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1、本科毕业设计本科毕业设计 题目：大学生方程式赛车四轮转向系统设计学 院: 专 业: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 日 期:二一六年六月I摘 要大学生方程式汽车大赛（Formula SAE）由各国的汽车工程师协会 (Society of Automotive Engineers)举办。随着比赛的发展，一系列先进的技术和工艺被开发并应用。与传统的两轮转向赛车相比，四轮转向赛车在低速时转向半径更小，具有更好的灵活性；在高速时回避障碍物的操纵稳定性响应更好，具有更好的安全性，能够提高赛车的操纵性。本设计结合规则要求对赛车转向系统进行了总布置。根据前后轮转角大小差异，对前后转向器进行选型，前轮选择齿
2、轮齿条式转向器，后轮选择摇块式转向器，并对所选转向器进行设计、校核、三维建模及装配。根据所选转向器形式，匹配了相应的转向梯形。以阿克曼转角关系为期望函数，对前后转向梯形进行建模并利用非线性函数进行优化。以零化侧偏角为控制目标，利用比例控制方法确定前后转角关系，对不同车速下四轮转向赛车和仅前轮转向赛车的角阶跃响应情况进行对比仿真研究。设计、优化及仿真结果表明，本四轮转向系统达到预期目标，对四轮转向赛车设计具有实际指导意义。关键词： 大学生方程式（FSAE）； 四轮转向； 转向梯形； 比例控制； 角阶跃响应AbstractFormula SAE is organized by Society of
3、 Automotive Engineers. With the development of FSAE, a series of advanced technologies and technics have been applied. Compared with traditional two wheel steering car, four wheel steering car steering radius is smaller in low speed, which is more flexible. In high speed four wheel steering car is h
4、andling stability and response better. So it can improve the maneuverability of a racing car.Based on FSAE rules, completing the general arrangement of the steering system. According to the difference of the angle between front and rear wheels, selecting the type of front and rear steering boxes, ra
5、ck and pinion steering gear as the type of front steering box and swing block as the rear. Designing, checking, modeling and assembling the selected steering box. Depending on the selected steering boxes form, matching the corresponding steering trapezoid. In relation to the desired angle Ackerman f
6、unction, modeling the front and rear steering trapezoid and going nonlinear optimization. Taking Zero Sideslip angle as the control target to determine the relationship between the front and rear steering angle of the car. Comparing the angle step response of four-wheel steering racing car with only
7、 front steering racing car at different speeds.Design, optimization and simulation results show that the four-wheel steering system achieves the desired objective, and provides a practical guide to design this kind of four wheel steering car.Key words: FSAE; 4WS; Steering trapezium; Proportional con
8、trol; Angle step response目 录1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 四轮转向国内外研究现状11.3 比赛规则对转向设计的限制21.4 本文主要研究内容22 总体布置方案42.1 整车基本参数42.2 转向器选型42.2.1 前轮转向器选型42.2.2 后轮转向实现方式及转向器选型52.2.3 后轮转向电机选型及主要参数52.3 转向梯形的布置62.3.1 前轮转向梯形布置62.3.2 后轮转向梯形布置63 转向器设计83.1 前轮转向器设计83.1.1 前轮最大转向角度83.1.2 前轮转向器角传动比103.1.3 前轮转向器载荷103.1.4 转向齿轮设计与校核
