机械原理课程设计汽车转向机构模拟.docx
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机械原理课程设计汽车转向机构模拟
一、工作原理
汽车机械转向系是由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
根据转向器位置和转向轮悬架类型不同，转向传动机构的组成和布置分为与非独立悬架配用的转向传动机构和与独立悬架配用的转向传动机构。
这里讨论的是与非独立悬架配用的转向传动机构。
转向传动机构是将转向器输出的力和运动传给转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，并使两转向轮偏转按一定的关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。
为了避免汽车转向时产生的路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎磨损太快，要求转向系在汽车转向时，所有车轮均做纯滚动而不产生侧向滑移，图1中两侧车轮偏转角α和β的理想关系为：
cotα=cotβ+B/L
B——两侧主销轴线与地面相交点之间的距离
L——汽车轴距
因此转向传动机构转向梯形的几何参数需要优化确定，但是，至今所有的汽车的转向梯形都只能设计得在一定的车轮偏转角范围内，接近于理想关系。
为了模拟的方便，转向机构简化为图5.1所示，由车轮、等腰梯形机构（包括左、右梯形臂、机架、转向横拉杆）、转向节臂、转向直拉杆、方向盘等组成。
图1
（名词解释）非独立悬架：
非独立悬架是相对与独立悬架（individualwheelsuspension）的车轮结构。
非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。
非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。
非独立悬架与独立悬架的比较：
二、四杆机构的设计
通过图1我们可以知道，非独立悬架配用的转向传动机构是一个绞接四杆机构。
汽车直线行驶时，我们不妨称之为“原始位置”。
为了使左右转向有相同的性质，这个四杆机构在原始位置是必须为对称机构。
又要满足cotα=cotβ+B/L，只能是等腰梯形机构。
不难理解，车轮转角即为梯形臂从原始位置绕机架转动的转角。
随意选取一款可能使用非独立悬架的汽车：
解放牌CA1091PK2LA95型平头长轴距载货汽车
前轮距:
1800（毫米）
轴距:
4360（毫米）
轮胎规格:
9.00-20,8.25-20
1英寸=2.539999918厘米（公分）。
即：
L=4360mm；B近似等于1800-9*2.539999918*10=1571.400mm
B/L=0.360
cotα=cotβ+B/L
满足以上要求的一组值（汽车转向轮的最大转角通常为外轮25~35°，内轮35~45°）：
外轮转角最大值α=30°
内轮转角最大值β=36.09°
一、设计
在Pro/E的帮助下获得一组合适且满足要求的四杆机构。
由于设计者能力有限，不能设计一套绝对满足cotα=cotβ+B/L的四杆机构，只能设计达到最大转角时满足cotα=cotβ+B/L。
得到示意图：
机架L=1571.4
连架杆L1=200
连杆L2=1473.99
连架杆即为梯形臂，连杆即为转向横拉杆。
二、检验
在Pro/E中分别定外转角20°、10°，检验内转角。
如图：
制表：
α角（外转角）
β角（内转角）
理想值（度）
实际值（度）
理想值（度）
实际值（度）
10
10
10.66
10.50
20
20
22.73
22.23
30
30
36.09
36.09
从上表中可以看出内转角的实际值与理想值偏差在一位小数内，此设计方案可行。
三、设计结果
机架L=1571.4
连架杆L1=200
连杆L2=1473.99
α角（外转角）最值30°
三、各构件的设计及零件图制作
一、节臂（左梯形臂）
完成
二、梯形臂
完成
三、机架
放大图
完成
四、连杆
完成
四、装配机构
一、装配机架
在Pro/E中新建组件文件。
插入机架，选固定的约束
二、装配节臂
插入节臂。
选销钉约束（A5与A3）
再选择机架和节臂的两断面对齐。
完成后为
三、装配梯形臂
A4与A4销钉连接
再取端面对齐。
完成后为
四、装配连杆
插入连杆。
A4与A3销钉连接
再取两断面对齐。
完成后得
点右键添加集。
A3与A6销钉连接，同时断面对齐。
完成后为
五、运动分析
节臂与机架连接的销钉处设置一个伺服电机，设置轮廓，规范选“位置”，“模”选常数“-75.91”，点确定。
打开分析定义，运行获得汽车直行时传动机构位置，如图
重新编辑定义伺服电机，使其反向；设置轮廓，规范选“速度”，“模”选常数“10”，点确定。
打开分析定义，时间设置为3，这样最大外转角即为30度。
点运行。
运行结果为左转弯最大位置，如图
点击测量结果。
新建测量1，以节臂与连杆销钉连接的轴线为测量点，类型选位置，评估方法选每个时间步长。
类似地新建测量2，唯一不同在于测量点选取梯形臂与连杆销钉连接的轴线。
分别出图
分别点文件选输出Excel。
图表如下图
α角（外转角）
β角（内转角）
β角的Excel复制到α角Excel里，再加入理想值，以方便对比。
结果如下表
α角（外转角）
β角（内转角）
时间（秒）
测量
理想转角
理想值
时间（秒）
测量
理想转角
理想值
0
-75.9103
0
-75.91
0
75.90033
0
75.91
0.02
-76.1235
0.2
-76.11
0.02
75.6871
0.200252
75.70975
0.04
-76.3368
0.4
-76.31
