CN107199829B - 一种汽车前桥前轴结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车前桥前轴结构，包括前轴本体，在前轴本体的两端各设置有一个主销孔；在前轴本体上设置有两个板簧托座；前轴本体依次由端部前轴本体、托座前轴本体及中部前轴本体组成；端部前轴本体包括端部上翼板、端部腹板及端部下翼板；托座前轴本体包括托座上翼板、托座腹板及托座下翼板；中部前轴本体包括中部上翼板、中部腹板及中部下翼板；在中部腹板上设置有三个腹板孔。本技术方案的前桥前轴结构，在两个板簧托座之间结构以及中部相对两端的几何尺寸关系，在中部增加腹板孔，增大上翼板和下翼板的宽度，从而增加前轴的强度；减小前轴的刚度，提高前轴的柔性；减小前轴的质量，实现轻量化。

Description

一种汽车前桥前轴结构

技术领域

本发明属于汽车前桥技术领域，特别是指一种汽车前桥前轴结构。

背景技术

前轴是汽车前桥极其重要的承载部件，现有技术的前轴除两端外横截面为工字形，所以前轴又叫工字梁，由于两端要通过主销安装转向节，所以在两端各有一个主销孔，另外，在前轴的中部还有两处安装板簧的板簧托座。

由于承受很大负荷，材料一般都是特殊钢，通过锻模锻压而成，具有很高的强度和刚性，前轴的几何尺寸、精度和强度等对整车的安全性、可靠性以及整车性能影响很大。

现有技术的前轴如图1至图5所示，包括有主销孔01和板簧插座02，中部截面由上翼板03、腹板04及下翼板05组成。

现有技术的工字形的前轴已经使用了数十年，其结构一直没有较大的变化，现使用的前轴质量大、柔性差、刚度大而强度不足等问题越来越明显，随着轻量化、舒适性和安全性的要求越来越高，就必须进行前桥前轴的优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车前桥前轴结构，以解决现有技术的前桥前轴的质量较大、柔性差及刚度大而强度不足的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种汽车前桥前轴结构，包括前轴本体，在前轴本体的两端各设置有一个主销孔；在所述前轴本体上设置有两个板簧托座；

所述前轴本体依次由第一端部前轴本体、第一托座前轴本体、中部前轴本体、第二托座前轴本体及第二端部前轴本体连接为一体结构；

所述第一端部前轴本体与所述第二端部前轴本体的结构相同且相对中面对称，所述第一托座前轴本体与所述第二托座前轴本体相对中面对称；

所述第一端部前轴本体的截面为工字形，包括端部上翼板、端部腹板及端部下翼板；

所述第一托座前轴本体的截面为工字形，包括托座上翼板、托座腹板及托座下翼板；

所述中部前轴本体的截面为工字形，包括中部上翼板、中部腹板及中部下翼板；

在所述中部腹板上设置有三个腹板孔；三个所述腹板孔均为长方形，且均位于两个所述板簧托座之间；位于中间的所述腹板的长度与位于两侧的所述腹板孔的长度不相同。

所述主销孔为圆柱孔，在所述主销孔的两端部设置有倒角，在所述主销孔的侧壁上设置有一个中心线垂直所述主销孔的固定孔；

在所述主销孔的侧壁上设置有一个限位凸台，用于转向限位。

所述中部前轴本体中只受到弯矩M的作用，所述中部上翼板的截面的正应力、所述中部腹板的截面的正应力及所述中部下翼板的截面的正应力均由下列公式求得：

I_e＝ΣI_G+Σa_i ²A_i (3)；

其中，σ：前轴中部截面某点的正应力；M：弯矩；Z：截面系数；I_G：各区域截面通过自身的形心的惯性矩；I_e：前轴中部截面相对前轴中部截面的形心的惯性矩；A_i：各区域截面的面积；a_i：各区域截面的形心到前轴中部截面的形心的距离；e：前轴中部截面某点到前轴中部截面的形心的距离；

根据公式(1)、(2)、(3)可知，所述中部上翼板的最高处压应力最大，所述中部下翼板的最下处拉应力最大，距离所述中部上翼板和所述中部下翼板的中点位置应力为0。

所述端部上翼板的宽度与所述端部下翼板的宽度相等且大于所述端部腹板的宽度。

所述中部上翼板的宽度大于或等于所述中部下翼板的宽度。

三个所述腹板孔的长度之和为两个所述定位孔之间长度的二分之一；所述腹板孔的四周导圆角。

所述腹板孔的四个导圆角分别为第一圆角、第二圆角、第三圆角及第四圆角；所述第一圆角和所述第三圆角与所述中部上翼板相邻；所述第二圆角与所述第四圆角与所述中部下翼板相邻；

