機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)--汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1、<p>　　機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　題 目 汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) </p><p>　　學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化</p>

2、<p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　設(shè) 計(jì) 者 </p><p>　　學(xué) 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(jì)，截至2006年10月底，轎車?yán)塾?jì)銷量超過300萬輛，達(dá)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(chǎn)品所展示的品質(zhì)和技術(shù)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(yàn)方面仍有差距。<

4、/p><p>　　汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，代表著一個國家的綜合國力，汽車工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車已經(jīng)不是單純機(jī)械意義上的汽車了，它是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確，快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)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(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使?fàn)顟B(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(jìn)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(yàn)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(fù)雜，使轉(zhuǎn)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(yàn)，都需要一種高性能、低成本的大眾化的轎車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。</p><p>　　本課題以現(xiàn)在國產(chǎn)轎車最常采用的齒輪齒條液壓動力轉(zhuǎn)向器為核心綜合設(shè)計(jì)轎車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。</p><p>　　一、題目：汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　汽車的前輪轉(zhuǎn)向，是通過

7、等腰梯形機(jī)構(gòu)ABCD驅(qū)使前輪轉(zhuǎn)動來實(shí)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(dāng)汽車沿直線行使時（轉(zhuǎn)彎半徑R=∞），左右兩輪軸線與機(jī)架AD成一條直線；當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時，要求左右兩輪（或搖桿AB和CD）轉(zhuǎn)過不同的角度。理論上希望前輪兩軸延長線的交點(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎半徑R(汽車轉(zhuǎn)向行駛時,各車輪運(yùn)行軌跡中最外側(cè)車

8、輪滾出的圓周半徑),要求左右兩輪軸線(AB、CD)分別轉(zhuǎn)過不同的角度a和β，其關(guān)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(guān)系為：</p><p>　　cotβ- cotα= B / L</p&g

9、t;<p>　　同理,當(dāng)汽車左拐時,由于對稱性,有 cotα- cotβ = B / L,故轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)ABCD的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量滿足以上轉(zhuǎn)角要求.</p><p><b>　　附圖32</b></p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見附表18，要求汽車沿直線行駛時,鉸鏈四

10、桿機(jī)構(gòu)左右對稱,以保證左右轉(zhuǎn)彎時具有相同的特性.該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為等腰梯形雙搖桿機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu).</p><p>　　附表18 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　1)、根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑 R min 和 R max=∞(直線行駛),求出理論上要求的轉(zhuǎn)角α和β的對應(yīng)值。要求最少2組對應(yīng)值。</

11、p><p>　　2)、按給定兩聯(lián)架桿對應(yīng)位移,且盡可能滿足直線行駛時機(jī)構(gòu)左右對稱的附加要求,用圖解法設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD。</p><p>　　3）、機(jī)構(gòu)初始位置一般通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)來決定，一般可在下列數(shù)值范圍內(nèi)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(yàn)機(jī)構(gòu)在常用轉(zhuǎn)角范圍α≤20°時的最小轉(zhuǎn)動角γmin。</p><p><b>　　二、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)</b></p><p>　　1、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述及結(jié)構(gòu)簡介</p><p>　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉(zhuǎn)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(hù)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(zhuǎn)向力能源的不同，可將轉(zhuǎn)向系分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。</p><p>　　機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機(jī)械的，由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(嚴(yán)格講是近似直線運(yùn)動)的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核

14、心部件。</p><p><b>　　2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求</b></p><p>　　1、轎車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項(xiàng)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(zhuǎn)向行駛時，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。</p><p>　　4、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運(yùn)動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。</p><p>　　5、保證轎車有較高的機(jī)動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。</p><p><b>　　6、操縱輕便。</b></p>&l

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

17、。</p><p><b>　　3、傳動比變化特性</b></p><p><b>　　1、轉(zhuǎn)向系傳動比</b></p><p>　　轉(zhuǎn)向系的傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系的角傳動比: </p><p>　?。?） </p><p>　　轉(zhuǎn)向系的角傳動比由轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動組成，即：

19、 （3） </p><p><b>　　轉(zhuǎn)向器的角傳動比:</b></p><p>　　（4） </p><p>　　轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比:</p><p>

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

21、轉(zhuǎn)向盤上的力矩的關(guān)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>　?。?） </p><

23、p>　　當(dāng)a和Dsw不變時，力傳動比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。</p><p>　　3、轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇</p><p>　　轉(zhuǎn)向器角傳動比可以設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對汽車機(jī)動能力的要求。</p><p>　　若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小或采用動力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)

24、向器角傳動比，以提高汽車的機(jī)動能力。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時的操縱輕便性問題突出，應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動比。</p><p>　　汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時，要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應(yīng)當(dāng)小些。汽車高速直線行駛時，轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小。否則轉(zhuǎn)向過分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動有困難。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)內(nèi)容</b&