0.04
75.47329
0.401008
75.50899
0.06
-76.55
0.6
-76.51
0.06
75.2591
0.60227
75.30773
0.08
-76.7633
0.8
-76.71
0.08
75.04451
0.804041
75.10596
0.1
-76.9766
1
-76.91
0.1
74.82953
1.006322
74.90368
0.12
-77.1898
1.2
-77.11
0.12
74.61416
1.209115
74.70088
0.14
-77.4031
1.4
-77.31
0.14
74.39839
1.412422
74.49758
0.16
-77.6165
1.6
-77.51
0.16
74.18223
1.616244
74.29376
0.18
-77.8298
1.8
-77.71
0.18
73.96567
1.820583
74.08942
0.2
-78.0432
2
-77.91
0.2
73.7487
2.025442
73.88456
0.22
-78.2565
2.2
-78.11
0.22
73.53134
2.230821
73.67918
0.24
-78.4699
2.4
-78.31
0.24
73.31357
2.436723
73.47328
0.26
-78.6833
2.6
-78.51
0.26
73.09539
2.643149
73.26685
0.28
-78.8967
2.8
-78.71
0.28
72.87681
2.850101
73.0599
0.3
-79.1102
3
-78.91
0.3
72.65781
3.05758
72.85242
0.32
-79.3236
3.2
-79.11
0.32
72.43841
3.265589
72.64441
0.34
-79.5371
3.4
-79.31
0.34
72.21859
3.474128
72.43587
0.36
-79.7506
3.6
-79.51
0.36
71.99835
3.6832
72.2268
0.38
-79.9641
3.8
-79.71
0.38
71.7777
3.892806
72.01719
0.4
-80.1777
4
-79.91
0.4
71.55663
4.102947
71.80705
0.42
-80.3912
4.2
-80.11
0.42
71.33513
4.313625
71.59638
0.44
-80.6048
4.4
-80.31
0.44
71.11321
4.524841
71.38516
0.46
-80.8184
4.6
-80.51
0.46
70.89086
4.736598
71.1734
0.48
-81.032
4.8
-80.71
0.48
70.66808
4.948896
70.9611
0.5
-81.2457
5
-80.91
0.5
70.44487
5.161736
70.74826
0.52
-81.4593
5.2
-81.11
0.52
70.22123
5.375121
70.53488
0.54
-81.673
5.4
-81.31
0.54
69.99715
5.589052
70.32095
0.56
-81.8867
5.6
-81.51
0.56
69.77263
5.803529
70.10647
0.58
-82.1005
5.8
-81.71
0.58
69.54767
6.018555
69.89145
0.6
-82.3143
6
-81.91
0.6
69.32226
6.23413
69.67587
0.62
-82.528
6.2
-82.11
0.62
69.09641
6.450256
69.45974
0.64
-82.7419
6.4
-82.31
0.64
68.87011
6.666934
69.24307
0.66
-82.9557
6.6
-82.51
0.66
68.64335
6.884165
69.02584
0.68
-83.1696
6.8
-82.71
0.68
68.41614
7.10195
68.80805
0.7
-83.3835
7
-82.91
0.7
68.18847
7.320292
68.58971
0.72
-83.5974
7.2
-83.11
0.72
67.96034
7.539189
68.37081
0.74
-83.8114
7.4
-83.31
0.74
67.73174
7.758644
68.15136
0.76
-84.0254
7.6
-83.51
0.76
67.50267
7.978658
67.93134
0.78
-84.2394
7.8
-83.71
0.78
67.27314
8.199232
67.71077
0.8
-84.4534
8
-83.91
0.8
67.04313
8.420367
67.48963
0.82
-84.6675
8.2
-84.11
0.82
66.81264
8.642063
67.26794
0.84
-84.8816
8.4
-84.31
0.84
66.58167
8.864321
67.04568
0.86
-85.0958
8.6
-84.51
0.86
66.35022
9.087143
66.82286
0.88
-85.3099
8.8
-84.71
0.88
66.11828
9.310529
66.59947
0.9
-85.5241
9
-84.91
0.9
65.88584
9.534481
66.37552
0.92
-85.7384
9.2
-85.11
0.92
65.65291
