汽車前輪轉向機構課程設計

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：車輛工程學院</p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b

2、>　　學 號：</b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1、背景.1</b></p><p>　　2、題目：汽車前輪轉向機構3</p><p&g

3、t;<b>　　2.1設計題目3</b></p><p>　　2.1.1轉向機構簡介3</p><p>　　2.1.2 轉向梯形4</p><p>　　2.1.3計算機構自由度.................................................................5</p><

4、p>　　2.1.4機構設計.............................................................................6</p><p>　　2.1.5 數(shù)據(jù)設計..............................................................。..........8</p><p&g

5、t;<b>　　2.2設計要求8</b></p><p><b>　　3、設計內容9</b></p><p><b>　　3.1 求轉角9</b></p><p>　　3.2 解析法設計機構9</p><p>　　3.3 解析法檢驗11</p>&

6、lt;p>　　4. 設計結構分析12</p><p>　　4.1 四種類型梯形結構的選擇12</p><p>　　5、 轉向梯形機構優(yōu)化14</p><p>　　5.1 計算機構自由度15</p><p>　　5.2 運動分析15</p><p>　　5.3機構設計方法16</p>&

7、lt;p>　　6、課程設計總結17</p><p><b>　　1、背景</b></p><p>　　在汽車行業(yè)迅速發(fā)展的今天，汽車前輪定位參數(shù)的確定仍然是困擾汽車企業(yè)設計的難題，。汽車前輪定位參數(shù)是汽車的重要性能參數(shù)，前輪定位參數(shù)的設計是否合理，將直接影響到車輛的很多重要性能，從而影響到整車的優(yōu)劣。例如注銷后傾角和內傾角將直接影響到車輛的回正性、直線行駛穩(wěn)定

8、性和高速制動時方向穩(wěn)定性、轉向輕便性；前輪的外傾角和前束值的合理匹配將直接影響到前輪的策劃和異常磨耗，同時也間接地影響車輛的動力性和燃油的經(jīng)濟性。后傾角和前束值設計的是否合理還將影響這屆影響到前輪的擺振，導致車輛操縱穩(wěn)定性變壞，增加了有關零件載荷，從而降低行駛安全性和可靠性，擺振嚴重時會影響到車輛的行駛平順性和安全性。因此，如果前輪定位參數(shù)不合理，就會大大降低汽車使用性能，但由于前輪定位參數(shù)的確定必須考慮多種因素的影響，而且前輪定位各參

9、數(shù)對汽車使用性能的影響不是完全獨立的，這給前輪定位參數(shù)的確定增加了困難。 </p><p>　　汽車的轉向傳遞機構的主要作用就是使用汽車在轉向時期內、外輪具有正確的轉角關系，它對汽車輪胎的磨損、轉向半徑和轉向力都有重要的影響。汽車在轉向時，由于主銷后傾角、主銷內傾角的存在，導致轉向系統(tǒng)的運動并不是在一個平面內，這增加了轉向的難度。而一般貨車和拖拉機的轉向機構是使用整體式的專項梯形機構進行傳遞。傳統(tǒng)的整體式轉向機構

10、分析采用近似的平面運動分析方法，而實際上轉向梯形的運動并不是在一個平面內。這樣就必然存在著誤差。 </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)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截止2006年10月底，轎車累計銷售超過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、比亞迪、哈飛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

11、技術含量上，都不得不讓人折服，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。</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)展經(jīng)歷了長時間的演變。</p><p

12、>　　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人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汽車化而造成交通錯綜復雜，是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車者更舒適更安全的駕車體驗，都需要一種高性能、低成本的大眾化的轎車轉向機構。</p>&

13、lt;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前輪轉向機構。</p><p>　　題目：汽車前輪轉向機構</p><p><b>　　2.1設計題目</b></p><p>　　2.1.1轉向機構簡介 </p><p><b>　　1、功用： </b>&l

14、t;/p><p>　　1）將轉向器輸出的力傳給轉向輪，且使二轉向輪偏轉角按一定的關系變化，以實現(xiàn)汽車順利轉向； </p><p>　　2）轉向傳動機構除傳力外，還要承受沖擊和振動。設有減振緩沖裝置，并能自動消除磨損后的間隙。為避免發(fā)生運動干涉，采用球鉸鏈連接。 </p><p>　　2、轉向傳動機構的一般組成： </p><p>　　1）主要由轉

