某型汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析【轎車(chē)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器】

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I 某型汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 摘要 ： 在當(dāng)今社會(huì)中，汽車(chē)越來(lái)越受到人們的青睞，為了出行方便，基本上家家戶戶都擁有了各種款式不同的小轎車(chē)，可見(jiàn)汽車(chē)在未來(lái)社會(huì)發(fā)展中的重要性和必要性，而且，人們對(duì)汽車(chē)的安全性和智能性的要求也不斷的提升，安全性的需求主要體現(xiàn)在汽車(chē)在路面上行駛的安全，各種操作機(jī)構(gòu)的安全可靠性，以及制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性。此次設(shè)計(jì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，通過(guò)選擇轉(zhuǎn)向系的方案，確定轉(zhuǎn)向系的性能參數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條強(qiáng)度和轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比等參數(shù)以及確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置形式，并進(jìn)行其強(qiáng)度校核，最后通過(guò)使用三維繪圖軟件制出設(shè)計(jì)合理的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 ,并挑選其中的主要零件使用 輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車(chē)中 的使用狀況比較大眾化 ， 期望經(jīng)此次 設(shè)計(jì)，對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器起到優(yōu)化 效果 ， 以 滿足 用戶的使用需求 。 關(guān)鍵詞 ： 轎車(chē)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向器；齒輪齒條；設(shè)計(jì) In s by of in to a of of of in of of in on of of as of in of o of of of D of of of AD a in is by on a in 錄 摘要 ................................................................ I .......................................................... 緒論 .............................................................. 1 究背景 ......................................................... 1 車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ............................... 2 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 ............................................. 3 文研究的內(nèi)容 ................................................... 4 2 前 輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)理論 .......................................... 5 擬樣機(jī)技術(shù)介紹 ................................................. 5 車(chē)前輪 轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 模型建立 ......................................... 5 、后懸架模型 ................................................. 6 向系統(tǒng)模型 ................................................... 7 車(chē)前輪 轉(zhuǎn)向汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型 ....................................... 8 車(chē)坐標(biāo)系 ..................................................... 8 性二自由度 2車(chē)模型 ....................................... 9 性三自由度 2車(chē)模型 ...................................... 10 胎側(cè)偏特性模型 .............................................. 11 3 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù) ..................................... 13 械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 .......................................... 13 向系的效率 .................................................... 13 動(dòng)比特性 ...................................................... 14 4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本設(shè)計(jì) ....................................... 15 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇 ...................................... 15 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 ...................................... 15 向輪偏角計(jì)算 .................................................. 16 向器參數(shù)選取與計(jì)算 ............................................ 