（机械电子工程专业论文）汽车转向拉杆球接头试验台的开发研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车转向拉杆是汽车转向机构中的重要零件，它直接影响汽车操纵的稳定 性、运行的安全性和轮胎的使用寿命。它在汽车行驶过程中反复承受拉应力或 压应力，一旦失效往往会造成汽车转向不灵敏、转向不及时，甚至不能正确转 向等严重后果。为此需要提高转向拉杆的性能，以防止意外的发生。汽车转向 拉杆主要由球接头总成、螺母、拉杆合件、左伸缩胶套、右伸缩胶套、弹簧组 成等组成，经过对失效的转向拉杆进行抽样检测后发现，拉杆失效的主要原因 是汽车转向拉杆的中球头衬套磨损严重。因此，为提高转向拉杆整体性能，就 必须对球头衬套进行改进，可以通过改进加工工艺或者引用新材料等措施来实 现。球接头总成作出改进设计试制后，必须对新组件进行疲劳实验，并对新组 件做出评估，直接在微型车环境做实验，不仅周期长、耗费大，而且会造成整 车的损耗，因而不切实际。为克服整车试验的缺点，设计一个能够模拟拉杆的 实际受力状况以及实际运动状态的试验台是实际所需。 为此，本论文设计了汽车转向拉杆试验台，本论文主要针对球头拉杆试验 台设计研发问题阐述了以下几个方面的内容： ( 1 ) 汽车转向拉杆的失效机理。主要论述了汽车转向拉杆的组成、工作环 境；分析了转向拉杆容易失效的部件，以及引起拉杆失效的原因。 ( 2 ) 汽车转向拉杆试验台的设计。球头拉杆试验台要能够模拟拉杆的实际 运动情况，尤其是球头销与球头衬套实际衬套受载荷后的相对运动情况，要便 于判断出拉杆失效的临界点以及转向拉杆从开始工作到失效时的运动次数。此 外，试验台的设计要符合中华人民共和国汽车行业标准中的汽车转向拉杆接头 总成台架试验方法标准，即q c t3 0 4 1 9 9 9 (代替z bt 2 30 0 6 8 7 ) ，并画出 拉杆的二维装配图以及零件图。 ( 3 ) 试验台架虚拟样机的建模及分析。根据以上的设计利用三维建模软件 p r o e 建立试验台的模型，然后结合动力学分析软件a d a m s 软件建立试验台的 虚拟样机。对其进行运动学分析以及动力学分析，根据虚拟样机得到的数据， 判断设计的合理性，以及试验台所需的驱动力。 关键词：球头销，球头衬套，失效，试验台，虚拟样机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a rs t e e r i n gl i n k a g ei sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h ec a rs t e e r i n gs y s t e m i ta f f e c t s s t a b i l i t yo fd r i v e r sm a n i p u l a t i o n ，t h es a f e t yo fm o v e m e n ta n de v e na f f e c t st h el i f eo f t y r ed i r e c t l y t h el i n k a g ei ss u b j e c tt oc o m p r e s s i o na n dt e n s i o np e r i o d i c a l l yw h e ni t w o r k s o n c ef a i l e d ，i tm a yc a u s es e v e r ec o n s e q u e n c e s f o re x a m p l e t h ee a rc a n t s t e e rs e n s i t i v e l yo ri nt i m e ，a n d ，s o m e t i m e s ，t h ec a rm a ye v e nl o s et h ef u n c t i o nt o s t e e r s o ，i tr e q u i r e st oi m p r o v et h es t e e r i n gl i n k a g e s p r o p e r t yi nc a s es o m e t h i n g u n e x p e c t e do c c u r s t h ec a rs t e e r i n gl i n k a g ei sc o m p r i s e do ft i er o d e n da s s e m b l y , n u t 1 i n k a g ea s s e m b l y , r i g h ta n dl e f te l a s t i ct u b ea n ds p r i n g a f t e rd e t e c t i n gt h ed e f e c t i v e l i n k a g e ，w ef o u n dt h em a i nr e a s o nc o n t r i b u t i n gt oi t sf a i l u r ei st h eb a d l yw 0 1 t io ft h e b a l lc u p s o ，i no r d e rt