【正文】 為一個復(fù)雜的空間受力件。轉(zhuǎn)向節(jié)圓錐軸上裝有一對單列圓錐滾子軸承，使轉(zhuǎn)向節(jié)與前輪轂、前輪制動器相連。其圓錐軸端采用螺母緊固軸承與輪轂，這樣就能使轉(zhuǎn)向節(jié)承受來自地面的支承力、滾動阻力和制動力。轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂上有球頭銷與橫拉桿相連以保證左右兩輪同步轉(zhuǎn)向。由此可見，轉(zhuǎn)向節(jié)承受著車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較大的負荷，其結(jié)構(gòu)也比較特殊強度要求也比較高，本設(shè)計中轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向節(jié)（圖55）是一體的，有助于提高其強度，簡化其結(jié)構(gòu)。圖55 轉(zhuǎn)向節(jié) 轉(zhuǎn)向橫拉桿與球頭銷轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的拉桿件應(yīng)選用剛性好、質(zhì)量小的30或35號鋼的無縫鋼管制造，其沿長度方向的外形可根據(jù)總布置的需要確定。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的各元件間采用球形鉸接，球形鉸接的主要特點是能夠消除由于鉸接處的表而磨損而產(chǎn)生的間隙，也能滿足兩鉸接件間復(fù)雜的相對運動。在現(xiàn)代球形鉸接的結(jié)構(gòu)中均是用彈簧將球頭與襯墊壓緊。而且應(yīng)采用有效結(jié)構(gòu)措施保持住潤滑材料及防止灰塵污物進入。球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如12CrNi3A，18MnTi，或20CrN制造，工作表面經(jīng)滲碳淬火處理，～，表面硬度HRC 56～63。允許采用中碳鋼40或45制造并經(jīng)高頻淬火處理，球銷的過渡圓角處則用滾壓工藝增強。球形鉸接的殼體則用鋼35或40制造。轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)段球頭與齒條連接。當這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時，在球頭銷上就作用了一個預(yù)載荷。防塵套夾在轉(zhuǎn)向器兩側(cè)的殼體和轉(zhuǎn)向橫拉桿上，這些防塵套阻止雜物進入球銷及齒條中。轉(zhuǎn)向橫拉桿端部與外端用螺紋聯(lián)接（圖56）。圖56 轉(zhuǎn)向橫拉桿外接頭6 轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化 轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)概述轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)用來保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時所有車輪能繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心，在不同的圓周上做無滑動的純滾動。設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形的主要任務(wù)之一是確定轉(zhuǎn)向梯型的最佳參數(shù)和進行強度計算。一般轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)布置在前軸之后，但當發(fā)動機位置很低或前軸驅(qū)動時，也有位于前軸之前的。轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式或斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方案有聯(lián)系。無論采用哪一種方案，必須正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，做到汽車轉(zhuǎn)彎時，保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運動的車輪，作無滑動的純滾動運動。同時，為達到總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。 整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析1—轉(zhuǎn)向橫拉桿 2—轉(zhuǎn)向梯形臂 3—前軸圖61 整體式轉(zhuǎn)向梯形整體式轉(zhuǎn)向梯形是由轉(zhuǎn)向橫拉桿1，轉(zhuǎn)向梯形臂2和汽車前軸3組成。其中梯形臂呈收縮狀向后延伸。這種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整前束容易，制造成本低；主要缺點是一側(cè)轉(zhuǎn)向輪上、下跳動時，會影響另一側(cè)轉(zhuǎn)向輪。當汽車前懸架采用非獨立懸架時，應(yīng)當采用整體式轉(zhuǎn)向梯形。整體式轉(zhuǎn)向梯形的橫拉桿可位于前軸后或前軸前(稱為前置梯形)。對于發(fā)動機位置低或前輪驅(qū)動汽車，常采用前置梯形。前置梯形的梯形臂必須向前外側(cè)方向延伸，因而會與車輪或制動底板發(fā)生干涉，所以在布置上有困難。為了保護橫拉桿免遭路面不平物的損傷，橫拉桿的位置應(yīng)盡可能布置得高些，至少不低于前軸高度。 整體式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化分析汽車轉(zhuǎn)向行駛時，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞位于后軸沿長線上的點滾動，而是繞位于前軸和后軸之間的汽車內(nèi)側(cè)某一點滾動。此點位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。因影響輪胎側(cè)偏角的因素很多，且難以精確確定，故下面是在忽略側(cè)偏角影響的條件下，分析有關(guān)兩軸汽車的轉(zhuǎn)向問題。此時，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線應(yīng)交在后軸延長線上，如圖62所示。設(shè)θi、θo分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角，L為汽車軸距，K為兩主銷中心線延長線到地面交點之間的距離。