HKD640微型客车设计前桥前悬架与转向系设计.docx

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HKD640微型客车设计前桥前悬架与转向系设计

HKD640微型客车设计（前桥、前悬架与转向系设计）

摘要

本次设计中我的设计任务微型客车的前桥、前悬架与转向系设计。

由于本车前桥采用了麦弗逊式独立悬架，所以前桥采用与之相配合的断开式车桥，属于转向驱动桥。

前悬架有独立悬架与非独立悬架之分，本车前悬架采用了麦弗逊式独立悬架，其优点是增加悬架了两前轮内测的空间，便于发动机和起一些不简单布置。

主要对悬架的性能参数进行确定，对弹性元件进行了计算，并选择了合适的减振器。

通过对悬架主要参数的设计与计算，从而保证本车的行驶平顺性与减震性能。

汽车转向系的设计主要包括了转向前桥设计，转向器选择的是循环球式转向器，并通过计算使之符合设计要求，并对专项题型进行计算，并通过优化使之接近理想状态。

为保障整车性能，在设计时尽量对前桥和转向系进行优化。

设计中，主要通过查看实际车辆，总结课本知识，翻阅有关汽车方面的文章来研究前桥、前悬架和转向系，并验算了有关零部件的结构强度和刚度。

最后进行了设计总结。

关键字：

微型客车、前悬挂系统、转向系统、转向梯形、

非独立悬架、独立悬架

HKD640minibusdesign（frontaxle,frontsuspensionandsteeringsystemdesign）

Abstract

Thedesignofthetaskofdesigningmyfirstmini-busbridge,thefrontsuspensionandsteeringdesign.AsthefrontMcPhersonindependentsuspensionbridgeused,sousewithmatchingfrontaxledisconnectaxles,driveaxlesareturning.Frontsuspensionwithindependentsuspensionanddividedintonon-independentsuspension,thecarfrontsuspensionusesMcPhersonindependentsuspension,itsadvantageistoincreasethefrontsuspensionofthetwoclosedbetaofspace,easystartingengineandanumberofsimplelayout.Themainperformanceparametersofthesuspensiontodetermine,ontheelasticcomponentswerecalculated,andselecttheappropriateshockabsorber.Themainparametersofthesuspensionthroughthedesignandcalculation,inordertoensurethevehicleridecomfortandshockabsorptionproperties.AutomotiveSteeringSystemDesignincludesthedesignofsteeringfrontaxle,steeringgearchoiceisarecirculatingballsteering,andthroughcalculationtoconformtodesignrequirements,andspecialQuestionsincalculation,andbyoptimizingtonearLixiangzhuangtai.Fortheprotectionofvehicleperformance,asfaraspossibleinthedesignofthefrontaxleandsteeringsystemoptimization.

Design,mainlybylookingattheactualvehicles,concludedtextbookknowledge,readthearticleinrespectofthevehicletostudythefrontaxle,frontsuspensionandsteeringsystems,andcheckingtherelevantpartsofthestructuralstrengthandrigidity.Finally,thedesignsummary.

KEYWORDS:

Theminiaturepassengertrain,thefronthangssystem,thesteeringsystem,thesteeringtrapezium,thenon-independentsuspensionfork,theindependentsuspensionfork

前言………………………………………………………..1

第一章转向系设计………………………………………….4

§1.1转向系总体方案确定…………………………………4§1.2前桥概述……………………………………………5

§1.3转向器的选择………………………………………….6

§1.4转向器主要性能参数的确定………………………………9

§1.5循环球式转向器的设计…………………………..14

§1.6循环球式转向器零件强度计算…………………………..18

§1.7转向传动机构强度计算…………………………………19

§1.8转向梯形的设计…………………………………….20

第二章悬架系统设计………………………………….…..23

§2.1概述…………………………………………………..23

§2.2悬架结构形式分析……………………………………..24

§2.3弹性元件的分析………………………………………..27

§2.4悬架主要性能参数的确定………………………………28

§2.5弹性元件的计算………………………………………..29

§2.6独立悬架导向机构设计…………………………………31

§2.7减振器的选择………………………………………….32

总结……………………………………………………....36

参考文献……………………………………………….37

致谢……………………………………………………....38

附录……………………………………………………....39

前言

改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。

作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。

有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。

而舒适性也是轿车最重要的使用性能之一。

舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。

所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。

同时，汽车悬架作为车架（或车身）与车轴（或车轮）之间作连接的传力机构，又是保证汽车行驶安全的重要部件。

因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。

一．现代汽车转向系

（一）现代汽车转向装置的设计趋势

1．适应汽车高速行驶的需要

从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。

“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。

2．充分考虑安全性、轻便性

随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。

从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向柱管和动力转向系统。

3．低成本、低油耗、大批量专业化生产

随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。

对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。

4．汽车转向器装置的电脑化

汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。

（二）现代汽车转向装置的发展趋势

1.现代汽车转向装置的使用动态

随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。

汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：

有蜗杆指销式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）。

这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45％左右，齿条齿轮式转向器占40％左右，蜗杆滚轮式转向器占10％左右，其它型式的转向器占5％。

