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1、车辆与动力工程学院毕业论文河 南 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文） 题目 方程式赛车前、后悬架及转向系统设计（转向系统）姓 名 陈斌 院 系 车辆与动力工程学院 专 业 车辆工程 指导教师 牛毅 2010年 6 月 3 日方程式赛车前、后悬架及转向系统设计（转向系统）摘 要赛车转向系的设计对赛车转向行驶性能、操纵稳定性等性能都有较大影响。在赛车转向系设计过程中首先通过转向系统受力计算和UG草图功能进行运动分析，确定转向系的传动比，确定了方向盘转角输入与轮胎转角输出之间的关系；运用空间机构运动学的原理,采用Matlab软件编制转向梯形断开点的通用优化计算程序,确定汽车转向梯形断开点的最佳位
2、置,从而将悬架导向机构与转向杆系的运动干涉减至最小；然后采用UG运动分析的方法,分析转向系在转向时的运动,求解内外轮转角、拉杆与转向器及转向节臂的传动角、转向器的行程的对应关系,为转向梯形设计及优化提供数据依据。 完成结构设计与优化后我们对转向纵拉杆与横拉杆计算球铰的强度与耐磨性校核以及对一些易断的杆件进行了校核计算，确保赛车有足够的强度与寿命。完成了对转向轻便性的计算，我们计算了转向轮的转向力矩M转，转向盘上作用力p手以及转向盘回转总圈数n，以确认是否达到赛车规则中所规定的要求以及转向的灵活性与轻便性。最后我们建立三维模型数据进行预装配，在软件上检查我们设计的转向系是否存在干涉等现象以及检查
3、我们的转向系是否满足我们的设计要求，对我们的设计进行改进。我们还计划采用adams柔性体单元建立转向系统模型，以提高模型仿真优化的精确度。关键词：赛车，转向，UG，转向梯形，运动分析，齿轮齿条The design of Formula front and rear suspension and steering system (steering system) ABSTRACTSteering System Design of a car has a significant impact of driving performance, steering stability. In the ca
4、r design process, first through the steering force calculations and the UG kinetic analysis we determine the ratio of steering system, the relationship between the wheel angle input and output; The principles of spatial mechanism kinetics and a related optimization program by using Matlab are applie
5、d to the calculation of the spatial motion of the ackerman steering linkage. By using the method,the interference between suspension guiding mechanism and steering linkage is minimized; then UG kinetic analysis is used to analysis the motion of steering system when turning and calculating the corres
6、ponding relation between the turning angle of inside and outside wheels, the transmission angle of steering linkage and steering box or steering linkage and track-rod, and steering box stroke. And it provides a theoretical basis for designing and optimizing the steering trapezoidal mechanism. After
7、the work we calculate the ball joints tie rod strength and wear resistance, and some calculations was made on some dangerous bars, to ensure the 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
8、 wheel on the hands and the total number of turns , to meet the requirements in the car ruls. Finally, we set up pre-assembled three-dimensional model data, checking the steering we designed whether there is interference phenomena and to examine whether our steering meet our design requirements, to
9、improve our design. We also plan to use adams flexible body element to establish steering system model to improve the accuracy of simulation and optimization models. KEY WORD：FSAE，UG, steering trapezoid, motion analysis, rack and pinion 34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 中国FSAE发
10、展概况21.3 任务和目标3第二章 转向系设计方案分析42.1 赛车转向系概述42.2 转向系的基本构成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62.5.3 转向器形式的选择92.6 赛车转向系统传动比分析92.7 转向梯形机构的分析与选择102.7.1 转向梯形机构的选择102.7.2 断开式转向梯形参数的确定102.7.3 转向系内外轮转角的关系的确定122.7.4 MATLAB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163.1 转向器的效率163.1.1 转向器的正效率+163.1.2 转向器的逆效率-173
11、.2 传动比的变化特性173.2.1 转向系传动比173.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系183.2.3转向系的角传动比iwo193.2.4转向器角传动比及其变化规律193.3 转向器传动副的传动间隙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 转向系传动比的确定22第四章 齿轮齿条式转向器设计与计算234.1 转向系计算载荷的确定234.1.1 原地转向阻力矩MR的计算234.1.2 作用在转向盘上的手力Fh234.1.3转向横拉杆直径的确定244.1.4初步估算主动齿轮轴的直径244.2 齿轮齿条式转向器的设计244.2.1 齿条的设计254.2.2
12、 齿轮的设计254.2.3 转向横拉杆及其端部的设计264.2.4齿条调整264.2.5转向传动比274.2.6 齿轮齿条式转向器的设计要求284.3齿轮轴和齿条的设计计算284.3.1选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力284.3.2初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸294.3.3确定齿轮传动主要参数和几何尺寸304.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析304.5 齿轮齿条传动受力分析314.6 齿轮轴的强度校核324.6.1轴的受力分析324.6.2判断危险剖面334.6.3轴的弯扭合成强度校核334.6.4轴的疲劳强度安全系数校核334.7 齿轮轴轴承的校核35第五章 转向梯形的优化设
13、计365.1目标函数的建立365.2设计变量与约束条件375.2.1保证梯形臂不与车轮上的零部件发生干涉375.2.2保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角385.2.3保证有足够大的传动角38第六章 基于UG运动仿真的转向梯形设计与优化416.1建立UG三维模型416.2建立连杆特性416.3建立运动副426.4运动驱动426.5 参数设定及输出436.6 试验验证效果436.7 基于UG工程图模块的转向机动图456.8 UG模型以及基于UG高级仿真的零部件校核466.9 UG装配模型检查干涉问题47第七章 结论48参考文献49致谢50第一章 绪论1.1 Formula SAE 概述1.1
14、.1 背景Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of AutomotiveEngineers 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。Formula SAE 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。Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型
15、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。Formula SAE 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。Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。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
