机械原理课程设计——汽车转向器 大连理工大学.docx

大连理工大学机械原理课程设计大连理工大学机械原理课程设计说明书汽车转向系统的设计与运动仿真设计说明书指导教师：王德伦设计者：白云飞 200801127段 炼 200801128完成日期：2011-1-6目录1机械原理课程设计要求21.1课程设计原则21.2本课程设计任务22设计背景22.1汽车转向系统简介22.2转向系统设计理论3Ackerman转向理论33机构方案的选择与比较43.1转向操纵机构选型43.2转向器与传动机构方案选型44方案结构设计54.1假定结构参数54.2转向传动机构参数的CAGD求解64.2.1原始机构运动草图64.2.2几何关系64.2.3尺寸关系74.2.4CAGD求解结果74.3转向器的设计84.4转向操纵机构的设计94.5转向系统仿真整体模型95仿真结果分析106结论117致谢128参考文献129附：仿真数据13图表图 1车轮的转向角关系3图 2循环球式转向器4图 3梯形式转向传动机构5图 4齿轮齿条转向器及传动机构5图 5转向传动机构主要几何元素6图 6四位置关系CAGD结果（虚线为中央位置）7图 7两位置关系CAGD结果（虚线为中央位置）8图 8仿真中使用的齿轮齿条8图 9方向盘 图 10万向节之一9图 11仿真系统整体模型9曲线 1车轮角度仿真曲线10曲线 2右轮-左轮角度关系10表格 1仿真数据131 机械原理课程设计要求1.1 课程设计原则l 灵活运用本学期学到的机械原理知识进行机械设计、评价。l 设计的机构具有实际意义，以加深对机械原理的理解。l 完成预期设计任务。1.2 本课程设计任务l 设计的转向机构尽量符合Ackerman理论车轮转向角关系。l 设计的转向机构具有良好的传动特性。l 运用计算机辅助图形设计完成快速结构设计。2 设计背景2.1 汽车转向系统简介用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统(Steering System)。汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。汽车转向系统按照转向能源的不同费为机械转向系和动力转向系。不同的转向器有着不同的特点应用于不同的汽车上，其中小轿车上常用的是齿轮齿条式的转向器。1在本课程设计中，我们设计了一种机械转向系统。一般的机械转向系统包括转向操纵机构、转向传动机构和转向器组成。从控制系统上看，机械转向系统是开环控制，需要驾驶员的反馈来完成转向过程的闭环控制。转向操纵机构汽车的转向操纵机构特别是机械转向系统的转向机构一般是由方向盘和其附属的转向传动轴实现的，转向操纵机构能将转向需求转化为机械扭矩输出到转向传动机构。转向器转向器是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。 目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。我们本次设计采用了齿轮齿条式转向器。转向传动机构转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。我们本次设计采用了曲柄滑块机构作为转向传统机构。2.2 转向系统设计理论Ackerman转向理论汽车在转向的过程中，如果方向盘保持在一个位置，那么汽车应当围绕同一个圆心做一个圆周运动，车上点（包含出轮轴但不包含车轮上运动的点）的运动轨迹应该是一组同心圆。而当汽车的四个车轮分别与其所在的轨迹圆相切时汽车所受的阻力最小。图 1车轮的转向角关系如图所示，在两轮转向系统中，两个后轮是共法线的，如果能调整两个前轮使其法线的交点正好在后轮的法线上，则汽车转弯时的阻力最小。设汽车左轮的摆角为、右轮的摆角为，在如图所示的逆时针摆动情况下两轮的理想关系应满足以下等式。Ltan-Ltan=B(其中L为汽车的前后轴距，B为两前轮前轮的转向节中心距)3 机构方案的选择与比较3.1 转向操纵机构选型转向操纵机构多种多样，目前的发展趋势使用万向节，这样可以方便快速的调整方向盘的设计位置，对车型的多样化设计有利。由于本课程设计的重点是要实现车轮的角度函数关系，转向操纵机构不是我们的设计重点，因此简单的使用了双万向联轴节作为转向操纵机构。3.2 转向器与传动机构方案选型机械式转向器主要有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等，其中广泛应用的是齿轮齿条式和循环球式。循环球式转向器及其附属结构图 2循环球式转向器图 3梯形式转向传动机构循环球式转向器结构复杂，而且其转向传动机构需要一个整体式转向梯形的横拉杆，占地空间大。齿轮齿条式转向器及其附属结构图 4齿轮齿条转向器及传动机构齿轮齿条式转向器由于具有结构简单、紧凑质量轻，刚性大，转向灵敏，容易制造，成本低，正、逆效率都很高。齿轮齿条式传动机构具有较好的压紧机构，可以保证无间隙传动，保证了传动的平稳性，增加了驾驶的舒适感。齿轮齿条式转向器已迅速成为汽车、小型货车及SUV上普遍使用的转向系统类型。其工作机制非常简单。齿条齿轮式齿轮组被包在一个金属管中，齿条的各个齿端都突出在金属管外，并用横拉杆连在一起。2其转向传动机构结构紧凑，在本课程设计中我们选择齿轮齿条式转向系统作为选定设计方案。