节能车转向装置设计.doc

节能车转向装置设计【摘要】能源问题已经成为当今世界政治、经济和公共决策最严峻的挑战之一中国节能竞技大赛在这一背景之下应运而生。结合节能赛车轻量化、易操控的特点对赛车的转向装置进行了研究设计。研究内容包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构的设计。确定了转向装置总成的方案、设计了转向梯形、转向节的结构尺寸增加了轻量化材质的使用实现了减轻赛车质量最终降低油耗的目的。本文对于参加节能竞技大赛的车队具有一定的指导意义。 【关键词】节能转向装置轻量化转向梯形 Design of the Steering System in the Econo-Power Racing Car Luchun Department of Vehicular Engineering School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and Technology Abstract Energy problem has become one of the most serious challenges in the worlds political economic and public decision-making it is in such a background that the Chinese Econo-Power Racing came into being. This paper designed the steering system in the Econo-Power Racing Car. It determined the steering assembly designed the structure and size of the steering system. It has also increased the use of lightweight materials in order to reduce the fuel consumption. This paper has certain significance to the teams which participate in the Econo-Power Racing. Key words: Energy-saving Steering System Steering Trapeze Light Weight 1 引言 在可以预见的未来能源问题将进一步成为制约世界社会、经济发展的主要“瓶颈”并将演变为政治、经济和公共决策最严峻的挑战之一1。对于正在谋划以科学发展观指导可持续发展的中国来说这个问题具有特别现实的意义。在中国汽车的石油消耗量占石油消耗总量的40。汽车的石油消耗比例非常高。中国目前是世界第二大石油消耗国也是世界第二大石油净进口国我国的石油已经大量依赖进口2。 正是在这样的一个背景之下本田节能竞技大赛于2006年由日本引入到中国并更名为本田中国节能竞技大赛。目的是为了提高社会的节能、环保意识并向参赛者提供体验和享受创造乐趣的机会。比赛要求参赛车辆搭载统一规定的汽油发动机在指定的赛道内行驶比赛消耗的汽油最少。在日本每年都有来自高中、大学以及社会上的将近500支车队创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比赛。该项赛事对普及日本国民的环保节能意识推动建立节能型社会都起到了巨大的作用。从现有文献资料的理论知识结合节能竞技赛车轻量化、易操纵的特点本文选择机械式转向机构作为设计研究对象着重对节能车转向装置的转向器、转向梯形进行设计并增加轻量化材质的使用以实现减轻赛车重量提高操控性并最终降低油耗的目的。 2 节能车转向机构总成的分析与计算 2.1 节能车转向机构介绍 节能竞技车轻量化易操控的特点使得其转向机构与现有汽车上使用的传统转向机构有很大的区别但是现有的转向系统的设计原理和方法对于节能赛车的设计又具有很大的借鉴意义。传统汽车的转向系统一般由转向操纵机构、转向器和转向传动机构3个部分组成需要转向时驾驶员对转向盘施加操舵力转向盘对转向轴产生一个力矩该力矩通过转向传动轴输入给转向器。经转向器放大和改变运动方向后该力矩传到转向直拉杆再通过转向传动机构使左右转向节及由它所支承的转向轮发生偏转从而改变汽车的行驶方向3。传统汽车上的转向技术例如多种形式的转向器与转向助力技术等都已经在实践中证明了是非常合理的45但是节能竞技车上直接使用这些现有的技术是不可行的而是借鉴了现有汽车转向系统的设计原理和方法以指导节能车转向装置的研究。