轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。實(shí)驗(yàn)一:可分離式汽車轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維CAD建模分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明1、引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車變得越來(lái)越普及。汽車轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件,其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛的過(guò)程中,任何來(lái)自轉(zhuǎn)向管柱的異響、卡滯和變形過(guò)大都會(huì)給駕駛員造成很大的心理壓力,影響行車安全。轉(zhuǎn)向管柱主要包括轉(zhuǎn)向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、拉脫鎖、下柱管、下支架、旋鉚銷軸、鎖定手柄等。轉(zhuǎn)向軸總成一般是上端加工有連接花鍵,用來(lái)安裝方向盤;下端焊接有萬(wàn)向節(jié)總成,與轉(zhuǎn)向器連接,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向扭矩的傳遞。上、下柱管裝配在一起,經(jīng)過(guò)管柱支架和下支架安裝在車架上。拉脫鎖與管柱支架經(jīng)過(guò)注塑裝配在一起。它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器。同時(shí)裝有轉(zhuǎn)向柱管安全裝置和方向盤位置調(diào)節(jié)裝置,分別是用于當(dāng)轉(zhuǎn)向軸受到巨大的沖擊時(shí)產(chǎn)生軸向位移,使支架或支撐塑性變形來(lái)吸收沖擊能量,防止駕駛?cè)藛T因轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原因而受傷;以及因駕駛員身高不同,把握方向盤時(shí)要調(diào)整方向盤的高度來(lái)達(dá)到安全舒適的狀態(tài)。轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)是汽車上不可或缺的一部分,其工作可靠性直接影響行駛安全。本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)機(jī)械原理,參考大眾新桑塔納轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)。并運(yùn)用本課程所學(xué)的知識(shí),基于UG建模軟件對(duì)轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,然后運(yùn)用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析以及動(dòng)畫制作,對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析,終完成本轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)。2、可分離式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與參數(shù)計(jì)算(1)設(shè)計(jì)方案根據(jù)網(wǎng)上查找的資料,轉(zhuǎn)向吸能裝置的設(shè)計(jì)方案一般有如下幾種:可分離式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。此類轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱分為上下兩段,當(dāng)發(fā)生撞車時(shí),上下兩段相互分離或相互滑動(dòng),從而有效地防止轉(zhuǎn)向盤對(duì)駕駛員的傷害,但轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)本身并不包含吸能裝置。網(wǎng)格管、波紋管變形吸能式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示。其轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向管柱都分成兩段,上轉(zhuǎn)向軸和下轉(zhuǎn)向軸之間經(jīng)過(guò)細(xì)花鍵結(jié)合并傳遞轉(zhuǎn)向力矩,同時(shí)它們二者之間能夠作軸向伸縮滑動(dòng)。在下轉(zhuǎn)向軸的外邊裝有波紋管,它在受到壓縮時(shí)能軸向收縮變形并消耗沖擊能量。它的下轉(zhuǎn)向管柱的上端套在上轉(zhuǎn)向管柱里面,但二者不直接連接,而是經(jīng)過(guò)管柱壓圈和限位塊分別對(duì)它們進(jìn)行定位。當(dāng)汽車撞車時(shí),下轉(zhuǎn)向管柱向上移動(dòng),在第一次沖擊力的作用下限位塊首先被剪斷并消耗能量,與此同時(shí)轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸都作軸向收縮。當(dāng)受到第二次沖擊時(shí),上轉(zhuǎn)向軸下移,壓縮波紋管使之收縮變形并消耗沖擊能量。鋼球滾壓變形式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.3所示。其結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)向管柱上下兩段,上轉(zhuǎn)向管柱比下轉(zhuǎn)向管柱稍細(xì),可套在下轉(zhuǎn)向管柱的內(nèi)孔里,二者之間壓入帶有塑料隔圈的鋼球。隔圈圈起鋼球保持架的作用,鋼球與上下轉(zhuǎn)向管柱壓緊并使之結(jié)合在一起。在撞車時(shí),上下管柱在軸向相對(duì)移動(dòng),這時(shí)鋼球邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊在上下轉(zhuǎn)向管柱的壁上壓出溝槽,從而消耗了沖擊能量。