17 輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................ 18 向器材料及其他零件選擇 ........................................ 18 5 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)校核 ........................................... 19 條的強(qiáng)度計(jì)算 .................................................. 19 條受力分析 .................................................. 19 條齒部彎曲強(qiáng)度的計(jì)算 ........................................ 19 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 ................................................ 20 6 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ............................................... 23 向梯形 機(jī)構(gòu)概述 ................................................ 23 體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案圖解 ...................................... 23 體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析 .................................. 23 向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .............................................. 25 向傳送機(jī)構(gòu)的各部件 .......................................... 25 向橫拉桿及其端部 ............................................ 26 7 維設(shè)計(jì)和 維設(shè)計(jì)結(jié)果 ............................ 27 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的總成 .......................................... 27 輪齒條式轉(zhuǎn)向器中的部分零件圖 .................................. 28 參考文獻(xiàn) ........................................................... 29 致謝 ............................................................... 30 1 1 緒論 究背景 在飛速發(fā)展的機(jī)械工業(yè)技術(shù)的推動(dòng)下，人們對(duì)道路交通安全和車(chē)輛操控舒適性等方面的關(guān)注 度 也越來(lái)越 高 。 前 輪轉(zhuǎn)向（ 2術(shù)由于行駛舒適安全的優(yōu)點(diǎn)很顯著逐漸被廣泛應(yīng)用， 逐漸發(fā)展 成為主流技術(shù)，滿足 了 消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)提出的舒適安全需求。 自從汽車(chē)誕生之日開(kāi)始，前輪轉(zhuǎn)向由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于檢查和維修，成為人們首選的轉(zhuǎn)向方式。傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)稱(chēng)為 2控制方向盤(pán)，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)的方式來(lái)直接操縱汽車(chē)的行駛方向。建立在只能沿固定軌道行駛的火車(chē)發(fā)明的基礎(chǔ)之上， 2車(chē)擺脫了固定軌道，實(shí)現(xiàn)了自由行駛，實(shí)現(xiàn)了劃時(shí)代的跨越。對(duì)于公交車(chē)等大型公共車(chē)輛，在轉(zhuǎn)彎行駛工況下存在轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大的問(wèn)題；對(duì)于汽車(chē)在高速行駛的工況下，存在著操縱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，不能滿足人們對(duì)行車(chē)安全和操縱穩(wěn)定性日益提高的要求。 因此 人們期待對(duì)前 輪轉(zhuǎn)向技術(shù) (2更好的優(yōu)化 。 對(duì)于汽 車(chē)行駛而言，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向操控時(shí)域響應(yīng)與車(chē)輪與地面接觸的情況有著直接的關(guān)系。當(dāng)車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于駕駛員通過(guò)方向盤(pán)控制前輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，前輪前進(jìn)方向由縱向變?yōu)閮A斜，由于輪胎與地面的接觸摩擦，這個(gè)摩擦力沿側(cè)向的分力，會(huì)影響汽車(chē)的原有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使其發(fā)生橫擺。當(dāng)車(chē)身在進(jìn)行橫擺運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)離心力，這個(gè)離心力作用在前輪上的分力正好抵消地面通過(guò)前輪作用給車(chē)身的側(cè)向力，作用在后輪上的 離心力的 分力與地面對(duì)后輪的摩擦力的合力，會(huì)使后輪前進(jìn)的角度產(chǎn)生一個(gè)偏移角，從而跟隨前輪實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向行駛。因此，前輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪是 跟隨前輪的轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)向，而且車(chē)身越長(zhǎng)，后輪響應(yīng)越滯后，這樣以來(lái)，極大地降低了汽車(chē)行駛的靈敏性。 