汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及前橋設(shè)計(jì)

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1、 目 錄 摘要 I Abstract II 0文獻(xiàn)綜述 1 0.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概況 1 0.2前橋概況 2 1引言 4 2汽車(chē)主要參數(shù)的確定 4 2.1軸距L 4 2.2前輪距和后輪距 4 2.3整車(chē)整備質(zhì)量 5 2.4汽車(chē)的裝載質(zhì)量 5 2.5質(zhì)量系數(shù) 5 2.6汽車(chē)滿(mǎn)載總質(zhì)量 6 2.7軸荷分配 6 2.8輪胎選擇 6 2.9最小轉(zhuǎn)彎直徑 7 2.10數(shù)據(jù)的確定 7 3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3.1汽車(chē)轉(zhuǎn)向基本特性 8 3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和主要性能參數(shù) 8 3.2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 8 3.2.2轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 9 3.2.3 轉(zhuǎn)向器效率 11

2、 3.2.4轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 12 3.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 12 3.3.1轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 12 3.3.2主要尺寸參數(shù)選擇 13 3.3.3螺桿、鋼球、螺母?jìng)鲃?dòng)副 13 3.3.4齒條，齒扇傳動(dòng)副 14 3.3.5循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計(jì)算 17 3.4整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3.4.1整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析 18 3.4.2 基于Matlab的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 21 4轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋設(shè)計(jì) 27 4.1轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要零件參數(shù)確定 27 4.2轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要零件設(shè)計(jì)計(jì)算 29 4.2.1制動(dòng)工況下的前梁強(qiáng)度計(jì)算 30 4.2.2在側(cè)

3、滑情況下的前梁強(qiáng)度計(jì)算 31 4.2.3轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的強(qiáng)度計(jì)算 33 4.2.4主銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)襯套在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的強(qiáng)度計(jì)算 34 4.2.5轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承的計(jì)算 36 5結(jié)論 36 參考文獻(xiàn) 37 致謝 38  汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及前橋設(shè)計(jì) 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716 摘要：隨著汽車(chē)的普及，對(duì)于汽車(chē)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和操縱感受也更加重視。而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向橋工作環(huán)境復(fù)雜多變，其關(guān)系著整車(chē)的安全性和操縱性，因此對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和車(chē)橋的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 本論文對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與前橋的工作性能方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。秉著兼顧安全性、舒適性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及

4、減輕質(zhì)量的原則對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前橋的現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)、分類(lèi)和工作原理進(jìn)行了深入的對(duì)比分析，從而選出最優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核以達(dá)到可靠性良好的目的；對(duì)重要部件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使之更接近理論期望值。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；前橋；最優(yōu)化  The Designs of Steering system and Front axle Luo You College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China Abstract：We pay more attentio

5、n to each performance index and manipulate feelings for cars with the popularity of cars.The complexity of working environment of front axle and steering system is related with the safety and maneuverability.So weshouldmention higher requirements forthe design of steering system and frontaxle. The

6、thesis is about the design of the performance aspect of the front axle and steering system.Taking consideration of safety, comfort, stability, economy and lightweight,it analyses thoroughlymany aspects of the steering system and front axle,including present situation,structure, classification and wo

7、rking principle.So the best program is gotten.checking the strength of constructureis to get good reliability;For making it more close to the theoretical expectations, it is necessary to Optimize the parameters of the important parts. Key Words：steering system;front axle;optimization  0文獻(xiàn)綜

8、述 0.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概況 汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，駕駛員根據(jù)路況操縱方向盤(pán)來(lái)控制汽車(chē)行駛方向。使汽車(chē)改變或保持汽車(chē)行駛方向的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 就輪式汽車(chē)而言，其通過(guò)該機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪相對(duì)汽車(chē)行駛方向偏轉(zhuǎn)一定角度而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。具有能夠按照駕駛員的要求準(zhǔn)確地改變方向，直線(xiàn)行駛并且傳遞路況的作用。其性能直接影響到安全性能、行駛穩(wěn)定性和操縱輕便性。 圖0-1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖 Fig.0-1 Schematic diagram of steering system 1— 轉(zhuǎn)向盤(pán)；2—轉(zhuǎn)向軸；3—轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)；4—轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；5—轉(zhuǎn)向器；6—轉(zhuǎn)向搖臂；7—轉(zhuǎn)向直拉桿； 8—轉(zhuǎn)向節(jié)臂；9

9、—左轉(zhuǎn)向節(jié)；10，12—梯形臂；11—轉(zhuǎn)向橫拉桿；13—右轉(zhuǎn)向節(jié)；14—花鍵 圖0-1示出機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其由轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其核心部件為機(jī)械轉(zhuǎn)向器。機(jī)械轉(zhuǎn)向器完全有由人力操縱，通過(guò)一定的傳動(dòng)比來(lái)減小轉(zhuǎn)向力。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。其完全靠駕駛員手力操縱，當(dāng)轉(zhuǎn)向車(chē)橋負(fù)荷較大時(shí)則難以順利轉(zhuǎn)向，駕駛員容易疲勞，但其相對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)成本小，油耗相對(duì)較低。 所有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件是轉(zhuǎn)向器，常見(jiàn)轉(zhuǎn)向器有兩種： (1)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器：該轉(zhuǎn)向器由于與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向小齒輪和常與與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊

10、，質(zhì)量輕，傳動(dòng)效率高達(dá)90%，體積小，沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大，成本低?？勺詣?dòng)消除齒間間隙。逆效率高。主要用于轎車(chē)。 (2)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器：該轉(zhuǎn)向器由螺桿螺母共同形成的螺旋槽、內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動(dòng)副以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動(dòng)副組成。其傳動(dòng)效率高，使用壽命容易保障，轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比可以變化，工作平穩(wěn)可靠，齒條齒扇間的間隙調(diào)整工作容易，適合做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。但其逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，精度要求高。主要用于客貨車(chē)上。 0.2前橋概況 汽車(chē)前橋（前軸）通過(guò)懸架與車(chē)架或承載式車(chē)身相聯(lián)，兩端安裝轉(zhuǎn)向輪。用于承受地面與車(chē)架間的鉛垂力，縱向力和橫向力及其力矩，并保證車(chē)輪合適