所述第一圆角的半径大于所述第二圆角的半径，所述第三圆角的半径大于所述第四圆角的半径。

所述托座上翼板的宽度大于所述托座下翼板的宽度，所述托座下翼板的宽度大于所述托座腹板的宽度。

所述托座上翼板的宽度、所述中部上翼板的宽度及所述端部上翼板的宽度依次减小；

所述端部腹板的宽度、所述托座腹板的宽度及所述中部腹板的宽度依次减小。

两个所述主销孔中点连接所在的平面为所述前轴本体的对称平面；

所述中部上翼板、所述中部下翼板、所述托座上翼板及所述托座下翼板与所述对称平面的夹角均为82°～85°；

所述端部上翼板与所述端部下翼板与所述对称平面的夹角均为80°。

本发明的有益效果是：

本技术方案的前桥前轴结构，在两个板簧托座之间结构以及中部相对两端的几何尺寸关系，在中部增加腹板孔，增大上翼板和下翼板的宽度，从而增加前轴的强度；减小前轴的刚度，提高前轴的柔性；减小前轴的质量，实现轻量化。

通过CAE分析和台架试验对比，前轴的强度较现有技术的前轴强度提高15％左右，保证了车辆行驶的安全性；前轴的整体刚度较现有前轴的刚度减小12％左右，提高了前轴的柔性，提高车辆行驶的平顺性，并且质量减少3％左右。

附图说明

图1为现有技术前轴的结构示意图；

图2为现有技术前轴的俯视图；

图3为图1的A-A剖视图；

图4为图1的B-B剖视图；

图5为图1的C-C剖视图；

图6为本发明前轴的结构示意图；

图7为图6的部分正视图；

图8为图7的俯视图；

图9为图7的仰视图；

图10为图7的D-D剖视图；

图11为图7的E-E剖视图；

图12为图7的F-F剖视图；

图13为图7的G-G剖视图；

图14为本发明前轴的受力示意图；

图15为主销孔与板簧托座之间的受力示意图。

附图标记说明

01主销孔，02板簧托座，03上翼板，04腹板，05下翼板，1前轴本体，10主销孔，20第一端部前轴本体，30第一托座前轴本体，40中部前轴本体，50第二托座前轴本体，60第二端部前轴本体，70腹板孔，101固定孔，102限位凸台，201端部上翼板，202端部腹板，203端部下翼板，301U型螺栓过孔，302定位孔，303托座下翼板，304托座腹板，305托座上翼板，401中部上翼板，402中部腹板，403中部下翼板。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

本申请提供一种汽车前桥前轴结构，如图6至图13所示，包括前轴本体1，在前轴本体的两端各设置有一个主销孔10；在前轴本体上设置有两个板簧托座。

两个主销孔10均为圆柱孔，在主销孔的两端部设置有倒角，用于安装主销，转向节安装在主销上，在主销孔的侧壁上设置有一个中心线垂直主销孔的固定孔101，固定孔101用于固定主销。

在主销孔10的侧壁上设置有一个限位凸台102，用于转向限位，限位凸台通常设置于前轴的前侧或后侧的主销孔所在的侧壁上。

前轴本体1依次由第一端部前轴本体20、第一托座前轴本体30、中部前轴本体40、第二托座前轴本体50及第二端部前轴本体60连接为一体结构。

第一端部前轴本体与第二端部前轴本体的结构相同且相对中面对称，第一托座前轴本体与第二托座前轴本体的结构相同且相对中面对称；在本申请中，中面是指沿车辆的轴向中线且过前轴的中点的平面，该中面将前轴分为相同的左右两部分。

因此，在本申请中，仅描述第一端部前轴本体、第一托座前轴本体及中部前轴本体，对于第二端部前轴本体及第二托座前轴本体的结构不进行描述。

第一端部前轴本体20的截面为工字形，包括端部上翼板201、端部腹板202及端部下翼板203；其宽度分别为c₁、c₂、c₃,端部上翼板的宽度与端部下翼板的宽度相等且大于端部腹板的宽度。

