CN106874619A - 一种汽车转向轮前束变化确定方法 - Google Patents

一种汽车转向轮前束变化确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽车转向轮前束变化确定方法，该方法包括如下步骤：步骤一、建立转向系统结构模型；转向系统包括转向拉杆和转向节，转向拉杆与转向节连接；步骤二、建立满载工况转向拉杆‑转向节几何模型；即所述转向系统的所述转向拉杆至所述转向节传动段；步骤三、建立减载工况转向拉杆‑转向节几何模型图；在满载工况的基础上，调整车架高度，模拟转向拉杆‑转向节运动规律，根据画法几何投影理论，建立减载工况转向拉杆‑转向节几何模型图；步骤四、确定转向轮前束变化，通过测量载荷变化前后转向节的转动角度获得。利用本发明分析转向轮前束变化更具有直观性，且效率高、精度高；利用画法几何方法有利于提高分析结果正确性，提高分析效率。

Description

一种汽车转向轮前束变化确定方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种汽车转向轮前束变化确定方法。
背景技术
汽车转向轮前束的变化直接影响车辆的操纵稳定性和舒适性，也影响车辆在弯道中的行驶特性。在汽车的实际开发过程中，为满足车辆操纵稳定性的要求，势必需确认汽车转向轮前束的变化，目前可通过作图法、函数法、CAE软件法等方法进行汽车转向轮前束变化的确定。作图法是根据画法几何理论在图纸上模拟载荷变化、前束变化，其直观性强，但是精度差，效率低。函数法是建立转向轮前束计算的数学模型，代入初始条件计算。此方法精度高，但是建模费时，效率低，易出错。CAE软件法是利用CAE软件代入初始条件进行自动计算。此方法精度高，但是学习CAE软件费时，直观性差，易出错。
发明内容
为更好的确定汽车转向轮前束变化，避免目前常用方法的弊端，本发明公开了一种汽车转向轮前束变化确定方法。
一种汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，所述方法包括如下如下步骤：
步骤一、建立转向系统结构模型；
利用绘图工具按照比例绘制转向系统结构模型，设计并表达转向系统零件几何形状、尺寸、位置和相互连接关系；所述转向系统包括转向拉杆和转向节，所述转向拉杆与所述转向节连接；
步骤二、建立满载工况转向拉杆‐转向节几何模型；
在转向系统结构模型基础上绘制满载工况下转向拉杆‐转向节投影三视图，反映所述转向拉杆与所述转向节之间几何连接关系，即所述转向系统的所述转向拉杆至所述转向节传动段；
步骤三、建立减载工况转向拉杆‐转向节几何模型图；
在满载工况的基础上，调整车架高度，模拟转向拉杆‐转向节运动规律，根据画法几何投影理论，建立减载工况转向拉杆‐转向节几何模型图；
步骤四、确定转向轮前束变化；
在转向系统载荷改变时，转向拉杆‐转向节的几何模型发生改变，通过测量所述转向系统载荷变化前后转向节的转动角度获得转向轮前束变化。
进一步地，在所述步骤一中，所述绘图工具为AutoCAD软件。
进一步地，在所述步骤二中，在采用AutoCAD软件建立转向系统平面模型后，结合画法几何理论，模拟载荷变化时转向拉杆‐转向节传动段运动规律。
进一步地，所述转向系统包括方向盘传动管柱、管柱锁紧螺母、方向盘托架、方向盘、方向盘管柱、花键转换器、方向机、方向机齿条拉杆、转向摇臂支架、球销、右转向节摇臂、右转向拉杆、右转向节、转向横拉杆、左转向节、左转向拉杆、左转向节摇臂；
所述方向盘安装在所述方向盘管柱端部，所述方向盘管柱连接在所述方向盘托架上；
所述方向盘托架通过所述管柱锁紧螺母与所述方向盘传动管柱一端相连，所述方向盘传动管柱另一端通过所述管柱锁紧螺母与所述花键转换器相连；