4 方案结构设计4.1 假定结构参数我们在本次课程设计中采用的参数如下：前轮旋转中心距：1650mm前后轮轴距：2700mm4.2 转向传动机构参数的CAGD求解Autodesk公司的Inventor软件作为一个参数化三维造型具有计算机辅助图形设计功能（Computer Aided Geometric Design，CAGD），即可以使用几何关系和参数化尺寸进行约束，自动求解设计尺寸，不同构件间可以共享设计参数，加速设计流程。我们在本设计中采用了CAGD的思想。根据图1，由Ackerman转向理论可知=tan-11cot-BL为利用CAGD，我们首先需要从设计需求中提取出有关的几何元素，然后添加几何关系、尺寸关系以进行求解，最后对CAGD的求解结果进行分析。4.2.1 原始机构运动草图首先我们按照inventor草图的风格画出转向传动机构的几何简图。因为该传动机构左右部份是对称的（如图4），只需对一边进行约束求解即可。这里选取左边的传动机构提取几何元素。图 5转向传动机构主要几何元素图中有左中右三个部分，左部是连接车轮并控制其转角的杆，中间的是一个连杆，这两部分是有固定长度的，右部分代表滑块机构的运动直线，用来控制连杆右端的位置。4.2.2 几何关系下面确定一下几何关系，因为车轮在不同的角度时要有不同的角度关系，故在inventor草图环境中画出多个位置的几何简图，同时画出右轮在左边的镜像，这样除了中央位置外，每添加一个位置要求需要添加两个角度的几何简图。并让角度控制杆和连杆分别相等。并让几个位置的连杆的右端点水平共线。对于每一个位置要求，其左轮和右轮的连杆滑块端应该与中央位置时的滑块端距离相等。这也是一个几何关系。4.2.3 尺寸关系令连杆的右端点水平共线后，对左轮的要求角度进行标注，然后对对应的右轮角度进行参数化标注，如：左轮角度标为“beta=20”，则右轮应标注尺寸“alpha=atan(1 ul / ( 1 ul / tan(beta) + pre_B / pre_L )”，其中pre_B和pre_L是写在用户参数表里的常量（即非求解量）。4.2.4 CAGD求解结果对于上述几何关系，车轮处于中央位置时的左右轮位置关系是必须也是必然满足的，每添加一个位置关系相当于添加了两个位置要求（给定角和与之对应的Ackerman角）。我们对分别对四位置关系（相当于七位置）、三位置关系（相当于五位置）和两位置关系（相当于三位置）进行了CAGD求解。图 6四位置关系CAGD结果（虚线为中央位置）如图所示为四位置关系的求解结果（以括号标注的是参考尺寸，是一种被求解尺寸），对于该结果可以精确实现两轮的角度关系曲线，但是正如如图可以看到的，该结果的传动角实在太小不能保证具有良好的传力特性。3对于三位置关系的求解结果与四位置关系相似，依然无法调整出可以接受的传动角。图 7两位置关系CAGD结果（虚线为中央位置）图7是两位置关系的求解结果，传动角较为理想且留有很大的自由度用于调整以满足机构的安装、尺寸需要。我们根据此方案制作了转向传动装置的数字化样机以进行运动仿真及实际角度关系曲线的测量。4.3 转向器的设计我们的转向器使用的是齿轮齿条式。为了在仿真中表现运动关系，传动比设置的比较小。同时因为齿轮的齿数比较多，使用的标准齿条（模数1.25，齿数36，齿条长214mm）。图 8仿真中使用的齿轮齿条4.4 转向操纵机构的设计我们使用方向盘连接一组双万向节来把控制角度以一比一的比例输入到转向器。使用双万向节可以在连轴节可以在改变角速度矢量方向的同时使方向盘与转向器的输入端具有相同大小的角速度。4图 9方向盘图 10万向节之一4.5 转向系统仿真整体模型图 11仿真系统整体模型5 仿真结果分析通过运动仿真模拟，我们绘制了模型两个前轮的角度函数关系。曲线 1车轮角度仿真曲线原始仿真数据中方向盘的角度是正弦方式变化的，数据经整理后如下。曲线 2右轮-左轮角度关系可以看到，实际的曲线和理想曲线符合的很好，角度最大相差不超过1度。虽然四位置关系的仿真结果更加符合理想曲线，但是因其传动角太小而没有使用价值。6 结论本次设计已经初步达到了预定的目标，转向角达到了预计的设计要求，仿真数据请见附表，同时附表最右边一栏为左轮转角的理论计算值，作为与实际左轮转角的对比。因为本设计对速度加速度没有要求，是纯机械转向系统，只有一个运动并且有人操控，没有制作仿真结果的速度、加速度曲线和运动循环图。本课程设计设计出了转向角与理论值相差不大，压力角传动角满足实用要求，转向比较灵活的转向系统，但由于时间所限，本设计对于采用悬吊结构的车轮不是很适用，因为车轮相对车架的上下摆动会导致车轮进行微小的转动，这是不合适的，也是本设计的一个主要改进方向。7 致谢感谢王德伦老师，他富有启发性的教学方式让我们不只学到了机械原理，理解机构，更让我们学到了设计机构的方法。同时感谢贺伟学长指导监督我们课程设计的进度。感谢邵强学长给我们的设计灵感。感谢机械学院的课程安排，让我们有时间做出一个设计。最后感谢身边帮助和支持我们的同学们。