汽车前桥设计.doc

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1、XXXX学院毕业设计（论文）汽车前桥设计学生姓名：指导教师：专 业：二O一六年一月摘 要一般汽车采用前置发动机后轮驱动的布置形式，故前桥为转向从动桥，车桥通过悬架和车架相连，它的两端安装车轮，其功用是传递车架与车轮之间各方向的作用力及其力矩。车桥受力情况十分复杂，使用频率较高，是非常容易发生故障的部件。在汽车行驶过程中，由于路面不平度的影响，桥壳受到随机载荷的作用，使得车桥有可能发生疲劳破坏，所以车桥的生产质量和性能会直接影响车辆的使用寿命和整车性能，要求车桥的结构必须具有足够的强度、刚度及使用寿命。论文基于汽车车桥结构及原理，阐述了汽车前桥结构原理，设计出汽车前桥结构方案，并按照总体方案对各

2、零部件的运动关系进行分析得出整体结构尺寸，最后通过有限元方法, 分析了汽车前桥在不同工况下对应的应力和变形,为车桥强度评价及疲劳寿命估算提供了所需数据,有限元方法的利用,可以降低设计开发成本、缩短设计开发周期、提高产品质量，使得挖掘机在轻量化、抗振性、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非常重要的指导作用和实际意义。关键词：前桥，前梁，转向节，转向主销，有限元分析AbstractGeneral truck adopts front engine rear wheel drive layout form, so the front axle steering driven axle, ax

3、le by means of suspension and chassis is linked together, it is installed on both ends of the wheel, its function is passed frame between the wheels and the direction of force and moment.Paper based on the structure and principle of automobile axle, and expounds the principle of automobile front axl

4、e structure, design of automobile front axle structure scheme, and according to the overall scheme of motion relationship analysis of parts of the overall structure size, at last, by the finite element method, the analysis of the automobile front axle corresponding stress and deformation under diffe

5、rent conditions, for axle strength evaluation and fatigue life estimation provides the required data, the use of finite element method, can reduce the design cost, shorten the design cycle, improve product quality, makes the excavator in lightweight, vibration resistance, comfort and handling stabil

6、ity is improved and improve, has a very important role in guiding and practical significance.Key word: Front axle, a former liang, steering knuckle, steering, king pin, finite element analysis目录1 绪论11.1 课题意义11.2 国内外现状11.3论文主要内容32 汽车前桥的结构原理42.1前桥概述42.2前桥的设计参数53 汽车前桥的结构设计83.1前桥的结构设计83.1.1设计参数83.1.2车轮定

7、位参数选取93.2从动桥主要零件尺寸确定103.3前桥的前梁强度计算123.3.1垂直载荷工况下的应力计算123.3.2制动工况下前梁的应力计算133.3.3侧滑工况下前梁的应力计算163.4前桥的转向节强度校核203.4.1制动工况下的强度计算203.4.2侧滑工况下的强度计算204 汽车前桥有限元分析224.1三维模型的建立224.2有限元模型的建立224.3有限元结果分析234.3.1静止工况下的分析234.3.2不平道路冲击工况下的分析244.3.3侧滑工况下的分析255 结论与展望26参考文献27致谢291 绪论1.1 课题意义前桥是汽车上一个重要的总成件，主要包括转向节、转向主销、

8、前轴等零部件，由于在汽车的行驶过程中，前桥所处的工作环境恶劣，工况复杂，其承受的载荷也多为交变载荷，从而其零部件易出现疲劳裂纹甚至断裂现象。车桥通过悬架与车架连接，支撑着汽车大部分重量，并将车轮的牵引力或者制动力，以及侧向力经过悬架传给车架。这就要求其在结构设计上必须有足够的强度、刚度和抗疲劳破坏的能力。在商用车车桥行业，前桥业务仅占整个车桥行业全部销售额的30左右。前桥中简单前桥占绝对主导地位，而具有驱动功能的前桥应用非常小，仅在需要特殊工况下工作的军用卡车，及在石油、工矿、林业、野外作业等特殊领域的车辆中使用。对于后桥，普通后驱动桥占绝对主导地位，而支撑桥与贯通桥的份额不到10 中重型车桥