循环球式转向器一直在稳步发展。

日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器。

大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。

微型货车用循环球式转向器占65％，齿条齿轮式占35％。

我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆指销式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。

目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。

由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。

2.转向器生产专业化

循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。

在日本“精工”（NSK）公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。

德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。

它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。

还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0;AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。

专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。

3.动力转向是发展方向

动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。

主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发。

虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快的发展。

从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向

二．现代汽车悬架

悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。

由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。

汽车车架（或车身）若直接安装于车桥（或车轮）上，由于道路不平，由于地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。

汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。

它的作用是弹性地连接车桥和车架（或车身），缓和行驶中车辆受到的冲击力。

保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。

一般悬架由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成。

弹性元件用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。

弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。

减振器用来衰减由于弹性系统引起的振，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。

导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。

种类有单杆式或多连杆式的。

钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。

有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。

第一章转向系统的设计

§1.1转向系总体方案确定

汽车的运动是由直线和曲线运动两方面组成的，汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶方向。

者就要求有一定的装置来完成这种功能，就轮式汽车而言，改变行驶方向的方法是：

设计一套用来改变或发挥汽车行驶方向的专设机构及汽车的转向系。

转向系应具备的性能是转向操作必须轻便可靠，也应在保持汽车的动态转向性能的同时，必须安全地进行转向，因此设计中对转向系的性能主要要求有：

1汽车转弯行驶时，全部车轮应绕着瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。

不满足这项要求的会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。

2汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。

3汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，并且转向盘没有摆动。

4转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。

5保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。

6操纵轻便。

7转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。

8转向器和转向传动机构的球头销处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。

9在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

10进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。

转向系可按转向能源的不同分为：

机械转向系和动力转向系。

这次设计的转向系是机械转向系，它由转向操作机构，转向器和转向传动机构三大部分组成。

下图是一种机械式转向系统：

图1-1汽车转向器的布置

l.转向盘2.安全转向轴3.转向节4.转向轮5.转向节臂6.转向横拉杆7.转向减振器8.机械转向器

驾驶员对转向盘1施加的转向力矩通过转向轴2输入转向器8。

从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。

作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副（右图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副）。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。

这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

§1.2前桥概述

前桥通过车架与悬架连接，支撑着汽车大部分重量，并将汽车的牵引力或制动力，以及侧向力经悬架传给车架。

根据悬架结构不同，车桥分为断开式和整体式两种。

当采用非独立悬架时，车桥中部是刚性的实心或空心梁，这种车桥即为整体式；断开式车桥为活动关节式结构，与独立悬架配用。

根据车桥上车轮的作用，车桥又可分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种类型。

其中，转向桥和支持桥都属于从动桥。

一般汽车多以前桥为转向桥，而以后桥和中、后两桥为驱动桥。

越野汽车的前桥则为转向驱动桥。

转向桥是利用车桥中的转向节使车轮可以偏转一定角度以实现汽车的转向。

转向桥通常位于汽车的前部，因此也常称为前桥。

前桥除常承受垂直载荷外，还承受纵向力和侧向力以及这些力所引起的力矩。

由于本车采用独立悬架系统，所以采用断开式车桥。

本车为发动机前置后轮驱动。

故前桥为转向从动桥。

断开式转向桥在轿车和微型客车上得到广泛应用，它与独立悬架相配置组成力性能优良的转向桥。

由于它有效的减少了非簧载质量，降低了发动机的质心高度，从而提高了发动机的行驶平顺性和操纵稳定性。

断开式车桥主要有车轮、减震器、上支点总成、缓冲弹簧、转向节、大头销总成、横向稳定杆总成、左右梯形臂、主转向臂、中臂、左右横拉杆、悬架总成等组成。

其中有些臂、悬臂均为薄钢板焊接结构，主转向臂与中臂是通过螺栓与橡胶衬套连接的，左右转向梯形臂用大球头销总成与悬臂总成连接。

图1-2汽车断开式转向桥

§1.3转向器的选择

转向器是转向系中的减速装置，可根据转向器的传动效率分为可逆式和不可逆式转向器，以及极限可逆式转向器，可逆式转向器逆效率高易将经轴向传动机构传来的路面反力传到转向盘上，它有利于转向回正，但同时也能产生“打手”现象；不可逆式转向器没有回正作用，道路的阻力也不能反馈到转向盘，驾驶员丧失路感；极限可逆式转向器其反向传力性介于两者之间，而接近与不可逆式有一定的路感和回正能力，路面冲击力很小部分传到方向盘上，由于整个转向起个传动元件之间都存在必然的装配关系，而随着零件磨损而增大，也因为这些间隙的存在，使转向盘和转向节不能同步，所以转向盘在实现转向过程中存在空转阶段，空转阶段的角行程成为转向盘的自由行程，当间隙过大时，转向盘的自由行程增大，影响转向灵敏性，所以转向器有间隙调整机构。