oi m p r o v et h ec h a r a c t e ro fc a rs t e e r i n gl i n k a g e ，i ti s v e r y i m p o r t a n tt oi m p r o v et h eb a l lc u p sp r o p e r t y w ec o u l dr e a l i z et h i sa i mb yi m p r o v i n g p r o c e s st e c h n o l o g yo ru s i n gn e wm a t e d a lt or e p l a c et h eo l do n e m e nt h em e a s u r e s r e f e r r e da b o v eh a sb e e na d o p t e d ，w es h o u l de a r l yo u tt h ef a t i g u et e s tf o rt h en e w a s s e m b l ya n de v a l u a t ew h e t h e rt h en e wp l a ni sp r a c t i c a l t h ee x p e r i m e n tc o u l db e c a r r i e do u tt h et e s to nt h em i n i c a r se n v i r o n m e n t , b u ti tw i l lt a k ea1 0 n gt e s t p e r i o d b e s i d e s ，i tw i l la l s oc a u s e t h ed a m a g e sf o rt h ew h o l ec a r s oi ti sn o tp r a c t i c a l i no r d e rt oo v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n gr e f e r r e d a b o v e ，w en e e dt op r o v i d ea e n v i r o n m e n tt od e t e r m i n et h ep r o p e r t yo ft h en e w p l a n s t od e s i g nat e s tb e n c ht h a t c o u l ds i m u l a t et h ea c t u a lf o r c ea n dm o t i o ns t a t ei so u r p r a c t i c a ln e e d t h e r e f o r ew ed e s i g nt h et e s tb e n c h i nt h i sp a p e r , c e n t e r i n ga b o u tt h ea s p e c t so f t e s tb e n c h sd e s i g na n dr e s e a r c h ，i tm a i n l yd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ( 1 ) t h ed e f e c t i v em e c h a n i s mo ft h es t e e r i n gl i n k a g e i nt h i sp a r t i t m a i n l y d e s c r i b e st h ep a r t st h a tc o n s i s t so ft h es t e e r i n gl i n k a g ea n de n v i r o n m e n tw h i c h i n c l u d e sm o t i o na n df o r c ec o n d i t i o n s w ea l s oa n a l y z et h ep a r t st h a ti sp r o n et of a i l a n dt h er e a s o nt h a tc a u s et h ep a r t i c u l a rp h e n o m e n o n ( 2 ) t h ed e s i g np r o c e s so ft h et e s tb e n c hu s e df o rc a r s s t e e r i n gl i n k a g e t h e d e s i g nm u s ts a t i s f yt h ef o l l o w i n gr e q u i r e m e n t s f i r s t ，i ts h o u l dh a v et h ea b i l i t yt o s i m u l a t et h el i n k a g e sp r a c t i c a ls t a t e ，e s p e c i a l l yt h eb a l ls t u da n dt h eb a l l c u p s r e l