汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計*

類成朋，王志坤，丁和平

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

隨著時代的進(jìn)步，汽車已成為現(xiàn)代生活必不可少的出行工具。在這種大趨勢之下汽車的發(fā)展也越來越重要，而作為汽車行業(yè)的核心，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計也是十分重要的，本文主要是對汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化[1]。

1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運動原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的簡化模型如圖1所示，連桿2與汽車方向盤通過萬向節(jié)連接，連桿2與連桿1之間是以一定的傳動比i連接的齒輪齒條副，連桿1與連桿3之間靠轉(zhuǎn)動副4連接，轉(zhuǎn)動副5是連桿3與支架之間的運動副，可將轉(zhuǎn)動副5看做是固定轉(zhuǎn)動副[2]。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤時帶動連桿2的轉(zhuǎn)動，連桿2的轉(zhuǎn)動帶動連桿1平動，通過轉(zhuǎn)動副4、5帶動連桿3的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

1.連桿；2.連桿；3.連桿；4.轉(zhuǎn)動副；5.轉(zhuǎn)動副

2 模型假設(shè)

1) 分析研究的內(nèi)容是機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)對運動狀態(tài)的影響。在對運動狀態(tài)分析過程中將機(jī)構(gòu)的運動軌跡及機(jī)構(gòu)之間的干涉以及模型運動過程中受到的力的影響分開討論。

2) 連桿1沿連桿2方向的位移量很小，可以忽略不計。

3) 連桿1與d2之間的初始角度為90°。

4) 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)涉及的系數(shù)分別是d1：連桿3與車輪接觸點到轉(zhuǎn)動副5的距離；d2：運動副4、5之間的距離；z：連桿2上齒輪的齒數(shù)；m：齒輪模數(shù)；α：連桿1與d2之間的夾角變化量；β：d1與d2之間的夾角。

5) 對汽車轉(zhuǎn)向過程中力的分析時，假設(shè)所需要的扭矩大小恒定，即路面粗糙度、平整度為一恒定的值。

3 運動狀態(tài)模型

汽車行駛過程中運動狀態(tài)可根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對車輪旋轉(zhuǎn)角度的改變量來表示，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可求出轉(zhuǎn)角的改變Δθ量為：

Δθ=α+β-90° .

根據(jù)公式我們不難看出Δθ隨著α和β的增大而增大，而Δθ越大，汽車行駛過程中的靈敏度也就越大，考慮汽車行駛過程中的實際情況，β最大不能超過90°，因為超過90°汽車就不能作直線運動，因此我們可以令β=90°，這樣汽車行駛過程的靈敏度只受α的影響[3]。我們采用極限位置法來求取α的值，根據(jù)實際情況我們不難得知，汽車方向盤單方向最大轉(zhuǎn)動1.5圈，我們引入一個定量k來表示從方向盤到連桿1的傳動系數(shù)，則連桿2水平方向的位移最大量為：

Δx=1.5kπmz.

根據(jù)三角函數(shù)可列出變化量α的表達(dá)式：

化簡得：

4 受力狀態(tài)模型

轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的實際工作并不是在絕對理想的環(huán)境下進(jìn)行的，它需要考慮機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間相對運動的摩擦力、阻尼系數(shù)等因素的影響，因此在對機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析的過程中，需要考慮所需力的大小，在轉(zhuǎn)向過程中，傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的力主要是摩擦力、扭轉(zhuǎn)力，我們把這些影響因素用力矩M表示，假設(shè)汽車前輪轉(zhuǎn)向過程中所需要的力矩是一定的，則根據(jù)上述討論內(nèi)容我們可以得出力矩平衡公式：

M=F·d2·cosα.

其中F為所需的連桿1傳遞給連桿3的力的大小。

將力矩平衡公式化簡可得所需的連桿1傳遞給連桿3的力的大小F的表達(dá)式：

根據(jù)力F的表達(dá)式可知，當(dāng)所需的扭矩大小一定時，運動副4、5之間的距離d2與力F成負(fù)相關(guān)，參數(shù)k、m、z與力F成正相關(guān)，要想所需的力F最小，需要減小k、m、z這三個量的大小，增大d2的大小。這個結(jié)論無疑是與運動狀態(tài)模型的分析結(jié)論相反，這就需要我們根據(jù)產(chǎn)品的定位及需要來綜合分析，求出最優(yōu)解[4]。

在對轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定過程中，主要影響因素是產(chǎn)品設(shè)計的成本，即產(chǎn)品的市場定位。若是輸出高端產(chǎn)品，無疑是優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)向的靈敏度，只需增大k、m、z這三個量的大小，減小d2的大小，而所需的力F可以由好一些的轉(zhuǎn)向助力器提供轉(zhuǎn)向所需要的力，這就會增大產(chǎn)品的制造成本；若是輸出中低端產(chǎn)品，則需要在考慮靈敏度的同時考慮是否能夠提供所需要的力，再結(jié)合制造成本確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)[5]。

5 模型的優(yōu)缺點分析

在建立模型的過程中將模型分為運動狀態(tài)和受力狀態(tài)，分別建立模型分析，確保兩種狀態(tài)下模型的獨立，單獨分析完兩種模型后再綜合進(jìn)行分析，根據(jù)產(chǎn)品的輸出環(huán)境不同結(jié)合制造成本、轉(zhuǎn)向靈敏度以及所能夠提供的力的大小分析進(jìn)而確定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的參數(shù)，所分析的參數(shù)具有一定的準(zhǔn)確性，以上這些是模型的優(yōu)點。

相對于模型的準(zhǔn)確性來說，模型的廣泛性還有不足，在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型分析過程中，只是對理想化假設(shè)的基礎(chǔ)上做了一部分延伸，但沒有深度的探究，沒有考慮在一些惡劣條件對轉(zhuǎn)向參數(shù)的影響，如路面摩擦系數(shù)較大，平整度特別低的情況下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否能夠提供足夠的轉(zhuǎn)向力，這些都是模型需要改進(jìn)的地方。

6 結(jié)論

根據(jù)本文所介紹的方法和最終的結(jié)論對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，能夠在一定程度上確保在不同的成本支持條件下，達(dá)到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求最優(yōu)化，能夠很好的結(jié)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)確定汽車運動狀態(tài)、轉(zhuǎn)向過程受力以及制造的加工成本三者的影響，實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)化。

[1] 丁禮燈,楊家軍 ，劉照，等.汽車動力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力矩的分析與計算[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001(3):243-246.

[2] 高軍.汽車動力轉(zhuǎn)向器性能測試技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué),2006.

[3] 李晏,王瑾，徐皓，等.汽車轉(zhuǎn)向器齒輪齒條的建模與仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程, 2010(12):73-76.

[4] 郭洪軍,王靈犀，葛晗，等.汽車轉(zhuǎn)向器總成有限元仿真分析[J].黑龍江科技信息，2014(32):87-87.

[5] 付立書.汽車轉(zhuǎn)向器的國內(nèi)外發(fā)展淺述[J].科技資訊, 2013(4):109-110.