方程式赛车转向专业系统设计转向系统.doc
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1、毕 业 设 计(论 文) 题目 大学生方程式赛车设计(转向器设计) 5 月 30 日方程式赛车转向系统设计(转向系统)摘 要赛车转向系设计对赛车转向行驶性能、操纵稳定性等性能均有较大影响。在赛车转向系设计过程中一方面通过转向系统受力计算和UG草图功能进行运动分析,拟定转向系传动比,拟定了方向盘转角输入与轮胎转角输出之间角传动比为3.67;运用空间机构运动学原理,采用Matlab软件编制转向梯形断开点通用优化计算程序,拟定汽车转向梯形断开点最佳位置,从而将悬架导向机构与转向杆系运动干涉减至最小;然后采用UG运动分析办法,分析转向系在转向时运动,求解内外轮转角、拉杆与转向器及转向节臂传动角、转向器
2、行程相应关系,为转向梯形设计及优化提供数据根据。完毕构造设计与优化后咱们对转向纵拉杆与横拉杆计算球铰强度与耐磨性校核以及对某些易断杆件进行了校核计算,保证赛车有足够强度与寿命。完毕了对转向轻便性计算,咱们计算了转向轮转向力矩M转,转向盘上作用力p手以及转向盘回转总圈数n,以确认与否达到赛车规则中所规定规定以及转向灵活性与轻便性。最后咱们建立三维模型数据进行预装配,在软件上检查咱们设计转向系与否存在干涉等现象以及检查咱们转向系与否满足咱们设计规定,对咱们设计进行改进。核心词:赛车,转向,UG,转向梯形,运动分析,齿轮齿条The design of Formula front and rear s
3、uspension and steering system (steering system) ABSTRACTSteering System Design of a car has a significant impact of driving performance,steering stability. In the car design process,first through the steering force calculations and the UG kinetic analysis we determine the ratio of steering system,th
4、e relationship between the wheel angle input and output;The principles of spatial mechanism kinetics and a related optimization program by using Matlab are applied to the calculation of the spatial motion of the ackerman steering linkage. By using the method,the interference between suspension guidi
5、ng mechanism and steering linkage is minimized;then UG kinetic analysis is used to analysis the motion of steering system when turning and calculating the corresponding relation between the turning angle of inside and outside wheels,the transmission angle of steering linkage and steering box or stee
6、ring linkage and track-rod,and steering box stroke. And it provides a theoretical basis for designing and optimizing the steering trapezoidal mechanism. After the work we calculate the ball joints tie rod strength and wear resistance,and some calculations was made on some dangerous bars,to ensure th
7、e car has enough strength and life. After carrying out a complete calculation of the portability,we calculate the torque of the wheel,the force of steering wheel on the hands and the total number of turns ,to meet the requirements in the car rules. Finally,we set up pre-assembled three-dimensional m
8、odel data,checking the steering we designed whether there is interference phenomena and to examine whether our steering meet our design requirements,to improve our design. KEY WORDS:FSAE,UG,steering trapezoid,motion analysis,rack and pinion 目 录第一章 绪 论11.1 Formula SAE 概述11.1.1 背景11.1.2 发展和现状21.2 中华人民
9、共和国FSAE发展概况21.3 任务和目的3第二章 转向系设计方案分析42.1 赛车转向系概述42.2 转向系基本构成42.3 转向操纵机构42.4 转向传动机构62.5 机械式转向器方案分析62.5.1 齿轮齿条式转向器62.5.2 其她形式转向器82.5.3 转向器形式选取92.6 赛车转向系统传动比分析92.7 转向梯形机构分析与选取102.7.1 转向梯形机构选取102.7.2 断开式转向梯形参数拟定102.7.3 转向系内外轮转角关系拟定122.7.4 MATLAB内外轮转角关系曲线某些程序14第三章 转向系重要性能参数163.1 转向器效率163.1.1 转向器正效率+163.1.