a t i v em o t i o na n df o r c e s p r a c t i c a ls i t u a t i o n s e c o n d l y , i ts h o u l dd e t e r m i n et h e f a i l u r ep o i n ta n dr e c o r dt h et o t a ln u m b e ro fm o t i o n t h i r d l y , d e s i g ns h o u l db ei n a c c o r d a n c ew i t ht h et e s t b e de x p e r i m e n t a lc r i t e r i ao ft h es t e e r i n gl i n k a g ea s s e m b l y c o n t a i n e di nt h ea u t oi n d u s t r y ss t a n d a r do ft h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a i t sc o d e i i 武汉理工人学硕十学位论文 i sq c t3 0 4 19 9 9w h i c hw a su s e dt or e p l a c ez bt 2 30 0 6 8 7 a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n tw e c o u l dd r a wi t sa s s e m b l yd r a w i n ga n dd e t m ld r a w i n g ( 3 ) t h em o d e l i n ga n da n a l y s i sf o rt h et e s tb e n c h sv i r t u a lp r o t o t y p e b a s e do n t h ed e s i g ni d e ar e f e r r e da b o v e w ec o u l db u i l dt h e3 一dm o d e lu t i l i z i n gt h es o f t w a r eo f p r o ec o m b i n i n ga d a m st ob u i l dt h ev i r t u a lp r o t o t y p e i nt h ee n v i r o n m e n to ft h e v i r t u a lp r o t o t y p e ，w ec a nc a r r yo u tk i n e t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o n u s i n gt h ed a t e f r o mt h ev i r t u a lp r o t o t y p e ，i ti sc o n v e n i e n tt od e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n a n dr e q u i r e dm o t i v ef o r c e k e yw o r d s ：b a l ls t u d ，b a l lc u p ，t e s tb e n c h ，f a i l u r e ，v i r t u a lp r o t o t y p e i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：邋日期：雄砷 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 雠) ：套召害签辚c c 7 咄1 武汉理j ：人学硕十学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 汽车转向拉杆是汽车转向系的重要组成部分，在转向时起着传递转向驱动 力的作用。它主要由：球接头总成、螺母、拉杆合件、左伸缩胶套、右伸缩胶 套、自紧弹簧组成等组成【1 1 1 2 1 。如图卜1 所示。 图1 - 1 汽车转向拉杆 对某种型号微型车中的失效拉杆检测、分析之后，发现拉杆失效的原因有 9 5 以上是由于球接头总成出现问题而引发的。球接头总成由1 盖、2 球头销座、 3 球销、4 左接头座、5 右接头座、6 卡箍、7 防尘罩组成。如图1 2 所示： 图1 - 2 球接头总成 球接头总成出现问题有两个原因：( 1 ) 球销轴颈在反复作用力以及摩擦的 武汉理t 大学硕士学位论文 作用出现微小裂纹或划伤沟痕以致突然发生断裂【3 】( 2 ) 球头座( 球头衬套) 在 球头的压力以及反复摩擦作用下逐渐失效，造成不能正确转向、转向不及时等 问题。为解决以上问题，一方面须对球头销采用新材料或者采用先进的加工工 艺，提高球头销的疲劳强度，延长其使用寿命；另一方面，须改进球销座的材 料。 任何一种新的方案提出，我们都需要有一个试验平台来对新方案做出评估。 