9.758998
66.151
0.94
-85.9527
9.4
-85.31
0.94
65.41949
9.984081
65.92592
0.96
-86.167
9.6
-85.51
0.96
65.18556
10.20973
65.70027
0.98
-86.3813
9.8
-85.71
0.98
64.95112
10.43595
65.47405
1
-86.5957
10
-85.91
1
64.71617
10.66274
65.24726
1.02
-86.8102
10.2
-86.11
1.02
64.48071
10.89009
65.01991
1.04
-87.0246
10.4
-86.31
1.04
64.24473
11.11802
64.79198
1.06
-87.2391
10.6
-86.51
1.06
64.00822
11.34651
64.56349
1.08
-87.4537
10.8
-86.71
1.08
63.77119
11.57558
64.33442
1.1
-87.6682
11
-86.91
1.1
63.53363
11.80522
64.10478
1.12
-87.8829
11.2
-87.11
1.12
63.29552
12.03542
63.87458
1.14
-88.0975
11.4
-87.31
1.14
63.05688
12.2662
63.6438
1.16
-88.3122
11.6
-87.51
1.16
62.8177
12.49755
63.41245
1.18
-88.527
11.8
-87.71
1.18
62.57796
12.72948
63.18052
1.2
-88.7418
12
-87.91
1.2
62.33767
12.96197
62.94803
1.22
-88.9566
12.2
-88.11
1.22
62.09682
13.19504
62.71496
1.24
-89.1715
12.4
-88.31
1.24
61.8554
13.42868
62.48132
1.26
-89.3864
12.6
-88.51
1.26
61.61341
13.66289
62.24711
1.28
-89.6014
12.8
-88.71
1.28
61.37085
13.89767
62.01233
1.3
-89.8164
13
-88.91
1.3
61.1277
14.13303
61.77697
1.32
-90.0315
13.2
-89.11
1.32
60.88397
14.36896
61.54104
1.34
-90.2466
13.4
-89.31
1.34
60.63965
14.60546
61.30454
1.36
-90.4618
13.6
-89.51
1.36
60.39473
14.84253
61.06747
1.38
-90.677
13.8
-89.71
1.38
60.14921
15.08017
60.82983
1.4
-90.8923
14
-89.91
1.4
59.90307
15.31839
60.59161
1.42
-91.1077
14.2
-90.11
1.42
59.65632
15.55717
60.35283
1.44
-91.323
14.4
-90.31
1.44
59.40895
15.79653
60.11347
1.46
-91.5385
14.6
-90.51
1.46
59.16095
16.03645
59.87355
1.48
-91.754
14.8
-90.71
1.48
58.91232
16.27695
59.63305
1.5
-91.9695
15
-90.91
1.5
58.66304
16.51801
59.39199
1.52
-92.1851
15.2
-91.11
1.52
58.41312
16.75964
59.15036
1.54
-92.4008
15.4
-91.31
1.54
58.16254
17.00184
58.90816
1.56
-92.6165
15.6
-91.51
1.56
57.9113
17.2446
58.6654
1.58
-92.8323
15.8
-91.71
1.58
57.65939
17.48794
58.42206
1.6
-93.0482
16
-91.91
1.6
57.4068
17.73183
58.17817
1.62
-93.2641
16.2
-92.11
1.62
57.15353
17.97629
57.93371
1.64
-93.4801
16.4
-92.31
1.64
56.89956
18.22131
57.68869
1.66
-93.6961
16.6
-92.51
1.66
56.6449
18.4669
57.4431
1.68
-93.9122
16.8
-92.71
1.68
56.38953
18.71304
57.19696
1.7
-94.1284
17
-92.91
1.7
56.13344
18.95975
56.95025
1.72
-94.3446
17.2
-93.11
1.72
55.87663
19.20701
56.70299
1.74
-94.561
17.4
-93.31
1.74
55.61908
19.45483
56.45517
1.76
-94.7773
17.6
-93.51
1.76
55.36079
19.70321
56.20679
1.78
-94.9938
17.8
-93.71
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