載貨汽車前橋和轉向裝置的結構設計與分析

張緯，張士偉，李騰飛

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

載貨汽車前橋和轉向裝置的結構設計與分析

張緯，張士偉，李騰飛

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

文章以EQ1090E型中型載貨汽車為對象，設計其前橋和轉向裝置，包括汽車前橋與轉向系統結構的選型和分析、轉向輪定位參數及轉向橋結構形式的選擇、前橋主要零件尺寸的確定及工作應力的計算、轉向系設計計算和前梁有限元分析，確保設計結構的合理性和安全性。

EQ1090E；前橋；轉向裝置

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-47-04

引言

汽車轉向系統從過去的機械式一直到現代汽車電子控制動力轉向，其逐步地發展和完善。汽車前橋、轉向系統的研究水平，對于保證汽車安全行駛、減輕駕駛員工作強度、延長車輛的使用壽命十分重要。本次設計以載貨汽車為對象，通過對其前橋前梁、轉向節和轉向裝置進行設計，合理選用各總成，保證前橋和轉向各總成運動協調，操縱輕便，使各總成合理高效的工作。

1、轉向系的分類

汽車轉向系統的發展歷經四個階段：純機械式轉向→液壓助力轉向→電－液助力轉向→電動助力轉向，現朝著線性控制動力轉向發展。

1.1 純機械轉向

純機械式轉向系統的優點是結構簡單、可靠性強，整個轉向系統布置簡單，轉向回正能力強；缺點是所需轉向力矩大。目前在部分對操縱性能不高的微型轎車和低速貨車上使用。

1.2 液壓助力轉向

液壓助力系統HPS是在純機械式轉向系統的基礎上增加了一個液壓系統而成，它一般采用發動機提供動力能源驅動齒輪泵，實現轉向系統的液壓助力。優點是汽車轉向輕便和運轉穩定。

1.3 電液助力轉向

電液助力轉向系統可以分為兩大類：電動液壓助力轉向和電控液壓助力轉向。前者是利用電機作為動力來源。后者是由液壓助力轉向技術演變而來，兩者區別是后者增加了電子控制裝置。

1.4 汽車電動助力轉向

EPS系統由轉向傳感裝置、車速傳感器、電動機、減速機構和電子控制單元（ECU）等組成。

2、汽車前橋和轉向系選型要求

2.1 前橋的設計要求

（1）有足夠的強度，以保證承受車輪與車架之間的作用力。

（2）保證正確的車輪定位，使轉向輪平穩運動；有足夠的剛度，使車輪定位參數保持不變。

（3）轉向節主銷、轉向節與前梁之間的摩擦力盡可能小，保證轉向輕便，并具有足夠的耐磨性。

（4）轉向輪的擺振盡可能小，保障汽車的正常、穩定行駛。

2.2 轉向系的設計要求

（1）汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，車輪不應有側滑。

（2）汽車轉向行駛后，當駕駛員松開轉向盤，轉向輪自動返回到直線行駛位置，并穩定行駛。

（3）在任何行駛狀態下，轉向輪不能產生自振，轉向盤不能擺動。

（4）操縱輕便。

3、轉向輪定位參數及轉向橋結構的選擇

轉向輪的定位參數有：主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角和前輪前束。

3.1 主銷后傾角γ

主銷后傾也就是前橋向后傾斜，前梁承受載荷強度最大的方向與實際使用中力的方向盡量接近一致。本次設計的EQ1090E型載貨汽車的主銷后傾角γ為2°30′。

3.2 主銷內傾角β

在橫向平面內，主銷上部向內傾斜一個β角，稱為主銷內傾角。主銷內傾角是在前梁設計中保證的，由機械加工來實現。本次設計的載貨汽車的主銷內傾角β為6°。

3.3 前輪外傾角α

前輪外傾角α是通過車輪中心的橫向平面與車輪平面的交線與垂線之間的夾角。本次設計的EQ1090E型載貨汽車的前輪外傾角α為1°。

3.4 前輪前束

安裝車輪時，車輪兩前輪的中心面不平行，兩輪前邊緣距離B小于后邊緣距離A，A-B之差稱為前輪前束值。本文EQ1090E型載貨汽車的前輪前束值為1～5mm。

3.5 EQ1090E型載貨汽車總體布置

汽車參數：總質量91042N， 前軸軸載質量23128N，前鋼板彈簧座中心距851mm，軸距3950mm，汽車質心高度900mm，主銷內傾角6°，主銷中心距1581，前輪距1810，車輪滾動半徑493，主銷后傾角2°30′，前輪外傾角1°，前輪前束1～5 mm。

