汽車轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)圖解解析

1、輪式車輛轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)的圖解解析常州工業(yè)技術(shù)學(xué)院 鎢華芝       常州市政工程管理處 魏曉靜   摘要 介紹幾種簡單實用的車輛轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)的圖解解析設(shè)計法。通過事先設(shè)定內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪實際特性曲線與理論特性的交點位置來控制轉(zhuǎn)角偏差的方法，選擇轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)參數(shù)，可以大大減少圖次數(shù)，提高工作效率，減小轉(zhuǎn)角誤差。    關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向 梯形機(jī)構(gòu) 解析 圖解    1 引言    輪式車輛一般都是依靠轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)一個角度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎或曲線行駛。轉(zhuǎn)向是的基本要求是保證所有車輪滾動而

2、不發(fā)生滑動，這一要求通常由平面四桿機(jī)構(gòu)來達(dá)到。傳統(tǒng)的設(shè)計都采用圖解轉(zhuǎn)向梯形的方法。這種方法需要按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選擇機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，然后作圖校核該梯形機(jī)構(gòu)在運動過程中轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角偏差是否大于允許偏差，若大于允許偏差，則重新選擇或調(diào)整幾何參數(shù)，再校核圖，直至轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)小于允許偏差為止。這實際上是一種試湊的方法，帶有較大的盲目性，工作量大。隨著計算機(jī)的發(fā)展，解析法得到了較好的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的圖解法仍有它直觀、方便的優(yōu)點，因此仍然被工程設(shè)計人員廣泛采用。本文介紹一種簡單高效且實用的圖解解析設(shè)計法，可以大大減少作圖校核的次數(shù)，提高工作效率。   2 轉(zhuǎn)向理論特性   機(jī)動

3、車輛或裝卸搬運車輛的轉(zhuǎn)向大多采用雙軸線式轉(zhuǎn)向方式，見圖1。為了滿足純滾動條件，轉(zhuǎn)向時所有車輪必須以不同的半徑圍繞同一轉(zhuǎn)向中心滾動，各個車輪的軸線交于瞬時轉(zhuǎn)向中心O點。雖然兩個轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度不同，但是兩個轉(zhuǎn)角之間應(yīng)滿足下列幾何關(guān)系：     ctgß-ctga=M/L         （1）  式中 ß-外輪轉(zhuǎn)角 a-內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 M-轉(zhuǎn)向軸兩主銷中心距 L-車輛前后軸軸距   為了滿足運動學(xué)上的這一幾何關(guān)系，一般都是通過設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)來

4、實現(xiàn)的。式（1）稱為轉(zhuǎn)向理論特性。   3 轉(zhuǎn)向梯形的圖解設(shè)計及其轉(zhuǎn)角誤差    轉(zhuǎn)向梯形四桿機(jī)構(gòu)中，固定件長度（兩主銷中心距）M是由車輛總體設(shè)計給出的，兩梯形臂長相等。因此只有兩個獨立變量有待確定，一個是連桿（橫拉桿）長度，另一個是兩搖桿（梯形臂）長度，這兩個參數(shù)還可以轉(zhuǎn)化為梯形底角O及梯形臂長m，見圖1。   通常設(shè)計時，根據(jù)o和m值，用作圖法作出所選機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（a<amax），內(nèi)、外轉(zhuǎn)角a和ß的一組實際對應(yīng)值，并將這組對應(yīng)的轉(zhuǎn)角（aI,ßI）按圖2所示作出實際特性曲線GE，與理論特性GF比較

5、，得到轉(zhuǎn)角的偏差值ß。如兩條特性接近，則*小于允許偏差，說明轉(zhuǎn)向梯形幾何參數(shù)合理；如果ß大于允許偏差，則須重新選擇梯形參數(shù)，重復(fù)作圖。對于工程機(jī)械，amax=450，ß不大于1030。   4 實際特性曲線分析    采用轉(zhuǎn)向梯形圖解法時，為了滿足轉(zhuǎn)角誤差的要求，常常需要多次重復(fù)作圖，初選梯形參數(shù)之前，如果能分析初底角o和梯形臂長m兩個參數(shù)與轉(zhuǎn)角誤差之間的關(guān)系，使初選梯形機(jī)構(gòu)的實際特性曲線與理論特性曲線逼近，則通過一兩次作圖就能達(dá)到設(shè)計要求，大大提高工作效率。   轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計是給出兩連架桿對應(yīng)轉(zhuǎn)角函數(shù)

