類(lèi)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(shí)代的進(jìn)步，汽車(chē)已成為現(xiàn)代生活必不可少的出行工具。在這種大趨勢(shì)之下汽車(chē)的發(fā)展也越來(lái)越重要，而作為汽車(chē)行業(yè)的核心，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是十分重要的，本文主要是對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化[1]。

1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，連桿2與汽車(chē)方向盤(pán)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，連桿2與連桿1之間是以一定的傳動(dòng)比i連接的齒輪齒條副，連桿1與連桿3之間靠轉(zhuǎn)動(dòng)副4連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副5是連桿3與支架之間的運(yùn)動(dòng)副，可將轉(zhuǎn)動(dòng)副5看做是固定轉(zhuǎn)動(dòng)副[2]。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)帶動(dòng)連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿1平動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副4、5帶動(dòng)連桿3的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

1.連桿；2.連桿；3.連桿；4.轉(zhuǎn)動(dòng)副；5.轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。在對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析過(guò)程中將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡及機(jī)構(gòu)之間的干涉以及模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的力的影響分開(kāi)討論。

2) 連桿1沿連桿2方向的位移量很小，可以忽略不計(jì)。

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(chē)輪接觸點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)副5的距離；d2：運(yùn)動(dòng)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(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中力的分析時(shí)，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(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型

汽車(chē)行駛過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)角度的改變量來(lái)表示，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可求出轉(zhuǎn)角的改變?chǔ)う攘繛椋?/p>

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(chē)行駛過(guò)程中的靈敏度也就越大，考慮汽車(chē)行駛過(guò)程中的實(shí)際情況，β最大不能超過(guò)90°，因?yàn)槌^(guò)90°汽車(chē)就不能作直線運(yùn)動(dòng)，因此我們可以令β=90°，這樣汽車(chē)行駛過(guò)程的靈敏度只受α的影響[3]。我們采用極限位置法來(lái)求取α的值，根據(jù)實(shí)際情況我們不難得知，汽車(chē)方向盤(pán)單方向最大轉(zhuǎn)動(dòng)1.5圈，我們引入一個(gè)定量k來(lái)表示從方向盤(pán)到連桿1的傳動(dòng)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(jiǎn)得：

4 受力狀態(tài)模型

轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作并不是在絕對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力、阻尼系數(shù)等因素的影響，因此在對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析的過(guò)程中，需要考慮所需力的大小，在轉(zhuǎn)向過(guò)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(chē)前輪轉(zhuǎn)向過(guò)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(jiǎn)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(shí)，運(yùn)動(dòng)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(gè)量的大小，增大d2的大小。這個(gè)結(jié)論無(wú)疑是與運(yùn)動(dòng)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(lái)綜合分析，求出最優(yōu)解[4]。

在對(duì)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定過(guò)程中，主要影響因素是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本，即產(chǎn)品的市場(chǎng)定位。若是輸出高端產(chǎn)品，無(wú)疑是優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)向的靈敏度，只需增大k、m、z這三個(gè)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(huì)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(shí)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(diǎn)分析

在建立模型的過(guò)程中將模型分為運(yùn)動(dòng)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(dú)立，單獨(dú)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(diǎn)。

相對(duì)于模型的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)，模型的廣泛性還有不足，在對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型分析過(guò)程中，只是對(duì)理想化假設(shè)的基礎(chǔ)上做了一部分延伸，但沒(méi)有深度的探究，沒(méi)有考慮在一些惡劣條件對(duì)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(duì)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(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、轉(zhuǎn)向過(guò)程受力以及制造的加工成本三者的影響，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)化。

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

[2] 高軍.汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué),2006.

[3] 李晏,王瑾，徐皓，等.汽車(chē)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(chē)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(shū).汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展淺述[J].科技資訊, 2013(4):109-110.