所述花键转换器通过所述方向机与所述方向机齿条拉杆相连，所述方向机齿条拉杆通过所述球销与所述右转向节摇臂连接；
所述转向横拉杆两端通过所述球销分别与所述右转向节摇臂和所述左转向节摇臂连接，所述右转向节摇臂和所述左转向节摇臂分别安装在所述转向摇臂支架上，并可围绕所述转向摇臂支架转动，所述方向机齿条拉杆能带动所述右转向节摇臂和所述左转向节摇臂一起旋转；
所述转向横拉杆的两端通过所述球销分别与所述右转向拉杆和所述左转向拉杆连接，所述右转向拉杆与所述右转向节通过所述球销连接，所述左转向拉杆与所述左转向节通过所述球销连接，汽车具有左、右转向轮，所述左、右转向轮对称设置，所述右转向节和所述左转向节分别与右转向轮和左转向轮连接；
当所述方向机齿条拉杆带动所述右转向节摇臂转动时，所述转向横拉杆带动所述右转向拉杆和所述左转向拉杆转动，所述右转向拉杆带动所述右转向节和所述右转向轮一起转动，所述左转向拉杆带动所述左转向节和所述左转向轮一起转动；
所述左、右转向轮在回转中心分别具有主销轴线，在所述左、右转向轮转向时，所述左、右转向轮以各自的所述主销轴线为轴线向左、右转动；
所述转向轮前束为所述左、右转向轮之间的夹角，所述左、右转向拉杆外端球销中心运动导致所述左、右转向轮之间夹角改变，所述左、右转向轮之间夹角的变化可体现所述转向轮前束的变化。
进一步地，建立满载或减载工况下右转向拉杆‐右转向节几何模型图，在所述转向系统载荷改变时，测量所述右转向节载荷变化前后的转动角度。
进一步地，所述转向轮前束变化为2倍所述右转向节的转动角度。本发明的有益效果：
本发明采用AutoCAD软件建立转向系统结构模型，结合画法几何理论，模拟载荷变化时转向拉杆‐转向节传动段运动规律，为转向轮前束变化角的确定奠定基础；本发明提出了确定载荷变化时转向轮前束变化角度的方法，载荷变化前右转向节与变化后右转向节之夹角为右转向轮前束变化角，加上与之对称的左转向轮前束变化角即为转向轮前束变化角。
采用AutoCAD建立平面模型的方法，分析转向轮前束变化更具有直观性，且效率高、精度高；利用画法几何方法有利于提高分析结果正确性，提高分析效率。
附图说明
图1为本发明实施例中汽车转向系统结构主视图；
图2为本发明实施例中汽车转向系统结构左视图；
图3为本发明实施例中汽车转向系统结构俯视图；
图4为本发明满载工况右转向拉杆‐转向节几何模型主视图；
图5为本发明满载工况右转向拉杆‐转向节几何模型左视图；
图6为本发明满载工况右转向拉杆‐转向节几何模型俯视图；
图7为本发明减载工况右转向拉杆‐转向节几何模型主视图；
图8为本发明减载工况右转向拉杆‐转向节几何模型左视图；
图9为本发明减载工况右转向拉杆‐转向节几何模型俯视图。
其中：
1‐方向盘传动管柱、2‐管柱锁紧螺母、3‐方向盘托架、4‐方向盘、5‐锁芯、6‐方向盘管柱壳、7-方向盘管柱、8-花键转换器、9-方向机、10-方向机齿条拉杆、11-转向摇臂支架、12-球销、13-右转向节摇臂、14-右转向拉杆、15-右转向节、16-转向横拉杆、17-左转向节、18-左转向拉杆、19-左转向节摇臂、20-主销轴线。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了一种汽车转向轮前束变化确定方法，该方法通过建立转向系统结构模型，模拟载荷变化，确定转向轮前束变化角度。该方法包括如下步骤：
1、建立转向系统结构模型
根据三视图理论、转向系统的功能和性能要求，利用AutoCAD等绘图工具按照比例绘制待测定的转向系统CAD模型，设计并表达转向系统零件几何形状、尺寸、位置和相互连接关系。
