本發(fā)明屬于汽車前橋技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種汽車前橋前軸結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

前軸是汽車前橋極其重要的承載部件，現(xiàn)有技術(shù)的前軸除兩端外橫截面為工字形，所以前軸又叫工字梁，由于兩端要通過主銷安裝轉(zhuǎn)向節(jié)，所以在兩端各有一個主銷孔，另外，在前軸的中部還有兩處安裝板簧的板簧托座。

由于承受很大負(fù)荷，材料一般都是特殊鋼，通過鍛模鍛壓而成，具有很高的強(qiáng)度和剛性，前軸的幾何尺寸、精度和強(qiáng)度等對整車的安全性、可靠性以及整車性能影響很大。

現(xiàn)有技術(shù)的前軸如圖1至圖5所示，包括有主銷孔01和板簧托座02，中部截面由上翼板03、腹板04及下翼板05組成。

現(xiàn)有技術(shù)的工字形的前軸已經(jīng)使用了數(shù)十年，其結(jié)構(gòu)一直沒有較大的變化，現(xiàn)使用的前軸質(zhì)量大、柔性差、剛度大而強(qiáng)度不足等問題越來越明顯，隨著輕量化、舒適性和安全性的要求越來越高，就必須進(jìn)行前橋前軸的優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種汽車前橋前軸結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)的前橋前軸的質(zhì)量較大、柔性差及剛度大而強(qiáng)度不足的問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種汽車前橋前軸結(jié)構(gòu)，包括前軸本體，在前軸本體的兩端各設(shè)置有一個主銷孔；在所述前軸本體上設(shè)置有兩個板簧托座；

所述前軸本體依次由第一端部前軸本體、第一托座前軸本體、中部前軸本體、第二托座前軸本體及第二端部前軸本體連接為一體結(jié)構(gòu)；

所述第一端部前軸本體與所述第二端部前軸本體的結(jié)構(gòu)相同且相對中面對稱，所述第一托座前軸本體與所述第二托座前軸本體相對中面對稱；

所述第一端部前軸本體的截面為工字形，包括端部上翼板、端部腹板及端部下翼板；

所述第一托座前軸本體的截面為工字形，包括托座上翼板、托座腹板及托座下翼板；

所述中部前軸本體的截面為工字形，包括中部上翼板、中部腹板及中部下翼板；

在所述中部腹板上設(shè)置有兩個腹板孔。

所述主銷孔為圓柱孔，在所述主銷孔的兩端部設(shè)置有倒角，在所述主銷孔的側(cè)壁上設(shè)置有一個中心線垂直所述主銷孔的固定孔；

在所述主銷孔的側(cè)壁上設(shè)置有一個限位凸臺，用于轉(zhuǎn)向限位。

所述中部前軸本體中只受到彎矩m的作用，所述中部上翼板的截面的正應(yīng)力、所述中部腹板的截面的正應(yīng)力及所述中部下翼板的截面的正應(yīng)力均由下列公式求得：

ie＝∑ig+∑ai²ai(3)；

其中，σ：前軸中部截面某點(diǎn)的正應(yīng)力；m：彎矩；z：截面系數(shù)；ig：各區(qū)域截面通過自身的形心的慣性矩；ie：前軸中部截面相對前軸中部截面的形心的慣性矩；ai：各區(qū)域截面的面積；ai：各區(qū)域截面的形心到前軸中部截面的形心的距離；e：前軸中部截面某點(diǎn)到前軸中部截面的形心的距離；

根據(jù)公式(1)、(2)、(3)可知，所述中部上翼板的最高處壓應(yīng)力最大，所述中部下翼板的最下處拉應(yīng)力最大，距離所述中部上翼板和所述中部下翼板的中點(diǎn)位置應(yīng)力為0。

所述端部上翼板的寬度與所述端部下翼板的寬度相等且大于所述端部腹板的寬度。

所述中部上翼板的寬度大于或等于所述中部下翼板的寬度。

所述腹板孔為長方形，所述腹板孔的長度為兩個所述定位孔之間長度的四分之一；所述腹板孔的四周導(dǎo)圓角。

所述腹板孔的四個導(dǎo)圓角分別為第一圓角、第二圓角、第三圓角及第四圓角；所述第一圓角和所述第三圓角與所述中部上翼板相鄰；所述第二圓角與所述第四圓角與所述中部下翼板相鄰；