④支架變形緩沖式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.4所示。發(fā)生碰撞時(shí),轉(zhuǎn)向器向后移動(dòng),下轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸插入上轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的孔中,上轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸被壓扁,吸收了沖擊能量。另外,轉(zhuǎn)向管柱經(jīng)過(guò)支架和U形金屬板固定在儀表板上。當(dāng)駕駛員身體撞擊轉(zhuǎn)向盤后,轉(zhuǎn)向管柱和支架將從儀表板上脫離下來(lái)向前移動(dòng)。這時(shí),一端固定在儀表板上而另一端固定在支架上的U形金屬板就會(huì)產(chǎn)生扭曲變形并吸收沖擊能量。圖2.1圖2.2圖2.3圖2.4設(shè)計(jì)要求根據(jù)汽車駕駛的要求,汽車轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)有如下設(shè)計(jì)要求:操縱輕便,轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與汽車行駛方向的改變相一致。按照《防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的規(guī)定》的試驗(yàn)程序,人體模塊以24.1km/h—25.3km/h的相對(duì)速度撞擊轉(zhuǎn)向操縱裝置時(shí),轉(zhuǎn)向操縱裝置作用在人體模塊上的水平力不得超過(guò)11123N。轉(zhuǎn)向操縱裝置面向駕駛員側(cè)能被直徑為165mm球體接觸的部分應(yīng)平滑,尖角或凸起部位的圓角半徑不得小于2.5mm。壓縮行程:轉(zhuǎn)向柱及中間軸的可壓縮行程150mm以上;轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)煩人最小臨界壓力:1.1—2.5kN;轉(zhuǎn)向柱斷開(kāi)聯(lián)接盒分離力:聯(lián)接盒每個(gè)注塑銷的破壞力為500N,轉(zhuǎn)向柱上每個(gè)可斷裂聯(lián)接盒一般有2—4個(gè)注塑銷;除了保證規(guī)定的軸向壓縮力外,還要足夠的抗彎強(qiáng)度,以提高軸向吸能效果;壓縮吸能部分上下端有一定的強(qiáng)度和剛度差異,保證壓縮吸能力的傳遞根據(jù)設(shè)計(jì)要求,綜合考慮其它因素,參考上訴第一種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。把汽車轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)主要分成三部分:一部分機(jī)構(gòu)為方向盤機(jī)構(gòu),主要由骨架等組成,經(jīng)過(guò)矩形細(xì)花鍵與轉(zhuǎn)向軸上端相連,并用螺母軸向固定限位;另一部分的機(jī)構(gòu)為上轉(zhuǎn)向軸,從轉(zhuǎn)向管柱中穿過(guò)并經(jīng)過(guò)支撐軸承和上端軸承支撐在轉(zhuǎn)向管柱中,轉(zhuǎn)向軸上下端用彈性擋圈軸向限位;另一部分為轉(zhuǎn)向柱管,用支架固定在駕駛室的前圍板上,轉(zhuǎn)向柱管上裝有組合開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)等部件。本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用可分離式緩沖吸能機(jī)構(gòu),動(dòng)力機(jī)構(gòu)參照實(shí)際汽車的轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)為動(dòng)力部分,簡(jiǎn)化為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到汽車轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)完整的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.5所示:圖2.5汽車轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖該機(jī)構(gòu)的參數(shù)如下:Dab=385mm,Lcd=836mm,Lef=457mm,Lgh=319mm。此機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于極位,且同時(shí)處于死點(diǎn)鎖死位置;動(dòng)力機(jī)構(gòu)(即方向盤機(jī)構(gòu)AB)是轉(zhuǎn)向動(dòng)力機(jī)構(gòu),且傳動(dòng)過(guò)程中無(wú)死點(diǎn)。計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度:F=3*6-2*8-1=1。方向盤為主動(dòng)件時(shí),已知自由度為1,因此,該機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。3、可分離式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證將裝配好的轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)模型從UG中導(dǎo)出為.xmt格式,之后將其導(dǎo)入到Adams軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。添加好各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)副,將方向盤分別設(shè)置為驅(qū)動(dòng),輔以STEP(TIME......)