11、的轉(zhuǎn)向范圍和正確的定位角度。它的兩端通過(guò)主銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向。 根據(jù)與車(chē)橋相匹配的懸架結(jié)構(gòu)的不同，車(chē)橋分為斷開(kāi)式和整體式兩種。與獨(dú)立懸架相匹配的是斷開(kāi)式車(chē)橋，其為左右兩段鉸接的結(jié)構(gòu)。當(dāng)左右兩車(chē)輪經(jīng)過(guò)各自懸架直接和車(chē)架相聯(lián)時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)沒(méi)有了車(chē)橋，習(xí)慣上稱(chēng)為斷開(kāi)式車(chē)橋。與非獨(dú)立懸架相匹配的非斷開(kāi)式車(chē)橋即一根橫置于兩輪間的軸。 根據(jù)是否傳遞驅(qū)動(dòng)力，轉(zhuǎn)向橋又分為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋。 如圖0-2所示，非斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要由前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)組成。轉(zhuǎn)向節(jié)利用主銷(xiāo)與前梁鉸接并經(jīng)一對(duì)輪轂軸承支承著車(chē)輪的輪轂，以達(dá)到車(chē)輪轉(zhuǎn)向的目的。在左轉(zhuǎn)向節(jié)的上耳處安裝著轉(zhuǎn)向節(jié)臂，后

12、者與轉(zhuǎn)向直拉桿相連；而在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)的下耳處則裝有與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接的轉(zhuǎn)向梯形臂。有的將轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向梯形臂連成一體安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)下耳處以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。制動(dòng)底板緊固在轉(zhuǎn)向節(jié)的凸緣面上。轉(zhuǎn)向節(jié)銷(xiāo)孔內(nèi)壓入帶油槽的襯套以減小摩擦。在轉(zhuǎn)向節(jié)下耳與前梁拳部間裝滾子推力軸承以使轉(zhuǎn)向輕便，在轉(zhuǎn)向節(jié)上耳與前梁拳部之間裝有調(diào)整墊片以調(diào)整其間隙。帶有螺紋的楔形鎖銷(xiāo)將主銷(xiāo)固定在前梁拳部的孔內(nèi)。 整體式轉(zhuǎn)向橋從動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式： 前軸：由中碳鋼鍛造，采用抗彎性較好的工字形斷面。為了提高抗扭強(qiáng)度，接近兩端略呈方形。前軸中部下凹使發(fā)動(dòng)機(jī)的位置得以降低，進(jìn)而降低汽車(chē)質(zhì)心下凹部分的兩端制有帶通孔的加寬平面，用以安裝鋼板彈簧。前軸兩

13、端向上翹起，各有一個(gè)呈拳形的加粗部分，并制有通孔。 圖0-2 非斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋 Fig.0-2 Schematic diagram of integral front axle 1—轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承；2—轉(zhuǎn)向節(jié)；3—調(diào)整墊片；4—主銷(xiāo)；5—轉(zhuǎn)向梯形臂； 6—轉(zhuǎn)向節(jié)臂；7—前梁；8—轉(zhuǎn)向橫拉桿；9—球銷(xiāo) 主銷(xiāo)：即插入前軸的主銷(xiāo)孔內(nèi)。為防止主銷(xiāo)在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，用帶有螺紋的楔形銷(xiāo)將其固定。 轉(zhuǎn)向節(jié)：轉(zhuǎn)向節(jié)上的兩耳制有銷(xiāo)孔，銷(xiāo)孔套裝在主銷(xiāo)伸出的兩端頭，使轉(zhuǎn)向節(jié)連同前輪可以繞主銷(xiāo)偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)的兩個(gè)銷(xiāo)孔，要求有較高的同心度，以保證主銷(xiāo)的安裝精度和轉(zhuǎn)向靈活。 輪轂：輪轂通過(guò)內(nèi)

14、外兩個(gè)滾錐軸承套裝在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上。軸承的松緊度可以由調(diào)整螺母調(diào)整，調(diào)好后的輪轂應(yīng)能正、反方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)明顯的擺動(dòng)。輪轂外端裝有沖壓的金屬端蓋，防止泥水或塵土浸入。  1引言 在目前全國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，伴隨著汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，輕型貨運(yùn)汽車(chē)扮演著重要的角色。對(duì)于它的設(shè)計(jì)是依據(jù)以往理論知識(shí)及實(shí)踐，在滿(mǎn)足其功用的前提下進(jìn)行的。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前橋工作環(huán)境復(fù)雜多變，多受交變載荷，零件易受疲勞損傷。其關(guān)系著整車(chē)的安全性和操縱性，成為了消費(fèi)者選擇汽車(chē)的重要的參考因素，因此必須保證其結(jié)構(gòu)輕便可靠，能應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜路況和駕駛環(huán)境的同時(shí)提升其舒適性。 該設(shè)計(jì)在解決上訴問(wèn)題的同時(shí)，加深大學(xué)所學(xué)

15、知識(shí)并使之系統(tǒng)化、綜合化，以及培養(yǎng)了文獻(xiàn)查閱，計(jì)算機(jī)應(yīng)用和文字表達(dá)等技能，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，提高獨(dú)立處理問(wèn)題的能力。在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前橋的目前狀況及歷史背景，結(jié)合本設(shè)計(jì)研究意義和目的來(lái)確定結(jié)構(gòu)方案，利用文獻(xiàn)研究、功能分析、定性分析、歸納演繹、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)、參數(shù)和尺寸設(shè)計(jì)，利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行各種工作情況下的強(qiáng)度和剛度校核。學(xué)習(xí)并利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在說(shuō)明書(shū)中，主要講述了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前橋的選擇設(shè)計(jì)和方案分析。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前橋的分類(lèi)和工作原理進(jìn)行了對(duì)比分析。并對(duì)兩者的重要組成部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。 2汽車(chē)主要參數(shù)的確定 綜合以上對(duì)轉(zhuǎn)向

16、系統(tǒng)和前橋的綜合分析，結(jié)合載貨汽車(chē)的當(dāng)前狀況。由于轉(zhuǎn)向橋軸荷質(zhì)量不超過(guò)2.5t的商用車(chē)可以不用動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)前橋滿(mǎn)載載荷1.82t，故采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，配以整體式轉(zhuǎn)向橋的4x2后輪雙胎的平頭載貨汽車(chē)的設(shè)計(jì)方案。 2.1軸距L 軸距L對(duì)整備質(zhì)量、汽車(chē)總長(zhǎng)、最小轉(zhuǎn)彎直徑、傳動(dòng)軸長(zhǎng)度、縱向通過(guò)半徑有影響。4x2貨車(chē)車(chē)的軸距可參考表2-1提供的數(shù)據(jù)選定[1] 。 2.2前輪距和后輪距 受汽車(chē)總寬不得超過(guò)2.55m限制，輪距不宜過(guò)大。但在取定的前輪距范圍內(nèi)，應(yīng)能布置下發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)架、前懸架和前輪，并保證前輪有足夠的轉(zhuǎn)向空間，同時(shí)轉(zhuǎn)向桿系與車(chē)架、車(chē)輪之間有足夠的運(yùn)動(dòng)空間。 在

