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对称梯形滑槽式转向机构设计与仿真

2018-1-14 23:03| 发布者: Ice_XIAO| 查看: 481| 评论: 8|原作者: 张晋西*蔡维*谭芬*谭宇文|来自: 互联网

摘要: 提出一种由简单杆件构成的对称梯形滑槽式汽车转向机构,通过SOLIDWORKS软件进行实体建模及仿真,验证了该机构可实现各车轮转向时的纯滚动运动,可减小汽车的行驶附加阻力及轮胎的磨损。 ...
发表时间:        2017/6/1 作者: 张晋西*蔡维*谭芬*谭宇文 来源: 互联网


提出一种由简单杆件构成的对称梯形滑槽式汽车转向机构,通过SOLIDWORKS软件进行实体建模及仿真,验证了该机构可实现各车轮转向时的纯滚动运动,可减小汽车的行驶附加阻力及轮胎的磨损。

0 引言

    汽车转向机构是整车中的核心系统之一,驾驶员通过该机构控制车辆的行驶路线。转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统,本文探讨的是机械转向系统,主要包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分。汽车转向时,为减少其行驶附加阻力及轮胎磨损,转向机构应满足Ackerman转向运动原理,即通过汽车转向轮的转角按一定的关系变化,使各个车轮转动时的瞬时转动中心重合,达到汽车所有车轮与地之间均做纯滚动。目前,普通的梯形汽车转向机构无法完全满足Ackerman原理,对完全符合Ackerman转向关系的转向机构的设计研究一直是汽车设计的热点。

    文献列举了多种各有特点的汽车纯滚动转向设计方案,但多数并没有进行仿真验证。笔者提出一种对称梯形滑槽式纯滚动转向机构,并对其进行了仿真验证。

    1 汽车转向Ackerman原理

    汽车转向示意图,如图1所示,图1中的形为两主销中心距。驾驶员通过操纵方向盘将转矩输入,并传到转向器,经过转向器放大后由转向传动机构将力和运动传到转向桥的转向轮,使两侧转向轮的偏转角按照一定的关系变化,从而实现汽车的转向。为了实现车轮与接触地面之间的纯滚动运动,两转向轮偏转角的理想变化关系为Ackerman关系式式(1):

   

    式中:α为汽车前转向轮外轮偏转角;β为汽车前转向轮内轮偏转角;W'为两主销中心轴线与地面交点的间距;L为汽车轴距。

   

    图1 汽车转向示意图

    2 新机构工作原理

    笔者提出的对称梯形滑槽式纯滚动转向机构的结构简图,如图2所示,它在图l所示的整体式梯形转向机构的基础上,增加了1个固定于车架上的滑槽3,用于约束横拉杆总成10的运动。而且该机构的横拉杆长度可以改变,横拉杆总成,如图3所示,总成由套杆、滑杆及滚子组成,套杆强迫滑杆在其中滑动以实现横拉杆长度的变化。

   

   图2中,转矩由驾驶员通过转向操纵机构1输入,经过转向器2放大后由转向传动机构传递到转向节,转向节带动两侧转向轮偏转,从而实现汽车的转向。其中,转向传动机构是输出力和运动的关键部件,它使汽车的两转向轮偏转角按照某种关系变化,其设计直接影响着汽车的转向性能。本转向机构中,在相关铰链及车架上关键滑槽3的约束下,转向传动机构中的可变杆长横拉杆总成10按照确定的轨迹运动,从而使转向轮6、转向轮13按一定的关系转动,即两转向轮的偏转角按一定关系变化。因为滑槽3的曲线形状是根据Ackerman关系获得的,所以两转向轮偏转角之间的关系完全符合Ackerman原理,故新转向机构能实现汽车转向时的纯滚动运动,而且对称梯形机构具有受力均衡、便于加工制造和美观稳重等优点。



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引用 Ice_XIAO 2017-10-30 22:42

3 滑槽的构造

    笔者设计滑槽的目的是实现车轮的纯滚动转向,在进行滑槽的构造设计时,对设计影响不大的零/部件简单示意即可,对起着绝对影响因数的影部件参考某车转向机构的部分参数:两主销中心距W=1150mm,两主销中心轴线与地面交点的间距W’=1230mm,汽车轴距£=2450mm,梯形臂长k=182ram,梯形底角7=700。