而 2統(tǒng)和 4統(tǒng)最根本的區(qū)別在于：當(dāng)控制方向盤(pán)操縱前輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度的同時(shí)，后輪也相應(yīng)地轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，通過(guò)控制后輪的轉(zhuǎn)向相位和偏轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同的路況的轉(zhuǎn)向操作。當(dāng)車(chē)輛以較低的速度通過(guò)彎道時(shí)，當(dāng)前輪和后輪沿相反的方向 各自 轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向中心由原來(lái)的位置向上向里偏移了一定的位置，有效地減小了車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑 。 當(dāng)汽車(chē)以較高速通過(guò)轉(zhuǎn)彎路況，車(chē)輪轉(zhuǎn)彎所需角度 和 汽車(chē)車(chē)身橫擺率 以及 側(cè)向速度波動(dòng)范圍和 影響會(huì)比 較 小，車(chē)輛操控更穩(wěn)定和輕便 [1]。 2 車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 20 世紀(jì)初，東京汽車(chē)工業(yè)學(xué)會(huì) 在某次會(huì)議中 提出將前輪和后輪通過(guò)機(jī)械剛性聯(lián)接 ， 當(dāng)駕駛員通過(guò)操縱方向盤(pán)控制前輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度之后，后輪由原來(lái)的通過(guò)地面摩擦的影響進(jìn)行轉(zhuǎn)向改變?yōu)楦鶕?jù)剛性聯(lián)接而直接響應(yīng)前輪的轉(zhuǎn)向跟隨，這樣有效地縮小了前后輪之間的滯后時(shí)間。在二戰(zhàn)期間，美國(guó)軍方采用了一種方式實(shí)現(xiàn)汽車(chē)前后輪能夠同時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提高汽車(chē)在惡劣路況上的機(jī)動(dòng)性能。在 70 年代末，中國(guó)、歐洲等國(guó)家的機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)或工會(huì)都積極推動(dòng)了 2統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，許多公司例如：本田、馬自達(dá)、大眾等都提出了不同的車(chē)輛轉(zhuǎn)向伺服控制方案：有的是通過(guò)控制前后輪通過(guò)彎道路面時(shí)的轉(zhuǎn)角之間的比例，有的是通過(guò)控制車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的質(zhì)心側(cè)偏的實(shí)時(shí)伺服控制與補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn) 前 輪轉(zhuǎn)向控制，有的是通過(guò)對(duì)汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的橫擺率波動(dòng)情況來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn) 2統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。不過(guò)這幾大汽車(chē)公司的 前 輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)都是簡(jiǎn)單的機(jī)械式連接前后輪，并沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制前后輪的運(yùn)動(dòng)。 中國(guó)是直到上個(gè)世紀(jì) 80 年代才開(kāi)始了對(duì) 2制技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)工業(yè)的重視力度的 提高和對(duì)相關(guān)高?？蒲泄ぷ鞯闹С趾唾Y助，比如在吉林大學(xué)、清華大學(xué)和湖南大學(xué)三所大學(xué)建立了國(guó)家汽車(chē)實(shí)驗(yàn)室，并在長(zhǎng)春第一汽車(chē)集團(tuán)公司和東風(fēng)第二汽車(chē)集團(tuán)公司等大型汽車(chē)基地建立了人才儲(chǔ)備計(jì)劃，促進(jìn)了中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前社會(huì)是出于信息時(shí)代，電器電子控制技術(shù)在車(chē)輛上的應(yīng)用也是日益增多，能夠通過(guò)電腦 制單元實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜、龐大的計(jì)算與控制，國(guó)內(nèi)的一些科研單位和高校也相繼建立了基于汽車(chē)電子方向的 2統(tǒng)研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行虛擬仿真來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)新型的、高效的 2輛。其中國(guó)內(nèi) 以 機(jī)械車(chē)輛為優(yōu)勢(shì)學(xué)科的 多所高校的的科研團(tuán)隊(duì)都相應(yīng)提出了自己對(duì)2制技術(shù)的研究 狀況 。例如：利用 2入與輸出之間的傳遞函數(shù)比例精準(zhǔn)控制，并結(jié)合與 2制系統(tǒng)分對(duì)比仿真分析，從而指出了 2制技術(shù)的發(fā)展方向。 析出了在不同車(chē)速時(shí)，車(chē)輛前轉(zhuǎn)向輪和后轉(zhuǎn)向輪的側(cè)偏剛度及重心的位置對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的作用。他認(rèn)為要想改善車(chē)輛的穩(wěn)定性能就必須合理匹配、校驗(yàn)車(chē)輛前轉(zhuǎn)向輪和后轉(zhuǎn)向輪的側(cè)偏剛度與重心的位置。 3 魯棒控制方案也是一項(xiàng)新型的研究，是由 出的控制策略。這種控制策略是基于 ?H 控制理論，其最終結(jié)果是抵抗外部環(huán)境的干擾。 在國(guó)內(nèi) ,郭孔輝教授研究出“冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型” [2]。 這種研究策略揭示了在前 輪轉(zhuǎn)向中，輪胎的非線性特性能夠幫助車(chē)輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 王洪禮教授等人采用了 ?2 和魯棒控制 ?H 混合控制的方法，控制研究了非線性模型 [3]。 這種 控制方法能夠改善汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。 