張緯，張士偉，李騰飛

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

載貨汽車前橋和轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張緯，張士偉，李騰飛

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

文章以EQ1090E型中型載貨汽車為對(duì)象，設(shè)計(jì)其前橋和轉(zhuǎn)向裝置，包括汽車前橋與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選型和分析、轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)及轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)形式的選擇、前橋主要零件尺寸的確定及工作應(yīng)力的計(jì)算、轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)計(jì)算和前梁有限元分析，確保設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和安全性。

EQ1090E；前橋；轉(zhuǎn)向裝置

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

引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從過去的機(jī)械式一直到現(xiàn)代汽車電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向，其逐步地發(fā)展和完善。汽車前橋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究水平，對(duì)于保證汽車安全行駛、減輕駕駛員工作強(qiáng)度、延長(zhǎng)車輛的使用壽命十分重要。本次設(shè)計(jì)以載貨汽車為對(duì)象，通過對(duì)其前橋前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理選用各總成，保證前橋和轉(zhuǎn)向各總成運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，操縱輕便，使各總成合理高效的工作。

1、轉(zhuǎn)向系的分類

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)四個(gè)階段：純機(jī)械式轉(zhuǎn)向→液壓助力轉(zhuǎn)向→電－液助力轉(zhuǎn)向→電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，現(xiàn)朝著線性控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向發(fā)展。

1.1 純機(jī)械轉(zhuǎn)向

純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)向回正能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是所需轉(zhuǎn)向力矩大。目前在部分對(duì)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(zhuǎn)向

液壓助力系統(tǒng)HPS是在純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)而成，它一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力能源驅(qū)動(dòng)齒輪泵，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓助力。優(yōu)點(diǎn)是汽車轉(zhuǎn)向輕便和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

1.3 電液助力轉(zhuǎn)向

電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為兩大類：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向和電控液壓助力轉(zhuǎn)向。前者是利用電機(jī)作為動(dòng)力來源。后者是由液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)演變而來，兩者區(qū)別是后者增加了電子控制裝置。

1.4 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

EPS系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元（ECU）等組成。

2、汽車前橋和轉(zhuǎn)向系選型要求

2.1 前橋的設(shè)計(jì)要求

（1）有足夠的強(qiáng)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(zhuǎn)向輪平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；有足夠的剛度，使車輪定位參數(shù)保持不變。

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

（4）轉(zhuǎn)向輪的擺振盡可能小，保障汽車的正常、穩(wěn)定行駛。

2.2 轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)要求

（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，車輪不應(yīng)有側(cè)滑。

（2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，當(dāng)駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。

（3）在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不能產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤不能擺動(dòng)。

（4）操縱輕便。

3、轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)及轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)有：主銷后傾角、主銷內(nèi)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(qiáng)度最大的方向與實(shí)際使用中力的方向盡量接近一致。本次設(shè)計(jì)的EQ1090E型載貨汽車的主銷后傾角γ為2°30′。

3.2 主銷內(nèi)傾角β

在橫向平面內(nèi)，主銷上部向內(nèi)傾斜一個(gè)β角，稱為主銷內(nèi)傾角。主銷內(nèi)傾角是在前梁設(shè)計(jì)中保證的，由機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的載貨汽車的主銷內(nèi)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(shè)計(jì)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(shí)，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(shù)：總質(zhì)量91042N， 前軸軸載質(zhì)量23128N，前鋼板彈簧座中心距851mm，軸距3950mm，汽車質(zhì)心高度900mm，主銷內(nèi)傾角6°，主銷中心距1581，前輪距1810，車輪滾動(dòng)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(yīng)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(nèi)的剛度大、強(qiáng)度高。

工字梁的斷面垂向和水平彎曲截面系數(shù)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(zhǎng)度取主銷直徑的1.25-1.50倍，襯套內(nèi)徑為38mm，外徑為41mm，長(zhǎng)度為55mm。

