轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告.doc
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采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)告 指導(dǎo)老師:羅虹 學(xué) 生:黃志宇 學(xué) 號(hào):20156260 專業(yè)班級(jí):車輛工程04班 重慶大學(xué)方程式賽車創(chuàng)新實(shí)踐班 二〇一七年二月 一、 賽車轉(zhuǎn)向系概述 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)系到賽車性能的主要系統(tǒng),它是用來(lái)改變或恢復(fù)汽車行駛方向的系統(tǒng)的總稱,通常,車手通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)行駛方向改變。賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一股由方向盤、快拆、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向柱、萬(wàn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿、梯形臂等部分組成。其中,方向盤用于輸入轉(zhuǎn)向角度,快拆用于快速分離方向盤與轉(zhuǎn)向柱,轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向軸、萬(wàn)向節(jié)共同將方向盤輸入角度傳遞到轉(zhuǎn)向器,轉(zhuǎn)向器通過內(nèi)部傳動(dòng)副機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向拉桿的直線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)向拉桿與梯形臂作用于轉(zhuǎn)向節(jié),實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。圖1展示了轉(zhuǎn)向系梯形結(jié)構(gòu),圖2展示了賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成。 圖1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu) 圖2 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成 二、 賽車轉(zhuǎn)向系選型 由于大賽組委會(huì)規(guī)則里面明確規(guī)定不允許使用線控或者電動(dòng)轉(zhuǎn)向,考慮到在賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置空間有限,且有嚴(yán)格的成本限制,以及輕量化的賽車設(shè)計(jì)目標(biāo),將賽車轉(zhuǎn)向器范圍限定機(jī)械式轉(zhuǎn)向器。目前,國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)方程式賽車采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和斷開式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)。 l 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為齒輪齒條,其中,齒輪多與轉(zhuǎn)向柱做成一體,齒條多與轉(zhuǎn)向橫拉桿直接連接,連接點(diǎn)即為斷開點(diǎn)位置。根據(jù)輸出位置不同,分為兩端輸出式和中間輸出式。 其主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,易于設(shè)計(jì)制作;轉(zhuǎn)向器可選材料多樣,殼體可選用招合金,質(zhì)量輕;傳動(dòng)效率較高;容易實(shí)現(xiàn)調(diào)隙,當(dāng)齒輪齒條或者齒條與殼體之間產(chǎn)生間隙時(shí),可以通過安裝在齒條背部的擠壓力可調(diào)的彈簧來(lái)消除間隙;轉(zhuǎn)向角度大,制造成本低。 其主要缺點(diǎn)是:傳動(dòng)副釆用齒輪齒條,正效率非常髙的同時(shí),逆效率非常高,可以到達(dá)當(dāng)汽車在顛簸路面上行駛時(shí),路感反饋強(qiáng)烈,來(lái)自路面的反沖力很容易傳遞到方向盤;轉(zhuǎn)向力矩大,駕駛員操縱費(fèi)力,對(duì)方向盤的反沖容易造成駕駛員精神緊張,過度疲勞。 l 斷開式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu) 根據(jù)轉(zhuǎn)向器和梯形的布置位置的不同,斷開式轉(zhuǎn)向梯形又分為四類,分別為:轉(zhuǎn)向器前置梯形前置,轉(zhuǎn)向器后置梯形后置,轉(zhuǎn)向器前置梯形后置,轉(zhuǎn)向節(jié)后置梯形前置。區(qū)分前后的分界線是賽車前軸。 當(dāng)轉(zhuǎn)向器和梯形分置于前軸兩側(cè)時(shí),各桿件壓力角較大,不利于提高轉(zhuǎn)向效率,轉(zhuǎn)向費(fèi)力的同時(shí)增加了各桿件的長(zhǎng)度;轉(zhuǎn)向梯形前置還是后置主要取決于空間布置關(guān)系,本車隊(duì)賽車前輪制動(dòng)卡鉗布置在卡盤后側(cè),如果將轉(zhuǎn)向梯形布置在后面,會(huì)與卡鉗、輪輞等部件干涉。 綜上所述,本文以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向器和斷開式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu),布置形式為轉(zhuǎn)向器前置轉(zhuǎn)向梯形前置對(duì)賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化。 三、 賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì) 3.1 斷開式轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)的確定 確定斷開點(diǎn)的基本理念是:根據(jù)前懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡,找到梯形臂與轉(zhuǎn)向拉桿連接處的運(yùn)動(dòng)軌跡的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心,斷開點(diǎn)的位置與之重合。 圖3 利用三心定理確定斷開點(diǎn)位置 本文根據(jù)三心定理,確定斷開點(diǎn)。 