目前 4 種最主要的汽車(chē)轉(zhuǎn)向器都是我國(guó)大力發(fā)展的對(duì)象，各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同款式的車(chē)上都能發(fā)揮其作用，但是，無(wú)論技術(shù)怎么發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)安全性的要求永遠(yuǎn)都是第一位的，其次我覺(jué)得就是智能化，操作簡(jiǎn)單化，比如，像汽車(chē)內(nèi)的電子電器設(shè)備在未來(lái)的發(fā)展中可以一鍵代替，車(chē)門(mén)也可以智能化，感應(yīng)化，在防盜這方面，也可以做成系統(tǒng)進(jìn)行人臉識(shí)別等等。很多很多的人性化需求我希望我國(guó)在未來(lái)的汽車(chē)發(fā)展中可以得到實(shí)現(xiàn)。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)我覺(jué)得會(huì)成為未來(lái)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系的發(fā)展的主流，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，安裝方便，容易控制，盡可能的為駕駛員省 時(shí)省力，并且安全性會(huì)高很多。其次，我覺(jué)得智能化還能體現(xiàn)自動(dòng)化上，甚至可以做到使駕駛員解放雙手，比如現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了無(wú)人駕駛汽車(chē)，相信再過(guò)不了多久，我國(guó)也可以做出無(wú)人駕駛汽車(chē)。解放駕駛員雙手的目的在于使汽車(chē)全智能行駛，比如像汽車(chē)的左拐和右拐可以使用語(yǔ)音識(shí)別來(lái)進(jìn)行，開(kāi)車(chē)門(mén)和關(guān)車(chē)門(mén)也可以使用語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，車(chē)內(nèi)的電子電器設(shè)備也可以使用語(yǔ)音識(shí)別，比如歌曲的播放或者歌曲的選擇。未來(lái)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用語(yǔ)音識(shí)別是最好的選擇，駕駛員使用簡(jiǎn)單方便，而且容易操作。還有一種解決方案就是用數(shù)據(jù)控制，對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行編程，用一個(gè)鍵 來(lái)控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向，在駕駛員的駕駛過(guò)程中，只要按這個(gè)鍵，就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。等等還有很多很多的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的更新方案，只要我們努力，相信在未來(lái)的發(fā)展中汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn)會(huì)越來(lái)越好的。 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 由 發(fā)動(dòng)機(jī) 提供的動(dòng)力及其他 動(dòng)力 形成的 轉(zhuǎn)向能源 共同 構(gòu)成汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一套機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和一套轉(zhuǎn)向加力系統(tǒng)組成。示。 4 圖 . 方向盤(pán) 司機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，力傳動(dòng)到轉(zhuǎn)向搖臂之后，通過(guò)圖中的 11、 8、 7，再將力傳遞到轉(zhuǎn)向輪，令它發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)，從而，該控制閥在該輸入軸的影響下轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，缸內(nèi)就會(huì)形成一種作用力，即液壓作用力，促使轉(zhuǎn)向成功。相對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這樣就減小了駕駛員所需要加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩。 文研究的內(nèi)容 本篇論文主要是研究 轎車(chē) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個(gè)部件的組成，每個(gè)部件的作用等等，還包括三維圖和二維圖的設(shè)計(jì)。最終并展示所有設(shè)計(jì)成果。 根據(jù)四年來(lái)所學(xué)習(xí)的所有知識(shí)進(jìn)行領(lǐng)會(huì)和綜合運(yùn)用。根據(jù)所學(xué)習(xí)的汽車(chē)構(gòu)造的知識(shí)熟練掌握汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，學(xué)習(xí)并使用 維建模軟件和 維繪圖軟件設(shè)計(jì)出合理并且實(shí)用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。在使用三維建模軟件的過(guò)程中，可以適當(dāng)?shù)倪x取和使用零件庫(kù)里面的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)進(jìn)行配合，在使用三維建模的軟件的過(guò)程中要注意各種特征的創(chuàng)建，各種零件的配合。 5 2 前 輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)理論 擬樣機(jī)技術(shù)介紹 虛擬樣機(jī)技術(shù) 這種技術(shù)在以往的設(shè)計(jì)方法中做出巨大革新，將設(shè)計(jì)和分析放到一起，做為一個(gè)整體去看待 。利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，建立產(chǎn)品的整體模型 ,全面對(duì)其使用情況進(jìn)行仿真分析 ,根據(jù)整體分析效果，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提高其使用性能，周期短，費(fèi)用低。 在以前的產(chǎn)品的前期研發(fā)設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)很多的缺陷和不足，而這些缺陷和不足只有在實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)中才能得以表現(xiàn)，所以為了檢驗(yàn)或檢查出這些不足之處，往往需要建立大規(guī)?