⽬录
前⾔ (1)
第⼀章概述 (3)
第⼆章从动桥的⽅案确定 (4)
§2.1 总述 (4)
§2.2 从动桥设计 (5)
第三章转向系的⽅案确定 (6)
§3.1 概述 (6)
§3.2 转向器结构形式及选择 (6)
§3.3 循环球式转向器结构及⼯作原理 (7)
第四章转向桥的设计计算 (8)
§4.1 从动桥主要零件⼯作应⼒的计算 (8)
§4.2 在最⼤侧向⼒(侧滑)况下的前梁应⼒计算 (8)
§4.3 转向节在制动和侧滑⼯况下的应⼒计算 (10)
§4.4 主销与转向节衬套在制动和侧滑⼯况下的应⼒计算 (12)
§4.5 转向节推⼒轴承的计算 (15)
第五章转向系的设计计算 (16)
§5.1 转向系的设计及参数确定 (17)
§5.2 转向系计算载荷的确定 (19)
§5.3 循环球式转向器的设计与计算 (20)
第六章转向主要零件的强度计算 (26)
结论 (28)
参考⽂献 (29)
致谢 (30)
附录 (31)
KD1080轻型载重货车转向系及前桥设计
摘要
在本次毕业设计中，是关于轻型载货汽车的前桥及转向系统的设计。本着⼒争性能可靠，价优，易造的设计构想，同时也主要参照拖⼚的同类车型，努⼒去改造，去创新。
转向从动桥是通过悬架和车相连，两侧安装着从动车轮，⽤以传递车架与车轮之间的各种⼒和⼒矩。汽车的转向系是利⽤转向节使车轮可以偏转⼀定⾓度以实现汽车的转向。汽车的转向系是⽤来改变或恢复汽车⾏驶⽅向的专设机构，在⾏驶中起到重要作⽤。主要可分为机械转向系，动⼒转向系和电动转向系。其中电动转向系是未来汽车转向系的发展⽅向。
综合各种因素，本次设计采⽤采⽤转向梯形机构布置在前轴之后的整体式车桥和采⽤了正效率很⾼，操纵⽅便且使⽤寿命长的机械式循环球式转向器。本次设计包括对转向从动桥结构形式的选择，主要是计算前轴、转向节、主销、主销上下轴承、转向节推⼒轴承或⽌推垫⽚等在制动和侧滑两种⼯况下的应⼒校核。还包括转向器的结构选择及其设计计算并对转向梯形进⾏优化
设计。设计中⽔平有限，但希望能设计出⼀辆经济实⽤的轻型载货汽车。
关键词：运输车，前桥，主销，转向轴
THE DESIGNS OF THE STEERING SYSTEM AND
FRONT AXLE IN OWN UNLOAD AGRICULTURE
TRUCK TO TRANSPORT OF KD1080
ABSTRACT
I n this graduated designs, my assignment is the light truck’s front axle and steering system. I shall try my best to design my assignment,I want the light truck’s capacity is secure and the price is low. It is also easy to make,at the same time,I refer to the light truck which made in YT factory.I want to improve and innovate it.
Steering front axle connects the frame by suspension.Driven wheel are installed at the sides of the fore axle,which transmits kinds of forces and torques into the wheels. The steering knuckle link to the front axle causes the front wheels to turn to the right or left .The steering system enables the driver to guide the automobile or wheeled tractor down the road and turn ringht or left.It is very important for the truck.there are mannnual steering,power steering and electric power steering.The electric power steering system will be the direction in the future.
In view of all the factors,I adopt the ladder-shaped organization assigns after the front axle and very efficient that can be handled easily and had long performance life steering box of the circulation ball type. The design includes selection of the structure of the fore axle but most calculate the streys inspection under the break and the second slide of front axle ,steering knuckle inserts, king pin and ball bearing, thrust bearing and stop last spacer. Still include choosing and designing aslo calculating and carrying on optimization design ladder-shapedly of steering. The level is limited in the design, but I
hope to design a economical and practical agricultural light truck.
