某型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與分析【轎車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器】

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I 某型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與分析 摘要 ： 在當(dāng)今社會中，汽車越來越受到人們的青睞，為了出行方便，基本上家家戶戶都擁有了各種款式不同的小轎車，可見汽車在未來社會發(fā)展中的重要性和必要性，而且，人們對汽車的安全性和智能性的要求也不斷的提升，安全性的需求主要體現(xiàn)在汽車在路面上行駛的安全，各種操作機(jī)構(gòu)的安全可靠性，以及制動系統(tǒng)的安全可靠性。此次設(shè)計齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，通過選擇轉(zhuǎn)向系的方案，確定轉(zhuǎn)向系的性能參數(shù)，計算轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條強(qiáng)度和轉(zhuǎn)向器的角傳動比等參數(shù)以及確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置形式，并進(jìn)行其強(qiáng)度校核，最后通過使用三維繪圖軟件制出設(shè)計合理的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 ,并挑選其中的主要零件使用 輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車中 的使用狀況比較大眾化 ， 期望經(jīng)此次 設(shè)計，對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器起到優(yōu)化 效果 ， 以 滿足 用戶的使用需求 。 關(guān)鍵詞 ： 轎車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向器；齒輪齒條；設(shè)計 In s by of in to a of of of in of of in on of of as of in of o of of of D of of of AD a in is by on a in 錄 摘要 ................................................................ I .......................................................... 緒論 .............................................................. 1 究背景 ......................................................... 1 車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ............................... 2 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 ............................................. 3 文研究的內(nèi)容 ................................................... 4 2 前 輪轉(zhuǎn)向汽車的動力學(xué)理論 .......................................... 5 擬樣機(jī)技術(shù)介紹 ................................................. 5 車前輪 轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 模型建立 ......................................... 5 、后懸架模型 ................................................. 6 向系統(tǒng)模型 ................................................... 7 車前輪 轉(zhuǎn)向汽車動力學(xué)模型 ....................................... 8 車坐標(biāo)系 ..................................................... 8 性二自由度 2車模型 ....................................... 9 性三自由度 2車模型 ...................................... 10 胎側(cè)偏特性模型 .............................................. 11 3 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù) ..................................... 13 械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 .......................................... 13 向系的效率 .................................................... 