课程设计汽车转向机构说明书大学论文.doc

汽车运动机构课程设计说明书

温州大学机电工程学院
2013年6月

机械原理设计说明书

题 目: 汽车转向机构
学 院: 机电工程学院
专 业: 汽车服务工程
班 级: 11汽车服务本
姓 名:

学 号:

目 录
一.设计题目 1
1.1 课程设计目的和任务 1
1.2 课程设计内容与基本要求 2
1.3 机构简介 4
1.4 参考数据 5
1.5设计要求 5
二. 设计方案比较 6
2.1 设计方案一 6
2.2 设计方案二 7
2.3 设计方案三 8
2.4 最终设计方案 8
三.虚拟样机实体建模与仿真………………………………………………………9
四.虚拟样机仿真结果分析 10
4.1运动学仿真…………………………………………………………………11
4.1.1运动学仿真--转向盘位移仿真曲线 11
4.1.2运动学仿真--轮胎位移仿真曲线 11
4.1.3运动学仿真--转向盘速度仿真曲线 12
4.1.4运动学仿真--轮胎速度仿真曲线 12
4.1.5运动学仿真--转向盘加速度仿真曲线 13
4.1.6运动学仿真--轮胎加速度仿真曲线…….................................................13
4.2动力学分析………………………………………………………………………………………………….14
4.2.1转向盘受力仿真曲线……..............................................................................14
4.2.2轮胎受力仿真曲线................................................................................……..14
五. 课程设计总结 15
5.1 机械原理课程设计总结 15
5.2 设计过程 15
5.3 设计展望 16
5.4 设计工作分工表 16
5.5 参考文献 16

一．题目：汽车转向机构
1.1课程设计目的和任务
机械原理课程设计能够培养机械类专业学生创新能力，是学生综合运用机械原理课程所学理论知识和技能解决实际问题，获得工程技术训练的必不可少的实践性教学环节。
机械原理课程设计教学所要达到的目的是：
1、培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用机械原理课程的理论知识，并结合生产实际来分析和解决工程问题的能力。
2、通过制定设计方案、合理选择机构的类型、正确地对机构的运动和受力进行分析和计算，让学生对机构设计有一个较完整的概念。
3、训练学生收集和运用设计资料以及计算、制图和数据处理及误差分析的能力，并在此基础上利用计算机基础理论知识，初步掌握编制计算机程序并在计算机上计算来解决机构设计问题的基本技能。
机械原理课程设计教学的任务是：机械原理课程设计通常选择一般用途的机构为题目，根据已知机械的工作要求，对机构进行选型与组合，设计出几种机构方案，并对其加以比较和确定，然后对所选定方案中的机构进行运动和动力分析，确定出最优的机构参数，绘制机构运动性能曲线。