9、市场的企业竞争非常激烈，目前，国内中、重型车桥生产企业主要集中在一汽解放汽车有限公司车桥分公司、东风德纳车桥有限公司、陕西汉德车桥有限公司、安徽安凯福田曙光车桥有限公司、中国重汽济南桥箱有限公司、一汽山东汽车改装厂及青特众力车桥有限公司等七家主要的生产企业，其2007年中重型车桥产量均超过了12万根，它们在中重型车领域的市场份额之和高达90以上，市场集中度很高。造成这种态势的主要原因一是由于中重型桥比轻型桥的利润率要高得多，二是国内中重卡企业普遍偏爱采用自己建厂或控股的车桥企业产品进行配套。开发汽车要采用设计理念，多进行优化设计，使产品新颖化，品种多样化以适应多种需要。而在中型载货汽车的设计中

10、如何适应复杂的路况下保证汽车能快速平稳的行驶，就是一个很重的问题。前桥是汽车上一个重要的总成件，主要包括转向节、转向主销、前轴等零部件，由于在汽车的行驶过程中，前桥所处的工作环境恶劣，工况复杂，其承受的载荷也多为交变载荷，从而其零部件易出现疲劳裂纹甚至断裂现象。这就要求其在结构设计上必须有足够的强度、刚度和抗疲劳破坏的能力。因此本课题的研究和设计具有实际意义。1.2 国内外现状近年来，经过引进、消化和吸收，中国汽车车桥工业取得显著进步。目前全国车桥行业企业约有220多家，分布在各大型汽车集团和各地区，形成服务于汽车行业、相互依存的企业群体。国内车桥产业体系已经比较健全，“重中轻微轿”全面发展

11、产品结构也有自己的特色，能够满足市场需求。2011年3月29日，中国机械工业联合会发布的“十二五”机械工业发展总体规划提出，中国汽车工业重点是发展满足节能、环保和安全要求的汽车设计制造技术、高效洁净内燃机技术、汽车电子技术以及混合动力汽车相关技术。2011年中国汽车车桥制造行业共实现销售收入2389.98亿元，同比增长16.87%;实现工业总产值2277亿元，同比增长12.52%;利润总额为236.77亿元，同比增长26.13%。根据国际汽车制造商协会(OICA)的数据显示,2000年中国汽车产量仅为207万辆,位列世界第八;此后,中国汽车产量和排名逐年上升,2006年中国汽车产量首次进入世

12、界前三甲,成为仅次于日本和美国的世界第三大汽车生产国；2008年,中国汽车产量超越美国,成为世界第二大汽车生产国；2009年至2011年,我国汽车销量复合增长率为16.6%,2009年中国汽车产、销量分别达到1.379万辆和1.364万辆,同比增长48.3%和46.2%,产销量超越日本和美国成为世界第一汽车生产国及消费国。2012年我国汽车销量突破1,900万辆,2013年将近2,200万辆,成为我国增速较快和重要的消费市场之一。2014年111月，我国汽车产销分别为2143.05万辆和2107.91万辆，产销增幅较去年同期分别下降7.14和7.43个百分点，同比累计增长7.2%和6.1%。国

13、内汽车行业的发展趋势向低成本化、高端舒适化、主动安全、经济环保发展。国内汽车行业发展至今天，已经取得了很不错的成绩。在刚刚过去的2014年国内汽车总销量再创历史新高，达到2349.19万辆，同比增长6.86%，连续第六年蝉联世界第一。这其中乘用车的增长依旧成为汽车产业整体增长的主要力量，具体销量数据为1970.06万辆，同比增长9.89%。乘用车作为汽车市场的主要力量，它的发展显得尤为重要。在乘用车市场近几年不论高端品牌还是自主低端品牌车型，竞争都很激烈。主要体现在：1、 价格竞争，不管是高端豪华车还是低端便宜车，不同的品牌都在打价格战，这缘由现在的车主越来越重视性价比。2、 技术竞争，在汽车

