專業(yè)課程設(shè)計(jì)-雙橫臂獨(dú)立懸架導(dǎo)向-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)雙臂獨(dú)立汽車懸掛導(dǎo)軌-汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)在繪圖定徑套中添加3346389411或3012250582一、問題的說明和殘奧表的范圍圖1是汽車前輪采用的雙橫桿汽車懸掛汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的示意圖(簡化)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)ABCD由上橫桿AB、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大頭針BC、下橫桿CD和車體信息幀AD構(gòu)成。 其中，a、d分別是上臂與車身信息幀連結(jié)的鉸鏈中心(假定兩鉸鏈軸線與車輛的縱向平行)，b、c分別是轉(zhuǎn)彎主大頭針BC與上臂、下臂連結(jié)的球鉸鏈中心。 在車輛的橫向垂直平面內(nèi)，設(shè)上下臂相對于水平面的擺動(dòng)角分別為j、y，設(shè)外傾角為b0。轉(zhuǎn)向傳遞機(jī)構(gòu)采用由齒輪-齒條汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的開放型轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)GF

2、E EFG(F和f、g和g對稱，未圖示)。 其中，左轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)EFG由齒輪-齒條汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出齒條EE、左轉(zhuǎn)向橫拉桿EF、左轉(zhuǎn)向節(jié)臂FG以及車身信息幀構(gòu)成。 e、e分別是連結(jié)整流子齒條和左右轉(zhuǎn)向橫拉桿的球的鉸鏈中心，f是連結(jié)左轉(zhuǎn)向橫拉桿EF和左轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)臂FG的球的鉸鏈中心，g是連結(jié)左轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)臂FG和左轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)大頭針BC的升交點(diǎn)，并且是FGBC。 另外，車輪軸線KH與汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大頭針BC和h、車輪中心面和j相交。圖1是車輛橫臂汽車懸掛-汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的示意圖描述ABCD引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)構(gòu)幾何殘奧儀主要是上臂的桿長AB=h1、主大頭針的球的鉸鏈中心距離BC=h2、下臂的桿長CD=h3、

3、上下臂的擺動(dòng)角a、y (橫臂向外傾斜時(shí)取負(fù)值)、主大頭針的向內(nèi)的傾斜角為了簡化，假定未考慮主大頭針的后傾角的影響，上下臂與車身信息幀的鉸鏈的軸線與車輛的縱向平行，則圖示的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)ABCD的上下臂AB、CD與汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大頭針的軸線BC總是在通過前輪的軸線的汽車的橫向垂直平面內(nèi)移動(dòng)。在水平面的俯視圖中，描述EFG左旋轉(zhuǎn)梯形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)構(gòu)幾何殘奧計(jì)主要是EE=L1、EF=L2、FG=L3、車身信息幀上的齒條移動(dòng)方向線EE與前輪軸線的片偏移距離y (前輪軸線位于前方時(shí)取正值)、關(guān)節(jié)臂FG相對于汽車長度方向的安裝角a0。 另外，左右車輪的轉(zhuǎn)向角分別用a、b表示。以上述懸掛結(jié)構(gòu)的形式，設(shè)計(jì)了某前輪驅(qū)

4、動(dòng)的迷你車的雙臂氟里昂汽車懸掛-汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)，其殘奧儀表選擇范圍如下車輪底座B=12001400mm，車輪底座L=20002500 mm。 滿載時(shí)的整車總質(zhì)量為m=10001300kg，最高車速Vmax=140km/h，最大爬坡度20%，0-100 km/h加速時(shí)間為14秒以下，最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin=40004500mm。前輪輪胎外徑為2R=520mm，輪胎寬度b=145 mm。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)幾何尺殘奧： AB=150280mm、BC=200360mm、CD=300400mm、JH=80110mm、BH=90150mm，當(dāng)車輛處于滿載平衡位置時(shí)，氟里昂止觸發(fā)器/汽車懸掛定導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位置殘奧計(jì)為a=

5、-58、y=。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的幾何殘奧儀： EE=L1=50580mm，EF=L2=180500mm，F(xiàn)G=L3=100140mm，Y=-8080mm，BG=80130mm，機(jī)架左右移動(dòng)行程為s=5070 mm。 關(guān)節(jié)臂安裝角a0=175190，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)的最大壓力角amax=4550。二、轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的配置方案和最優(yōu)設(shè)計(jì)2.1斷路式旋轉(zhuǎn)臺形機(jī)構(gòu)的汽車橫向水平面內(nèi)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型圖3是圖2布雷克式汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)的示意圖圖2中L1:汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)架的左右球鉸鏈中心的距離L2:左、右拉桿長度L3:左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂長從Lw:車輪中心到汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大頭針的距離y:汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)架左右球