1

1.2课程设计内容和基本要求
机械原理课程设计是在机械原理课程完成后集中进行的教学环节，它是在教师指导下由学生独立完成的。每个学生都应明确课程设计的任务和要求，拟定设计计划，保证设计进度、设计质量，按时完成课程。在设计过程中，提倡独立思考、深入钻研，主动地、创造性地进行设计工作。要求设计态度严肃认真、一丝不苟，反对不求甚解，这样才能确保课程设计达到教学基本要求，并在设计思想、方法和技能等方面得到良好的训练和提高。
1) 机械原理课程设计步骤
（1）机构运动方案设计。即根据给定的原始数据和工艺要求，构思并选定机构方案；
（2）设计上述各机构。根据选定的方案采用各机构，如凸轮机构、连杆机构、齿轮机构、间歇运动机构及其组合机构等，即具体机构的尺度综合，求出机构的主要尺寸；
（3）根据上面求得的尺寸，按比例画出全部机构的运动简图及运动循环图；
（4）据此对上述机构进行运动分析，并进行基于ADAMS软件的机构建模与运动仿真。即绘制机构的运动线图，或进一步进行运动和动力分析；
（5）编写设计说明书。
2) 设计说明书编写要求
课程设计说明书是学生证明自己设计正确合理并供有关人员参考的文件，它是课程设计的重要组成部分。收集整理课程设计报告工作关系到课程设计的成败，通过这项工作，能提高学生的技术概括能力和表达能力。编写说明书也是科技工作者必须掌握的基本技能之一。因此，学生在校期间就应加强这方面的训练。课程设计说明书应在课程设计过程中逐步形成，课程设计结束时，再作必要的补充和整理。而设计说明书的内容视设计任务而定，大致包括：
（1）设计题目（包括设计条件和要求）。
（2）机构运动简图或设计方案的确定。
（3）全部原始数据。
（4）完成设计所用方法及其原理的简要说明。
（5）建立设计所需的数学模型并列出必要的计算公式、计算过程及说明，写出设计计算结果。
（6）绘出计算机程序框图，写出自编的程序。或将基于ADAMS软件的机构建模与仿真方法过程描述出来。
（7）用表格列出计算结果并画出主要曲线图。
（8）对设计结果进行分析讨论，写出课程设计的收获和体会。
（9）列出主要参考文献资料。
3) 设计说明书的格式要求：
（1）说明书一般用A4纸打印，要求步骤清楚、叙述简明、文句通顺、书写端正。
（2）对每一自成单元的内容，都应有大小标题，使其醒目突出，建议加上目录。
（3）通过课程设计说明书的编写，学生应该学会整理设计数据、绘制图表和简图，用工程术语表达设计成果的方法。
（4）对所用公式和数据，应标明来源——参考资料的编号和页次。
（5）说明书应加上封面，并与图纸一起装订成册。

1.3机构简介
用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统(Steering System)。汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。汽车转向系统按照转向能源的不同费为机械转向系和动力转向系。不同的转向器有着不同的特点应用于不同的汽车上，其中小轿车上常用的是齿轮齿条式的转向器。在本课程设计中，我们设计了一种机械转向系统。
一般的机械转向系统包括转向操纵机构、转向传动机构和转向器组成。从控制系统上看，机械转向系统是开环控制，需要驾驶员的反馈来完成转向过程的闭环控制。
方向盘
万向节
转向操纵
齿轮、齿 条机构
转向器
曲柄滑块机构
转向传动

转向操纵机构
汽车的转向操纵机构特别是机械转向系统的转向机构一般是由方向盘和其附属的转向传动轴实现的，转向操纵机构能将转向需求转化为机械扭矩输出到转向传动机构。
转向器
转向器是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。我们本次设计采用了齿轮齿条式转向器。
转向传动机构
转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

1.4参考数据
汽车在转向的过程中，如果方向盘保持在一个位置，那么汽车应当围绕同一个圆心做一个圆周运动，车上点（包含出轮轴但不包含车轮上运动的点）的运动轨迹应该是一组同心圆。而当汽车的四个车轮分别与其所在的轨迹圆相切时汽车所受的阻力最小。
如图所示，在两轮转向系统中，两个后轮是共法线的，如果能调整两个前轮使其法线的交点正好在后轮的法线上，则汽车转弯时的阻力最小。为了研究方便我们假定：
前轮旋转中心距： 1400mm
前后轮轴距： 2500mm

1.5设计要求
通过转向器结构的机械原理把扭矩放大并改变方向,把转动变为摆动。
转向时,内转向轮的偏转角β一定大于外转向轮的偏转角α,车轮为刚体假设条件下,内外两转向轮偏转角满足cotα＝cotβ+B/L.
B----两侧主销轴线与地面交点之间的距离
L----汽车轴距

汽车转向示意图

二、设计方案比较
2．1方案设计一

图1
1
车轮
2
梯形臂
3
转向横拉杆
4
大锥齿轮
5
转向盘
6
小锥齿轮
7
不完全锥齿轮与连杆的固定件
8
机架

分析：大锥齿轮4带动不完全锥齿轮与连杆的固定件7中的连杆摆动，连杆带动右梯
形臂摆动，从而使右车轮发生转向。右梯形臂带动转向横拉杆3移动，从而带动左梯形臂的摆动，进而使左车轮发生转向。
该方案优点：
① 寿命长，工作平稳。
② 能保证恒定的传动比。
该方案缺点：
① 需要驾驶员很大的力才能使车轮发生转向。
② 结构复杂，不紧凑。
③ 逆效率高，容易对驾驶员造成危险。
④ 传动动力小。

