基于MATLAB的斷開式轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上華 北 水 利 水 電 大 學(xué)汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：乘用車整車設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)型梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)： 姓 名： 劉鵬飛 指導(dǎo)教師： 郭 朋 彥 設(shè)計(jì)期限： 2014年12 月 29日開始2015年 1 月9日結(jié)束機(jī)械學(xué)院2014年12月26日一設(shè)計(jì)的目的和意義課程設(shè)計(jì)題目乘用車整車設(shè)計(jì)是針對(duì)2011級(jí)汽車方向汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)而設(shè)置的。設(shè)置本選題具有以下的目的和意義：1.通過對(duì)輕型乘用車的設(shè)計(jì)，可以使我們的理論知識(shí)更扎實(shí)，加深我們對(duì)于汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、汽車設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)使我們學(xué)到的理論知識(shí)得以應(yīng)用。2.在設(shè)計(jì)的

2、過程中，需要對(duì)參考車型的零部件進(jìn)行了解、分析、設(shè)計(jì)、建模與裝配、驗(yàn)證等這個(gè)過程，可以使我們了解產(chǎn)品的研發(fā)過程，位我們步入工作崗位，快速適應(yīng)工作打下良好的基礎(chǔ)。3.本次設(shè)計(jì)運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA、UG、Pro-E、Solidworks、Solidedge進(jìn)行建模和仿真，使我們有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)和應(yīng)用目前三維軟件領(lǐng)域最為領(lǐng)先的軟件的具體操作，了解行業(yè)最前沿，同時(shí)使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。二、設(shè)計(jì)參數(shù)1. ：11.8s；2. ：5.3m；3. ：1457kg；4. ：1940kg；5. ：190km/h；6.外形尺寸（長(zhǎng)X寬X高）：4850mmX 1795mmX 1475m

3、m；7 ：2775mm；8前輪距：1560mm；9后輪距：1560mm；10. ：135mm；11. ：506L；12. ：70L；13：前置前驅(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)橫置；14：多點(diǎn)電噴；15發(fā)動(dòng)機(jī)排量、燃油、： 2000mL、汽油 93號(hào)(北京92號(hào))、L型、自然吸氣式；16壓縮比、：10:1、國(guó)4、鋁合金；17. 最大功率/轉(zhuǎn)速：100kW/ 5600r/min(rpm)；18.最大扭矩/轉(zhuǎn)速：190Nm/ 4400r/min(rpm)；19.百公里油耗：市區(qū)工況：9.4L，綜合工況：7.8L，市郊工況：6.1L；20. ：電子液壓；21. 、手剎類型：通風(fēng)盤、盤式、機(jī)械駐車制動(dòng)；22制動(dòng)距離（(10

4、00km/h)）：42.27m；23、前麥弗遜式獨(dú)立懸架；24.：后多連桿式獨(dú)立懸架；25輪胎規(guī)格：205/65 R16。三課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1.分組進(jìn)行、每組課設(shè)內(nèi)容不相同：依據(jù)總體設(shè)計(jì)、離合器設(shè)計(jì)、變速器設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋（前橋）、前麥弗遜式懸架設(shè)計(jì)、后多連桿式懸架設(shè)計(jì)、制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分成9組進(jìn)行，要求各組分別進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)和三維建模，并獨(dú)立設(shè)計(jì)出各自的內(nèi)容，最后能夠形成完整的裝配圖。2.各組的設(shè)計(jì)包括以下幾部分：（1）各總成組成部分的形式分析，參數(shù)選擇；（2）各總成組成部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。（3）各總成組成零部件三維實(shí)體模型的建立與整體裝配。（4）有余力同學(xué)建議進(jìn)行

5、各零件運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、有限元分析和工程圖的生成。四設(shè)計(jì)方法1.零部件的選型：即根據(jù)使用情況，初步確定零部件的形式。2.參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)：根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，選擇各參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)的強(qiáng)度、剛度、疲勞等校核，最終確定出零部件的各個(gè)合理參數(shù)。該步驟是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。3.計(jì)算機(jī)三維建模：根據(jù)理論計(jì)算的主要參數(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)部件各零件和總成進(jìn)行三維建模和裝配，要遵循三維建模的原則，注意造型細(xì)部規(guī)劃，并按照軟件設(shè)計(jì)小組的要求進(jìn)行相關(guān)格式的轉(zhuǎn)變。該步驟是設(shè)計(jì)的重要組成部分。五設(shè)計(jì)成果要求1.設(shè)計(jì)組成果的提交（1）設(shè)計(jì)計(jì)算說明書：各組提交本組課程設(shè)計(jì)說明書一份。說明書要求內(nèi)容簡(jiǎn)潔完整、排版整齊、條理清楚、文字通順、書寫規(guī)

