汽车前轮转向设计

机械原理课程设计

设计题目汽车前轮转向机构原理设计

年级

学号

学生姓名

指导教师

完成时间2014 年 4 月 2 日电子信息与机电工程学院

机械原理课程设计

签名页

学生签名：年月日

指导教师质量评价分值（最高分值80分）答辩质量评价分值

（最高分值20分。取答

辩教师分值平均值的整

数。）

综合质量评价分值

（指导教师质量评价分值与答

辩质量评价分值之和）

指导教师签章：年月日

答辩教师签章：年月日

说明：（1）课程设计说明书提交时，学生须签名完毕。（2）分值填写、指导教师和答辩教师签章，是在相应质量评价之后由指导教师和答辩教师填写、签署。（3）指导教师质量评价分值小于48分，为课程设计质量不及格；答辩质量评价分值小于12分，为答辩不及格。课程设计质量不及格的或答辩不及格的，不予课程设计修改和二次答辩，须重修课程设计并参加下届学生的课程设计。

目录

第1章设计任务

1

………………………………………………………………………………………………………………………………

1

1.1 设计任务

…………………………………………………………………………………………………………………………………

1.1.1 工作原理

1

………………………………………………………………………………………………………………………

1

1.1.2 设计要求

………………………………………………………………………………………………………………………

1.2 设计参数

2

…………………………………………………………………………………………………………………………………

3

1.3 国内外技术应用与发展现状

………………………………………………………………………………………

1.4 国内外技术发展趋势

4

………………………………………………………………………………………………………

7

1.5 工作计划

…………………………………………………………………………………………………………………………………

第2章课程设计过程

9

………………………………………………………………………………………………………………………

9

2.1 设计内容

…………………………………………………………………………………………………………………………………

2.1.1 理论的α和β值

9

………………………………………………………………………………………………………

9

2.1.2 用图解法设计四杆机构ABCD

……………………………………………………………………………

2.1.3 运动分析

10

………………………………………………………………………………………………………………………

2.1.4 最小传动角γ

12

min………………………………………………………………………………………………………

结论

参考文献

个人总结

第1章课程设计任务

1．1 设计任务 1.1.1 工作原理

汽车前轮转向是通过等腰梯形机构ABCD 驱使前轮转向来实现的，其中，两前轮分别与两摇杆AB 、CD 相连，如图1.1所示。当汽车沿直线行驶时（转弯半径R=∞），左右两轮轴线与机架AD 成一条直线；当汽车转弯时，要求左右两轮（或摇杆AB 和CD ）转过不同的角度。理论上希望前轮两周延长线的交点P 始终能落在后轮轴的延长线上。这样，整个车身就能绕P 点转动，使四个轮子都能与地面形成纯滚动，以减少轮胎的磨损。因此，根据不同的转弯半径R （汽车转向行驶时，各车轮运行轨迹中最外侧车轮滚出的圆周半径），要求左右两轴线（AB 、CD ）分别转过不同的角度α和β。 如图7.38所示汽车右拐时，有：

