毕业论文：方程式赛车的转向系统设计计算.doc

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1、毕业论文：方程式赛车的转向系统设计计算毕业论文：方程式赛车的转向系统设计计算毕业论文：方程式赛车的转向系统设计计算:2013-9-16 6:46:54毕 业 设 计 (论文)题 目方程式赛车的转向系统设计计算 院(系)别机电及自动化学院专 业机械工程及自动化摘 要FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。在赛车中转向系统占有重要的地位。转向系统是任何车辆都不可或缺

2、的组成部分,其设计制造质量的优劣直接关系到车辆的操纵稳定性、安全性等技术性能。汽车操纵稳定性又被人们称为“高速车辆的生命线”。由此，转向系的设计是如此重要。通过对转向系的优化设计，来为赛车其他零部件分析优化提供思路，以达到对赛车的结构整体优化。FSAE赛车的转向总成包括：方向盘，快拆器，转向柱，齿轮齿条转向器，横拉杆，转向节臂。此次设计主要完成总成各个部分的设计计算及它们之间的连接固定。关键词：FSAE；赛车；转向；稳定性；总成设计 Abstract Formula SAE is the activity by the higher institutions and automotive en

3、gineering or related professional car team at school students. FSAE requirements in accordance with the rules of every team event and the car manufacturing standard, to design and manufacture equations type of small single a leisure car, and with the car participate in all or part of the event link.

4、 During the event, the team not only expounds the design concept, but also by the jury for the car to the several performance testing project. In the car steering system has important position. Steering system is any vehicles are an indispensable part of the design and manufacture the quality fit an

5、d unfit qua活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。 1.2 课题简介在赛车中转向系统占有重要的地位。转向系统是任何车辆都不可或缺的组成部分,其设计制造质量的优劣直接关系到车辆的操纵稳定性、安全性等技术性能。汽车操纵稳定性又被人们称为“高速车辆的生命线”。由此，转向系的设计是如此重要。通过对转向系的优化设计，来为赛车其他零部件分析优化提供思路，以达到对赛车的结

6、构整体优化。 目前，国内外大学生车队的转向系统都采用齿轮齿条式转向器，因为赛事规则要求，国内车队的赛车上没有见到助力转向等辅助系统。机械转向系统主要由转向操作机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。它的作用：保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。课题目的：在于研究满足中国FSC大学生方程式赛车规则和技术要求的赛车转向系统相关结构零件的使用情况及趋势，并选择某个结构进行初步的设计，完成总体设计报告，相关的装配图，并可以对部分零件进行详细设计与相关性能校核。1.3 课题意义综合运用本科阶段相关知识，完成某个总成件或者零件的设计。1）巩固和扩大专业理论知

7、识，并把所学的理论知识应用到实践中去；2）培养机械设计能力，及运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料和编写技术文件等能力；3）培养观察、分析、研究、解决实际生产问题的能力；4）同时锻炼自己制定并执行相关计划的能力；5）可以了解国内外大学生方程式赛车转向系统的主流技术及发展趋势。1.4 赛车中转向系统基本情况 图1-2上图是传统的汽车转向总成结构图，其中包括：1方向盘，2转向柱，7、8齿轮齿条转向器，6横拉杆，5转向节臂。 图1-3FSAE赛车的转向总成基本和传统的汽车转向总成相似，由于有逃生项目的比赛要求，赛车转向系统多了快拆器。如上图，包括：1方向盘，2快拆器，3转向柱，4齿轮齿条转向

8、器，5横拉杆，6转向节臂。转向系统的作用是改变汽车的行驶方向和使汽车保持稳定的直线行驶，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。1.5 设计软件本次设计中主要采用了AutoCAD2004、UG7.0等计算机辅助软件进行赛车转向的设计计算。 AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。.dwg文件格式成为二维绘图的事实标准格式。具有易于掌握、使用方便、体系结构开放等特点，广泛应用于机械、建筑、电子、航天、造船、石油化

