毕业设计(论文)开题报告-FSAE赛车转向系统设计及性能分析.doc

附件一

毕业设计任务书

设计（论文）题目 FSAE赛车转向系统设计及性能分析

学院名称 汽车与交通工程学院

专 业 （班 级） 车辆工程

姓 名 （学 号）

指 导 教 师

系（教研室）负责人

—11—

一、毕业设计（论文）的主要内容及要求（任务及背景、工具环境、成果形式、着重培养的能力）
背景：中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。
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。
在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。
大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：
一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；
二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；
大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

任务：
调研国内外赛车转向系统结构及原理，遵循FSAE竞赛规则完成赛车转向系统设计，转向梯形优化，系统建模与转向性能分析。

工具环境：CATIA/UG AutoCAD ADAMS Visio MATLAB Office办公软件等
成果形式：①翻译相关外文文献不少于5000字
②优化设计说明书一份
③赛车转向系统三维模型一份
能力培养：培养和锻炼学生搜集相关资料，综合运用所学汽车设计知识解决实际问题的能力、提高学生软件应用能力、独立完成赛车转向系统设计及相关问题的能力，为从事本专业有关工作打下坚实基础。
二、应收集的资料及主要参考文献
（1）李理光.中国大学生方程式大赛规则(2015)，
（2）张代胜.汽车理论[M].合肥：合肥工业大学出版社 2011.10.
（3）余志生.汽车理论（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2006.
（4）王望予.汽车设计（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2005.
（5）卢剑伟.汽车构造/下 [M].合肥：合肥工业大学出版社 2011.4.
（6）汽车工程手册设计篇.
（7）CATIA/UG AutoCAD ADAMS Visio Office办公软件等相关书籍和教程.
（8）刘维信.汽车设计 [M].北京 清华大学出版社，2001
三、毕业设计（论文）进度计划
起 迄 日 期
工 作 内 容
备 注
1月中旬----2月底

3月1日----3月底

4月1日----4月底

5月1日----5月底

6月1日----6月中旬

收集整理资料，外文翻译；

查阅文献，在分析和理解基础上，制定出初步设计方案；
整车转向系统建模，计算并进行转向系统优化设计与性能分析；
修改并完善设计方案，撰写毕业设计说明书，绘制总成图；
整理毕业设计论文，准备答辩。