KEY WORDS: transporter, the front axle, king pin, steering shaft
主要符号表
量的名称量的符号单位汽车前轴静载荷G1N 汽车质⼼⾼度h g mm 转向阻⼒矩M 接触应⼒σMPa 前轮承受的制动⼒
pτN 前轮承受的垂直⼒Z1N 垂向弯矩MνN.mm ⽔平弯矩M 车轮所受的重⼒g w N 前轮轮距B mm 两钢板弹簧座中⼼距S mm 转矩 轮胎的滚动半径r r mm 地⾯垂向反⼒Z N 地⾯侧向反⼒Y N ⼒偶矩 轴承的轴向载荷F a N 轴承静承载容量C r0KN
轴承当量静载荷P0KN
转向轴输⼊功率p1Kw
转向器中的摩擦功率p2Kw
效率η
导程⾓α0rad
附着系数φ
前⾔
在⽬前⾦融危机的⼤环境下，伴随着汽车⾏业的发展，轻型货运汽车在国民⽣产中扮演着更重要的⾓⾊。
轻型载货汽车各个领域得到了⼴泛应⽤，对于它的设计是依据以往理论知识及实践经验，在满⾜其功⽤的前提下来进⾏的。转向系统是⽤来保持或改变汽车⾏驶⽅向的机构，它在整体设计中亦有其重要地位，对转向时车轮正确运动和汽车的安全⾏驶有重⼤影响，这就要求其⼯作可靠、操纵轻便。
在⽬前的设计和使⽤⽅⾯，转向系统由机械式和动⼒式两类，由于动⼒式转向系统能减轻驾驶员的负担，⽽且操作⽅便，所以到⼴泛使⽤。机械式转向系统由于造价低廉，⽽且能够满⾜轻型货车等⼀⼤部分汽车的转向需要，固也得到了⼴泛的使⽤。机械式转向系由操纵机构、转向器和转向传动机构组成，其重点是转向器和传动机构的设计。现今国内轻型汽车多才⽤整体式循环球式转向器，整体式后置梯形。
本毕业设计说明书，主要讲述了前桥和转向系统的选择设计和⽅案分析。对前桥和转向系统的分类和⼯
作原理进⾏了深⼊的对
⽐和分析，选出最优⽅
案来进⾏设计；对于转向系统的重要组成部分转向器和转向传动机构进⾏分析设计，选择合适的机构和零件。
第⼀章概述
从动桥通过悬架与车架相联，两侧安装着从动车轮，⽤以在车架与车轮之间传递铅垂⼒、纵向⼒和横向⼒。从动桥还要承受和传递制动⼒矩。
根据从动车轮能否转向，从动桥分为转向桥与⾮转向桥。⼀般汽车多以前桥为转向桥。为提⾼操纵稳定性和机动性，有些轿车采⽤全四轮转向。多轴汽车除前轮转向外，根据对机动性的要求，有时采⽤两根以上的转向桥直⾄全轮转向。
⼀般载货汽车采⽤前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向从动桥。轿车多采⽤前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是转向桥⼜是驱动桥，称为转向驱动桥。
从动桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为⾮断开式与断开式两种。与⾮独⽴悬架相匹配的⾮断开
式从动桥是⼀根⽀承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当⼜是转向桥时，则其两端经转向主销与转向节相联。断开式从动桥与独⽴悬架相匹配。
为了保持汽车直线⾏驶的稳定性、转向轻便性及汽车转向后使前轮具有⾃动回正的性能，转向桥的主销在汽车的纵向和横向平⽽内都有⼀定倾⾓。在纵向平⾯内，主销上部向后倾斜⼀个⾓，称为主销后倾⾓。在横向平⾯内，主销上部向内倾斜⼀个β⾓，称为主销内倾⾓。还有车轮外倾⾓及前束。
在汽车的设计、制造、装配调整和使⽤中必须注意防⽌可能引起的转向车轮的摆振，它是指汽车⾏驶时转向轮绕主销不断摆动的现象，它将破坏汽车的正常⾏驶。转向车轮的摆振有⾃激振动与受迫振动两种类型。前者是由于轮胎侧向变形中的迟滞特性的影响，使系统在⼀个振动周期中路⾯作⽤于轮胎的⼒对系统作正功，即外界对系统输⼊能量。如果后者的值⼤于系统内阻尼消耗的能量，则系统将作增幅振动直⾄能量达到动平衡状态。这时系统将在某⼀振幅下持续振动，形成摆振。其振动频率⼤致接近系统的固有频率⽽与车轮转速并不⼀致，且会在较宽的车速范围内发⽣。通常在低速⾏驶时发⽣的摆振往往属于⾃摄振动型。当转向车轮及转向系统受到周期性扰动的激励，例如车轮失衡、端⾯跳动、轮胎的⼏何和机械特性不均匀以及运动学
