大学生方程式赛车转向系统优化设计

大学生方程式赛车转向系统优化设计摘要：大学生方程式大赛（FSAE）为热爱赛车的大学生举办的一项竞赛，用一年的时间每一支车队制造出一辆赛车，具有良好的加速性能、四轮能同时抱死、操控性能足够稳定等特点，以成功完成赛事里的每一项比赛。转向系统是用来保持或改变赛车行驶方向，并在赛车转向行驶时保证各转向轮之间有协调的转角关系的系统。1、本论文首先分析了转向系的作用、基本构成、要求和总体性能，根据赛车的特殊需求设计了齿轮齿条式转向器，同时确定了转向系的空间位置、结构特点及转向梯形的型式，并分析了转向器的啮合传动的特点和传动效率。2、基于已知的赛车数据如轴距、整备质量等参数，计算了转向系所需要的相关数据，进行了转向器的转向系传动比、力传动比、角传动比等计算，并且对转向系各部件进行了强度校核。3、最后，用UG对转向器进行了详细建模，用Matlab和Adams对转向系进行了结构优化和动力学仿真优化，更好地满足了比赛要求。同时绘制了CAD装配图。关键词：FSAE赛车；齿轮齿条式转向器；设计；优化Title:ThesimulationdesignofFormulaStudentracingsteeringsystemAbstract：FormulaSAE,acompetitionheldforundergraduateshotforracingcars,requiresoneyeartoprocessaracingcarperformingexcellentinaccelerating,brakingonfourwheelsatthesametime,andwithexcellentstabilityanddurableenoughinhandling,tocompletethecompetitionundertheruleandpassallprojects.Forracingcars，steeringsystemisusedtomaintainorchangedrivingdirection,whichshouldguaranteethesteering-wheelanglewithharmoniouschange.1,Firstly,thispaperanalyzedtherole,basicstructure,requirements,andoverallperformanceofthesteeringsystem,andisbasedonthespecialrequirementsofracingcarstodesigntherackandpinionsteeringgear,meanwhiledeterminedthespatiallocation,structure,characteristicsofthesteeringsystemandthesteeringtrapezoidtype,alsothesteeringgearmeshingtransmissioncharacteristicsandtransmissionefficiency.2,Basedonknownparameterssuchascarwheelbase,curbweightandsoon,therelevantdata,thesteeringangleofsteeringgearratioandthetransmissionratiowascalculated,andtheintensityofsteeringsystempartsisensured.3,Finally,builtthesteeringgearmodelindetailwithUG,optimizedthesteeringsystemstructurallyanddynamicallyinMatlabandAdamstobebetter.AndcompletedtheCADassemblydrawing.Keywords：FormulaSAE,rackandpinionsteeringgear,design,simulation目录1绪论.11.1课题背景及意义.11.2大学生方程式大赛简介.11.3FSAE转向系统基础知识.31.4本文主要研究内容.62大学生方程式赛车转向系统设计.72.1转向系统基本参数.72.2转向器设计.92.2.1转向器角传动比iW.92.2.2转向器载荷及相关尺寸计算.102.2.3齿轮设计.122.2.4齿条设计.162.2.5啮合受力分析.172.2.6齿间间隙调整机构设计.202.2.7轴承选择.222.3转向梯形优化.223基于UG的大学生方程式赛车转向系统仿真.273.1斜齿轮建模过程.283.2主要零件模型图.344基于ADAMSCar的大学生方程式赛车转向系统动力学性能分析.36结论.42参考文献.43致谢.4511绪论1.1课题背景及意义大学生方程式大赛（以下简称FSAE）旨在通过学生自己亲手设计制造一辆满足大赛要求的赛车来提高学生对汽车设计知识的拓展应用能力和实际加工动脑动手能力。