摘 要

转向系统是方程式赛车中重要的组成部分，也是决定了赛车主动安全性的关键性系统，而转向器是方程式赛车转向系统中的最重要的组成部分，它的结构和质量严重关系到赛车的操纵稳定性。对于方程式赛车转向系统而言，由转向操控机构、转向器部分、转向传动机构共同组成整个转向系统，其中起到功能性作用的是转向器部分。齿轮齿条式转向器由于其本身的优点被广泛用于各类汽车的转向系统中，在本次方程式赛车转向系统的设计中也因其正效率高、结构简单、加工性好而选择齿轮齿条式转向器。此外，本文也着重强调了对转向梯形机构的设计与优化从而满足转向系统在结构上的要求。同时，大学生方程式赛车大赛与专业方程式赛车有所不同，根据其特殊性对赛车的结构与性能做出针对性的设计与调整，在满足2017年大赛规则的前提下同时满足方程式赛车的性能要求与强度要求。

关键词 方程式赛车 齿轮齿条式转向器 转向梯形 设计

Abstract

The steering system is one significant component of the systems of formula cars, and it is also the key system that determines the active safety of racing cars. The steering gear fuctions most within the steering system of the formula car. Its structure and quality are seriously related to the performance of handling and stability of the car. In the steering system of the formula car, it is mainly composed of by a steering transmission mechanism, a steering control mechanism and a steering gear,within which the steering system matters most. In power steering gears, rack and pinion steering gears are widely used in the steering systems of various types of automobiles due to their own advantages.In the design of this formula racing car steering system, they are also highly efficient, simple in structure, and easily-processed.As a result,it is obvious to choose a rack and pinion steering gear. In addition, this design also emphasizes the design and optimization of the steering trapezoidal mechanism to meet the structural requirements of the steering system. At the same time, the FSAE is different from that of professional Formula Racing. Accordingly to its particularity, the design and adjustment of the structure and performance of the racing car are tailored to meet the performance requirements of Formula Racing while satisfying the rules of the 2017 Contest.