13 動比特性 ...................................................... 14 4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本設(shè)計 ....................................... 15 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇 ...................................... 15 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 ...................................... 15 向輪偏角計算 .................................................. 16 向器參數(shù)選取與計算 ............................................ 17 輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................ 18 向器材料及其他零件選擇 ........................................ 18 5 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)校核 ........................................... 19 條的強(qiáng)度計算 .................................................. 19 條受力分析 .................................................. 19 條齒部彎曲強(qiáng)度的計算 ........................................ 19 齒輪的強(qiáng)度計算 ................................................ 20 6 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計 ............................................... 23 向梯形 機(jī)構(gòu)概述 ................................................ 23 體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)方案圖解 ...................................... 23 體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析 .................................. 23 向傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 .............................................. 25 向傳送機(jī)構(gòu)的各部件 .......................................... 25 向橫拉桿及其端部 ............................................ 26 7 維設(shè)計和 維設(shè)計結(jié)果 ............................ 27 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的總成 .......................................... 27 輪齒條式轉(zhuǎn)向器中的部分零件圖 .................................. 28 參考文獻(xiàn) ........................................................... 29 致謝 ............................................................... 30 1 1 緒論 究背景 在飛速發(fā)展的機(jī)械工業(yè)技術(shù)的推動下，人們對道路交通安全和車輛操控舒適性等方面的關(guān)注 度 也越來越 高 。 前 輪轉(zhuǎn)向（ 2術(shù)由于行駛舒適安全的優(yōu)點(diǎn)很顯著逐漸被廣泛應(yīng)用， 逐漸發(fā)展 成為主流技術(shù)，滿足 了 消費(fèi)者對汽車提出的舒適安全需求。 自從汽車誕生之日開始，前輪轉(zhuǎn)向由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于檢查和維修，成為人們首選的轉(zhuǎn)向方式。傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向簡稱為 2控制方向盤，通過齒輪齒條傳動的方式來直接操縱汽車的行駛方向。建立在只能沿固定軌道行駛的火車發(fā)明的基礎(chǔ)之上， 2車擺脫了固定軌道，實(shí)現(xiàn)了自由行駛，實(shí)現(xiàn)了劃時代的跨越。對于公交車等大型公共車輛，在轉(zhuǎn)彎行駛工況下存在轉(zhuǎn)彎半徑過大的問題；對于汽車在高速行駛的工況下，存在著操縱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，不能滿足人們對行車安全和操縱穩(wěn)定性日益提高的要求。 因此 人們期待對前 輪轉(zhuǎn)向技術(shù) (2更好的優(yōu)化 。 對于汽 車行駛而言，車輛的轉(zhuǎn)向操控時域響應(yīng)與車輪與地面接觸的情況有著直接的關(guān)系。