機械原理課程設(shè)計

說明書

題目汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

目錄

引言

一、題目：汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)........................3

1、設(shè)計題目.....................................3

2、設(shè)計數(shù)據(jù)與要求...............................4

3、設(shè)計任務(wù).....................................5

二、轉(zhuǎn)向系統(tǒng).......................................5

1、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述及結(jié)構(gòu)簡介.......................5

2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求...............................6

3、傳動比變化特性...............................6

1、轉(zhuǎn)向系傳動比...............................6

2、力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系.........7

3、轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇.......................8

三、設(shè)計內(nèi)容.......................................8

四、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析..................................10

五、轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化..............................11

引言

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%o2006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(shù)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。

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(shù)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(xué)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。

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(yīng)準確，快速、

平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向行使后或受到外界擾動時，在駕駛員松開方

向盤的狀態(tài)下，應(yīng)保證汽車自動返回穩(wěn)定的直線行使狀態(tài)。

隨著私家車的越來越普遍，各式各樣的高中詆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(fù)雜，使轉(zhuǎn)向盤的操

作頻率增大，這要求減輕駕駛疲勞。

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)。

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(shè)

計轎車轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

一、題目：汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

1、設(shè)計題目

汽車的前輪轉(zhuǎn)向，是通過等腰梯形機構(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=8）,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「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)彎半徑依汽

車轉(zhuǎn)向行駛時,各車輪運行軌跡中最外側(cè)車輪滾出的圓周半徑），要求左右兩輪軸

線（力反切）分別轉(zhuǎn)過不同的角度a和B,其關(guān)系如下：

如附圖32所示為汽車右拐時：

tana=L/（R-d-B）tanB=L/（R-d）

所以a和B的函數(shù)關(guān)系為：

cotB-cota=BIL

同理，當汽車左拐時，由于對稱性，有cotcot￡=3/L,故轉(zhuǎn)向機構(gòu).仍力

的設(shè)計應(yīng)盡量滿足以上轉(zhuǎn)角要求.

2

附圖32

2、設(shè)計數(shù)據(jù)與要求

設(shè)計數(shù)據(jù)見附表18,要求汽車沿直線行駛時，較鏈四桿機構(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(shè)計此較鏈四桿機構(gòu).

附表18設(shè)計數(shù)據(jù)

最小轉(zhuǎn)彎銷軸到車輪中

參數(shù)軸距輪距

半徑心的距離

符號LBRmind

單位Mmmmmmmm

途樂

290016056100400

GRX

型

途樂290015556100400

號

尼桑公

280015005500500

爵

3、設(shè)計任務(wù)

1）、根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑Rmin和/?max=8（直線行駛），求出理論上

要求的轉(zhuǎn)角a和B的對應(yīng)值。要求最少2組對應(yīng)值。

2）、按給定兩聯(lián)架桿對應(yīng)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(shè)計較鏈四桿機構(gòu)ABCD。

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)選取出二96°?103。，Bo=77。?84°。建議出取102°,

6。取78°o

4）、用圖解法檢驗機構(gòu)在常用轉(zhuǎn)角范圍aW20"時的最小轉(zhuǎn)動角

Ymin。

二、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述及結(jié)構(gòu)簡介

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。

按轉(zhuǎn)向力能源的不同，口J將轉(zhuǎn)向系分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。

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)向系的核心部件。

2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求

1、轎車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)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。

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。

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。

4、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和懸架導(dǎo)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(yīng)最小。

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。

6、操縱輕便。

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。

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)。

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(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。

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。

3、傳動比變化特性

1、轉(zhuǎn)向系傳動比

轉(zhuǎn)向系的傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比驍和轉(zhuǎn)向系的力傳動比加。

傳動系的力傳動比：

ip=2Fw/F(1)

轉(zhuǎn)向系的角傳動比：

?如出

叫d瓦/力帆

轉(zhuǎn)向系的角傳動比強由轉(zhuǎn)向器角傳動比'卬和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動組成，即:

(0(0(3)

轉(zhuǎn)向器的角傳動比:

cow_d(p/dt_d(p

%dpp/dtdpp

轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比：

『_-也￡_里(5)

軟dpjdtdpk

2、力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系

轉(zhuǎn)向阻力人與轉(zhuǎn)向阻力矩M,的關(guān)系式：

Fw=^-(1)

a

作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力凡與作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩M"的關(guān)系式:

將式(1)、式⑵代入‘產(chǎn)2后”此后得到:

MR

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

_^=工=〃(4)

