汽車設(shè)計(jì) 全系列傳動(dòng)
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機(jī)械CAD收集整理: 汽車技朮聯(lián)盟：johns_01 E-mail:johns_01@ 本資料來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供參考使用，有涉及版權(quán)請(qǐng)來(lái)信告知?jiǎng)h除處理! 轉(zhuǎn)向梯形 轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開(kāi)式兩種， 選擇整體式或斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方 案有聯(lián)系。無(wú)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(shí)，保證全部 車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運(yùn)動(dòng)的車輪，作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)， 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。 一、轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析 1．整體式轉(zhuǎn)向梯形 整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿1，轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車前軸3組成，如圖7 —30所示。 其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整前束容易，制造成本 低；主要缺點(diǎn)是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動(dòng)時(shí)，會(huì)影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。 當(dāng)汽車前懸架采用非獨(dú)立懸架時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用整體式轉(zhuǎn)向梯形。整體式轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿 可位于前軸后或前軸前(稱為前置梯形)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)位置低或前輪驅(qū)動(dòng)汽車，常采用前置梯 形。前置梯形的梯形臂必須向前外側(cè)方向延伸，因而會(huì)與車輪或制動(dòng)底板發(fā)生干涉，所以在 布置上有困難。為了保護(hù)橫拉桿免遭路面不平物的損傷，橫拉桿的位置應(yīng)盡可能布置得高些， 至少不低于前軸高度。 2．?dāng)嚅_(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形 轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿做成斷開(kāi)的，稱之為斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形。斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形方案之一如圖 7—31所示。斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形的主要優(yōu)點(diǎn)是它與前輪采用獨(dú)立懸架相配合，能夠保證一側(cè)車 輪上、下跳動(dòng)時(shí)，不會(huì)影。向另一側(cè)車輪；與整體式轉(zhuǎn)向梯形比較，由于桿系、球頭增多， 所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，并且調(diào)整前束比較困難。 橫拉桿上斷開(kāi)點(diǎn)的位置與獨(dú)立懸架形式有關(guān)。采用雙橫臂獨(dú)立懸架，常用圖解法(基于三 心定理)確定斷開(kāi)點(diǎn)的位置。其求法如下(圖7 —32b)： 1)延長(zhǎng)K BB與K AA，交于立柱AB的瞬心P點(diǎn)，由P點(diǎn)作直線PS。S點(diǎn)為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心在懸 架桿件(雙橫臂)所在平面上的投影。當(dāng)懸架搖臂的軸線斜置時(shí)，應(yīng)以垂直于搖臂軸的平面作 為當(dāng)量平面進(jìn)行投影和運(yùn)動(dòng)分析。 2)延長(zhǎng)直線AB與K AKB，交于Q AB點(diǎn)，連PQ AB直線。 3)連接S和B點(diǎn)，延長(zhǎng)直線SB。 4)作直線PQ BS， 使直線PQ AB與戶Q BS間夾角等于直線PK A與PS間的夾角。 當(dāng)S點(diǎn)低于A點(diǎn)時(shí)， PQBS 線應(yīng)低于PQ AB線。 5)延長(zhǎng)PS與Q BSKB，相交于D點(diǎn)，此D點(diǎn)便是橫拉桿鉸接點(diǎn)(斷開(kāi)點(diǎn))的理想的位置。 以上是在前輪沒(méi)有轉(zhuǎn)向的情況下，確定斷開(kāi)點(diǎn)D位置的方法。此外，還要對(duì)車輪向左轉(zhuǎn)和 向右轉(zhuǎn)的幾種不同的工況進(jìn)行校核。圖解方法同上，但S點(diǎn)的位置變了；當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向時(shí)，可 認(rèn)為S點(diǎn)沿垂直于主銷中心線AB的平面上畫(huà)弧(不計(jì)主銷后傾角)。如果用這種方法所得到的 橫拉桿長(zhǎng)度在不同轉(zhuǎn)角下都相同或十分接近，則不僅在汽車直線行駛時(shí)，而且在轉(zhuǎn)向時(shí)，車 輪的跳動(dòng)都不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向產(chǎn)生影響。雙橫臂互相平行的懸架能滿足此要求，見(jiàn)圖7 —32a和c。 二、整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響， 所有車輪不是繞位于后軸沿長(zhǎng)線上的點(diǎn)滾動(dòng)，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點(diǎn) 滾動(dòng)。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。因影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，且難以精 確確定，故下面是在忽略側(cè)偏角影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問(wèn)題。此時(shí)，兩轉(zhuǎn) 向前輪軸線的延長(zhǎng)線應(yīng)交在后軸延長(zhǎng)線上，如圖7 —33所示。設(shè)θ i、 θo。分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向 車輪轉(zhuǎn)角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離。