10、2 转向器逆效率-173.2 传动比变化特性173.2.1 转向系传动比173.2.2 力传动比与转向系角传动比关系183.2.3 转向系角传动比193.2.4 转向器角传动比及其变化规律193.3 转向器传动副传动间隙t203.3.1 转向器传动间隙特性203.3.2如何获得传动间隙特性213.4 转向系传动比拟定22第四章 齿轮齿条式转向器设计与计算234.1 转向系计算载荷拟定234.1.1 原地转向阻力矩MR计算234.1.2 作用在转向盘上手力Fh234.1.3转向横拉杆直径拟定244.1.4初步估算积极齿轮轴直径244.2 齿轮齿条式转向器设计254.2.1 齿条设计254.2.2
11、 齿轮设计254.2.3 转向横拉杆及其端部设计254.2.4齿条调节264.2.5转向传动比274.3 齿轮轴和齿条设计计算284.3.1 选取齿轮材料、热解决方式及计算许用应力284.3.2 初步拟定齿轮基本参数和重要尺寸294.3.3拟定齿轮传动重要参数和几何尺寸304.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆需要全套设计请联系Q Q运动分析314.5 齿轮齿条传动受力分析324.6 齿轮轴强度校核324.6.1轴受力分析324.6.2判断危险剖面334.6.3轴弯扭合成强度校核334.6.4轴疲劳强度安全系数校核33第五章 转向梯形优化设计365.1 目的函数建立365.2 设计变量与约束条件37
12、5.2.1 保证梯形臂不与车轮上零部件发生干涉375.2.2保证有足够齿条行程来实现规定最大转角385.2.3保证有足够大传动角38第六章 基于UG运动仿真转向梯形设计与优化416.1 建立UG三维模型416.2 基于UG工程图模块转向机动图426.3 UG模型以及基于UG高档仿真零部件校核426.4 UG装配模型检查干涉问题43第七章 结论45参照文献46致 谢47 第一章 绪 论1.1 Formula SAE 概述1.1.1 背景Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会(the Society of Automotive Engineers 简称SAE)主办。SAE 是一种拥有超过
13、60000 名会员世界性工程协会,致力与海、陆、空各类交通工具发展进步。Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参加国际赛事,于1980 年在美国举办了第一届赛事。比赛目是设计、制造一辆小型高性能赛车。当前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个重要某些构成:工程设计、成本以及静态评比;多项单独性能实验;高性能耐久性测试。Formula SAE 发展初衷是想创立一种小型道路赛车比赛,而当前已经发展成为一种拥有大概20个竞赛因素大型比赛,参加者涉及赛车和车队。Formula SAE 向年轻工程师们提供了一种参加故意义综合项目机会。由参加学生负责管理整个项目
14、,涉及时间节点安排,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。Formula SAE 为在老式教室学习中学生提供了一种现实工程经历。Formula SAE 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。出于此项比赛宗旨,参赛学生们是被一种假象制造公司雇佣,让她们制造一辆原型车,用于量产前各项评估。目的市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛(Autocross)非专业车手。因而,这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好体现。它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。此外,这些赛车市场竞争力会由于某些附加因素,例如美观、舒服性和零件兼容性而得到提高。制造公司
15、日产能力要达到4 辆,并且原型车造价要低于25,000 美元。对于设计团队来说,挑战在于要在一定期间和一定资金限制下,设计和制造出最能满足这些目原型车。每一项设计将会与其她设计一起参加比较和评估从而决出最佳整车。1.1.2 发展和现状从世界范畴来看,当今有三个地区有Formula SAE 学生竞赛,即美国、欧洲、澳洲。70 年代中期,几种美国大学开始主办本地学生设计竞赛赛车。SAE MiniBaja 名称沿袭了知名墨西哥Baja 1000 汽车比赛。第一届SAE Mini Baja 比赛于1976 年举办,并且迅速成为一种地区性年度比赛。比赛由三个评判原则构成,即一天静态比赛设计、成本、陈述接