所述第一圓角的半徑大于所述第二圓角的半徑，所述第三圓角的半徑大于所述第四圓角的半徑。

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

所述托座上翼板的寬度、所述中部上翼板的寬度及所述端部上翼板的寬度依次減小；

所述端部腹板的寬度、所述托座腹板的寬度及所述中部腹板的寬度依次減小。

兩個所述主銷孔中點(diǎn)連接所在的平面為所述前軸本體的對稱平面；

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與所述對稱平面的夾角均為82°～85°；

所述端部上翼板與所述端部下翼板與所述對稱平面的夾角均為80°。

本發(fā)明的有益效果是：

本技術(shù)方案的前橋前軸結(jié)構(gòu)，在兩個板簧托座之間結(jié)構(gòu)以及中部相對兩端的幾何尺寸關(guān)系，在中部增加腹板孔，增大上翼板和下翼板的寬度，從而增加前軸的強(qiáng)度；減小前軸的剛度，提高前軸的柔性；減小前軸的質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化。

通過cae分析和臺架試驗對比，前軸的強(qiáng)度較現(xiàn)有技術(shù)的前軸強(qiáng)度提高15％左右，保證了車輛行駛的安全性；前軸的整體剛度較現(xiàn)有前軸的剛度減小12％左右，提高了前軸的柔性，提高車輛行駛的平順性，并且質(zhì)量減少3％左右。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)前軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)前軸的俯視圖；

圖3為圖1的a-a剖視圖；

圖4為圖1的b-b剖視圖；

圖5為圖1的c-c剖視圖；

圖6為本發(fā)明前軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為圖6的中面左側(cè)半部的正視圖；

圖8為圖7的俯視圖；

圖9為圖7的仰視圖；

圖10為圖7的d-d剖視圖；

圖11為圖7的e-e剖視圖；

圖12為圖7的f-f剖視圖；

圖13為圖7的g-g剖視圖；

圖14為本發(fā)明前軸的受力示意圖；

圖15為主銷孔與板簧托座之間的受力示意圖。

附圖標(biāo)記說明

01主銷孔，02板簧托座，03上翼板，04腹板，05下翼板，1前軸本體，10主銷孔，20第一端部前軸本體，30第一托座前軸本體，40中部前軸本體，50第二托座前軸本體，60第二端部前軸本體，70腹板孔，101固定孔，102限位凸臺，201端部上翼板，202端部腹板，203端部下翼板，301u型螺栓過孔，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。

具體實施方式

以下通過實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下的實施例僅是示例性的，僅能用來解釋和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能解釋為是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。

本申請?zhí)峁┮环N汽車前橋前軸結(jié)構(gòu)，如圖6至圖13所示，包括前軸本體1，在前軸本體的兩端各設(shè)置有一個主銷孔10；在前軸本體上設(shè)置有兩個板簧托座。

兩個主銷孔10均為圓柱孔，在主銷孔的兩端部設(shè)置有倒角，用于安裝主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)安裝在主銷上，在主銷孔的側(cè)壁上設(shè)置有一個中心線垂直主銷孔的固定孔101，固定孔101用于固定主銷。

在主銷孔10的側(cè)壁上設(shè)置有一個限位凸臺102，用于轉(zhuǎn)向限位，限位凸臺通常設(shè)置于前軸的前側(cè)或后側(cè)的主銷孔所在的側(cè)壁上。

前軸本體1依次由第一端部前軸本體20、第一托座前軸本體30、中部前軸本體40、第二托座前軸本體50及第二端部前軸本體60連接為一體結(jié)構(gòu)。

第一端部前軸本體與第二端部前軸本體的結(jié)構(gòu)相同且相對中面對稱，第一托座前軸本體與第二托座前軸本體的結(jié)構(gòu)相同且相對中面對稱；在本申請中，中面是指沿車輛的軸向中線且過前軸的中點(diǎn)的平面，該中面將前軸分為相同的左右兩部分。

因此，在本申請中，僅描述第一端部前軸本體、第一托座前軸本體及中部前軸本體，對于第二端部前軸本體及第二托座前軸本體的結(jié)構(gòu)不進(jìn)行描述。

第一端部前軸本體20的截面為工字形，包括端部上翼板201、端部腹板202及端部下翼板203；其寬度分別為c1、c2、c3,端部上翼板的寬度與端部下翼板的寬度相等且大于端部腹板的寬度。

兩個板簧托座的結(jié)構(gòu)相同，均為平面結(jié)構(gòu)，用于固定板簧，在每個板簧托座上均設(shè)置有四個u型螺栓過孔301及一個定位孔302。第一托座前軸本體的截面為工字形，包括托座上翼板305、托座腹板304及托座下翼板303,其寬度分別為a1、a2、a3。由于要避免與u型螺栓干涉，托座下翼板的寬度較小，與托座上的寬度相差較大。