17、確定后輪距時(shí)應(yīng)考慮兩縱梁之間的寬度、懸架寬度和輪胎寬度及它們之間應(yīng)必須預(yù)留的空間。輪距參照表2-1。 表2-1 各類(lèi)貨車(chē)的軸距和輪距[1] Tab.2-1 The axle base and wheel base of some trucks 汽車(chē)重質(zhì)量 軸距 輪距 2.3整車(chē)整備質(zhì)量 整車(chē)整備質(zhì)量是指車(chē)上帶有全部裝備(包括隨車(chē)工具、備胎等)，加滿(mǎn)燃料、水，但沒(méi)有裝貨和載人時(shí)的整車(chē)質(zhì)量。 整車(chē)整備質(zhì)量在設(shè)計(jì)階段需估算確定。在日常工作中，收集大量同類(lèi)型汽車(chē)各總成、部件和整車(chē)的有關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合新車(chē)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝水平等初步估

18、算出各總成、部件的質(zhì)量，再累計(jì)構(gòu)成整車(chē)整備質(zhì)量。 2.4汽車(chē)的裝載質(zhì)量 汽車(chē)的裝載質(zhì)量是指在硬質(zhì)良好路面上行駛時(shí)所允許的額定裝載量。汽車(chē)在碎石路面上行駛時(shí)，裝載質(zhì)量約為好路面的75％～85％。 2.5質(zhì)量系數(shù) 質(zhì)量系數(shù)是指汽車(chē)裝載質(zhì)量與整車(chē)整備質(zhì)量的比值，即： （2.1） 式中，為質(zhì)量系數(shù)；為汽車(chē)裝載質(zhì)量；為整車(chē)整備質(zhì)量。 表2-2 載貨汽車(chē)質(zhì)量系數(shù)[1] Tab.2-2 Some trucks’ quality coefficient 貨車(chē)類(lèi)型 質(zhì)量系數(shù) 輕型 中型 重型 注：*裝柴油機(jī)的輕

19、型貨車(chē)質(zhì)量系數(shù)為0.80～1.00。 2.6汽車(chē)滿(mǎn)載總質(zhì)量 貨車(chē)總質(zhì)量，由整備質(zhì)量，裝載量，駕駛員和乘員三部分組成，即： （2.2） 式中，為座位數(shù)。 2.7軸荷分配 汽車(chē)的軸荷分配是指汽車(chē)在空載或滿(mǎn)載靜止?fàn)顟B(tài)下，各車(chē)軸對(duì)支承平面的垂直載荷，也可以用占空載或滿(mǎn)載總質(zhì)量的百分比來(lái)表示。 軸荷分配對(duì)輪胎壽命和汽車(chē)的使用性能有影響。從輪胎磨損均勻和壽命相近考慮，各個(gè)車(chē)輪的載荷應(yīng)相差不大；為了保證汽車(chē)有良好的動(dòng)力性和通過(guò)性，驅(qū)動(dòng)橋應(yīng)有足夠大的載荷，而從動(dòng)軸載荷可以適當(dāng)減少；為了保證汽車(chē)有良好的操縱穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向軸的載荷不應(yīng)過(guò)小。 各類(lèi)貨車(chē)的前

20、后軸的軸荷分配見(jiàn)表2-3。 表2-3 各類(lèi)載貨汽車(chē)的軸荷分配[2] Tab.2 -3 The axial load distribution of some kinds of truck 車(chē)型 滿(mǎn)載 空載 前軸 后軸 前軸 后軸 4x2，后輪單胎 4x2，后輪雙胎，長(zhǎng)、短頭式 4x2后輪雙胎，平頭式 2.8輪胎選擇 輪胎的尺寸和型號(hào)是進(jìn)行汽車(chē)性能計(jì)算和繪制總布置圖的重要原始數(shù)據(jù)之一，因此，在總體設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就應(yīng)選定，而選擇的依據(jù)是車(chē)型、使用條件、輪胎的靜負(fù)荷、輪胎的額定負(fù)荷以及汽車(chē)的行駛速度。 輪胎所承受的最大靜

21、負(fù)荷與輪胎額定負(fù)荷之比，稱(chēng)為輪胎負(fù)荷系數(shù)。大多數(shù)汽車(chē)的輪胎負(fù)荷系數(shù)取為0.9～1.0，以免超載。雙胎并裝時(shí)，由于兩輪胎特性存在的差異性、裝載質(zhì)量分布不均勻等因素輪胎超載的影響，因此負(fù)荷能力要比單胎負(fù)荷能力加倍后減少10%-15%。 為了提高汽車(chē)的動(dòng)力因數(shù)、降低汽車(chē)及其質(zhì)心的高度、減小非簧載質(zhì)量，對(duì)公路用車(chē)在其輪胎負(fù)荷系數(shù)以及汽車(chē)離地間隙允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量選取尺寸較小的輪胎。采用高強(qiáng)度尼龍簾布輪胎可使輪胎的額定負(fù)荷大大提高，從而使輪胎直徑尺寸也大為縮小。例如裝載員4t的載貨汽車(chē)在20世紀(jì)50年代多用的9.0～20輪胎早己被8.25—20、7.50—20、8.25—16等更小尺寸的輪胎所取代。

22、 2.9最小轉(zhuǎn)彎直徑 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，汽車(chē)前外轉(zhuǎn)向輪輪轍中心在支承平面上的軌跡圓的直徑稱(chēng)為最小轉(zhuǎn)彎直徑。用來(lái)描述汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性，是汽車(chē)轉(zhuǎn)向能力和轉(zhuǎn)向安全性能的重要指標(biāo)。轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角，汽車(chē)軸距，輪距等對(duì)汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎直徑均有影響。對(duì)機(jī)動(dòng)性要求高的汽車(chē)，應(yīng)取小些。 各類(lèi)汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎直徑見(jiàn)表2-4。 表2-4 部分商用車(chē)最小轉(zhuǎn)彎直徑[1] Tab.2 -4 The minimum diameter of turning for some truck 級(jí)別 最大總質(zhì)量 《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》

23、（GB7258-2004）規(guī)定：機(jī)動(dòng)車(chē)輛的最小轉(zhuǎn)彎直徑以前輪軌跡中心為基線(xiàn)，測(cè)量值不得大于24m。當(dāng)轉(zhuǎn)彎直徑為24m時(shí)，前轉(zhuǎn)向軸和后軸的內(nèi)輪差不得大于3.5m。 2.10數(shù)據(jù)的確定 根據(jù)以上論述，該設(shè)計(jì)初選數(shù)據(jù)如下： 表2-5 設(shè)計(jì)初步數(shù)據(jù) Tab.2-5 Preliminary design data 項(xiàng)目 數(shù)值 整備質(zhì)量 2900 滿(mǎn)載總質(zhì)量 5530 前軸最大載荷 18200 前輪距 1780 軸距 3800 最小轉(zhuǎn)彎直徑 12 前輪胎 7.50-R16LT 胎壓 5.6 3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1汽車(chē)轉(zhuǎn)向基本特性 為滿(mǎn)足汽車(chē)

