方程式赛车转向系统设计转向系统有exb图+三维图Word文档下载推荐.docx

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1.1FonnulaSAE概述1

1.1.1背景1

1.1.2发展和现状2

1.2中国FSAE发展概况2

1.3任务和目标3

第二章转向系设计方案分析4

2.1赛车转向系概述4

2.2转向系的基本构成4

2.3转向操纵机构4

2.4转向传动机构6

2.5机械式转向器方案分析6

2.5.1齿轮齿条式转向器6

2.5.2其他形式的转向器8

2.5.3转向器形式的选择9

2.6赛车转向系统传动比分析9

2.7转向梯形机构的分析与选择10

2.7.1转向梯形机构的选择10

2.7.2断开式转向梯形参数的确定10

2.7.3转向系内外轮转角的关系的确定12

2.7.4MATLAB内外轮转角关系曲线部分程序14

第三章转向系主要性能参数16

3.1转向器的效率16

3.1.1转向器的正效率1]+16

3.1.2转向器的逆效率丁17

3.2传动比的变化特性17

3.2.1转向系传动比17

3.2.2力传动比与转向系角传动比的关系18

3.2.3转向系的角传动比」19

3.2.4转向器角传动比及其变化规律19

3.3转向器传动副的传动间隙At20

3.3.1转向器传动间隙特性20

332如何获得传动间隙特性21

3.4转向系传动比的确定22

第四章齿轮齿条式转向器设计与计算23

4.1转向系计算载荷的确定23

4.1.1原地转向阻力矩MR的计算23

4.1.2作用在转向盘上的手力Fh23

4.1.3转向横拉杆直径的确定24

4.1.4初步估算主动齿轮轴的直径24

4.2齿轮齿条式转向器的设计25

4.2.1齿条的设计25

4.2.2齿轮的设计25

4.2.3转向横拉杆及其端部的设计25

4.2.4齿条调整26

4.2.5转向传动比27

4.3齿轮轴和齿条的设计计算28

4.3.1选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力….…28

4.3.2初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸29

433确定齿轮传动主要参数和几何尺寸30

4.4齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析31

4.5齿轮齿条传动受力分析32

4.6齿轮轴的强度校核32

4.6.1轴的受力分析32

462判断危险剖面33

4.6.3轴的弯扭合成强度校核33

4.6.4轴的疲劳强度安全系数校核33

第五章转向梯形的优化设计36

5.1目标函数的建立36

5.2设计变量与约束条件37

521保证梯形臂不与车轮上的零部件发生干涉37

522保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角..…38

5.2.3保证有足够大的传动角a38

第六章基于UG运动仿真的转向梯形设计与优化41

6.1建立UG三维模型41

6.2基于UG工程图模块的转向机动图42

6.3UG模型以及基于UG高级仿真的零部件校核42

6.4UG装配模型检查干涉问题43

第七章结论44

6.545

6.646

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如需cad图等其他文件，请加q：

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第一章绪论

1.1FormulaSAE概述

1.1.1背景

FormulaSAE赛事由美国汽车工程师协会（theSocietyofAutomotiveEngineers简称SAE）主办。

SAE是一个拥有超过60000名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。

FormulaSAE是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980年在美国举办了第一届赛事。

比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。

目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。

比赛由三个主要部分组成：

工程设计、成本以及静态评比；

多项单独的性能试验：

高性能耐久性测试。

FoimulaSAE发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约20个竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车队。

FormulaSAE向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。

由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。

FormulaSAE为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。

FormulaSAE队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。

出于此项比赛的宗旨，参赛学生们是被一个假象的制造公司雇佣，让他们制造一辆原型车，用于量产前的各项评估。

目标市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛（Autocross）的非专业车手。

因此，这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好的表现。

它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。

另外，这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因素，比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。

制造公司口产能力要达到4辆，并且原型车的造价要低于25,000美元。

对于设计团队来说，挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下，设计和制造出最能满足这些目的的原型车。

每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整乍。

1.1.2发展和现状

从世界范围来看，当今有三个地区有FormulaSAE的学生竞赛，即美国、欧洲、澳洲。

70年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。

SAEMiniBaja的名称沿袭了著名的墨西哥Baja1000汽车比赛。

第一届SAEMiniBaja比赛于1976年举办，并且迅速成为一个地区性的年度比赛。

比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛——设计、成本、陈述一一接着一天是各自的性能竞赛2项目。

MiniBaja比赛重点强调了地盘的设计，因为每个队伍都使用一个8匹马力的引擎，这一点无法改变。

在过去的20多年里，SAEMiniBaja的成功超乎了每个人的预期。

在SAEMiniBaja的成功获得各界认同的同时，SAE联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这就是Fo门nulaSAE。

