FSAE汽车转向系统设计

本科毕业设计题 目 FSAE 汽车转向系统设计 学 院 工业制造学院 专 业 车辆工程 学生姓名 樊睿 学 号 201010115107 年级 2010 级 指导教师 牛钊文 职称 讲师 2014 年 4 月 29 日成都学院学士学位论文（设计）FSAE 汽车转向系统设计专 业：车辆工程 学 号：201010115107学 生：樊睿 指导教师：牛钊文摘要：本设计的题目是 FSAE（大学生方程式汽车）汽车转向系统设计。根据赛事主办方对转向系统的要求、结合所学知识、综合类似汽车转向系统的特点，设计出该汽车转向系统。设计内容主要包括 FSAE 汽车转向器选型、设计和计算，转向操纵机构设计，转向传动机构和转向梯形的设计。选择合适的转向器类型，并设计出满足转向系统要求的转向器，保证汽车转向操作的轻便、并提供很好的操控。并对相应的操纵机构和传动机构进行设计。并且本设计在考虑上述要求和因素的基础上对相应机构进行优化设计。从而实现转向器结构简单紧凑，轴向尺寸短，且零件数目少的优点，从而保证了汽车转向的稳定性、灵敏性和操作的轻便性。在本文中主要进行了转向器齿轮、齿条、拉杆和节臂的校核，其结果满足 FSAE 汽车转向系统强度要求。本文主要方法和理论采用汽车设计等相关资料，并运用 CATIA 进行设计与装配。关键词：FSAE；转向系统；齿轮齿条转向器；转向梯形成都学院学士学位论文（设计）The Steering System Design of FSAE CarSpecialty：Vehicle Engineering Student Number：201010115107Student：Fan Rui Supervisor： Niu ZhaowenAbstract：This design is entitled FSAE (Formula SAE ) racing steering system design . According to event organizers, the steering system requirements, combined with the knowledge, comprehensive racing steering system similar characteristics , the car steering system design . Design elements include FSAE racing steering selection, design and calculation , steering mechanism design , steering rotation mechanism and steering trapezoid design. Select the appropriate type of steering gear and steering systems designed to meet the requirements of the steering gear to ensure lightweight racing steering operations and provide good control . And to design appropriate controls and rotating mechanism . In consideration of the above , and the design requirements and the factors on the basis of appropriate institutions to optimize the design . In order to achieve steering simple and compact structure , short axial dimension , and the advantages of the small number of parts , thus ensuring the stability of the racing steering , agility and operational portability . In this paper conducted a check of the main steering gear, rack, tie rods and knuckle arm , the result FSAE car steering systems meet the strength requirements . In this paper, the use of car design methods and theories and other related information , and the use of CATIA for design and assembly .Keywords：FSAE; Steering System; Rack and pinion steering; Steering trapezoid成都学院学士学位论文（设计）I目 录绪论 .11 汽车转向系统总述 .21.1 汽车转向系统概述 .21.2 转向系统类型与发展趋势 .21.3 FSAE 汽车转向系统的要求 .32 转向系主要性能参数 .52.1 转向系的效率 .52.1.1 转向器的正效率 .52.1.2 转向器的逆效率 .62.2 传动比变化特性 .72.2.1 转向系传动比 .72.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系 .72.2.3 转向器角传动比的选择 .82.3 转向器传动副的传动间隙 .92.4 转向盘的总转动圈数 .93 FSAE 汽车转向系统总体机构设计 .103.1 参考数据的确定 .103.2 转向系统类型选择 .103.2.1 机械转向系 .103.2.2 动力转向系 .113.3 转向器类型选择 .133.3.1 齿轮齿条转向器 .133.3.2 循环球式转向器 .133.3.3 蜗杆滚轮式转向器 .143.3.4 蜗杆指销式转向器 .153.4 转向轮侧偏角计算 .154 转向器设计 .174.1 齿轮齿条式转向器的结构 .174.2 齿轮齿条式转向器形式 .174.3 齿轮齿条式转向器的布置形式 .184.4 齿轮齿条啮合传动的特点 .194.5 转向器参数选取 .214.6 选择齿轮齿条材料 .254.7 齿轮的强度计算 .254.7.1 齿轮齿条传动的载荷计算 .25成都学院学士学位论文（设计）II4.7.2 齿轮的受力分析 .264.7.3 齿面接触强度计算 .274.7.4 齿根弯曲强度计算 .294.8 齿条的强度计算 .304.8.1 齿条的受力分析 .304.8.2 齿条杆部受拉压的强度计算 .314.9 齿轮轴的结构设计 .324.10 轴承的选择 .324.11 转向器的润滑方式和密封类型的选择 .325 转向操纵与传动机构设计 .335.1 方向盘设计 .335.1.1 FSAE 汽车方向盘设计要求： .335.1.2 结构形式 .335.2 转向轴设计 .345.3 转向管柱设计 .365.4 转向节设计 .365.5 转向横拉杆与球头销 .376 转向梯形机构优化 .386.1 转向梯形机构概述 .386.2 整体式转向梯形结构方案分析 .386.3 整体式转向梯形机构优化分析 .396.4 整体式转向梯形机构优化设计 .426.4.1 优化方法介绍 .426.4.2 优化设计计算 .437 结论 .45参考文献 .47致谢 .48成都学院学士学位论文（设计）1绪论 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汽车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲汽车，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。