24、轉(zhuǎn)向基本特性，運(yùn)用阿克曼原理，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系呈梯形。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由梯形臂和橫拉桿組成。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使兩側(cè)轉(zhuǎn)向車(chē)輪偏轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)轉(zhuǎn)向中心，及汽車(chē)的4個(gè)車(chē)輪均圍繞一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角度不相等，內(nèi)側(cè)車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角比外側(cè)車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角大。在車(chē)輪為剛體的假設(shè)條件下，內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角的理想關(guān)系式為: （3.1） 式中，B為兩側(cè)主銷(xiāo)軸線(xiàn)與地面交點(diǎn)之間的距離，即輪距；L為汽車(chē)軸距。 由轉(zhuǎn)向中心O到外轉(zhuǎn)向輪中心平面與地面接觸的距離R稱(chēng)為汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑。轉(zhuǎn)彎半徑越小，則汽車(chē)機(jī)動(dòng)性越好。當(dāng)前外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑R有最小值。在理想情況下，最小轉(zhuǎn)

25、彎半徑與的關(guān)系為： （3.2） 3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和主要性能參數(shù) 3.2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[1] 1)合理設(shè)置傳動(dòng)比，使操縱輕便，轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比（方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比）和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比。在轉(zhuǎn)向盤(pán)尺寸和轉(zhuǎn)向輪阻力一定時(shí)，角傳動(dòng)比增加，則轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；角傳動(dòng)比減小，則轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向靈敏度提高。轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比不宜低于15-16；也不宜過(guò)大，通常以轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輕便性來(lái)確定。 2)轉(zhuǎn)向輪應(yīng)具有自動(dòng)回正能力。轉(zhuǎn)向輪的回正力來(lái)源于輪胎的側(cè)偏特性和車(chē)輪的定位參數(shù)。汽車(chē)的穩(wěn)定行使，必須保證有合適的前輪定位參數(shù)，

26、并注意控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力的大小和阻尼值。 3)轉(zhuǎn)向桿系和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同作用時(shí)，必須盡量減小其運(yùn)動(dòng)干涉。應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證各桿系的運(yùn)動(dòng)干涉足夠小。 4) 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生的間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)以及提高轉(zhuǎn)向系的可靠性。 5) 轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)有使駕駛員在車(chē)禍中避免或減輕傷害的防傷機(jī)構(gòu)。 6) 汽車(chē)在作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所以車(chē)輪應(yīng)繞同一瞬心旋轉(zhuǎn)，不得有側(cè)滑；同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。 7) 當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到地面沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞到方向盤(pán)上的反沖力要盡可能小。 8) 在任何行使?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)產(chǎn)生擺振。 9) 保證轎車(chē)有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行

27、駛能力。機(jī)動(dòng)性是通過(guò)汽車(chē)的最小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)體現(xiàn)的，而最小轉(zhuǎn)彎半徑由內(nèi)轉(zhuǎn)向車(chē)輪的極限轉(zhuǎn)角、汽車(chē)的軸距、主銷(xiāo)偏移距決定的，一般的極限轉(zhuǎn)角越大，軸距和主銷(xiāo)偏移距越小，則最小轉(zhuǎn)彎半徑越小。 10) 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車(chē)輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過(guò)合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形來(lái)保證的。 3.2.2轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比。 1)轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比 轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比定義為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量與兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量的平均值之比。 （3.3） 式中，為轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量；、為左右轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)角增量。 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)

28、比的定義為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量與搖臂軸轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比，即 (3.4） 式中，為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量；為轉(zhuǎn)向搖臂軸的轉(zhuǎn)增量。 （3.5） 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比 （3.6） 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比的定義為轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角增量與兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量的平均值之比，即: （3.7） 式中，為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之比；為轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角增量；、為左、右轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)角增量。 所以，轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

29、角傳動(dòng)比的乘積就是轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比，即 （3.8） 在整體式轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系中，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比大約在0.85-1.1之間，可以初略認(rèn)為是1。這樣 （3.9） （3.10） 即轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比被近似認(rèn)為等于轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。 2)轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比 在實(shí)用中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比定義為 （3.11） 式中，為轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比；為在轉(zhuǎn)向節(jié)上克服的轉(zhuǎn)向阻力矩，由作用在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩和組成；為施加在轉(zhuǎn)向

30、盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器在實(shí)際載荷下的效率；為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在施加載荷下的效率。只能用實(shí)驗(yàn)的方法確定和。 在實(shí)用中，轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比定義為 （3.12） 式中，為轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向搖臂軸上的轉(zhuǎn)向阻力矩；為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器在實(shí)際載荷下的效率。一般近似認(rèn)為 （3.13） 3)循環(huán)球齒條齒扇式變速比轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的變化規(guī)律 循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比由下式計(jì)算 （3.14） 式中，為螺桿螺距；為齒扇的嚙合半徑。 從上式可以看出，轉(zhuǎn)

31、向器角傳動(dòng)比與齒扇嚙合半徑成正比，與螺桿螺距成反比。一般把螺距做成固定的，通過(guò)改變齒扇嚙合半徑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變速比。當(dāng)轉(zhuǎn)向搖臂軸離開(kāi)中間位置以后，隨轉(zhuǎn)角的變化使齒扇與齒條嚙合的工作半徑也發(fā)生變化，從而改變角傳動(dòng)比。 在以比較高的速度直線(xiàn)行駛時(shí)，速比較大，是由汽車(chē)的高速操縱性決定的。在低速行駛，大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時(shí)，為獲得前輪的最大轉(zhuǎn)向角，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的圈數(shù)應(yīng)比較少，要求速比小。 3.2.3 轉(zhuǎn)向器效率 轉(zhuǎn)向器效率有正效率和逆效率之分 1）轉(zhuǎn)向器正效率 轉(zhuǎn)向器正效率表示的是功率從轉(zhuǎn)向盤(pán)傳到車(chē)輪時(shí)的傳遞特性，只能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法確定在實(shí)際載荷下的轉(zhuǎn)向器正效率。

32、 （3.15） （3.16） 式中，為轉(zhuǎn)向搖臂軸上的轉(zhuǎn)向阻力矩；為主動(dòng)施加在方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器在實(shí)際載荷下的正效率。 2）轉(zhuǎn)向器逆效率 轉(zhuǎn)向器逆效率表示的是功率從車(chē)輪傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)的傳遞特性，只能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法確定在實(shí)際載荷下的轉(zhuǎn)向器逆效率。 （3.17） （3.18） 式中，為轉(zhuǎn)向搖臂軸上主動(dòng)施加的力矩；為駕駛員被動(dòng)施加在方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向器在實(shí)際載荷下的逆效率。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的效率較高，一