托座上翼板的寬度大于托座下翼板的寬度，托座下翼板的寬度大于托座腹板的寬度。

中部前軸本體40的截面為工字形，包括中部上翼板401、中部腹板402及中部下翼板403,其寬度分別為b1、b2、b3；中部上翼板的寬度大于中部下翼板的寬度。

在中部腹板上設(shè)置有兩個腹板孔；腹板孔為長方形，腹板孔的長度為兩個定位孔之間長度的四分之一；腹板孔的四周導(dǎo)圓角。

腹板孔的四個導(dǎo)圓角分別為第一圓角r1、第二圓角r2、第三圓角r3及第四圓角r4；第一圓角和第三圓角與中部上翼板相鄰；第二圓角與第四圓角與中部下翼板相鄰。

第一圓角的半徑大于第二圓角的半徑，第三圓角的半徑大于第四圓角的半徑。

通過腹板孔結(jié)構(gòu)，減小前軸中部質(zhì)量，提高前軸中部的柔性。

為了提高前軸中部強(qiáng)度，增大中部上翼板的寬度和中部下翼板的寬度。托座上翼板的寬度、中部上翼板的寬度及端部上翼板的寬度依次減小。

端部腹板的寬度、托座腹板的寬度及中部腹板的寬度依次減小。

兩個主銷孔中點(diǎn)連接所在的平面為前軸本體的對稱平面，此對稱平面為分模面。

中部上翼板、中部下翼板、托座上翼板及托座下翼板與對稱平面的夾角均為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撥模斜度為5°～8°。

端部上翼板與端部下翼板與對稱平面的夾角均為80°左右，即撥模斜度為10°左右，結(jié)構(gòu)確定后采用模鍛、輥鍛等工藝完成本發(fā)明的制造。

工作原理

在車輛行駛過程中，車輪受到向上的力通過轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷作用在前軸的主銷孔上，車身的重力通過板簧作用在前軸上的板簧托座上，這兩個力大小相等，方向相反。

前軸在長度方向左右對稱，可把前軸簡化成簡支梁結(jié)構(gòu)，其中從主銷孔到板簧托座的距離為l1，兩個板簧托座之間的距離的一半為l2，前軸受到的彎矩為m，如圖7、圖14所示。

根據(jù)材料力學(xué)原理，前軸在主銷孔與板簧托座之間受到的作用力為f，從主銷孔到板簧托座之間受到彎矩m從0增加到fl1，如圖15所示。

兩個板簧托座之間受到的作用力為0，受到彎矩m＝fl1，如圖15所示，由此可見前軸斷裂是由彎矩m造成的，且在此區(qū)域彎矩大小相同，當(dāng)車輛載荷和行駛道路確定后，彎矩的大小就確定了，因此前軸在兩個板簧托座之間的強(qiáng)度主要由橫梁的結(jié)構(gòu)形狀決定的，要改善前軸的強(qiáng)度和性能，就必須優(yōu)化此區(qū)域的結(jié)構(gòu)和相對兩端的幾何關(guān)系。

前軸中部在力和力矩的作用下產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力包括正應(yīng)力和剪應(yīng)力，由于中部受力為0，所以中部基本上只產(chǎn)生正應(yīng)力，正應(yīng)力包括拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，前軸上面產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，下面產(chǎn)生拉應(yīng)力。將前軸中部截面分為中部上翼板的截面、中部腹板的截面、中部下腹板的截面三個區(qū)域截面，正應(yīng)力由下列公式求得：

ie＝∑ig+∑ai²ai(3)

其中，σ：前軸中部截面某點(diǎn)的正應(yīng)力；m：彎矩；z：截面系數(shù)；ig：各區(qū)域截面通過自身的形心的慣性矩；ie：前軸中部截面相對前軸中部截面的形心的慣性矩；ai：各區(qū)域截面的面積；ai：各區(qū)域截面的形心到前軸中部截面的形心的距離；e：前軸中部截面某點(diǎn)到前軸中部截面的形心的距離。

根據(jù)公式(1)可知，當(dāng)車輛載荷一定時，中部的彎矩就不變m，所以中部的應(yīng)力取決于截面系數(shù)z。

根據(jù)公式(3)可知，由于中部腹板的截面的形心與前軸中部截面的形心的幾乎重合，即距離ai≈0，對整個前軸中部的正應(yīng)力的影響相對很小，同時，根據(jù)公式(2)可知，任何一點(diǎn)的e很小，z就很大，所以中部腹板的正應(yīng)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軸中部截面的形心的距離ai比較大，對整個前軸中部的正應(yīng)力的影響相對很大，同時由于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應(yīng)力也很大，最大壓應(yīng)力在最上面、最大拉應(yīng)力在最下面,距離所述中部上翼板和所述中部下翼板的中點(diǎn)位置應(yīng)力為0。

因此，在中部腹板設(shè)置腹板孔，對前軸中部正應(yīng)力影響很小，并減小前軸中部的剛度，而增加中部上翼板的截面或中部下翼板的寬度可大幅減小正應(yīng)力，提高前軸的強(qiáng)度，并減輕重量。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。