當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)彎時，由于駕駛員通過方向盤控制前輪轉(zhuǎn)過一個角度，前輪前進(jìn)方向由縱向變?yōu)閮A斜，由于輪胎與地面的接觸摩擦，這個摩擦力沿側(cè)向的分力，會影響汽車的原有運(yùn)動趨勢，使其發(fā)生橫擺。當(dāng)車身在進(jìn)行橫擺運(yùn)動的同時會產(chǎn)生一個離心力，這個離心力作用在前輪上的分力正好抵消地面通過前輪作用給車身的側(cè)向力，作用在后輪上的 離心力的 分力與地面對后輪的摩擦力的合力，會使后輪前進(jìn)的角度產(chǎn)生一個偏移角，從而跟隨前輪實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛。因此，前輪轉(zhuǎn)向車輛在轉(zhuǎn)向時，后輪是 跟隨前輪的轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)向，而且車身越長，后輪響應(yīng)越滯后，這樣以來，極大地降低了汽車行駛的靈敏性。 而 2統(tǒng)和 4統(tǒng)最根本的區(qū)別在于：當(dāng)控制方向盤操縱前輪轉(zhuǎn)過一個角度的同時，后輪也相應(yīng)地轉(zhuǎn)過一個角度，通過控制后輪的轉(zhuǎn)向相位和偏轉(zhuǎn)角來實(shí)時調(diào)節(jié)適應(yīng)不同的路況的轉(zhuǎn)向操作。當(dāng)車輛以較低的速度通過彎道時，當(dāng)前輪和后輪沿相反的方向 各自 轉(zhuǎn)過一定的角度，汽車的轉(zhuǎn)向中心由原來的位置向上向里偏移了一定的位置，有效地減小了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑 。 當(dāng)汽車以較高速通過轉(zhuǎn)彎路況，車輪轉(zhuǎn)彎所需角度 和 汽車車身橫擺率 以及 側(cè)向速度波動范圍和 影響會比 較 小，車輛操控更穩(wěn)定和輕便 [1]。 2 車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 20 世紀(jì)初，東京汽車工業(yè)學(xué)會 在某次會議中 提出將前輪和后輪通過機(jī)械剛性聯(lián)接 ， 當(dāng)駕駛員通過操縱方向盤控制前輪轉(zhuǎn)過一個角度之后，后輪由原來的通過地面摩擦的影響進(jìn)行轉(zhuǎn)向改變?yōu)楦鶕?jù)剛性聯(lián)接而直接響應(yīng)前輪的轉(zhuǎn)向跟隨，這樣有效地縮小了前后輪之間的滯后時間。在二戰(zhàn)期間，美國軍方采用了一種方式實(shí)現(xiàn)汽車前后輪能夠同時反向轉(zhuǎn)動，從而提高汽車在惡劣路況上的機(jī)動性能。在 70 年代末，中國、歐洲等國家的機(jī)械工業(yè)學(xué)會或工會都積極推動了 2統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用，許多公司例如：本田、馬自達(dá)、大眾等都提出了不同的車輛轉(zhuǎn)向伺服控制方案：有的是通過控制前后輪通過彎道路面時的轉(zhuǎn)角之間的比例，有的是通過控制車輛在轉(zhuǎn)彎時的質(zhì)心側(cè)偏的實(shí)時伺服控制與補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn) 前 輪轉(zhuǎn)向控制，有的是通過對汽車在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的橫擺率波動情況來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn) 2統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。不過這幾大汽車公司的 前 輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)都是簡單的機(jī)械式連接前后輪，并沒有達(dá)到實(shí)時精準(zhǔn)控制前后輪的運(yùn)動。 中國是直到上個世紀(jì) 80 年代才開始了對 2制技術(shù)的研究和開發(fā)，隨著國家對汽車工業(yè)的重視力度的 提高和對相關(guān)高校科研工作的支持和資助，比如在吉林大學(xué)、清華大學(xué)和湖南大學(xué)三所大學(xué)建立了國家汽車實(shí)驗室，并在長春第一汽車集團(tuán)公司和東風(fēng)第二汽車集團(tuán)公司等大型汽車基地建立了人才儲備計劃，促進(jìn)了中國汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前社會是出于信息時代，電器電子控制技術(shù)在車輛上的應(yīng)用也是日益增多，能夠通過電腦 制單元實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜、龐大的計算與控制，國內(nèi)的一些科研單位和高校也相繼建立了基于汽車電子方向的 2統(tǒng)研究的實(shí)驗設(shè)備和工具，通過對模型進(jìn)行虛擬仿真來優(yōu)化設(shè)計新型的、高效的 2輛。其中國內(nèi) 以 機(jī)械車輛為優(yōu)勢學(xué)科的 多所高校的的科研團(tuán)隊都相應(yīng)提出了自己對2制技術(shù)的研究 狀況 。例如：利用 2入與輸出之間的傳遞函數(shù)比例精準(zhǔn)控制，并結(jié)合與 2制系統(tǒng)分對比仿真分析，從而指出了 2制技術(shù)的發(fā)展方向。 析出了在不同車速時，車輛前轉(zhuǎn)向輪和后轉(zhuǎn)向輪的側(cè)偏剛度及重心的位置對車輛穩(wěn)定性的作用。