汽车前轮转向机构
汽车前轮转向机构
目录
1、题目:汽车前轮转向机构 . ........................................................................................................ 3
1.1设计题目 . ............................................................................................................................ 3 1.2设计数据与要求 . ................................................................................................................ 4 1.3设计任务 . ............................................................................................................................ 4 2、转向系统 . .................................................................................................................................... 4
2.1转向系统概述及结构简介 . ................................................................................................ 4 2.2转向系统的要求 . ................................................................................................................ 5 2.3传动比变化特性 . ................................................................................................................ 5
2.3.1转向系传动比 . ......................................................................................................... 5 2.3.2力传动比与转向系角传动比的关系 ...................................................................... 6 2.3.3转向器角传动比的选择 . ......................................................................................... 7
3、设计内容 . .................................................................................................................................... 7 4、设计结构分析 . ............................................................................................................................ 9
4.1 四种类型梯形机构的选择: . ........................................................................................... 9 5、转向梯形机构优化 . .................................................................................................................. 10
5.1计算机构自由度: . .......................................................................................................... 11 5.2运动分析 . .......................................................................................................................... 11 5.3机构设计方法 . .................................................................................................................. 11 5.4对比分析 . .......................................................................................................................... 12 6、课程设计总结 . .......................................................................................................................... 12
6.1 设计心得 . ....................................................................................................................... 12 6.2 设计工作分工表 . ........................................................................................................... 13 6.3 参考文献 . ......................................................................................................................... 13
引 言
转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构,转向系统应准确,快速、平稳地响应驾驶员的转向指令,转向行使后或受到外界扰动时,在驾驶员松开方向盘的状态下,应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。
随着私家车的越来越普遍,各式各样的高中低档轿车进入了人们的生活中。快节奏高效率的生活加上们对高速体验的不断追求,也要求着车速的不断提高。由于汽车保有量的增加和社会活生活汽车化而造成交通错综复杂,使转向盘的操作频率增大,这要求减轻驾驶疲劳。
所以,无论是为满足快速增长的轿车市场还是为给驾车者更舒适更安全的的驾车体验,都需要一种高性能、低成本的大众化的汽车前轮转向机构。
本课题以现在国产轿车最常采用的齿轮齿条液压动力转向器为核心综合设计轿车转向机构。
1、题目:汽车前轮转向机构
1.1设计题目
汽车的前轮转向,是通过等腰梯形机构ABCD 驱使前轮转动来实现的。其中,两前轮分别与两摇杆AB 、CD 相连,如附图32所示。当汽车沿直线行使时(转弯半径R=∞),左右两轮轴线与机架AD 成一条直线;当汽车转弯时,要求左右两轮(或摇杆AB 和CD )转过不同的角度。理论上希望前轮两轴延长线的交点P 始终能落在后轮轴的延长线上。这样, 整个车身就能绕P 点转动, 使四个轮子都能与地面形成纯滚动, 以减少轮胎的磨损. 因此, 根据不同的转弯半径R (汽车转向行驶时, 各车轮运行轨迹中最外侧车轮滚出的圆周半径), 要求左右两轮轴线(AB 、CD ) 分别转过不同的角度a 和β,其关系如下:
如附图32所示为汽车右拐时:
tan α=L /(R-d-B) tan β=L /(R-d)
所以a 和β的函数关系为:
cot β- cotα= B / L
同理, 当汽车左拐时, 由于对称性, 有 cotα- cot β = B / L, 故转向机构ABCD 的设计应尽量满足以上转角要求
.
附图32
1.2设计数据与要求
设计数据见附表18,要求汽车沿直线行驶时, 铰链四杆机构左右对称, 以保证左右转弯时具有相同的特性. 该转向机构为等腰梯形双摇杆机构, 设计此铰链四杆机构.