FormulaSAE相比SAEMiniBaja有着许多进步和发展，引擎的限制也已经大大放宽，允许参赛车队使用610cc以下的发动机，这极大地提升了赛车的性能表现。

在发达国家，很多高校已经从事FormulaSAE超过20年时间，拥有大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到甚至超过200km/h,0到100km/h加速时间一般都在4.5s以内。

从原先在SAEMiniBaja比赛中的8hp发动机到现今FormulaSAE中已经超过lOOhp的大功率发动机，FormulaSAE在多方面都取得了惊人的成绩，并且该项比赛一直保持了发展的态势。

1.2中国FSAE发展概况

外国该类项目起步较早，经验较丰富，而国内才刚刚起步，只有同济大学、湖南大学等极少数的知名院校参加过此类赛事，具有参赛经验。

其中湖南大学已经两次赴美国参赛，已有两代车型。

其中第二代比第一代质量轻了许多，悬架采用了阻尼可调的减震器，增加了前后横向稳定杆，增加了悬架刚度和侧倾刚度；

转向梯形转至座舱顶部，改善座舱内部空间，并减小最小转弯半径是赛车更加灵活：

制动方面使用双制动总泵和平衡杆结构，是赛车前后轴制动力分配比例可调，以适应不同的路面情况；

车身造型方面保证空气动力学要求的同时，使赛乍更加美观，添加两侧冷却风气道，改善冷却系统。

厦门理工车队的车在北美获得“燃油经济性”和“新秀奖”两个单项亚军。

他们的赛车进行过发动机进气系统改进设计及流场特性分析、FSAE赛车进气系统改进设计、FSAE赛车悬架安装座三维定位尺寸算法与CAE分析、FSAE赛车.悬架仿真分析及操纵稳定性虚拟试验、基于有限元的FSAE赛车车架的强度及刚度计算与分析等分析设计。

仔细分析湖大转向系采用齿轮齿条式转向器横置在赛车上，经齿条两端的球头与左右横拉杆连接，当齿条移动时推动或拉动横拉杆，是转向轮偏转,实现转向。

他的转向器上还没有设置齿轮齿条游隙调节机构，齿轮齿条磨损后会严重影响转向性能。

并且湖大的转向系设计中只进行了运动学分析，而没有涉及到动力学，转向系刚度对系统优化的影响也没有考虑，在赛车车身侧倾转向时还不满足阿克曼转向理论.与国际赛乍还存在较大差跖。

我们此次设计旨在设计出结构更合理，转向性能更好的赛车转向系统，以缩小与外国车队的差距。

1.3任务和目标

任务和目标主要分成两个部分：

1、设计一个达到一定性能并符合FSAE竞赛相关规定的方程式赛车的专项系统。

2、立足国内的采购条件以及目前项目可以达到的加工条件，通过购买可以通用的部件、改装符合条件的通用部件以及制造所有其他部件，完成赛车转向系统的制造、装配和调试。

在这个过程中必须兼顾成本、性能和可靠性三个方面。

第二章转向系设计方案分析

2.1赛车转向系概述

赛车•转向系统是关系到赛车性能的主要系统，它是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构，在赛车行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。

我们转向系统设计的主要任务是：

学习大学生方程式赛车规则，根据相关车型的国内外资料，以及一些相关调查和报告，对设计任务进行分析研究,形成具体的技术方案，完成转向系各主要方面的设想，为进一步具体设计计算提供依据。

如所设计的汽车具有什么样的性能，采用何种形式的转向器，何种形式的转向梯形，怎么布置转向系的各部件，采用什么新结构、新技术,以及为满足各方面的要求需要采取什么措施等，从而保证所设计的汽车不仅在预定的使用条件下具有良好的使用性能、重量轻、寿命长、结构简单、使用方便、经济性好等，综合指标方面上要不断缩小与世界先进水平的差距。

2.2转向系的基本构成

图转向系统的组成

1、转向器2、转向推臂3、特向直拉杆4、转向节臂

5、转向梯形6、转向横拉杆

2.3转向操纵机构

转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱。

其总体设计如图2・2所

小。

图2-2转向操纵机构图2-3转向万向节

有时为了布置方便，减小由于装置位置误差及不见相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装有转向万向节，如上图2・3所示。

采用柔性万向节可减少传至传动釉的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。

根据交通事故统计资料和对汽车碰撞试验结果的分析表明：

汽车正面碰撞时，转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。

因此，要求汽车在以48km/h的速度、正面同其他物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴在水平方向上的后移量不得大于127mm:

在台架试验中，用人体模型的躯干以6.7m/s的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过1123N,见GD11557—1998o为此，需在转向系中设计并安装能防止或者减轻驾驶员受伤的机构。