tan β=L/(R-d-B) （1-1） tan α=L/(R-d) （1-2） 所以α和β的函数关系为： cot α-cot β=B/L （1-3）

同理，当汽车左拐时，由于对称性，有cot β-cot α=B/L ，故转向机构ABCD 的设计应尽量满足以上转角要求。

1.1.2 设计要求

(1)根据转弯半径

R

m in

和R m ax =∞（直线行驶），求出理论上要求的转角α和β

的对应值，要求最少2组对应值。

(2)按给定两连架杆对应位移且尽可能满足直线行驶时机构左右对称的附加要求，用图解法设计铰链四杆机构ABCD

(3)机构初始位置一般通过经验或实验来决定，一般可在下列数值范围内选取：

α

0=96

~1030

，84770

~=β。建议α0

取1020

， 780

取β

。

(4)用图解法检验机构在常用转角范围α≤200

时最小转动角γmin

。

图1.1 汽车前轮转向机构简图

1．2 设计技术参数

设计数据见表1.1，要求汽车沿直线行驶时，铰链四杆机构左右对称，以保证左右转弯具有相同的特性，该转向机构为等腰梯形双摇杆机构，设计此铰链四杆机构。

表1—1 设计数据

参数轴距轮距最小转弯半径销轴到车轮中心的距离

符号L B R min d

单位mm mm mm mm

型号途乐GRX 2900 1605 6100 400

续表1—1

1.3 国内外技术应用与发展现状

在汽车市场上，个生产厂家都面临巨大的竞争压力。用户对质量、舒适度和安全都提出了高标准的要求，同时还要求货真价实。这实际上就要求设计的汽车恰如其分地适合于不同的用途，并以有竞争性的成本和速度制造出来，只有这样，一个汽车厂才能在激烈的竞争中获胜。所以，当对成本问题给予应有的考虑时，也应该探索革新和采用现代化制造技术的可能性，以便使新生产出的各种型号的汽车都能达到质量标准、生产率和多品种的目标。同时，也应满足缩短试制周期的需要。这就要求能在更短的时间内，完成全部的更为复杂的制造工艺过程。我国汽车工业，生产规模偏小，尚未形成规模化生产，市场信息不灵，生产预测数据不准，设计新产品周期长，不能适应快速变化的市场需求，生产过程中在制品多，原材料、中间产品甚至成品库存量大，占用大量流动资金，企业各部门业务处理和信息交流不畅通，周期长、效率低、误差率高。

在桥车方面，虽然目前中国汽车企业能够进行某些轿车车身的开发设计，能够在原有平台的基础上做局部改进，退出所谓“年度车型”，但尚不具有成熟的、较高水平的整体轿车开发能力，缺乏具有自主知识产权的产品品台。由于没有完整的轿车自主开发能力，没有自己的知识产权，主要汽车生产企业在产品技术创新方面处于被动依赖跨国公司的境地，在产品开发与选择方面没有主动权。在汽车零部件的技术开发方面，中国汽车工业企业在某些中低附加值产品方面具有相当的开发能力，在汽车关键零部件的技术开发方面具有一点的能力，但是与国际先进水平差距甚大，许多关键零部件仅仅是外国产品的仿制。而中国汽车工业的产品在电子化、信息化方面与发达国家汽车工业相比，存在较大差距。电子产品在中国汽车产品上应用的程度仍然比较低。我国在汽车产品成本中，电装（电气+电子）产品所占比重约为1%左右（根据车型有所不同），而发达国家约为3%—

5%。车用电子部件在汽车零部件总量中所占得比重约为6%-8%，而发达国家为13%左右。

许多技术要求水平高的汽车电子零部件我国还难以生存，尚不具备开发先进汽车发动机的能力，因此对发动机进行电子控制也无从谈起，生产的许多汽车电子产品可靠性、耐久性达不到整车生产厂家的技术要求，技术水平也比较低，智能化交通运输管理系统方面才刚刚起步，汽车必须配备有关的电子信息接收装置少，跨国公司仍然是我国汽车工业新技术的主要来源。

发达国家汽车工业的新产品开发已经建立在模块化的基础上，而中国汽车整车生产企业却缺乏强大的汽车零部件工业的支持。中国汽车零部件企业规模小、技术水平低的状况虽然有所改观，但与国际大汽车零部件生产企业相比，仍然差距甚大。随着中国整车生产企业产品更新换代加速，整车企业与零部件企业之间的技术差距在进一步拉大，薄弱的零部件基础制约着中国汽车工业的发展，制约着整车生产企业的产品开发。中国汽车工业相关工业发展也相对滞后，中国的电子信息产业尚不能提供高水平、高附加值的汽车电子零部件。在塑料、橡胶制品中，汽车专用产品品种少，质量和性能不稳定。汽车生产需要的铝、镁等轻金属材料由于企业技术和生产装备落后，难以满足汽车零部件的生产要求。国内汽车想要在竞争日益剧烈的汽车行业中站住脚跟，就需要大力发展制造技术与管理技术，与此同时更要掌握市场脉搏、减少研发周期、以客服为中心，只有这样才能更具有竞争力。