若要保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系： （61） 圖62 理想的內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系簡圖若自變角為，則因變角的期望值為: （62）現(xiàn)有轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)僅能近似滿足上式關(guān)系。以圖所示的后置梯形機構(gòu)為例，在圖上作輔助用虛線，利用余弦定理可推得轉(zhuǎn)向梯形所給出的實際因變角為 （63）式中：m為梯形臂長；γ為梯形底角。所設(shè)計的轉(zhuǎn)向梯形給出的實際因變角，應(yīng)盡可能接近理論上的期望值。其偏差在最常使用的中間位置附近小角范圍內(nèi)應(yīng)盡量小，以減少高速行駛時輪胎的磨損；而在不經(jīng)常使用且車速較低的最大轉(zhuǎn)角時，可適當放寬要求。因此，再引入加權(quán)因子，構(gòu)成評價設(shè)計優(yōu)劣的目標函數(shù)為 （64）由以上可得： （65） 式中：x為設(shè)計變量，；為外轉(zhuǎn)向車輪最大轉(zhuǎn)角，由圖62得 （66） 式中，為汽車最小轉(zhuǎn)彎直徑；a為主銷偏移距?？紤]到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角小于20176。，且10176。以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此?。? （67）建立約束條件時應(yīng)考慮到：設(shè)計變量m及γ過小時，會使橫拉桿上的轉(zhuǎn)向力過大；當m過大時，將使梯形布置困難，故對m的上、下限及對γ的下限應(yīng)設(shè)置約束條件。因γ越大，梯形越接近矩形，值就越大，而優(yōu)化過程是求的極小值，故可不必對γ的上限加以限制。綜上所述，各設(shè)計變量的取值范圍構(gòu)成的約束條件為： （68）梯形臂長度m設(shè)計時常取在 =， =。梯形底角 =70176。此外，由機械原理得知，四連桿機構(gòu)的傳動角δ不宜過小，通常?。?0176。如圖62所示，轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)在汽車向右轉(zhuǎn)彎至極限位置時達到最小值，故只考慮右轉(zhuǎn)彎時即可。利用該圖所作的輔助用虛線及余弦定理，可推出最小傳動角約束條件為： （69）式中：為最小傳動角。=40176。，故由式可知，為設(shè)計變量m及γ的函數(shù)。由式（66）、式（67）、式（68）和式（69）四項約束條件所形成的可行域，如圖63所示的幾種情況。圖63b適用于要求較大，而可小些的車型；圖63c適用于要求γmin較大，而γmin小些的車型；圖63a適用介于圖63b、c之間要求的車型。 圖63 轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的可行域 整體式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通過優(yōu)化選擇正確轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，能夠做到汽車轉(zhuǎn)彎時，保證全部車輪繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運動的車輪，作無滑動的純滾動運動。同時，為達到總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大的轉(zhuǎn)角。 優(yōu)化方法介紹由上述數(shù)學(xué)模型可知，轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計問題，是一個小型的約束非線性規(guī)劃問題，可用復(fù)合形法來求解，不過，由于需要大量的復(fù)雜計算，而且優(yōu)化值不能一步到達，所以很難用手工方法無法求得最優(yōu)解。現(xiàn)代計算機的廣泛靈活應(yīng)用使轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化計算變的很容易，一般只需輸入相應(yīng)參數(shù)，再做略微調(diào)整，即能得到滿意的最優(yōu)解。常用的有MATLAB程序優(yōu)化、excel比較優(yōu)化、計算機語言編程求解、還有一些專用優(yōu)化程序。MATLAB程序優(yōu)化是基于MATLAB優(yōu)化工具箱的“整體式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)”的優(yōu)化設(shè)計計算程序。利用該程序，用戶可以交互式輸入結(jié)構(gòu)基本參數(shù)即可獲得優(yōu)化計算結(jié)果，并自動繪制出實際輸出角和輸出角期望值隨輸入角的變化曲線，以便用戶分析、比較與選擇。Excel比較較優(yōu)化是利用excel強大的公式計算功能，通過表格輸入已知數(shù)據(jù)，調(diào)整后得到的數(shù)據(jù)群求得數(shù)據(jù)，再通過對這些數(shù)據(jù)反復(fù)進行比較，最終得出最優(yōu)解。計算機語言編程求解是臨時用高級語言如C語言、VB等編程，求出最優(yōu)解。雖然在許多資料中，都可以找到復(fù)合形法的計算程序框圖，但對于非專業(yè)從事編程的工程技術(shù)人員來說，要用C語言或其它高級程序語言對某一具體設(shè)計問題編程進行計算，是極為不易的。本設(shè)計采用最后一種簡單的優(yōu)化方法，利用專門的轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化軟件求解。它是一款專門用于轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化的軟件，使用方便，數(shù)據(jù)直接，只需要通過文檔框輸入基本數(shù)據(jù)，然后進行比較優(yōu)化。圖64 程序啟動界面 優(yōu)化設(shè)計計算：軸距：L=1650mm前輪距：B1=1250mm后輪距：B2=1200mm主銷偏移距：a=50mm轉(zhuǎn)向節(jié)臂：m=90mm計算可得底邊長：L2*a=1150mm由以上數(shù)據(jù)可知：底邊長：1340；兩腰長：90；前輪距：1250；軸距：1650。將上面的數(shù)據(jù)輸入程序相應(yīng)文本框。點擊“開始、下一步”按鈕。然后不斷點擊該按鈕會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向梯形底邊與頂邊差不斷增大，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角誤差平均值也不斷變化。由式311，312可知最常用的轉(zhuǎn)角在30度以內(nèi)。所以我們只需關(guān)注30度以內(nèi)的誤差值變化，當向梯形底邊與頂邊差到160和170之間時發(fā)現(xiàn)誤差平均值最小。