两个板簧托座的结构相同，均为平面结构，用于固定板簧，在每个板簧托座上均设置有四个U型螺栓过孔301及一个定位孔302。第一托座前轴本体30的截面为工字形，包括托座上翼板305、托座腹板304及托座下翼板303，其宽度分别为a₁、a₂、a₃。由于要避免与U型螺栓干涉，托座下翼板的宽度较小，与托座上的宽度相差较大。

托座上翼板的宽度大于托座下翼板的宽度，托座下翼板的宽度大于托座腹板的宽度。

中部前轴本体40的截面为工字形，包括中部上翼板401、中部腹板402及中部下翼板403，其宽度分别为b₁、b₂、b₃；中部上翼板的宽度大于或等于中部下翼板的宽度。

在中部腹板上设置有三个腹板孔70；腹板孔为长方形，位于中间的所述腹板的长度与位于两侧的所述腹板孔的长度不相同，三个腹板孔的长度为两个定位孔之间长度的二分之一；腹板孔的四周导圆角。

腹板孔的四个导圆角分别为第一圆角r₁、第二圆角r₂、第三圆角r₃及第四圆角r₄；第一圆角和第三圆角与中部上翼板相邻；第二圆角与第四圆角与中部下翼板相邻。

第一圆角的半径大于第二圆角的半径，第三圆角的半径大于第四圆角的半径。

通过腹板孔结构，减小前轴中部质量，提高前轴中部的柔性。

为了提高前轴中部强度，增大中部上翼板的宽度和中部下翼板的宽度。托座上翼板的宽度、中部上翼板的宽度及端部上翼板的宽度依次减小。

端部腹板的宽度、托座腹板的宽度及中部腹板的宽度依次减小。

两个主销孔中点连接所在的平面为前轴本体的对称平面，此对称平面为分模面。

中部上翼板、中部下翼板、托座上翼板及托座下翼板与对称平面的夹角均为82°～85°，即中部上翼板、中部下翼板、托座上翼板及托座下翼板的拨模斜度为5°～8°。

端部上翼板与端部下翼板与对称平面的夹角均为80°左右，即拨模斜度为10°左右，结构确定后采用模锻、辊锻等工艺完成本发明的制造。

工作原理

在车辆行驶过程中，车轮受到向上的力通过转向节和主销作用在前轴的主销孔上，车身的重力通过板簧作用在前轴上的板簧托座上，这两个力大小相等，方向相反。

前轴在长度方向左右对称，可把前轴简化成简支梁结构，其中从主销孔到板簧托座的距离为l₁，两个板簧托座之间的距离的一半为l₂，前轴受到的弯矩为M，如图7、图14所示。

根据材料力学原理，前轴在主销孔与板簧托座之间受到的作用力为F，从主销孔到板簧托座之间受到弯矩M从0增加到Fl₁，如图15所示。

两个板簧托座之间受到的作用力为0，受到弯矩M＝Fl₁，如图15所示，由此可见前轴断裂是由弯矩M造成的，且在此区域弯矩大小相同，当车辆载荷和行驶道路确定后，弯矩的大小就确定了，因此前轴在两个板簧托座之间的强度主要由横梁的结构形状决定的，要改善前轴的强度和性能，就必须优化此区域的结构和相对两端的几何关系。

前轴中部在力和力矩的作用下产生弯曲应力，弯曲应力包括正应力和剪应力，由于中部受力为0，所以中部基本上只产生正应力，正应力包括拉应力和压应力，前轴上面产生压应力作用，下面产生拉应力。将前轴中部截面分为中部上翼板的截面、中部腹板的截面、中部下腹板的截面三个区域截面，正应力由下列公式求得：

l_e＝∑I_G+∑a_i ²A_i (3)

其中，σ：前轴中部截面某点的正应力；M：弯矩；Z：截面系数；I_G：各区域截面通过自身的形心的惯性矩；I_e：前轴中部截面相对前轴中部截面的形心的惯性矩；A_i：各区域截面的面积；a_i：各区域截面的形心到前轴中部截面的形心的距离；e：前轴中部截面某点到前轴中部截面的形心的距离。