2．2方案设计二

图2

序号
名称
序号
名称
1
车轮
2
摇杆
3
转向横拉杆
4
齿轮齿条副
5
转向轴
6
方向盘

分析：方向盘6转动带动转向轴5以及齿轮4，经过齿轮齿条副4转变为横向运动；
通过转向横拉杆3带动摇杆2，致使车轮1产生倾角，使车辆形式方向转变。
优缺点：优点：1.结构简单、紧凑；
　　　 2.体积小，质量轻；
　　　 3.制造成本低。
　　　 缺点：1.会产生反冲，严重时会打手，对驾驶员造成伤害；
　　　 2.没有辅助加力机构，转动时需要很大的驱动力，对驾驶员要求较高
3.设计过于简单，不具有实际利用价值

2．3 方案设计三

图3
序号
名称
序号
名称
1
轮胎
2
机架
3
右梯形臂
4
转向横拉杆
5
转向盘
6
转向轴
7
齿轮齿条转向器
8
转向直拉杆
9
转向节臂
10
左梯形臂

分析：首先方向盘转动，通过齿轮齿条转向器把转矩放大并带动转向直拉杆移动，转向直拉杆带动转向节臂。然后转向节臂带动左梯形臂，左梯形臂带动左轮实现转动，同时转向节臂又带动转向横拉杆，通过右梯形臂实现右轮的转动。

该方案的优点：本方案采用齿轮齿条转向器，具有结构简单、成本低、质量轻、效率高、转向轻便，使用寿命长等优点。机构中的转向梯形机构可以使汽车在转向过程中所有的车轮都是纯滚动或有极小的滑移，提高轮胎使用寿命，保证汽车操纵的轻便性和稳定性。

2.4 最终设计方案：方案三
三. 虚拟样机实体建模与仿真
UG的机样建模

四.虚拟样机仿真结果分析

我们对方向盘（j009），通过4个STEP函数{STEP(TIME,0,0,2,O)+STEP(TIME,2,0,4,-2.09)+STEP(TIME,6,0,8,4.19)+STEP(TIME,10,0,12,-2.09) }相加，使方向盘实现以下运动：
0-2s：静止；
2-4s：逆时针转动120度；
4-6s：静止；
6-8s：顺时针转动240度；
8-10s：静止；
10-12s：逆时针转动120度；
12-15s：静止；
另外为方便研究，我们规定j009为方向盘，j004和j005分别为左右轮。

4.1运动学仿真
4.1.1运动学仿真-转向盘位移仿真曲线

4.1.2运动学仿真-轮胎位移仿真曲线

j009为方向盘，j004和j005分别为左轮和右轮，从图中曲线对应的数据可见，在车轮逆时针转动过程中，左轮在0-8.3999度之间转动，右轮在0-7.938度之间转动，顺时针转动过程中两车轮的转动范围也不相同，满足cotα＝cotβ+B/L，这与理论分析结果相同。

