機械原理課程設計--汽車前輪轉向機構

1、<p>　　機械原理課程設計說明書</p><p>　　題 目 汽車前輪轉向機構 </p><p>　　學 院 機電工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 機械設計制造及其自動化</p>

2、<p>　　指導老師 </p><p>　　設 計 者 </p><p>　　學 號 </p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　改革開放以來，中國的汽車工業(yè)有著飛速的發(fā)展，據(jù)

3、中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截至2006年10月底，轎車累計銷量超過300萬輛，達到304萬輛，同比增長40%。2006年11月的北京車展，自主品牌：奇瑞、吉利、長城、中興、眾泰、比亞迪、雙環(huán)、中順、力帆、華普、長安、哈飛、華晨等自主品牌紛紛亮相，在國際汽車盛宴中嶄露頭角，無論從參展規(guī)模還是產品所展示的品質和技術含量上，都不得不令人折服，但和國外有著近百年發(fā)展歷史的國外汽車工業(yè)相比，我們的自主品牌汽車在行車性能和舒適體驗方面仍有差距。<

4、/p><p>　　汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產業(yè)，代表著一個國家的綜合國力，汽車工業(yè)隨著機械和電子技術的發(fā)展而不斷前進。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機械意義上的汽車了，它是機械、電子、材料等學科的綜合產物。汽車轉向系也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了長時間的演變。</p><p>　　轉向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機構，轉向系統(tǒng)應準確，快速、平穩(wěn)地響應駕駛員的轉向指令，轉向行使后或受到外界擾動時，在

5、駕駛員松開方向盤的狀態(tài)下，應保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使狀態(tài)。</p><p>　　隨著私家車的越來越普遍，各式各樣的高中低檔轎車進入了人們的生活中?？旃?jié)奏高效率的生活加上們對高速體驗的不斷追求，也要求著車速的不斷提高。由于汽車保有量的增加和社會活生活汽車化而造成交通錯綜復雜，使轉向盤的操作頻率增大，這要求減輕駕駛疲勞。</p><p>　　所以，無論是為滿足快速增長的轎車市場還是為給駕

6、車者更舒適更安全的的駕車體驗，都需要一種高性能、低成本的大眾化的轎車轉向結構。</p><p>　　本課題以現(xiàn)在國產轎車最常采用的齒輪齒條液壓動力轉向器為核心綜合設計轎車轉向機構。</p><p>　　一、題目：汽車前輪轉向機構</p><p><b>　　1、設計題目</b></p><p>　　汽車的前輪轉向，是通過

7、等腰梯形機構ABCD驅使前輪轉動來實現(xiàn)的。其中，兩前輪分別與兩搖桿AB、CD相連，如附圖32所示。當汽車沿直線行使時（轉彎半徑R=∞），左右兩輪軸線與機架AD成一條直線；當汽車轉彎時，要求左右兩輪（或搖桿AB和CD）轉過不同的角度。理論上希望前輪兩軸延長線的交點P始終能落在后輪軸的延長線上。這樣,整個車身就能繞P點轉動,使四個輪子都能與地面形成純滾動,以減少輪胎的磨損.因此,根據(jù)不同的轉彎半徑R(汽車轉向行駛時,各車輪運行軌跡中最外側車

8、輪滾出的圓周半徑),要求左右兩輪軸線(AB、CD)分別轉過不同的角度a和β，其關系如下:</p><p>　　如附圖32所示為汽車右拐時：</p><p>　　tanα＝L/(R-d-B) tanβ＝L/(R-d)</p><p>　　所以a和β的函數(shù)關系為：</p><p>　　cotβ- cotα= B / L</p&g

9、t;<p>　　同理,當汽車左拐時,由于對稱性,有 cotα- cotβ = B / L,故轉向機構ABCD的設計應盡量滿足以上轉角要求.</p><p><b>　　附圖32</b></p><p><b>　　2、設計數(shù)據(jù)與要求</b></p><p>　　設計數(shù)據(jù)見附表18，要求汽車沿直線行駛時,鉸鏈四

10、桿機構左右對稱,以保證左右轉彎時具有相同的特性.該轉向機構為等腰梯形雙搖桿機構,設計此鉸鏈四桿機構.</p><p>　　附表18 設計數(shù)據(jù)</p><p><b>　　3、設計任務</b></p><p>　　1)、根據(jù)轉彎半徑 R min 和 R max=∞(直線行駛),求出理論上要求的轉角α和β的對應值。要求最少2組對應值。</