8 参考文献1于建成动助力转向系统的研究与开发D大连：大连理工大学，20052Karim Nice汽车转向系统工作原理EB/OL2011-1-6/steering2.htm3王德伦、高媛机械原理讲义大连：大连理工大学机械工程学院，2010：24-254申永胜机械原理教程M北京：清华大学出版社，2005：76-775高媛，董惠敏机械原理课程设计指导书大连：大连理工大学机械工程学院9 附：仿真数据13表格 1仿真数据右轮(deg)左轮(deg)Ackman理想左轮角度(deg)35.23 26.219326.2598335.22 26.2133626.2514235.18 26.195726.2262435.11 26.166226.184435.01 26.12526.1261534.88 26.07226.0516934.73 26.007325.9614634.55 25.93125.8558234.35 25.8430625.7352734.12 25.743625.6002933.87 25.632625.4514233.59 25.510125.2891133.30 25.376425.1140732.99 25.231324.9267132.66 25.075124.7276732.31 24.907824.5174231.94 24.729524.2964731.56 24.540324.065331.16 24.340423.8244130.75 24.129823.5742230.33 23.908623.3151729.90 23.677123.0475729.45 23.435322.7718628.99 23.183322.488428.53 22.921422.1973228.05 22.649521.8991327.57 22.36821.593927.08 22.076821.2819926.58 21.776320.9634826.07 21.466420.638725.56 21.147520.3077825.04 20.819519.9707924.51 20.482819.6279923.98 20.137319.2793923.45 19.783418.925222.91 19.421118.5654822.37 19.050718.2002721.82 18.672217.8297421.27 18.285917.4538720.71 17.891917.0727120.15 17.490416.6863619.59 17.081516.2948219.03 16.665415.8981218.46 16.242415.4963317.89 15.812415.0894817.32 15.375814.6775916.75 14.932714.2606616.17 14.483313.8386615.60 14.027713.4116715.02 13.566212.9796614.44 13.098912.5427113.86 12.625912.1007213.28 12.147611.6538112.70 11.663911.2019412.12 11.175210.7450711.53 10.681610.2832210.95 10.18329.81643110.37 9.680199.3447469.79 9.172788.8680499.20 8.661098.3863928.62 8.145287.8997758.04 7.625497.4081757.46 7.101866.911596.88 6.574526.4100126.30 6.043595.9034265.72 5.509215.3918255.14 4.971484.8752094.57 4.430534.3535493.99 3.886473.8268653.42 3.33943.2951442.84 2.789432.7583942.27 2.236682.2166331.70 1.681251.6698781.13 1.123251.1181560.56 0.56280.5615170.00 00-0.56 -0.56502-0.56632-1.12 -1.13214-1.13736-1.68 -1.70123-1.71304-2.24 -2.27217-2.29323-2.79 -2.84482-2.87784-3.34 -3.41905-3.46671-3.89 -3.99472-4.0597-4.44 -4.57169-4.65664-4.98 -5.14983-5.25734-5.52 -5.72899-5.86162-6.05 -6.30902-6.46927-6.59 -6.88981-7.08007-7.11 -7.4712-7.69379-7.64 -8.05305-8.31019-8.16 -8.63525-8.92901-8.67 -9.21766-9.54998-9.19 -9.80014-10.1728-9.69 -10.3826-10.7973-10.20 -10.9649-11.423-10.69 -11.5468-12.0497-11.19 -12.1284-12.6772-11.67 -12.7094-13.3049-12.16 -13.2898-13.9326-12.63 -13.8694-14.56-13.11 -14.4481-15.1866-13.57 -15.0257-15.8119-14.03 -15.6021-16.4358-14.49 -16.1773-17.0578-14.94 -16.7509-17.6774-15.38 -17.3229-18.2942-15.81 -17.8931-18.9077-16.24 -18.4614-19.5174-16.67 -19.0274-20.1229-17.08 -19.5911-20.7237-17.49 -20.1522-21.3193-17.89 -20.7105-21.909-18.29 -21.2657-22.4927-18.67 -21.8177-23.0693-19.05 -22.366-23.6388-19.42 -22.9105-24.2003-19.78 -23.4508-24