大赛赛道设有转向半径较小的急转弯道和间距不等的障碍桶，需要赛车转向系统具备灵敏、轻便、高效等特点。FSAE赛车的转向系统优化设计能使车手在比赛时更好地高速避障、更轻地入弯出弯以及紧急转向保证行车安全。1.2大学生方程式大赛简介FSAE从1978年创办至今已有三十多年的历史。如今，FSAE已成为世界级赛事，在多个国家设立有分站比赛，如美国站、德国站、西班牙站等。大赛一年一届，由各国汽车工程协会和大学生方程式大赛组委会举办，得到了许多车企和机构的大力赞助。各大高校车队严格按照赛规，通过近一年的设计制造，最终同台竞技，争取在动力性、制动性、操控稳定性、燃油经济性等方面上有更加优异的表现【1】。中国大学生方程式大赛（以下简称FSC）始于2010年，已成功举办三届，不仅有吉林大学、同济大学、湖南大学、北京理工大学等名校的长期参与，还吸引来了诸如湖北汽车工业学院、西安汽车科技学院、广西工学院麓山学院等院校的积极加入，得到了北京汽车、广州汽车、奇瑞汽车等知名车企的极力支持。大赛的宗旨是由各高校的本科生和研究生组成各自车队，独立自主地构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛。这给每一支参赛车队了一个与全国高校的车队同场竞技的机会，来展示与证明他们的整体水平。为了达到比赛的宗旨，我们假定参赛车队是为某一家设计公司设计、制造、测试并展示一辆以业余周末休闲赛车为目标市场而设计的原型车。参赛的赛车必须在加速、制动和操控性这三个方面具有突出表现，与此同时，具有足够的耐久性才能够顺利完成赛事。赛车必须适合第5百分位的女性和第95百分位的男性车手驾驶，也要同时考虑成本、美学、可靠性、可维护性、人体工程和制作工艺性。每辆赛车都要和其他的参赛赛车进行对比评价，以评定出最优秀的设计。如此一来，2每个参赛车队的挑战在于开发一辆能在最大程度上满足中国FSC赛车的设计目标且具有市场前景的样品车。FSAE赛车必须满足一份规则，除此之外则可以尽情发挥自己的想象力制造出自己的赛车。下面列举出一些重要的要求:裸露式车轮和敞开式驾驶舱；1使用排量不超过610cc的四冲程汽油机；安装内径20mm的进气限流阀；23轴距不小于1525mm；轮辋不小于8英寸；全部四个车轮必须能够抱456死；悬架行程不小于50.8mm（2英寸）；大量安全和结构强度要求（诸78如材料和管径要求，支撑结构要求，空间要求和防撞要求等）。参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评，其中包括：技术检查、制造成本分析、营销报告、赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性。项目分值分配如表1-1：表1-1FSC项目分值分配项目分值项目分值陈述75加速性75工程设计150弯道性能50成本分析100操作稳定性150燃油经济性50静态项目：动态项目：耐久性350小计325小计675合计1000FSC通过各方面培训，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通和协作等五个方面的能力，全面提升汽车专业学生的专业素质，为我国的汽车产业储备人才，促进中国的汽车工业从“制造大国”走向“产业大国”。1.3FSAE转向系统基础知识转向系统是用来保持或者改变车辆行驶方，向并在车辆转向行驶时保证各转向轮之间有协调的转角关系的机构【2】。FSAE大赛规定仅使用机械转向系，即依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转3向器和转向传动机构使转向轮偏转。转向器作为改变汽车行驶方向及保持汽车稳定直线行驶的关键零部件，其性能关系到生命财产安全。转向系统的技术状况，对于保证行驶安全、减轻驾驶员劳动强度和延长车辆使用寿命均有着十分重要的作用。如何改善赛车转向系统的操纵稳定性、灵敏性、可靠性和轻便性，应作为设计工作的重中之重。另外，齿轮齿条式转向器在使用过程中，要求齿面没有明显的磨损和缺陷，否则应予以更换。因此，合适的转向器齿轮齿条机构对转向系统至关重要。赛规还规定有：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；转向系统的自由行程不得超过7（在方向盘上测量；方向盘的自由行程和转向系统的间隙有关，所以应有效控制存在间隙的大小）；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；方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形，例如：方向盘的外轮廓可以有一些部分趋向直线，但不可以有内凹的部分，禁止使用H形、8型或分开式方向盘；在任何角度，方向盘上端必须低于前环的上端，如图1-1所示【3】。