毕业论文：方程式赛车的转向系统设计计算

毕 业 设 计 (论文)

题 目 方程式赛车的转向系统设计计算
院(系)别 机电及自动化学院
专 业 机械工程及自动化

摘 要
FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。
在赛车中转向系统占有重要的地位。转向系统是任何车辆都不可或缺的组成部分,其设计制造质量的优劣直接关系到车辆的操纵稳定性、安全性等技术性能。汽车操纵稳定性又被人们称为“高速车辆的生命线”。由此，转向系的设计是如此重要。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，以达到对赛车的结构整体优化。
FSAE赛车的转向总成包括：方向盘，快拆器，转向柱，齿轮齿条转向器，横拉杆，转向节臂。此次设计主要完成总成各个部分的设计计算及它们之间的连接固定。

关键词：FSAE；赛车；转向；稳定性；总成设计
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, a
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2.4 总成布置 6
第3章 转向器的设计 8
3.1 转向器结构形式方案的确定 8
3.2 齿轮齿条式转向器的介绍 9
3.3 转向系主要性能参数 10
3.4 齿轮齿条的设计 13
3.5 转向器外壳的设计 19
第4章 横拉杆的设计 20
4.1 转向梯形的设计要求 20
4.2 转向梯形结构方案确定 20
4.3 断开式转向梯形设计 22
4.4 横拉杆的设计 27
第5章 转向节臂的设计 30
5.1转向节臂的设计要求 30
5.2方案分析确定 17
5.3设计步骤 19
第6章 转向柱的设计 32
6.1 转向柱的设计要求 32
6.2 方案分析确定 33
6.3 设计步骤 34
第7章 快拆器的选型 35
7.1 方案比较 35
7.2 方案确定 36
第8章 方向盘的设计 37
8.1方向盘的设计要求 38
8.2方向盘的设计 38
第9章 转向总成的固定连接设计 39
9.1 转向器的固定 39
9.2 拉杆与齿条的连接 39
9.3 转向柱的固定连接 40
9.4 快拆器的固定连接 41
第10章 结束语 43
致 谢 44
参 考 文 献 45
附 录 46
附录1：各个零件设计图纸 46
附录2：3D装配图 46


第1章 绪论
1.1 课题来源
Formula SAE ---------中国大学生方程式赛车赛事
图1-1 2011赛季fsc中国大学生方程式赛车大赛

Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。　
中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。 　　
FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。

1.2 课题简介
在赛车中转向系统占有重要的地位。转向系统是任何车辆都不可或缺的组成部分,其设计制造质量的优劣直接关系到车辆的操纵稳定性、安全性等技术性能。汽车操纵稳定性又被人们称为“高速车辆的生命线”。由此，转向系的设计是如此重要。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，以达到对赛车的结构整体优化。
目前，国内外大学生车队的转向系统都采用齿轮齿条式转向器，因为赛事规则要求，国内车队的赛车上没有见到助力转向等辅助系统。
机械转向系统主要由转向操作机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。它的作用：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。
课题目的：在于研究满足中国FSC大学生方程式赛车规则和技术要求的赛车转向系统相关结构零件的使用情况及趋势，并选择某个结构进行初步的设计，完成总体设计报告，相关的装配图，并可以对部分零件进行详细设计与相关性能校核。
1.3 课题意义
综合运用本科阶段相关知识，完成某个总成件或者零件的设计。
1）巩固和扩大专业理论知识，并把所学的理论知识应用到实践中去；
2）培养机械设计能力，及运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料和编写技术文件等能力；
3）培养观察、分析、研究、解决实际生产问题的能力；
4）同时锻炼自己制定并执行相关计划的能力；
5）可以了解国内外大学生方程式赛车转向系统的主流技术及发展趋势。

1.4 赛车中转向系统基本情况

图1-2
上图是传统的汽车转向总成结构图，其中包括：1—方向盘，2—转向柱，7、8—齿轮齿条转向器，6—横拉杆，5—转向节臂。

图1-3
FSAE赛车的转向总成基本和传统的汽车转向总成相似，由于有逃生项目的比赛要求，赛车转向系统多了快拆器。如上图，包括：1—方向盘，2—快拆器，3—转向柱，4—齿轮齿条转向器，5—横拉杆，6—转向节臂。
转向系统的作用是改变汽车的行驶方向和使汽车保持稳定的直线行驶，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。
1.5 设计软件
本次设计中主要采用了AutoCAD2004、UG7.0等计算机辅助软件进行赛车转向的设计计算。
AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。.dwg文件格式成为二维绘图的事实标准格式。具有易于掌握、使用方便、体系结构开放等特点，广泛应用于机械、建筑、电子、航天、造船、石油化工、土木工程、冶金、农业、气象、纺织、轻工业等领域。
UG从CAM发展而来。20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购；因此，UG有着美国航空和汽车两大产业的背景。 是一个比较强大的三维建模软件。
















第2章 赛事规则对转向系统的要求及总成布置
2.1 赛事规则对转向系统的要求
1) 转向系统必须至少能作用在两个车轮上。
2) 转向系统必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转（四杆机构在一 个节点处发生反转）。限位块可安装在转向立柱或齿条上，并且必须防止轮胎在转向行驶时接触悬架、车身或车架部件。
3) 转向系统的_行程不得超过7 度（在方向盘上测量）。
4) 允许使用后轮转向，但其转向角必须机械限位在±3 度（从正前方测量）。
5) 方向盘必须与前轮机械连接。禁止使用线控转向。
6) 方向盘必须安装在快拆器上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器。
7) 方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。例如 ……（未完，全文共19848字，当前仅显示3570字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：方程式赛车的转向系统设计计算》）