4、前橋主要零件及工作應力確定

4.1 前梁尺寸的確定

EQ1090E前橋采用工字型的前梁，其保證垂向平面內的剛度大、強度高。

工字梁的斷面垂向和水平彎曲截面系數Wv、Wh可近似取為：

式中：a -工字型斷面的中部尺寸

4.2 主銷襯套尺寸的確定

主銷襯套的長度取主銷直徑的1.25-1.50倍，襯套內徑為38mm，外徑為41mm，長度為55mm。

4.3 前梁的應力計算

4.3.1 通過不平路面

作用于前梁鋼板彈簧座間動載荷的彎矩為：

彎曲應力：

式中：Wv-截面Ⅰ-Ⅰ的垂向抗彎截面系數

4.3.2 制動工況下的前梁應力計算

前梁承受轉矩和彎矩。前輪所受地面垂向反力為：

前輪承受的制動力：

垂向和水平彎矩Wv、Wh分別為：

經計算，所設計前梁在制動時符合要求。

4.3.3 最大側向力工況下的前梁應力計算

若車輛左滑，則左前輪所受垂向力為：

4.4 轉向節應力計算

4.4.1 通過不平路面

通過不平路面時，作用在轉向節軸頸上的彎矩為：

故設計的轉向節在通過不平路面時符合要求。

4.4.2 制動工況下轉向節的應力計算

軸頸僅受垂向和水平彎矩而不受轉矩作用，因為制動力矩由制動底板傳給轉向節，故有：

故設計的轉向節在制動工況下符合要求。

4.4.3 側滑工況下轉向節的應力計算

側滑時左、右轉向節在危險斷面Ⅲ～Ⅲ處彎矩不等，以左滑為例，計算如下：

左、右轉向節在危險斷面處的彎曲應力為：

計算得所設計轉向節在側滑時符合要求。

5、轉向系設計計算

5.1 轉向器主要參數的確定

5.1.1 轉向器角傳動比i角器與蝸桿切削傳動比i切

由于雙銷式中間位置的角傳動比在指銷的嚙合點上，所以蝸桿的切削傳動比與轉向器的角傳動比不一樣。

5.1.2 轉向器中心距A與蝸桿的切削中心距

結合實際選取A=72mm。選取蝸桿的切削中心距等于轉向器的中心距A。

5.1.3 指銷擺動半徑R與切削蝸桿時指狀銑刀的擺動半徑

指銷擺動半徑R比中心距大3～6mm，因此選取R=78mm。R也是轉向器指銷的擺動半徑。

5.1.4 蝸桿平均作用半徑r與蝸桿的外徑D及內徑D1

蝸桿的平均作用半徑，主要取決于蝸桿：

接觸高度h=8，Δt1為1.5～2mm。r=21mm，D=50mm

5.2 轉向蝸桿的設計

5.2.1 蝸桿螺紋導程角α

轉向器角傳動比的取值范圍為18-22，故取i角器=22。指銷在中間位置嚙合時，即β=0時，轉向器角傳動比為：

式中：α0-螺紋導程角

5.2.2 蝸桿螺紋齒厚

當角傳動比的特性不是斜梯形曲線時，可按下式計算螺紋的齒頂厚度：

代入數值得：δ=8mm

5.2.3 蝸桿齒槽

根據經驗，δ1=2mm，δ2=1.5mm ，Δt1=2mm左右，齒槽夾角θ=29°。

代入數值得：

S1=16.7mm，h0=10mm，S2=11.6mm

6、三維建模與前梁的ANSYS分析

6.1 三維建模

圖1 轉向系總裝圖

根據前述計算結果利用三維制圖軟件UG繪制EQ1090E型載貨汽車前橋和轉向裝置的三維模型并裝配，結果如圖1所示。

6.2 前梁的有限元分析

有限元法的基本思想是將一個連續變化的求解區域進行離散化，即把求解區域分割成彼此以節點相互聯系的有限個單元，利用插值函數求出近似解。

圖2 應力圖

在鋼板彈簧定位孔處加載垂向載荷23128N，主銷孔為固定支承，并在Solution菜單中添加應力、變形量，運行Solve命令，即可得到前梁在滿載工況下的應力的分析結果如圖2所示。

綜上所述，當前梁處于滿載工況下時，其最大應力較小，符合強度要求，因此前梁的設計符合要求。

[1] 朱敏.我國雙前橋轉向貨車使用狀況分析研究[D].

[2] 周松盛.汽車雙前橋轉向系統的分析、建模仿真與優化[D].

[3] 陳家瑞.汽車構造.第五版[M]人民交通出版社.

[4] Anon,Scientific Forming Technologies Corporation.

The structure design of truck front axle and steering device

Zhang Wei, Zhang Shiwei, Li Tengfei
( School of Automobile Chang ' an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

This paper is based on the EQ1090E type medium truck as the object, the design of the front axle and steering device, including automobile front axle and steering system structure selection and analysis, steering wheel alignment parameters and steering bridge structure form selection, determining the size of the front axle of main parts and working stress calculation, designing calculation and analyzing beam steering system, to ensure the rationality and safety of structure design.

EQ1090E; front axle; steering gear

U463.4

A

1671-7988 (2017)05-47-04

張緯，就讀于長安大學汽車學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.016