14、技术发展到今天，事实上已经比较成熟了，不管是操控性还是可靠性，现在的车子都不会有太大的问题。现在用户更加注重汽车的舒适性，及安全性。近两年的一些明星车型都是在价格是比较亲民，且安全性及舒适性较好的车型。3、 油耗及排放，事实上经济性是车主用户关注的一大问题，排放问题就是上面困境里所提到的，人们总想用廉价的成本去享受汽车到来的乐其，所以近几年各大车企都在搞小排量的发动机，以及小型车型。比如福特的1.0T发动机，利用增压技术来同事保障动力性与经济性。环境压力所引发的问题，同时国家的政策对排放要求越来越严格，2020年要求车企的平均油耗降至5.9L/100公里。 当前世界汽车零部件工业大体分为四种类

15、型：1） 西欧：汽车零部件工业相当发达，超过汽车制造业而走在前面；2） 美国、加拿大：汽车零部件工业与汽车制造业力量基本相当，平起平坐； 3） 日本、韩国：汽车零部件制造业相当强大，但仍受主机厂制约；4） 中国、俄罗斯：汽车零部件制造业基本上依附或从属于汽车制造业，没有相对独立地位。 在未来几年内，尽管整车厂将陆续达到设计生产能力，但零部件产业的差距不会以同等速度赶上来，即还达不到国外汽车整零企业水平。1.3论文主要内容论文基于汽车车桥结构及原理，阐述了汽车前桥结构原理，设计出汽车前桥结构方案，并按照总体方案对各零部件的运动关系进行分析得出整体结构尺寸，最后通过有限元分析优化结构强度。本论文对

16、汽车前桥的设计具有重要的参考价值和实用意义。论文的主要研究内容如下：（1） 根据汽车车桥结构原理，设计前桥结构设计，确定关键部件截面尺寸。（2）通过经典力学方法对汽车车桥在不同工况下进行强度校核。（3）利用三维设计软件Pro/E对汽车前桥进行三维建模，为有限元分析做准备。（4）通过ANSYS有限元分析对汽车前桥进行结构强度分析及优化。2 汽车前桥的结构原理2.1前桥概述1）车桥的分类根据车桥上的车轮的作用，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，而以后桥或中，后两桥为驱动桥。2）前桥的定义及分类转向桥是利用车桥的转向节

17、使车轮可以偏转一定角度，以实现汽车的转向。它除承受垂直载荷外，还承受纵向力和侧向力及这些力造成的力矩。转向桥通常位于汽车前部，因此也常称为前桥。前桥分为整体式和断开式的前桥。我们要研究是整体式转向桥。3）前桥的组成各种类型的整体式转向桥结构基本相同，主要由前梁，转向节，转向主销组成。如图1-1所示1-制动鼓；2-轮毂；3、4-轮毂轴承；5-转向节；6-油封；7-衬套；8-调整垫片；9-转向节臂；10-主销；11-滚子推力轴承；12-前轴 图1-1 汽车前桥组成前桥即非驱动桥，又称从动车桥。它通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧安装着从动车轮，用以在车架(或承载式车身)与车轮之间传递铅垂力、

18、纵向力和横向力。前桥还要承受和传递制动力矩。2.2前桥的设计参数转向桥在保证汽车转向功能的同时，应使转向轮具有自动回正作用，以保证汽车稳定行驶。即当转向轮在遇外力作用发生偏转时，一旦作用的外力消失后，应能立即自动回到原来的直线行驶位置。这种自动回正作用是由转向轮的定位参数来保证的，也就是转向轮，主销和前轴之间的安装应具有一定的相对位置。转向轮的参数主要有主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角和前轮前束。1）主销后倾角设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内，其上部有向后的一个倾角，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，如图2.1所示主销后倾角能形成回正的稳定力矩。现代汽车由于轮胎气压降低弹性