可以借鉴的原理和方法有下述几点首先转向系统保留一般转向操纵机构、转向器和转向传动机构3个组成部分其次为了使汽车转向前两轮满足一定的关系要通过转向梯形机构来保证现代汽车大部分采用的就是“阿克曼式转向机构” 67再者现代转向梯形的设计已经大规模采用计算机作为辅助设计工具利用Pro-E等三维软件对转向梯形进行运动学分析和优化设计现在已经较为广泛地被采用8最后现代汽车强调的轻量化设计理念对于节能车转向机构设计具有很强的指导意义。 2.2 节能车转向总成布置方案的确定 节能车转向的设计依据所选择的车架方案来确定的所以车轮配置的情况直接影响到转向方案的制定。节能赛车可以自由选择车轮配置及转向方法现有的车轮配置方式主要有以下三种前两轮后一轮采用后轮驱动前轮转向见图2.1前一轮后两轮采用后轮驱动前轮转向见图2.2前后各两轮采用后轮驱动见图2.3。在考虑车轮布置的时候首先放弃了四轮布置的方案因为整车装备质量增加轮胎滚动阻力增大节能效果不理想为了使机构布置简单提高传动效率放弃了前一轮后两轮采用后轮差速驱动的方案最后考虑前两轮后一轮方案构造简单、容易制作、稳定性好、行驶阻力小都是这个方案的优点。综上考虑采用图2.1所示的转向方案重点放在车轮定位准确性、操纵的轻便性及机构的轻量化的研究上。 图2.1 一种前轮转向布置图 图2.2 采用后两轮的后轮驱动配置 图2.3 前后各两轮的四轮设计 图2.4 阿克曼转向原理图 在节能车转向机构的设计上一般采用阿克曼式结构9图2.4所示。车辆转向时为了减少阻力必须沿着一定的圆弧轨迹行驶转向轮的延长线落在无操纵性后轮轴的延长线上内侧车轮的转角要比外侧轮大采用这样的操作转向时为了让车轮转动来操纵方向就需要配置转向臂结构。 前两轮操控转向时车轮的转向轴和横向拉杆的支点连线形成梯形结构。将后轮车轴的中心部与前轮转向轴相连在两条绘图线上找到横拉杆两端的支点然后通过设计转向臂就可以在设计过程中实现梯形的形状。 2.3 节能车转向总成的分析与计算 节能车转向装置共包括三大总成转向操纵机构、转向器和转向传动机构。节能车转向操纵机构包括转向车把、转向轴、支承转向轴的转向轴承组成转向器即为转向摇臂转向传动机构包括转向直拉杆、转向横拉杆、转向节臂三部分组成。此外还包括连接转向车轮和转向传动机构的转向节总成。 转向操纵机构见图2.5 图2.5 转向操纵机构三维图及车把受力示意图 根据两次的参赛经验转向车把直接采用现用的自行车车把强度和刚度均能满足要求。在节能竞技车中转向轴承受转向操纵杆的扭矩传递给转向直拉杆上端与车把焊接下端通过滑动轴承固定在车架上绕滑动轴承旋转下端用开口销防松。转向轴轴承外圈通过焊接与车架相连接内壁与转向轴采用过盈配合并采用润滑脂润滑以使转向轻便同时还起到支承转向轴和车把的作用。 转向器 用来放大或改变驾驶员的转向操舵力和操纵动作方向的装置在现代汽车上称为转向器在节能车上简化为转向摇臂。转向摇臂采用不锈钢薄片加工为满足扭转强度适当增加其厚度。上端有半圆与转向轴相连下端开有圆孔采用螺栓与转向直拉杆相连图2.5下方。 转向传动机构 转向传动机构的作用是将转向摇臂输出的力和运动传到转向节使两侧转向轮偏转且使两转向轮偏转的角度按一定关系变化内轮的转角大于外轮以保证汽车转向车轮尽可能做到纯滚动。转向传动机构在结构上最重要的组成部分是联系左右车轮的梯形机构。转向横拉杆、转向节臂和车架部分构成转向梯形直拉杆连接转向摇臂和转向节臂。 转向节总成见图2.7 图2.6 转向节总成三维图 图2.7 焊接一体式转向节 目前节能大赛中有一半以上的赛车采用焊接一体式转向节见图2.8在焊接成型之后转向节的各项参数主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角、前轮前束中只要出现一项不合格就会做出废品而需要再次加工在后期的赛车调试阶段根据赛车的情况也无法对车轮的定位参数作进一步的改进。本文的设计较之以前的方案一个比较大的改进之处就是将一体式转向节设计改进为一体式活塞杆端转向节可以通过调整转向节两端的活节螺栓的长度来实现定位参数的微量修改也能够弥补转向机构零件出现的微小的弯曲变形。 3 节能车转向机构零件的计算与校核 为了保证行驶安全组成转向系的各零件应有足够的强度在设计过程中合理设计零件的结构使得所设计的零件在质量较轻的情况下也能保证强度和刚度的要求。利用半经验公式10来计算赛车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR mmN。