图1-1对于方向盘高度的限制由此可见，赛车的转向效率应较大，即以小的方向盘转角（单向转角不能超过360，保证不干涉车手躯体）和小的齿条行程就能使导向轮达到应有转角。转向盘总自由行程不大，即其操作要较灵敏，保证急转向。另外，方向盘4必须按照规定选取，可自行制造，且其安装点务必与车架组协调。方程式赛车受人追捧是因其快速过弯的能力以及高速性，但是赛道中弯道多且转弯半径小，如比赛项目中最小转弯半径为3810mm（蛇形穿桩项目里）。由此可见，赛车的转向稳定性问题极其重要。此外，赛道的摩擦系数非常大，可以达到f=3.5，这就意味着胎温会很高，如果轮胎出现单侧偏磨现象，将是巨大的安全隐患。对比一下民用车和赛车的转向系统。民用车要兼顾到平顺性与操纵稳定性，而赛车重在操纵稳定性。民用车上所采用的转向器一般为角传动比在16:120:1之间且结构非对称，而方程式赛车需要的角传动比为4:15:1之间，且转向器结构对称以方便布置。市面上只有卡丁车转向器的传动比为4:1，且为中间输入，但是卡丁车对转向系统要求不高，并不能满足方程式赛车的要求，所以自行设计加工出合适的转向器，并对转向系统进行匹配分析，才能较好地满足方程式比赛的需要。汽车设计里对转向系提出的要求有：1)汽车转弯行驶时，全部车轮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。4)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)保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6)操纵轻便。7)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松装置。10)进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致【4】。5以上要求同样对赛车适用。FSC的转向系统主要由转向盘、转向盘快拆器、转向柱、转向器、转向杆等部件构成。具体结构如图1-2所示【5】。图1-2FSC赛车转向系统组成赛车的转向效率应较大，即以小的方向盘转角（单向转角不能超过360，保证不干涉车手躯体）和小的齿条行程就能使导向轮达到应有转角。转向盘总自由行程不能过大，即操作要较灵敏，保证急转向。1.4本文主要研究内容根据要求，需要设计出满足FSAE转向系统结构、组成及功能要求的转向器，并匹配优化转向系统参数，使其最大程度上适应比赛。具体应按照以下设计思路进行：1）转角的确定符合阿克曼转角能使车做纯滚动，有效减少了轮胎磨损与转向阻力，所以应由此得出内、外转向轮转角【6】。2）对转向系统的力分析根据相关公式，计算角传动比、驾驶员手力、原地转向阻力矩等，校核并转向盘转向柱转向杆转向盘快拆器转向器6对不足之处加以改进。3）转向器输入形式的选取与转向梯形的布置选择合适的转向器输入形式与转向梯形的布置形式，利用Matlab编程，根据非线性最小二乘法对该转向梯形进行优化分析，得出合适的梯形臂长、底角等数据【7】。4）相关部件的详细设计根据之前得到的梯形臂长、梯形底角等数据得到齿条行程，设计转向器的各方面参数，再基于UG建立转向器参数化的实体模型，以满足不断优化设计的要求【8】。5）仿真优化运用Adams/Car建模并仿真，分析运动时转向系统的动力学性能。整个过程要以虚拟设计、虚拟分析为核心，初步实现在计算机上对FSAE赛车操纵稳定性的仿真分析，获得设计结果的力学及运动学规律。最后用CAD将优化结果表达为实际装配图纸。72大学生方程式赛车转向系统设计2.1转向系统基本参数结合赛规、往届各车队赛车参数及名次，选定整车的基本信息如表2-1：表2-1初选赛车基本信息名称轴距L前轮距B后轮距B最小转弯半径R数值1600mm1250mm1200mm3810mm名称车手重车重（采用CBR600发动机）轮辋轮胎数值70kg220kg万丰13吋Hoosier21吋名称方向盘最大转角数值260根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：中间输入，两端输出（图2-1a）；侧面输入，两端输出（图2-1b）；侧面输入，中间输出（图2-1c）；侧面输入，一端输出（图2-1d）。8图2-1转向器的结构形式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2-2：图2-2中间输入、两端输出结构形式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9C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2-3转向梯形的布置方式如果采用A方案可能影响驾驶员双腿的进出，而B、C方案很容易与前悬架减震器推（拉）杆产生运动干涉，所以选择D方案，即转向器位于前轴前方且前置梯形。