19、增加，而引起稳定力矩增大。因此，角可以减小到接近零，甚至为负值。2）主销内倾角在设计转向桥主销在汽车的横向平面内，其上部向内倾斜一个角（即主销轴线与地面垂直在汽车横向平面内的夹角）称为主销内倾角，如图2.2所示，主销内倾角也有使车轮自动回正的作用，如图2.2所示。当转向轮在外力作用由中间位置偏转一个角度时，车轮的最低点将陷入路面以下。但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向轮连同整个汽车前部向上抬起一个适应的高度。这样，汽车本身的重力有使转向轮回到原来中间位置的效应。图2.3 主销内倾角作用示意图3）车轮外倾角前轮外倾角也具有定位作用，是通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面

20、垂线之间的夹角，如图2.2所示。为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，安装车轮时应预先车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。同时车轮有了外倾角也可以与拱形路面相适应，一般为1。4）车轮前束车轮有了外倾角后，在滚动时类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了消除轮胎外倾带来的这种不良的后果，在安装车轮的时候，使汽车两个车轮的中心面不平行，两轮前边缘距离B小于后边边缘A，A-B之差称为前轮前束，如图所示，一般前束的值为0-12mm.如图2.3所示。零前束即车轮指向正前方，这时轮胎的磨损最小。太

21、大的前束或后束将导致轮胎胎面花纹边缘羽状化的磨损。前束过大则磨损轮胎面外部花纹边缘，每排轮胎花纹内部边缘被羽状化；后束过大则会出现相反的轮胎花纹磨损效果。当汽车为后轮驱动时，前轮通常具有前束，而当汽车为前轮驱动时，前轮则后束，这是为了在汽车行驶过程中补偿转向杆系和转向轮的变化。当汽车行驶时，前束或后束减小（或消失），这是因为车轮在加速度的作用下要回位，同时转向杆系有轻微的弯曲。当一个转向机构的杆件长度不符合设计规范或安装角度不正确，就会使车轮前束发生变化，或者转向时出现抖动，随着悬挂系统的压缩和拉伸，杆件的外端会上下运动。如果杆件的长度和角度不正确，它就会推拉转向臂，把车轮转向另一个方向，当汽

22、车驶过一个突起或一个凹坑时，驾驶员会感觉到转向轮猛地转向另一边。图2.3 车轮前束3 汽车前桥的结构设计3.1前桥的结构设计3.1.1设计参数参考JY1061A型汽车总布置整车参数见表3.1。表3.1 汽车参数表汽车总质量Ga（N）前轴轴载质量G1（N）汽车之心到前轴中心线的距离（mm）汽车质心至后轴中民线距离L1（mm）轴距L（mm）汽车质心高度hg(mm)前钢板弹簧座中心距B(mm)58359207272133117533081060780主销中心距B(mm)前轮距B1(mm)车轮滚动半径rr(mm)主销内倾角主销后倾角前轮外倾角a前轮前束（mm）1415158448082.5121）前梁

23、的结构分析大量生产的前梁通常是中部凹下，断面呈工字型，如图3.1所示，模锻而成；批量小，为制造方便，采用焊接前梁，即两个拳形部分与一根无缝钢管焊接而成。前梁两端的两个拳部通过转向主销安装转向节，前轮通过滚动轴承安装在转向节的心轴上，前轮能在转向角的范围内围绕主销转动，制动鼓装在轮毂上，可随车轮一同旋转，制动器地板用螺栓固定在转向节上。前梁上还有安装钢板弹簧的钢板弹簧座，转向节上安装有转向梯形臂和转向节臂。图3.1 前梁工字型断面前梁的材料国内一般采用45号钢（需要进行质处理）。2）转向节的结构分析转向节包括埃利奥特曼式，反埃利奥特曼式，李蒙式，马蒙式。其中转向节一般采用埃利奥特曼式，即转向节制

