畢業(yè)論文：方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算.doc

畢業(yè)論文：方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算畢業(yè)論文：方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算畢業(yè)論文：方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算:2013-9-16 6:46:54畢 業(yè) 設 計 (論文)題 目方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計計算 院(系)別機電及自動化學院專 業(yè)機械工程及自動化摘 要FSAE活動由各高等院校汽車工程或與汽車相關專業(yè)的在校學生組隊參加。FSAE要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，自行設計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車，并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過程中，參賽隊不僅要闡述設計理念，還要由評審裁判對該車進行若干項性能測試項目。在賽車中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)占有重要的地位。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是任何車輛都不可或缺的組成部分,其設計制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接關系到車輛的操縱穩(wěn)定性、安全性等技術性能。汽車操縱穩(wěn)定性又被人們稱為“高速車輛的生命線”。由此，轉(zhuǎn)向系的設計是如此重要。通過對轉(zhuǎn)向系的優(yōu)化設計，來為賽車其他零部件分析優(yōu)化提供思路，以達到對賽車的結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化。FSAE賽車的轉(zhuǎn)向總成包括：方向盤，快拆器，轉(zhuǎn)向柱，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，橫拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)臂。此次設計主要完成總成各個部分的設計計算及它們之間的連接固定。關鍵詞：FSAE；賽車；轉(zhuǎn)向；穩(wěn)定性；總成設計 Abstract Formula SAE is the activity by the higher institutions and automotive engineering or related professional car team at school students. FSAE requirements in accordance with the rules of every team event and the car manufacturing standard, to design and manufacture equations type of small single a leisure car, and with the car participate in all or part of the event link. During the event, the team not only expounds the design concept, but also by the jury for the car to the several performance testing project. In the car steering system has important position. Steering system is any vehicles are an indispensable part of the design and manufacture the quality fit and unfit qua活動由各高等院校汽車工程或與汽車相關專業(yè)的在校學生組隊參加。FSAE要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，自行設計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車，并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過程中，參賽隊不僅要闡述設計理念，還要由評審裁判對該車進行若干項性能測試項目。 1.2 課題簡介在賽車中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)占有重要的地位。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是任何車輛都不可或缺的組成部分,其設計制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接關系到車輛的操縱穩(wěn)定性、安全性等技術性能。汽車操縱穩(wěn)定性又被人們稱為“高速車輛的生命線”。由此，轉(zhuǎn)向系的設計是如此重要。通過對轉(zhuǎn)向系的優(yōu)化設計，來為賽車其他零部件分析優(yōu)化提供思路，以達到對賽車的結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化。 目前，國內(nèi)外大學生車隊的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，因為賽事規(guī)則要求，國內(nèi)車隊的賽車上沒有見到助力轉(zhuǎn)向等輔助系統(tǒng)。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向操作機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。它的作用：保持或者改變汽車行駛方向的機構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關系。課題目的：在于研究滿足中國FSC大學生方程式賽車規(guī)則和技術要求的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關結(jié)構(gòu)零件的使用情況及趨勢，并選擇某個結(jié)構(gòu)進行初步的設計，完成總體設計報告，相關的裝配圖，并可以對部分零件進行詳細設計與相關性能校核。1.3 課題意義綜合運用本科階段相關知識，完成某個總成件或者零件的設計。1）鞏固和擴大專業(yè)理論知識，并把所學的理論知識應用到實踐中去；2）培養(yǎng)機械設計能力，及運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料和編寫技術文件等能力；3）培養(yǎng)觀察、分析、研究、解決實際生產(chǎn)問題的能力；4）同時鍛煉自己制定并執(zhí)行相關計劃的能力；5）可以了解國內(nèi)外大學生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流技術及發(fā)展趨勢。1.4 賽車中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本情況 圖1-2上圖是傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向總成結(jié)構(gòu)圖，其中包括：1方向盤，2轉(zhuǎn)向柱，7、8齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，6橫拉桿，5轉(zhuǎn)向節(jié)臂。 圖1-3FSAE賽車的轉(zhuǎn)向總成基本和傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向總成相似，由于有逃生項目的比賽要求，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多了快拆器。如上圖，包括：1方向盤，2快拆器，3轉(zhuǎn)向柱，4齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，5橫拉桿，6轉(zhuǎn)向節(jié)臂。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是改變汽車的行駛方向和使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛，保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉(zhuǎn)向行駛。1.5 設計軟件本次設計中主要采用了AutoCAD2004、UG7.0等計算機輔助軟件進行賽車轉(zhuǎn)向的設計計算。 AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年生產(chǎn)的自動計算機輔助設計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。.dwg文件格式成為二維繪圖的事實標準格式。具有易于掌握、使用方便、體系結(jié)構(gòu)開放等特點，廣泛應用于機械、建筑、電子、航天、造船、石油化工、土木工程、冶金、農(nóng)業(yè)、氣象、紡織、輕工業(yè)等領域。 