6、范。含目錄、摘要、正文、總結(jié)等。要求正文字?jǐn)?shù)應(yīng)在7000字以上，要求將三維模型抓圖后放到說明書中。提交紙質(zhì)版和電子版。（2）三維模型：各組需要提交各自總成的三維模型和裝配模型（并確保在整車上裝配沒有問題），總體設(shè)計(jì)組應(yīng)提交整車三維模型。提交電子版。2.每個(gè)同學(xué)成果的提交（1）自己的設(shè)計(jì)說明書部分（要求將三維模型抓圖后放到說明書中），提交紙質(zhì)版和電子版。（2）自己做的三維模型，提交電子版。（3）將各自的說明書紙質(zhì)版打印、裝入檔案袋；檔案袋上寫明學(xué)號(hào)、姓名及所裝內(nèi)容。五考核提交成果時(shí)，對(duì)個(gè)人設(shè)計(jì)內(nèi)容及小組設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提問和答辯，包括參數(shù)選擇，計(jì)算方法及建模過程等。六課程設(shè)計(jì)進(jìn)程表（時(shí)間：第18

7、19周）12.29 星期一根據(jù)課題內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研，查找與課題相關(guān)的參考文獻(xiàn)和資料、熟悉各小組總成的構(gòu)造、原理、設(shè)計(jì)方法，熟悉三維設(shè)計(jì)軟件等。12.30 星期二確定參數(shù)，并開始進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算12.31-1.2星期三、星期四計(jì)算并設(shè)計(jì)各總成的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果整理成word文檔。1.3-1.6星期五星期二結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模1.7-1.8星期三、星期四裝配及仿真1.9星期五整理數(shù)據(jù)和模型，提交成果和參與答辯。目 錄基于MATLAB的斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘 要：以與某汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為實(shí)例，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)中引入Solidworks軟件建立斷開式式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的三維

8、運(yùn)動(dòng)實(shí)體分析模型，并利用MATLAB中的最小二乘法進(jìn)行轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)比了優(yōu)化前后的特性曲線，表明優(yōu)化之后的轉(zhuǎn)向梯形使車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)左右車輪轉(zhuǎn)角更加符合理論轉(zhuǎn)角關(guān)系，從而降低了輪胎磨損，提高的行車平順性和安全性并更好的保證汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪作無滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。引 言：轉(zhuǎn)向梯形有整體式和斷開式兩種，選擇整體式還是斷開式轉(zhuǎn)向梯形方案與懸架采用何種方案有關(guān)。無論采用哪一種方案，都必須正確選擇轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，做到汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運(yùn)動(dòng)的車輪，作無滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為達(dá)到總體布置要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑值，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)有足夠大轉(zhuǎn)角一、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型所選用的某

9、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與麥弗遜獨(dú)立懸架相匹配的斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理，如圖一轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)所示。其中梯形臂O1A=OB 的長(zhǎng)為L(zhǎng)1，橫拉桿AD=BC 的長(zhǎng)為L(zhǎng)2，E 為齒條滑塊，長(zhǎng)M=637.5mm，齒條E 的許用行程S=100mm，輪距K=1560mm，軸距L=2775mm，車輪的滾動(dòng)半徑r=334.15mm，主銷后傾角準(zhǔn)=2.5°（圖中未示出），考慮此角后的計(jì)T=L+rtan=2789.58mm，根據(jù)最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求，最大外輪轉(zhuǎn)角=31.57° 圖一 CAD繪制轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)通過初步計(jì)算得到了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)后，采用目前在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛的三

10、維設(shè)計(jì)軟件Solidworks建立該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)體模型。本部分由該組其他成員完成，如圖二 所示，為梯形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)體模型。在該模型中，以分段式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)取代，如圖1 所示的整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。如圖2 所示的運(yùn)動(dòng)實(shí)體模型考慮了前輪定位參數(shù)，通過建立各部件之間的相互約束和主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式，可以模擬分段式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，其性能與真實(shí)系統(tǒng)幾乎相同，更直觀反映轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 圖二 三維實(shí)體運(yùn)動(dòng)模型二、理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系 由轉(zhuǎn)向基本要求可知，在不計(jì)輪胎側(cè)偏時(shí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪純滾動(dòng)、無側(cè)滑轉(zhuǎn)向的條件是內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角具有如圖所示的理想關(guān)系，以左轉(zhuǎn)彎為例，即cot-cot=K/L，如圖三內(nèi)輪和外輪轉(zhuǎn)角