；虼罅康膶?shí)體模型或樣機(jī)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)，這一項(xiàng)工程是十分龐大且很繁瑣，會(huì)耗費(fèi)很多的投入。若試驗(yàn)的次數(shù)不夠，有些缺陷和不 足就不能被充分發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的整體質(zhì)量進(jìn)一步改善。 將以往的設(shè)計(jì) 模式 做出優(yōu)化后 ， 使其成為一種更為貼近人們使用要求的模式 。通過(guò)這種技術(shù)，在產(chǎn)品的前期研究設(shè)計(jì)階段，研究人員可以對(duì)當(dāng)前所研究出來(lái)的樣品在計(jì)算機(jī)環(huán)境中進(jìn)行虛擬建模，并在 制單元的幫助通過(guò)對(duì)這些模型進(jìn)行受力分析和仿真分析，在軟件的環(huán)境下對(duì)這些產(chǎn)品的各部件的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀察，并設(shè)定一系列的臨界值，在分析過(guò)程中，如果出現(xiàn)哪一項(xiàng)數(shù)值低于或高于臨界值時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)提示，這樣設(shè)計(jì)人員就知道這些樣品中普遍的問(wèn)題，從而進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)還能根據(jù)仿真試驗(yàn) 的結(jié)果，隨時(shí)修改零部件的模型的物理參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這樣的研發(fā)模式，可大大縮短研發(fā)周期，同時(shí)也能很大程度上節(jié)約投入的人力物力。在前期設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化過(guò)程中，工程師 可 發(fā)揮自己的 能力 設(shè)計(jì)更 好 的產(chǎn)品 [4]。 車(chē) 前 輪 轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 模型建立 本課題是在 件的建模環(huán)境下，是基于一款 轎車(chē) 車(chē)型的基礎(chǔ)上，對(duì)其的懸架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和改進(jìn)，定義出一系列幾何結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)，這個(gè)模型包括懸架部分、轉(zhuǎn)向部分 ， 其中懸架部分為 型和 型。 在 行駛時(shí) ，車(chē)輛的車(chē)速普遍不是很高，所以對(duì)這款 轎車(chē) 的簡(jiǎn)化模型是一個(gè)只涉及側(cè)向和橫擺，只有兩個(gè)自由度的物理模型。然后實(shí)際的行駛過(guò)程中，當(dāng)車(chē)速較大時(shí)，外界有很多非線性的干擾因素會(huì)對(duì) 2輛的行駛造成影響。所以本課題中的模型 是在前者的基礎(chǔ)上，另外加入 側(cè)傾 這個(gè) 方向 ， 構(gòu)建一個(gè) 三自由度的幾何模型。 6 、后懸架模型 非獨(dú)立懸架 是 通過(guò)剛性連接 的 ，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，但缺點(diǎn)也很明顯，那就是車(chē)輛有較多的質(zhì)量由輪胎直接承載， 從而降低了汽車(chē)的行駛平順性 ；獨(dú)立懸架 包括 不剛性 的和 柔性 的連接 。 獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu) 要 相對(duì)繁瑣 ，非簧載質(zhì)量 較小帶來(lái)的直接影響就是降低了 地面的沖擊載荷， 而且一些剛性聯(lián)接件至今不使用 ，汽車(chē)的底盤(pán)下沉，重心降低，從而使平順性得到了保證 。 麥弗遜懸架、多連桿懸架和雙橫臂懸架 等懸架形式應(yīng)用較廣 。其中麥弗遜懸架是一種經(jīng)典的獨(dú)立懸架形式，在汽車(chē)行駛過(guò)程中，麥弗遜懸架在輪胎跳動(dòng)的情況下能有效保證輪胎與地面的接觸面積，而且整體結(jié)構(gòu)占用的有效空間小，在過(guò)彎道時(shí)能有效地改善懸架的縮短響應(yīng)時(shí)間。但缺點(diǎn)也是很明顯，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，由于整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而導(dǎo)致懸架剛度較低，在路面不平或者惡劣的路面行駛，對(duì)懸架的損傷較大，導(dǎo)致懸架的壽命不長(zhǎng)的問(wèn)題。 雙橫臂懸架對(duì)麥弗遜懸架 實(shí) 行了剛度方面的優(yōu)化 ，汽車(chē)在行駛時(shí)兩根橫臂能夠有效吸收 因車(chē)輪跳動(dòng)而從 地面?zhèn)鬟f過(guò)來(lái)的沖擊和載荷，同時(shí)兩個(gè)插臂還能有效吸收左右兩個(gè)方向作用力對(duì)懸架的沖擊，整體剛度有所提高。同時(shí)，由于上下兩個(gè)搖臂的長(zhǎng)度不同，車(chē)輪在上下跳動(dòng)的時(shí)候，能夠自適應(yīng)路面的情況實(shí)時(shí)改變輪胎的外傾角和輪距，而且輪胎與地面的接觸面積也較大，從而能夠有效減小輪胎的磨損。多連桿懸架則是在雙橫臂懸架的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，通過(guò)設(shè)置多個(gè)連桿，總而有效地增加了懸架整體的剛度，同時(shí)也有效地減少了懸架的整體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計(jì)理念。 前后懸架如圖 示。單側(cè)懸架 設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù) 側(cè)向、橫擺、側(cè)傾三個(gè)自由度方向的受力或力矩的情況。本課題中建立的物理模型主要是以后懸架插臂和轉(zhuǎn)向系之間的聯(lián)系為重點(diǎn) 建立的 。 7 圖 懸架物理模型 圖 懸架物理模型 向系統(tǒng)模型 車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎行駛的過(guò)程中，懸架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向系之間的配合設(shè)計(jì)是對(duì)汽車(chē)的操控平順性是非常重要的，所以本課題在進(jìn)行了懸架模型的建立之后，相應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)向系進(jìn)行了考慮。