图1至图3示出了一种汽车转向系统结构，该转向系统包括方向盘传动管柱1、管柱锁紧螺母2、方向盘托架3、方向盘4、锁芯5、方向盘管柱壳6、方向盘管柱7、花键转换器8、方向机9、方向机齿条拉杆10、转向摇臂支架11、球销12、右转向节摇臂13、右转向拉杆14、右转向节15、转向横拉杆16、左转向节17、左转向拉杆18、左转向节摇臂19。
方向盘4安装在方向盘管柱7端部，方向盘管柱7螺纹连接在方向盘托架3上，锁芯5安装在方向盘管柱7上，可固定控制方向盘管柱7防止其动作，方向盘管柱壳6包覆在方向盘管柱7外侧，对方向盘管柱7起保护作用。
方向盘托架3通过管柱锁紧螺母2与方向盘传动管柱1一端相连，方向盘传动管柱1另一端通过管柱锁紧螺母2与花键转换器8相连。
花键转换器8通过方向机9与方向机齿条拉杆10相连，方向机齿条拉杆10通过球销12与右转向节摇臂13连接。转向横拉杆16两端通过球销12分别与右转向节摇臂13和左转向节摇臂19连接，右转向节摇臂13和左转向节摇臂19分别安装在转向摇臂支架11上，并可围绕转向摇臂支架11转动，转向摇臂支架11固定连接在车架上，方向机齿条拉杆10能带动右转向节摇臂13和左转向节摇臂19一起旋转。
转向横拉杆16的两端通过球销12分别与右转向拉杆14和左转向拉杆18连接，右转向拉杆14与右转向节15通过球销12连接，左转向拉杆18与左转向节17通过球销12连接。汽车具有左、右转向轮，左、右转向轮对称设置，右转向节15和左转向节17分别与右转向轮和左转向轮连接。当方向机齿条拉杆10带动右转向节摇臂13转动时，转向横拉杆16带动右转向拉杆14和左转向拉杆18转动，右转向拉杆14带动右转向节15和右转向轮一起转动，左转向拉杆18带动左转向节17和左转向轮一起转动。
左、右转向轮在回转中心分别具有主销，主销可以是虚拟销轴，主销具有主销轴线20(见图2)，在左、右转向轮转向时，左、右转向轮以各自的主销轴线20为轴线向左、右转动。
上述转向系统的工作过程如下：转向系统通过驾驶员手驱动方向盘4做圆周运动输入功率和扭矩，方向盘4通过方向盘管柱7将运动和扭矩传递给方向盘传动管柱1，方向盘传动管柱1通过花键转换器8和方向机9将运动和扭矩传递给方向机齿条拉杆10，方向机齿条拉杆10将运动和扭矩传递给右转向节摇臂13，右转向节摇臂13通过球销12将运动和扭矩传递给转向横拉杆16，转向横拉杆16通过球销12将运动和扭矩同时传递给右转向拉杆14和左转向拉杆18，右转向拉杆14最后通过球销12将运动和扭矩传递给右转向节15及右转向轮，左转向拉杆18最后通过球销12将运动和扭矩传递给左转向节17及左转向轮，左、右转向轮同时运动实现汽车转向。
随着汽车载荷从空载开始增加，转向系统传动链从方向盘4到左转向拉杆18内端球销中心和右转向拉杆14内端球销中心距离地面的高度随着车架同步变化，而左转向拉杆18外端球销中心和右转向拉杆14外端球销中心距离地面的高度由转向轮决定，左转向拉杆18和右转向拉杆14内外端球销中心运动不一致导致左转向拉杆18和右转向拉杆14倾斜，从而驱动左转向拉杆18的外端球销中心和右转向拉杆14的外端球销中心绕主销轴线20转动。转向轮前束为左、右转向轮之间的夹角，左、右转向拉杆外端球销中心运动导致左、右转向轮之间夹角改变，左、右转向轮之间夹角的变化可体现转向轮前束的变化。
左转向拉杆18的外端球销中心和右转向拉杆14的外端球销中心绕主销轴线20转动量不仅决定于载荷变化时车架距地面高度变化，还决定于转向轮内倾角和轮距的变化，以及转向拉杆和转向节的尺寸及位置。
2、建立满载工况转向拉杆-转向节几何模型
由于左、右转向轮为对称结构，且左、右转向轮分别与左、右转向节一起转动，本例仅通过右转向拉杆-右转向节几何模型说明汽车满载工况下转向轮前束变化。