33、般在75%—85%之間。 3.2.4轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 滿(mǎn)載靜止于水平路面時(shí)前橋給地面的載荷：18200N 車(chē)輪（包括輪轂、制動(dòng)器等）所受重力：1200N 轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑：400mm 主銷(xiāo)偏移距：92.8mm 主銷(xiāo)后傾角： 主銷(xiāo)內(nèi)傾角： 車(chē)輪外傾角： 前輪距：1780cm 輪胎滾動(dòng)半徑：41cm 汽車(chē)質(zhì)心高度：800mm 軸距：3800cm 兩主銷(xiāo)中心延長(zhǎng)線(xiàn)到地面交點(diǎn)間的距離：1580mm 轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷(xiāo)中心至主銷(xiāo)中心距離：24cm 轉(zhuǎn)向搖臂兩球銷(xiāo)中心距離：21cm 3.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 3.3.1轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 用驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或混泥土路面

34、的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 （3.19） 式中，為原地轉(zhuǎn)向阻力距，N.mm；為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因素，取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，N；為輪胎氣壓，MPa。 正效率為: 作用在方向盤(pán)上的最大轉(zhuǎn)向力力為： （3.20） 3.3.2主要尺寸參數(shù)選擇 參照汽車(chē)學(xué)表11.1循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)，得如下參數(shù) 齒扇模數(shù)：5.0mm；搖臂軸直徑：32mm；鋼球中心距：D=30mm；螺桿外徑： =29mm；鋼球直徑：d=7.144mm；螺距：10mm；工作圈數(shù)：1.5；環(huán)流行數(shù)：2；螺母長(zhǎng)度：59mm；齒扇齒數(shù)：5；齒扇整圓齒數(shù)：13；齒扇壓力角： ；切削角：；齒扇寬

35、度：30mm。 圖3-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 Fig.3-1 Ball-nut type steering gear 3.3.3螺桿、鋼球、螺母?jìng)鲃?dòng)副 1）螺母內(nèi)徑 （3.21） 2）每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù) （3.22） 取n=20，式中，為螺線(xiàn)導(dǎo)程角，??；為一個(gè)環(huán)路的鋼球工作圈數(shù)；為不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)。 3）螺母螺桿溝槽半徑 （3.23） 4）接觸角；以使軸向力和徑向力分配均勻。 5）方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角，對(duì)應(yīng)螺母移動(dòng)距離為

36、 （3.24） 式中，P為螺紋螺距，mm。 同時(shí)，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過(guò)角，即 （3.25） 式中，r為齒扇節(jié)圓半徑，mm。 由以上兩式可得，將對(duì)求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比為 （3.26） 式中，m為齒扇模數(shù)，Z為齒扇整圓齒數(shù)。 3.3.4齒條，齒扇傳動(dòng)副 變厚齒扇的齒頂和齒根的輪廓面是圓錐的一部分，其分度圓上的齒厚是變化的。齒扇在整個(gè)齒寬方向上是由無(wú)數(shù)個(gè)原始齒形位移系數(shù)逐漸變化的圓柱齒輪組成。 對(duì)齒輪來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵诓煌恢玫钠拭嬷?，其模?shù)不變，所以他的分度圓半徑和基圓半徑相

37、同。因此變厚齒扇的分度圓和基圓均為一圓柱，在不同剖面位置上的漸開(kāi)線(xiàn)齒形，都是在同一個(gè)基礎(chǔ)上所發(fā)展出的漸開(kāi)線(xiàn)，只是其輪齒的漸開(kāi)線(xiàn)齒形離基圓的位置不同而已，所以應(yīng)該將其歸入圓柱齒輪的范疇[14]。 變厚扇形齒形的計(jì)算如圖3-2所示。一般將中間剖面規(guī)定為基準(zhǔn)剖面。由剖面向右時(shí)，變位系數(shù)為正，向左則由正變?yōu)榱悖ㄆ拭妫?，再變?yōu)樨?fù)。若剖面距剖面的距離為，則： （3.27） 式中，是切削角，。 在切削角一定的條件下，各剖面的變位系數(shù)取決于距離基準(zhǔn)剖面的距離。 模數(shù)m=5.0；法向壓力角；齒頂高系數(shù)=1.0；徑向間隙系數(shù)=0.2；整圓齒數(shù)Z=13；齒扇寬度

38、B=30mm。 圖3-2 變厚齒扇齒形計(jì)算簡(jiǎn)圖 Fig.3-2 Thickening door tooth shape diagram 在II-II處的變位系數(shù)為 （3.28） 齒扇最大端直徑為： （3.29） 齒扇最小端直徑為： （3.30） 表3-1 剖面的齒形計(jì)算 Tab.3-1 The profile oftooth profile calculation 名稱(chēng) 公式 結(jié)果（mm） 分度圓直徑 65 齒頂高 =5 齒根高 =6 齒全高 =11 齒

39、頂圓直徑 =75 分度圓齒厚 =7.85 頂圓壓力角 =36.87 頂圓齒厚 =2.67 表3-2 最大變位系數(shù)剖面（II-II剖面）齒頂變尖核算 Tab.3-2 Biggest addendum modification coefficient profile taper accounting 名稱(chēng) 公式 結(jié)果 最大變位系數(shù) 0.34 齒頂圓半徑 39.21 齒頂圓壓力角 40 分度圓齒厚 9.26 齒頂圓齒厚 1.78 分度圓弧齒厚為： （3.32） 齒扇全齒高為：

40、 （3.33） 3.3.5循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強(qiáng)度計(jì)算 鋼球接觸點(diǎn)至螺桿中心線(xiàn)的距離為： （3.34） 式中，D為鋼球中心距，d為鋼球直徑。 作用在螺桿上的軸向力為： （3.35） 鋼球與滾到間的接觸應(yīng)力為： （3.36） 式中，根據(jù)A/B值從下表查取， （3.37） （3.38） （3.39） 為滾道截面半徑；為鋼球半徑；為螺桿外半徑

41、；E為材料彈性模量，；為鋼球與螺桿之間的正壓力。 用差值法求得k=1.5128 （3.40） （3.41） 式中，為螺桿螺線(xiàn)導(dǎo)程角；為接觸角；n為參與工作的鋼球數(shù)；為作用在螺桿上的軸向力。 表3-3 系數(shù)k和A/B的關(guān)系[2] Tab.3-3 The relationship between k and A/B A/B 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 k 0.388 0.400 0.410 0.440 0.468 0.490 0.536 A/B 0.2 0.15 0.1 0.0

