機械原理課程設計--汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

1、<p>　　機械原理課程設計說明書</p><p>　　題 目 汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu) </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(chǎn)品所展示的品質(zhì)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(chǎn)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(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構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應準確，快速、平穩(wěn)地響應駕駛員的轉(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。快節(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(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，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)向器為核心綜合設計轎車轉(zhuǎn)向機構(gòu)。</p><p>　　一、題目：汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)</p><p><b>　　1、設計題目</b></p><p>　　汽車的前輪轉(zhuǎn)向，是通過

7、等腰梯形機構(gòu)ABCD驅(qū)使前輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎半徑R=∞），左右兩輪軸線與機架AD成一條直線；當汽車轉(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(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(zhuǎn)向機構(gòu)ABCD的設計應盡量滿足以上轉(zhuǎn)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(gòu)左右對稱,以保證左右轉(zhuǎn)彎時具有相同的特性.該轉(zhuǎn)向機構(gòu)為等腰梯形雙搖桿機構(gòu),設計此鉸鏈四桿機構(gòu).</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(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(gòu)左右對稱的附加要求,用圖解法設計鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD。</p><p>　　3）、機構(gòu)初始位置一般通過經(jīng)驗或?qū)嶒瀬頉Q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)、用圖解法檢驗機構(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)向系分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。</p><p>　　機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C構(gòu)的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構(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，全部車輪應繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應有側(cè)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(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)向傳動機構(gòu)和懸架導向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)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(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)向傳動機構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機構(gòu)。</p><p>　　9、在車禍中，當轉(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(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>　　（2） </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>　?。?） </p><p>　　轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比:</p><p>

20、　　（5） </p><p>　　2、力傳動比與轉(zhuǎn)向 系 角 傳動比的關系</p><p>　　轉(zhuǎn)向阻力與轉(zhuǎn)向阻力矩的關系式：</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(zhuǎn)向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。</p><p>　　若轉(zhuǎn)向軸負荷小或采用動力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問題，應取較小的轉(zhuǎn)

24、向器角傳動比，以提高汽車的機動能力。若轉(zhuǎn)向軸負荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時的操縱輕便性問題突出，應選用大些的轉(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)向輪反應靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應當小些。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)向輪的運動有困難。</p><p><b>　　三、設計內(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(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)架桿對應位移,且盡可能滿足直線行駛時機構(gòu)左右對稱的附加要求,用圖解法設計鉸鏈四桿機構(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>　　對于該機構(gòu)，AD桿長已知，再給定AB桿長及AB與AD夾角，該機構(gòu)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(gòu)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(gòu)。</p><p>　　最后計算出選出的機構(gòu)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(gòu)為l=0.1，所對應的 為68.84°。</p><p>　　選定該機構(gòu)后，檢驗其實

30、際的可行性，讓桿AB轉(zhuǎn)過角度，算出該機構(gòu)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(gòu)的誤差較大，故該梯形機構(gòu)不是最理想的機構(gòu)。</p><p>　　3、用圖解法檢驗機構(gòu)在常用轉(zhuǎn)角范圍α≤20°時的最小轉(zhuǎn)動角γmin。</p><p>　　機構(gòu)在任意位置圖示如下：</p><p>　　如圖所示，傳動角

31、，令。把l與為所選所對應的值。代入位移方程。計算出各轉(zhuǎn)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(diào)遞減，其 數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　四、設計結(jié)構(gòu)分析</b></p><p>　　1、 四種類型梯形機構(gòu)的選擇：</p><p>　　汽車轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)

32、如下圖所示共有四種可能的類型：</p><p>　　機構(gòu)可行的必要條件是當機構(gòu)轉(zhuǎn)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(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）兩種機構(gòu)均可行. 而對于(b)、(c)機構(gòu)，當這兩種機構(gòu)右轉(zhuǎn)時，α大于β，所以這兩種機構(gòu)是不可行的。</p><p>　　結(jié)構(gòu)（a）（

33、d）是平面四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)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(gòu)。</p><p>　　五、轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　轉(zhuǎn)向梯形機構(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。設計轉(zhuǎn)向梯形的主要任務之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進行強度計

34、算。一般轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)布置在前軸之后，但當發(fā)動機位置很低或前軸驅(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(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應有足夠大的轉(zhuǎn)角。</p><p>　　由機械原

35、理易知，平面四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)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(gòu)中找到了最佳機構(gòu)，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(gòu)設計轉(zhuǎn)向機構(gòu)。</p><p>　　1、計算機構(gòu)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(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、機構(gòu)設計方法</b&

37、gt;</p><p>　　如第二題，滿足該機構(gòu)在最小轉(zhuǎn)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?nèi)　Ａ?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(gòu)l及 對應的實際值。</p>