汽车前轮转向机构解析

1、汽车前轮转向机构目录1题目：汽车前轮转向机构31.1设计题目31.2设计数据与要求41.3设计任务42、转向系统42.1转向系统概述及结构简介 42.2转向系统的要求52.3传动比变化特性 52.3.1转向系传动比52.3.2力传动比与转向系角传动比的关系 62.3.3转向器角传动比的选择 73、设计内容74、设计结构分析 94.1四种类型梯形机构的选择： 95、转向梯形机构优化 105.1计算机构自由度：115.2运动分析115.3机构设计方法 115.4对比分析126、课程设计总结126.1 设计心得126.2设计工作分工表136.3参考文献1314转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机

2、构，转向系统应准确，快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，转向行使后或受 到外界扰动时，在驾驶员松开方向盘的状态下， 应保证汽车自动 返回稳定的直线行使状态。随着私家车的越来越普遍，各式各样的高中低档轿车进入了 人们的生活中。快节奏高效率的生活加上们对高速体验的不断追 求，也要求着车速的不断提高。 由于汽车保有量的增加和社会活 生活汽车化而造成交通错综复杂， 使转向盘的操作频率增大， 这 要求减轻驾驶疲劳。所以，无论是为满足快速增长的轿车市场还是为给驾车者更 舒适更安全的的驾车体验， 都需要一种高性能、低成本的大众化 的汽车前轮转向机构。本课题以现在国产轿车最常采用的齿轮齿条液压动力转向 器为核心

3、综合设计轿车转向机构。1、题目：汽车前轮转向机构1.1设计题目汽车的前轮转向，是通过等腰梯形机构 ABCD驱使前轮转动来实现的。其 中，两前轮分别与两摇杆 AB、CD相连，如附图32所示。当汽车沿直线行使时 （转弯半径R=x）,左右两轮轴线与机架AD成一条直线；当汽车转弯时，要求 左右两轮（或摇杆AB和CD）转过不同的角度。理论上希望前轮两轴延长线的 交点P始终能落在后轮轴的延长线上。这样,整个车身就能绕P点转动,使四个轮 子都能与地面形成纯滚动，以减少轮胎的磨损因此，根据不同的转弯半径 R（汽 车转向行驶时，各车轮运行轨迹中最外侧车轮滚出的圆周半径 ），要求左右两轮轴 线（AB CD分别转过

4、不同的角度a和B ,其关系如下：如附图32所示为汽车右拐时：tan a = L/（R-d-B）tan B = L/（R-d）所以a和B的函数关系为：cot B - COt a = B / L同理,当汽车左拐时,由于对称性,有cot a -COt B = B / L,故转向机构ABCD 的设计应尽量满足以上转角要求.附图321.2设计数据与要求设计数据见附表18,要求汽车沿直线行驶时，铰链四杆机构左右对称，以保证 左右转弯时具有相同的特性该转向机构为等腰梯形双摇杆机构，设计此铰链四 杆机构.附表18 设计数据参数轴距轮距最小转弯半 径销轴到车轮中心 的距离符号LBRmind单位Mmmmmmmm型

5、 号途乐GRX2900P 16056100400途乐290015556100400尼桑公 爵2800150055005001.3设计任务1）、根据转弯半径 R min和R max=（直线行驶）,求出理论上要求的转角 a和B的对应值。要求最少2组对应值。2）、按给定两联架杆对应位移，且尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附 加要求,用图解法设计铰链四杆机构ABCD3） 、机构初始位置一般通过经验或实验来决定，一般可在下列数值范围内选 取 ao =96° 103°, B 0 =77° 84°。建议 a°取 102°, B。取 78°

6、;。4）、用图解法检验机构在常用转角范围a < 20°时的最小转动角丫 min。2、转向系统2.1转向系统概述及结构简介转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车 行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、 减少交 通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构（方 向盘）、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转 运动转变为传动机构的直线运动（严格讲是近似直线运动）的机

7、构，是转向系的核 心部件。2.2转向系统的要求1、轿车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧 滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。2、轿车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到 直线行驶位置，并稳定行驶。3、轿车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。4、转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生 的摆动应最小。5、保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6操纵轻便。7、转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。8、转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机

8、构。9、在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向 系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10、进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。2.3传动比变化特性2.3.1转向系传动比转向系的传动比包括转向系的角传动比i °和转向系的力传动比ip。传动系的力传动比：ip =2Fw/F（ 1）转向系的角传动比0d/dt dd ： k / dt d k(2)转向系的角传动比Lo由转向器角传动比和转向传动机构角传动组成，即:io=i（ 3）转向器的角传动比：«wd/dt d半i p d ： p/d t d：p（4）转向传动机构的角传动比：叫 dBp/dt

9、d0pi° ® k dBk/dt dBk（5）2.3.2力传动比与转向系角传动比的关系转向阻力FW与转向阻力矩Mr的关系式:FwMr(1)作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩M h的关系式:Fh =2MhD sw(2)将式（1）、式（2）代入ip=2FW/Fh后得到:(3)MrDswM ha2Mr如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/M h可用下式表示(4)将式（1）代入式（2）后得到:(5)2a当a和Dsw不变时，力传动比ip越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏2.3.3转向器角传动比的选择转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角

10、传动比变 化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车， 不存在转向沉重问题，应取较小的 转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时 的操纵轻便性问题突出，应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小 些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。 否则 转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。3、设计内容1、根据转弯半径 Rmin和Rmax"(直线行驶),求出理论上要求的转角a 和B的对应值。要求最少2组对应值。R=Rin 时，t