42、5 0.02 0.01 0.007 k 0.716 0.800 0.970 1.280 1.800 2.271 3.202 當(dāng)接觸表面硬度為58~64HRC時(shí)，許用接觸應(yīng)力,接觸應(yīng)力在許用范圍內(nèi)，符合要求。 3.4整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿l，轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車(chē)前軸3組成，其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點(diǎn)是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動(dòng)時(shí)，會(huì)影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。如圖3-3所示。 圖3-3 整體式轉(zhuǎn)向梯形 Fig.3-3 The integral steering trapezoidal

43、 1—轉(zhuǎn)向橫拉桿；—轉(zhuǎn)向梯形臂；3—前軸 整體式轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿可位于前軸后或前軸前(稱(chēng)為前置梯形)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)位置低或前輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必須向前外側(cè)方向延伸，因而會(huì)與車(chē)輪或制動(dòng)底板發(fā)生干涉，所以在布置上有困難。為了保護(hù)橫拉桿免遭路面不平物的損傷，橫拉桿的位置應(yīng)盡可能布置得高些，至少不低于前軸高度。 3.4.1整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析 汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車(chē)輪不是繞位于后軸沿長(zhǎng)線(xiàn)上的點(diǎn)滾動(dòng)，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車(chē)內(nèi)側(cè)某一點(diǎn)滾動(dòng)。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。因影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，且難以精確確定，故下面是在忽

44、略側(cè)偏角影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車(chē)的轉(zhuǎn)向問(wèn)題。 兩轉(zhuǎn)向前輪軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)交在后軸延長(zhǎng)線(xiàn)上，如圖3-3所示。設(shè)、分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車(chē)輪轉(zhuǎn)角，L為汽車(chē)軸距，K為兩主銷(xiāo)中心線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)到地面交點(diǎn)之間的距離。若要保證全部車(chē)輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車(chē)輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系 (3.42) 若自變角為，則因變角的期望值為 (3.43) 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)僅能近似滿(mǎn)足上式關(guān)系。以圖3-3所示的后置梯形機(jī)構(gòu)為例，在圖上作輔助用虛線(xiàn)，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所給出的實(shí)際因變角為 (3.44)

45、式中，為梯形臂長(zhǎng)；為梯形底角。其他物理量意義見(jiàn)圖3-4。 圖3-4 理想的內(nèi)、外車(chē)輪轉(zhuǎn)角關(guān)系簡(jiǎn)圖 Fig.3-4 Outside wheel Angle within the ideal relationship diagram 所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形給出的實(shí)際因變角應(yīng)盡可能接近理論上的期望值。其偏差在最常使用的中間位置附近小角范圍內(nèi)應(yīng)盡量小，以減少高速行駛時(shí)輪胎的磨損；而在不經(jīng)常使用且車(chē)速較低的最大轉(zhuǎn)角時(shí)，可適當(dāng)放寬要求。因此，再引入加權(quán)因子，構(gòu)成評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)為 (3.45) 將式（3.44）、式（3.45）代入式(3.46)得

46、(3.46) 式中，x為設(shè)計(jì)變量，；為外轉(zhuǎn)向車(chē)輪最大轉(zhuǎn)角，（）；其他物理量意義見(jiàn)圖3-4。 (3.47) 式中，為汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎直徑；為主銷(xiāo)偏移距。 考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角小于20，且10以?xún)?nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此取 (3.48) 建立約束條件時(shí)應(yīng)考慮到：設(shè)計(jì)變量及過(guò)小時(shí)，會(huì)使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過(guò)大；當(dāng)過(guò)大時(shí)，將使梯形布置困難，故對(duì)的上、下限及對(duì)的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因越大，梯形越接近矩形值就越大，而優(yōu)化過(guò)程是求的極小值，故可不必對(duì)的上限加以限制。綜上所述，各設(shè)計(jì)變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為

47、 (3.49) 梯形臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)常取。梯形底角。 此外，由機(jī)械原理知，四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角不宜過(guò)小，通常取。轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)在汽車(chē)向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時(shí)達(dá)到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時(shí)即可。利用該圖所作的輔助用虛線(xiàn)及余弦定理，可推出最小傳動(dòng)角約束條件為 (3.50) 式中，為最小傳動(dòng)角()。 圖3-5 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行域 Fig.3-5 Optimization design of steering trapezoidal mechanism of the feasible region 已知,故由式(3.50)可知為設(shè)計(jì)變量及的函數(shù)。約束條件所形成

48、的可行域，如圖3-5所示的幾種情況。圖3-5b適用于要求較大，而可小些的車(chē)型；圖3-5c適用于要求較大，而小些的車(chē)型；圖3-5a適用介于圖3-5b、c之間要求的車(chē)型[2]。 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以歸結(jié)為尋求一個(gè)即滿(mǎn)足約束條件，又使轉(zhuǎn)角的函數(shù)與式（3.42）的誤差達(dá)到最小的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)問(wèn)題是一個(gè)二維4個(gè)不等式約束的非線(xiàn)性規(guī)則問(wèn)題，一般用復(fù)合法求解。 3.4.2 基于Matlab的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中很關(guān)鍵的一部分，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中為了減少輪胎磨損，減小轉(zhuǎn)向力，保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪盡可能作純滾動(dòng)，這一要求由轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的幾何性能來(lái)

49、實(shí)現(xiàn)。汽車(chē)的轉(zhuǎn)向梯形對(duì)于汽車(chē)的工作狀況，譬如汽車(chē)的安全駕駛等諸多方面具有重要的實(shí)際意義，以前技術(shù)人員往往通過(guò)FORTRAN或VISUALC++等計(jì)算語(yǔ)言，利用復(fù)合變形法[8]、懲罰函數(shù)法、簡(jiǎn)約梯度法等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的方法來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)；但苦于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的子程序可以調(diào)用，技術(shù)人員往往將自己編好的程序逐條敲入計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣的程序當(dāng)其中任何一條語(yǔ)句有了毛病，甚至調(diào)試不當(dāng)（如數(shù)組維數(shù)不匹配），那可能導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的出現(xiàn)。為此。通過(guò)以上的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用matlab對(duì)其作設(shè)計(jì)，選擇優(yōu)化解[16]。 1）轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 （1）設(shè)計(jì)的目標(biāo) 設(shè)計(jì)出的梯形符合上述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的

