大学生方程式赛车转向系统优化设计毕业设计中期报告.doc

毕业设计（论文）题目：大学生方程式赛车转向系统优化设计 专业：车辆工程 学生信息： 学号 姓名 班级 车辆工程093班 指导教师信息：教师号 姓名 职称 副教授 中期具体工作及进展 本阶段的预期目标是完成方程式赛车转向系统转向器设计。通过前一段时间的设计，完成了转向系统的基本分析和转向器的详细设计，使其贴合大赛规则，并利用UG完成了转向器的详细建模。 1.1 转向系统的大体设计 结合赛规、往届各车队赛车参数及名次，选定整车的基本信息如下： 名称 轴距L 前轮距B 后轮距B′ 最小转弯半径R 数值 1600 mm 1250 mm 1200 mm 3810 mm 名称 车手重 车重（采用CBR600发动机） 轮辋 轮胎 数值 70 kg 220 kg 万丰13吋 Hoosier21吋 名称 方向盘最大转角 数值 260° 表1 方程式赛车的转向盘位于赛车中间部位，驾驶舱又较小，采用中间输出或者一端输出形式不便于布置， 所以确定转向器输入形式为“中间输入、两端输出”，如图1： 图1 与齿轮齿条式转向器配用的转向梯形布置有以下四种： A转向器位于前轴后方、后置梯形 B转向器位于前轴后方、前置梯形 C转向器位于前轴前方、后置梯形 D转向器位于前轴前方、前置梯形 图2 如果采用B、C方案，则很容易与前悬架减震器推（拉）杆产生运动干涉，所以和悬架系统设计人员沟通后，选择最合适的一种，并进行梯形的具体设计和优化。 1.2 转向系统的具体设计 1.2.1 转向器角传动比iw 为了避免在赛车转向时产生的路面对汽车行驶的附加阻力过大和轮胎的过快磨损，要求转向系统尽可能地保证在赛车转向时，所有的车轮均作纯滚动。显然，这只有在所有车轮的轴线都相交于一点时方能实现，如图3所示。此交点被称为转向中心，其位置与前轮和后轮的侧偏角大小有关。 图3 L——汽车轴距，1600mm；R——汽车最小转弯半径，3810 mm； B——前轮轮距，1250mm；α——外侧转向轮转角；β——内侧转向轮转角。 根据图示几何关系，算得α=24.83°，β=35.93° 角传动比 iw= （1） 式中，ωw——转向盘转角，度数为260°；ωk——转向轮转角，α+β=60.76° 将数据代入（1）式中，得： iw =4.3 （为设计方便，取iw为4:1） 1.2.2 转向器计算载荷及相关尺寸的确定 主要参照常见汽车转向器的载荷分析过程进行，带入赛车基本参数，算得以下几个相关数据。 原地转向阻力矩MR 22752.0 N·mm 转向盘手力Fh 49.76N 梯形臂长度L2 130mm 转向横拉杆直径dmin 10mm 斜齿轮转矩T1 6319.52Ｎ·mm 表2 1.2.3 齿轮齿条的设计和校核 齿轮轴是一根切有齿的轴，安装在转向器壳体上并与齿条上的齿相啮合，其上端与转向柱相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。 齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在车架前底板固定位置上的。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向。 1.2.3.1齿轮的设计和校核 对于一般的汽车齿轮齿条式转向器设计来说，齿轮的模数取值范围在2~3mm之间，主动小齿轮齿数在5~7个范围变化，压力角取值20°，齿轮螺旋角多为9°~15°。但是考虑到赛车的方向盘转角不到一圈，而齿条总行程160mm，且每啮合一次，齿条走过一个周节（t=πm）的距离，致使所需齿轮较大，所以初选齿数Z1为15。可得： t=16mm m=5.09mm 方向盘转角限制齿轮齿条只能啮合260°，约10对齿，因此可设计为不完全齿轮，按照齿数为15的斜齿轮加工，只切出11个齿，剩余部分保持齿顶高半径。结合齿轮加工过程，从第一系列里选得齿轮的模数mn1为5mm。另外，选择齿轮压力角α1为20°，螺旋角β为13°，变位系数χn=0.7。 通过齿轮相关计算公式，得到齿轮数据如下： 齿轮几何计算 名称 代号 计算结果/mm 齿顶高 ha 8.5 齿根高 hf 2.75 齿高 h 11.25 分度圆直径 d 51.36 齿顶圆直径 da 68.36 齿根圆直径 df 45.86 基圆直径 db 48.26 法向齿厚 sn 10.40 端面齿厚 st 10.47 齿宽 B 72 表3 齿轮精度等级、材料的选择： 由于转向器齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。