4.1.3运动学仿真-转向盘速度仿真曲线

4.1.4运动学仿真-轮胎速度仿真曲线

j009为方向盘，j004和j005分别为左轮和右轮，左右轮胎的速度曲线在所加动力的情况下平滑，并无突变。
4.1.5运动学仿真-转向盘加速度仿真曲线

4.1.6运动学仿真-轮胎加速度仿真曲线

j009为方向盘，j004和j005分别为左轮和右轮，左右轮胎的加速度曲线在转向盘所加动力的情况下平滑，并无突变。

运动学分析：综上所述，经过运动学分析，仿真分析的结果和理论分析的结果相同。
4.2动力学仿真
4.2.1动力学仿真-转向盘力的仿真曲线

4.2.2动力学仿真-轮胎力的仿真曲线

j009为方向盘，j004和j005分别为左轮和右轮，左右轮胎的受力曲线在转向盘所加动力的情况下平滑，并无突变。

动力学分析：综上所述，根据对方向盘所是施加的位移，速度，加速度及力，并对左右方向盘进行的运动分析以及动力学分析，都与理论分析结果是一致的。

五、课程设计总结
5.1机械原理课程设计总结
这次课程设计，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。在老师的谆谆教导和同组成员的仔细讨论下，使我们找到了目标和方向。
首先我们确定了三个方案，并逐一讨论，确定下三个方案后，我们马上用CAXA画出了它的运动简图，然后我们在队长叶凌峰的带领下我们队第三个方案进行了细致的分析，并确定一下参数以及一些零件的参数范围，通过查阅大量资料以及同组成员的细心分析后，我们用pro/E画出了所有11个零件，并装配好，之后我们用UG进行运动仿真。通过这次课程设计我学会了pro/E和UG软件的基本操作掌握了更多的使用工具。并且在此设计过程中也培养了团队之间的协作精神。
现在想想其实课程设计当中的每一天都是很累的，其实就像老师说得一样，机械设计的课程设计没有那么简单，你想copy或者你想自己胡乱蒙两个数据上去来骗骗老师都不行，因为你的每一个数据都要仔细推敲、仔细琢磨，需要通过不断的绘图和求证，来验证某些零件的参数的正确性。虽然种种困难我们都已经克服，但是还是难免我有些疏忽和遗漏的地方。完美总是可望而不可求的，不在同一个地方跌倒两次才是最重要的。抱着这个心理我一步步走了过来，最终完成了我的任务。
两周的机械原理课程设计结束了，在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西，领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质，更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化。
在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对之前所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我们明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我们才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次课程设计中也使我们同学之间的关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以非常感谢帮助我的同学和老师。
此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

5.2设计过程
通过本次课程设计，我们不仅温习巩固了以前所学的知识，还基本掌握了caxa、proE、UG等绘图软件的用法，更让我们深刻的认识到，要顺利地完成本次课程设计，团队协作是不可或缺的。设计流程：由于我们提前对课题进行探讨，选题就用了半天的时间，接下来组员便开始讨论设计方案，并从三个方案中选取最可行的方案，确定最终尺寸。然后开始分工合作，用caxa绘制零件图的三视图，用proE绘制零件图、装配，并导入UG进行模拟仿真，得到各种运动参数，整理书明书并制作PPT。本次课程设计培养了我们的团队精神，也提高了我们的自学能力。在设计过程中，我们遇到了很多问题，比如机构的原理不理解，就要自己查《机械原理》或《汽车构造》，从而巩固了所学的知识，并且学会把理论应用到实践中。在绘图然间的使用过程中，我们也遇到了很多问题，就自己上网收索解决方法或去图书馆借阅相关书籍，从中激发了我们的探索精神。

5.3设计展望
随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：有蜗杆销式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)、齿条齿轮式(BP型)。这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。
据了解，在世界范围内，汽车齿轮齿条式转向器占40%左右。在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。日本汽车中，大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。微型货车用循环球式转向器占65%，齿条齿轮式占35%。西欧重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50%，法国已高达95%。
由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用(包括小客车、小型货车或客货两用车)将得到突飞猛进的发展。

5.4课程设计工作分工表
课程设计工作任务
负责人
机械运动方案设计，讨论及确定
叶凌峰、俞科、王栋柄、王璐、吴海霞、欧阳凯强
caxa绘制机械系统运动简图
吴海霞、欧阳凯强、叶凌峰、俞科、王栋柄、王璐
机构运动设计及分析，UG/proE机构建模与仿真
俞科、王栋柄、叶凌峰、王璐、吴海霞、欧阳凯强
资料整理，编制课程设计说明书
王璐、俞科、叶凌峰、王栋柄、吴海霞、欧阳凯强

六、 参考文献
机械原理教程（第2版）/申永胜主编.—北京：清华大学出版社，2005
汽车构造（第三版）/关文达主编。—北京：机械工业出版社，2010.9
于建成．动助力转向系统的研究与开发[D]．大连：大连理工大学，2005．
高媛，董惠敏．机械原理课程设计指导书．大连：大连理工大学机械工程学院．

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