50、要求。令轉(zhuǎn)彎的時(shí)候輸出角隨輸入角變化能夠盡可能使兩前輪圍繞一個(gè)中心點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。避免出現(xiàn)過(guò)大的相對(duì)滑動(dòng)，從而磨損輪胎以及給轉(zhuǎn)向系帶來(lái)負(fù)荷。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，是使設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形給出的實(shí)際因變角盡可能接近理論上的期望值。其偏差在最常用的中間位置附近小轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)應(yīng)盡量小，而在不常用的最大轉(zhuǎn)角時(shí)則適當(dāng)放寬要求。 （2）設(shè)計(jì)的變量 本設(shè)計(jì)中，對(duì)轉(zhuǎn)向梯形有影響的因素中，主銷(xiāo)間距、軸距、最大外轉(zhuǎn)向角都是已知。那么設(shè)計(jì)的變量就有轉(zhuǎn)向梯形的初始輸入角、轉(zhuǎn)向梯形的臂長(zhǎng)。其中臂長(zhǎng)的范圍也受到轉(zhuǎn)向器初步數(shù)據(jù)選取的約束。要算出具體范圍來(lái)配合轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)。 （3）設(shè)計(jì)的方法 先查找資料，找出輕型貨車(chē)的梯形構(gòu)造。

51、大致了解梯形參數(shù)的范圍。再在軟件上驗(yàn)證。往往偏離最優(yōu)解適用范圍越遠(yuǎn)，所得到的實(shí)際值跟期望值相差就會(huì)越大。通過(guò)數(shù)次粗調(diào)，可得到比較合適的范圍，再進(jìn)行細(xì)調(diào)。找出合適的解。根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，用Matlab軟件編寫(xiě)出相應(yīng)funtion文件，再調(diào)用優(yōu)化工具箱里面的求標(biāo)準(zhǔn)差的lsqnonlin函數(shù)，求得實(shí)際結(jié)果跟期望值的差異。由此統(tǒng)計(jì)，找出比較合適的優(yōu)化解。期望的函數(shù)值取轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的梯形臂每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角度時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度的一個(gè)理想值。實(shí)際值是由梯形引起的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度。把從初始角到轉(zhuǎn)向輪最大角度對(duì)應(yīng)的梯形臂轉(zhuǎn)向角度等分成60份，每次都采集一次數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計(jì)出數(shù)值跟理想值存在的平均標(biāo)準(zhǔn)差的大小。

52、由此來(lái)評(píng)估其擬合的質(zhì)量。 2）基于Matlab的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）了解Matlab功能與操作 了解Matlab的基本功能以及如何運(yùn)用。本次所用的軟件是Matlab7.1版本對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先打開(kāi)Matlab，界面如圖3-6所示。 圖3-6 Matlab7.1界面 Fig.3-6 Matlab7.1 interface （2）建立目標(biāo)函數(shù) 根據(jù)前一節(jié)論述到的等式以及約束條件，用Matlab語(yǔ)句進(jìn)行編寫(xiě)所并保存為調(diào)用的.m文件。其程序語(yǔ)句如下： function f=fun(x) global K L i thetamax alpha for i=

53、1:61 f=0; %函數(shù)值初始化 betae=atan(tan(alpha(i))/(1-K/L)*tan(alpha(i)))); %計(jì)算轉(zhuǎn)角期望值 A(i)=2*x(1).^2*sin(x(1)+alpha(i)); %計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)角 B(i)=2*K*x(1)-2*x(1).^2*cos(x(2)+alpha(i)); C(i)=2*x(1).^2-4*x(1).^2*cos(x(2)).^2+4*K*x(1)*cos(x(2))-2*K*x(1)*cos(x(2)+alpha(i)); theta(i)=2*acot

54、((A(i)+sqrt(A(i).^2+B(i).^2-C(i).^2))/(B(i)+C(i))); beta(i)=x(2)+theta(i)-pi; if alpha(i)<=pi/18 %計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值 f(i)=1.5*abs(beta(k)-betae(k)) else if alpha(i)<=pi/180; f(i)=abs(beta(k)-betae(k)) else f(i)=0.5*abs(beta(k)-betae(k))

55、 end end end 然后定義約束條件并調(diào)用lsqnonlin函數(shù)求優(yōu)化解。程序語(yǔ)句如下： global K L i thetamax alpha K=input(輸入兩主銷(xiāo)中心線(xiàn)的距離單位（mm）K=);%提示輸入結(jié)構(gòu)參數(shù) L=input(輸入軸距單位（mm）L=); thetamax=input(輸入外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角（單位為度）); x0(1)=input(輸入初始點(diǎn)的第一個(gè)分量（臂長(zhǎng)、mm）); x0(2)=input(輸入初始點(diǎn)的第二個(gè)分量（底角、度）); thetamax=thetamax*pi/180; %轉(zhuǎn)換為弧度單位 x0(2)=x0(2)*p

56、i/180; lb(1)=0.17*K; lb(2)=acot(K/(1.2*L)); ub(1)=0.17*K; ub(2)=pi/2; alpha=linspace(0,thetamax,61); %將轉(zhuǎn)角劃分為60等分間隔 lb=[lb(1),lb(2)]; %定義上下邊界約束條件和允差 ub=[ub(1),ub(2)]; x0=[x0(1);x0(2)]; options=optimset(TolFun,1e-10,TolCon,1e-6); [x,resnorm]=lsqnonlin(fun,x0,lb,ub,options) %調(diào)用lsqnonlin函數(shù)求解。

57、 求的優(yōu)化解后，用下列程序語(yǔ)句繪制出轉(zhuǎn)角期望值和實(shí)際轉(zhuǎn)角在0~之間的變化曲線(xiàn)，以便分析比較與選擇。 global K L thetamax alpha f q K=1580; L=3800; thetamax=32.3; x(1)=input(輸入初始點(diǎn)的第一個(gè)分量（臂長(zhǎng)）); x(2)=input(輸入初始點(diǎn)的第二個(gè)分量（底角度）); thetamax=thetamax*pi/180; %轉(zhuǎn)換為弧度單位 x(2)=x(2)*pi/180; alpha=linspace(0,thetamax,61); %將轉(zhuǎn)角劃分為60等分間隔 for i=1:61 beta

58、e=atan(tan(alpha(i))/(1-K/L)*tan(alpha(i)))); A(i)=2*x(1).^2*sin(x(2)+alpha(i)); %計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)角 B(i)=2*K*x(1)-2*x(1).^2*cos(x(2)+alpha(i)); C(i)=2*x(1).^2-4*x(1).^2*cos(x(2)).^2+4*K*x(1)*cos(x(2))-2*K*x(1)*cos(x(2)+alpha(i)) theta3=2*acot((A(i)+sqrt(A(i).^2+B(i).^2-C(i).^2))/(B(i)+C(i)));