16、着一天是各自性能竞赛2项目。Mini Baja 比赛重点强调了地盘设计,由于每个队伍都使用一种8 匹马力引擎,这一点无法变化。在过去20 近年里,SAE Mini Baja 成功超乎了每个人预期。在SAE Mini Baja 成功获得各界认同同步,SAE 联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高工程类学生竞赛,这就是Formula SAE。FormulaSAE 相比SAE Mini Baja 有着许多进步和发展,引擎限制也已经大大放宽,容许参赛车队使用610cc 如下发动机,这极大地提高了赛车性能体现。在发达国家,诸多高校已经从事Formula SAE 超过20 年时间,拥有大量资金和实验
17、基本状况下,她们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 加速时间普通都在4.5s 以内。需要全套设计请联系Q Q1.2 中华人民共和国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、湖南大学等很少数知名院校参加过此类赛事,具备参赛经验。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减震器,增长了先后需要全套设计请联系Q Q横向稳定杆,增长了悬架刚度和侧倾刚度;转向梯形转至座舱顶部,改进座舱内部空间,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构
18、造,是赛车先后轴制动力分派比例可调,以适应不同路面状况;车身造型方面保证空气动力学规定同步,使赛车更加美观,添加两侧冷却风气道,改进冷却系统。厦门理工车队车在北美获得“燃油经济性”和“新秀奖”两个单项亚军。她们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实验、基于有限元FSAE赛车车架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。她转向器上还没有设
19、立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,与国际赛车还存在较大差距。咱们本次设计旨在设计出构造更合理,转向性能更好赛车转向系统,以缩小与外国车队差距。1.3 任务和目的任务和目的重要提成两个某些:1、设计一种达到一定性能并符合FSAE竞赛有关规定方程式赛车专项系统。2、立足国内采购条件以及当前项目可以达到加工条件,通过购买可以通用部件、改装符合条件通用部件以及制造所有其她部件,完毕赛车转向系统制造、装配和调试。在这个过程中必要兼顾成本、性能
20、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重要系统,它是用来保持或者变化赛车行驶方向机构,在赛车行驶时,保证各转向轮之间有协调转角关系。咱们转向系统设计重要任务是:学习大学生方程式赛车规则,依照有关车型国内外资料,以及某些有关调查和报告,对设计任务进行分析研究,形成详细技术方案,完毕转向系各重要方面设想,为进一步详细设计计算提供根据。如所设计汽车具备什么样性能,采用何种形式转向器,何种形式转向梯形,怎么布置转向系各部件,采用什么新构造、新技术,以及为满足各方面规定需要采用什么办法等,从而保证所设计汽车不但在预定使用条件下具备良好使用性能、重量
21、轻、寿命长、构造简朴、使用以便、经济性好等,综合指标方面上要不断缩小与世界先进水平差距。2.2 转向系基本构成图2-1 转向系统构成1、转向器 2、转向摇臂 3、转向直拉杆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涉及转向盘、转向轴、转向管柱。其总体设计如图2-2所示。 图2-2 转向操纵机构 图2-3 转向万向节有时为了布置以便,减小由于装置位置误差及不见相对运动所引起附加载荷,提高汽车正面碰撞安全性以及便于拆装,在转向轴与转向器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轴振动,但柔性万向节如果过软,则会影响转向系刚度。依照交通
22、事故记录资料和对汽车碰撞实验成果分析表白:汽车正面碰撞时,转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤重要元件。因而,规定汽车在以48km/h速度、正面同其她物体碰撞实验中,转向管柱和转向轴在水平方向上后移量不得不不大于127mm;在台架实验中,用人体模型躯干以6.7m/s速度碰撞转向盘时,作用在转向盘上水平力不得超过1123N,见GB115571998。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机构。 图2-4 防伤机构 图2-5 转向传动机构本文所采用机构如上左图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,这种构造虽然不能吸取碰
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