2.2转向器设计2.2.1转向器角传动比iW为避免在赛车转向时产生路面对汽车行驶的附加阻力过大和轮胎的过快磨损，所以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。因此，这只有在所有车轮的轴线都相交于一点时才能实现，如图2-4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【9】。图2-4车轮的理论转角关系L汽车轴距，1600mm；R汽车最小转弯半径，3810mm；B前轮轮距，1250mm；外侧转向轮转角；内侧转向轮转角根据图示几何关系，算得=24.83，=35.9310角传动比iw=（2-1）式中，w转向盘转角，度数为260；k转向轮转角，+=60.76将数据代入（2-1）式中，得：iw=4.3（为设计方便，取iw为4:1）2.2.2转向器载荷及相关尺寸计算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，进行如下载荷计算。一、原地转向阻力矩MR设计计算和说明计算pG3f1RM式中f轮胎和路面间的滑动摩擦因数；转向轴负荷，单位为N，按汽车设计，取11G满载质量m的45%(后置后驱)；P轮胎气压，单位为。MPaf=0.7G1=mg45%=（220+70）9.845%=1278.9Np=0.22MPa=22752.0Rm由以上计算过程得到，转向阻力矩MR=22752.0Nmm【10】。二、转向盘手力Fh设计计算和说明计算iDLWSRhF21式中转向摇臂长,单位为mm；1原地转向阻力矩,单位为NmmRM转向节臂长,单位为mm；2L为转向盘直径,单位为mm；SWD=22752.0RMmN=254mm=10inchSWDiw=4：111Iw转向器角传动比；+转向器正效率，取90%。注：因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故、不代入数值。1L2=49.76NhF由以上计算过程得到，转向盘手力=49.76N，它是最大值，因此可用作hF计算载荷。三、梯形臂长度L2设计计算和说明计算轮辋直径=13in=1325.4=330.2mmLWR梯形臂长度=0.8/2=330.20.8/22=132.08mm,取=130mm2L=130mm2L由以上计算过程得到，梯形臂长度L2=130mm。四、转向横拉杆最小直径1mind设计计算和说明计算adMR02.14式中，a=L2=130mm；mNQPaR0.275);3(16取=1.02mmmind由以上计算过程得到，转向横拉杆最小直径1=1.02mm，取转向横拉杆ind直径为10mm。五、主动齿轮轴最小外圆直径mind设计计算和说明计算12mMnd13.6ax163=140MPaMn：方向盘扭矩，FhRsw=49.76254/2=6319.52N.mm取=6.13mmmind由以上计算过程得到，主动齿轮轴最小外圆直径1=6.13mm，后面将根mind据它选取合适的主动齿轮轴外圆直径。至此，已得到转向器数据罗列如表2-2。表2-2初选赛车基本信息原地转向阻力矩MR22752.0Nmm转向盘手力Fh49.76N梯形臂长度L2130mm转向横拉杆直径dmin10mm斜齿轮转矩T16319.52mm2.2.3齿轮设计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深沟球轴承支承。转向器内的齿可以是直齿也可以是斜齿。相对直齿而言，斜齿的运转趋于平稳，并能传递更大的动力，故采用斜齿圆柱齿轮。假设齿轮有足够的啮合长度，且为齿轮在齿条上滚动。13图2-5齿轮齿条啮合原理图而齿条不动的啮合情况，当齿轮啮合一周时，齿轮中心线由O-O位置移动到O-O位置。这时可以知道，齿轮在齿条上移动了AB=d的距离，即齿条实际移动距离。d是分度圆直径。AB就是齿轮齿条式转向器的线角传动比，即i=d。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23mm之间，主动小齿轮齿数在57个范围变化，压力角取值20，齿轮螺旋角多为915。但是考虑到赛车的方向盘转角不到一圈，而齿条总行程需要约160mm，且每啮合一次，齿条走过一个周节（t=m）的距离，致使所需齿轮较大，所以初选齿数Z1为15。可得：t=16mmm=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，根据一般情况，选择齿轮压力角1为20，螺旋角为13，变位系数n=0.7。齿顶高mhmnana5.8)7.01(5)(*齿根高cf7.9)2齿高fa.98分度圆直径mmzd76cos/齿顶圆直径haa.32齿根圆直径ff45基圆直径mdb.7cos法向齿厚为snnn40.1)ta2(14端面齿厚为msnnnt60.10.)ta01.cos2(齿距mp7.5齿轮中心到齿条基准线距离dHn9.412/选择齿宽系数为0.935，则齿宽B=0.935d=72mm所有计算结果罗列如表2-3。