x2货车车的轴距可参考表2-1提供的数据选定1 。2.2前轮距和后轮距受汽车总宽不得超过2.55m限制，轮距不宜过大。但在取定的前轮距范围内，应能布置下发动机、车架、前悬架和前轮，并保证前轮有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、车轮之间有足够的运动空间。在确定后轮距时应考虑两纵梁之间的宽度、悬架宽度和轮胎宽度及它们之间应必须预留的空间。轮距参照表2-1。表2-1 各类货车的轴距和轮距1Tab.2-1 The axle base and wheel base of some trucks汽车重质量轴距轮距2.3整车整备质量整车整备质量是指车上带有全部装备(包括随车工