1.3设计任务
1) 、根据转弯半径 R min 和 R max=∞(直线行驶), 求出理论上要求的转角α和β的对应值。要求最少2组对应值。
2) 、按给定两联架杆对应位移, 且尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附加要求, 用图解法设计铰链四杆机构ABCD 。
3)、机构初始位置一般通过经验或实验来决定,一般可在下列数值范围内选取a 0 =96°~103°,β0 =77° ~84°。建议a 0取102°,β0取78°。
4) 、用图解法检验机构在常用转角范围α≤20°时的最小转动角γ
min
。
2、转向系统
2.1转向系统概述及结构简介
转向系统是汽车底盘的重要组成部分,转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性,它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。
按转向力能源的不同,可将转向系分为机械转向系和动力转向系。
机械转向系的能量来源是人力,所有传力件都是机械的,由转向操纵机构(方向盘) 、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动) 的机构,是转向系的核心部件。
2.2转向系统的要求
1、轿车转弯行驶时,全部车轮应绕瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损,并降低汽车的行驶稳定性。
2、轿车转向行驶时,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返回到直线行驶位置,并稳定行驶。
3、轿车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生自振,转向盘没有摆动。 4、转向传动机构和悬架导向装置共同工作时,由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。
5、保证轿车有较高的机动性,具有迅速和小转弯行驶能力。 6、操纵轻便。
7、转向轮碰撞到障碍物以后,传给转向盘的反冲力要尽可能小。
8、转向器和转向传动机构的球头处,有消除因磨损而产生间隙的调整机构。 9、在车祸中,当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时,转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。
10、进行运动校核,保证转向轮与转向盘转动方向一致。
2.3传动比变化特性 2.3.1转向系传动比
转向系的传动比包括转向系的角传动比i ω0和转向系的力传动比i P 。 传动系的力传动比:
i p =2F W /F (1)
转向系的角传动比:
i ω0=
ωw d ϕ/dt d ϕ
(2) ==
ωk d βk /dt d βk
转向系的角传动比i ω0由转向器角传动比i ω和转向传动机构角传动组成,即:
' (3) i ω0=i ωi ω
转向器的角传动比:
i ω=
ωw d ϕ/dt d ϕ
==
ωp d βp /dt d βp
(4)
转向传动机构的角传动比:
'=i ω
ωp d βp /dt d βp
==ωk d βk /dt d βk
(5)
2.3.2力传动比与转向系角传动比的关系
转向阻力F W 与转向阻力矩M r 的关系式:
Fw =
M r
(1) a
作用在转向盘上的手力
F
h
与作用在转向盘上的力矩M h 的关系式:
2M h
(2) D sw
F h =
将式(1)、式(2)代入
i p =2F W /F h
后得到:
i p =
M r D sw
(3) M h a
如果忽略磨擦损失,根据能量守恒原理,2Mr/Mh 可用下式表示
2M r d ϕ
==i ω0 (4)
M h d βk
将式(1)代入式(2)后得到:
i p =
i ω0D sw
(5) 2a
i
当a 和Dsw 不变时,力传动比p 越大,虽然转向越轻,但i ω0也越大,表明
转向不灵敏。
2.3.3转向器角传动比的选择
转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。
若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车,不存在转向沉重问题,应取较小的转向器角传动比,以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大,汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出,应选用大些的转向器角传动比。
汽车以较高车速转向行驶时,要求转向轮反应灵敏,转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时,转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感,使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。
3、设计内容
1、根据转弯半径 R min 和 R max=∞(直线行驶), 求出理论上要求的转角α和β的对应值。要求最少2组对应值。
R=Rmin 时,tan α=L/(R−d)=2900/(6100−400)=0.509 α=26.966° tan β=L/(R−d −B)=2900/(6100−400−1605)=0.708 β=34.978°
R=10000mm时,tan α=L/(R-d)=2900/(10000-400)=0.302 α=20.886
tan β=L/(R−d −B)=2900/(10000−400−1605)=0.363 β=25.629°
根据公式可知,和随着转弯半径R 的增加而单调递减。 参考数据如下:
2、按给定两联架杆对应位移, 且尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附加要求, 用图解法设计铰链四杆机构ABCD 。