時(shí)間函數(shù),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向盤調(diào)節(jié)動(dòng)作。圖3.1導(dǎo)入U(xiǎn)G中導(dǎo)出的.xmt文件圖3.2加載約束模型圖3.3模型自由度驗(yàn)證模型4、可分離式機(jī)構(gòu)三維CAD建模設(shè)計(jì)與分析(1)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)起初設(shè)計(jì)為波紋管式轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu),之后不易對(duì)其進(jìn)行仿真,因此改為可分離式轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為上下兩軸的連接傳動(dòng),其中上轉(zhuǎn)向軸長(zhǎng)度為823mm,下轉(zhuǎn)向軸長(zhǎng)度為460mm,且滿足轉(zhuǎn)向軸條件。轉(zhuǎn)向軸主要的尺寸為直徑為35mm,轉(zhuǎn)向管柱最大直徑為95mm。圖4.1為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)三維模型圖。圖4.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型(2)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)動(dòng)力機(jī)構(gòu)為方向盤機(jī)構(gòu)及手柄的調(diào)節(jié)裝置,其中方向盤最大直徑為385mm,方向盤調(diào)節(jié)裝置的滑槽長(zhǎng)度為80mm,能夠?qū)Ψ较虮P進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié),手柄的調(diào)節(jié)角度為30°。方向盤與轉(zhuǎn)向軸連接成轉(zhuǎn)動(dòng)副。動(dòng)力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖如圖4.3和圖4.4所示。圖4.2動(dòng)力機(jī)構(gòu)三維建模圖4.3波紋管式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維建模圖4.4可分離式轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)三維建模5、可分離式機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析與仿真(1)運(yùn)動(dòng)分析將轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中,對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行約束,然后動(dòng)畫仿真分析,仿真結(jié)果分別如圖5.2、5.3和5.4所示.圖5.1轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)前后調(diào)節(jié)圖5.2轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)前后調(diào)節(jié)圖5.3分離式緩沖吸能該機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件為方向盤,經(jīng)過(guò)給方向盤施加一個(gè)與水平面成30°角的力,在動(dòng)力機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生傳遞,作用于傳動(dòng)機(jī)構(gòu),使轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)上下轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行分離。由之前的方案確定知道該轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì),現(xiàn)在對(duì)該轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。在方向盤與地面之間添加單向力為11000N,設(shè)置的仿真時(shí)間為5s,仿真過(guò)程中上轉(zhuǎn)向軸的位移、速度、加速度分別如圖5.4、圖5.5、圖5.6所示。圖5.4上轉(zhuǎn)向軸位移圖5.5上轉(zhuǎn)向軸速度圖5.6上轉(zhuǎn)向軸加速度由圖5.4、圖5.5和圖5.6可知,上轉(zhuǎn)向軸下滑動(dòng),位移為H=135mm,且加速度突變,減少了對(duì)人體的剛性沖擊。該機(jī)構(gòu)從動(dòng)件為下轉(zhuǎn)向軸,下轉(zhuǎn)向軸的速度如圖5.7所示。圖5.7下轉(zhuǎn)向軸位移從動(dòng)件下轉(zhuǎn)向軸的速度如圖5.8所示。圖5.8下轉(zhuǎn)向軸速度曲線由圖5.7、圖5.8可知,從動(dòng)件下轉(zhuǎn)向軸向下運(yùn)動(dòng),且加速度無(wú)突變,為上轉(zhuǎn)向軸的滑動(dòng)提供了空間。(2)靜力分析(不計(jì)重力)汽車共有1個(gè)轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu),查資料知中型汽車對(duì)人體的沖擊力不能超過(guò)11123N,上下轉(zhuǎn)向軸之間阻力不得超過(guò)500N。在ADAMS中對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行修改,將重力設(shè)置為0。將初始給方向盤的力為11000N施加在方向盤質(zhì)心上,運(yùn)動(dòng)仿真得傳動(dòng)件上轉(zhuǎn)向軸的動(dòng)能如圖5.9所示. 