1.4 国内外技术发展趋势

汽车工业是集机械、材料、化工、电子、能源、交通、环境保护等众多领域为一体的综合性、技术密集型产业，它对整个国家的工业发展起着重要的作用，与国民经济发展的总体水平有着密不可分的联系。

我国的汽车工业在“九五”期间，以高效、节能、降耗、环保为主要目标，对原有汽车产品生产企业的工艺装备进行不同程度的技术改造，大量采用现代化的工艺装备、工业机器人，建成了具有国际先进水平的大型自动化冲压生产线，加工自动线、焊接生产线、涂装生产线、总装配生产线、检测线等，使汽车工业的制造技术水平在“九五”期间有了很大的提高，特别是先进的在检测设备的大量

应用，保证了汽车产品的生产一致性，大幅度提高了汽车产品的质量。

（1）、汽车工业发展趋势

进入21世纪后，轿车主体发展趋势将是系列化、轻量化、小型化、电子化、柴油化。

世界汽车业已出现了几种新的趋向，包括零部件采购全球化、生产装配模块化、汽车底盘通用化、目标成本控制化、开发周期缩短化、生产管理精益化、汽车销售租赁化合汽车发展生态化。

随着全球化竞争的日益加剧，世界发达国家的汽车产业发生了新的变化，汽车零部件行业也呈现出组织集团化、技术高新化、供货系统化合经营全球化等新特点。世界各大汽车公司纷纷改革供应体制，实行全球生产、全球采购，即由向多个车车零部件厂商采购转变为模块采购；由实行国内采购转变为全球采购。整车厂商采购体制的变革，使汽车零部件新技术产品的研发正在向零部件企业转移，要求汽车零部件厂商不断地与之相适应，不但要求生产企业增强自己的实力，提高产品开发能力，做到系统开发、系用供应，同时还要求其缩短开发周期，提供质优价廉的产品。整个汽车工业将上升为全面的品牌竞争，进行系统化、模块化的生产方式，这一变革推进了全世界汽车零部件行业并购、重组的进程。（2）、汽车生产装配技术发展趋势

①生产装配模块化

所谓模块，是指按汽车的组成结构将零部件或子系统进行集成，从而形成一个个大部件或大总成。而生产装配模块化，即汽车零部件厂商生产模块化的系统产品，整车厂商只对采购的模块化产品进行简单装配即可完成整车生产。

在模块化生产方式下，汽车技术创新的中心在零部件方面，零部件要超前发展，并参与汽车厂商的产品设计，这就使汽车生产厂家把新产品开发设计费用的一部分转移到配件供应厂家身上，整车厂和配套厂同步开发、大大缩短了开发时间，节约了开发经费。而汽车厂商方面则以全球范围作为空间，进行汽车模块的选择和匹配设计，优化汽车设计方案。生产装配模块化将导致汽车生产方式发生重大变革，包括淘汰汽车工业的传统流水线及生产设备，将汽车装配生产线上的部分

装配劳动转移到装配生产线以外的地方去进行，这样大大减少汽车制造企业生产零部件的数目，降低管理成本和生产费用。采用模块生产方式有利于提高汽车零部件的品种、质量、自动化水平和产品的可靠性，提高汽车的装配质量，缩短生产周期。

模块化的核心是广泛应用先进的电子集成技术，利用电子及其它领域的高新技术进行系统化集成，它可减少汽车零部件的构成，简化制造工艺，节省装配时间，有利于推进国际化采购。模块化供货已成为汽车零部件供应商提高竞争力的王牌。如车用网络系统、集成化车用娱乐系统、电子伺服系统、智能防撞系统、环境控制、塑料与装饰产品等高度模块化产品。模块化技术使零部件厂商更加积极地参与汽车的科技创新，改变从属于整车厂的地位，形成以汽车为主导，以零部件为基础的世界汽车工业新格局。