11、p><p>　　2)、按給定兩聯(lián)架桿對應位移,且盡可能滿足直線行駛時機構左右對稱的附加要求,用圖解法設計鉸鏈四桿機構ABCD。</p><p>　　3）、機構初始位置一般通過經(jīng)驗或實驗來決定，一般可在下列數(shù)值范圍內選取a0 =96°～103°，β0 =77° ～84°。建議a0取102°，β0取78°。 </p>

12、<p>　　4)、用圖解法檢驗機構在常用轉角范圍α≤20°時的最小轉動角γmin。</p><p><b>　　二、轉向系統(tǒng)</b></p><p>　　1、轉向系統(tǒng)概述及結構簡介</p><p>　　轉向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛的行

13、駛安全、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要作用。</p><p>　　按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。</p><p>　　機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構(方向盤)、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核

14、心部件。</p><p><b>　　2、轉向系統(tǒng)的要求</b></p><p>　　1、轎車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。</p><p>　　2、轎車轉向行駛時，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。</p>

15、<p>　　3、轎車在任何行駛狀態(tài)下，轉向輪都不得產生自振，轉向盤沒有擺動。</p><p>　　4、轉向傳動機構和懸架導向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調使車輪產生的擺動應最小。</p><p>　　5、保證轎車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。</p><p><b>　　6、操縱輕便。</b></p>&l

16、t;p>　　7、轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。</p><p>　　8、轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產生間隙的調整機構。</p><p>　　9、在車禍中，當轉向軸和轉向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。</p><p>　　10、進行運動校核，保證轉向輪與轉向盤轉動方向一致

17、。</p><p><b>　　3、傳動比變化特性</b></p><p><b>　　1、轉向系傳動比</b></p><p>　　轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比和轉向系的力傳動比iP。</p><p><b>　　傳動系的力傳動比：</b></p><

18、;p>　?。?） </p><p>　　轉向系的角傳動比: </p><p>　?。?） </p><p>　　轉向系的角傳動比由轉向器角傳動比和轉向傳動機構角傳動組成，即：

19、 （3） </p><p><b>　　轉向器的角傳動比:</b></p><p>　　（4） </p><p>　　轉向傳動機構的角傳動比:</p><p>

20、　?。?） </p><p>　　2、力傳動比與轉向 系 角 傳動比的關系</p><p>　　轉向阻力與轉向阻力矩的關系式：</p><p>　?。?） </p><p>　　作用在轉向盤上的手力與作用在

21、轉向盤上的力矩的關系式： （2） </p><p>　　將式（1）、式（2）代入 后得到：</p><p>　?。?） </p><

22、p>　　如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 </p><p>　?。?） </p><p>　　將式（1）代入式（2）后得到：</p><p>　　（5） </p><

23、p>　　當a和Dsw不變時，力傳動比越大，雖然轉向越輕，但也越大，表明轉向不靈敏。</p><p>　　3、轉向器角傳動比的選擇</p><p>　　轉向器角傳動比可以設計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的主要因素是轉向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。</p><p>　　若轉向軸負荷小或采用動力轉向的汽車，不存在轉向沉重問題，應取較小的轉

24、向器角傳動比，以提高汽車的機動能力。若轉向軸負荷大，汽車低速急轉彎時的操縱輕便性問題突出，應選用大些的轉向器角傳動比。</p><p>　　汽車以較高車速轉向行駛時，要求轉向輪反應靈敏，轉向器角傳動比應當小些。汽車高速直線行駛時，轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小。否則轉向過分敏感，使駕駛員精確控制轉向輪的運動有困難。</p><p><b>　　三、設計內容</b&

25、gt;</p><p>　　1、根據(jù)轉彎半徑 R min 和 R max=∞(直線行駛),求出理論上要求的轉角α和β的對應值。要求最少2組對應值。</p><p><b>　　R=Rmin時，</b></p><p>　　tanα=L/（R-d）=2900/(6100-400)=0.509 0</p><p>　　L

26、/(R-d-B)=2900/(6100-400-1555)=0.70 34.9780</p><p>　　R=10000mm時，</p><p>　　=L/(R-d)=2900/(10000-400)=0.302 </p><p>　　L/(R-d-B)=2900/(10000-400-1555)=0.360 </p>

27、<p>　　根據(jù)公式可知，和隨著轉彎半徑R的增加而單調遞減。</p><p><b>　　參考數(shù)據(jù)如下：</b></p><p>　　2、按給定兩聯(lián)架桿對應位移,且盡可能滿足直線行駛時機構左右對稱的附加要求,用圖解法設計鉸鏈四桿機構ABCD。</p><p>　　根據(jù)上圖列唯一矢量方程：</p><p><