他認(rèn)為要想改善車輛的穩(wěn)定性能就必須合理匹配、校驗車輛前轉(zhuǎn)向輪和后轉(zhuǎn)向輪的側(cè)偏剛度與重心的位置。 3 魯棒控制方案也是一項新型的研究，是由 出的控制策略。這種控制策略是基于 ?H 控制理論，其最終結(jié)果是抵抗外部環(huán)境的干擾。 在國內(nèi) ,郭孔輝教授研究出“冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型” [2]。 這種研究策略揭示了在前 輪轉(zhuǎn)向中，輪胎的非線性特性能夠幫助車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 王洪禮教授等人采用了 ?2 和魯棒控制 ?H 混合控制的方法，控制研究了非線性模型 [3]。 這種 控制方法能夠改善汽車操縱穩(wěn)定性。 目前 4 種最主要的汽車轉(zhuǎn)向器都是我國大力發(fā)展的對象，各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同款式的車上都能發(fā)揮其作用，但是，無論技術(shù)怎么發(fā)展，人們對汽車安全性的要求永遠(yuǎn)都是第一位的，其次我覺得就是智能化，操作簡單化，比如，像汽車內(nèi)的電子電器設(shè)備在未來的發(fā)展中可以一鍵代替，車門也可以智能化，感應(yīng)化，在防盜這方面，也可以做成系統(tǒng)進(jìn)行人臉識別等等。很多很多的人性化需求我希望我國在未來的汽車發(fā)展中可以得到實(shí)現(xiàn)。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)我覺得會成為未來汽車轉(zhuǎn)向系的發(fā)展的主流，因為其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，安裝方便，容易控制，盡可能的為駕駛員省 時省力，并且安全性會高很多。其次，我覺得智能化還能體現(xiàn)自動化上，甚至可以做到使駕駛員解放雙手，比如現(xiàn)在國外已經(jīng)出現(xiàn)了無人駕駛汽車，相信再過不了多久，我國也可以做出無人駕駛汽車。解放駕駛員雙手的目的在于使汽車全智能行駛，比如像汽車的左拐和右拐可以使用語音識別來進(jìn)行，開車門和關(guān)車門也可以使用語音識別系統(tǒng)，車內(nèi)的電子電器設(shè)備也可以使用語音識別，比如歌曲的播放或者歌曲的選擇。未來汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用語音識別是最好的選擇，駕駛員使用簡單方便，而且容易操作。還有一種解決方案就是用數(shù)據(jù)控制，對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行編程，用一個鍵 來控制汽車的轉(zhuǎn)向，在駕駛員的駕駛過程中，只要按這個鍵，就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。等等還有很多很多的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的更新方案，只要我們努力，相信在未來的發(fā)展中汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn)會越來越好的。 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 由 發(fā)動機(jī) 提供的動力及其他 動力 形成的 轉(zhuǎn)向能源 共同 構(gòu)成汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一套機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和一套轉(zhuǎn)向加力系統(tǒng)組成。示。 4 圖 . 方向盤 司機(jī)通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，力傳動到轉(zhuǎn)向搖臂之后，通過圖中的 11、 8、 7，再將力傳遞到轉(zhuǎn)向輪，令它發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)，從而，該控制閥在該輸入軸的影響下轉(zhuǎn)過一定角度，缸內(nèi)就會形成一種作用力，即液壓作用力，促使轉(zhuǎn)向成功。相對于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這樣就減小了駕駛員所需要加在轉(zhuǎn)向盤上的力矩。 文研究的內(nèi)容 本篇論文主要是研究 轎車 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個部件的組成，每個部件的作用等等，還包括三維圖和二維圖的設(shè)計。最終并展示所有設(shè)計成果。 根據(jù)四年來所學(xué)習(xí)的所有知識進(jìn)行領(lǐng)會和綜合運(yùn)用。根據(jù)所學(xué)習(xí)的汽車構(gòu)造的知識熟練掌握汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，學(xué)習(xí)并使用 維建模軟件和 維繪圖軟件設(shè)計出合理并且實(shí)用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。在使用三維建模軟件的過程中，可以適當(dāng)?shù)倪x取和使用零件庫里面的標(biāo)準(zhǔn)件來進(jìn)行配合，在使用三維建模的軟件的過程中要注意各種特征的創(chuàng)建，各種零件的配合。 