表2-3齿轮设计尺寸齿轮几何计算名称符号计算结果/mm齿顶高ha8.5齿根高hf9.75齿高h18.25分度圆直径d76.97齿顶圆直径da93.97齿根圆直径df57.47基圆直径db72.33法向齿厚sn10.40端面齿厚st10.60齿距p15.70齿轮中心到齿条基准线距离H41.99齿宽B72齿根弯曲疲劳强度计算：齿轮精度等级、材料及的选择：由于转向器齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。（1）主动小齿轮选用16MnCr5材料制造并经渗碳淬火，硬度在56-62HRC之间，取值60HRC。齿轮的齿根弯曲强度设计。153214.PsFmnzYkT试取Kt=1.3斜齿轮的转矩T=6319.52mm=6.32Nm取齿宽系数m=1.0（小齿轮对称布置）齿轮齿数Z=15复合齿形系数=3.32sFY许用弯曲应力P=0.7E=0.7920=644N/2m（F为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值）带入以上数据计算得，Mn1.31mm，故设计所取Mn=5mm符合要求。计算载荷系数：1）查表得使用系数AK=12）根据v=0.024m/s,和8级精度，查GB3480-1997表得4.0VK3）查表得齿向载荷分布系数15.4）查表得齿间载荷分布系数.FHK790.40KHVA5）修正t值计算模数nm2.09mm故前取5mm符合要求。3tntm齿面接触疲劳强度校核:校核公式为ubdKTZHE12许用接触应力：查表得MPa650min，1NZ，安全系数1HSaSZHN1650li116弹性系数2180MPaZE查表得区域系数4.H重合度系数Z91.025.1螺旋角系数，u取4.78.cos带入数据计算得：H=1377.06MpaH1650MPa由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。2.2.4齿条设计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。相互啮合的齿轮的齿距p1和齿条的齿距p2必须相等。即：mn1cos1=mn2cos2所以选定齿条的模数mn2为5mm，计算出齿条的压力角2=20。选取齿条齿数z10，螺旋角=13，齿条断面形状选取为圆形。根据图2-6计算出齿条的基本几何数据，具体过程如表2-6。图2-6齿条几何参数计算得到的基本几何数据如表2-3。表2-3齿条几何计算结果齿条几何计算名称代号计算公式数值/mm模数m-5周节tt=m15.717齿厚SS=t/27.85径向间隙cc=0.25m1.25齿顶高h1h1=m5齿根高h2h2=1.25m6.25齿工作高度hghg=2m10齿全高hh=2.25m11.25齿条常采用45号钢制造并经高频淬火，表面硬度在56HRC以上。2.2.5啮合受力分析图2-7齿轮齿条啮合受力分析示意图齿轮齿条啮合受力分析如图2-7所示，计算过程如下：Ft=2Mn/d=26319.5276.97=164.2NFr=Fttan/cos=164.2tan20/cos13=61.3NFa=Fttan=164.2tan13=37.9N式中：为齿轮压力角，20；为齿轮螺旋角，13；TZ为转向盘扭力矩，6319.52N.mm；d1为齿轮分度圆直径，76.97mm齿轮轴强度校核:18图2-8是齿轮轴的侧视图，经过力学分析得到如图2-9的齿轮轴受力图：图2-8齿轮轴侧视图图2-9齿轮轴受力分析根据上图可得：FR1，+FR2，=Fr=61.3NFR1，（21+36）Fa76.97/2FR2，（21+36）=0，即FR1，19FR2，=25.6NFR1，=FR2，FR1，+FR2，=Ft=164.2N解得：FR1，=FR2，=82.1NFR1，=43.45N，FR2，=17.85N查得16MnCr5的机械性能：抗拉强度B=1482MPa，屈服强度s=1232MPa-1=592.8MPa，-1=882MPa，=176220MPa由机械设计（第四版）查得【14】：-1=0.40B=592.8MPa，0=1.6-1=948.48MPa-1b=0.41B=607.62MPa，0b=1.7-1b=1032.95MPasb=1.4s=1724.8MPa-1=0.30B=444.6MPa，0=1.4-1=622.44MPa，s=0.70B=1037.4MPa对称循环疲劳极限：-1b=0.41B=607.62MPa-1=0.30B=444.6MPa脉动循环疲劳极限：0b=1.7-1b=1032.95MPa0=1.4-1=622.44MPa等效系数：=0.1765=0.4286弯曲应力幅：a=6319.52（0.1153）=18.72MPa20平均应力幅：m=0扭转切应力：=TZ/WT=6319.52（0.2153）=9.36MPa扭转切应力幅和平均应力幅：a=m=/2=4.68MPa查得应力集中系数：k=1.95，k=1.48，查得表面状态系数：=1.5，查得尺寸系数：=0.98，=0.91安全系数：设为无限寿命，KN=1S=22.72S=66.5S=21.5S综上可得，齿轮轴的强度校核符合安全标准【15】。