6、關(guān)系*=f（*）的四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計問題，有無窮多的近似解，每一種解的誤差不盡相同，其結(jié)果分三種情況（見圖3）：第一種情況，在最大轉(zhuǎn)角amax范圍內(nèi)，實際特性曲線與理論特性只有a=0一個交點，兩曲線相距較大；第二情況兩特性曲線在a1=0、a2=amax兩處有交點，誤差比第一種情況小；第三種情況，兩特性曲線在a1=0、a2<amax兩處有交點，顯然，交點K取得合適，則轉(zhuǎn)角誤差比前兩種情況均小。例如，轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)M/L=0.5,amax=450,如果初選參數(shù)*=780，m/M=0.138,則實際特性曲線與理論特性將在a2=590有交點，a2>amax,最大轉(zhuǎn)角誤差ß=2.60，

7、屬于第一種情況；如果初選參數(shù)*=720，m/M=0.113，則交點a2=400，a2=0.89amax,厚大轉(zhuǎn)角誤差ß=0.70，屬第三種情況。   通過分析可見，第三種情況，實際特性曲線與理論特性比較接近，所設(shè)計的轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)一般均能滿足轉(zhuǎn)角誤差要求。   5 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)的確定   引入平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解設(shè)計法，見圖4。設(shè)各桿長度：固定構(gòu)件AD=M，是已確定的轉(zhuǎn)向軸主銷距；連架桿AB=CD=m為特定的轉(zhuǎn)向臂長；連桿BC=n特定。建立圖示坐標(biāo)系，并設(shè)AB轉(zhuǎn)向臂與X軸的夾角為*，轉(zhuǎn)向梯形底角為*，轉(zhuǎn)向時內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為a，外輪轉(zhuǎn)角

8、為ß，則有：   通過解析幾何的方法可以得到轉(zhuǎn)向梯形角位移方程式:   方程式（7）只有兩個未知數(shù)K1和K2。為了得到精確解，給出兩連架對應(yīng)的兩對角位移（*,*）和（*，*），由選取轉(zhuǎn)向輪滿足轉(zhuǎn)向理論特性ctg*-ctg=M/L關(guān)系式的兩組內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角（*，*）和（*，*）分別帶入式（2）計算*和*，然后帶入式（6），計算出對應(yīng)的a1,ß1和a2ß2，建立方程組              

9、;      a1K1+K2=ß1                        a2K1+K2=ß2   解得由式（4）得到連桿（轉(zhuǎn)向臂）及連桿（橫拉桿）長   若所取a2<amax，那么，按上述方法所設(shè)計的轉(zhuǎn)向梯形實際特性曲線，在0amax范圍內(nèi)必定

10、與理論特性有兩個交點，即滿足轉(zhuǎn)角關(guān)系的精確點。為確保車輛直線行駛，在a1=0，ß1=0設(shè)置一個精確點（a1,ß1）就是另一個精確點。A2點的選取要適當(dāng)，取得過小，在a1接近amax時，實際特性曲線將在反方向中偏離理論特性較大，使轉(zhuǎn)角誤差增大，取a2=(0.80.95)amax較合適。   底角O初選。當(dāng)車身較長，M/L較小時，O應(yīng)偏大，例如M/L=0.33，取O=78.50較理想；而當(dāng)車身短，M/L較大時，O應(yīng)偏小，例如M/L=0.5，取O=720能滿足設(shè)計要求。底角初選還可以用公式*來確定，S是與d2點及轉(zhuǎn)角誤差有關(guān)的系數(shù)，運用本文介紹的設(shè)計方法時，S

11、取1.56。   當(dāng)用初選的底角O及選定的精確點d2代入公式設(shè)計出的m/M不能滿足工程設(shè)計要求時，即0.11>m/M>0.15時，可以在第一次初選的O角附近改變其值，再作計算（見設(shè)計方法舉例）其規(guī)律是：m/M值偏大，則O減??；反之m/M值偏小或出現(xiàn)負(fù)值，則O增加。   6 設(shè)計方法舉例    以裝卸搬運車輛轉(zhuǎn)向軸主銷中心距M與軸距L之比M/L=0.41，內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角amax<450，要求轉(zhuǎn)角誤差*<20為便，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計方法如下。   為了控制所設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角誤差，在a2=400（0.89amax）