25、gt;</p><p>　　1、根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑 R min 和 R max=∞(直線行駛),求出理論上要求的轉(zhuǎn)角α和β的對應(yīng)值。要求最少2組對應(yīng)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(zhuǎn)彎半徑R的增加而單調(diào)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(yīng)位移,且盡可能滿足直線行駛時機(jī)構(gòu)左右對稱的附加要求,用圖解法設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，AD桿長已知，再給定AB桿長及AB與AD夾角，該機(jī)構(gòu)就確定了。 令， 。令。代入位移方程中。得出一組l及對應(yīng)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(jī)構(gòu)l及 對應(yīng)的實(shí)際值。</p><p>　　再利用公式得出的理論值。找出實(shí)際值中

29、，與理論值最接近的一個。所對應(yīng)的l及即為最佳機(jī)構(gòu)。</p><p>　　最后計(jì)算出選出的機(jī)構(gòu)當(dāng)在0到最大值之間時所對應(yīng)的的理論值和實(shí)際值。</p><p>　　不同l對應(yīng)的理論值和實(shí)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(jī)構(gòu)為l=0.1，所對應(yīng)的 為68.84°。</p><p>　　選定該機(jī)構(gòu)后，檢驗(yàn)其實(shí)

30、際的可行性，讓桿AB轉(zhuǎn)過角度，算出該機(jī)構(gòu)運(yùn)動時所對應(yīng)的數(shù)據(jù)為：</p><p>　　比較β的理論值和實(shí)際值可知，該機(jī)構(gòu)的誤差較大，故該梯形機(jī)構(gòu)不是最理想的機(jī)構(gòu)。</p><p>　　3、用圖解法檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在常用轉(zhuǎn)角范圍α≤20°時的最小轉(zhuǎn)動角γmin。</p><p>　　機(jī)構(gòu)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(yīng)的值。代入位移方程。計(jì)算出各轉(zhuǎn)角對應(yīng)的 值。則最小的值即為最小傳動角γmin。</p><p>　　計(jì)算可知， 隨著 的增加而單調(diào)遞減，其 數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析</b></p><p>　　1、 四種類型梯形機(jī)構(gòu)的選擇：</p><p>　　汽車轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)

32、如下圖所示共有四種可能的類型：</p><p>　　機(jī)構(gòu)可行的必要條件是當(dāng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時，前輪兩軸延長線的交點(diǎn)P能落在后輪軸的延長線上。當(dāng)研究車輛右轉(zhuǎn)時，左邊連架桿的轉(zhuǎn)角α小于右邊連架桿的轉(zhuǎn)角β。</p><p>　　易知，（a）、（d）兩種機(jī)構(gòu)均可行. 而對于(b)、(c)機(jī)構(gòu)，當(dāng)這兩種機(jī)構(gòu)右轉(zhuǎn)時，α大于β，所以這兩種機(jī)構(gòu)是不可行的。</p><p>　　結(jié)構(gòu)（a）（

33、d）是平面四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，雖然設(shè)計(jì)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(diǎn)P能落在后軸上，所以不是最理想機(jī)構(gòu)。</p><p>　　五、轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)用來保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時所有車輪能繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心，在不同的圓周上做無滑動的純滾動。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)

34、算。一般轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)布置在前軸之后，但當(dāng)發(fā)動機(jī)位置很低或前軸驅(qū)動時，也有位于前軸之前的。轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式或斷開式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向梯形參數(shù)，做到汽車轉(zhuǎn)彎時，保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運(yùn)動的車輪，作無滑動的純滾動運(yùn)動。同時，為達(dá)到總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。</p><p>　　由機(jī)械原

35、理易知，平面四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，雖然設(shè)計(jì)制造比較方便，但其性能有著較大的局限性。如上面的設(shè)計(jì)過程，盡管在無數(shù)種機(jī)構(gòu)中找到了最佳機(jī)構(gòu)，但運(yùn)動起來誤差依然較大，無法保證前輪兩軸延長線的交點(diǎn)P能落在后軸上。</p><p>　　因此，我考慮利用上圖所示的六桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。</p><p>　　1、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度：</p><p><b>　　;</b&g

36、t;</p><p>　　自由度為1，運(yùn)動確定</p><p><b>　　2、運(yùn)動分析</b></p><p>　　下圖為該機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法</b&

37、gt;</p><p>　　如第二題，滿足該機(jī)構(gòu)在最小轉(zhuǎn)彎半徑 Rmin 所對應(yīng)的α和β滿足P點(diǎn)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(diǎn)落在后軸延長線上。</p><p>　　經(jīng)過分析，我們?nèi)?。?代入位移方程中，解得一組l對應(yīng)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(jī)構(gòu)l及 對應(yīng)的實(shí)際值。</p>