上的⼲涉等，在车轮转动下都会构成周期性的扰动。在扰动⼒周期性的持续作⽤下，便会发⽣受迫振动。当扰动的激励频率与系统的固有频率⼀致时便发⽣共振。其特点是转向轮摆振频率与车轮转速⼀致，
⽽且⼀般都有明显的共振车速，共振范围较窄(3～5km/h)。通常在⾼速⾏驶时发⽣的摆振往往属于受迫振动型。
转向轮摆振的发⽣原因及影响因素复杂，既有结构设计的原因和制造⽅⾯的因素．如车轮失衡、轮胎的机械特性、系统的刚度与阻尼、转向轮的定位⾓以及陀螺效应的强弱等；⼜有装配调整⽅⾯的影响，如前桥转向系统各个环节间的间隙(影响系统的刚度)和摩擦系数(影响阻尼)等。合理地选择这些有关参数、优化它们之间的匹配，精⼼地制造和装配调整，就能有效地控制前轮摆振的发⽣。在设计中提⾼转向器总成与转向拉杆系统的刚度及悬架的纵向刚度，提⾼轮胎的侧向刚度，在转向拉杆系中设置横向减震器以增加阻尼等，都是控制前轮摆振发⽣的⼀些有效措施。
第⼆章从动桥的⽅案确定
§2.1 从动桥总体⽅案确定
转向从动桥的主要零件有前梁，转向节，主销，注销上下轴承及转向节衬套，转向节推⼒轴承，轮毂等。
转向前桥有断开式和⾮断开式两种。断开式前桥与独⽴悬架相配合，结构⽐较复杂但性能⽐较好，多⽤于轿车等以载⼈为主的⾼级车辆。⾮断开式⼜称整体式，它与⾮独⽴悬架配合。它的结构简单，承载能⼒⼤，这种形式再现在汽车上得到⼴泛应⽤。因此本次设计就采⽤了⾮断开式从动桥。
作为主要零件的前梁是⽤中碳钢或中碳合⾦钢的，其两端各有⼀呈拳形的加粗部分为安装主销的前梁拳部；为提⾼其抗弯强度，其较长的中间部分采⽤⼯字形断⾯并相对两端向下偏移⼀定距离，以降低发动机从⽽降低传动系的安装位置以及传动轴万向节的夹⾓。为提⾼其抗扭强度，两端与拳部相接的部分采⽤⽅形断⾯，⽽靠近两端使拳部与中间部分相联接的向下弯曲部分则采⽤两种断⾯逐渐过渡的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧⽀座的加宽⽂承⾯。
转向节⽤中碳合⾦钢模级成整体式结构。转向节通过主销与前梁的拳部相连，使前轮可以绕主销偏转⼀定的⾓度使汽车转向。为减⼩磨损，转向节销孔内设计时压⼊青铜衬套，衬套上的润滑油槽在上⾯端部是切通的，⽤装在转向节上的油嘴注⼊润滑脂润滑，为使转向轻便，在转向节和前梁拳部设有圆锥推⼒滚⼦轴承。
主销的⼏种结构型式如下图所⽰，本次设计⽤(a)。
（a） (b) (c) (d)
图2-1主销结构形式
（a）圆柱实⼼型 (b) 圆柱空⼼型 (c) 上，下端为直径不等的圆柱，中间为锥体的主销 (d)下部圆柱⽐上
部细的主销
车轮轮毂通过两个圆锥滚⼦轴承⽀撑在转向节外端的轴颈上，轴承的松紧度可通过调整螺母进⾏调整。轮毂外端⽤冲压的⾦属外罩罩住。轮毂内侧有油封，以防润滑油进⼊制动器内。
第三章转向系的⽅案确定
§3.1 转向系整体⽅案确定
⽤来改变或恢复汽车⾏驶⽅向的专设机构即称作汽车的转向系。
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两⼤类。在现代汽车结构中，常⽤机械式转向系。机械式转向系依靠驾驶员的⼿⼒转动⽅向盘，经过转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车装有防伤机构和转向减振装置。还有⼀些汽车的专门装有动⼒转向机构，并借助此机构来减轻驾驶员的⼿⼒，以降低驾驶员的劳累程度。
本次设计采⽤机械式转向器。
对转向系的主要要求有：
⼀、操纵轻便。转向时加在⽅向盘上的⼒对轿车不超过200N，对轻型货车不
超过360N，对中型货车不超过450N,⽅向盘的回转圈数要少。
⼆、⼯作安全可靠。
三、在转向后，⽅向盘有⾃动回正能⼒，能保持汽车有稳定的直线⾏驶能⼒。
四、在前轮受到冲击时，转向系传递反向冲击到⽅向盘上要⼩。
五、应尽量减⼩转向系统连接处的间隙，间隙应能⾃动补偿即调整，除了设
计应正确的选择导向轮的定位⾓外，转向盘在中间式的⾃由⾏程应当保证直线⾏驶的稳定性和转向盘相对导向轮偏转⾓的灵敏度。
§3.2转向器结构形式及选择
根据转向器所⽤传动副的不同，转向器有多种。常见的有循环球式球⾯蜗杆蜗轮式、蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式等。