24、成叉形，用主销联结在车桥上，推力轴承安装在前轴拳部下方，主销与转向节主销孔间装有衬套。其他三个很少在汽车上应用。3）主销的结构分析图3.2为几种常见的主销结构形式。其中a号主销（圆柱实心主销）比较常用，故采用这种形式的主销。图3.2主销的结构形式4）转向节推力轴承的结构分析转向节推力轴承承受作用在汽车前桥上的重力，一般包括推力球轴承，推力圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承等形式，也可以采用青铜止推垫片，在这里选取圆锥滚子轴承，如图所示图3.3圆锥滚子轴承3.1.2车轮定位参数选取1）主销后倾角主销后倾角的作用是为了保持汽车直线行驶时的稳定性，并且当汽车转向后使前轮具有自动回正作用。后倾角通常在3以内。

25、由于子午线轮胎拖距比较大，则需选用较大的后倾角，故选取为2.5。2）主销内倾角主销内倾的作用也是为了保证汽车直线行驶时的稳定性，并使转向轻便。主销内倾使主销轴线与路面的交点至车轮中心平面的距离即主销偏移距离减小，从而可减少转向时施加在转向盘的力，是转向器便，也可减少转向轮传到转向盘的冲击力。一般主销内倾角=5-8，主销偏移距为30-40mm.，但是有的时候偏移距出现负值，其目的是为了减少左右制动力不等而导致汽车制动时跑偏。轻型货车其转向力不是主要矛盾，因而可以选用较大的后倾角提高其自动回正作用，故取83）车轮外倾角一般车轮外倾角=0.5-1.5。由于外倾角的存在使轮胎接地点向内缩，减小了主销偏

26、移距，从而改善了制动时的方向稳定性及转向轻便性。故取1。4）前束前束的作用是为了消除汽车在行驶中因车轮外倾而使车轮前端向外张开的不利影响，因此，在车轮安装时，使左右车轮的中心平面不平行。前束（B-A）一般取3-5mm，但是考虑到转向梯形中的弹性与间隙，故取2mm。3.2从动桥主要零件尺寸确定 转向从动桥前梁一般采用工字形断面，可保证其质量，但是在垂直平面内刚度大，强度高。为了避免跳动过程中与发动机发生碰撞，前梁中部要向下弯曲，但是中部最低处距地面高度不可太小，以免影响汽车通过性，一般轻型货车不小于160mm，这里我们取180mm。前梁的材料选取45号钢，并经过调质处理，硬度为HB241-285

27、前梁工字形断面尺寸的推荐值，见图3.4，图中虚线会出的是其当量断面。图3.4 前梁工字形断面尺寸关系推荐值该断面的弯曲截面系数为： （3-1） (3-2)式中:工字形断面中部尺寸，； 垂直弯曲截面系数，； 水平弯曲截面系数，；设计中取a=20mm,代入式子（3-1)和(3-2)中得：在设计中为了预选在板簧座处的弯曲截面系数，可采用经验公式计算： （3-3）式中：作用在前梁上的质量，； 车轮中线至板簧座中心线的距离，；将数代入式子（3-3）中得：前梁拳部的高度约等于工字形断面的高度，约为72mm。转向主销的直径可取为拳部高度的0.35-0.45倍，即D主销=720.45=32mm，主销的长度按

28、直径的6倍设计，L主销=6D主销=632=192mm。主销上下滑动轴套（即嵌入转向节上下孔中的衬套）的长度则取为主销直径的1.25-1.50倍，即L衬套=1.2532=48mm。主销材料主要选用Cr钢制造，经过处理后，使其渗碳层深1.0-1.5mm，硬度HRC56-62。3.3前桥的前梁强度计算汽车前梁的强度计算是以施加在前梁的静载荷为基础的，并考虑到汽车在行驶时受到来至路面的冲击对前梁带来的附加垂直载荷（动载荷），制动时转移到前梁的载荷，以及汽车转弯时在离心力的作用下造成的汽车侧滑而产生的载荷等因素。因而，对前梁的弯曲和扭转强度都要进行计算。3.3.1垂直载荷工况下的应力计算垂直载荷工况下的

