某4×2重型载货车前桥转向设计

禄正伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某4×2重型载货车前桥转向设计

禄正伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章针对某4×2重型载货车的开发，进行前桥转向设计。为了确保转向系统性能，进行运动校核和干涉校核。同时整个转向系统安全性要求很高，所以必须保证关键零部件的强度满足使用要求，文章对转向垂臂和直拉杆进行了强度校核。

转向系统；运动校核；干涉校核；强度校核

CLC NO.:U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-31-04

前言

由于车轮的跳动、前轮转向运动等原因造成零部件之间有相对运动，并可能产生运动干涉而造成设计上的失误，干涉量过大就有可能造成车辆在行驶过程中，当车辆遇到颠簸的路面或者进行紧急制动的时候，会引起悬架系统和整个转向系统运动不协调，严重的可能导致方向盘“打手”，严重的影响了驾驶的舒适性，久之会引起驾驶员疲劳，引发事故。所以转向系和悬架系统的运动校核和强度校核优为重要。

1、转向运动校核

1.1 运动校核并确认方向机垂臂的长度、垂臂的初始夹角

汽车转向传动系与悬架系统是一个彼此独立又互相联系的运动系统，图1表示校核转向传动系装置与悬架导向机构运动是否协调的校核图：

图1 转向系与悬架系统运动模型

校核的基本原理：转向系和前桥总成的连接点就是转向弯臂的球头，所以运动校核的焦点就是分析转向弯臂球头的运动轨迹，球头作为转向系的一部分是绕着方向机摇臂的球头做弧线运动，同时弯臂球头又是前桥总成的一部分，前桥和悬架连接，前桥随着载荷及路面对轮胎的作用力而运动，从而引起悬架的运动，也就是说弯臂球头又绕着悬架的摆动中心运动，通过以上原理画出弯臂球头分别绕着悬架的摆动中心运动和绕着方向机摇臂的球头运动的轨迹，再通过计算得出悬架的静挠度，根据经验给出悬架的动挠度（6～9cm）以弯臂球头的中心画出平行的两条直线和两条运动轨迹相交，得出的线段的长度就是运动干涉量。运动干涉量越小越好。

由于前桥总成是成熟的借用件，影响干涉量的就只有摇臂的长度及摇臂和竖直方向的夹角，根据前桥、方向机和悬架系统的参数，作出相应的运动校核图。如下图2所示：

图2 运动校核图

产品的校核中通过改变摇臂的长度和夹角得出如下表1数据，通过权衡选出两种方案进行优化分析（带下划线所示）：

表1 干涉校核表

1.2 方向机垂臂落差校核

经过尺寸链计算，确定垂臂的落差为40mm，计算校核如下图3所示：

图3 垂壁落差校核图

垂臂相关的参数确定要满足几个基本的要求：

1）当转向轮转至最大转角的时候，方向机摇臂必须有一定的转动余量。

2）当转向轮转至最大转角的时候，转向直拉杆和摇臂的夹角要保证车辆在转向的时候不能发生锁死现象。

3）由于直拉杆是刚性元件，弯臂在转向轮转到极限的时候其扫过的弦长要小于摇臂转到极限位置所扫过的弦长、将前面所得到的两组数据进行分析。校核如下图4和5所示：

§垂臂的长度为：185mm 垂臂的初始夹角为0°

图4 垂臂校核图Ⅰ

§垂臂的长度为：200mm 垂臂的初始夹角为4°

图5 垂臂校核图Ⅱ

分析结果：通过分析校核确定垂臂的长度为：200mm ；垂臂的初始夹角为4°；直拉杆长度980 mm。

2、前桥最小转弯半径计算较核

前轮最小转弯半径的计算：

Rimin为汽车最小转弯半径

L为汽车轴距：5000mm

K为主销延长线接地点距离：1848mm

a为车轮转臂：92mm

θimax为汽车前桥最大内转角

3、弯臂强度校核

弯臂选用材料为：42CrMo，材料参数如下表2：

表2 材料参数表

弯臂受到直拉杆的推力克服轮胎的最大阻力矩为Mr（原地转向阻力矩Mr），通过有限分析计算结果如下图6：

图6 弯臂强度CAE分析图

最大应力（见图）σ（max）=286MPa。

弯臂的安全系数N=σs/σ(max）

材料屈服强度：σs=930MPa

N=3.25

满足安全件的设计强度要求。

4、直拉杆强度的校核

汽车在沥青或者混凝土的原地转向阻力矩Mr作为转向

轮胎和路面间的滑动摩擦系数f

轮胎气压p

前轴负荷G1

直拉杆工作时主要是产生拉压变形，故只校核其拉压应力。汽车原

地转向时，作用在直拉杆上的力为F，产生的拉（压）应力为σ。

4.1 其中转向拉力的值确定从两个方面

1）转向阻力矩在直拉杆上产生的拉（压）力

转向节臂长l2

2）动力转向器在直拉杆上产生的拉（压）力

两者的比较以后取较大的值（即17200N）进行强度校核，直拉杆如下图7：

图7 直拉杆图

4.2 对此直拉杆杆进行加力分析，其中可以从两方面进行计算

1）转向拉杆对于力学连线的偏心率e = 112mm。

于力学连线的偏心率处产生的力矩：

转向拉杆的截面特性：φ42×8

其惯性矩为：

杆身的材料组成为45号钢

2）对转向直拉杆简化成为二力杆，其中截面如下图8：φ42×8

图8 直拉杆截面图

经计算，该截面面积S=854.5mm2

<< 许用应力 = 598 Mpa

因此可以从这两方面证明，转向直拉杆的强度是能满足的

5、直拉杆的设计（尺寸确定）以及相关部件的干涉校核

根据整车转向系相关参数和轮胎参数进行直拉杆的设计，相关参数如下表3和表4：

表3 转向系相关参数表

表4 轮胎参数表

根据转向系统相关参数和转向系统设计要求，确定了直拉杆的尺寸，根据设计尺寸做出直拉杆尺寸图，并进行干涉校核。 校核如下图9所示：

图9 直拉杆干涉校核图

直拉杆干涉校核结果如下表5所示：

表5 干涉校核结果

从以上的校核可以得出直拉杆的设计是满足设计要求，同时考虑到要安装9.00-20轮胎总成，所以在校核的时候也考虑了进去。

6、结论

通过以上计算分析，此4×2载货车的前桥转向设计满足整车使用要求，转向系统运动校核间隙合理，最小转弯半径满足要求，同时零部件强度分析 满足安全件的设计强度要求。

[1] 张洪欣.汽车设计.机械工业出版社,1989.

[2] 徐灏.机械设计手册.机械工业出版社,1991.

[3] 康展权.汽车工程手册.设计篇.人民交通出版社.2001.

[4] 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社.1991.

The front axle steering design of a 4×2 heavy tractor

Lu Zhengwei
( Anhui Jianghuai Automobile Group. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper aiming at the development of a 4×2 heavy truck, the front axle steering design. In order to ensure the performance of the steering system, motion checking and interference checking. At the same time, the safety requirements of the whole steering system are very high, therefore ,it is necessary to ensure that the strength of the key components to meet the use requirements.in this paper, the strength of the steering knuckle arm and steering draglink is checked.

steering system; motion checking; interference checking; strength checking

U463.4

A

1671-7988 (2017)08-31-04

禄正伟，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.010