根据公式(1)可知，当车辆载荷一定时，中部的弯矩就不变M，所以中部的应力取决于截面系数Z。

根据公式(3)可知，由于中部腹板的截面的形心与前轴中部截面的形心的几乎重合，即距离a_i≈0，对整个前轴中部的正应力的影响相对很小，同时，根据公式(2)可知，任何一点的e很小，Z就很大，所以中部腹板的正应力也很小。相反，中部上翼板的截面或中部下翼板的截面到前轴中部截面的形心的距离a_i比较大，对整个前轴中部的正应力的影响相对很大，同时由于e很大，Z就很小，所以中部上翼板的截面或中部下翼板的正应力也很大，最大压应力在最上面、最大拉应力在最下面，距离所述中部上翼板和所述中部下翼板的中点位置应力为0。

因此，在中部腹板设置腹板孔，对前轴中部正应力影响很小，并减小前轴中部的刚度，而增加中部上翼板的截面或中部下翼板的宽度可大幅减小正应力，提高前轴的强度，并减轻重量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (8)

1.一种汽车前桥前轴结构，其特征在于：包括前轴本体，在前轴本体的两端各设置有一个主销孔；在所述前轴本体上设置有两个板簧托座；

所述前轴本体依次由第一端部前轴本体、第一托座前轴本体、中部前轴本体、第二托座前轴本体及第二端部前轴本体连接为一体结构；

所述第一端部前轴本体与所述第二端部前轴本体的结构相同且相对中面对称，所述第一托座前轴本体与所述第二托座前轴本体相对中面对称；

所述第一端部前轴本体的截面为工字形，包括端部上翼板、端部腹板及端部下翼板；所述端部上翼板的宽度与所述端部下翼板的宽度相等且大于所述端部腹板的宽度；

所述第一托座前轴本体的截面为工字形，包括托座上翼板、托座腹板及托座下翼板；

所述中部前轴本体的截面为工字形，包括中部上翼板、中部腹板及中部下翼板；

在所述中部腹板上设置有三个腹板孔；三个所述腹板孔均为长方形，且均位于两个所述板簧托座之间；位于中间的所述腹板孔的长度与位于两侧的所述腹板孔的长度不相同；

两个所述主销孔中点连接所在的平面为所述前轴本体的对称平面；

所述中部上翼板、所述中部下翼板、所述托座上翼板及所述托座下翼板与所述对称平面的夹角均为82°～85°；

所述端部上翼板与所述端部下翼板与所述对称平面的夹角均为80°。

2.根据权利要求1所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：所述主销孔为圆柱孔，在所述主销孔的两端部设置有倒角，在所述主销孔的侧壁上设置有一个中心线垂直所述主销孔的固定孔；

在所述主销孔的侧壁上设置有一个限位凸台，用于转向限位。

3.根据权利要求1所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：所述中部前轴本体中只受到弯矩M的作用，所述中部上翼板的截面的正应力、所述中部腹板的截面的正应力及所述中部下翼板的截面的正应力均由下列公式求得：

I_e＝∑I_G+∑a_i ²A_i (3)；

其中，σ：前轴中部截面某点的正应力；M：弯矩；Z：截面系数；I_G：各区域截面通过自身的形心的惯性矩；I_e：前轴中部截面相对前轴中部截面的形心的惯性矩；A_i：各区域截面的面积；a_i：各区域截面的形心到前轴中部截面的形心的距离；e：前轴中部截面某点到前轴中部截面的形心的距离；

根据公式(1)、(2)、(3)可知，所述中部上翼板的最高处压应力最大，所述中部下翼板的最下处拉应力最大，距离所述中部上翼板和所述中部下翼板的中点位置应力为0。

4.根据权利要求1或3所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：所述中部上翼板的宽度大于或等于所述中部下翼板的宽度。

5.根据权利要求1或3所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：三个所述腹板孔的长度之和为两个定位孔之间长度的二分之一；所述腹板孔的四周导圆角。

6.根据权利要求5所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：所述腹板孔的四个导圆角分别为第一圆角、第二圆角、第三圆角及第四圆角；所述第一圆角和所述第三圆角与所述中部上翼板相邻；所述第二圆角与所述第四圆角与所述中部下翼板相邻；

所述第一圆角的半径大于所述第二圆角的半径，所述第三圆角的半径大于所述第四圆角的半径。

7.根据权利要求4所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：所述托座上翼板的宽度大于所述托座下翼板的宽度，所述托座下翼板的宽度大于所述托座腹板的宽度。

8.根据权利要求7所述的汽车前桥前轴结构，其特征在于：所述托座上翼板的宽度、所述中部上翼板的宽度及所述端部上翼板的宽度依次减小；

所述端部腹板的宽度、所述托座腹板的宽度及所述中部腹板的宽度依次减小。