根据前述结构模型图1至图3所示的尺寸和投影理论进行投影，绘制投影三视图，反映右转向拉杆14与右转向节15之间几何连接关系，即转向系统右转向拉杆14至右转向节15传动段。A点表示右转向拉杆14内端球销中心，B点表示右转向拉杆14外端球销中心，P点表示右转向轮中心线与右转向轮主销中心线交点，l1表示右转向轮主销中心线，BP线(l2)表示右转向节，用AB线(l3)表示右转向拉杆。
如图4至图6所示，图中x,y,z为坐标轴,坐标原点为O，箭头所指为正方向。A1、A2、A3分别为A点在主视图、俯视图和左视图中的投影点。B1、B2、B3分别为B点在主视图、俯视图和左视图中的投影点。P1、P2、P3分别为P点在主视图、俯视图和左视图中的投影点。
图4至图6所示为满载直行工况，载荷不变，转向角为0°，A、B、C三个点位置不改变。由于转向轮与转向节为刚性整体，转向轮前束与转向节l2相对位置不会改变，此工况对应右转向轮前束为定值(通常为0°)。
3、建立减载工况转向拉杆-转向节几何模型图
在图4至图6所示满载工况的基础上，调整车架高度Δz(mm)，模拟转向拉杆-转向节运动规律，根据画法几何投影理论，建立减载工况右转向拉杆-右转向节几何模型图，如图7至图8所示，α为主销后倾角，顺时针为正；β为主销内倾角，顺时针为正；Δβ为主销内倾角变化，顺时针为正；Δs为轮距变化之半，轮距增加为正。
4、确定转向轮前束变化
在转向系统载荷改变时，转向拉杆-转向节的几何模型发生改变，由于左、右转向轮为对称结构，通过测量右转向节或左转向节的转动角度可知转向轮前束变化。如在图9上测量减载后右转向节P21B21与减载前右转向节P2B2夹角Δγ，即为减载工况右转向轮前束变化，缩小为正。由于转向轮左右对称，前束变化为2Δγ(°)。
下面通过汽车转向轮前束变化计算案例来进一步说明本发明的技术方案。表1中，坐标系如图4至图6所示，XA、YA和ZA分别为载荷变化前A点在坐标系中x、y和z坐标，XB、YB和ZB分别为载荷变化前B点在坐标系中x、y和z坐标，XP、YP和ZP分别为载荷变化前P点在坐标系中x、y和z坐标。如图7至图9所示，XA’、YA’和ZA’分别为载荷变化后A’点在坐标系中x、y和z坐标，XB’、YB’和ZB’分别为载荷变化后B’点在坐标系中x、y和z坐标，XP’、YP’和ZP’分别为载荷变化后P’点在坐标系中x、y和z坐标。
通过改变车架高度Δz展示汽车转向轮在满载、负载情况下前束变化，表1中方案一记录了车架高度Δz为50.00mm满载情况下各参数测量值，通过测量可知前束变化为2Δγ(°)＝2×(0.44°)＝0.88°；方案二记录了车架高度Δz为-50.00mm负载情况下各参数测量值，通过测量可知前束变化为2Δγ(°)＝2×(-0.78°)＝-1.56°。由此可见，由本方法获得的前束变化更直观，且精度高，也提高了分析效率。
表1汽车转向轮前束变化计算方案与结果
上述汽车转向轮前束变化确定方法可应用在汽车转向系统设计和其他机械系统设计的运动分析中。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，所述方法包括如下如下步骤：
步骤一、建立转向系统结构模型；
利用绘图工具按照比例绘制转向系统结构模型，设计并表达转向系统零件几何形状、尺寸、位置和相互连接关系；所述转向系统包括转向拉杆和转向节，所述转向拉杆与所述转向节连接；
步骤二、建立满载工况转向拉杆-转向节几何模型；
在转向系统结构模型基础上绘制满载工况下转向拉杆-转向节投影三视图，反映所述转向拉杆与所述转向节之间几何连接关系，即所述转向系统的所述转向拉杆至所述转向节传动段；
步骤三、建立减载工况转向拉杆-转向节几何模型图；
在满载工况的基础上，调整车架高度，模拟转向拉杆-转向节运动规律，根据画法几何投影理论，建立减载工况转向拉杆-转向节几何模型图；
步骤四、确定转向轮前束变化；