转向器的结构形式，决定了其效率特性以及对⾓传动⽐变化特性的要求。选⽤那种效率特性的转向器应有汽车⽤途来决定，并和转向系⽅案有关。经常⾏驶在好路⾯上的轿车和市内⽤客车，可以采⽤正效率较⾼的、可逆程度⼤的转向器。
效率⾼、⼯作可靠、平稳，蜗杆和螺母上的螺旋槽在淬⽕后经过磨削
加⼯，所以耐磨且寿命较长。齿扇和齿条啮合间隙的调整⼯作容易进⾏。
和其它形式转向器⽐较，其结构复杂，对主要零件加⼯精度要求较⾼。
蜗杆曲柄销式转向器⾓传动⽐的变化特性和啮合间隙特性变化受限制，不能完全满⾜设计者的意图。
齿轮齿条式转向器的结构简单，因此制造容易，成本低，正、逆效率都⾼。为了防⽌和缓和反向冲击传给⽅向盘，必须选择较⼤的传动⽐，或装有吸振装置的减振器。
本设计采⽤循环球式转向器。
§3.3 循环球式转向器结构及⼯作原理
循环球式转向器中⼀般有两级传动副。第⼀级是螺杆螺母传动副，第⼆级是齿条齿扇传动副。
转向螺杆的轴颈⽀撑在两个圆锥滚⼦轴承上。轴承紧度可⽤调整垫⽚调整。转向螺母的下平⾯上加⼯成齿条，与齿扇轴内的齿扇部分相啮合。通过转向盘转动转向螺杆时，转向螺母不转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。为了减⼩转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，其间装有⼩钢球以实现滚动摩擦。⼆者
的螺旋槽能配合形成近似圆形断⾯轮廓的螺旋管状通道。转向螺母外有两根导管，两端分别插⼊螺母的⼀对通孔。导管内装满了钢球。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。转向器⼯作是两列钢球只是在各⾃封闭的流道内循环，⽽不脱出。
汽车前桥转向螺母上的齿条式倾斜的，因此与之啮合的齿应当是分度圆上的齿厚沿齿扇轴线按线性关系变化的变厚齿扇。因为循环球转向器的正传动效率很⾼，操作轻便，使⽤寿命长。经常⽤于各种汽车。
综上最后本次设计选定循环球式转向器。
第四章从动桥的设计计算
§4.1从动桥主要零件尺⼨的确定
转向从动桥采⽤⼯字形断⾯的前梁，可保证其质量最⼩⽽在垂向平⾯内的刚度⼤，强度⾼。⼯字形断⾯尺⼨的推荐值，见图4-1，图中虚线绘出的是其当量断⾯。该断⾯的垂向弯曲截⾯系数v W 和⽔平弯曲截⾯系数h W （单位为3mm ）可近似取为
33
205.5v h W a W a
==} (4-1)
式中 a----⼯字形断⾯的中部尺⼨。由经验公式： 2200
ml
Wv =
式中 m---作⽤于前梁上的簧上质量； l---车轮中线⾄板簧中线的距离。
=
Wv 333
105.672200
10304490mm ?=?? 求得mm a 15=
§4.2 从动桥主要零件⼯作应⼒的计算
主要是计算前梁、转向节、主销、主销上下轴承(即转向节衬套)、转向节推⼒轴承或⽌推垫⽚等在制动
和侧滑两种⼯况下的⼯作应⼒。绘制计算⽤简图时可忽略车轮的定位⾓，即认为主销内倾⾓、主销后倾⾓，车轮外倾⾓均为零，⽽左右转向节轴线重合且与主销轴线位于同⼀侧向垂直平⾯内。如下所⽰：
图 4—1转向从动桥在制动和侧滑⼯况下的受⼒分析简图 1-制动⼯况下的弯矩图 2-侧滑⼯况下的弯矩图
制动⼯况下的前梁应⼒计算：制动时前轮承受的制动⼒
p τ和垂直⼒Z
1
传给前梁，使前梁承受弯矩和转矩。
考虑到制动时汽车质量向前，转向桥转移，则前轮所承受的地⾯垂直反⼒为：
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1
112= 式中：G 1——汽车满载静⽌于⽔平路⾯时前桥给地⾯的载荷，N ；
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1——汽车制动时对前桥的质量转移系数，
对轿车和载货汽车的前桥可取1.5；质量分配给前桥35%；
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1==??+?5.18.92
)40004000(35.020580 N 前轮所承受的制动⼒
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