4.3 前梁的應(yīng)力計(jì)算

4.3.1 通過不平路面

作用于前梁鋼板彈簧座間動(dòng)載荷的彎矩為：

彎曲應(yīng)力：

式中：Wv-截面Ⅰ-Ⅰ的垂向抗彎截面系數(shù)

4.3.2 制動(dòng)工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算

前梁承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。前輪所受地面垂向反力為：

前輪承受的制動(dòng)力：

垂向和水平彎矩Wv、Wh分別為：

經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)前梁在制動(dòng)時(shí)符合要求。

4.3.3 最大側(cè)向力工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算

若車輛左滑，則左前輪所受垂向力為：

4.4 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力計(jì)算

4.4.1 通過不平路面

通過不平路面時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上的彎矩為：

故設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)在通過不平路面時(shí)符合要求。

4.4.2 制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力計(jì)算

軸頸僅受垂向和水平彎矩而不受轉(zhuǎn)矩作用，因?yàn)橹苿?dòng)力矩由制動(dòng)底板傳給轉(zhuǎn)向節(jié)，故有：

故設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)工況下符合要求。

4.4.3 側(cè)滑工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力計(jì)算

側(cè)滑時(shí)左、右轉(zhuǎn)向節(jié)在危險(xiǎn)斷面Ⅲ～Ⅲ處彎矩不等，以左滑為例，計(jì)算如下：

左、右轉(zhuǎn)向節(jié)在危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力為：

計(jì)算得所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向節(jié)在側(cè)滑時(shí)符合要求。

5、轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)的確定

5.1.1 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比i角器與蝸桿切削傳動(dòng)比i切

由于雙銷式中間位置的角傳動(dòng)比在指銷的嚙合點(diǎn)上，所以蝸桿的切削傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比不一樣。

5.1.2 轉(zhuǎn)向器中心距A與蝸桿的切削中心距

結(jié)合實(shí)際選取A=72mm。選取蝸桿的切削中心距等于轉(zhuǎn)向器的中心距A。

5.1.3 指銷擺動(dòng)半徑R與切削蝸桿時(shí)指狀銑刀的擺動(dòng)半徑

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

5.1.4 蝸桿平均作用半徑r與蝸桿的外徑D及內(nèi)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(zhuǎn)向蝸桿的設(shè)計(jì)

5.2.1 蝸桿螺紋導(dǎo)程角α

轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)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(shí)，即β=0時(shí)，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比為：

式中：α0-螺紋導(dǎo)程角

5.2.2 蝸桿螺紋齒厚

當(dāng)角傳動(dòng)比的特性不是斜梯形曲線時(shí)，可按下式計(jì)算螺紋的齒頂厚度：

代入數(shù)值得：δ=8mm

5.2.3 蝸桿齒槽

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，δ1=2mm，δ2=1.5mm ，Δt1=2mm左右，齒槽夾角θ=29°。

代入數(shù)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(zhuǎn)向系總裝圖

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果利用三維制圖軟件UG繪制EQ1090E型載貨汽車前橋和轉(zhuǎn)向裝置的三維模型并裝配，結(jié)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(gè)連續(xù)變化的求解區(qū)域進(jìn)行離散化，即把求解區(qū)域分割成彼此以節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系的有限個(gè)單元，利用插值函數(shù)求出近似解。

圖2 應(yīng)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(yīng)力、變形量，運(yùn)行Solve命令，即可得到前梁在滿載工況下的應(yīng)力的分析結(jié)果如圖2所示。

綜上所述，當(dāng)前梁處于滿載工況下時(shí)，其最大應(yīng)力較小，符合強(qiáng)度要求，因此前梁的設(shè)計(jì)符合要求。

[1] 朱敏.我國(guó)雙前橋轉(zhuǎn)向貨車使用狀況分析研究[D].

[2] 周松盛.汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析、建模仿真與優(yōu)化[D].

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)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(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.016