如圖3所示,、分別是上下控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)的鉸點(diǎn);和分別是等效上下控制臂的擺動(dòng)鉸點(diǎn);點(diǎn)是梯形臂與橫拉桿的鉸點(diǎn)。 1)延長(zhǎng)KBB與KAA,交于立柱AB的瞬心P點(diǎn),由P點(diǎn)作直線PS。S點(diǎn)為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心在懸架桿件(雙橫臂)所在平面上的投影。當(dāng)懸架搖臂的軸線斜置時(shí),應(yīng)以垂直于搖臂軸的平面作為當(dāng)量平面進(jìn)行投影和運(yùn)動(dòng)分析。 2) 延長(zhǎng)直線AB與KAKB,交于QAB點(diǎn),連PQAB直線。 3)連接S和B點(diǎn),延長(zhǎng)直線SB。 4)作直線PQBS,使直線PQAB與PQBS間夾角等于直線PKA與PS間的夾角。當(dāng)S點(diǎn)低于A點(diǎn)時(shí),PQBS線應(yīng)低于PQAB線。 5)延長(zhǎng)PS與QBSKB,相交于D點(diǎn),此D點(diǎn)便是橫拉桿鉸接點(diǎn)(斷開點(diǎn))的理想位置。 以上是在前輪沒有轉(zhuǎn)向的情況下,確定斷開點(diǎn)D的位置的方法。此外,還要對(duì)車輪向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)的幾種不同工況進(jìn)行校核。圖解方法同上,但S點(diǎn)的位置變了;當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向時(shí),可以認(rèn)為S點(diǎn)沿垂直于主銷中心線AB的平面上畫?。ú挥?jì)主銷后傾角)。如果這種方法所得到的橫拉桿長(zhǎng)度在不同轉(zhuǎn)角下都相同或十分接近,則不僅在汽車直線行駛是,而且在轉(zhuǎn)向時(shí),車輪的跳動(dòng)都不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向產(chǎn)生影響。雙橫臂互相平行的懸架能滿足此要求。 3.2 轉(zhuǎn)向系內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系的確定 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)如圖4所示,轉(zhuǎn)向軸1的末端與轉(zhuǎn)向器的齒輪軸2直接相連或通過萬(wàn)向節(jié)軸相連,齒輪2與裝于同一殼體的齒條3嚙合,外殼則固定于車身或車架上。齒條通過兩端的球鉸接頭與兩根分開的橫拉桿4、7相連,兩橫拉桿又通過球頭銷與左右車輪上的梯形臂5、6相連。因此,齒條3既是轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件又是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)中三段式橫拉桿的一部分。 圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1、轉(zhuǎn)向軸 2、齒輪 3、齒條 4、左橫拉桿 5、左梯形臂 6、右梯形臂 7、右橫拉桿 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器布置在前軸后方,安裝時(shí),齒條軸線與汽車縱向?qū)ΨQ軸垂直,而且當(dāng)轉(zhuǎn)向器處于中立位置時(shí),齒條兩端球鉸中心應(yīng)對(duì)稱的處于汽車縱向?qū)ΨQ軸的兩側(cè)。 賽車的軸距L、主銷后傾角β以及左右兩主銷軸線延長(zhǎng)線與地面交點(diǎn)之間的距離K,齒條兩端球鉸中心距M,梯形底角γ,梯形臂長(zhǎng)L1以及齒條軸線到梯形底邊的安裝距離h。則橫拉桿長(zhǎng)度L2由下式計(jì)算: 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí),齒條便向左或向右移動(dòng),使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng),從而使左右車輪分別獲得一個(gè)轉(zhuǎn)角。以汽車左轉(zhuǎn)彎為例,此時(shí)右輪為外輪,外輪一側(cè)的桿系運(yùn)動(dòng)如圖5所示。設(shè)齒條向右移動(dòng)某一行程S,通過右橫拉桿推動(dòng)右梯形臂,使之轉(zhuǎn)角為。 取梯形右底角頂點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),X、Y軸方向如圖5所示,則可導(dǎo)出齒條行程S與外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系: 圖5 外輪一側(cè)桿系運(yùn)動(dòng)情況 圖6 內(nèi)輪一側(cè)桿系運(yùn)動(dòng)情況 另外,由圖5可知: 而 而內(nèi)輪一側(cè)的運(yùn)動(dòng)則如圖6所示,齒條右移了相同的行程S,通過左橫拉桿拉動(dòng)右梯形臂轉(zhuǎn)過,取梯形左底角頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),X、Y軸方向如圖5所示,則同樣可導(dǎo)出齒條行程S與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系,即: 通過以上公式計(jì)算得: 3.3 標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系 如圖7所示,在不考慮側(cè)偏角的影響時(shí),根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向理論,為了使賽車轉(zhuǎn)向時(shí)各個(gè)輪胎只作純滾動(dòng)而沒有滑動(dòng),轉(zhuǎn)向中心應(yīng)位于賽車后軸線的延長(zhǎng)線上,此時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角大小應(yīng)符合: 上式表示標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系,其中:為外輪轉(zhuǎn)角;為內(nèi)輪轉(zhuǎn)角;為主銷后傾角為0時(shí),兩側(cè)車輪主銷與地面交點(diǎn)之間的距離,mm;L為軸距,mm。由上式得,在給定的外輪轉(zhuǎn)角下,內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為: 圖7 標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系示意圖 3.4 目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)系 普通乘用車使用的是理論阿克曼轉(zhuǎn)向,而對(duì)于方程式賽車而言,賽車在高速行駛中,輪胎存在側(cè)偏角且車身存在側(cè)傾,四輪載荷重新分配對(duì)輪胎剛度存在影響且高速過彎時(shí)外側(cè)車輪載荷更大,外輪轉(zhuǎn)角逐步增大,這時(shí)轉(zhuǎn)向關(guān)系趨向于平行轉(zhuǎn)向。