29、前梁弯矩分布，如图3.5所示， 图3.5垂直载荷工况下前梁的弯矩分布此时作用在前梁上的最大静弯矩为： （3-4）式中：静载荷作用下的最大弯矩，； 前梁上的静载荷，； 前轮轮距，； 前梁两板簧座之间的距离，； 将数值代入式（3-4）中得：在静载荷的作用下，前梁的最大弯曲应力发生在两板簧座之间，其值为： （3-5） 式中：前梁的垂直弯曲截面系数，将数值代入式（3-5）中得：汽车行驶过程中，前梁还受到来至地面的冲击力，因此在进行前梁的强度计算时还要考虑一个动载系数。前梁的动载系数随汽车底盘和轮胎的刚度不同而异。考虑了前梁动载荷后的最大应力： （3-6）式中：动载荷系数，对货车取2.5。将数值代入式（

30、3-6）中得：3.3.2制动工况下前梁的应力计算前梁制动时，由于载荷向前桥转移，前梁所受的垂直载荷会增加，另外在制动时，前梁还要承受转矩和水平弯矩的作用。制动时，车轮在路面滑行时汽车受力情况如图3.6所示，图3.6制动时汽车受力简图此时前梁所受的载荷为： （3-7）式中：轴距，； 汽车质心至后轴的距离，； 汽车质心至地面的高度，； 路面的附着系数。一般取=0.6-0.8； 汽车总重，。将数值代入式（3-7）中得：作用在车轮上的制动力为: 图3.7 转向从动桥在制动和侧滑工况下的受力简图由于制动力和载荷力对前梁引起的垂直弯矩和水平弯矩在两弹簧座之间达到最大值，分别是： （3-8） （3-9）式中

31、前轮轮距，mm; 前轮两钢板弹簧中心之间的距离，mm； 将数值代入式（3-8）（3-9）中得：制动力是前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转距T, (3-10)式中：轮胎的滚动半径，mm；将数值代入式（3-10）中得： 前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力和扭转应力 （3.11） (3-12) 式中：前梁在危险断面出的扭转截面系数，； 前梁横断面的最大厚度，； 前梁横断面的极惯性距，；对工字形断面： （3-13）将数值代入式(3-11）(3-12)(3-13)中得：当前梁在钢板弹簧座附近的危险断面为圆管断面时（无缝钢管组焊式前梁），则在该断面处的合成弯矩及合成弯曲应力与驱动桥壳的计算相同。

32、前梁应力的许用值。3.3.3侧滑工况下前梁的应力计算汽车转向行驶时，车轮还要承受由此产生的侧向力，当发生侧滑时，侧向力达到最大值，最大侧向力发生在外前轮上，其值按下式计算：当汽车承受最大侧向力时无纵向力作用且当汽车向右转弯时，左右前轮承受的地面垂直反力Z1L和Z1R和侧向反力Y1L和Y1R各不相等，前轮的地面反力为： 式中：汽车停在水平路面上的前轴轴荷，N； 汽车质心高度，mm; 汽车前轮距，mm; 侧滑附着系数，取=1；将数值代入式（3-14）得：侧滑时左右钢板弹簧对前梁的垂直作用力为： (3-15) （3-16）式中：汽车满载时前轴的轴荷，N； 板簧座上表面离地面高度，mm; 两板簧座中心

33、距离，mm;将数值代入式（3-15）（3-16）中得： 汽车侧滑时，左右前轮轮毂内外轴承的径向支持力分别为： (3-17)将数值代入式（3-17）中得： 将Z1L Z1R Y1L Y1R代入代入式（3-17）中，即可得左右前轮轮毂内轴承对轮毂的径向支撑力S1L S1R和外轴承对轮毂的径向支撑力S2L S2R,这样也就求出轮毂轴承对轮轴的径向支撑反力。根据这些力及前梁在板簧座处的垂直力T1L T1R,可绘出前梁与轮轴在汽车侧滑时的垂直受力弯矩图，前梁的最大弯矩出现在侧滑方向一侧拳部的主销孔处；而另一侧在板簧座处，可由下列直接求出 （3-18） （3-19）将数值代入式（3-18）（3-19）中得