11、的關(guān)系視圖所示。將理想的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 表示為 的函數(shù)即： 0=arccot(cot-)=arctan 圖三 內(nèi)輪和外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系視圖三、用解析法求實(shí)際的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系由轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)所提供的內(nèi)、外輪實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系可以根據(jù)幾何關(guān)系來求解。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，齒條便向左或右移動(dòng)，使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)，從而使左右車輪車輪分別獲得一個(gè)轉(zhuǎn)角。以汽車左轉(zhuǎn)彎為例，此時(shí)右輪為外輪，外輪一側(cè)的桿系的桿系運(yùn)動(dòng)，如圖四左轉(zhuǎn)外輪轉(zhuǎn)角幾何關(guān)系視圖所示。設(shè)齒條向右移過某一行程S，通過右橫拉桿推動(dòng)右梯形臂，使之轉(zhuǎn)過。 圖四 左轉(zhuǎn)外輪轉(zhuǎn)角幾何關(guān)系視圖如圖四左轉(zhuǎn)外輪轉(zhuǎn)角幾何關(guān)系視圖所示，取梯形右底角頂點(diǎn)O 為坐標(biāo)原點(diǎn)，X，Y 軸

12、如圖四 所示，則可導(dǎo)出齒條行程s 與外輪轉(zhuǎn)角a 的關(guān)系:S=-L1cos()-上式中：arctan =arccos而內(nèi)輪轉(zhuǎn)向的桿系運(yùn)動(dòng)與外輪類似。齒條右移了相同的行程s，通過左橫拉桿拉動(dòng)左梯形臂轉(zhuǎn)過。 取梯形左底角頂點(diǎn)O，為坐標(biāo)原點(diǎn)，X，Y 軸如圖示，則同樣可求出齒條行程s 與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 的關(guān)系，即:S=L1cos()-arccosarctan將上述公式結(jié)合起來便可將 表示為 的函數(shù)。四、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)1.目標(biāo)函數(shù)的建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在規(guī)定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)使實(shí)際的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角盡量的接近對(duì)應(yīng)的理想的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，采用離散化方法，給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)為：當(dāng)F取得最小值時(shí)，即車輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與

13、理想值最為接近，優(yōu)化結(jié)果最為理想。由解析法中的公式可設(shè)為優(yōu)化變量x(1)，為優(yōu)化變量x(2),為優(yōu)化變量x(3)，為優(yōu)化變量x(4)。則，上述優(yōu)化目標(biāo)的文件可寫成：arf=0:0.00551:0.551；K=1560；%input（輸入主銷中心線間距（mm）)；%給與幾個(gè)變量賦值 M=640；L=2775；%input(輸入軸距（mm）)；thetamax=31.57；%input(輸入外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角（度）)；thetamax=thetamax*pi/180；%以下將各公式單位轉(zhuǎn)換，并代入公式；B=acot(cot(arf)-K/L)；x(2)=sqrt(K-M)/2-x(1)*cos(x(

14、4)2+(x(1)*sinx(4)-x(3)2)；s=(K-M)/2-x(1)*cos(x(4)+arf)-sqrt(x(2)2-(x(1)*sin(x(4)+arf)-x(3)2；b=x(4)-arccos(x(1)2+(K-M)/2+s)2+x(3)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(K-M)/2+s)2+x(3)2)-atan(2*x(3)/(K-M+2*s)；arf=x(4)+arccos(x(1)2+(K-M)/2-s)2+x(3)2-x(2)2)/2*x(1)*sqrt(K-M)/2-s)2)+atan(2*x(3)/(K-M+2*s)；s=x(1)*cos(x(4)-b)+sqrt(x(2)2-(x(1)*sin(x(4)-b)-x(3)2)-(K-M)/2；fun=abs(B-b)；優(yōu)化問題就是求解f=abs(-)的極小值。 五、三維實(shí)體建模1，調(diào)用solidworks中的toolbox.2、插入齒輪3、與齒輪配合的軸 4、將齒輪與軸配合，配合出裝配體5、另一零件圖首先先進(jìn)行邊線法蘭操作，然后生成邊線法蘭。最后，生成轉(zhuǎn)向前橋六、結(jié)論與感想 推導(dǎo)出某汽車斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式，利用最小二乘法對(duì)該轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)明顯地提高左右輪轉(zhuǎn)角跟蹤理想阿克曼轉(zhuǎn)角的能力。在轉(zhuǎn)向過程中，傳動(dòng)比變化更為合理，保證了車