5 2 前 輪轉(zhuǎn)向汽車的動力學(xué)理論 擬樣機(jī)技術(shù)介紹 虛擬樣機(jī)技術(shù) 這種技術(shù)在以往的設(shè)計方法中做出巨大革新，將設(shè)計和分析放到一起，做為一個整體去看待 。利用計算機(jī)輔助技術(shù)，建立產(chǎn)品的整體模型 ,全面對其使用情況進(jìn)行仿真分析 ,根據(jù)整體分析效果，進(jìn)而對其進(jìn)行改進(jìn)，提高其使用性能，周期短，費(fèi)用低。 在以前的產(chǎn)品的前期研發(fā)設(shè)計階段，產(chǎn)品會出現(xiàn)很多的缺陷和不足，而這些缺陷和不足只有在實(shí)驗或試驗中才能得以表現(xiàn)，所以為了檢驗或檢查出這些不足之處，往往需要建立大規(guī)?；虼罅康膶?shí)體模型或樣機(jī)來進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)驗，這一項工程是十分龐大且很繁瑣，會耗費(fèi)很多的投入。若試驗的次數(shù)不夠，有些缺陷和不 足就不能被充分發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的整體質(zhì)量進(jìn)一步改善。 將以往的設(shè)計 模式 做出優(yōu)化后 ， 使其成為一種更為貼近人們使用要求的模式 。通過這種技術(shù)，在產(chǎn)品的前期研究設(shè)計階段，研究人員可以對當(dāng)前所研究出來的樣品在計算機(jī)環(huán)境中進(jìn)行虛擬建模，并在 制單元的幫助通過對這些模型進(jìn)行受力分析和仿真分析，在軟件的環(huán)境下對這些產(chǎn)品的各部件的運(yùn)動情況進(jìn)行觀察，并設(shè)定一系列的臨界值，在分析過程中，如果出現(xiàn)哪一項數(shù)值低于或高于臨界值時，計算機(jī)會自動提示，這樣設(shè)計人員就知道這些樣品中普遍的問題，從而進(jìn)行改進(jìn)。同時還能根據(jù)仿真試驗 的結(jié)果，隨時修改零部件的模型的物理參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計方案。這樣的研發(fā)模式，可大大縮短研發(fā)周期，同時也能很大程度上節(jié)約投入的人力物力。在前期設(shè)計和方案優(yōu)化過程中，工程師 可 發(fā)揮自己的 能力 設(shè)計更 好 的產(chǎn)品 [4]。 車 前 輪 轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 模型建立 本課題是在 件的建模環(huán)境下，是基于一款 轎車 車型的基礎(chǔ)上，對其的懸架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和改進(jìn)，定義出一系列幾何結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)，這個模型包括懸架部分、轉(zhuǎn)向部分 ， 其中懸架部分為 型和 型。 在 行駛時 ，車輛的車速普遍不是很高，所以對這款 轎車 的簡化模型是一個只涉及側(cè)向和橫擺，只有兩個自由度的物理模型。然后實(shí)際的行駛過程中，當(dāng)車速較大時，外界有很多非線性的干擾因素會對 2輛的行駛造成影響。所以本課題中的模型 是在前者的基礎(chǔ)上，另外加入 側(cè)傾 這個 方向 ， 構(gòu)建一個 三自由度的幾何模型。 6 、后懸架模型 非獨(dú)立懸架 是 通過剛性連接 的 ，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但缺點(diǎn)也很明顯，那就是車輛有較多的質(zhì)量由輪胎直接承載， 從而降低了汽車的行駛平順性 ；獨(dú)立懸架 包括 不剛性 的和 柔性 的連接 。 獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu) 要 相對繁瑣 ，非簧載質(zhì)量 較小帶來的直接影響就是降低了 地面的沖擊載荷， 而且一些剛性聯(lián)接件至今不使用 ，汽車的底盤下沉，重心降低，從而使平順性得到了保證 。 麥弗遜懸架、多連桿懸架和雙橫臂懸架 等懸架形式應(yīng)用較廣 。其中麥弗遜懸架是一種經(jīng)典的獨(dú)立懸架形式，在汽車行駛過程中，麥弗遜懸架在輪胎跳動的情況下能有效保證輪胎與地面的接觸面積，而且整體結(jié)構(gòu)占用的有效空間小，在過彎道時能有效地改善懸架的縮短響應(yīng)時間。但缺點(diǎn)也是很明顯，在轉(zhuǎn)彎過程中，由于整體的結(jié)構(gòu)簡單而導(dǎo)致懸架剛度較低，在路面不平或者惡劣的路面行駛，對懸架的損傷較大，導(dǎo)致懸架的壽命不長的問題。 雙橫臂懸架對麥弗遜懸架 實(shí) 行了剛度方面的優(yōu)化 ，汽車在行駛時兩根橫臂能夠有效吸收 因車輪跳動而從 地面?zhèn)鬟f過來的沖擊和載荷，同時兩個插臂還能有效吸收左右兩個方向作用力對懸架的沖擊，整體剛度有所提高。同時，由于上下兩個搖臂的長度不同，車輪在上下跳動的時候，能夠自適應(yīng)路面的情況實(shí)時改變輪胎的外傾角和輪距，而且輪胎與地面的接觸面積也較大，從而能夠有效減小輪胎的磨損。多連桿懸架則是在雙橫臂懸架的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，通過設(shè)置多個連桿，總而有效地增加了懸架整體的剛度，同時也有效地減少了懸架的整體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計理念。 前后懸架如圖 示。單側(cè)懸架 設(shè)計時，根據(jù) 側(cè)向、橫擺、側(cè)傾三個自由度方向的受力或力矩的情況。本課題中建立的物理模型主要是以后懸架插臂和轉(zhuǎn)向系之間的聯(lián)系為重點(diǎn) 建立的 。 