9、113.1.5 转向齿条的设计143.2 后轮转向器设计153.2.1 后轮转向器角转动比153.2.2 后轮转向器载荷154 转向梯形优化174.1 前轮转向梯形优化174.1.1 前轮阿克曼转向几何关系174.1.2 前轮转角关系函数184.1.3 优化目标函数194.1.4 设定约束条件194.1.5 前轮内外侧车轮转向角误差分析204.2 后轮转向梯形优化224.2.1 后轮阿克曼转向几何关系224.2.2 后轮转角关系函数234.2.3 后轮内外侧车轮转向角误差分析245 四轮转向控制策略265.1 四轮转向的控制方式265.2 后轮转角计算分析265.2.1 前后轮转向比计算265
10、.2.2 角阶跃输入响应分析296 总结与展望336.1 总结336.2 不足与展望33参考文献34附录A36附录B371 绪论1.1 课题背景及意义大学生方程式汽车大赛（Formula SAE）由各国的汽车工程师协会 (Society of Automotive Engineers)举办，参赛成员为本科生和研究生，其中中国大学生电动方程式可以允许博士生参加，但不得超过三人。大赛的理念是让学生团队模拟一家制造公司开发一种小型方程式赛车。开发的原型赛车是为了评估其产品潜力，包括商业、成本等商业潜力和加速性、稳定性等性能潜力。大学生方程式汽车大赛历史悠久，创立于1978年，由SAE Mini In
11、dy发展而来，至今举办国已有美国、德国、日本、澳大利亚、巴西、英国、意大利、西班牙和中国，共11站赛事。全球有数百支学府组成的高校车队参赛。为了保证比赛的安全性和公平性，大赛具有一定的规则。该规则能够让参赛车队在安全的前提下，最大限度地发挥自身的创造力，同时使比赛具有一致的评价标准。参赛车队所面临的挑战在于要研制出一辆能够满足所有规则要求并且各方面性能优异的赛车。比赛本身给了参赛车队一个同来自国内外大学车队同场竞技的机会，以展示和证明队员的创造力和工程实践水平。为评价赛车的性能，动态比赛分为：直线加速、8字绕环、高速避障、耐久赛和燃油经济性。其中，8字绕环、高速避障和耐久赛对赛车转向时的稳定性
12、要求较高。与传统的两轮转向赛车相比，四轮转向赛车在低速时转向半径更小，具有更好的灵活性；在高速时回避障碍物的操纵稳定性响应更好，具有更好的安全性。同时，在2016中国大学生方程式汽车大赛规则中明确指出允许后轮转向。本校FSC赤骥车队成立于2013年11月，截止目前已经参加过两次中国大学生方程式汽车大赛。本文主要涉及赛车的四轮转向系统设计，设计的基础参数基于参加2015大赛的赛车。1.2 四轮转向国内外研究现状四轮转向技术（4WS）始于20世纪初期的日本，本田公司发明了四轮转向轿车本田Prelude。本田Prelude的四轮转向机构有两种工作模式，后轮与前轮逆相位转向使得汽车在转向时有更小的转向
13、半径；同相位转向使得汽车在变换车道或者紧急避障时有更好的稳定性。该系统主要根据方向盘的转角大小来确定后轮转向的相位。后来马自达汽车公司也研制出了一种四轮转向系统，在马自达602轿车上使用。与本田公司不同，该系统主要根据车速的大小来确定后轮转向的相位。在低速时，汽车后轮与前轮反向转动；高速时，汽车后轮与前轮同向转动。其后轮转向的最大角度与本田公司的相同，为51。国内的四轮转向技术研究起步较晚，成品只在部分商用汽车上使用，如大型客车、飞机牵引车，大部分还处于实验阶段。随着四轮转向研究的发展，其和线控转向、差速转向的联系也越来越密切，汽车的整体控制向着电气化、智能化的方向更进一步。四轮转向车辆的前转
14、向器一般沿用原有前轮转向车辆的转向器。对于后转向器，早期使用机械式转向器，但随着控制方式的发展，单纯的机械式转向器已经不能满足期望，后转向器逐渐向着液力及电控的方向发展。在介绍四轮转向技术的文献中，对转向梯形部分介绍较少，主要偏向于控制策略，其中有部分原因是研究内容偏向于四轮独立转向，脱离了传统机械连接的转向梯形。有少许介绍前后转向梯形的文章2，在分析前轮转向梯形时，忽略后轮转向的影响，分析后轮转向梯形时，将前后轮转角设为定比例关系3。其原因是机械式转向梯形决定的内外侧转角受到杆长关系的限制，难以满足控制策略的需求。在转向梯形的优化方面，由于约束条件中的压力角限制部分为非线性约束，所以如果使用
15、MATLAB优化，一般选用fmincon函数。在中国大学生方程式汽车大赛中，由于后轮转向刚被明确允许，所以在比赛中还没有使用。1.3 比赛规则对转向设计的限制由于比赛规则对设计具有指导和限制作用，所以先将部分与转向有关的规则事先说明4。（1） 方向盘必须与前轮机械连接。前轮禁止使用线控转向及电控转向。（2） 允许后轮转向（可采用电控转向方式），但后轮的角位移需要被机械限位装置限制在最大6度范围内。在技术检查中，车手必须坐在赛车中演示，并且车队必须提供设备证明转向的角度范围。（3） 转向齿条必须与车架机械连接。如使用螺栓，必须满足规则第二章 11.2 中的要求。（4） 连接方向盘和转向齿条的连接件必须通过机械连接，并且在技术检查中可见。不允许使用没有机械支撑的粘接方式。1.4 本文主要研究内容在满足规则要求的前提下，设计出符合要求的四轮转向系统。由于大学生方程式比赛中对于前轮转向的研究比较成熟，所以本文主要关