在上面對(duì)前懸架和后懸架的建立過(guò)程中，就已經(jīng)十分詳細(xì)地考慮了前后系統(tǒng)，所以選擇與前、后懸架匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即可，只需要參照前后懸架轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)和桿件的相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。 8 圖 向系的物理模型 車(chē) 前 輪 轉(zhuǎn)向汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型 車(chē)坐標(biāo)系 對(duì) 2統(tǒng)必須建立一個(gè)較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行分析，這個(gè)模型應(yīng)該包含控制力來(lái)源、實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和側(cè)向風(fēng)等外界條件的干擾等因素，能夠較為準(zhǔn)確地簡(jiǎn)化需要研究的參數(shù)和性能，同時(shí)又不影響實(shí)際研究。當(dāng)前，有很多的高校和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)就基于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)下對(duì) 2輛建模進(jìn)行了深入的研究。本課題對(duì)這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一些收集和整理，介紹具有側(cè)偏非線性特性因素的輪胎模型，當(dāng)前對(duì) 前 輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的研究都是建立在只有側(cè)向和橫擺兩個(gè)方向上，只有兩個(gè)自由度的線性模型的基礎(chǔ)上，本課題通過(guò)在模 型 中加入側(cè)傾方向的自由度，充分考慮汽在實(shí)際行駛過(guò)程中的各種運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)進(jìn)而分析其的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)將這幾種模型和 2車(chē)模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合仿真結(jié)果，比較二者之間的區(qū)別和優(yōu)劣 [5]。 9 圖 車(chē)坐標(biāo)系 圖中： — 車(chē)輛的左右對(duì)稱(chēng)面 x 軸 —— 車(chē)輛前進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向 y 軸 —— 車(chē)輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)方向 o 點(diǎn) —— 汽車(chē)質(zhì)心的位置 橫擺角速度 —— 汽車(chē)質(zhì)心偏轉(zhuǎn)角速度在 z 軸上的分量 側(cè)向加速度 v —— 汽車(chē)質(zhì)心速度在 y 軸上的分量 側(cè)向角加速度 —— 汽車(chē)質(zhì)心角速度在 y 軸上的分量 性二自由度 2車(chē)模型 先對(duì) 2車(chē)模型作如下的假設(shè)： （ 1） 只考慮車(chē)輛 的 側(cè)向 移動(dòng) 和橫向 偏移 ； （ 2） 車(chē)輛在前進(jìn)方向的速度保持為定值； （ 3） 忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)的影響； （ 4） 汽車(chē)的側(cè)向加速度不高于 2/4，輪胎的側(cè)偏 性不明顯； （ 5） 汽車(chē)車(chē)速不大，所以可以不計(jì)空氣阻力的影響； 通過(guò)以上五點(diǎn)假設(shè)，不考慮汽車(chē)在垂向、俯仰、側(cè)傾三個(gè)方向的移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，從而 2車(chē)可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)車(chē)輪的“摩托車(chē)”模型，縱向是車(chē)輛前進(jìn)方向，側(cè)向和橫擺兩個(gè)方向的受力或力矩對(duì)汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生影響。 0 圖 性二自由度 2車(chē)模型 性三自由度 2車(chē)模型 上面的只有側(cè)向和橫擺兩個(gè)方向的共計(jì)兩個(gè)自由度的“摩托車(chē)”模型是基于五點(diǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)上，這樣的假設(shè)忽略了在實(shí)際行駛過(guò)程中，很多的外界條件的干擾。特別是當(dāng)汽車(chē)的側(cè)偏效應(yīng)比較大是，這樣的簡(jiǎn)化二自由度模型并不能滿足汽車(chē)實(shí)際行駛的情況，導(dǎo)致模型的可行性和分析精度的大大降低。因此，只有充分考慮車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)模型加以改進(jìn)，才能使所建立的模型滿足更多的實(shí)際運(yùn)動(dòng)條件。 增加模型的自由度分析，可以從多個(gè)方向來(lái)進(jìn)一步考慮汽車(chē)的行駛狀況，但增加一個(gè)自由度，計(jì)算機(jī)對(duì)模型的分析和仿真計(jì)算的程度就會(huì)大大提高，甚至 計(jì)算機(jī)也不能求解出理想的答案，所以對(duì)這樣的模型只能從仿真結(jié)果的曲線關(guān)系圖進(jìn)行定性分析。 11 圖 線性三自由度 2車(chē)模型 胎側(cè)偏特性模型 車(chē)輛在實(shí)際行駛過(guò)程中，會(huì)受到許多外界的干擾條件的影響，其中比如：路面的粗糙程度、空氣阻力的大小、車(chē)輛在駕駛員通過(guò)操控方向盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作時(shí)，車(chē)輛所受到的離心力和地面摩擦力相互之間對(duì)車(chē)輛的影響。 車(chē)輛因轉(zhuǎn)彎行駛 收到地面的摩擦力和車(chē)輪轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的離心力的作用下 ， 若 離心力 大于此 摩擦力，輪胎與地面之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)； 若 離心力 小于或等于此 最大摩擦力，車(chē)輪會(huì)向兩側(cè) 發(fā)生 偏移 。 所以說(shuō) 側(cè)向力 有 沒(méi)有達(dá)到車(chē)輪在地面 上的附著極限，車(chē)輪依然會(huì)發(fā)生偏移 ，這就是輪胎的 偏差 現(xiàn)象。輪胎的這種特性，可分為 型兩種。