圖5.9傳動(dòng)件上轉(zhuǎn)向軸的動(dòng)能上下轉(zhuǎn)向軸之間連接螺栓的摩擦曲線如圖5.10所示:圖5.10連接處的摩擦上下轉(zhuǎn)向軸之間連接處的軸套力如圖5.11所示:圖5.11連接處的力曲線由上述仿真圖可知構(gòu)件上轉(zhuǎn)向軸做向下滑動(dòng)吸收沖擊的能量,符合轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)防傷功能,且從動(dòng)件受較大的力,可是主動(dòng)件需要施加的力合理,才能有利于控制;固定連接處的螺栓受到的力有集中突變,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要加以注意。(3)吸能檢驗(yàn)把汽車轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的上轉(zhuǎn)向軸加入平移驅(qū)動(dòng),上下轉(zhuǎn)向軸之間連接處摩擦,所有約束加載以后測(cè)量轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)在沖擊力作用吸收能量的曲線。利用ADAMS軟件進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖5.12所示:圖5.12轉(zhuǎn)向軸吸能能量吸收式轉(zhuǎn)向柱除了要保證汽車正常行駛時(shí)的傳遞轉(zhuǎn)向扭矩外,當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞,碰撞力達(dá)到一定值時(shí),轉(zhuǎn)向軸能夠伸長(zhǎng)、壓縮、彎曲或斷開(kāi)以消除轉(zhuǎn)向齒輪的后移影響,達(dá)到隔絕首次碰撞影響的目的,滿足傳動(dòng)條件。6、可分離式機(jī)構(gòu)主要零件加工工藝與建模方法分析上轉(zhuǎn)向軸、下轉(zhuǎn)向軸的三維模型圖分別如圖6.1、6.2所示。圖6.1上轉(zhuǎn)向軸圖6.2下轉(zhuǎn)向軸圖6.3轉(zhuǎn)向軸裝配圖1.主要加工工藝(1)尺寸精度

軸頸是軸類零件的主要表面,它影響軸的回轉(zhuǎn)精度及工作狀態(tài)。軸頸的直徑精度根據(jù)其使用要求一般為IT6～9,精密軸頸可達(dá)IT5。(2)幾何形狀精度軸頸的幾何形狀精度(圓度、圓柱度),一般應(yīng)限制在直徑公差點(diǎn)范圍內(nèi)。對(duì)幾何形狀精度要求較高時(shí),可在零件圖上另行規(guī)定其允許的公差。(3)位置精度主要是指裝配傳動(dòng)件的配合軸頸相對(duì)于裝配軸承的支承軸頸的同軸度,一般是用配合軸頸對(duì)支承軸頸的徑向圓跳動(dòng)來(lái)表示的;根據(jù)使用要求,規(guī)定高精度軸為0.001～0.005mm,而一般精度軸為0.01～0.03mm。另外還有內(nèi)外圓柱面的同軸度和軸向定位端面與軸心線的垂直度要求等。(4)表面粗糙度

根據(jù)零件的表面工作部位的不同,可有不同的表面粗糙度值,例如普通機(jī)床主軸支承軸頸的表面粗糙度為Ra0.16～0.63um,配合軸頸的表面粗糙度為Ra0.63～2.5um,隨著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的增大和精密程度的提高,軸類零件表面粗糙度值要求也將越來(lái)越小。(5)加工工藝一般軸類零件常見(jiàn)45鋼,根據(jù)不同的工作條件采用不同的熱處理規(guī)范(如正火、調(diào)質(zhì)、淬火等),以獲得一定的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。對(duì)中等精度而轉(zhuǎn)速較高的軸類零件,可選用40Cr等合金鋼。這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火處理后,具有較高的綜合力學(xué)件能。2.建模方法分析先進(jìn)入草圖界面畫出所需草圖,再進(jìn)行拉伸到所需長(zhǎng)度,選擇合適的平面進(jìn)行下一個(gè)草圖的繪制,繪制曲線過(guò)程中需要準(zhǔn)的位置及尺寸數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)拉伸、回轉(zhuǎn)得到初步的圖形,之后對(duì)實(shí)體棱邊進(jìn)行倒圓角、CSG求和求差等操作,彎曲部分采用掃掠方法得到實(shí)體幾何圖形,對(duì)連接部位的孔進(jìn)行螺紋操作。裝配時(shí)用對(duì)齊、接觸等方法對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行裝配,確保其有相一致的中心線、接觸面等。可是三維建模也有缺陷,不能賦予材料屬性等各種其它重要屬性,精度、尺寸要求都沒(méi)有導(dǎo)入到實(shí)體幾何中等。7、可分離式轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)安全性和輕便性優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要步驟第一,確定轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性能指標(biāo);第二,建立操作機(jī)構(gòu)多體模型,計(jì)算轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件主要尺寸數(shù)據(jù);第三,建立適合于轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的有限元初始設(shè)計(jì)域;第四,建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型;第五,迭代求解;第六,獲得轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。根據(jù)優(yōu)化的數(shù)模進(jìn)行實(shí)際制作試驗(yàn)件,驗(yàn)證是否滿足各項(xiàng)性能要求,及與優(yōu)化之前對(duì)比主要的性能、尺寸的各項(xiàng)參數(shù)的變化,對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中的有利之處等。