2.2.6齿间间隙调整机构设计齿间间隙调整机构工作原理：一个齿条导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座1和与壳体螺纹连接的调节螺塞3之间连有一个弹簧2，此调节螺塞由锁紧螺母固定4。齿条导向座的调节使齿轮、齿条间有一定预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈。如图2-10【16】。21图2-10齿间间隙调整机构1-导向滑块座；2-弹簧；3-弹簧座；4-间隙调整螺母在机械设计（第四版）和机械设计（修订版）查得圆弹簧丝的设计计算：“若设计要求弹簧力为Fmax=650N，最大间隙max=8mm，该弹簧在轴径为18mm的轴上工作，外径小于35mm，自由长度小于50mm设计”。假设弹簧丝直径d=5mm；查表得到旋绕比C=48，取6；曲度系数k=1.25（圆丝拉压弹簧）；B=1400MPa；T=0.4B=560MPa弹簧直径，取5mm；mTkCFd72.45.1max弹簧圈数，取3加上2圈死圈，共5圈85.32max4Dn弹簧外径D=D2+5=35mm弹簧最小节距Pmin=d+min=8.17mm弹簧在自由状态下的长度H0=np+(n-n+1)d=39.5mm弹簧的极限载荷Fmin=0.9Fmax=585NNCKdFS9162lims=1.25=1.25560=700MPa弹簧刚度Cs=Gd/8C3n=800005（8633）=77.16N/mm安装变形量min=Fmin/Cs=7.58mm最大变形量max=Fmax/Cs=8.41mm极限变形量lim=Flim/Cs=11.9mm22工作高度H2=H0-max=31.09安装高度H1=H0-lim=31.92mm极限高度H3=H0-lim=27.6mm2.2.7轴承选择轴承选择6201型号。深沟球轴承6201，内径d=12mm，外径D=32mm，宽B=10mm基本额定载荷Cr=6.82kN，C0r=3.05kN，脂润滑，极限转速24000r/min转向器的CAD装配如图2-11。图2-11转向器装配图2.3转向梯形优化设i、o分别为内、外转向车轮转角，L为汽车轴距，K为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离。若自变角为0，则因变角i的期望值为：（2.3.1）现有的转向梯形机构仅能近似满足上式关系。在图2-1上作辅助用虚线，利用余弦定理可推得转向梯形所给出的实际因变角i为23（2.3.2）式中，m为梯形臂长；为梯形底角。优化目标函数的确定所设计的转向梯形给出的实际因变角i，应尽可能接近理论上的期望值i。其偏差在最常使用的中间位置附近小角范围内应尽量小，以减少高速行驶时轮胎的磨损；而在不经常使用且车速较低的最大转角时，可适当放宽要求。因此，再引入加权因子0(0)，构成评价设计优劣的目标函数f(x)为（2.3.3）将式（2.3.1）、式（2.3.2）代入式（2.3.3）得（2.3.4）在MATLAB软件上编辑目标函数f(x)的M文件，内容如图2-12所示。24图2-12优化目标函数优化约束条件的确定：式（2.3.4）中，x为设计变量，；为外转向轮最大转角，由2.21）可知，。93.5max0考虑到多数使用工况下转角o小于20，且10以内的小转角使用得更加频繁，因此取（2.3.5）建立约束条件时应考虑到：设计变量m及过小时，会使横拉杆上的转向力过大；当m过大时，将使梯形布置困难，故对m的上、下限及对的下限应设置约束条件。因越大，梯形越接近矩形，f(x)值就越大，而优化过25程是求f(x)的极小值，故可不必对的上限加以限制。综上所述，各设计变量的取值范围构成的约束条件为（2.3.6）（2.3.7）（2.3.8）梯形臂长度m设计时常取在，mmin=0.11K，mmax=0.15K。梯形底角min=70。即，134.2m183，70。此外，由机械原理得知，四连杆机构的传动角不宜过小，通常min40。如图2.2.1所示，转向梯形机构在汽车向右转弯至极限位置时达到最小值，故只考虑右转弯时min即可。利用该图所作的辅助用虚线及余弦定理，可推出最小传动角约束条件为（2.3.9）式中，min为最小传动角，min为设计变量m及的函数。在MATLAB软件上编辑目标函数的优化约束条件的M文件，内容如图2-13所示26图2-13优化约束条件优化结果分析，如图2-14所示。图2-14运行M文件编辑好运行M文件后，在CommandWindows窗口输入运行M文件的文件名后，按回车键，MATLAB软件就利用非线性最小二乘法对该转向梯形进行优化分析，最后得出最优结果如图2-15所示。