在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式汽车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的汽车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。本次 10 级车辆工程的毕业设计一部分同学的设计便是与 FSAE 汽车相关的各系统的设计，本文则主要研究设计 FSAE 汽车转向系统的设计。成都学院学士学位论文（设计）21 汽车转向系统总述1.1 汽车转向系统概述转向系统是用来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。在转向技术方面汽车和普通汽车一样，只是由于汽车的速度快，对转向性的灵敏度要求高，要求响应要足够快。但该汽车的转向系统和通常汽车在转向原理，转向要求和转向效果上都是基本相通的。转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。1.2 转向系统类型与发展趋势汽车转向系统的发展经历了 3 个基本阶段，分别为纯机械式转向系统、液压助力转向系统和电动助力转向系统，而线控转向系统成为其发展趋势。1、纯机械式转向系统机械式的转向系统， 由于产生转动所需要的转矩完全由机械力来提供， 所以为施加足够的转矩而不得不适用大直径的方向盘，因此占用了很大的驾驶空间而使转向系统显得很 笨拙，而且驾驶人员操作起来也比较吃力，故适用范围有很大局限性。但是由于其结构 简单、造价低廉、故障率低，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用机械上仍有使用。2、液压助力转向系统液压助力转向系统首次使用于 1953 年通用汽车公司。上世纪 80 年代后期，液压助力转向系得到进一步优化，出现了变流量泵液压动力转向系统(Variable Displace- ment Power Steering Pump) 和电动液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering，简称 EHPS)。变流量泵助力转向系统的工作原理是在汽车处于不需要转向或者比较高的行驶速度的情况下，泵的流量将会相应地减少，有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统的转向泵由电动机驱动，与直接由发动机驱动转向泵相比，电机的转速可调，也可以随时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统降低了转向盘操纵力，方向盘的直径可以做的较小，大大减少了方向盘所占用的驾驶室成都学院学士学位论文（设计）3空间，同时也使转向系统变得更加灵敏。由于液压助力转向系统技术已经很成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在大部分商用车、部分乘用车，特别是重型车辆上应用广泛。但是，液压助力转向系统在系统安装、密封性、布置、操纵灵敏度、磨损能量、噪声与消耗等方面存在一定不足。 3、汽车电动助力转向系统(EPS)EPS 由日本铃木公司在 1988 年首次开发出来，此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。电动助力转向系统由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成，汽车处于起动或者低速行驶状态操作转向时， 转矩传感器通过不断检测驾驶者作用于转向柱上的扭矩，并将车速信号与此信号同时输入 ECU，ECU 对输入的信号进行处理运算，确定助力扭矩输出的大小与方向，从而控制电动机的电流与转向，电动机将转矩传递给转向操作机构中的横拉杆。最终，起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效，当车速达到一定的临界车速时或出现故障时，为保证汽车高速时具有良好操控稳定性，EPS 系统将退出助力工作模式，电动机将停止工作，转向系统切换到机械转向系统。当然，不转向的情况下，电动机就不工作。4、汽车线控转向系统线控转向系统由方向盘模块、转向执行模块和主控制器 3 个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。它是一种全新概念的转向系统，由于其取消了方向盘与转向车轮间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以实现一系列传统转向系统无法实现的特殊功能。汽车线控转向系统能够减轻驾驶员的负担、提高整车主动安全性，使汽车性能适应更 多非职业驾驶员的需求，对广大消费者有着巨大的吸引力。但是由于可靠性要求及制造成本较高，该系统距离普及仍有一段距离。1.3 FSAE 汽车转向系统的要求1、汽车转弯行驶时，全部车轮都应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性；2、汽车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶；3、汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动；成都学院学士学位论文（设计）44、转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小；5、操纵轻便，保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力；6、转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小；8、转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构；9、在车祸中当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置；10、方向盘必须与前轮机械连接，禁止使用线控转向；11、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； 12、转向系统的自由行程不得超过 7（在方向盘上测量）； 13、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；14、方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形，例如：外轮廓可以有一些部分趋向直线，不能有内凹的部分。禁止使用 H 形、8 型或分开式方向盘； 15、在任何角度，方向盘上端必须低于前环的上端；16、进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致；正确设计转向梯形机构，可以使第 1 项要求得到保证。转向系统中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使汽车具有良好的机动性，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最