可以改进的球头座合件直接放入微型车内，直接做试验，评估新方案的可行性， 但这样做不仅耗费巨大的人力与物力，而且每次试验都要很长的试验周期，可 行性不强。为此，必须设计一个试验台，试验台要能模拟微型车转向球接头总 成转向时的实际工况，即既能模拟受力情况，又满足运动情况。试验台设计完 成之后，借助计算机三维造型软件p r o e 以及计算机辅助分析软件a d a m s ，建 立虚拟样机，并对虚拟样机进行运动学分析以及动力学分析，检测运动时试验 台各部件是否会发生干涉；球接头总成的运动情况、受力情况是否与实际情况 相符合，一旦发现上述的设计出现问题，那么就返回原设计进行修改，一直到 设计满足条件为止，避免盲目加工造成浪费。此外，由于惯性载荷的存在，运 动所需的驱动力难以计算，因此需借助a d a m s 计算出所需的驱动力，选择合 适的电机。 1 2 本课题国内外研究的现状分析 球头是汽车的关键安全件之一，它能保证汽车操纵的稳定性，行驶的平顺 性、舒适性、安全性及汽车正确、准确的行驶方向 4 1 ，起到支承汽车重量，传递 操纵方向力的作用。目前国内外汽车上使用的球头，无论是德系车、美系车、 日系车，还是国产车，都存在易磨损、易松旷、力矩易丧失的缺点。因为汽车 在行驶过程中要经常转向，并且由于地面的颠簸都会对拉杆中的球头销产生反 复作用力。这也导致球头销容易失效，发出噪声，威胁行驶安全。试验台的设 计也是实际所需。 国外对球头销的研究和开发起步较早，采用的技术也较国内先进，随着高 级轿车的发展、对球头销的要求越来越高，国外不断改进球头销的加工方法， 融合了机械制造、液压、微机控制与检测技术。国内对球头销的研究制造相对 落后，目前还有很大一部分依赖进口，国内些加工球头销的机床的刀具也需 2 武汉理1 = 大学硕十学位论文 要从外国进口，经过几十年的发展国内研究制造的水平正在逐步与国际水平接 轨。但国内对于球头销测试设备相对落后，不能满足实际的需要，很多厂家根 本没有相应的设备。有的厂家花巨资从国外引进设备，但通用性差，不能满足 多种汽车直拉杆球头销的试验。 1 3 本论文研究的主要内容和意义 1 。3 1 论文研究的主要内容 ( 1 ) 微型车转向拉杆工作原理以及失效机理分析。 ( 2 ) 依据微型车转向拉杆的工作状态、中华人民共和国汽车行业标准中的 汽车转向拉杆球接头总成台架试验方法标准、广西某汽配有限公司的要求，结 合计算机辅助设计软件c a x a 设计汽车转向拉杆试验平台。 ( 3 ) 结合三维设计软件p r o e 以及机械系统动力学分析软件a d a m s 、根据 设计原理建立试验台的虚拟样机。 ( 4 ) 在虚拟样机环境中，进行运动学以及动力学仿真，查看部件之间是否 存在干涉，左拉杆合件在虚拟样机中的运动情况以及受力情况是否与其在汽车 中的实际工况相符合，利用虚拟样机计算试验台所需要的驱动力，选择合适的 电机。 1 。3 2 论文研究的意义 汽车转向球头衬套是转向拉杆球头部件中的主要零件，球头衬套的耐磨性 不仅影响汽车转向拉杆球头部件的寿命，而且由于转向力摆动力矩的降低而使 方向机手感变差，影响行车安全性。故此需对汽车转向拉杆作台架性能试验， 由此设计试验台架。 本论文采用了虚拟样机技术，对试验台架进行了三维建模，并利用a d a m s 软件对试验台架进行运动学以及动力学仿真研究。虚拟样机技术的采用，在设 计过程中优化了冗余尺寸，优化了结构。实际表明，仿真数据与实际情况基本 相符，所设计的试验台架满足实际需要，可以方便快捷的对球头销进行性能测 试，具有很高的实用价值。 武汉理f 人学硕士学位论文 第2 章转向拉杆失效机理分析 2 1 汽车转向系简述 汽车在行驶过程中，需要经常改变行驶方向。汽车用来改变汽车行驶方向 的传动机构称为汽车转向系。汽车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系 来改变转向轮的偏向角来实现的。转向系不仅可以改变汽车的行驶方向，而且 还可以克服由于路面侧向干扰力使车轮自行产生的转向，恢复汽车原来的行驶 方向。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力 转向系统3 个基本发展阶段【5 】。 机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转 向扭矩需要使用大直径的转向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机 构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯 靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、 工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的 微型轿车、农用车上仍有使用。1 9 5 3 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向 系统。此后该技术迅速发展使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方 面都取得了很大的进步。