11、an a =L/(R - d)=2900/(6100- 400)=0.509a =26.966 °tan B =L/(R - d- B)=2900/(6100 - 400-1605)=0.708B =34.978 °a =20.886B =25.629R=10000mr时，tan a =L/(R-d)=2900/(10000-400)=0.302 tan B =L/(R - d- B)=2900/(10000 -400-1605)=0.363根据公式可知，和随着转弯半径 R的增加而单调递减 参考数据如下：r( ma31016.80819.823208.4169.130305

12、.5965.904404.1884.359503.3463.454602.7862.860702.3862.440802.0862.128901.8541.8871001.6681.6942、按给定两联架杆对应位移，且尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附加 要求,用图解法设计铰链四杆机构ABCDDC9B-卩+ a根据上图列唯一矢量方程: 化简到x和y轴:对于该机构，AD杆长已知，再给定AB杆长及AB与AD夹角，该机构就确 定了。令B =34.978?, a =26.966?。代入位移方程中。得出一组 I及对 应的©和B。令a =10,将上面求得的I及值代入位移方程中，得出各种机构I及

13、©对 应B的实际值。再利用公式得出的理论值。找出实际值中，与理论值最接近的一个。所 对应的I及©即为最佳机构。最后计算出选出的机构当在 0到最大值之间时所对应的的理论值和实际 值。不同I对应的理论值和实际值之差的数据如下:I3理论值3实际值差值A 30.121.47520.8680.6060.1521.47520.8540.6210.2021.47520.8410.6330.2521.47520.8310.6440.3021.47520.8130.6610.3521.47520.7980.6760.4021.47520.7820.6930.4521.47520.7620.7

14、030.5021.47520.7420.733由表格数据可知， 最佳机构为1=0.1，所对应的为68.84 ° 。选定该机构后，检验其实际的可行性，让杆AB转过角度，算出该机构运动时所对应的数据为：a0369121518212426.93卩理论值103.096.359.8513.8418.2022.7725.9930.5334.91卩实际值03.066.279.7413.4017.8521.2325.3229.7634.95比较卩的理论值和实际值可知，该机构的误差较大，故该梯形机构不是最理想 的机构。3、用图解法检验机构在常用转角范围a < 20°时的最小转动角丫 m

15、in机构在任意位置图示如下:如图所示，传动角，令。把I与为所选所对应的值。代入位移方程。计 算出各转角对应的值。则最小的值即为最小传动角丫 min。计算可知，Y随着a的增加而单调递减，其 数据如下:a036912151820Y68.6465.7462.7259.4056.0252.3748.5146.054、设计结构分析1、四种类型梯形机构的选择:汽车转向梯形机构如下图所示共有四种可能的类型:(a)机构可行的必要条件是当机构转动时，前轮两轴延长线的交点P能落在后轮轴的 延长线上。当研究车辆右转时，左边连架杆的转角a小于右边连架杆的转角 易知，（a）、（d）两种机构均可行.而对于（b）、（c）机

16、构，当这两种机构右转时， a大于B，所以这两种机构是不可行的。结构（a） （d）是平面四杆机构结构简单，虽然设计制造比较方便，但其性能有 着较大的局限性，上面我们已经研究过，误差较大，无法保证前轮两轴延长线的 交点P能落在后轴上，所以不是最理想机构。5、转向梯形机构优化转向梯形机构用来保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。设计转向梯形的主要任务之一是确定转向梯型 的最佳参数和进行强度计算。一般转向梯形机构布置在前轴之后， 但当发动机位 置很低或前轴驱动时，也有位于前轴之前的。转向梯形有整体式和断开式两种， 选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方

17、案有联系。无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时 转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。同时，为 达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。9/ L3L2由机械原理易知，平面四杆机构结构简单，虽然设计制造比较方便，但 其性能有着较大的局限性。如上面的设计过程，尽管在无数种机构中找 到了最佳机构，但运动起来误差依然较大，无法保证前轮两轴延长线的 交点P能落在后轴上。因此，我考虑利用上图所示的六杆机构设计转向机构。1、计算机构自由度:n=5 Pl=6 Ph=O; F=3X 52 X 6=1自由度为1,运动确定2、

18、运动分析下图为该机构在转过某角度的状态如下列出位移方程：11 Xcos(|+a+l2 Xcos ©1+13+12 Xcos(|2+l1 Xcos 0 -伊B11 Xsin 0- a=l2 Xsin ©1+h11 Xsin 0 - =12 Xsin ©2+h3、机构设计方法如第二题，满足该机构在最小转弯半径 Rmin所对应的a和B满足P 点落在后轴延长线上的要求；并且其他各组a和B尽可能是能使P点 落在后轴延长线上。经过分析，我们取。令，代入位移方程中，解得一组l对应的。再令，将上面求得的l及值代入位移方程中，得出各种机构l及对 应的实际值。为找出最佳机构，利用公式cot 1 cot得出的理论值。找出实L际值中，与理论值最接近的一个。所对应的I及即为最佳机构。用A3图纸画图得：4、对比分析经计算，四种机构在各转角下的误差和如下表:机构误第二题0.275359第四题0.185906思考题0.18397改进机构0.1146由上表可以直观地看到，改进机构的误差和最小。综上所述：使用上述的六杆机构能更加精确的保证前轮两轴延长线的交 点P能落在后轴上。6、课程设计总结6.1设计心得经过两周的奋战我们的