7 圖 懸架物理模型 圖 懸架物理模型 向系統(tǒng)模型 車輛在轉(zhuǎn)彎行駛的過程中，懸架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向系之間的配合設(shè)計是對汽車的操控平順性是非常重要的，所以本課題在進(jìn)行了懸架模型的建立之后，相應(yīng)對轉(zhuǎn)向系進(jìn)行了考慮。在上面對前懸架和后懸架的建立過程中，就已經(jīng)十分詳細(xì)地考慮了前后系統(tǒng)，所以選擇與前、后懸架匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即可，只需要參照前后懸架轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)和桿件的相對位置進(jìn)行設(shè)計。 8 圖 向系的物理模型 車 前 輪 轉(zhuǎn)向汽車動力學(xué)模型 車坐標(biāo)系 對 2統(tǒng)必須建立一個較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析，這個模型應(yīng)該包含控制力來源、實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)和側(cè)向風(fēng)等外界條件的干擾等因素，能夠較為準(zhǔn)確地簡化需要研究的參數(shù)和性能，同時又不影響實(shí)際研究。當(dāng)前，有很多的高校和團(tuán)隊已經(jīng)就基于開環(huán)系統(tǒng)下對 2輛建模進(jìn)行了深入的研究。本課題對這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一些收集和整理，介紹具有側(cè)偏非線性特性因素的輪胎模型，當(dāng)前對 前 輪轉(zhuǎn)向汽車的研究都是建立在只有側(cè)向和橫擺兩個方向上，只有兩個自由度的線性模型的基礎(chǔ)上，本課題通過在模 型 中加入側(cè)傾方向的自由度，充分考慮汽在實(shí)際行駛過程中的各種運(yùn)動狀 態(tài)進(jìn)而分析其的運(yùn)動規(guī)律。通過將這幾種模型和 2車模型進(jìn)行對比分析，結(jié)合仿真結(jié)果，比較二者之間的區(qū)別和優(yōu)劣 [5]。 9 圖 車坐標(biāo)系 圖中： — 車輛的左右對稱面 x 軸 —— 車輛前進(jìn)運(yùn)動方向 y 軸 —— 車輛側(cè)向運(yùn)動方向 o 點(diǎn) —— 汽車質(zhì)心的位置 橫擺角速度 —— 汽車質(zhì)心偏轉(zhuǎn)角速度在 z 軸上的分量 側(cè)向加速度 v —— 汽車質(zhì)心速度在 y 軸上的分量 側(cè)向角加速度 —— 汽車質(zhì)心角速度在 y 軸上的分量 性二自由度 2車模型 先對 2車模型作如下的假設(shè)： （ 1） 只考慮車輛 的 側(cè)向 移動 和橫向 偏移 ； （ 2） 車輛在前進(jìn)方向的速度保持為定值； （ 3） 忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車的影響； （ 4） 汽車的側(cè)向加速度不高于 2/4，輪胎的側(cè)偏 性不明顯； （ 5） 汽車車速不大，所以可以不計空氣阻力的影響； 通過以上五點(diǎn)假設(shè)，不考慮汽車在垂向、俯仰、側(cè)傾三個方向的移動或者轉(zhuǎn)動的情況，從而 2車可以簡化為兩個車輪的“摩托車”模型，縱向是車輛前進(jìn)方向，側(cè)向和橫擺兩個方向的受力或力矩對汽車在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生影響。 0 圖 性二自由度 2車模型 性三自由度 2車模型 上面的只有側(cè)向和橫擺兩個方向的共計兩個自由度的“摩托車”模型是基于五點(diǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)上，這樣的假設(shè)忽略了在實(shí)際行駛過程中，很多的外界條件的干擾。特別是當(dāng)汽車的側(cè)偏效應(yīng)比較大是，這樣的簡化二自由度模型并不能滿足汽車實(shí)際行駛的情況，導(dǎo)致模型的可行性和分析精度的大大降低。因此，只有充分考慮車輛在轉(zhuǎn)彎過程中的受力情況和運(yùn)動情況，對模型加以改進(jìn)，才能使所建立的模型滿足更多的實(shí)際運(yùn)動條件。 增加模型的自由度分析，可以從多個方向來進(jìn)一步考慮汽車的行駛狀況，但增加一個自由度，計算機(jī)對模型的分析和仿真計算的程度就會大大提高，甚至 計算機(jī)也不能求解出理想的答案，所以對這樣的模型只能從仿真結(jié)果的曲線關(guān)系圖進(jìn)行定性分析。 11 圖 線性三自由度 2車模型 胎側(cè)偏特性模型 車輛在實(shí)際行駛過程中，會受到許多外界的干擾條件的影響，其中比如：路面的粗糙程度、空氣阻力的大小、車輛在駕駛員通過操控方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作時，車輛所受到的離心力和地面摩擦力相互之間對車輛的影響。 車輛因轉(zhuǎn)彎行駛 收到地面的摩擦力和車輪轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的離心力的作用下 ， 若 離心力 大于此 摩擦力，輪胎與地面之間產(chǎn)生相對滑動； 若 離心力 小于或等于此 最大摩擦力，車輪會向兩側(cè) 發(fā)生 偏移 。 所以說 側(cè)向力 有 沒有達(dá)到車輪在地面 上的附著極限，車輪依然會發(fā)生偏移 ，這就是輪胎的 偏差 現(xiàn)象。輪胎的這種特性，可分為 型兩種。