6、的鉸鏈中心線與左右汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大頭針中心線的偏差在S0:直線行駛時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)架的左球鉸鏈中心與左汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主大頭針中心的水平距離，即(B-L1)/2；0:轉(zhuǎn)向節(jié)臂安裝角0:轉(zhuǎn)向節(jié)臂與汽車橫軸線的內(nèi)側(cè)角度設(shè)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架子位移量為s (向左移動(dòng)為正)，則通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解析的解析法，容易導(dǎo)出汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架子位移s與其左右的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輪轉(zhuǎn)向角和的關(guān)系式(省略導(dǎo)出)。對于前方的氟里昂(其他情況省略):式中，A0=2L3y、B0=2S0L3、C0=S02 L32 y2-L22A1=2L3y，B1=-2(S0-S)L3，C1=(S0-S)2 L32 y2-L22A2=2L3y，B2=-2(S0 S

7、)L3，C2=(S0 S)2 L32 y2-L22為了確保機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，可以管理機(jī)構(gòu)的壓力角，并且s為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)架位移量(向左為正，向右為負(fù))式中1夾在左橫拉桿和汽車橫軸線間的銳角夾在右拉桿和汽車橫軸線間的銳角左壓力角=|1 1-90|右壓力角=|2 2-90|對于前方的氟里昂(其他情況省略):式中，a1=-2yL2、b1=2L2(S0-S )、c1=(S0-S)2 l22 y2-L32a2=-2yL2，b2=2L2(S0 S )，c2=(S0 S)2 l22 y2-L322.2優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的編制為了保證四輪汽車的所有車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)都是單純的滾動(dòng)，根據(jù)Ackermann公式，外側(cè)的轉(zhuǎn)向輪應(yīng)

8、該滿腳丫子因此，根據(jù)上述計(jì)算出的實(shí)際的外側(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)角來計(jì)算目標(biāo)函數(shù)1 :算法步驟：(1)在所選擇的范圍內(nèi)選擇L1、L2、L3、y的一個(gè)值(2)判斷所選擇的L1、L2、L3、y的值是否能夠構(gòu)成梯形機(jī)構(gòu)，如果不能，則選擇L1、L2、L3、y的值(3)計(jì)算s選擇范圍內(nèi)的各位置的內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角和(4)判斷最大內(nèi)側(cè)的車輪的旋轉(zhuǎn)角是否達(dá)到要求，在沒有達(dá)到要求時(shí)選擇L1、L2、L3、y的值(5)判斷最大壓力角是否超過限制，在超過的情況下選擇L1、L2、L3、y的值(用Ackermann公式計(jì)算理論值(7)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)(8)在嘗試所有L1、L2、L3和y的組合之后，比較根據(jù)各個(gè)L1、L2、L3和y的目標(biāo)函數(shù)，

9、并選擇對應(yīng)于最小目標(biāo)函數(shù)的L1、L2、L3和y值輸出(9)繪圖、TXT文件的制作、相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算和顯示圖3算法流程圖基于以上算法，制作了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件2，其界面如圖4所示。2.3導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與設(shè)計(jì)首先選擇一組整車殘奧表：輪間距離B=1250 mm、軸間距離L=2100 mm、單輪彈簧載荷W=300 kg、最高車速Vmax=140km/h、最大爬坡度20%。選擇前方前置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的幾何殘奧儀的初始選擇范圍： EE=L1=50580mm、EF=L2=180500mm、FG=L3=100140mm、Y=-8080mm、機(jī)

10、架左右移動(dòng)行程為s=60 mm。 最大壓力角amax=50。將上述殘奧儀表輸入到優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件中，軟件的執(zhí)行結(jié)果如圖4所示。 得到汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的幾何殘奧儀： L1=580mm、L2=360mm、L3=120mm、Y=50mm，滿足要求的詳細(xì)殘奧儀如表1所示。圖4優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)行結(jié)果表1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的殘奧表L1L2L3y美聯(lián)最大amax公司580毫米360毫米120毫米50毫米49.6835.03最小轉(zhuǎn)彎半徑三、雙橫臂獨(dú)立汽車懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布置方案分析3.1前輪獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求在汽車懸掛負(fù)荷變化的情況下，保證輪間距離的變化小(參考數(shù)據(jù)：轎車輪間距離的變化，一般要求單側(cè)輪