x 根据上图列唯一矢量方程:
化简到x 和y 轴:
对于该机构,AD 杆长已知,再给定AB 杆长及AB 与AD 夹角,该机构就确定了。令β=34.978˚,α=26.966˚。代入位移方程中。得出一组l 及对应的
φ和β。 令α=10,将上面求得的l 及值代入位移方程中,得出各种机构l 及φ 对应β的实际值。
再利用公式得出的理论值。找出实际值中,与理论值最接近的一个。所对应的l 及φ即为最佳机构。
最后计算出选出的机构当在0到最大值之间时所对应的的理论值和实际值。
由表格数据可知,最佳机构为l=0.1,所对应的 为68.84°。
选定该机构后,检验其实际的可行性,让杆AB 转过角度,算出该机构运动时所对
比较β的理论值和实际值可知,该机构的误差较大,故该梯形机构不是最理想的机构。
3、用图解法检验机构在常用转角范围α≤20°时的最小转动角γ
机构在任意位置图示如下:
A
min
。
如图所示,传动角,令。把l 与为所选所对应的值。代入位移方程。计算出各转角对应的值。则最小的值即为最小传动角γmin 。
4、设计结构分析
1、 四种类型梯形机构的选择:
汽车转向梯形机构如下图所示共有四种可能的类型:
(a )
(c )
(d )
机构可行的必要条件是当机构转动时,前轮两轴延长线的交点P 能落在后轮轴的延长线上。当研究车辆右转时,左边连架杆的转角α小于右边连架杆的转角β。 易知,(a )、(d )两种机构均可行. 而对于(b)、(c)机构,当这两种机构右转时,α大于β,所以这两种机构是不可行的。 结构(a )(d )是平面四杆机构结构简单,虽然设计制造比较方便,但其性能有着较大的局限性,上面我们已经研究过,误差较大,无法保证前轮两轴延长线的交点P 能落在后轴上,所以不是最理想机构。
5、转向梯形机构优化
转向梯形机构用来保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个瞬时转向中心,在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。设计转向梯形的主要任务之一是确定转向梯型的最佳参数和进行强度计算。一般转向梯形机构布置在前轴之后,但当发动机位置很低或前轴驱动时,也有位于前轴之前的。转向梯形有整体式和断开式两种,选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有联系。无论采用哪一种方案,必须正确选择转向梯形参数,做到汽车转弯时,保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶,使在不同圆周上运动的车轮,作无滑动的纯滚动运动。同时,为达到总体布置要求的最小转弯直径值,转向轮应有足够大的转角。
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由机械原理易知,平面四杆机构结构简单,虽然设计制造比较方便,但其性能有着较大的局限性。如上面的设计过程,尽管在无数种机构中找到了最佳机构,但运动起来误差依然较大,无法保证前轮两轴延长线的交点P 能落在后轴上。
因此,我考虑利用上图所示的六杆机构设计转向机构。
1、计算机构自由度:
n=5 Pl=6 Ph=0;
F=3×5−2×6=1 自由度为1,运动确定
2、运动分析
下图为该机构在转过某角度的状态如下:
列出位移方程:
l1×cos φ+α +l2×cos φ1+l3+l2×cos φ2+l1×cos θ−β =B l1×sin θ+α =l2×sin φ1+h l1×sin θ−β =l2×sin φ2+h
3、机构设计方法
如第二题,满足该机构在最小转弯半径 R min 所对应的α和β满足P 点落在后轴延长线上的要求;并且其他各组α和β尽可能是能使P 点落在后轴延长线上。
经过分析,我们取。令, 代入位移方程中,解得一组l 对应的。 再令,将上面求得的l 及值代入位移方程中,得出各种机构l 及 对应的实际值。
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B
得出的理论值。找出实L
际值中,与理论值最接近的一个。所对应的l 及即为最佳机构。 用A3图纸画图得:
为找出最佳机构,利用公式cot β-cot α=
4、对比分析
综上所述:使用上述的六杆机构能更加精确的保证前轮两轴延长线的交点P 能落在后轴上。
6、课程设计总结
6.1 设计心得
经过两周的奋战我们的课程设计终于完成了,在这次课程设计中我学到得不仅是专业的知识,还有的是如何进行团队的合作,因为任何一个作品都不可能由单独某一个人来完成,它必然是团队成员的细致分工完成某一小部分,然后在将所有的部分紧密的结合起来,并认真调试它们之间的运动关系之后形成一个完美的作品。 这次课程设计,由于理论知识的不足,再加上平时没有什么设计经验,一开始的时候有些手忙脚乱,不知从何入手。在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,
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也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的可能不太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富,使我终身受益。
6.2 设计工作分工表
6.3 参考文献
[1] 陆凤仪. 机械原理课程设计. 北京:机械工业出版社,2002.6 [2] 王淑仁. 机械原理课程设计. 北京:科学出版社,2006
[3] 孙江洪. Pro/ENGNEER Wildfire 3.0 典型事例、专业精讲. 北京:电子工业出版社
[4] 谢进,万朝燕,杜立杰. 机械原理(第二版). 北京:高等教育出版社 [5] 冯晋祥等. 汽车构造. 北京:人民交通出版社
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