世界各大轿车公司要求零部件厂成套、成系统供应，向装配模块化发展。如仪表板生产厂不仅要生产仪表板，而且要将仪表板上的仪表、电气件、电线束、风道等部件装上去，向公司提供一个仪表模块，这样装车即可，从而大大减少了轿车零部件的数量。

②汽车技术电子化、数字化

电子程度的高低，已成为衡量轿车综合性能和现代化水平的重要标志，许多工业发达国家都已形成了独立的汽车电子产品。1991年，一辆汽车上的电子装置为825美元，1995年上升到了1125美元，2000年则超过2000美元，占整车成本的30%以上。在高档轿车中，从车前大灯的自动控制到轮胎所气压的检测，汽车电子装置无所不在。

近十年，汽车电子领域重点发展系统模型、电源系统、多通道信息处理系统、汽车电子软件及故障自诊五大类关键技术。电子技术已经使电子加速器、方向阻力、电子液压制动成为现实。今后，汽车有了故障，可向修理厂远程呼救，专家们将可通过互联网对汽车的电子系统的常见故障进行远程诊断和维修。卫星导航系统也可以运用语音识别导航，语音识别功能还将能运用于车载收音机和电话。汽车电子化今后的发展方向，将是各控制系统分散转向集中，逐渐形成一个庞大的整车电控系统——由中央计算机集中控制大量微处理器、传感器及执行元件。

同时，汽车工业正在掀起一场数字化革命，以适应未来汽车智能化与未来数字化时代的发展需要。日益完善的车载多媒体系统，汽车智能化安全系统、舒适性管理系统等多项数字技术都将在汽车上得到应用。

数字技术也将改变汽车设计开发和生产制造方式，例如计算机虚拟设计技术，使得样车的试制成为不必要，虚拟样车将在虚拟检测环境中进行一系列严格的检测，而新的厂房。设备与流水线也会在虚拟技术下生成，从而将使生产过程可控化、精确化，并实现汽车的目标成本可控化。不仅在汽车上应用电子信息技术，在汽车生产的过程中也越来越广泛的应用电子信息技术。同时，企业信息化也可以极大地提高企业的创新能力。据统计，新产品开发周期可缩短70%。德国宝马公司焊装厂5000多个焊点全部都是机器人造作，总装厂是柔性生产，一条生产线可以装配所有的车型。这些管理如果没有强大的信息技术做支撑，是根本做不到的。

在国外的装配车间里，每台汽车都有条形码，底盘、车底、零部件等，库存都由同一条形码来管理，零部件供应商也共同使用这一条形码，座椅、轮胎等都按适时库存制及时送到流水线旁。流水线边上还安置监控器，显示出当天的生产目标台数和现时到达台数，此外还有报告异常的警铃和紧急制动装置流水线的开关。通常情况下生产线上的车都是根据顾客的订单生产的，早就名“车”有主了，所以站在生产线旁边从事每一道工序的工人，都是按照订单上的要求，装配不同规格、型号的零部件。随着新工艺、新材料、新技术与新装备在汽车工业中投入使用，随着全球经济一体化日趋明显，市场竞争日趋激烈，世界汽车工业也必然发生深刻变革，汽车生产技术也将会有更新、更快的发展。

1.5 工作计划

（1）确定所设计的机构，翻阅机械原理课程设计指导书，了解所设计的机构原理和设计任务；

（2）在互联网上参考别人的设计，把握设计方向和理顺设计步骤，完成设计任务；（3）学习ADMAS，对其进行运动分析，了解机构的运动情况；

（4）在互联网上搜索关于汽车技术的应用和发展趋势的相关内容，查阅肇庆学院

电子图书馆，搜索相关文献；

（5）对整个设计进行总结，发现自己的不足，从而去完善自己在各方面的知识。

第2章课程设计过程

2.1 设计内容

2.1.1 理论的α和β的值

根据tanβ=L/(R-d-B) tanα=L/(R-d)