其中 型是指車輛在轉(zhuǎn)彎行駛過程中，離心力和地面摩擦力之間的相互作用下，輪胎所受的側(cè)偏力和駕駛員操控方向盤使前輪轉(zhuǎn)過的角度之間的關(guān)系為正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)過的角度越大，側(cè)偏作用力也隨之增大，但轉(zhuǎn)過的角度減小時，側(cè)偏作用力也隨之減小。而 型則是指側(cè)偏剛度 胎的這兩種模型之間的關(guān)系曲線可以由如下圖像可知： 12 圖 輪胎的 性 由圖可知，當(dāng)輪胎的側(cè)偏轉(zhuǎn)角小于 5°時，汽車的側(cè)偏剛度 K 基本保持不變，兩者之間的關(guān)系可以用線性函數(shù)比擬，輪胎所受的側(cè)偏力和駕駛員操控方向盤使前輪轉(zhuǎn)過的角度之間的關(guān)系為正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)過的角度越大，側(cè)偏作用力也隨之增大，但轉(zhuǎn)過的角度減小時，側(cè)偏作用力也隨之減??；然而，當(dāng)輪胎的測拍你轉(zhuǎn)角超過 5°時，汽車的側(cè)偏剛度 K 越來越小，這時，兩者的關(guān)系不能再用線性正比例函數(shù)來比擬，此時輪胎出于 型的狀態(tài)。此時，為了研究在較大側(cè)偏角的工況下的輪胎模型，不少研究團(tuán)隊都提出了自己的研究處理方案，本課題為了研 究輪胎的 型，直接參考了在上個世紀(jì) 70 年代，有吉林大學(xué)的郭孔輝教授提出的在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，地面對汽車的側(cè)向力和汽車所收到的回正力矩之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，即半經(jīng)驗“ 胎模型。 此 輪胎統(tǒng)一模型可應(yīng)用于本課題中對 前 輪轉(zhuǎn)向汽車模型的建立和仿真中， 可 提高計算機(jī)和運(yùn)算 [6]。 13 3 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求及參數(shù) 械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 圖 輪轉(zhuǎn)向系 的基本構(gòu)成 萬向節(jié)在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中起 緩沖 作用。比如在發(fā)生車禍的時候，駕駛員猛烈的撞擊方向盤，方向盤上所受的撞擊力傳給轉(zhuǎn)向軸，而這些撞擊力可以通過萬向節(jié)得到緩解，使駕駛員安全性提高。在轉(zhuǎn)向器中，齒輪和齒條的形狀很重要，比如，如果齒輪選擇了直齒，那么直齒在與齒條嚙合的過程中不穩(wěn)定，容易跳齒，還有齒條的選擇，齒條的形狀有圓柱形，矩形， V 形等等，最合適的選擇是圓柱形，因為圓柱形相比較 V 形而言會減小很多摩擦。在轉(zhuǎn)向柱的那個部位，有安裝吸能裝置，它的作用和萬向節(jié)相似，比如在發(fā)生車禍的時候，駕駛員猛烈的撞擊方向盤，方向盤上所受的撞擊力傳給轉(zhuǎn)向軸，而這些撞擊力可 以通過萬向節(jié)得到緩解，使駕駛員安全性提高。 向系的效率 轉(zhuǎn)向系的效率代表了轉(zhuǎn)向器性能的好壞，力在方向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間相互轉(zhuǎn)換，駕駛員施加給方向盤的力通過轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳給萬向節(jié)，萬向節(jié)是車輪發(fā)生左右轉(zhuǎn)動，同樣的，當(dāng)汽車在行駛的過程中，由于路面的不平整，也會導(dǎo)致車輪震動，發(fā)生左右轉(zhuǎn)動，這個力經(jīng)過轉(zhuǎn)向傳動裝置傳送到方向盤，使方向盤旋轉(zhuǎn)，形成打滑現(xiàn)象，會打到駕駛員的手。 14 動比特性 轉(zhuǎn)向系的角傳動比 : ?????? ??? //0（ ??? ?0 （ 轉(zhuǎn)向器的角傳動比： ?????? ??? // （ 式中 p? 為搖臂軸角速度； 為搖臂軸轉(zhuǎn)角增量。 轉(zhuǎn)向阻力 轉(zhuǎn)向阻力（ a 為主銷偏距。 將式代入 2? 后得到：用在轉(zhuǎn)向盤上的手力 （ 02??? ? （ 將式（ 3入式（ 3得到： 0?? （ 其中 傳動比 向盤直徑 15 4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本設(shè)計 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)選擇 （ 1） 輸入輸出形式選擇 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式 [7]。 即 中間輸入，兩端輸出（圖 側(cè)面輸入，兩端輸出（圖 側(cè)面輸入，中間輸出（側(cè)面輸入，一端輸出（圖 圖 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式 （ 2） 齒輪形式選擇 本設(shè)計 采用螺旋齒。 （ 3） 齒條形式選擇。 本設(shè)計采用圓形端面齒條。 輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 中因為轉(zhuǎn)向器相對前輪位置的不同而形成的布置形式 ： （ 1） 前軸 在前 ，梯形 在后 （圖 （ 2） 前軸 在前 ，梯形 在前 （圖 （ 3） 前軸 在后 ，梯形 在后 （圖 （ 4） 前軸 在后 ，梯形 在前 （圖 16 圖 種布置形式 向輪偏角計算 本次設(shè)計的車輛的軸距取為 2648此其半徑在 盡量取小值以保證良好的機(jī)動性，最小轉(zhuǎn)彎半徑 m 。 