再點擊“微進”，這時仔細觀察發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向梯形底邊與頂邊差為163左右時誤差最小，此時我們將該值附近的都帶入評價設(shè)計優(yōu)劣函數(shù)圖65 運行界面考慮到多數(shù)使用工況下轉(zhuǎn)角θo小于20176。，且10176。以內(nèi)的小轉(zhuǎn)角使用得更加頻繁，因此取：帶入程序輸出數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)初選的數(shù)據(jù)有一定偏差，最后修改了轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)臂和拉桿的長度，對轉(zhuǎn)向器的安裝位置也做了調(diào)整，最終滿足了轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計要求。7 結(jié)論在本次設(shè)計過程中，對FSAE汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了設(shè)計，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了具體的分析，包括轉(zhuǎn)向系的作用、基本構(gòu)成以及基本要求；轉(zhuǎn)向系的空間位置及結(jié)構(gòu)特點；轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，主要對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)和強度進行了分析和計算。根據(jù)賽事主辦方對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，同時參考同類汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將該車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計為一款機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，且轉(zhuǎn)向器設(shè)計為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。因為它結(jié)構(gòu)簡單，效率高，易實現(xiàn)自動調(diào)隙，轉(zhuǎn)向梯形簡單，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角大，轉(zhuǎn)向剛度高，制造成本低等。本次設(shè)計首先對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用，基本構(gòu)成和要求進行了簡略的分析，同時對轉(zhuǎn)向系的空間位置及結(jié)構(gòu)特點進行分析，確定了轉(zhuǎn)向梯形的型式，對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)做簡單的介紹。確定汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)，進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計，在這期間，借鑒了多本參考書籍，并對齒輪齒條進行強度校核此外存在一些其他的問題需要解決，比如沒有對轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙分析，沒有考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架的動干涉問題，運動部件與車身上其他部件的干涉問題等，我會在以后的學(xué)習(xí)中注意并加強這些解決問題的能力。經(jīng)過這段時間的努力，終于完成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計裝配圖如圖71。 圖71 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配圖通過本次畢業(yè)設(shè)計，使我聯(lián)系大學(xué)四年所學(xué)的理論知識，通過理論聯(lián)系實踐，使我學(xué)到了很多以前在課堂上學(xué)不到的東西，使我懂得了設(shè)計必須依賴于實際條件，特別是對于機械加工來說，設(shè)計的零件不能只注重其理論上的可行性，還得考慮到其可加工性，特別是在實際生產(chǎn)中，更得注重材料的經(jīng)濟性，加工的難易程度，這樣才能提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，從而降低了生產(chǎn)成本，對于企業(yè)來說這是很重要的。設(shè)計中我也看到了自己的不足之處，特別是由于以前接觸到的只是純理論性的東西，實際設(shè)計經(jīng)驗不足。很容易忽視一些生產(chǎn)中值得注意的問題和要求。經(jīng)過這次畢業(yè)實際之后，我學(xué)會了怎樣把大學(xué)期間所學(xué)的知識用運到產(chǎn)品設(shè)計中，也使我對以前所學(xué)的理論知識有了更深刻的理解和認識。我衷心的感謝在這四年期間給予我悉心教誨的每一位老師，特別是畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師王老師。感謝您對我的細心指導(dǎo)，使我學(xué)到了很多在以后工作中很有用的知識。我相信，這次的畢業(yè)設(shè)計是我工作前的一次很好的學(xué)習(xí)和鍛煉。參考文獻[1] （第4版）[M].北京：[2] 濮良貴、（第7版）[M].北京：高等教育出版社2001[3] （上）[M].北京：機械工業(yè)出版社2009[4] （下）[M].北京：[5] [M].北京：[6] [M].北京：機械工業(yè)出版社1992[7] [M].北京：[8] [M].北京：[9] (第3版)[M].北京：機械工業(yè)出版社2000[10] （第4版）[M].北京：[11] [M].人民交通出版社，2000[12] [M].[13] [M]. [14] （2013）致謝經(jīng)過近半個學(xué)期的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計在牛釗文老師的指導(dǎo)下得以順利完成，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。借此機會，我要向我的導(dǎo)師表示感謝！他們嚴謹細致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。同時向所有給過我?guī)椭娜酥乱陨钌畹闹x意。