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方程式赛车转向系统设计(转向系统)(有exb图 三维图).rar

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    方程式赛车 转向 系统 设计 exb 三维
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    毕 业 设 计(论 文) 题目 大学生方程式赛车设计(转向器设计)2013 年 5 月 30 日I方程式赛车转向系统设计(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角传动比为 3.67;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。关键词:赛车,转向,UG,转向梯形,运动分析,齿轮齿条IIThe 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 car 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 applied 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 corresponding 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 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 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 model 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 III目 录第一章 绪 论 ...............................................................................................1§1.1 Formula SAE 概述 .........................................................................1§1.1.1 背景 .......................................................................................1§1.1.2 发展和现状 ...........................................................................2§1.2 中国 FSAE 发展概况 ....................................................................2§1.3 任务和目标 ....................................................................................3第二章 转向系设计方案分析 .....................................................................4§2.1 赛车转向系概述 ............................................................................4§2.2 转向系的基本构成 ........................................................................4§2.3 转向操纵机构 ................................................................................4§2.4 转向传动机构 ................................................................................6§2.5 机械式转向器方案分析 ................................................................6§2.5.1 齿轮齿条式转向器 ...............................................................6§2.5.2 其他形式的转向器 ...............................................................8§2.5.3 转向器形式的选择 ...............................................................9§2.6 赛车转向系统传动比分析 ............................................................9§2.7 转向梯形机构的分析与选择 ......................................................10§2.7.1 转向梯形机构的选择 .........................................................10§2.7.2 断开式转向梯形参数的确定 .............................................10§2.7.3 转向系内外轮转角的关系的确定 .....................................12§2.7.4 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 ...................................................................16§3.1 转向器的效率 ..............................................................................16§3.1.1 转向器的正效率 η+............................................................16§3.1.2 转向器的逆效率 η-.............................................................17§3.2 传动比的变化特性 ......................................................................17§3.2.1 转向系传动比 .....................................................................17§3.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系 .................................18IV§3.2.3 转向系的角传动比 .........................................................19woi§3.2.4 转向器角传动比及其变化规律 .........................................19§3.3 转向器传动副的传动间隙 Δt .....................................................20§3.3.1 转向器传动间隙特性 .........................................................20§3.3.2 如何获得传动间隙特性 ......................................................21§3.4 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 ...................................................23§4.1 转向系计算载荷的确定 ..............................................................23§4.1.1 原地转向阻力矩 MR 的计算 .............................................23§4.1.2 作用在转向盘上的手力 Fh................................................23§4.1.3 转向横拉杆直径的确定 ......................................................24§4.1.4 初步估算主动齿轮轴的直径 ..............................................24§4.2 齿轮齿条式转向器的设计 ..........................................................25§4.2.1 齿条的设计 .........................................................................25§4.2.2 齿轮的设计 .........................................................................25§4.2.3 转向横拉杆及其端部的设计 .............................................25§4.2.4 齿条调整 ..............................................................................26§4.2.5 转向传动比 ..........................................................................27§4.3 齿轮轴和齿条的设计计算 ..........................................................28§4.3.1 选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 .................28§4.3.2 初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸 .............................29§4.3.3 确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 ..................................30§4.