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便。 降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能 提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上 广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、 能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。电动助力转向系统是一项采用现代控 制方法的高新技术，与传统液压动力转向相比它具有下述优点：( 1 ) 电动机和 减速机构安装在转向柱或在转向系内，所占空间小，零部件结构简单、安装方 便，维护费用低：( 2 ) 以电动机为动力，不需要转向油泵、油管及控制阀等液 压元件，也不会耗用发动机的功率和发生液压油泄漏和损耗，电动机只在需要 时才启动，耗用电能较少，提高了汽车经济性；( 3 ) 低速停车入库时转向助力 器对转向力的降低非常显著；( 4 ) 更好地吸收道路上的任何颠簸并能灵敏反 4 武汉理工人学硕士学位论文 映路面信息，改善汽车的转向特性，灵敏度高”“”。转向系的基本工作原理可 由图21 所示。 a 1 转向盘2 转向轴3 转向节4 转向轮5 转向节臂6 横拉杆7 减振器8 转向器 图2 1 转向系的基本工作原理图 汽车转向时，首先由外力带动转向盘转动，扭矩通过转动轴2 传递到转向 器8 ，转向器作用是将转动回转运动转变为直线运动，作用原理如图22 所示。 h u ， 一+ 一 。一一一一：二。、：” 一一； 图2 - 2 转向器工作原理 驱动力经转向器转向后扭矩变为拉压力，从而带动拉杆6 拉动转向节臂 最终通过转向节带动车轮转动，达到转向的目的。 2 2 汽车转向拉杆的构成 前已述及，汽车转向拉杆在汽车转向中起到传递拉力，从而带动车轮转动 的重要作用。其主要由：球接头总成、螺母、拉杆合件、左伸缩胶套、右伸缩 胶套、弹簧组成。运动经转向器转换后变成直线运动，通过与拉杆合件的机械 连接，带动拉杆直线运动，而球头销末端与转向节臂机械连接，由转向拉杆直 涔 餐 武汉理【大学硕士学位论文 线运动带动球头销做直线运动，从而带动汽车转向节转动，最终带动车轮转向， 其结构如图卜1 所示。 上汽通用五菱微型汽车在行驶一定里程后，转弯时经常会出现噪声、转向 困难、转向时手感变差等问题，对出现上述问题的上汽通用五菱微型汽车调查 后发现：主要是汽车转向拉杆出现问题，而问题集中于球销和球头销底座部分。 即球头销失效或者是球头销底座失效。为此，找出左拉杆合件的结构与失效原 因，是解决上述问题的关键。 球接头总成的结构图如图卜2 所示 销、4 左接头座、5 右接头座、6 卡箍、 球头销底座。 23 转向拉杆的失效机理 2 31 转向球头销的失效机理 球头销的结构如图2 - 3 所示： 球接头总成由1 盖、2 球头销座、3 球 7 防尘罩组成。主要部件为3 球销和2 图2 - 3 球头销立体结构图 转向球头销的材料为2 0 c r m n t i i ，其化学成分大致如表21 所示 表21 转向球头销的化学成分 元素 c c rm nt isps i 含量 0 1 9 0l1 0 208 9 000 7 20 0 1 00 0 2 00 2 4 9 转向拉杆的失效与球头销的机械性能有着密切的关系。球头销工作时，当 球头销运动到极限位置时，其轴颈与轴头碗相接触并发生干涉。在极限位置时， 其受力情况如图2 - 4 所示。 妒 武汉理工大学硕士学位论文 图24 球头销运动时受力图 其中：m 点为球头销和球头销座结合处，n 为球头销颈部与颈碗干涉处，f 为转向力，当球头销运动到极限位置时，与球头销碗发生干涉经过反复摩擦 导致球头销轴颈逐渐出现划痕，继而出现应力集中、出现疲劳裂纹现象，甚至 可能发生整体断裂。 提高球头销的使用寿命可以采取以下几个措旆： ( 1 ) 改善球头销的材质。经试验验证，合理调节铁、碳、铬、锰、钛、硫、 磷、硅等各成分的含量，可以明显提高球头销的抗拉强度、疲劳强度，从而延 长其使用寿命。 ( 2 ) 改进球头销的装配工艺。 ( 3 ) 采用合理的加工工艺。 2 3 2 球头销底座的失效机理 球头销底座是连接球头销与左接头座合件的部件，其材料是聚甲醛，球头 销底座与左拉杆合件的结构如图2 5 所示： 垮 弋 图2 - 5 球头销底座立体圈 球头销座装配在球接头总成中，球形空腔内装配球头销，其主要承受球头 武汉理工人学硕十学位论文 销的压力并在压力存在的情况下往复旋转产生的摩擦力。聚甲醛塑料是继尼龙 之后发展的又一优良树脂品种，具有优良的综合性能。聚甲醛有着良好的耐溶 剂、耐油类、耐弱酸、弱碱等性能。聚甲醛有着很高的硬度和钢性，具有高度 抗蠕变和应力松驰能力，优良的耐磨性，自润滑性，耐疲劳性等。聚甲醛的拉 伸强度可达7 0 m p a ，吸水性较小。但聚甲醛有一个明显的缺点：热稳定性较差阻1 。 由于汽车在行驶过程中需经常转弯，而且由于汽车的上下颠簸，这些情况都会 使微型汽车转向拉杆的球头销与球头销底座发生相对运动，从而产生摩擦高温， 加速聚甲醛的老化过程。一旦聚甲醛底座发生老化就会与球头销产生间隙，造 成转向不及时，驾驶员转向时手感变差，发出噪声，甚至转向失效等。 