27图2-15MATLAB优化结果由图2-15可知，优化后的赛车转向梯形的最佳优化结果为：梯形臂长132.00mm；梯形底角79.9261【11】。283基于UG的大学生方程式赛车转向系统仿真3.1斜齿轮建模过程本建模过程为参数化建模，在UG中需先建立渐开线方程，然后按UG软件中表达式的输入规则输入表达式、最后通过“曲线”工具条中的“规律曲线”功能绘制出曲线【12】。1、编辑关系式：t=0从0到1变化，为系统内部变量alpha=20标准压力角beta=13斜齿轮螺旋角a_t=arctan(tan(alpha)/cos(beta)端面压力角a_tt=a_ta_tt的单位为“恒定”b=72齿厚cx=0.25齿根高系数z=6齿数m_n=2.5法向模数m_t=m_n/cos(beta)端面模数d=z*m_t分度圆直径hax=1齿顶高系数x_n=0.7法向变位系数x_t=x_n*cos(beta)端面变位系数da=d+(hax*cos(beta)+x_t)*m_t*2齿顶圆直径db=d*cos(a_t)基圆直径df=d-(hax+cx)*cos(beta)-x_t)*m_t*2齿根圆直径e=pi()*m_t/2-x_t*m_t*tan(a_t)*2变位齿轮齿槽宽gama=e/d*180/pi()分度圆齿槽宽对应的圆心角的一半inv_phi=tan(a_t)-a_tt*pi()/180渐开线函数单位用“恒定”选项t_d=(pi()/2+2*x_t*tan(a_t)*m_t分度圆齿厚t_db=(t_d+m_n*z*inv_phi)*cos(a_t)基圆齿厚29sita=180*(1/z-t_db/(pi()*db)基圆齿槽对应圆心角的一半theta=tan(45*t)*180/pi()-45*t+sita渐开线在柱坐标中角度r=db/2/cos(45*t)渐开线在柱坐标中半径xt=db/2/cos(45*t)*cos(theta)三维直角坐标系中x坐标yt=db/2/cos(45*t)*sin(theta)三维直角坐标系中y坐标zt=0z方向为0在UG中新建一个模型文件并命名为“helicalgear”，从工具栏选择“工具”“表达式”弹出对话框。图3-1表达式将上文所述的内容依次输入，每输入一次点“对号”确认。式中，下一个数据表达式使用的符号必须在使用前定义，输入完毕后如所示。数据完全输入后，单击“确定”完成表达式的输入【13】。2、建立渐开线：选择“编辑”“曲线”“规律曲线”从规律函数对话框（图3-2）中选择“根据方程”，单击“确定弹出对话框如图3-3。图3-2规律函数30图3-3规律曲线t为系统变量，单击“确定”弹出图3-4图3-4定义X单击“确定”完成了X轴规律，按此方法完成Y轴、Z轴规律的设定后弹出对话框图2.6图3-5规律曲线单击“确定”生成规律曲线如图3-6。图3-6生成渐开线选择“曲线”“基本曲线”，弹出对话框。选择圆圆心为（0,0,0）直径da，然后按回车键生成齿顶圆。3、变换曲线：选择XY平面生成草图，以零点圆心生成分度圆、齿根圆，如图3-7。31图3-7生成分度圆以渐开线与分度圆的交点和原点为端点做直线如图3-8。图3-8右键单击此直线选择“变换”命令，在弹出菜单中选择“绕点旋转”在点构造器中选择原点，单击确定。在随后弹出角度菜单中输入“-gama”如图3.2.1.9并单击“确定”。图3-9变换在弹出菜单中选择“多副本可用”，副本数为“1”单击确定。4、镜像曲线：选择“变换”(可在帮助命令查找器中查找)命令在“选择对象”中选择所做的渐开线，确定后选择“通过一直线镜像”“现有的直线”选择“变换”出的直线然后选择“复制”命令得到镜像曲线。如图图3-10。32图3-10镜像曲线5、生成齿槽曲线：在草图中用两条直线分别连接渐开线的端点圆心，用圆弧连接两条渐开线的外端点，然后修剪，得到的效果如图图3-11。图3-11生成齿槽曲线6、拉伸出柱体：退出草图，选择“拉伸”命令，选中齿顶圆，拉伸距离输入“b”单击“确定”。7、生成螺旋线：以YZ平面做草图，如图3-12然后退出草图。图3-12生成螺旋形单击“插入”“来自曲线集的曲线”“投影”，以草图直线为要投影的曲线，以圆柱面为要投影的对象，方向“沿矢量”选x方向如图3-13。图3-13投影曲线生成另外两条螺旋线（扫略时需要）：选择“编辑”“移动对象”“选33择对象”为投影曲线，指定矢量为z轴，指定轴点为（0,0,0），角度90/z,结果选“复制原先的”单击“确定”。重复上述“移动对象”命令，但角度方向相反为“-90/z”。8、单击“连接曲线”，依次选择齿槽轮廓线单击“确定”此时会提示连接曲线会生成圆角问是否继续，单击“是”。9、扫略成型：在“插入”“扫略”“扫略”弹出对话框中，截面“选择曲线”为上步的连接曲线，左键选择后单击中键确定。引导线依次选择三根螺旋线，每选择一次单击中键确定。