其中 型是指車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎行駛過(guò)程中，離心力和地面摩擦力之間的相互作用下，輪胎所受的側(cè)偏力和駕駛員操控方向盤(pán)使前輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間的關(guān)系為正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，側(cè)偏作用力也隨之增大，但轉(zhuǎn)過(guò)的角度減小時(shí)，側(cè)偏作用力也隨之減小。而 型則是指?jìng)?cè)偏剛度 胎的這兩種模型之間的關(guān)系曲線可以由如下圖像可知： 12 圖 輪胎的 性 由圖可知，當(dāng)輪胎的側(cè)偏轉(zhuǎn)角小于 5°時(shí)，汽車(chē)的側(cè)偏剛度 K 基本保持不變，兩者之間的關(guān)系可以用線性函數(shù)比擬，輪胎所受的側(cè)偏力和駕駛員操控方向盤(pán)使前輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間的關(guān)系為正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，側(cè)偏作用力也隨之增大，但轉(zhuǎn)過(guò)的角度減小時(shí)，側(cè)偏作用力也隨之減??；然而，當(dāng)輪胎的測(cè)拍你轉(zhuǎn)角超過(guò) 5°時(shí)，汽車(chē)的側(cè)偏剛度 K 越來(lái)越小，這時(shí)，兩者的關(guān)系不能再用線性正比例函數(shù)來(lái)比擬，此時(shí)輪胎出于 型的狀態(tài)。此時(shí)，為了研究在較大側(cè)偏角的工況下的輪胎模型，不少研究團(tuán)隊(duì)都提出了自己的研究處理方案，本課題為了研 究輪胎的 型，直接參考了在上個(gè)世紀(jì) 70 年代，有吉林大學(xué)的郭孔輝教授提出的在汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，地面對(duì)汽車(chē)的側(cè)向力和汽車(chē)所收到的回正力矩之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，即半經(jīng)驗(yàn)“ 胎模型。 此 輪胎統(tǒng)一模型可應(yīng)用于本課題中對(duì) 前 輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)模型的建立和仿真中， 可 提高計(jì)算機(jī)和運(yùn)算 [6]。 13 3 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù) 械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 圖 輪轉(zhuǎn)向系 的基本構(gòu)成 萬(wàn)向節(jié)在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中起 緩沖 作用。比如在發(fā)生車(chē)禍的時(shí)候，駕駛員猛烈的撞擊方向盤(pán)，方向盤(pán)上所受的撞擊力傳給轉(zhuǎn)向軸，而這些撞擊力可以通過(guò)萬(wàn)向節(jié)得到緩解，使駕駛員安全性提高。在轉(zhuǎn)向器中，齒輪和齒條的形狀很重要，比如，如果齒輪選擇了直齒，那么直齒在與齒條嚙合的過(guò)程中不穩(wěn)定，容易跳齒，還有齒條的選擇，齒條的形狀有圓柱形，矩形， V 形等等，最合適的選擇是圓柱形，因?yàn)閳A柱形相比較 V 形而言會(huì)減小很多摩擦。在轉(zhuǎn)向柱的那個(gè)部位，有安裝吸能裝置，它的作用和萬(wàn)向節(jié)相似，比如在發(fā)生車(chē)禍的時(shí)候，駕駛員猛烈的撞擊方向盤(pán)，方向盤(pán)上所受的撞擊力傳給轉(zhuǎn)向軸，而這些撞擊力可 以通過(guò)萬(wàn)向節(jié)得到緩解，使駕駛員安全性提高。 向系的效率 轉(zhuǎn)向系的效率代表了轉(zhuǎn)向器性能的好壞，力在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間相互轉(zhuǎn)換，駕駛員施加給方向盤(pán)的力通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳給萬(wàn)向節(jié)，萬(wàn)向節(jié)是車(chē)輪發(fā)生左右轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣的，當(dāng)汽車(chē)在行駛的過(guò)程中，由于路面的不平整，也會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪震動(dòng)，發(fā)生左右轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)力經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置傳送到方向盤(pán)，使方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)，形成打滑現(xiàn)象，會(huì)打到駕駛員的手。 14 動(dòng)比特性 轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比 : ?????? ??? //0（ ??? ?0 （ 轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比： ?????? ??? // （ 式中 p? 為搖臂軸角速度； 為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。 轉(zhuǎn)向阻力 轉(zhuǎn)向阻力（ a 為主銷(xiāo)偏距。 將式代入 2? 后得到：用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力 （ 02??? ? （ 將式（ 3入式（ 3得到： 0?? （ 其中 傳動(dòng)比 向盤(pán)直徑 15 4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本設(shè)計(jì) 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇 （ 1） 輸入輸出形式選擇 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式 [7]。 即 中間輸入，兩端輸出（圖 側(cè)面輸入，兩端輸出（圖 側(cè)面輸入，中間輸出（側(cè)面輸入，一端輸出（圖 圖 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式 （ 2） 齒輪形式選擇 本設(shè)計(jì) 采用螺旋齒。 （ 3） 齒條形式選擇。 本設(shè)計(jì)采用圓形端面齒條。 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 中因?yàn)檗D(zhuǎn)向器相對(duì)前輪位置的不同而形成的布置形式 ： （ 1） 前軸 在前 ，梯形 在后 （圖 （ 2） 前軸 在前 ，梯形 在前 （圖 （ 3） 前軸 在后 ，梯形 在后 （圖 （ 4） 前軸 在后 ，梯形 在前 （圖 16 圖 種布置形式 向輪偏角計(jì)算 本次設(shè)計(jì)的車(chē)輛的軸距取為 2648此其半徑在 盡量取小值以保證良好的機(jī)動(dòng)性，最小轉(zhuǎn)彎半徑 m 。 