34、 在汽车转向行驶并且发生侧滑时，外前轮主销所承受的载荷及主销衬套的压力为最大，这种工况是主销强度校核的主要工况。汽车转向行驶时，外前轮主销受力最大，侧滑时车轮要承受垂直载荷Gf0和有路面产生的水平载荷Gf0的共同作用。设这些载荷对转向主销上下衬套所产生的力分别为S1,S2,这两个力分别作用在两个衬套中点处，S1,S2分别为： （3-20） （3-21）主销衬套受到的挤压力为： (3-22) （3-23）式中：主销上衬套挤压力，pa;主销下衬套挤压力，pa; 主销上衬套长度，mm; 主销下衬套长度，mm； 主销轴径，mm；将数值代入式（3-20）(3-21)（3-22）（3-23）得：主销下端

35、所受的弯曲应力为： （3-24） 将数值代入式（3-24）中得：主销下端所受的剪切应力为： （3-25）将数值代入式（3-25）中得： 衬套许用挤压应力 j=50Mpa。主销许用弯曲应力=500 Mpa。许用剪切应力=100 Mpa。转向节是从动桥最重要的零件，其最大应力往往发生在侧滑工况下，最大应力部位在转向节轴径根部。3.4前桥的转向节强度校核3.4.1制动工况下的强度计算A-A剖面处的轴径仅受垂直弯矩Mv和水平弯矩Mh而不受转矩，因制动力矩不经转向节的轮轴传递而直接由制动底盘传给在转向节上的安装平面，这时之前的式子计算其MV和Mh,但需要l3代替式中的l2。根径剖面处的弯曲应力为 （3-

36、26）式中：转向节根部直径，mm;将数值代入式（3-26）中得： 上述的许用弯曲应力=550Mpa，故满足要求。转向节采用30Cr中碳合金钢制成，心部硬度达到HB241-285，高频淬火后表面硬度达到HRC57-65，硬化层深1.5-2.0mm，轮轴根部的圆角滚压而成。3.4.2侧滑工况下的强度计算在汽车发生侧滑时，左右转向节在危险断面处的弯矩不等，可按下列式计算： (3-27) （3-28） 将数值代入式(3-27) （3-28）中得：左右转向节在危险断面处的弯曲应力为 (3-29) （3-30） 将数值代入式(3-29) （3-30）得：故满足强度设计要求。4 汽车前桥有限元分析4.1三维

37、模型的建立Pro/E设计软件是美国参数技术公司PTC的重要产品，在三维造型软件领域中有着龙头地位，主要功能主要包括零件设计、图面布置、特征定义、二维绘图、绘图符号库、机械设计、板金设计、曲面实体设计、装配设计、模架数据库、三维实体造型，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。这一软件系列构成了机械CAD的基础，是建立在统一基层上的数据库上，可直接计算几何体的面积和体积、惯性矩、重量、重心，对物体之间的干涉体积、惯量、体积特性、面积特性都很容易计算出来，参数化使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。应用PRO/E软件夹具几何特征的建模，三维实体模型建好后，按产品的实际装

38、配步骤对所建的实体模型进行虚拟装配。装配件可以用于观察零件装配情况，检查零件干涉。图4.1车桥模型4.2有限元模型的建立前轴是汽车前桥的最重要元件之一，其强度是否可靠直接决定整车的安全性。以华菱卡车前桥为研究对象，运用有限元软件ANSYS对其进行受力及变形分析,通过在Proe软件建立前轴的三维模型，通用化接口将数据导人ANSYS进行预处理，选用Solid 95单元。材料为12MN2VB，得出越过不平路面，制动及侧滑三种工况下的受力及变形云图。根据汽车设计手册，对前轴的受力按照3种工况进行分析计算，即:静止，侧滑工况和超越不平路面工况。由参考文献可知，前轴的基本受力情况有3种:车轮受垂直力，车轮