开 题 报 告 （该表格由学生独立完成)
一、课题意义及国内外研究现状综述
1 设计的背景及意义
FASE（Formula SAE）比赛是一项学生方程式赛车赛事，一般情况下由各个国家的汽车工程协会举办，各参赛队伍由在校大学本科生和研究生组成。其概念源于一家虚拟制作工厂，向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求在12个月的时间内，按照赛事规则进行设计、加工、制造，并使其赛车在加速、制动、操控性方面都有优异的表现并且足够稳定耐久。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。赛事自创办以来，已经发展37年，到2015年已经举办大学生方程式大赛的国家有：美国、加拿大、德国、英国、奥地利、意大利、西班牙、匈牙利、捷克共和国、巴西、澳大利亚、日本、印度、中国及泰国。越来越多的国家重视这项赛事，同时越来越多的大学生参与到这项赛事并从中有所收获。随着汽车工业驱动技术的不断革新，以混合动力、纯电动汽车为主的大学生方程式赛事同样发展迅猛，势必成为今后的发展趋势。
最早的大学生方程式汽车大赛由国际汽车工程师学会(SAE International)于1978年开办，第一届比赛于1979年在美国休斯顿举行，比赛名为SAE迷你印地车赛(SAE Mini-Indy)，这也是唯一一次以此命名的比赛，参赛的13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车，在整车设计方面限制很少，以为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间。而这一理念也延续至今。这一赛事挑战了大学生方程式赛车设计团队在FASE参赛赛车的创新、设计、分析、加工制造、装配、试验等能力。通过举办赛事将热爱赛车和汽车的大学生们聚在一起，同时这一平台也给大学生们提供了在创新设计和工程实践方面证明自己的机会，同时这一赛事也为汽车行业及其他相关行业培养和锻炼了一批又一批在理论和实践上都非常优秀的高科技人才。
转向系统是赛车上用来改变或者恢复行驶方向的系统的统称，无论是传统乘用车还是赛车，车手在驾驶过程中操作最多的就是转向系统，该系统设计的好坏，直接影响到赛车的操纵性能，反映到车手就是赛车过弯性能如何，有没有推头或者甩尾现象，路感如何，低速行驶时方向盘重不重，高速行驶时车子“飘”不“飘”转弯响应是否迅速等，转向系统在赛车操纵稳定性方面起到很重要的作用。对传统乘用车转向机构的系统性研宄最早可以追溯到世纪年代德国人发明转向梯形，对于赛车转向系统的研究则是最近几年才兴起。基于赛车的特点，很多转向辅助装置如等都没法应用在赛车转向系统上，
所以，对于转向系统的研究多集中在针对赛道的转向梯形优化、轮胎性能研究、定位参数设计、转向系统对赛车动力学的影响等。
2 国内外发展现状与趋势
2.1 国外研究现状
国外对赛车转向系统动力学方面的研究开始较早。1995年，美国人D.LM编写的《赛车车辆动力学》根据赛车性能要求，从轮胎入手，辅以车身、车架、悬架、转向、空气动力学等，对赛车的车辆动力学进行了深入的研究。通过轮胎实验数据，分析轮胎侧偏力和侧偏角、外倾力和外倾角、轮胎拖距、载荷敏感性、摩擦圆等，着重分析了轮胎在转向系统中的作用。1997年，德国人米奇克编著的《车辆动力学》卷《行驶操纵稳定性》中介绍了转向系统和汽车操纵稳定性的关系，并根据实际车辆跑动数据分析不同的子系统如悬架系统、制动及驱动系统、转向系统的各项参数对车辆操纵稳定的影响。日本作家鸡田幸夫年编著《汽车设计制造指南》，以日本大学生方程式大赛参赛车辆为例，讲解汽车的开发和制造流程，帮助车辆工程专业的学生在汽车设计时建立清晰的思路，并帮助他们了解汽车从立项到设计、制造、试验等一系列流程，着重介绍了赛车极低速转向几何、阿克曼转向几何、稳态转向几何等，并对影响转向特性的因素如柔性转向、侧倾转向等进行了详细分析。美国轮胎数据测试组织，为了获取更加准确的赛车轮胎数据，探索测试轮胎数据的仪器和方法，从年开始，每年选取参赛队伍常用轮胎进行测试，测试内容包括轮胎侧偏特性、轮胎纵向特性、轮胎垂向特性等，并对轮胎数据使用方法进行介绍，方便学者利用轮胎数据对赛车转向、悬架等进行设计优化，目前，数据库内轮胎数据己有套，几乎涵盖了近几年所有参赛车队使用的轮胎。