2 4 本章小结： 本章介绍了汽车转向系的工作原理、汽车转向拉杆在汽车转向拉杆中的作 用以及其构成；分析了汽车转向拉杆失效的主要原因，通过分析提出了微型汽 车转向拉杆失效的主要部件：球头销、球头销衬垫；并简要提出了改进两者性 能的措施。 武汉理：【人学硕士学位论文 第3 章转向拉杆球接头试验台的设计 由第二章的分析可知，汽车转向拉杆如果失效，主要是发生在球接头总成 部位。因此，为提高拉杆的使用寿命，关键是对球接头总成中的球头销、球头 销座作出改进。 球接头总成作出改进设计试制后，必须对新组件进行疲劳实验，并对新组 件做出评估，直接在微型车上做实验，周期长、耗费大，而且会造成整车的损 耗，不切实际，因此，必须给拉杆提供个实验环境，设计一个能够模拟拉杆 的实际受力状况以及实际运动的试验台是实际所需。 3 1 行业标准中的汽车转向拉杆的试验方法 中华人民共和国汽车行业标准对汽车转向拉杆的试验方法做了明确的规 定，该规定为q c t3 0 4 - 1 9 9 9 ( 代替原来的z b t 2 30 0 6 8 7 ) ，以下是规定的具 体内容【1 0 1 。 3 1 1 标准中的内容与适用范围 本标准规定了汽车转向拉杆接头总成的摆动力矩测定、旋转力矩测定、最 大轴向位移量测定及耐久性试验等台架试验方法，适用于汽车转向拉杆接头总 成。出厂试验与型式试验的项目与要求由相应的技术条件规定。 3 1 2 标准中的术语和定义 摇动力矩t ： 球头销以一定的频率，在接头总成的对称平面或设计指定平面内作连续摇 动时的最大力矩州m ) 旋转力矩t ： 球销轴线与接头球座孔轴线重合，球销绕轴线匀速旋转时的最大力矩俏m ) 最大轴向位移量万： 9 武汉理工人学硕十学位论文 球销轴线与接头球座孔轴线重合，沿该轴线对球销施加压力，使总成内部 除弹性零件外的其他零件均不发生变形时球销的最大位移量( 衄) 3 1 3 试验项目及试验方法 3 1 3 1 摆动力矩丁。的测定 测试机构的工作原理如图3 - 1 所示： l 一被测总成；2 一摆动机构；3 一显示仪器；4 一转矩传感器；5 一电动机 图3 1 摆动力矩测试机构工作原理图 在该机构中，试验前需摘除总成的防尘装置，向接头总成内注满规定的润 滑脂( 在该试验中为重庆一坪高级润滑油公司的q s h y p 0 2 0 2 4 z 2 0 0 0 7 0 3 4 号 汽车球节润滑脂) ，试验中应使球销位于总成对称平面内或者设计制定的平面 内，以4 - - 6 次每分钟的频率连续摆动，摆动角为设计值的8 0 - 9 0 ，测试时先 往复摆动5 次再记录丁的值，并计算5 次测平均值。在试验中试件数不得少于3 件。 试验条件： ( 1 ) 环境温度：常温； ( 2 ) 测试仪器的精度不小于5 ； ( 3 ) 球销绕轴线的角度为+ 3 0 。； 3 1 3 2 旋转力矩丁，的测定 测试机构的工作原理图如3 - 2 所示： 1 0 武汉理：f 大学硕十学位论文 1 234 1 一被测总成；2 一转矩传感器；3 一显示仪器；4 一电动机 图3 2 旋转力矩测试机构工作原理图 在该机构中，试验前需摘除总成的防尘装置，向总成内注满规定的润滑脂， 试验中应使球销位于总成对称平面内或者设计制定的平面内，球销以4 - - 一6 r m i n 的速度绕轴线匀速旋转。旋转时先匀速旋转5 圈再测定丁，的值，并测五次计算 平均值。 3 2 厂家的技术要求 该试验台是为特定的厂家而设计，因此设计必须符合厂家的技术要求。以 下就是厂家的对试验台提出的试验环境和要求。 ( 1 ) 装配时球头销与球头销座以及卡箍内腔涂适量的重庆一坪高级润滑油 公司的q s h y p 0 2 ，0 2 4 z 一2 0 0 0 7 0 3 4 号汽车球节润滑脂中规定的7 0 3 4 号汽车球节润滑脂，即“l x c c g b 2 ”。 ( 2 ) 球头销的回转力矩1 3n m 。 ( 3 ) 球销拔拖力1 4 7 k n 以上。 ( 4 ) 铆合部位球销压拖力1 4 7 k n 以上。 ( 5 ) 按下列条件试验后不应有松旷及磨损。 载荷：3 7 k n ，频率1 2 次每分。 旋转：角度正负3 0 度，频率1 2 次每分。 摇动：角度正负3 0 度，频率1 2 0 次每分，次数1 0 0 万次。 其运动形式如图3 3 所示： 武汉理t 大学硕士学位论文 旋转 抟摇动 图3 3 球接头总成的运动及受力 3 3 试验台的原理设计 上已述及，汽车转向拉杆球接头试验台要使汽车转向拉杆实现既定的运动 和受力。即载荷：3 7 k n ，频率1 2 次每分。旋转：角度正负3 0 度，频率1 2 次 每分。摇动：角度正负3 0 度，频率1 2 0 次每分，次数1 0 0 万次。 拟用三个电机分别带动三套运动机构将运动和力传递给转向拉杆。 3 3 1 旋转及摇动运动的实现 球头销与球头衬套相接触并做旋转运动，旋转角度为正负3 0 度，频率为1 2 次每分，此运动非常符合曲柄摇杆机构中的摇杆的运动状态。而且四杆机构相 对于其他机构来说具有以下优点【1 1 】【1 2 】： ( 1 ) 形状简单，加工制造成本低； ( 2 ) 杆件的接触为平面副，可以承受较大的载荷； ( 3 ) 能够实现较远运动的传递； ( 4 ) 可以实现多样化的运动； 因此，旋转运动拟采用四杆机构做为传动机构来实现。 