39、受侧向力和车轮受纵向力。根据车辆行驶过程中受力分析可得：静止工况为垂直力单独作用；紧急制动工况为垂直力和纵向力共同作用的组合工况；侧滑工况为垂直力和侧向力的组合工况；越过不平路面工况即为垂直力单独作用的工况。1） 网格划分在Ansys软件中有很多材料库，采用六面体单元对其划分网格，单元数21068，节点数86308，网格大小2mm。图4.2网格划分2） 边界约束条件约束空内部，在车桥车梁上加载，边界条件如图4.3所示。图4.3 约束对话框4.3有限元结果分析4.3.1静止工况下的分析图4.4 静载荷的等效应力图图4.5静载荷的位移图可以看出在静止状态下，车桥最大变形在车桥中部，最大位移为0.7

40、09mm；应力最大分布在车桥转角处，最大值为287Mpa。4.3.2不平道路冲击工况下的分析图4.6冲击载荷等效应力图图4.7冲击载荷工况位移图可以看出在不平道路行驶时，车桥最大变形在车桥中部，最大位移为1.772mm；应力最大分布在车桥转角处，最大值为639Mpa。4.3.3侧滑工况下的分析图4.8侧滑时等效应力图图4.9侧滑时位移图可以看出在汽车侧滑时，车桥最大变形在车桥中部，最大位移为1.59mm；应力最大分布在车桥转角处，最大值为563Mpa。 通过以上工况可知，在动载荷时候的应力和变形是最大的。之所以比制动，侧滑等工况下大，是因为在动载工况下，它的动载系数为2.5比制动和侧滑时取的轴

41、荷转移系数大，因此动载情况下最大。通过有限元分析可知，本设计前桥满足设计要求。5 结论与展望论文基于汽车车桥结构及原理，阐述了汽车前桥结构原理，设计出汽车前桥结构方案，并按照总体方案对各零部件的运动关系进行分析得出整体结构尺寸，最后通过有限元方法, 分析了汽车前桥在不同工况下对应的应力和变形,为车桥强度评价及疲劳寿命估算提供了所需数据,有限元方法的利用,可以降低设计开发成本、缩短设计开发周期、提高产品质量，使得挖掘机在轻量化、抗振性、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非常重要的指导作用和实际意义。论文的主要研究：1）根据汽车车桥结构原理，设计前桥结构设计，确定关键部件截面尺寸。2）通过

42、经典力学方法对汽车车桥在不同工况下进行强度校核。3）利用三维设计软件Pro/E对汽车前桥进行三维建模，为有限元分析做准备。4）对整车模型进行动力学仿真，得到前桥在危险工况下的受力，对其进行了结构强度分析，分析结果显示的疲劳破坏危险区域与常见桥壳发生开裂的位置一致。5）利用CAE软件进行分析计算，找出了车桥存在缺陷的原因，并提出了改进的措施，改变了以往反复利用台架试验来验证改进结果耗费大量人力物力的缺点，具有实际意义。本论文同样存在一些缺点：1） 在约束方面，为模拟实际试验过程，选取弹簧座中心部分节点为受力点，施加分布载荷；对于静力学分析的最大铅垂力和最大切向力两种工况, 约束加在每侧车轮中线附近, 模拟两端简支支承。最大侧向力工况时, 约束加在侧翻一侧的车轮中线附近,支承为固定支承，支点为轮距相应点，左处支点处约束相应节点的X、Y、Z 向移动自由度，右处支点处约束相应节点的Y、Z 向的移动自由度。上述的约束处理会使安装轮毂轴承附近的应力与实际情况有差别,会不会影响车桥其它部位的应力分布有待考证；2） 关于车桥在钢板弹簧座附近的危硷断面的形状主要由桥壳的结构型式和制造工艺来定。对于铸造整体式，由于采用了铸造工艺，所以可将弹簧座附近的断面设置成垂向抗弯强度较好的