国外知名理工类学校，如德国斯图加特大学、卡尔斯鲁厄理工学院，瑞士苏黎世大学，荷兰代尔夫特理工大学等均在赛车转向系统、悬架系统、操纵稳定性方面有深入研究，包括转向器结构设计、转向梯形定位参数设计、跳动转向优化、侧倾转向优化等。文献根据传感器采集的数据，分析轮胎刚度、悬架刚度对轮胎滑移特点的影响，检验滑移算法在试验中应用的可行性。文献〖基于轮胎数据来设计悬架、转向系统，设计参数与轮胎参数匹配，建立虚拟模型，对赛车的侧倾和操纵稳定性进行仿真，并通过调节几何参数优化性能。文献根据轮胎侧偏力侧偏角曲线与轮胎外倾角之间的关系来确定轮胎特性，提出赛车侧倾中心选择方法，分析定位参数对于操纵稳定性的影响。文献详细阐述各种赛车的设计过程，包含转向参数定义、参数选取方法、转向空间几何学、转向和悬架参数对于整车的影响、横向稳定杆的设计方法等。
2.2 国内研究现状
国内对于转向系统动力学的研究始于上世纪年代，成果多产生于年代。以郭孔辉院士所著的《汽车操纵动力学》最为经典，该书对汽车操纵稳定性做了最为系统的分析，提出轮胎模型的半经验公式，对转向系统动力学做了大量研究。中国大学生方程式汽车大赛（FSC）于2010年中国汽车工程学会联合中国21所大学院校在上海举办了首届大赛。我国大学生方程式赛车发展比国外相对晚一些，目前这方面的研究正在不断 发展，对于转向设计优化以及整车操纵稳定性分析相对比较单一。本文主要侧重 转向方面的研究，包括了转向机构的设计优化过程，设计调整整车的转向性质， 测试整车的转向性能以及转向与整车操纵稳定性关系的分析。下面对国内的相关 研究作一个简单的介绍。国内主要研究方向和内容如下： （1）赛车整体结构设计优化：赛车总体布局，各个子系统的配合安装，各 个子系统的选型和参数确定，工件的相互位置关系的确定和性能参数的确定等； （2）赛车轻量化研究：赛车轻量化研究一直是赛车的重要课题，对于提高 赛车比赛性能发挥到重要作用，大学生方程式赛车也不例外； （3）应力分析研究：利用有限元分析方法，对赛车车架，底盘以及其他支 撑零部件进行应力分析，预测赛车的疲劳，防止车架、半轴等出现断裂等强度损 坏，以提高赛车设计寿命； （4）多刚体动力学研究：一般是首先建立多刚体动力学模型，目前大学生 方程式赛车较多研究悬架以及整车的动力学模型，较常用到 Adams 软件；通过 对动力学模型的分析，进行前后悬架的优化设计、以及整车操纵稳定性研究等。
2007 年同济大学的张立国等根据实际模型空间几何关系，建立了汽车断 开式转向梯形机构的数学模型，以转向梯形的杆长和角度参数作为设计变量，以 实际转角与理想的转角的差值作为目标函数，整车参数对转向机构的约束作为约 束条件，对转向梯形机构进行优化设计。经过分析表明，优化结果提高了整车的 转向性能。 2008 年湖南大学的和进军综合利用三维建模(CAD)、多体系统动力学仿 真（MBS）和结构有限元分析（FEA）等机械系统仿真分析技术，对 FSAE 的转 向节进行了研究，并利用有限元分析的方法对转向节进行了改进优化。 2009 年厦门理工学院的向铁明等根据该校的 28 号 FSC 赛车的整体参数 以及对转向的要求,建立该校转向梯形机构的优化数学模型，并在软件 Matlab 的 辅助下改进了赛车的转向梯形机构。 2011 年奇瑞汽车股份有限公司的刘忠贞等运用空间机构学方法，结合 Mtalab 强大的图形功能及可视化编程，开发出针对麦弗逊式悬架转向梯形机构进行空间断开点分析的计算机程序。根据程序计算出来的结果对汽车转向机构进行 分析和评估，以提高汽车转向性能。 2011 年湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室的姚汉波等，针 对 FSAE 赛车的特殊性提出一种断开式转向梯形机构的优化设计方案，该方法提 高了转向的稳定性，很好的减轻了轮胎的磨损问题。 2013 年洛阳工程学院的姚永玉等基于平面运动学理论,建立齿轮齿条式 转向器转向传动机构的数学模型,应用Matlab的优化工具箱对转向传动机构的相 关参数进行优化设计,对比分析优化前后汽车在常用转角范围内转向稳定性和汽车高速行驶时转向误差引起的轮胎偏磨程度,证明了优化方法的可行性。
本文的主要内容
调研国内外赛车转向系统结构及原理，遵循FSAE竞赛规则完成赛车转向系统设计，转向梯形优化，系统建模与转向性能分析。
主要工作内容：
(1) 调查大学生方程式赛车转向系统设计和优化软件，重点学习MATLAB和Adams软件；
(2) 搜集并阅读大学生方程式赛车转向系统设计和优化分析的相关文献资料（重点是英文文献），并撰写准确全面的文献综述报告；
(3) 熟悉并了解大学生方程式赛车转向系统设计相关资料，提出毕业设计方案的技术路线图；
(4) 建立大学生方程式赛车转向系统的三维建模、动力学建模，进行转向系统的仿真分析与优化设计。利用软件建立整车仿真模型，进行轮跳分析稳态回转特性、转向轻便性、转向回正性仿真试验，分析转向系统性能。
(5) 撰写毕业设计论文，准备答辩