若要保證全部車 輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系 若自變角為θ o，則因變角 θi的期望值為 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能近似滿足上式關(guān)系。以圖7 —33所示的后置梯形機(jī)構(gòu)為例，在圖 上作輔助用虛線，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所給出的實(shí)際因變角θ i′為 式中，m為梯形臂長(zhǎng)；γ 為梯形底角。 所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形給出的實(shí)際因變角θ i′，應(yīng)盡可能接近理論上的期望值θ i。其偏差在 最常使用的中間位置附近小角范圍內(nèi)應(yīng)盡量小，以減少高速行駛時(shí)輪胎的磨損；而在不經(jīng)常 使用且車速較低的最大轉(zhuǎn)角時(shí)，可適當(dāng)放寬要求。因此，再引入加權(quán)因子 ωo(θo)，構(gòu)成評(píng) 價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)f(x)為 將式(7 —24)、式(7 —25)代人式(7 —26)得 式中，x 為設(shè)計(jì)變量，θ omax為外轉(zhuǎn)向車輪最大轉(zhuǎn)角，由圖7 —33得 a D L o ? = 2 arcsin min max θ 式中，Dmin為汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑；a為主銷偏移距。 考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θ o小于20°，且10°以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此取 建立約束條件時(shí)應(yīng)考慮到：設(shè)計(jì)變量 m 及過(guò)小時(shí)，會(huì)使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過(guò)大；當(dāng) m 過(guò)大時(shí)，將使梯形布置困難，故對(duì)m 的上、下限及對(duì) γ 的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因 γ 越大， 梯形越接近矩形，f(x) 值就越大，而優(yōu)化過(guò)程是求 f(x) 的極小值，故可不必對(duì) γ 的上限 加以限制。綜上所述，各設(shè)汁變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為 梯形臂長(zhǎng)度m 設(shè)計(jì)時(shí)常取在 mmin =0．11K，mmax =0.15K。梯形底角γ min=70°。 此外，由機(jī)械原理得知，四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角方不宜過(guò)小，通常取 δ≥ δmin =40°。如 圖7 —33所示，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)在汽車向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時(shí)達(dá)到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時(shí) δ≥δ min 即可。利用該圖所作的輔助用虛線及余弦定理，可推出最小傳動(dòng)角約束條件為 式中，δ min為最小傳動(dòng)角。 已知 a D L o ? = 2 arcsin min max θ ，故由式(7 —32)可知， δmin 為設(shè)計(jì)變量m及 γ 的函數(shù)。 由式(7 —29)、式(7 —30)、式(7 —31)和式(7 —32)四項(xiàng)約束條件所形成的可行域，如圖 7—34所示的幾種情況。圖7 —34b適用于要求 δmin 較大， 而 γmin 可小些的車型；圖7 —34c 適用于要求 γmin 較大，而 δmin 小些的車型；圖7 —34a適用介于圖7 —34b、c之間要求的 車型。 由上述數(shù)學(xué)模型可知，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，是一個(gè)小型的約束非線性規(guī)劃問(wèn) 題，可用復(fù)合形法來(lái)求解。 三、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 1．球頭銷 ． 球頭銷常由于球面部分磨損而損壞，為此用下式驗(yàn)算接觸應(yīng)力σ i A F j =σ 式中，F(xiàn)為作用在球頭上的力；A為在通過(guò)球心垂直于F力方向的平面內(nèi)，球面承載部分的投 影面積。 許用接觸應(yīng)力為[ σj]≤25～30N／mm 2 。 設(shè)計(jì)初期，球頭直徑d可根據(jù)表7 —4中推薦的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。 表7—4 球頭直徑 球頭直徑 轉(zhuǎn)向輪負(fù)荷 ／N 球頭直徑 轉(zhuǎn)向輪負(fù)荷 ／N 20 22 25 27 30 到6000 6000～ 9000 9000～12500 12500～ 16000 16000～ 24000 35 40 45 50 24000～ 34000 34000～ 49000 49000～ 70000 70000～ 100000 球頭銷用合金結(jié)構(gòu)鋼12CrNiB、15CrMo、20CrN i或液體碳氮共滲鋼35Cr、35CrNi制造。 2．轉(zhuǎn)向拉桿· 拉桿應(yīng)有較小的質(zhì)量和足夠的剛度。 拉桿的形狀應(yīng)符合布置要求，有時(shí)不得不做成彎的， 這就減小了縱向剛度。拉桿應(yīng)用《材料力學(xué)》中有關(guān)壓桿穩(wěn)定性計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算。穩(wěn)定性 安全系數(shù)不小于1．5～2．5。拉桿用20、30或40鋼無(wú)縫鋼管制成。 3．轉(zhuǎn)向搖臂 在球頭銷上作用的力F，對(duì)轉(zhuǎn)向搖臂構(gòu)成彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩的聯(lián)合作用。危險(xiǎn)斷面在搖臂 根部，應(yīng)按第三強(qiáng)度理論驗(yàn)算其強(qiáng)度 2 22 2 22 4 nW W eF W dF +=σ 式中,Ww、Wn 為危險(xiǎn)斷面的抗彎截面系數(shù)和抗扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)；尺寸d、e見(jiàn)圖7 —35。 要求 σ≤σ T／n 式中，σ T為材料的屈服點(diǎn)；n為安全系數(shù)，取n=1．7～2．4。 轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向搖臂軸經(jīng)花鍵連接，因此要求驗(yàn)算花鍵的擠壓應(yīng)力和切應(yīng)力。
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