據(jù)此，由圖 轉(zhuǎn)向輪外輪最大轉(zhuǎn)角 )/(a rc s in m a x ?? (L 為汽車軸距。本設(shè)計軸距為 L=2648 角圖 可以得到外輪最大轉(zhuǎn)角648t a n 0 . 6 7 0c o s 5 0 0 0 c o s 1 4 4 0??? ? ?? ? ? ? ( 17 于是得轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 ? 向器參數(shù)選取與計算 正確嚙合條件： ? 21 ； ??? ?? 21 ； 21 ?? ?? 表 輪齒條的主要參數(shù) 名稱 齒輪 齒條 齒數(shù) Z 7 31 模數(shù) 力角 n? 020 020 螺旋角 ? β 1= 012 β 2=- 012 變位系數(shù) 輪胎上的原地轉(zhuǎn)動的阻力矩由經(jīng)驗公式得： 式中， f— 輪胎和路面間的滑動摩擦因素； 為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（ N）；取前軸滿載 815 p— 為輪胎氣壓（ 取 所以 方向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)： c o = 3 . 2 5(其中 0初選傳動比。 方向盤上的操縱載荷力：h s w +2= = 6 3 . 9i (結(jié)果符合設(shè)計的要求 因為 所以作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩為 h s = 2 4 2 8 2 m （ 18 力傳動比： 4 98 ????? （ 取齒寬系數(shù) n o s o s 11 ???? ?? （ 齒條寬度 d ??? ? 圓整取 22 ? 。則取齒輪齒寬21021 ??? 輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在 齒輪的尺寸 下 設(shè)計齒輪軸，如圖 示。因為本設(shè)計采用螺旋齒結(jié)構(gòu)， 傳動時會產(chǎn)生一定軸向力 。螺旋齒旋轉(zhuǎn)，帶動齒條左右旋轉(zhuǎn)。 壓緊彈簧安裝在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)里面的齒條的背面，可以吸收齒條對壓塊的力，起到一個緩沖作用。 Φ20Φ128 4 3 8 1 2 3 5Φ10Φ12 Φ 41 7 . 51 5 圖 輪軸結(jié)構(gòu) 向器材料及其他零件選擇 （ 1） 齒輪齒條材料選擇 小齒輪：選用 20金鋼。 （ 2） 軸承的選擇 軸承 1：深溝球軸承 6004C (292 軸承 2：滾針軸承 201019c （ 152 （ 3） 轉(zhuǎn)向器的潤滑和密封 方式 的選擇 轉(zhuǎn)向器的潤滑方式：人工定期潤滑 潤滑脂：石墨鈣基潤滑脂中的 滑脂。 密封件：密封毛氈 6 30 3871— ?]2[ 19 5 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器數(shù)據(jù)校核 條的強(qiáng)度計算 條受力分析 圖 條的受力分析 如上圖所示，各力的大小為： 1β? (式中 1? —— 齒輪軸分度圓螺旋角； n? —— 法面壓力角。 齒輪軸受到的切向力： 2 齒條齒面的法向力： ? =條齒部受到的切向力： F ? ( 條齒部彎曲強(qiáng)度的計算 齒條的單齒彎曲應(yīng)力： 20 2 107 bs hF ? （ 式中： 齒條齒面切向力； b—— 危險截面處沿齒長方向齒寬； 1h —— 齒條計算齒高； S —— 危險截面齒厚； 齒輪齒條的總重合系數(shù)按理論計算值為 在嚙合 時 至少有 2 對齒同時嚙合， 故 每個齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍 [8]。 則 2001 ? ? = （ 齒條的材料是 40造，因此： 抗拉強(qiáng)度 ?b? 735N/ (沒有考慮熱處理對強(qiáng)度的影響 )。 齒部彎曲安全系數(shù) 齒輪的強(qiáng)度計算 （ 1） 齒輪的計算載荷 P = （ L —— 沿齒面的接觸線長，單位 [9]： P= （ 式中 K—— 載荷系數(shù)。 K= K ?K （ 所以載荷系數(shù) K= K ? 1? 1? 齒輪傳動的端面重合度 計算 端面模數(shù) =面壓力角α t= =0 =21 =0 =0 = （ 在斜齒輪傳動中齒輪的單位長度受力和接觸長度為 [10]： ???? ? ?（ =2/????????? 1c i n c ?????????? ???? (=??? ?11???H?? 式中： 彈性系數(shù) ???????? ????222121 111??? (0金鋼 作為主動輪的主要構(gòu)成材料 ， 1? 和 2? 相等， 用 合金鋼 這種材料 ， 于 －節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ? ?c o ss in c o 可根據(jù)螺旋角 ? 查得 [11]， = 22 齒輪與齒條的傳動比 u 趨于無窮 11?? （ 所以 H? = 接觸疲勞強(qiáng)度極限 1通過計算后，得出該值為 1000 N = 2? 105 ，= 即 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 為 200000 次 。 根據(jù)理論數(shù)據(jù)可得計算接觸疲勞許用應(yīng)力 [12] ? ? ? = 1000 1100 （ 式中 為 接觸疲勞壽命系數(shù) H?

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汽車 轉(zhuǎn)向 系統(tǒng) 設(shè)計 分析 轎車 齒輪 齒條 轉(zhuǎn)向器