转向器可分为：

齿轮齿条式转向器、循环球式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器等几种型式，下面分别介绍这几种转向器：

1.齿轮齿条式转向器

两端输出的齿轮齿条式转向器如图所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。

与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。

弹簧7通过压块9

将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。

图1-3齿轮齿条式转向器

1.转向横拉杆2.防尘套3.球头座4.转向齿条5.转向器壳体6.调整螺塞7.压紧弹簧8.锁紧螺母9.压块10.万向节11.转向齿轮轴12.向心球轴承13.滚针轴承

弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。

当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。

2.循环球式转向器

循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一,一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。

如图所示:

图1-4循环球式转向器

为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。

转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。

二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。

螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。

转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。

导管内也装满了钢球。

这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球"流道"。

转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。

同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成"球流"。

在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。

3.蜗杆曲柄指销式转向器

蜗杆曲柄指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。

转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。

经比较分析，循环球式转向器以其传动效率高，工作平稳，可靠，螺杆和螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工后既耐磨寿命又长。

在转向起的设计中对于一定的转向盘转角与转向器的传动比成反比，角传动比增加后转向轮转角对同一转向盘转角的响应变的迟钝，操纵时间越长，灵敏度越低。

所以轻和灵构成了一对矛盾。

为解决这一矛盾，采用循环球曲柄指销式变速比转向器，这样可以消除滑动摩檫，提高转向器的效率。

循环球式转向器的逆效率虽然也很高，容易将路面冲击力传到方向盘上。

但是对于较轻型的前轴载荷不大而又经常在好路面上行驶的汽车而言，这一缺点影响不大，因此，循环球式转向器广泛应用与各类各级转向系统上。

§1.4转向器主要性能参数的确定

（一）转弯半径的确定

为了避免在汽车转向时产生的路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过快的磨损，要求转向系能保证在汽车转向时所有车轮均作纯滚动运动这只有所有车轮的轴线都相交在一点时才能实现，内转向轮偏转角应大于外转向轮偏转角。

在汽车转向轮转角最大位置条件下以低速转弯时的半径为Rmin.在车轮绝对刚体的条件下角θ0与θi的理想关系是:

（1-1）

式中：

K-两侧主销轴线与地面相交点的额距离1040㎜；L-汽车轴距2210㎜

转弯半径越小，汽车的机动性能越好。

其关系是：

图1-5理想的内外车轮转角关系

（1-2）

因为L=2210㎜;R=4.5㎜;a=40㎜

所以θ0=30.5°θi=40.6°

（二）转向轮的定位

1.主销后倾角

主销后倾角如图所示:

图1-6主销后倾角

当汽车水平停放时，在汽车的纵向垂面内，主销上部向后倾斜一个角度r,称为主销后倾角。

当主销具有后倾角时，主销轴线与路面交点A将位于车轮与路面接触点的前面。

当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转（例如向右偏转，如图中箭头所示），将使汽车行驶方向向右偏离。

这时由于汽车本身离心力的作用，在车轮与路面接触点B处，路面对车轮作用着一个侧向反作用力Y。

反力Y对车轮形成饶主销轴线作用的力矩Yl，其方向正好与车轮偏转方向相反。

在此力矩作用下，将使车轮回复到原来中间位置，从而保证汽车能稳定地直线行驶，故此力矩称为稳定力矩（回正力矩）。

因稳定力矩的大小取决于力臂l的数值，而力臂又取决于后倾角r的大小，因此，为了不使转向盘沉重，主销后倾角r不宜过大。

现在一般采用不超过2到3度的后倾角。

现代高速汽车由于轮胎气压降低、弹性增加，而引起稳定力矩增加，因此r可以减小至或接近于零，甚至为负。

2.主销内倾角

主销内倾角如下图所示：

图1-7主销内倾角

当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。

主销内倾角的作用是使车轮自动回正。

汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。

车轮轴线与主销夹角

在转向过程中是不变的，当车轮转

过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。

这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。

主销内倾角的另一个作用是使主销轴线与路面的交点到车轮接地面的中心的距离（内偏置距）a减小，可以减小转向阻力矩，及底面冲击力对方向盘的作用。

再来看看回正力矩的情况。

汽车除了有主销后倾，还有内偏置.

前轮只转向不驱动时，外轮的回正力矩大于内轮所受回正力矩，总的效果是使内外轮顺。

因此回正力矩总的效果是使汽车回正。

3.前轮外倾角

图1-8前轮外倾角

如图所示，当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，车轮平面与地面垂线的夹角为前轮外倾角。

如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出现车轮内倾，这样将加速车

轮胎的磨损。

另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端小

轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们

的寿命。

因此，为前轮有一个外倾角。

但是外倾角也不宜过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。

在现代一些独立悬架的轿车上，前轮采用了负的外倾角，这往往是为了减小在高速转向时车身的侧倾。

4.前轮