11、間距離在5mm/50mm以內(nèi))。 車輪間距變化大會引起輪胎的早期磨損。當(dāng)汽車懸掛載荷變化時(shí)，前輪定位殘奧儀必須具有合理的變化特性，車輪沒有縱向加速度。3.2雙臂獨(dú)立汽車懸掛引導(dǎo)機(jī)構(gòu)及汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)的示意圖在進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，采用圖5所示的雙臂汽車懸掛引導(dǎo)機(jī)構(gòu)和布雷克式汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)的示意圖，有助于更清晰地示出懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)關(guān)系。 由搖臂AB、轉(zhuǎn)向節(jié)BCJE、下臂CD、轉(zhuǎn)向節(jié)臂JE、轉(zhuǎn)向橫拉桿EF、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)移動(dòng)齒條FG和信息幀構(gòu)成。 其中，上臂、下臂與車身信息幀之間的橡皮子彈性支承鉸鏈分別由轉(zhuǎn)動(dòng)副a、d近似，其軸線不一定平行的b、c、e、f都是球?qū)?球鉸鏈) g是整流子的移動(dòng)

12、機(jī)架與整流子殼體之間的移動(dòng)副，其移動(dòng)方向通常與汽車的橫向水平。 轉(zhuǎn)向輪的軸線為KW，轉(zhuǎn)向主大頭針為球鉸鏈b、c的中心線。圖6是圖5雙橫臂懸架引導(dǎo)機(jī)構(gòu)和汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)定梯形機(jī)構(gòu)的示意圖3.3兩橫臂獨(dú)立汽車懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上下擺臂配置方案的分析當(dāng)選擇引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的幾何殘奧儀表，為了使上下臂的傾斜方向不降低車身側(cè)傾中心而將上下臂在汽車橫平面內(nèi)的配置方式如圖6(b )、(c )、(f )所示時(shí)，能夠得到高側(cè)傾中心位置和小車輪定位殘奧儀表的變動(dòng)量。 一般上下臂長度之比在0.61的范圍內(nèi)。圖6是車輛橫臂引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的版結(jié)構(gòu)圖3.4車輪定位殘奧表的選擇(1)前輪外傾角前輪外傾角是指車輪的中心平面與道路平面的垂線之間的角度

13、。 如果車輪的上部向外傾斜，外傾角取正值，向內(nèi)傾斜則取負(fù)值。轎車前輪通常設(shè)計(jì)為具有微小的外傾角，以便使輪胎在略呈拱形的路面上盡量垂直滾動(dòng)，使磨損均勻，減小滾動(dòng)阻力。 理想的外傾角最好為=010。(2)主大頭針內(nèi)傾角主大頭針內(nèi)傾角是指轉(zhuǎn)向節(jié)的主大頭針中心線(連接上臂球鉸鏈與下擺臂球鉸鏈中心的線)與與路面垂直的平面之間的角度。 在現(xiàn)代轎車中，主大頭針的步距角=614。(3)主大頭針后傾角主大頭針后傾角是指轉(zhuǎn)向節(jié)主大頭針中心線與汽車縱平面的心理投射與通過車輪中心的垂直線間的角度。 優(yōu)選=12。(4)車輪的前束前束是指左右車輪輪輞邊緣后部的間距比前部的馀量大。 一般設(shè)定前束=14.5mm。前束變化是因

14、為拉桿的長度和位置不合適。 轉(zhuǎn)向節(jié)臂和拉桿的連接球鉸鏈點(diǎn)必須始終以f點(diǎn)為中心約束為半徑EF的球面，并且必須配合前輪的上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。 其結(jié)果是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干擾作用。 也就是說，車輪的上下移動(dòng)引起云同步汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的圍繞大頭針BC的附加旋轉(zhuǎn)，即前束的變化。 一般來說，拉桿EF越長，則e點(diǎn)的球面軌跡越平緩，由相同的上下振動(dòng)量引起的音調(diào)變化越小。 但是，如果拉桿過長，則容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性的干擾作用等，會影響版結(jié)構(gòu)。四、基于ADAMS的雙臂獨(dú)立汽車懸掛引導(dǎo)機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)梯形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及前輪定位殘奧仿真分析4.1車輪定位殘奧表根據(jù)以上分析，配合路線設(shè)計(jì)提供的關(guān)殘奧儀表范圍，首先選擇完成車級的導(dǎo)向機(jī)