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的运动分析 ..................................31§4.5 齿轮齿条传动受力分析 ..............................................................32§4.6 齿轮轴的强度校核 ......................................................................32§4.6.1 轴的受力分析 ......................................................................32§4.6.2 判断危险剖面 ......................................................................33§4.6.3 轴的弯扭合成强度校核 ......................................................33§4.6.4 轴的疲劳强度安全系数校核 ..............................................33第五章 转向梯形的优化设计 ...................................................................36§5.1 目标函数的建立 ..........................................................................36V§5.2 设计变量与约束条件 ..................................................................37§5.2.1 保证梯形臂不与车轮上的零部件发生干涉 .....................37§5.2.2 保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角 ..............38§5.2.3 保证有足够大的传动角 α...................................................38第六章 基于 UG 运动仿真的转向梯形设计与优化 ...............................41§6.1 建立 UG 三维模型 ......................................................................41§6.2 基于 UG 工程图模块的转向机动图 ..........................................42§6.3 UG 模型以及基于 UG 高级仿真的零部件校核 ........................42§6.4 UG 装配模型检查干涉问题 ........................................................43第七章 结论 ...............................................................................................45参考文献 .....................................................................................................46致 谢 ...........................................................................................................471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。它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。另外,这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因素,比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。制造公司日产能力要达到 4 辆,并且原型车的造价要低于 25,000 美元。对于设计团队来说,挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下,设计和制造出最能满足这些目的的原型车。每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整车。§1.1.2 发展和现状2从世界范围来看,当今有三个地区有 Formula SAE 的学生竞赛,即美国、欧洲、澳洲。70 年代中期,几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。SAE MiniBaja 的名称沿袭了著名的墨西哥 Baja 1000 汽车比赛。第一届 SAE Mini Baja 比赛于 1976 年举办,并且迅速成为一个地区性的年度比赛。比赛由三个评判标准组成,即一天的静态比赛——设计、成本、陈述——接着一天是各自的性能竞赛 2 项目。Mini Baja 比赛重点强调了地盘的设计,因为每个队伍都使用一个 8 匹马力的引擎,这一点无法改变。在过去的 20 多年里,SAE Mini Baja 的成功超乎了每个人的预期。在 SAE Mini Baja 的成功获得各界认同的同时, SAE 联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛,这就是Formula SAE。FormulaSAE 相比 SAE Mini Baja 有着许多进步和发展,引擎的限制也已经大大放宽,允许参赛车队使用 610cc 以下的发动机,这极大地提升了赛车的性能表现。在发达国家,很多高校已经从事 Formula SAE 超过 20 年时间,拥有大量资金和试验基础的情况下,他们的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 加速时间一般都在 4.5s 以内。从原先在 SAE Mini Baja 比赛中的 8hp 发动机到现今 Formula SAE 中已经超过 100hp 的大功率发动机,Formula SAE 在多方面都取得了惊人的成绩,并且该项比赛一直保持了发展的态势。§1.2 中国 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、湖南大学等极少数的知名院校参加过此类赛事,具有参赛经验。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的减震器,增加了前后横向稳定杆,增加了悬架刚度和侧倾刚度;转向梯形转至座舱顶部,改善座舱内部空间,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结构,是赛车前后轴制动力分配比例可调,以适应不同的路面情况;车身造型方面保证空气动力学要求的同时,使赛车更加美观,添加两侧冷却风气道,改善冷却系统。厦门理工车队的车在北美获得“燃油经济性”和 “新秀奖”两个单项亚军。他们的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3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试验、基于有限元的 FSAE 赛车车架的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,经齿条两端的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。他的转向器上还没有设置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。并且湖大的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的影响也没有考虑,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。我们此次设计旨在设计出结构更合理,转向性能更好的赛车转向系统,以缩小与外国车队的差距。§1.3 任务和目标任务和目标主要分成两个部分:1、设计一个达到一定性能并符合 FSAE 竞赛相关规定的方程式赛车的专项系统。2、立足国内的采购条件以及目前项目可以达到的加工条件,通过购买可以通用的部件、改装符合条件的通用部件以及制造所有其他部件,完成赛车转向系统的制造、装配和调试。在这个过程中必须兼顾成本、性能和可靠性三个方面。4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的主要系统,它是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构,在赛车行驶时,保证各转向轮之间有协调的转角关系。我们转向系统设计的主要任务是:学习大学生方程式赛车规则,根据相关车型的国内外资料,以及一些相关调查和报告,对设计任务进行分析研究,形成具体的技术方案,完成转向系各主要方面的设想,为进一步具体设计计算提供依据。如所设计的汽车具有什么样的性能,采用何种形式的转向器,何种形式的转向梯形,怎么布置转向系的各部件,采用什么新结构、新技术,以及为满足各方面的要求需要采取什么措施等,从而保证所设计的汽车不仅在预定的使用条件下具有良好的使用性能、重量轻、寿命长、结构简单、使用方便、经济性好等,综合指标方面上要不断缩小与世界先进水平的差距。§2.2 转向系的基本构成图 2-1 转向系统的组成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
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