    首先运行SOLIDWORKS软件中自带的、以ADAMS为内核的Motion插件进入运动算例模块,然后设置相关约束。由几何关系可知,转向传动机构中两侧梯形臂的偏转角分别等于两侧转向轮的偏转角,在汽车向左和向右转向时,分别在左、右梯形臂上添加相对于车架的角位移驱动,且以内转向轮的偏转角JB为自变量,以外转向轮的偏转角a为因变量,根据Ackerman关系式可得:

   

    式(2)代表时间从0-5s时,内侧转向轮的偏转角从0°转过50°,其数据曲线,如图4所示。式(3)是Ackerman关系式的变形式子,代表外侧转向轮严格按照Ackerman原理转动,由于SOLIDWORKS仿真软件的数学函数中无余切函数,故用正切函数的倒数代替,外侧转向轮偏转角数据曲线,如图5所示。

   

    图4  转向轮偏转角

引用 Ice_XIAO 2017-10-30 22:43

经过右转向和左转向运动仿真分析,跟踪横拉杆总成上滚子的运动轨迹,生成如图6和图7所示的滚子的运动轨迹曲线s。和s:及其坐标数据。

   

引用 Ice_XIAO 2017-10-30 22:43

将获得的两段曲线s1和s2的坐标整合到一起,通过导入曲线坐标的形式创建出如图8所示的滑槽曲线s,再采用双向等距实体且两端添加圆弧的方法,得到约束滚子运动的滑槽轮廓曲线,在不影响对滚子约束的情况下,构造出来的滑槽实体如图9所示。

   

引用 Ice_XIAO 2017-10-30 22:44

  4 运动性能仿真

    滑槽实体构建好后,在SOLIDWORKS中对其他转向影部件进行造型并与滑槽装配好,用于仿真的转向机构模型,如图10所示,其中转向操纵机构及转向器等对仿真结果影响不大的部件只予以示意。

   

    图10 转向机构仿真模型

    将图10中的装配体约束好后,添加车轮与地面的接触和摩擦,其中前后轴通过距离配合进行定位约束。为了模拟一般微型车及乘员的总重量,在车轮上添加17kN的合外力。然后,在方向盘与转向摇臂之间添加角速度的耦合关系来模拟转向器的降速增矩,传动比设置为12,即方向盘与转向摇臂的角速度之比为12:1。最后,以方向盘为主动件,添加Step驱动函数,使其在0—5s内转动一周半,即转动5400,在SOLIDWORKS的运动分析模块中,进行运动学和动力学仿真求解。

    仿真计算完成后,对两侧转向轮的偏转角进行测量。图11和图12是经过后处理过后的数据曲线,其中,图11所示为方向盘逆时针转动5400(车辆左转)时,两侧转向轮实际偏转角关系与理论Ackerman偏转角关系的数据曲线;图12所示为方向盘顺时针转动540。(车辆右转)时,两侧转向轮实际偏转角关系与理论Ackerman偏转角关系的数据曲线。

引用 Ice_XIAO 2017-10-30 22:47

由图11、图12所示可知,当汽车转向时,两侧转向轮实际偏转角关系曲线与其理论的Ackerman偏转角关系曲线完全重合,两者的绝对误差为零。即在转向时,两侧转向轮偏转角瞬时关系完全达到了理想关系,充分验证了该新型汽车转向机构在转向时,实现了各车轮做纯滚动运动,从而减小了汽车的行驶附加阻力及轮胎的磨损。

    图13和图14所示分别为对新型汽车转向机构仿真时,左转向和右转向的任意瞬时位置状况,可见在左、右转向的过程中,每一瞬时4个车轮的瞬时转动中心汇交于一点,从几何位置上证明了在车辆转向的时候,各车轮与地面之间是纯滚动运动。

   

   

    图14 右转时的两瞬时位置

引用 Ice_XIAO 2017-10-30 22:48
5 结语
    1)本文所设计的新型转向机构,可使两侧转向轮实际偏转角关系完全满足理论的Ackerman偏转角关系,实现了各车轮转向时的纯滚动运动,从而减小了汽车的行驶附加阻力及轮胎的磨损。
    2)该转向机构由简单杆件组成,影部件数量少,具有结构简单、受力均衡、便于加工制造和美观稳重等优点。
引用 CSWP 2017-10-31 15:23
运动仿真与有限元仿真相辅相成的进行使用,可以达到1+1>2的效果
引用 tianma 2017-11-15 10:37
这个好,赞一个

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