59、 beta(i)=x(2)+theta3(i)-pi; end plot(alpha(i),beta(i),‘r’);hold on %繪制轉(zhuǎn)角期望值曲線(xiàn) plot(alpha(i),beta(i),‘b’) %在同一張圖上畫(huà)實(shí)際轉(zhuǎn)角曲線(xiàn) hold off （3）縮小設(shè)計(jì)區(qū)域 根據(jù)用Matlab找 出優(yōu)化適合區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，初始角的改變引起的變化遠(yuǎn)比臂長(zhǎng)的改變引起的變化大。所以初始角才是設(shè)計(jì)中的“主要矛盾”。 （a） （b） （c） 圖3-7 不同輸出角

60、隨輸入角變化時(shí)的實(shí)際值與期望值曲線(xiàn) Fig.3-7 Different output angle with the input angle when the change of actual value and expected value curve 例如圖3-7(a)為初始角為60，圖3-7(b)為初始角70的輸出角隨輸入角變化時(shí)的實(shí)際值與期望值曲線(xiàn)。圖3-7(c)為初始角80的時(shí)候這樣的結(jié)果偏離期望值太大。故80、60的初始角不能成為優(yōu)化區(qū)域。經(jīng)過(guò)多次嘗試，確定最適合的初始角區(qū)域?yàn)?8到70。 圖3-8 m=200mm 梯形初始角γ=65 圖3-9 m

61、=200mm 梯形初始角γ=72 Fig.3-8 m=200mm initial angleγ =65 Fig.3-9 m=200mm initial angleγ =72 圖3-8是一個(gè)擬合程度的直觀體現(xiàn)，輸入角度在0~0.25范圍內(nèi)的擬合程度很高，輸入角大于0.25之后與期望值有比較大的偏差，說(shuō)明在轉(zhuǎn)角較小的時(shí)候兩輪相對(duì)滑動(dòng)程度較小，在輸入轉(zhuǎn)角比較大的情況下輪胎滑動(dòng)程度比較大。圖3-9的圖像表明，隨著輸入角的變化，輸出角與期望值的標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)展比較平穩(wěn)，而且整體來(lái)說(shuō)數(shù)值比較小。是設(shè)計(jì)的較優(yōu)化解。 表3-4 臂長(zhǎng)m及初始角度取值不同時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差平均值 Tab.

62、3-4 The standard deviation of the mean value with differentm and 臂長(zhǎng)m 初始角度 標(biāo)準(zhǔn)差平均值 190 68 0.0035 190 69 0.0029 190 70 0.0033 200 68 0.0032 200 69 0.0028 200 70 0.0033 210 68 0.0032 210 69 0.0027 210 70 0.0032 220 68 0.0032 220 69 0.0028 220 70 0.0031 （4）確定轉(zhuǎn)

63、向梯形梯形臂長(zhǎng) 梯形臂長(zhǎng)度可以參考現(xiàn)有汽車(chē)梯形臂長(zhǎng)度與主銷(xiāo)中心距K的比值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行初選，一般用公式m=0.13K。經(jīng)計(jì)算的初選值，m=203mm，當(dāng)轉(zhuǎn)向梯形臂長(zhǎng)m取200mm附近數(shù)值時(shí)，較符合初始傳動(dòng)比選擇條件。所以用Matlab就初始角為68~70的范圍內(nèi)，臂長(zhǎng)為190mm~220mm范圍內(nèi)作表3-4比較 綜合考慮，取m=210mm，=69時(shí) 平均標(biāo)準(zhǔn)差值為0.0027。 其實(shí)際曲線(xiàn)與期望曲線(xiàn)擬合如圖3-5所示。輸入角度在0~0.45范圍內(nèi)的擬合程度很高，輸入角大于0.45之后與期望值有比較大的偏差，說(shuō)明在轉(zhuǎn)角較小的時(shí)候兩輪相對(duì)滑動(dòng)程度較小。而小轉(zhuǎn)角是汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向特點(diǎn)，也

64、是汽車(chē)使用過(guò)程中最常用的。 圖3-5 臂長(zhǎng)m=210mm 梯形初始角γ=69 Fig.3-5 m=210mm initial angleγ =69 該數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)向梯形給出的實(shí)際因變角接近理論上的期望值，符合轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求。令轉(zhuǎn)彎的時(shí)候輸出角隨輸入角變化能夠盡可能使兩前輪圍繞一個(gè)中心點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。避免了出現(xiàn)過(guò)大的相對(duì)滑動(dòng)，從而磨損輪胎以及給轉(zhuǎn)向系帶來(lái)負(fù)荷。 4轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋設(shè)計(jì) 4.1轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要零件參數(shù)確定 滿(mǎn)載靜止于水平路面時(shí)前橋給地面的載荷：18200N 車(chē)輪所受重力：1200N 制動(dòng)時(shí)汽車(chē)質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)：1.5 路面附著系數(shù)：0.8 側(cè)滑附著系數(shù)：1

65、主銷(xiāo)后傾角： 主銷(xiāo)內(nèi)傾角： 車(chē)輪外傾角： 輪距B：1780mm 主銷(xiāo)延長(zhǎng)線(xiàn)與地面交點(diǎn)距離K：1580mm 前梁上兩鋼板彈簧座中心距離s：750mm 輪胎滾動(dòng)半徑：410mm 汽車(chē)質(zhì)心高度：800mm 板簧座上表面的離地高度：310mm 圖4-3中：45mm 轉(zhuǎn)向節(jié)的輪軸根部軸頸：50mm 前梁中間部分下偏移量：100mm 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋才用工字形斷面的前梁，可保證其質(zhì)量最小而在垂向平面內(nèi)的剛度大，強(qiáng)度高。推薦值如圖4-1所示。圖中虛線(xiàn)繪出的是其當(dāng)量斷面。 圖4-1 前梁工字型斷面尺寸關(guān)系的推薦值 Fig.4-1 The recommended value of

66、former Liang Gong type section size relations 該斷面的垂向彎曲截面系數(shù)和水平彎曲截面系數(shù)為： （4.1） 式中，a為工字型斷面的中部尺寸(mm)。 前梁在板簧座處的彎曲截面系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式 （4.2） （4.3） 所以 當(dāng)?shù)谝徊饺r(shí)，得到的前梁危險(xiǎn)截面處應(yīng)力為397Mpa，遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力300Mpa，故取a=20mm以保證強(qiáng)度。 式中，m為該前梁上的簧上質(zhì)量（kg），l為車(chē)輪中線(xiàn)至板簧座中線(xiàn)間的距離（cm）；2200為常數(shù)。 前梁拳部高度為100mm；主銷(xiāo)直徑為40mm；主銷(xiāo)上下滑動(dòng)軸承長(zhǎng)度為60mm。 4.2轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋主要零件設(shè)計(jì)計(jì)算 圖4-2 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的受力分析簡(jiǎn)圖 Fig.4-2 Force diagram analysis of drive