MhdPk

將式(1)代入式(2)后得到：

i=(5)

P2a

當a和Dsw不變時，力傳動比‘〃越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但強也越大，表明

轉(zhuǎn)向不靈敏。

3、轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇

轉(zhuǎn)向器角傳動比可以設(shè)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。

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(yīng)取較小的

轉(zhuǎn)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(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角，專動比。

汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時，要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應(yīng)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。

三、設(shè)計內(nèi)容

1、根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑7?min和/?max=8(直線行駛)，求出理論上要

求的轉(zhuǎn)角a和B的對應(yīng)值。要求最少2組對應(yīng)值。

R=Rmin時，

tana=L/(R-d)=2900/(6100-400)=0.509a=26.966°

tanp=L/(R-d-B)=2900/(6100-400-1555)=0.700=34.978°

R=1OOOOmm時，

tana'=L/(R-d)=2900/(10000-400)=0.302a1=16.80B0

tan8=L/(R-d-B)=2900/(10000-400-1555)=0.360B'=19.823°

根據(jù)公式可知，a和0隨著轉(zhuǎn)彎半徑R的增加而單調(diào)遞減。

參考數(shù)據(jù)如下：

R(m)a8

1016.80819.823

208.4169.130

305.5965.904

104.1884.359

503.3463.454

602.7862.860

702.3862.440

;y）2.0862.128

901.8541.887

1001.6681.694

2、按給定兩聯(lián)架桿對應(yīng)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(shè)計較鏈四桿機構(gòu)ABCD.

根據(jù)上圖列唯一矢量方程：

1AB+】BC+1CD+1AD=0

化簡到x和y軸：

1xcos（a+<p）+（B-21cos（p）xcos0—B+lcos（（p—p）

1xsin（a+（p）+（B-21cos（p）xsin0-lsin（（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0=34.978。，a=26.966。。令1W(0.1,0.5)。代入位移方程中。得出一組1及對

應(yīng)的(p和6o

令a=10。，將上面求得的1及@值代入位移方程中，得出各種機構(gòu)1及(P對應(yīng)0的

實際值。

再利用公式得出0的理論值。找出實際值中，與B理論值最接近的一個。所對應(yīng)的1

及＜p即為最佳機構(gòu)。

最后計算出選出的機構(gòu)當a在0到最大值之間時所對應(yīng)的。的理論值和實際值。

不同1對應(yīng)的p理論值和實際值之差的數(shù)據(jù)如下:

1B理論值B實際值差值△B

0.121.47520.8680.606

0.1521.47520.8540.621

0.2021.47520.8410.633

0.2521.47520.8310.644

0.3021.47520.8130.661

0.3521.47520.7980.676

0.1021.47520.7820.693

0.4521.47520.7620.703

0.5021.47520.7420.733

由表格數(shù)據(jù)可知，最佳機構(gòu)為1:0.1,所對應(yīng)的(P為68.84°。

選定該機構(gòu)后，檢驗其實際的可行性，讓桿AB轉(zhuǎn)過a角度，算出該機構(gòu)運動時所

對應(yīng)的a數(shù)據(jù)為：

a0369121518212426.93

B理論值03.096.359.8513.8418.2022.7725.9930.5334.91

B實際值03.066.279.7413.4017.8521.2325.3229.7634.95

比較B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)。

3、用圖解法檢驗機構(gòu)在常用轉(zhuǎn)角范圍。＜20。時的最小轉(zhuǎn)動角

如圖所示,傳動角Y=＜p-P+0,令aG(0,26.966°)o把1■與＜p為所選所對應(yīng)的

值。代入位移方程。計算出各轉(zhuǎn)角對應(yīng)的Y值。則最小的值即為最小傳動角丫mm

計算可知，Y隨著a的增加而單調(diào)遞減，其a-Y數(shù)據(jù)如下：

a(0)036912151820

Y(°)68.6465.7462.7259.4056.0252.3748.5146.05

!1>設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

1、四種類型梯形機構(gòu)的選擇：

汽車轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)如下圖所示共有四種可能的類型:

(a)(b)

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能落在后輪忡的延長線上。

當研究車輛右轉(zhuǎn)時，左邊連架桿的轉(zhuǎn)角a小于右邊連架阡的轉(zhuǎn)角Bo

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，a大于B,

所以這兩種機構(gòu)是不可行的。

結(jié)構(gòu)(a)(d)是平面四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，雖然設(shè)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)。

五、轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化

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(shè)計轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型

的最佳參數(shù)和進行強度計算。i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，