15、向直拉桿、轉向節(jié)臂、向橫拉桿、左右梯形臂等機件構成。前軸的兩端和轉向節(jié)由主銷鉸接在一起，轉向節(jié)上連有左右梯形臂，兩臂鉸接在轉向橫拉桿上； </p><p>　　2）當—個轉向節(jié)轉動時，另一個轉向節(jié)也隨著變位，使汽車實現(xiàn)轉向； </p><p>　　3）兩個車輪轉動的角度不同，因為前軸、轉向橫拉桿、左右梯形臂及所形成的四邊形不是矩形而是梯形。</p><p>　　汽車

16、轉向系（1-轉向盤；2-轉向軸；3-轉向萬向節(jié)；4-轉向傳動軸；5-轉向器；6-轉向搖臂；7-轉向直拉桿；8-轉向節(jié)臂；9、13-轉向節(jié)；10、12-轉向梯形臂；11-轉向直拉桿）</p><p>　　2.1.2轉向梯形 </p><p>　　車輛轉向梯形根據(jù)車輛懸架所采用的方案分為整體轉向梯形和斷開式轉向梯形兩種。 </p><p>　　與非獨立懸架配用的轉向傳動

17、機構主要包括轉向搖臂2、轉向直拉桿3、轉向節(jié)臂4和轉向梯形。 </p><p>　?。?）整體式轉向梯形 ：</p><p>　　在前橋僅為轉向橋的情況下，由轉向橫拉桿6和左、右梯形臂5組成的轉向梯形一般布置在前橋之后，如上圖（a）所示。當轉向輪處于與汽車直線行駛相應的中立位置時，梯形臂5與橫拉桿6在與道路平行的平面(水平面)內的交角＞90。 </p><p>　　

18、在發(fā)動機位置較低或轉向橋兼充驅動橋的情況下，為避免運動干涉，往往將轉向梯形布置在前橋之前，此時上述交角＜90，如上圖（b）所示。 </p><p>　　若轉向搖臂不是在汽車縱向平面內前后擺動，而是在汽車的橫向左右擺動，則可將轉向直拉桿3橫置，并借球頭銷直接帶動轉向橫拉桿6，從而推使兩側梯形臂轉動，如上圖（c）所示。 </p><p>　　（2）斷開式轉向梯形 </p><

19、;p>　　2.1.3計算機構自由度：</p><p>　　機構簡圖如圖所示。轉向直拉桿是用以帶動CE運動的構件，在分析自由度時不應把轉向直拉桿和轉動副E計入，所以本設計機構的自由度為 :</p><p>　　F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4=1 </p><p>　　2.1.4機構設計 </p><p>　　

20、汽車的前輪轉向，是通過等腰梯形結構ABCD驅使前輪轉到來實現(xiàn)的。其中，兩前輪分別與兩搖桿AB、CD相連，如附圖所示，當汽車沿直線行駛時（轉彎半斤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，個車輪

21、運行軌跡中最外側車輪滾出的圓軸半徑），要求左右兩輪軸線(AB、CD)分別轉過不同的角度α和β，其關系如下：</p><p>　　如圖所示為汽車右拐時 </p><p>　　所以α和β的函數(shù)關系為 </p><p>　　同理，當汽車右拐時，由于對稱性，有，故轉向機構ABCD的設計應盡量滿足以上轉角要求。</p><p><

22、b>　　2.1.5設計數(shù)據(jù)</b></p><p>　　設計數(shù)據(jù)見下表。要求汽車沿直線行駛時，鉸鏈四桿機構左右對稱，以保證左右轉彎時具有相同的特征。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><b>　　2.2設計要求</b></p><p>　　1）根據(jù)轉彎半徑Rmin和Rmax＝∞（直線行駛），

23、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>　　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架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0 =960~1030,，β0=770~840。建議0取1020，β0取780 。</p><p

24、>　　4） 用圖解法檢驗機構在常用轉角范圍0 時的最小轉動角Y min</p><p>　　3、設計內容 </p><p><b>　　3.1 求轉角</b></p><p>　　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&

25、gt;　　R=Rmin時， 0</p><p><b>　　β=34.9780</b></p><p>　　R=10000mm時，</p><p><b>　　0 </b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　由公式已知，

26、 時隨著R的增大而單調遞減的.</p><p>　　3.2 解析法設計機構</p><p>　　用解析法設計鉸鏈四桿機構ABCD，滿足以下條件：①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;②其他各組α和β盡可能是能使P點落在后軸延長線上；③盡可能滿足直線行駛時機構左右對稱的附加要求。</p><p>　　根據(jù)上圖列唯一矢量方程： L