平行轉(zhuǎn)向是一種內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角相同的轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系。為了保證輪胎做純滾動(dòng),減少輪胎的偏磨,在考慮輪胎側(cè)偏角對(duì)轉(zhuǎn)向關(guān)系的影響,同時(shí)引入賽車高速過彎垂直載荷重新分配對(duì)側(cè)偏剛度的影響時(shí),最佳阿克曼校正系數(shù)為43%,目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)系為: 式中,為實(shí)際內(nèi)輪轉(zhuǎn)角,為實(shí)際外輪轉(zhuǎn)角。 3.5 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) l 實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系 根據(jù)賽車內(nèi)部空間設(shè)計(jì)前置斷開式轉(zhuǎn)向梯形的結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中:M為斷開點(diǎn),在實(shí)際結(jié)構(gòu)中為兩轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)端之間距離;N為兩側(cè)車輪主銷延長(zhǎng)線在地面上交點(diǎn)之間的距離;h為前置轉(zhuǎn)向器與前軸之間的距離,該距離用于定位轉(zhuǎn)向器位置;L為梯形臂長(zhǎng)度;為梯形底角。 圖8 轉(zhuǎn)向梯形整體結(jié)構(gòu)圖 為了更清楚的描述轉(zhuǎn)向時(shí)左右輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系,繪制當(dāng)車輪向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),左右車輪運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,如圖9所示。 圖9 轉(zhuǎn)向輪實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖 車輪左轉(zhuǎn),外輪轉(zhuǎn)向角度為,根據(jù)幾何關(guān)系可知 其中:為計(jì)算算子;為拉桿長(zhǎng)度,mm;為齒條行程,mm;為內(nèi)輪轉(zhuǎn)角;為符合標(biāo)準(zhǔn)阿克曼關(guān)系的外輪轉(zhuǎn)角;為實(shí)際外輪轉(zhuǎn)角。 通過以上式子進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,即可得到按照?qǐng)D8所示轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)外輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系。 l 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的目的是使左右輪實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系盡可能的接近目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)系式。前面用阿克曼校正系數(shù)描述賽車轉(zhuǎn)向梯形由標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系向平行轉(zhuǎn)向過渡的程度,并引入側(cè)偏角對(duì)轉(zhuǎn)向關(guān)系的影響,計(jì)算得到阿克曼校正系數(shù)為43%。 由上一節(jié)的推導(dǎo)可知當(dāng)給定外輪轉(zhuǎn)角時(shí),實(shí)際內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為 設(shè)計(jì)要求與要盡可能接近,同樣引入加權(quán)因子構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)如下 其中加權(quán)因子的取值如下: l 優(yōu)化變量與約束條件 按照上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形中,設(shè)計(jì)要素有兩主銷延長(zhǎng)線與地面間距離,斷開點(diǎn)距離,梯形底角,轉(zhuǎn)向器前置的距離,梯形臂長(zhǎng)度。其中,兩主銷間距離主要受主銷內(nèi)傾角影響,并不適合在轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。所以,在轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)優(yōu)化中,主要優(yōu)化變量為斷開點(diǎn)距離、梯形底角、轉(zhuǎn)向器前置的距離和梯形臂長(zhǎng)度。 把轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)裝配時(shí),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的約束條件復(fù)雜,如在與懸架零件的干涉問題,各桿件壓力角不能太大等。確定各變量約束范圍如表1所示。 表1 優(yōu)化變量的約束范圍 優(yōu)化變量 初值 約束范圍 梯形底角/? 95 90~120 梯形臂長(zhǎng)度/mm 80 60~100 轉(zhuǎn)向器前置距離/mm 75 60~80 斷開點(diǎn)距離/mm 330 300~350 l 轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化結(jié)果 根據(jù)目標(biāo)函數(shù)以及上述約束條件,利用MATLAB編寫優(yōu)化程序,得到優(yōu)化結(jié)果如表2所示。 表2 轉(zhuǎn)向梯形位置參數(shù)優(yōu)化結(jié)果 參數(shù) 數(shù)值 梯形底角/? 105 梯形臂長(zhǎng)度/mm 80 轉(zhuǎn)向器前置距離/mm 80 斷開點(diǎn)距離/mm 336.72- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問題本站不予受理。
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