汽车前轮转向机构

目录

一、设计题目 (2)

二、设计要求 (3)

三、基本设计内容 (4)

四、设计结果分析 (10)

五、改进机构设计 (12)

1．机构简介

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，如图所示。

当汽车沿直线行驶时（转弯半径R=∞），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α、β。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），就要求左右两轮轴线（AB 、CD ）分别转过不同的角度α和β，其关系如下：

如图所示为汽车右拐时 d

R L

B

d R L -=

--=βαtan tan

所以α和β的函数关系为 L

B =

-αβcot cot 同理，当汽车右拐时，由于对称性，有L B ctg ctg /=-βα，故转向机构ABCD 的设计应尽量满足以上转角要求。

2、设计数据

设计数据见下表。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

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α和β的对应值。要求最少2组对应值。

2）用解析法设计铰链四杆机构ABCD，满足以下条件：①最小转弯半径R min所对应的α和β满足P点落在后轴延长线上的要求;②其他各组α和β尽可能是能使P点落在后轴延长线上；③尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附加要求。

3）用解析法检验者这种机构在常用转角范围α≤30°时的最小传动角γmin。

4）试设计一梯形机构使转角范围10°≤α≤30°时P点尽可能落在后轴的延长线上。

5）如何改进梯形机构（如采用多杆机构）？并用仿真计算证明新方案的有效性。

思考题：如果使机构精确满足R=R i(≠R min)时的转角关系，该机构在其他转弯半径时的转角误差为多少？(与R min时比较)

三、基本设计内容

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α和β的对应

值。要求最少2组对应值。

R=R min时，tan α=L

R−d =2900

6100−400

=0.509α=26.966°

tan β=L

R−d−B =2900

6100−400−1555

=0.70β=34.978°

R=8000mm时，tan α‘=L R−d=2900

8000−400

=0.382 α‘=20.886°

tan β’=L

R−d−B =2900

8000−400−1555

=0.48 β‘=25.629°

由公式已知，α和β时随着R的增大而单调递减的。其数据如下表：

2、 用解析法设计铰链四杆机构ABCD ，满足以下条件：①最小转弯半径R min 所对应的α

和β满足P 点落在后轴延长线上的要求;②其他各组α和β尽可能是能使P 点落在后轴延长线上；③尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附加要求。

由上图，列出位移矢量方程：

l AB +l BC +l CD +l AD =0

化简到x 轴和y 轴：

l ×cos (α+φ)+(B −2lcosφ)×cosθ−B +lcos(φ−β)

l ×sin (α+φ)+(B −2lcosφ)×sin θ−lsin(φ−β)

a)、算法描述：

对于一个梯形机构，AD 杆长已知，再给定AB 杆长及出位置AB 与AD 夹角该机构就确定了。

为满足条件①，分别令β=34.978°，α=26.966° 。令l ∈(0.1,0.5)。代入位移方程中。得出一组l 及对应的 φ 和 θ 。

为满足条件②，令α=10°，将上面求得的l 及φ值代入位移方程中，得出各种机构l 及φ 对应β的实际值。

为找出最佳机构，利用公式L

B

=

-αβcot cot 得出β的理论值。找出实际值中，与β理论值最接近的一个。所对应的l 及 φ 即为最佳机构。

最后计算出选出的机构当α在0到最大值之间时所对应的β的理论值和实际值。画出α−β曲线。 b ）、结果与图像：

经计算，不同l 对应的 β 理论值和实际值之差的数据如下：

x

做出变化曲线，如下图：

由上图易知，最佳机构l=0.1，所对应的φ为68.84°。

选定该机构后，为检验其实际的可行性，让杆AB转过 α 角度，画出的该机构运动

由上图，我们不难发现，两条曲线的拟合度还并不是很高，因此该机构还存在较大的误差，该梯形机构并不是最理想机构。

3、用解析法检验者两种机构在常用转角范围α≤30°时的最小传动角γmin。

机构在任意位置图示如下：

如上图，传动角γ=φ−β+θ，令α∈(0 ,26.966°)。l与φ 为所选所对应的值。代入位移方程。计算出各转角对应的γ值。其中最小的即为最小传动角。

经计算，我发现，γ随着α的变化时单调的，其α−γ数据位：

做出变化曲线，如下图：

因此当α取最大值时，机构的传动角最小，γmin为35.39°。

由机械原理易知，四连杆机构的最小传动角不宜过小，一般取γmin=40°，而该机构的最小传动角为35.39°，小于40°。因此该机构并不理想。