3 3 1 1 铰链四杆机构中曲柄存在的条件 所有运动副都是转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面连杆 机构中最基本的形式，其他各种平面连杆机构都可以看作是由它演变而来的。 在铰链四杆机构中，机架和连杆总是存在的，因此可根据连架杆是曲柄还是摇 杆将其分为三种基本类型，即：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。这 三种机构类型既不相同又有其内在联系，而其关键是有无曲柄存在和机架的选 择。有相关的资料可得四杆机构中存在曲柄存在的条件为： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 最短杆与最长杆长度之和小于或等于另外两杆长度之和。 ( 2 ) 最短杆为机架或连架杆。 满足以上条件的四杆机构，还有两种情况：a 、四杆机构以最短杆为基架， 则四杆机构为双曲柄机构；b 、四杆机构以最短杆任意邻边为基架，则四杆机 构为曲柄摇杆机构； 3 3 1 2 曲柄摇杆机构的实现 现已知摇杆的摆角甲为6 0 。，并根据经验粗略估计摇杆长度为3 0 0 r a m ，行 程速比系数k = 2 这类设计问题即通常所说的按给定的行程速比系数k 设计四杆机构，它也 属于函数生成机构的设计。已知曲柄摇杆机构中的摇杆长度c 、其摆角，及其行 程速比系数k ，试设计该曲柄摇杆机构。此类问题设计的实质是确定曲柄的固 定铰链点a 的位置【”】【14 1 。一般可根据己知的行程速比系数k 计算出极位夹角， 从而便可利用其他条件作出机构的两个极限位置而确定a 点，进一步再确定机 构的尺寸，做法如下： ( 1 ) 按公式k _ 篇等算出极位夹角。o ( 2 ) 任选一点d 如图3 - 4 所示，作摇杆3 的两个极限位置c ，d 和c ，d ，使 其长度等于3 0 0 r a m ，使其间夹角等于甲。 ( 3 ) 连直线c 。c 2 ，作么c 。0c 2 = 9 0 。一0 与c lc ：的中垂线交于o 点。则图 4 。2 4 急回机构的设计么c ，0c 。= 2 0 ，由于同弧的圆周角为圆心角的一半，以0 为圆心以oc ，为半径作圆p ，则该圆周上任意点a 与c 、c ，连线间的夹角 么c ，a c ，= 0 。由于a 点位置可以在c ，p e 或c ，f 上任取，故有无穷多解。此时 若已给出附加条件，如已给出曲柄尺寸或机架位置等，则a 点位置亦即确定； 若没给出附加条件，一般应以、：t 阴- u - - 足丫山y 为原则来确定a 点。 ( 4 ) a 点确定后，由于曲柄摇杆机构在极限位置时曲柄和连杆共线，连接a 、c ， 和a 、c 。则得： 挣勒一( 3 - 1 ) 【彳q = b + a 式中，a 和b 分别为曲柄和连杆的长度，将上两式联解得： 武汉理工人学硕七学位论文 。一彳c 2 一a q 口= ：一 2 6 ：丝鱼丝刍 连线a d 的长度即为机架的长度d 。 ( 5 ) 检验y 山使其丫l i n 丫，按设计所得尺寸画出机构简图a b c d 。 ( 3 2 ) ，：，。 图3 4 图解法设计曲柄摇杆机构 由以上图解法的原理可求得各个构件的长度分别为：机架长度 a d = 3 0 0 m m ；曲柄长度a b = 1 1 0 r a m ；连杆长度b c = 4 1 0 m m ；摇杆长度 c d = 3 0 0 m m 因为：a b + b c a d + c d ，即最长杆与最短杆的长度之和小于另外 两杆的长度之和，且该四杆机构又是以最短杆a b 的邻边a d 做为机架。所以该 四杆机构为曲柄摇杆机构 对于球头销的摇动运动，由于其摇动角度与旋转运动的角度相同，同为 3 0 。因为无论是球头销相对于衬垫的旋转运动还是摆动运动，都是采用曲柄 摇杆机构来实现，所以其尺寸值因该是相同的。即： 机架长度a d = 3 0 0 m m ；曲柄长度a b = 1 1 0 m m ；连杆长度b c = 4 1 0 m m ；摇杆 长度c d = 3 0 0 m m 。 以上设计的两套曲柄摇杆机构，其运动简图如3 5 所示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 、摇动曲柄2 、摇动连杆3 、摇动摇杆4 、基架5 、摆动曲柄6 、摇动连杆 7 、拉杆球接头8 、凸轮弹簧机构 图3 5 试验台运动简图 对于球头销相对于衬套的摇动运动，其驱动电机固定在机架4 上，曲柄1 由电机驱动，电机转速为1 2 r m i n ，曲柄的旋转运动由连杆2 传递到摇杆3 上，带 动摇杆3 做3 0 。的摆动。而球头销与摇杆的末端固定在一起，因此，相应的带 动球头销做3 0 。旋转运动。需要说明的是，完成球头销旋转运动的曲柄摇杆机 构相当于固定在机架4 上，与机架一起运动。 对于球头销相对于衬套的摇动运动，驱动电机安装在大地上，曲柄5 由电 机驱动，电机转速为1 2 r m i n ，曲柄的旋转运动由连杆6 传递到机架4 上，带动 机架4 做3 0 。的摇动，由上图可见，机架的摇动可带动另外的曲柄摇杆机构以 及球头销整体相对于球头销衬套的摇动。 为了检验设计的合理性，对机构进行自由度的计算。 