27、AB+LBC+LCD+LAD=0</p><p>　　化簡到X和Y軸： </p><p>　　對于一個梯形機構，AD桿長已知，再給定AB桿長及出位置AB與AD夾角該機構就確定了。</p><p>　　為滿足條件①，令β=34.9780，α=26.9660.令，代入位移方程式中，得出一組L和對應的φ和θ。</p><p>　　為滿足條件

28、②，令α=100，將上面求得的L和φ值代入位移方程中，得出各機構L及φ對應β的實際值。</p><p>　　為找出最佳機構，利用公式 得出β的理論值。找出實際值中，與β理論值最接近的一個。所對應的L及φ即為最佳機構。</p><p>　　最后計算出選出的機構當α在0到最大值之間時所對應的β的理論值和實際值。</p><p>　　由表格數(shù)據(jù)可知，最佳機構L=0.1，所

29、對應的φ為68.84°</p><p>　　選定該機構后，為檢驗其實際的可行性，讓桿AB轉過角度，畫出的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，改機構的誤差較大，故該梯形機構不是最理想的機構。</p><p>　　3.3 解析法檢驗</p><p>　　用解析法檢驗者兩種機構在常用轉角范圍時的

30、最小傳動角。機構在任意位置圖示如下：</p><p>　　如上圖，傳動角，令0）。把L與φ為所選所對應的值代入位移方程。計算出各轉角對應的值。其中最小的即為最小傳動角Y min。</p><p>　　經(jīng)計算，我們發(fā)現(xiàn)，隨著α的變化時單調的，其數(shù)據(jù)位：</p><p>　　因此當α取最大值時，機構的傳動角最小，為35.39°。</p><

31、p>　　由機械原理易知，四連桿機構的最小傳動角不宜過小，一般取，而該機構的最小傳動角為35.39°，小于40°。因此該機構并不理想.</p><p><b>　　設計結構分析</b></p><p>　　4.1 四種類型梯形結構的選擇：</p><p>　　汽車轉向梯形結構如下圖所示共有4種可能的類型</p>

32、;<p>　?。╝） （b）</p><p>　?。╟) (d)</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。由于本次研究車輛右轉的情況，即左邊連架

33、桿的轉角α小于右邊連架桿的轉角β。</p><p>　　其中(a)機構為本次課程研究的機構，由前面的計算結果可以知道，(a)機構的β是始終大于α的，故a機構是可行的。</p><p>　　同理，對于(d)機構，當它右轉時，機構的β是始終大于α的，故（d)機構也是可行的。</p><p>　　而對于(b)、(c)機構，經(jīng)分析，當這兩種機構右轉時，α大于β，所以這兩種機

34、構是不可行的。</p><p>　　綜上所述：四種可能的機構中，(a)、(d)兩種機構是可行的；(b)、(c)是不可行的。</p><p>　　結構（a）（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>　　5、 轉向梯形機構優(yōu)化

35、</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形的最佳參數(shù)和進行強度計算。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，

36、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&g

37、t;　　因此，我考慮設計六桿轉向機構。</p><p>　　5.1 計算機構自由度：</p><p>　　n=5; P1=7; Ph=0</p><p>　　F=3n-2Pl-Ph=3×5-2×7=1 </p><p>　　自由度為1，運動確定</p><p><b>　　5.2 運動

38、分析</b></p><p><b>　　列出位移方程：</b></p><p><b>　　5.3機構設計方法</b></p><p>　　為了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><

39、p>　　經(jīng)過分析，我們取L2=0.3m，L3=1.13m。令L1（0.1，0.5）代入位移方程中，解得一組l對應的θ。</p><p>　　再令α=100，將上面求得的L及θ值代入位移方程中，得出各種機構L及θ對應的實際值。</p><p>　　為找出最佳機構，利用公式 得出的理論值。找出實際值中，與β理論值最接近的一個。所對應的L及φ即為最佳機構。</p><p

40、>　　6、課程設計總結 </p><p>　　通過這次課程設計讓我深刻理解到理論與實際相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有通過實踐才能使自己學到的知識發(fā)揮作用。從實踐中得出結論，才能真正使自己懂得了理論。在設計過程中遇到的問題也是很多，但是在設計過程中也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足之處，除了對理論知識的掌握不夠深刻以外，動手能力也有些欠缺。希望以后能有更多的機會來提高自己的能力。</p>