key words Formula Racing;Rack and Pinion Steering Gear;Steering Trapezium;Design

目录

摘 要 3

Abstract 4

目录 5

第1章 绪论 1

1.1大学生方程式赛车大赛 （FSAE）概述 1

1.1.1 FSAE简介 1

1.1.2 国内外发展与现状 1

1.1.3设计的基本内容 3

1.1.4 拟用技术方案及措施 3

第2章 转向系统的组成 4

2.1 赛车转向系概述 4

2.2转向系统的基本构成 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 7

2.5.3 对于各种形式的转向器的选择 8

2.6 赛车转向系统传动比分析 8

2.7 转向梯形机构的分析与选择 9

2.7.1 转向梯形机构的选择 9

2.7.2 断开式转向梯形断开点位置的确定 10

第3章 转向器的选择 12

3.1 转向器的效率 12

3.1.1 转向器的正效率 12

3.1.2 转向器的逆效率η- 13

3.2 转向器传动副的传动间隙Δt 14

第4章 转向梯形的设计与优化，相关参数的确定 16

4.1 确立基本参数 16

4.2 左右转向轮关系 16

4.2.1 理想的左右转向轮转角关系 16

4.2.2 优化目标函数的确定 17

4.3 构建转向梯形结构优化的MATLAB程序 18

4.3.1 优化模型的MATLAB表达 18

4.3.2 约束模型的MATLAB表达 19

4.3.3 优化结果 20

4.4横拉杆结构参数及强度校核 22

4.5 转向操控机构 22

4.5.1 传动轴的直径及其校核 22

4.5.2 万向节的选型 24

4.6 转向器的主要零件参数确定及其校核 25

4.6.1 转向器壳体 25

4.6.2 齿轮轴与齿条 25

4.6.3 轴承的设计 28

4.7 与车架前环焊接的轴的设计 29

4.7.1 设计方案的提出 29

4.7.2 三种方案的比较 30

第5章 结论 33

参考文献 34

附录 35

附录A 转向梯形优化MATLAB程序 35

附件B 转向系统三维建模及二维图纸 37

致谢 40

第1章 绪论

1.1大学生方程式赛车大赛 （FSAE）概述

1.1.1 FSAE简介

Formula SAE是由于1978年首次创办，比赛所包括的内容是专门以大学生为唯一竞赛目标，要求其团队从征集、设计到最终成功制造一辆标准方程式的赛车，对大学生团队所设计、制造出的赛车在加速、制动、转向、操控性等方面都提出了很高的要求，并且要求足够稳定。自从2010年中国开始引进FSAE赛事以来，国内各个高校在FSAE上的进步不可谓不迅速，仅仅根据2015年的参赛队伍来看，国内已经有包括武汉理工大学在内的逾60所高校参加，发展不可谓不迅速。FSAE大赛需要“专业对口型”车辆工程专业或相关专业的在校大学生组队参加。虽然参赛要求看似宽松，但对功能的要求却十分严格，FSAE比赛要求各参赛队伍必须严格遵守每年更新的赛事规则和同样每年更新的赛车制造标准，加以自行创新设计，最终达到制造单人座小型方程式赛车的目的。在比赛过程中，参赛队伍不仅要阐述、表达自己团队所设计的赛车理念，还要由裁判对该车进行各个项目的性能测试挑战。

目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。而对于我们中国汽车人而言，我们的首要目标便是从制造业大国发展迈向产业强国，而培养汽车行业的优秀人才正是实现产业强国目标的必经之路。

不可否认的是，通过大学内理论知识的学习，我们当代大学生对于汽车的了解仅限于书本和生活经验，这一点对成为优秀汽车人才的培养是远远不够的，而组成一个团队共同研究设计一辆高性能的方程式赛车并最终将理论扩展成现实，将赛车制造出来，这是一段极具挑战同时对我们受益匪浅的过程。而 本次毕业设计《方程式赛车转向系统设计》也正是在FSAE的比赛背景下，对方程式赛车转向系统进行分析、设计并不断优化的过程。

1.1.2 国内外发展与现状

直到20世纪70年代中期首次FSAE比赛才拉开序幕，让人感到不可思议的是，后来享誉全球、影响巨大的FSAE比赛是由几个美国大学最初主办、并鼓励当地学生参与设计赛车的活动。在20世纪的年代，FSAE是通过两天内不同的项目来评判方程式赛车成绩的好坏：在一天的静态比赛之中，项目包括赛车的设计、成本与介绍；再由一天的性能比赛。在当时，FSAE比赛着重强调了底盘的设计对于方程式赛车的影响程度。在此后的二十多年里，这项比赛的成功出乎了所有人的预料。同时与美国几家汽车行业的巨头公司达成合作关系，在几大著名的汽车公司推广下，形成了现在所说的大学生方程式赛车大赛也即

FSAE，与之前的比赛相比，有了更为完善的制度与评判标准，同时也取消的对引擎的限制，允许参赛队伍使用性能更为强大的发动机。对于发达国家而言，经过几十年的FSAE赛事的沉淀已经让他们达到了相当高的水平。许多学校的车队在优秀的试验条件与充足的经费的支持下已经可以基本达到专业的方程式赛车性能水平，部分学校所设计的赛车的最高时速甚至可以轻松超过200km/h；另一方面，各个车队在发动机方面同样发展迅速，从最初的8hp的发动机到现在已经可以超过100hp的大功率发动机。

国内大学生方程式赛车的普及与发展较国外相比诚然相差不少，国内仅达到了刚刚起步的水平，其中针对转向系统的设计与优化以及对于赛车的操控稳定性的分析也较为单一，但随着一届届赛事的举办，仍有不少优秀的方式方法不断涌现了出来。国内成绩最为突出的便是同济大学、湖南大学等首批参加FSAE比赛的高等院校，同济大学已经成功通过建立了汽车断开角式转向梯形机构的模型，在此模型中创新性的将转向梯形的角度参数与杆长作为变量，把实际转角与理想模型中的转角差值设置为最终的目标函数，再通过将赛车的实际参数作为约束条件，对转向梯形进行优化设计，目前已经被业内广泛认可，在赛车的性能方面取得了明显的提升。另一方面湖南大学也已经两度前往美国参赛，并取得理想的成绩。在湖南大学引以为傲的汽车车身实验室团队的共同努力下，具有针对性的提出了一种全新的断开式转向梯形机构的优化设计方案，通过该优化方案不仅可以提高赛车转向时的稳定性，同时也很大程度上减缓了轮胎的耐磨性问题，有效减轻了资金上的负担、提高了比赛时的表现。

1.1.3设计的基本内容

在2017FSAE比赛的规则背景之下，完成对大学生方程式赛车的转向系统设计。

1.1.4 拟用技术方案及措施

1.依据悬架形式确定方程式赛车采用转向梯形的结构类型。

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