據(jù)此，由圖 轉(zhuǎn)向輪外輪最大轉(zhuǎn)角 )/(a rc s in m a x ?? (L 為汽車(chē)軸距。本設(shè)計(jì)軸距為 L=2648 角圖 可以得到外輪最大轉(zhuǎn)角648t a n 0 . 6 7 0c o s 5 0 0 0 c o s 1 4 4 0??? ? ?? ? ? ? ( 17 于是得轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 ? 向器參數(shù)選取與計(jì)算 正確嚙合條件： ? 21 ； ??? ?? 21 ； 21 ?? ?? 表 輪齒條的主要參數(shù) 名稱(chēng) 齒輪 齒條 齒數(shù) Z 7 31 模數(shù) 力角 n? 020 020 螺旋角 ? β 1= 012 β 2=- 012 變位系數(shù) 輪胎上的原地轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩由經(jīng)驗(yàn)公式得： 式中， f— 輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因素； 為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（ N）；取前軸滿載 815 p— 為輪胎氣壓（ 取 所以 方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)： c o = 3 . 2 5(其中 0初選傳動(dòng)比。 方向盤(pán)上的操縱載荷力：h s w +2= = 6 3 . 9i (結(jié)果符合設(shè)計(jì)的要求 因?yàn)?所以作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩為 h s = 2 4 2 8 2 m （ 18 力傳動(dòng)比： 4 98 ????? （ 取齒寬系數(shù) n o s o s 11 ???? ?? （ 齒條寬度 d ??? ? 圓整取 22 ? 。則取齒輪齒寬21021 ??? 輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在 齒輪的尺寸 下 設(shè)計(jì)齒輪軸，如圖 示。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用螺旋齒結(jié)構(gòu)， 傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定軸向力 。螺旋齒旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒條左右旋轉(zhuǎn)。 壓緊彈簧安裝在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)里面的齒條的背面，可以吸收齒條對(duì)壓塊的力，起到一個(gè)緩沖作用。 Φ20Φ128 4 3 8 1 2 3 5Φ10Φ12 Φ 41 7 . 51 5 圖 輪軸結(jié)構(gòu) 向器材料及其他零件選擇 （ 1） 齒輪齒條材料選擇 小齒輪：選用 20金鋼。 （ 2） 軸承的選擇 軸承 1：深溝球軸承 6004C (292 軸承 2：滾針軸承 201019c （ 152 （ 3） 轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑和密封 方式 的選擇 轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑方式：人工定期潤(rùn)滑 潤(rùn)滑脂：石墨鈣基潤(rùn)滑脂中的 滑脂。 密封件：密封毛氈 6 30 3871— ?]2[ 19 5 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)校核 條的強(qiáng)度計(jì)算 條受力分析 圖 條的受力分析 如上圖所示，各力的大小為： 1β? (式中 1? —— 齒輪軸分度圓螺旋角； n? —— 法面壓力角。 齒輪軸受到的切向力： 2 齒條齒面的法向力： ? =條齒部受到的切向力： F ? ( 條齒部彎曲強(qiáng)度的計(jì)算 齒條的單齒彎曲應(yīng)力： 20 2 107 bs hF ? （ 式中： 齒條齒面切向力； b—— 危險(xiǎn)截面處沿齒長(zhǎng)方向齒寬； 1h —— 齒條計(jì)算齒高； S —— 危險(xiǎn)截面齒厚； 齒輪齒條的總重合系數(shù)按理論計(jì)算值為 在嚙合 時(shí) 至少有 2 對(duì)齒同時(shí)嚙合， 故 每個(gè)齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍 [8]。 則 2001 ? ? = （ 齒條的材料是 40造，因此： 抗拉強(qiáng)度 ?b? 735N/ (沒(méi)有考慮熱處理對(duì)強(qiáng)度的影響 )。 齒部彎曲安全系數(shù) 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 （ 1） 齒輪的計(jì)算載荷 P = （ L —— 沿齒面的接觸線長(zhǎng)，單位 [9]： P= （ 式中 K—— 載荷系數(shù)。 K= K ?K （ 所以載荷系數(shù) K= K ? 1? 1? 齒輪傳動(dòng)的端面重合度 計(jì)算 端面模數(shù) =面壓力角α t= =0 =21 =0 =0 = （ 在斜齒輪傳動(dòng)中齒輪的單位長(zhǎng)度受力和接觸長(zhǎng)度為 [10]： ???? ? ?（ =2/????????? 1c i n c ?????????? ???? (=??? ?11???H?? 式中： 彈性系數(shù) ???????? ????222121 111??? (0金鋼 作為主動(dòng)輪的主要構(gòu)成材料 ， 1? 和 2? 相等， 用 合金鋼 這種材料 ， 于 －節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ? ?c o ss in c o 可根據(jù)螺旋角 ? 查得 [11]， = 22 齒輪與齒條的傳動(dòng)比 u 趨于無(wú)窮 11?? （ 所以 H? = 接觸疲勞強(qiáng)度極限 1通過(guò)計(jì)算后，得出該值為 1000 N = 2? 105 ，= 即 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 為 200000 次 。 根據(jù)理論數(shù)據(jù)可得計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 [12] ? ? ? = 1000 1100 （ 式中 為 接觸疲勞壽命系數(shù) H?

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關(guān) 鍵  詞：

汽車(chē) 轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 分析 轎車(chē) 齒輪 齒條 轉(zhuǎn)向器