机构的空间自由度可以分为两个平面自由度来计算，即4 、5 、6 组成的摆 动机构( 在x 、y 平面内运动) ，l 、2 、3 组成的摇动机构( 在x 、z 平面内运动) ， 因为这两个机构的运动互不干涉，摆动机构的自由度f 为： f = 3 * n 一2 木p k p l ( 3 3 ) = 3 半3 2 * 4 - 0 = 1 武汉理1 ：大学硕士学位论文 其中： 以机构中的高运动副； p ，机构中的高运动副； 同理，摇动的自由度为1 。因此，摇动和旋转运动机构组成空间自由度均为 1 ，弹簧加载力运动为直线运动，其自由度亦为1 ，整个机构的自由度为3 。与 驱动电机数目相同，设计能够满足运动的要求。 3 3 2 加载运动的实现 汽车转向时，球头销不仅要相对于衬套做旋转与摆动运动，而且左拉杆合 件要承受3 7 k n 的加载力作用，加载频率为1 2 次每分。 根据这一运动特性，设计一凸轮机构，凸轮和左拉杆合件之间用弹簧连接。 凸轮通过电机带动做旋转运动，凸轮反复压缩弹簧，这样弹簧力就传递到转向 拉杆上。下面依次介绍凸轮以及弹簧的设计过程。 3 3 2 1 弹簧的设计 为实现力的传递，在凸轮和左拉杆合件之间连接弹簧。凸轮的转动致使 弹簧产生一定的变形量，从而产生力的作用，最终力传递到左拉杆合件上。 由试验要求可知，弹簧需要传递的工作载荷为3 7 0 0 n ，先假定在3 7 0 0 n 时其 变形量为3 5 m m 。 ( 1 ) 弹簧的设计计算 选择弹簧的类型为：普通圆柱螺旋弹簧。 弹簧材料的选择：弹簧承受反复循环载荷的作用，且承受较大作用力，故 选择油淬火回火碳素弹簧钢丝( g b 4 3 6 0 ) ，牌号为6 5 m n 。其强度高，性能好，适 用于普通机械用弹簧。 根据新版机械设计手册5 】中的螺旋弹簧一章中7 1 - 2 的普通圆柱螺旋弹簧 尺寸系列，选择弹簧的截面直径为1 2 m m ，弹簧中径为7 0 m m 。查表7 1 - 6 弹簧钢 丝的抗拉强度6 。，可得其抗拉强度6 。= 11 7 7 m p a ，查表7 卜8 弹簧的许用应力， 可以查得i 类( 受循环载荷作用次数在1 1 0 6 次以上) 的承受压缩力的碳素钢 丝许用切应力t 。为( 0 3 0 - - - 0 3 8 ) o 。，取括号内的值为0 3 1 可得： 1 6 武汉理j l = 人学硕士学位论文 t p = 0 3 1a b = 0 3 1 1 1 7 7 = 3 6 4 8 7 m p a 查表7 1 - 4 可得该弹簧的剪切模量g = 7 9 g p a 弹簧的旋绕比： c ：旦：翌：5 8 3 u 一一一u o j dl z 与7 1 - 3 中的推荐值符合。 弹簧设计计算中需符合的基本公式有： 8 k d f 8 k c f t 2 u 了d2 百n d t p 5 zp 。8 n d 3 f 8 n c 3 f 卜= 一= 一 g d 4 g d fg d 4g d 炻一f 丽2 丽 8 n d 3 8 n c 4 u ：一f f ：堕! ：皇兰! q ： 22 8 d 3 k 式中： t 切应力( m p a ) ； t 。许用切应力( m p a ) ； f - 一弹簧的工作载荷( n ) ； 卜工作载荷下的变形量( m m ) ； k 弹簧刚度( n m m ) ； u 弹簧的变形能( n m m ) ； d - 材料直径( m ) ： 卜弹簧中径( 咖) ； c _ 旋绕比，c = d d ： 1 7 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 武汉理工火学硕十学位论文 k 曲度系数，由下式计算。 k ：兰兰篁二! + 业 4 c + 1c n 弹簧的有效圈数； 卜切变模量； 所设计弹簧的曲度系数为： k ：兰兰璺二! + 业 4 c + l c 4x5 8 3 10 6 1 5 = i _ 一 4 5 8 3 + 15 8 3 = 1 2 6 由上述公式推导出材料直径的计算公式： d = 1 6 = 1 6 = 1 2 2 4 m m 与开始查表的值相同，取表7 1 - 2 的推荐值d = 1 2 m m 。 弹簧的刚度： k ：一f ：3 7 0 0 ：1 0 5 7 1 n m e m e k 2 2 = f3 5 弹簧的有效圈数： g d 4 n 2 _ 8 d 3 k 7 9 1 0 4 1 2 4 8 7 0 3 1 0 5 7 1 1 8 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 武汉理工人学硕十学位论文 = 5 6 4 取有效圈数6 ，支撑圈数为2 ，则弹簧的总圈数为8 。 ( 2 ) 弹簧力分析 弹簧的刚度校核： k ：嬖：坐卫生婴：9 9 5 n m m 8 n d 38 6 7 0 。 与所需要的刚度系数基本相符合。 弹簧提供3 7 0 0 n 的力的压缩量为： f _ 曼：一3 7 0 0 ：3 7 1 8 姗 1 k9 9 5 由表7 1 - 8 可查得：试验切应力最大值： t = o 5 0 。= 0 5 6 。= o 5 x1 1 7 7 = 5 8 9m p a sdd 按i 类载荷得试验切应力： t = 1 2 xt = 1 2 3 6