UG從CAM發(fā)展而來。20世紀70年代，美國麥道飛機公司成立了解決自動編程系統(tǒng)的數(shù)控小組，后來發(fā)展成為CAD/CAM一體化的UG1軟件。90年代被EDS公司收并，為通用汽車公司服務。2007年5月正式被西門子收購；因此，UG有著美國航空和汽車兩大產(chǎn)業(yè)的背景。 是一個比較強大的三維建模軟件。 第2章 賽事規(guī)則對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求及總成布置2.1 賽事規(guī)則對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求1) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須至少能作用在兩個車輪上。2) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須安裝有效的轉(zhuǎn)向限位塊，以防止轉(zhuǎn)向連桿結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)（四桿機構(gòu)在一 個節(jié)點處發(fā)生反轉(zhuǎn)）。限位塊可安裝在轉(zhuǎn)向立柱或齒條上，并且必須防止輪胎在轉(zhuǎn)向行駛時接觸懸架、車身或車架部件。3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過7 度（在方向盤上測量）。4)允許使用后輪轉(zhuǎn)向，但其轉(zhuǎn)向角必須機械限位在3 度（從正前方測量）。5)方向盤必須與前輪機械連接。禁止使用線控轉(zhuǎn)向。6)方向盤必須安裝在快拆器上，必須保證車手在正常駕駛坐姿并配戴手套時可以操作快拆器。7) 方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形。例如：方向盤的外輪廓可以有一些部分趨向直線，但不可以有內(nèi)凹的部分。禁止使用H 形，8 型或分開式方向盤。8)方向盤最高點不能超過前圈最高點2.2轉(zhuǎn)向系的設計要求： 1) 保證汽車有較高的機動性，在有限的場地面積內(nèi)，具有迅速和小半徑轉(zhuǎn)彎的能力， 同時操作輕便2) 汽車轉(zhuǎn)向時，全部車輪應繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，不應有側(cè)滑3) 傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖要盡可能的小4) 轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應自動回正，并應使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)5) 發(fā)生車禍時，當轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸由于車架和車身變形一起后移時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最好 有保護機構(gòu)防止傷及乘員. 2.3賽車的一些具體參數(shù)如下：長/寬/高：2700/1300/1100軸距：1550mm輪距：1200mm整備質(zhì)量：180kg 發(fā)動機：亞翔LD450發(fā)動機排量：450cc最大功率：32kw/7500r最大扭矩：42.5Nm/6500r懸架：不等長雙橫臂獨立懸架制動：四輪盤式制動轉(zhuǎn)向：斜齒齒輪齒條式2.4轉(zhuǎn)向總成的布置：圖2-1主銷定位參數(shù)根據(jù)主銷定位參數(shù)，采用前置梯形設計,轉(zhuǎn)向總成布置圖如圖2-1。 圖2-1 賽車整體布置 第3章 轉(zhuǎn)向器的設計3.1轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式方案的確定3.1.1齒輪齒條式 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、質(zhì)量輕；傳動效率高達90%；可自動消除齒間間隙；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：逆效率高（60%70%）。因此，汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應用于微型、普通級、中級和中高級轎車上。裝載量不大、前輪采用獨立懸架的貨車和客車也有采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 3.1.2蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器由蝸桿和滾輪嚙合而構(gòu)成。主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；制造容易；強度比較高、工作可靠、壽命長；逆效率低。主要缺點是：正效率低；調(diào)整嚙合間隙比較困難；傳動比不能變化。 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器有固定銷式和旋轉(zhuǎn)銷式兩種形式。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又有單銷和雙銷之分。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：傳動比可以做成不變的或者變化的；工作面間隙調(diào)整容易。固定銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易。但銷子的工作部位磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損慢，但結(jié)構(gòu)復雜。要求搖臂軸有較大的轉(zhuǎn)角時，應采用雙銷式結(jié)構(gòu)。雙銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)復雜、尺寸和質(zhì)量大，并且對兩主銷間的位置精度、螺紋槽的形狀及尺寸精度等要求高。此外，傳動比的變化特性和傳動間隙特性的變化受限制。蝸桿滾輪式和蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器應用較少。3.1.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動副。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦變成滾動摩擦，因而傳動效率可以達到75%85%；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺母、螺桿上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向系的傳動比可以變化；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進行；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向 器。布置方便，特別適合大、中型車輛和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合使用，目前循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要是用于商用車上。 由以上分析，及設計初始條件比較可以確定，我所要設計方程式賽車將采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。而由于整個賽車質(zhì)量比較輕，不需要采用動力轉(zhuǎn)向裝置，這種轉(zhuǎn)向器也十分符合方程式賽車的轉(zhuǎn)向要求。 3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的介紹齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器： 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。圖3-1 兩端式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器1.轉(zhuǎn)向橫拉桿 2.防塵套 3.球頭座 4.轉(zhuǎn)向齒條 5.轉(zhuǎn)向器殼體 6.調(diào)整螺塞 7.壓緊彈簧 8.鎖緊螺母 9.壓塊 10.萬向節(jié) 11.轉(zhuǎn)向齒輪軸 12.向心球軸承 13.滾針軸承（一）兩端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖3-1所示，作為傳動副主動件的轉(zhuǎn)向齒輪軸11通過軸承12和13安裝在轉(zhuǎn)向器殼體5中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)*10和轉(zhuǎn)向軸連接。與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條4水平布置，兩端通過球頭座3與轉(zhuǎn)向橫拉桿1相連。彈簧7通過壓塊9將齒條壓在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調(diào)整螺塞6調(diào)整。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向器齒輪11轉(zhuǎn)