三、技术路线图　
开始

收集材料与数据

转向器与转向梯形的选型

转向参数的设计计算和转向梯形的优化设计

Catia三维建模与ADAMS建模

转向的仿真分析

不合理
`

操稳性仿真实验

转向的优化分析

结束

合理

转向的优化目标

四、详细工作计划

项目执行阶段
时间节点
执行内容
计划用时
备注
知识储备期
1月16日至 2月20日
通过互联网、图书馆等方式收集F1赛车及转向系统相关资料
5天

对赛车转向有个大体的认知
5天
在此期间完成文献翻译任务、自学Catia，熟悉赛事对转向的设计要求
26天
原始设计阶段
2月21日至 3月21日
学习和参考各院校的赛车转向设计，进行初步转向选型，完成开题工作
15天
应及时向张教授汇报进度
对选型后的转向系统进行初步计算
10天
对转向的计算结果进行分析和整理
5天
建模分析阶段
3月22日至 4月30日
用Catia制转向系统三维模型
5天

学习Adams软件，建立转向和整车的动力学模型
15天
进行车轮的跳动分析
10天
进行整车操稳性仿真实验分析
10天
修改完善阶段
5月1日 至 5月25日
依据仿真和分析结果对模型进行调整
5天

书写毕业设计说明书
10天
通过三维模型建立转向的工程图
15天
答辩准备阶段
5月26日 6月10日
完善说明书和工程图
10天

制作答辩PPT
6天
答辩
6月12日
答辩准备

五、参考文献
[1] 姚永玉.基于平面运动学理论建立齿轮齿条式转向器转向传动机构的数学模型. 洛阳,洛阳工程学院.2013.
[2] 王望予.汽车设计（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 余志生.汽车理论（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4] 张代胜.汽车理论 [M].合肥：合肥工业大学出版社 2011.10.
[5] 卢剑伟.汽车构造/下 [M].合肥：合肥工业大学出版社 2011.4.
[6] 姚汉波. FSAE方程式赛车转向系统的仿真与优化 [J]. 计算机仿真,1006- 9348(2011) 04- 0349- 04.
[7] 张凯. FSAE方程式赛车转向梯形的联合优化设计[J]. 汽车实用技术, 1671－7988（2015）04－72－03.
[8] 邓召文，李松涛.基于ADAMS的FSAE赛车转向梯形优化设计[J]. 拖拉机与农用 运输车, 1006－0006( 2015) 04－0051－04.
[9] 和进军.基于FSAE整车动力学仿真的转向节CAE分析研究.长沙，湖南大学.
[10] 赵聪.FSAE赛车转向系统设计及性能分析.合肥，合肥工业大学.
[11] 宋芷伊,贺雨晴.大学生 F1 赛车转向系统仿真及优化设计. 南方农机,1672-3872（2016）06-0069-02.
[12] Sandeep V. A Novel Technique to Establish Various Important Characteristic to Analyze Complete Hydraulic Power Steering System using Model Based Design Approach.SAE, 10.4271/2017-26-0259.
[13] 郭卫东.ADAMS 2013应用实例精解教程 机械工业出版社
[14] 李增刚. ADAMS入门详解与实例 .国防工业出版社
[15]董恩国.基于ADAMS的车轮定位参数及转向机构优化设计[D].天津:天津大学，2006.
[16」靳立强，宋传学，彭彦宏.基于回正性与轻便性的前轮定位参数优化设计[[J].农业机械学报，2006, 37(11): 20-23.
[17] A Mihailidis, Z Samaras, I Nerantzis, G Fontaras, and G Karaoglanidis. The Design of aFormula Student Race Car[J]. IMechE Vol. 223 Part D: J. Automobile Engineering, 2011.
指导教师评语：（建议填写内容：对学生提出的方案给出评语，明确是否同意开题，提出学生完成上述任务的建议、注意事项等）

指导教师签名：
20 年 月 日

毕业设计过程记录表 （教师填写）
序号
检查
时间
检查
内容
指导教师阶段检查评语
（要指出该阶段存在的问题及解决的方法）
指导教师
签 名
1
3
月
中
旬
1.资料
收集
情况

2.开题
报告
完成
情况

3.外文
翻译
完成
情况

年 月 日
2
4
月
上
旬
1.检查
学生
投入
情况

2.设计
论文
进展
情况

年 月 日
3
5
月
中
旬
1.总体
任务
完成
是否
过半

2.院系
中期
检查
意见

3.存在
问题
及
采取
措施

年 月 日
4
6
月
上
旬
1.审查
论文
质量
注意
英文
摘要
部分

2.答辩
前的
准备
情 况

年 月 日
备注：指导教师应按要求和时间段及时填写，该表格由学生保管，留在毕业设计（论文）现场随时接受校、院两级督导组检察。