28、;b>　　化簡到x和y軸：</b></p><p>　　對于該機構，AD桿長已知，再給定AB桿長及AB與AD夾角，該機構就確定了。 令， 。令。代入位移方程中。得出一組l及對應的 和 。</p><p>　　令，將上面求得的l及值代入位移方程中，得出各種機構l及 對應的實際值。</p><p>　　再利用公式得出的理論值。找出實際值中

29、，與理論值最接近的一個。所對應的l及即為最佳機構。</p><p>　　最后計算出選出的機構當在0到最大值之間時所對應的的理論值和實際值。</p><p>　　不同l對應的理論值和實際值之差的數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　由表格數(shù)據(jù)可知，最佳機構為l=0.1，所對應的 為68.84°。</p><p>　　選定該機構后，檢驗其實

30、際的可行性，讓桿AB轉過角度，算出該機構運動時所對應的數(shù)據(jù)為：</p><p>　　比較β的理論值和實際值可知，該機構的誤差較大，故該梯形機構不是最理想的機構。</p><p>　　3、用圖解法檢驗機構在常用轉角范圍α≤20°時的最小轉動角γmin。</p><p>　　機構在任意位置圖示如下：</p><p>　　如圖所示，傳動角

31、，令。把l與為所選所對應的值。代入位移方程。計算出各轉角對應的 值。則最小的值即為最小傳動角γmin。</p><p>　　計算可知， 隨著 的增加而單調遞減，其 數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　四、設計結構分析</b></p><p>　　1、 四種類型梯形機構的選擇：</p><p>　　汽車轉向梯形機構

32、如下圖所示共有四種可能的類型：</p><p>　　機構可行的必要條件是當機構轉動時，前輪兩軸延長線的交點P能落在后輪軸的延長線上。當研究車輛右轉時，左邊連架桿的轉角α小于右邊連架桿的轉角β。</p><p>　　易知，（a）、（d）兩種機構均可行. 而對于(b)、(c)機構，當這兩種機構右轉時，α大于β，所以這兩種機構是不可行的。</p><p>　　結構（a）（

33、d）是平面四桿機構結構簡單，雖然設計制造比較方便，但其性能有著較大的局限性，上面我們已經(jīng)研究過，誤差較大，無法保證前輪兩軸延長線的交點P能落在后軸上，所以不是最理想機構。</p><p>　　五、轉向梯形機構優(yōu)化</p><p>　　轉向梯形機構用來保證汽車轉彎行駛時所有車輪能繞一個瞬時轉向中心，在不同的圓周上做無滑動的純滾動。設計轉向梯形的主要任務之一是確定轉向梯型的最佳參數(shù)和進行強度計

34、算。一般轉向梯形機構布置在前軸之后，但當發(fā)動機位置很低或前軸驅動時，也有位于前軸之前的。轉向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式或斷開式轉向梯形方案與懸架采用何種方案有聯(lián)系。無論采用哪一種方案，必須正確選擇轉向梯形參數(shù)，做到汽車轉彎時，保證全部車輪繞一個瞬時轉向中心行駛，使在不同圓周上運動的車輪，作無滑動的純滾動運動。同時，為達到總體布置要求的最小轉彎直徑值，轉向輪應有足夠大的轉角。</p><p>　　由機械原

35、理易知，平面四桿機構結構簡單，雖然設計制造比較方便，但其性能有著較大的局限性。如上面的設計過程，盡管在無數(shù)種機構中找到了最佳機構，但運動起來誤差依然較大，無法保證前輪兩軸延長線的交點P能落在后軸上。</p><p>　　因此，我考慮利用上圖所示的六桿機構設計轉向機構。</p><p>　　1、計算機構自由度：</p><p><b>　　;</b&g

36、t;</p><p>　　自由度為1，運動確定</p><p><b>　　2、運動分析</b></p><p>　　下圖為該機構在轉過某角度的狀態(tài)如下:</p><p><b>　　列出位移方程：</b></p><p><b>　　3、機構設計方法</b&

37、gt;</p><p>　　如第二題，滿足該機構在最小轉彎半徑 Rmin 所對應的α和β滿足P點落在后軸延長線上的要求；并且其他各組α和β盡可能是能使P點落在后軸延長線上。</p><p>　　經(jīng)過分析，我們取。令,代入位移方程中，解得一組l對應的。</p><p>　　再令，將上面求得的l及值代入位移方程中，得出各種機構l及 對應的實際值。</p>