9、工、土木工程、冶金、农业、气象、纺织、轻工业等领域。 UG从CAM发展而来。20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购；因此，UG有着美国航空和汽车两大产业的背景。 是一个比较强大的三维建模软件。 第2章 赛事规则对转向系统的要求及总成布置2.1 赛事规则对转向系统的要求1) 转向系统必须至少能作用在两个车轮上。2) 转向系统必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转（四杆机构在一 个节点处发生反转）。限位块可安装在转向立柱或齿条上，并且必须

10、防止轮胎在转向行驶时接触悬架、车身或车架部件。3)转向系统的自由行程不得超过7 度（在方向盘上测量）。4)允许使用后轮转向，但其转向角必须机械限位在3 度（从正前方测量）。5)方向盘必须与前轮机械连接。禁止使用线控转向。6)方向盘必须安装在快拆器上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器。7) 方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。例如：方向盘的外轮廓可以有一些部分趋向直线，但不可以有内凹的部分。禁止使用H 形，8 型或分开式方向盘。8)方向盘最高点不能超过前圈最高点2.2转向系的设计要求： 1) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半径转弯的能力， 同

11、时操作轻便2) 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小4) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态5) 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统最好 有保护机构防止伤及乘员. 2.3赛车的一些具体参数如下：长/宽/高：2700/1300/1100轴距：1550mm轮距：1200mm整备质量：180kg 发动机：亚翔LD450发动机排量：450cc最大功率：32kw/7500r最大扭矩：42.5Nm/6500r悬架：不等长双横臂独立悬架制动：四轮盘式制动转向：斜齿齿轮齿条式2.4转向总成的布置：图

12、2-1主销定位参数根据主销定位参数，采用前置梯形设计,转向总成布置图如图2-1。 图2-1 赛车整体布置 第3章 转向器的设计3.1转向器结构形式方案的确定3.1.1齿轮齿条式 齿轮齿条式转向器的主要优点是：结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙；没有转向摇臂和直拉杆，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：逆效率高（60%70%）。因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。 齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也有采用齿轮齿条式转向器

13、。 3.1.2蜗杆滚轮式、蜗杆指销式 蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。主要优点是：结构简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。主要缺点是：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。 蜗杆指销式转向器有固定销式和旋转销式两种形式。根据销子数量不同，又有单销和双销之分。蜗杆指销式转向器的优点是：传动比可以做成不变的或者变化的；工作面间隙调整容易。固定销式转向器的结构简单、制造容易。但销子的工作部位磨损快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。要求摇臂轴有较大的转角时，应采用双销式结构。双销式转向器的结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、螺

14、纹槽的形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性的变化受限制。蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少。3.1.3循环球式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。循环球式转向器的优点是：在螺杆和螺母之间因为有可以循环流动的钢球，将滑动摩擦变成滚动摩擦，因而传动效率可以达到75%85%；在结构和工艺上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺母、螺杆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；转向系的传动比可以变化；齿条和齿扇之间的间隙调整工作容易进行；适合

15、用来做整体式动力转向 器。布置方便，特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用，目前循环球式转向器主要是用于商用车上。 由以上分析，及设计初始条件比较可以确定，我所要设计方程式赛车将采用齿轮齿条式转向器。而由于整个赛车质量比较轻，不需要采用动力转向装置，这种转向器也十分符合方程式赛车的转向要求。 3.2齿轮齿条式转向器的介绍齿轮齿条式转向器： 齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。图3-1 两端式齿轮齿条转向器1.转向横拉杆 2.防尘套 3.球头座 4.转向齿条 5.转向器壳体 6.调整螺塞 7.压紧弹簧 8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 12.向心球轴

16、承 13.滚针轴承（一）两端输出的齿轮齿条式转向器如图3-1所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节*10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。(二)中间输出的齿轮齿条式转向器如图3-2所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。 图3-2 中间式齿轮齿条转向器1.万向节 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓 7.转向横拉杆 8.转向器壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