在转向系统载荷改变时，转向拉杆-转向节的几何模型发生改变，通过测量所述转向系统载荷变化前后转向节的转动角度获得转向轮前束变化。
2.根据权利要求1所述的汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述绘图工具为AutoCAD软件。
3.根据权利要求2所述的汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，在所述步骤二中，在采用AutoCAD软件建立转向系统平面模型后，结合画法几何理论，模拟载荷变化时转向拉杆-转向节传动段运动规律。
4.根据权利要求1所述的汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，所述转向系统包括方向盘传动管柱(1)、管柱锁紧螺母(2)、方向盘托架(3)、方向盘(4)、方向盘管柱(7)、花键转换器(8)、方向机(9)、方向机齿条拉杆(10)、转向摇臂支架(11)、球销(12)、右转向节摇臂(13)、右转向拉杆(14)、右转向节(15)、转向横拉杆(16)、左转向节(17)、左转向拉杆(18)、左转向节摇臂(19)；
所述方向盘(4)安装在所述方向盘管柱(7)端部，所述方向盘管柱(7)连接在所述方向盘托架(3)上；
所述方向盘托架(3)通过所述管柱锁紧螺母(2)与所述方向盘传动管柱(1)一端相连，所述方向盘传动管柱(1)另一端通过所述管柱锁紧螺母(2)与所述花键转换器(8)相连；
所述花键转换器(8)通过所述方向机(9)与所述方向机齿条拉杆(10)相连，所述方向机齿条拉杆(10)通过所述球销(12)与所述右转向节摇臂(13)连接；
所述转向横拉杆(16)两端通过所述球销(12)分别与所述右转向节摇臂(13)和所述左转向节摇臂(19)连接，所述右转向节摇臂(13)和所述左转向节摇臂(19)分别安装在所述转向摇臂支架(11)上，并可围绕所述转向摇臂支架(11)转动，所述方向机齿条拉杆(10)能带动所述右转向节摇臂(13)和所述左转向节摇臂(19)一起旋转；
所述转向横拉杆(16)的两端通过所述球销(12)分别与所述右转向拉杆(14)和所述左转向拉杆(18)连接，所述右转向拉杆(14)与所述右转向节(15)通过所述球销(12)连接，所述左转向拉杆(18)与所述左转向节(17)通过所述球销(12)连接，汽车具有左、右转向轮，所述左、右转向轮对称设置，所述右转向节(15)和所述左转向节(17)分别与右转向轮和左转向轮连接；
当所述方向机齿条拉杆(10)带动所述右转向节摇臂(13)转动时，所述转向横拉杆(16)带动所述右转向拉杆(14)和所述左转向拉杆(18)转动，所述右转向拉杆(14)带动所述右转向节(15)和所述右转向轮一起转动，所述左转向拉杆(18)带动所述左转向节(17)和所述左转向轮一起转动；
所述左、右转向轮在回转中心分别具有主销轴线(20)，在所述左、右转向轮转向时，所述左、右转向轮以各自的所述主销轴线(20)为轴线向左、右转动；
所述转向轮前束为所述左、右转向轮之间的夹角，所述左、右转向拉杆外端球销中心运动导致所述左、右转向轮之间夹角改变，所述左、右转向轮之间夹角的变化可体现所述转向轮前束的变化。
5.根据权利要求4所述的汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，建立满载或减载工况下右转向拉杆-右转向节几何模型图，在所述转向系统载荷改变时，测量所述右转向节载荷变化前后的转动角度。
6.根据权利要求5所述的汽车转向轮前束变化确定方法，其特征在于，所述转向轮前束变化为2倍所述右转向节的转动角度。
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