当R=R

min

=5500时，β=38.6598°，α=29.2488°

当R=6500时，β=31.8908°，α=25.0169°

当R=7500时，β=26.9802°，α=21.8014°

当R=8500时，β=19.2900°，α=23.3049°

当R=10000时，β=19.2900°，α=16.4222°

有公式得知，α和β随着R的增大而减少。如下表2—1。表2—1

2.1.2用图解法设计四杆机构ABCD

设计过程：AD=1.5m，连架杆长AB

1∈（0.1m,0.5m）【3】,取AB

1

为0.2m,取α

=0

102,

由α

1=21.8014°，α

2

=29.2488°定出第二第三位置AB

2

、AB

3

，连接B

2

D、B

3

D，并

根据反转法原理，将其分别绕D点反转-β

1= 26.9802°及-β

2

=38.6598°，从而

得到点B

2′和B

3

′，则B

1

、B

2

′、B

3

′三点确定的圆弧的圆心即为所求的铰链C

1

的位置，分别连接B

1C

1

和C

1

D，所得的四杆机构为汽车前轮的铰链四杆机构，

如图2.1所示。

图2.1 铰链四杆机构

2.1.3 运动分析

（1）自由度分析

机构简图如图2.2所示,转向直拉杆是用以带动AE运动的构件，在分析自由度的时候不应该把专向拉直杆和转动副E计入，所以本设计机构的自由度为

F=3n-2P

L -P

h

=3×3-2×4-0=1

该设计机构的自由度为1

图2.2 汽车前轮转向机构

（2）梯形转向机构仿真模型

本章通过ADMAS软件进行简单的机构仿真，如图2.3为仿真机构模型。

图2.3 仿真机构模型

（2）仿真分析

左轮的角度、角速度和角加速度与时间的运动分析分别如图2.4所示

图2.4（a）角度-时间曲线图2.4（b）角速度—时间曲线

图2.4（c）角加速度-时间曲线

2.1.4最小传动角γmin

用图解法可以检验出α≤20°时，γ的大小，当α=20°时，可得出最小传动角γ=52°，如下图2.5

min

图2.5

结论

通过对汽车前轮的原理分析，画出其结构简图，可以得出其两车轮的最大转角和最小半径有关，对其进行自由度和运动分析，可以知道其原动件为一个，而运动分析可以得出其角速度，角加速度和时间的关系。

参考文献：

[1]江帆. 机械原理[M]. 北京：机械工业出版社，2012

[2]王强. 机械原理课程设计指导书[M]. 重庆：重庆大学出版社，2013

[3]谭本忠. 汽车转向系统设计技术. 北京：工业出版社，2010.03

个人总结

通过本次机械课程设计的设计过程，我收获了很多，不仅巩固了之前所学到的机械原理的相关知识，并且学到了汽车转向的分类和具体设计准则，懂得了设计一个机械产品的具体设计步骤，同时也规范了自己的语言能力，学会了如何排版，如何写作说明书，除此之外，在课程设计中也增强了我的动手能力和交流能力，为了完成这个设计，我多次和设计同一课题的同学讨论如何做，在讨论的过程各自提出不同的建议，各自论证自己的看法，在讨论过程中，相互学习。也许这次的课程设计还有很多问题没能很好地解决，考虑问题有点不周到，但这是我第一次的课程设计，希望能找出自己不足之处，去规范自己的设计。

在机械原理课程设计的过程中我同时也掌握了一些设计软件的使用，如Adams 等软件，同时也复习了对CAD的使用，对word的使用更加熟悉了。

结束了本次的课程设计的学习，我体会到了机械设计是一个很严谨的过程，过程复杂而且需要很耐心去完成，机构中的每一个尺寸数据的得出都应是有理有据的，在保证机构能完成所规定的运动的同时，更应该使所设计的机构安全可靠，这是每一个设计者的责任。

指导教师对机械原理课程设计的质量评价学生姓名：李烨林学号： 2

课程设计题目：汽车前轮转向机构原理设计