即 PGf31 R3M 3-1 式中f为轮胎和路面间的滑动摩擦因数一般取0.7G1为转向轴负荷等于转向轴上连接的车把和车把上安装的变速、刹车及车速表等装置加上车手双臂施加的力量。经实际测量在车手体重为40kg时转向轴负荷近似为100N10kgP为轮胎气压节能车采用的轮胎工作的气压范围是280kPa450kPa由于较高胎压可以减小车轮滚动时的阻力故取P为400kPa即0.4MPa代入公式计算得mm9.3684.010037.03NMR。 作用在车把上的手力的计算采用现有的转向盘上手力的计算公式为 i221hSWRDLMLF 3-2 式中L1为转向摇臂的长65mm L2 为转向节臂的长75mm DSW原来的公式中为转向盘的直径这里取为转向车把的长度450mm i为转向角传动比近似地用转向节臂长L2与摇臂臂长L1之比来表示即12iLL。现代汽车结构中 L2 与L1的比值大约在0.851.10之间可近似认为其比值为1为转向器角传动比在节能车上未使用转向器故取1.0。代入公式 NF5.111450709.368652h。 对于给定的汽车用上述公式计算出来的作用力是最大值因此可以用此值作为计算载荷进行下一步的计算。在零件的设计中各零件必须首先满足强度的要求不能在赛车的行驶过程中发生断裂及压溃其次在满足强度要求的前提之下还应具有较大的刚度避免产生过大的弯曲变形影响车轮定位参数的可靠性依据以前的参赛经验首先设计零件的各项参数所用材料加工工艺等然后利用力学的知识对其的强度与刚度进行校核。在计算校核的过程中大部分的零件均能合格并能保证一定的安全系数个别零件出现强度满足但的刚度不足的情况可选用弹性模量更大的材料来加工或从另一个角度即对零件进行热处理的工艺来提高其刚性使得刚度也能满足要求。按照上述的方法完成了转向装置各零件的设计。 根据赛道的最小弯道的半径见图3.1设定转向轮的极限转角为30在进行运动模拟的过程中利用文献10中介绍的最小转弯半径的计算方法进行计算。 图3.1 赛车场最小转弯半径 图3.2 图解节能车的转向过程 如图3.2最大转角30DE的长度约为160mm由节能车车架决定则在三角形EOD中mm320sin30160sinDEOB即最小转弯半径为3.2m能满足最小转弯半径的要求。在完成转向系各零件的计算校核之后转向系参数见表3.1。 表3.1 转向系参数 参数名称 转向系角传动比 最大转角 最小转弯半径 数值 1.0 30 3.2m 4 转向装置运动模拟 上面已经完成了对转向装置总成及各部分零件的分析与设计对重要的受载零件利用材料力学知识进行了受力分析、强度以及刚度的计算校核。在计算过程中力学性能均能保证较为充裕的余量在实现转向机构各项功能的同时保证机构的强度及刚度满足要求同时也使得各项车轮定位参数的精度得到保证。为了使得设计结果更加直观清晰利用三维软件Pro-e实现转向机构三维模型的建立并进行运动模拟。 按照由总体到局部零件的顺序在Pro-e的零件功能模块之下依次画出了车架部分、转向操纵机构包括转向车把、转向轴、支承转向轴的转向轴承、转向摇臂、转向传动机构包括转向直拉杆、转向横拉杆、转向节臂的模型见图4.1 在上一步已完成的基础上在Pro-e的组件模块之下见图4.2完成了对转向装置各零件的装配过程初步完成三维模型的建立 利用已完成的三维模型模拟转向装置的工作过程观察机构运动是否发生干涉、是否存在转向死角的存在同时进一步完善各零件的设计数据11。 图4.1 活节螺栓的三维图 图4.2 转向节总成 在装配过程中设置相互转动的零件之间的约束为“销钉”约束12可以在完成装配图之后通过对图4.3的车把施加转矩来模拟真实的转向工作过程运动过程中观察可以对转向机构进行运动模拟以观察各部件的实际运动状况可以发现机构设计中的运动干涉及是否存在零件设计的不合理。 在上面的计算中已经设定转向车轮的最大转角为30再通过三维软件的模拟设定转向轮最大转角为30时比较直观地观察了转向装置的运动过程转向装置机构设计合理各机构之间未发生运动干涉见图4.5。 图4.5 转向装置运动模拟 至此完成了对转向装置的三维建模以及运动分析利用现代的设计方法模拟实际工作状态通过这个过程对前面的各参数进行了检查与确认最终完成了转向装置的设计。 5 结论 1节能车转向装置总成的分析与计算。目前能够选用的转向总成方案比较多结合赛车车架的设计以及整车布局合理确定转向装置的总成对于下一步工作具有指导意义。 2节能车转向装置各零件的参数计算与强度及刚度分析。其中最为重要的是车轮定位参数的合理确定这对于节能竞技车的滑行效果及车手操纵的轻便与舒适性影响较大。 3转向装置三维模