15、構(gòu)殘奧定儀表： AB=210mm、BC=280mm、CD=340mm、JH=110mm、BH=140mm、=3、=1、=8、車輪的上下擺動(dòng)為60 車輪外傾，主大頭針后傾，車輪的前束一般較小，因此，在ADAMS仿真模型中，全部設(shè)定為0。4.2懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析4基于以上的殘奧儀表，用ADAMS建立雙臂獨(dú)立汽車懸掛仿真模型，并如圖7所示，在課程設(shè)計(jì)中所給出的殘奧儀表范圍內(nèi)，對模型進(jìn)行殘奧儀表化。圖7雙橫臂獨(dú)立懸架仿真模型在這次的模擬中，制作了虛擬激勵(lì)臺，上下的激勵(lì)位移為60mm，激勵(lì)函數(shù)為根據(jù)圖8車輪打滑量和車輪振動(dòng)量而變化的曲線圖9根據(jù)車輪牽引角和車輪的擺動(dòng)量而變化的曲線圖10根據(jù)車輪外傾

16、角和車輪的振動(dòng)量而變化的曲線根據(jù)圖11主大頭針內(nèi)傾斜角和車輪的振動(dòng)量而變化的曲線從圖8至圖11可知，除了車輪的內(nèi)側(cè)滑量之外，外傾角和主大頭針的外傾角的變化稍稍大，牽引角的變化非常大，需要進(jìn)行優(yōu)化。4.3自定義汽車懸掛殘奧儀表調(diào)整接口制作如圖12所示的汽車懸掛殘奧儀表調(diào)諧畫面，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)主大頭針長度、主大頭針傾斜角度、上臂長度、上臂擺角、下臂長度、下臂擺角等殘奧儀表。圖12汽車懸掛殘奧儀表調(diào)整接口4.4懸掛系統(tǒng)的優(yōu)化分析根據(jù)初選殘奧儀表ADAMS仿真的汽車懸掛特性圖，由于應(yīng)該將車輪打滑量和前束角作為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)object _ fun:ABS (.shuanghengbi.clch )

17、10 * ABS (.shuanghengbi.clqs )/3以上臂、下臂的長度和上臂、下臂在橫平面內(nèi)的傾斜角為變量，在ADAMS/View模塊中利用Simulate-Design Evaluation進(jìn)行了優(yōu)化。圖13 Design Evaluation殘奧儀表設(shè)置圖14目標(biāo)函數(shù)反復(fù)變化過程的示意圖圖15目標(biāo)函數(shù)反復(fù)變化信息各設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)化后的值如表2所示。表2汽車懸掛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的殘奧表PS英國廣播公司光碟JHJHBH甲組聯(lián)賽yb0280毫米280毫米394毫米110毫米140毫米1.6-0.78圖16是最佳化前后車輪打滑量比較圖圖17是最優(yōu)化前后車輪的前束角變化比較圖圖18是優(yōu)化前

18、后車輪的外傾角變化的比較圖圖19是最優(yōu)化前后主大頭針內(nèi)傾斜角變化比較圖從圖16至圖19可知，車輪的前束角變化量得到了某種程度的改善。五、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)非線性特性的雙臂獨(dú)立汽車懸掛彈性元件，阻尼元件的選取及其殘奧儀表計(jì)算，球鉸受力分析5.1彈性要素、衰減要素的選擇圈狀彈簧廣泛應(yīng)用于獨(dú)立懸架，特別是前輪獨(dú)立懸架。 圈狀彈簧作為懸架彈性元件，具有不需要潤滑、不討厭污泥、縱向安裝空間小、自身品質(zhì)小的優(yōu)點(diǎn)。 因此，該雙臂獨(dú)立懸架系統(tǒng)的彈性元件采用了圈狀彈簧。根據(jù)設(shè)計(jì)綱要的要求對阻尼元件采用盒式阻尼器。 根據(jù)整車結(jié)構(gòu)配置的需要，彈簧和阻尼大頭針元件安裝在下臂和車身信息幀(車身)之間。5.2選擇汽車懸掛偏置和相對阻尼系數(shù)懸架偏壓n=c/m/(2)式中，c為懸架剛性，m為彈簧負(fù)荷質(zhì)量。汽車固有頻率(即頻率偏差)是測量汽車