摘 要

大学生方程式赛车转向系统设计是赛车设计中的重要一环，其设计的好坏直接影响赛车的操纵稳定性、转向性、行驶性等性能。本文分析了方程式赛车转向系统和传统乘用车转向系统的异同，选择前置断开式转向梯形，选择齿轮齿条式转向器。本文采用MATLAB优化的方法，首先设计出转向梯形。优化设计中，采用修正阿克曼转角关系和更理想的约束，以期得到更精确的结果。根据优化的结果，用MATLAB计算各角度下的传动机构传动比，进而确定转向器传动比。本文紧接着设计齿轮齿条转向器的参数以及转向传动机构的尺寸。并对设计的齿轮轴、齿条、传动机构零部件进行强度校核。接着设计转向器的装配，包括转向器壳体、压紧机构、定位轴承、壳体的固定等问题。前轮前束的调整通过在横拉杆与转向节臂连接处安装不同旋向的杆端关节轴承来实现。最终用CATIA三维软件绘制各零件的三维零件图，并且进行装配。

本文主要研究了转向梯形的优化、转向器的设计和装配、转向传动机构的设计和强度校核等问题，对大学生方程式赛车的设计具有重要的指导意义。

关键词：转向梯形优化、转向系统设计、齿轮齿条

Abstract

Steering system design is an important part of Formula SAE design, which has a great influence on the vehicle handling stability, steering performance and so on. In this paper, we analyze the similarities and differences between the formula racing car and the traditional passenger car, choosing the front break open type to the trapezoidal, chosing the gear rack type steering gear. In this paper, in first, we use MATLAB to optimize the steering trapezoid. In the optimization design, the modified Ackerman rotation angle relation and the more ideal constraints are used to obtain more accurate results. According to the results of the optimization, the transmission ratio of the transmission mechanism is calculated by MATLAB, and the ratio of the steering gear transmission ratio is determined. In this paper, we design the parameters of the gear rack and pinion steering gear, the size of the steering drive mechanism. Do Strength check for gear shaft, rack and transmission parts. Then, design steering gear assembly, including the steering gear housing, the pressing mechanism, the positioning of the bearing, the shell fixed and so on. To adjust the Toe-in, the rod end joint bearing is installed at the connecting point of the transverse rod and the steering knuckle arm. Finally, the three-dimensional model of each part is drawn by the CATIA 3D software, and be assembled

This paper mainly studies the optimization of the steering trapezoid, the design and assembly of the steering gear, the design of the steering gear and the strength check. There is an important guiding significance for the design of College Students' equations.

Key WordsSteering trapezoidal optimization；steering system design；gear and rack

目录

第1章 绪论 1

1.1 FSAE赛事概述 1

1.2 方程式赛车转向系统研究现状 2

1.3 研究内容和研究意义 3

1.3.1 研究的内容 3

1.3.2 研究的意义 3

第2章 方程式赛车转向系统概述 5

2.1 赛车转向系统的作用和组成 5

2.2 赛车转向系统与乘用车转向系统的异同 5

2.3 转向系统设计目标 6

第3章 方程式赛车转向梯形优化设计 7

3.1 转向梯形方案选型 7

3.2 外轮最大转角的设计 8

3.3 目标转向关系优化 9

3.3.1 标准阿克曼转向关系 9

3.3.2 修正阿克曼转向关系 10

3.4 转向梯形参数优化设计 12

3.4.1 实际转角关系 12

3.4.2 目标函数的建立 13

3.4.3 转向梯形参数优化变量与约束条件 13

3.4.4 转向梯形参数优化结果 15

第4章 方程式赛车转向系统设计 19

4.1 转向器方案选型 19

4.2 赛车转向系统性能参数确定 20

4.2.1 转向系传动比和转向器传动比设计 20

4.2.2 转向系统计算载荷的确定 21

4.3 转向器设计 22

4.4 转向系统其它零部件设计 24

4.4.1 转向横拉杆的设计和校核 24

4.4.2 齿轮轴的设计和校核 25

4.4.3 方向盘、转向传动轴、前束调整机构设计 27

第5章 转向系统性能预测和分析 29

5.1 操纵稳定性能预测和分析 29

5.2 传动性能预测和分析 29

第6章 总结和展望 30

6.1 总结 30

6.2 展望 30

参考文献 31

附 录 32

附录A 其它matlab相关程序 32

附录A1 各内外轮转角关系绘图程序 32

附录A2 传向传动机构角传动比lamda程序 32

附录A3 转向节至横拉杆距离H1amp;H2程序 33

附录B 转向器部分零件三维图截图 35

附录B1 齿轮轴三维图截图 35

附录B2 齿条三维图截图 35

附录B3 壳体三维图截图 36

附录B4 滚动轴承三维图截图 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 FSAE赛事概述

FSAE赛事起源于美国，是一项面向大学生的综合性工程赛事，自1978年开办以来，距今已有30多年历史，赛事遍及全球十多个国家。美国的方程式赛车大赛每年吸引100多支车队参赛，车队大多由高校在校本科生和研究生组成，整个赛事分三次举办。德国的方程式赛车大赛每年举办一次，参赛车队达到80支以上，这些车队由全球各地大学组建。中国的上海交通大学、吉林大学和湖南大学等高校陆续参加日本和美国的FSAE赛事，其中湖南大学车队最早参加此类国际性比赛。2010年开始，中国设立FSAE分赛区，并成功举办了第一届中国大学生方程式汽车大赛，大赛由中国汽车工程学会主办，国内有数十所知名院校组队参加，北京理工大学在几届比赛中都表现优良。

每支参赛车队的运作好比一家虚拟赛车制造公司，有财务部门、设计部门、调试部门以及试车手，每个部门通力合作力求设计出一辆满足参赛要求的高性能赛车。参赛车队队员主要由在校本科生组成，也有少部分研究生队员，队员主要来自汽车学院、机电学院以及计算机学院，本科生主要负责底盘、车身的设计，研究生队员主要负责汽车电子方面的设计。中国方程式汽车大赛分油车和电车两个部分，国内高校在电车方面研究的较少。不管是油车组还是电车组都要在规定时间内设计出一辆符合大赛规则且在直线加速行驶、过弯行驶等方面性能优良的单座方程式赛车。在自行制造方程式赛车时，参赛车队具有足够的自由发挥空间，可以运用很多自己的设计方法、设计理念。