图2-4防伤机构图2-5转向传动机构

本文所采用的机构如上左图2・4示，当转向传动轴中采用万向节连接时,只要布.置合理即可在汽车正面碰撞时防止转向轴等向乘客舱或驾驶室内移动，这种结构虽然不能吸收碰撞能量，但其结构简单，只要万向节连接的两轴之间存在夹角正面碰撞后转向传动轴和转向盘就会错位，转向盘没有后移便不会危及驾驶员安全。

转向轴上设置有万向节不仅能提高安全性，而且有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理布置.，提高操纵方便性并且拆装容易。

2.4转向传动机构

转向传动机构包括转向摇臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。

转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。

由于我们赛车采用齿轮齿条式转向器，并且转向齿条横向布置.，因此该车转向传动机构非常简单紧凑，不需要转向摇臂和转向拉杆。

转向传动机构即为横拉杆及相应接头，其结构如上右图2・5所示。

2.5机械式转向器方案分析

2.5.1齿轮齿条式转向器

国2-6自动消除间隙装置

齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。

与其他形式的转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：

结构简单、紧凑：

壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；

传动效率高达90%；

齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除齿间间隙（如图2・6所示），这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止冲击和噪声；

转向器体积小：

⑴没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大：

制造成本低。

齿轮齿条式转向器的主要缺点是：

因逆效率高（60%〜70%）,汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。

反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会照成打手，同时对驾驶员造成伤害。

⑴根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：

中间输入，两端输出（图a）；

侧面输入，两端输出（图b）；

侧面输入，中间输出（图c）；

侧面输入，一端输出（图d）。

2-7齿轮齿条式转向器的四种形式

根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条是转向器在汽车上有四种布置形式：

转向器位于前轴后方，后置梯形；

转向器位于前轴后方，前置梯形；

转向器位于前轴前方，后置梯形；

转向器位于前轴前方，前置梯形，如图2-8所示。

图2-8齿轮齿条式转向器的四种布直彩式

2.5.2其他形式的转向器

其他形式的转向器主要还有循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆指销式等形式的转向器。

循环球式转向器由螺杆和螺母共同形成的螺旋槽内装钢球构成的传动副，以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的传动副组成，如图2・9所示。

循环球式转向器的优点是：

在螺杆和喋母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而传动效率可达到75娱85%；

在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的粗糙度和螺杆、螺母上的螺旋槽经淬火和磨削加工，使之有足够的硬度和耐磨损性能，可保证有足够的使用寿命：

转向器的传动比可以变化；

工作可靠平稳。

循环球式转向器的缺点是：

逆效率高，结构复杂，制造困难，制造进度要求高。

图2-9循环球式转向器

2.5.3转向器形式的选择

由上述分析综合考虑学校的实际情况，比如考虑到我们的加工精度等因素，我们选择了齿轮齿条是转向器。

2.6赛车转向系统传动比分析

由于赛车比赛比较激烈，方向盘转角与商用车相差较大，一般汽车方向盘转角一般大于三圈，而F1赛车方向盘转角都比较小，考虑到我们赛车的整体参数与卡丁车比较相似，我们参考卡丁车初选转向系角传动比为1:

1,方向盘转40度，转向内轮转40度。

赛车静止状态与转向系有关的力如图2-10和2-11所示。

图2-10考虑主销后倾角时受力

F=Fua=2*47%*巳

2

式中V：

赛道阻尼系数G：

赛车质量

Mr=F*a=F*R^*sina

图2-11为考虑主销内倾时受力

考虑到本次设计赛车主销内倾角后倾角均为零。

考虑到方向盘上的力268.7N太大，在减小方向盘力的同时，考虑到传动比太小转向灵敏度太高，不适于赛车手操作，故将传动比改为3.7,方向盘转110度，内轮转30度。

按选定传动比再次计算方向盘力为60N,满足要求。

2.7转向梯形机构的分析与选择

2.7.1转向梯形机构的选择

转向梯形有整体式和断开式两种，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有美。

无论采用那一种方案，都必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。

同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。

由于我们赛中采用的是独立悬架，所以转向梯形需采用与此对应的断开式转向梯形，其主耍优点是它与前轮采用独立悬架相配合，能够保证一侧车轮上、下跳动时，不会影响另一侧车轮。

2.7.2断开式转向梯形参数的确定

横拉杆上断开点的位置与独立悬架形式有关。

采用双横臂独立悬架时，常用图解法（基于三心定理）确定断开点的位置。

求法如2-12

图2-12断开点的确定

1、延长KBB与KAA,交于立柱AB的瞬心P点，由P点作直线PS。

S点为转向节臂球销中心在悬架杆件（双横臂）所在平面