（不要生成预览，否则选择第一条螺旋线就生成预览，此预览不正确且影响选择第二条、第三条引导线）生成扫略特征。10、复制扫略特征：选择“编辑”“移动对象”在弹出的对话框中以扫略特征为“选择对象”，运动选项为“角度”，“指定矢量”为z轴，“指定轴点”为（0,0,0），角度360/z，“结果”为“复制原先的”，“非关联副本数”为1，其他默认，单击“确定”。11、布尔运算：选择“求差”命令，目标体为圆柱体，选择所有扫略特征为刀具，得到斜齿轮UG模型【17】。3.2主要零件模型图图3-14齿轮轴34图3-15齿条及限位块图3-16转向器爆炸图35图3-17转向器正二测视图图3-18转向器侧视图36图3-19转向器俯视图374基于ADAMSCar的大学生方程式赛车转向系统动力学性能分析首先根据设计、计算出的数据在UG上建模，画出3D示意图4-1：图4-1转向系统空间布置示意图由上图，配合UG测量工具测量以下数据记录在纸上：整车的质心点、轮心点：悬架系统中的上横臂前点、上横臂后点、上横臂外点、下横臂前点、下横臂后点、下横臂外点、转向横拉杆外点、转向横拉杆内点、避震器与车架连接点、避震器与摇臂连接点、横向稳定杆与摇臂连接点、推杆与摇臂连接点、推杆外点、摇臂坐标原点、横向稳定杆安装点的X、Y、Z坐标值；转向系统中的中间输入轴前点、中间输入轴后点、转向器与万向节连接点、方向盘圆心点的X、Y、Z坐标值【18】。（注：以上各点在Adams中命名为hps_global、hpl_wheel_center；hpl_uca_front、hpl_uca_rear、hpl_uca_outer、hpl_lca_front、hpl_lca_rear、hpl_lca_outer、hpl_tierod_outer、hpl_tierod_inner、hpl_shock_to_chassis、hpl_shock_to_bellcrank、hpl_arblink_to_bellcrank、hpl_pro38d_to_bellcrank、hpl_prod_outer、hpl_bellcrank_pivot及hpl_bellcrank_pivot_orient、hpl_arb_bushing_mount；hps_intermediate_shaft_forward、hps_intermediate_shaft_rear、hps_pinion_center_at_rack、hps_steeringwheel_center。）其中，“hpl”中的“l”代表“left”，因为Adams/Car中的硬点具有左-右镜像的特点，即左边硬点可自动镜像到右边，所以建立或修改左边点，右边点会自动创建或更改。运用Adams/Car建模，模型如图4-2。图4.2Adams/Car中建立的前悬以及转向模型1、仿真：根据路径“Simulate-SuspensionAnalysisSteering”打开转向仿真设置窗口，填写其中空白部分：OutputPrefix指输出文件命名，“10”指仿真步数，“130”“-130”分别指方向盘的上下极限，是之前设计出的值。填好之后点击“OK/Apply”，等待弹出的“MessageWindow”运行完点击“CLOSE”，代表仿真结束。过程动画回放。根据路径“ReviewAnimationControls”,在弹出窗口上点击即可回放。2、查看后处理结果：根据路径“Review-PostprocessingWindow”或直接按F8打开AdamsPostprocessing,如图4-3。39图4.3进入Postprocessing窗口进入如下后处理窗口：图4-4后处理窗口系统默认的曲线横坐标是时间（Time），一般转向分析是以一侧转向轮转角为横坐标。点选Data，系统会自动跳出如下窗口：图4-5横坐标定义窗口选择steer_angle-left，点击“OK/Apply”。40转向分析一般内容为：阿克曼理想转角曲线的符合程度。下面进行“实际左右轮转角曲线”图的出图与分析。按照下图点选出纵坐标值“steer_angleright”。图4-6纵坐标定义窗口（纵坐标为右轮转角）再点击“AddCurves”，出现如下曲线。图4-7实际左右轮转角曲线可见左右两轮实际转角成比例增长，增长比约为：/=5/70.71而由2.21）得到的内外轮理想转向时最大转角可计算得/=24.83/35.930.7，上下两值很相近。基本可认为实际转向与理想转向符合【24】。下面再出一张“转角方向盘转矩”图。如图4.7，修改纵坐标为“steering_wheel_input_torque”。41图4-8纵坐标定义窗口（纵坐标为方向盘转矩）同上述过程得到曲线，如图4-9【19-24】。图4-9a图4-9b图4-9“转角方向盘转矩”图图4-9a为去年设计的转向系统“转角-方向盘转矩”图，图4-9b为本次设计的“转角-方向盘转矩”图。对比可见，本次设计方向盘转矩随左轮转角的变化比较平稳，无脉冲现象，而去年设计有较明显的转向力矩变化起伏现象。