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1、目录摘要1Abstract21 绪论31.1 前言31.2 设计思路32 汽车转向系统概述42.1 转向系的主要要求42.2 转向系统分类52.3 转向系布置设计53 转向器的结构型式及选择63.1 循环球式转向器63.2齿轮齿条式转向器63.2.1 材料的选择73.2.2 齿轮齿条式转向器优缺点73.2.3 输入输出形式的选择83.2.4 齿轮啮合方式的选择103.2.5 齿条断面形状113.2.6 齿轮齿条式转向器和转向梯形相对位置114 转向操纵机构125 转向传动机构126 转向梯形的优化设计136.1 转向梯形结构的选择136.2 断开点位置的确定156. 3 转向梯形的设计优化16
2、6.4 用解析法求内、外轮转角关系176.5 转向传动机构的优化设计196.5.1 目标函数的建立196.5.2 设计变量与约束条件206.5.3 转向梯形的计算236.5.4 优化结论277 转向器参数设计277.1 原地转向力矩及转向器手力计算277.2 转向器角传动比及力传动比288 齿轮齿条参数设计及校核308.1 齿轮精度等级、材料及参数的选择308.2齿轮几何尺寸确定308.3齿根弯曲疲劳强度计算308.3.1 齿轮的齿根弯曲强度校核308.3.2 齿面接触疲劳强度校核318.4 齿条参数的设计31结论32致谢33参考文献33F1转向系设计摘要：转向系统在赛车中占有重要的地位，转向
3、系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性。本课题首先通过分析转向系的功能要求，结合转向系统的布置设计，比较各类型的转向器的优缺点，选用齿轮齿条式转向器。然后研究与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构的结构特点和优化设计方法,给出了优化设计的目标函数和设计变量的选择范围, 并结合FSAE赛车的参数用Matlab优化出各个参数。进而对转向器的各个参数进行了设计校核，最终由CATIA得到了转向系总的装配图。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F1赛车的结构整体优化，提高其性能。关键词：大学生方程式，转向系，转向传动机构，齿轮齿条转向器The De
4、sign of F1 Steering SystemAbstract: As an important part of the automobile unit, the steering system plays a critical role in vehicle security, handling stability and driving comfort. Firstly, the paper has an analysis of the function and requirement of the steering system. Considering the layout de
5、sign of the steering system and the advantages of the steering box, a rack and pinion gear is selected.Secondly, the constructional features and optimum design methods of the steering linkage adapted to a rack and pinion steering gear are presented, and the paper gives the target functions in optimu
6、m design, as well as the selective range of design variations. Combined the actual parameters of the FSAE racing car, the parameters of the steering linkage are received by Matlab.Finally, the paper gives a check of the parameters of the rack and pinion, and then through the soft of the CATIA, the a
7、ssembly drawing of the steering system is obtained. Through the optimal design of steering system, the design of the other systems has the similar methods in order to optimize the overall structure of the racing car and improve its performance.Keywords: FSAE, Steering system, Steering linkage, Rack
8、and pinion gear1 绪论1.1 前言所谓F1即Formula One的缩写，是指对赛车汽缸容量等指标在一个共同的方程式限制下进行的比赛，想要单纯靠加大发动机排量、减轻车身重量等手段在F1赛场是行不通的，所以F1是公认对赛车工程技术、设计手段、财力以及人类驾驶技巧和勇气的极端考验。现代F1赛车的设计过程，经过试运行的零件以及经过验证的某些设想会像拼图一样一步一步地被添加到电脑模拟中。通过计算机辅助设计软件（CAD）人们可以进一步进行调整。经过高精度的计算，人们可以运用特殊的软件描绘出新软件以及新款赛车的精确3D图像。转向系统在赛车中占有重要的地位，通过对转向系的优化设计，来为赛车其
9、他零部件分析优化提供思路，以达到对F1赛车的结构整体优化。转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。1.2 设计思路 本课题在综合考虑众多因素的基础上先从转向系最基本的原理入手，经过对汽车的转向系原理的认真学习，来摸索着设计赛车的转向系。设计过程中，先是比较各个类型转向系的优缺点，并结合赛车对转向系的一些特殊要求，最后决定采用齿轮齿条式转向系。因为目前梯形结构的转向系的转角关系较接近理想的转角关系，又鉴于赛车采用独立悬架结构，因此采用断开式梯形结构。断开点的选择以及内、
10、外转角关系曲线的优化方面，不但要考虑转向本身的需要，同时还要考虑转向与车架的配合，首先断开点应该设在车架的两侧，并且转向过程中断开点应一直都在车架的外侧，这样便限定了横拉杆的长度，与转向设计有关的主销距K由悬架设计时确定，轴距由车架来确定。这样一来，转向系的优化过程中只需优化梯形臂长m，梯形底角和主销连线到横拉杆的水平距离h。h 值越大转向越省力，但又考虑到安装的空间问题，h值不能过大。对梯形臂长m 和梯形底角的优化时，采用曲线比拟的方法，将实际内、外转角的关系曲线和理想的内、外转角的关系曲线画在同一张图上，比较两个曲线的接近程度，优化出两个变量的最好组合值。各个杆件的参数变量确定以后，要开始
11、设计转向器，首先，根据最小半径的要求计算出车轮的最大转角，然后综合各种因素确定转向器的传动比，之后根据以上参数确定转向器齿轮齿条的参数。转向器的结构设计，首先考虑到转向器的结构设计，首先考虑到转向器的安装空间问题，根据空间确定了满足功能的转向器的总体尺寸模型的大小，再在这个模型的基础上分割出各个零件的尺寸要求，在保证各个功能要求的基础上，设计出转向器的各个部件。2 汽车转向系统概述转向系是用来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。转向系由转向器、转向操纵机构和转向传动机构组成。转向操纵机构又包括方向盘、转向轴、转向管柱。转向传动机构包括转向摇臂、转
12、向横拉杆、转向节臂。2.1 转向系的主要要求1 1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。 2）汽车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。 3）汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动。 4）转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。 5）保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。 6）操纵轻便。 7) 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。 8) 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而
13、产生间隙的调整机构。 9) 在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 10) 进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致。2.2 转向系统分类随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（SBW）。 按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。 机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构一系列的杆件传递
14、到转向轮来使转向偏转。 机械式转向系统工作过程为：驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2 级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而实现汽车的转向。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。 机械转向器是将驾驶员对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。 机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻
15、便，多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。 2.3 转向系布置设计转向系统的布置先从转向器的布置开始的。转向器的布置首先要考虑对中性，要将转向器不知在车架的正中间位置，才能保证左右转向的对称和灵活。其次，转向器要保证不和车架干涉，且车手的腿能够伸缩自如，能够方便灵活地踩踏刹车盘和油门。横拉杆的位置也随着转向器位置的确定而确定了，同时梯形臂的位置也根据轮辋的位置、设计长度和角度以及加工需要，确定了位置。因此转向系统和车架的连接等也都确定了。接着就要考虑转向器和方向盘之间的连接。转向器轴是竖直放置的，而方向盘的放置需要和竖直方向有一定得夹角，因此，两者的连接就需要采用三节式万向节。同时方向盘还要固定在车架上，以防止方向盘晃动。3 转向器的结构型式及选择根据所采用的转向传动副的不同转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。下面分别介绍几种常见的转向器。23.1 循环球式转向器循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-曲柄销式。它们各有两个传动副，前者为：螺杆
