大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)中期報(bào)告

1、河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)專業(yè)：車輛工程學(xué)生信息： 學(xué)號(hào) 姓名 班級(jí) 車輛工程093班指導(dǎo)教師信息：教師號(hào) 姓名 職稱 副教授1. 中期具體工作及進(jìn)展本階段的預(yù)期目標(biāo)是完成方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)。通過(guò)前一段時(shí)間的設(shè)計(jì)，完成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本分析和轉(zhuǎn)向器的詳細(xì)設(shè)計(jì)，使其貼合大賽規(guī)則，并利用ug完成了轉(zhuǎn)向器的詳細(xì)建模。1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大體設(shè)計(jì)結(jié)合賽規(guī)、往屆各車隊(duì)賽車參數(shù)及名次，選定整車的基本信息如下：名稱軸距l(xiāng)前輪距b后輪距b最小轉(zhuǎn)彎半徑r數(shù)值1600 mm1250 mm1200 mm3810 mm名稱車手重車重（采用cbr

2、600發(fā)動(dòng)機(jī)）輪輞輪胎數(shù)值70 kg220 kg萬(wàn)豐13吋hoosier21吋名稱方向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角數(shù)值260 表1方程式賽車的轉(zhuǎn)向盤(pán)位于賽車中間部位，駕駛艙又較小，采用中間輸出或者一端輸出形式不便于布置， 所以確定轉(zhuǎn)向器輸入形式為“中間輸入、兩端輸出”，如圖1：圖1與齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器配用的轉(zhuǎn)向梯形布置有以下四種：a轉(zhuǎn)向器位于前軸后方、后置梯形 b轉(zhuǎn)向器位于前軸后方、前置梯形c轉(zhuǎn)向器位于前軸前方、后置梯形 d轉(zhuǎn)向器位于前軸前方、前置梯形圖2如果采用b、c方案，則很容易與前懸架減震器推（拉）桿產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，所以屆時(shí)和懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員溝通后，從a、d中選擇最合適的一種，并進(jìn)行梯形的具體設(shè)計(jì)和優(yōu)化。1.

3、2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)1.2.1 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比iw 為了避免在賽車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的路面對(duì)汽車行駛的附加阻力過(guò)大和輪胎的過(guò)快磨損，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)盡可能地保證在賽車轉(zhuǎn)向時(shí)，所有的車輪均作純滾動(dòng)。顯然，這只有在所有車輪的軸線都相交于一點(diǎn)時(shí)方能實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。此交點(diǎn)被稱為轉(zhuǎn)向中心，其位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。圖3 l汽車軸距，1600mm；r汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑，3810 mm；b前輪輪距，1250mm；外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。 根據(jù)圖示幾何關(guān)系，算得=24.83，=35.93角傳動(dòng)比 iw=wk （1） 式中，w轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，度數(shù)為260；k轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，+=60.76將數(shù)據(jù)代入（1）式中，得

4、：iw =4.3（為設(shè)計(jì)方便，取iw為4:1）1.2.2 轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷及相關(guān)尺寸的確定主要參照常見(jiàn)汽車轉(zhuǎn)向器的載荷分析過(guò)程進(jìn)行，帶入賽車基本參數(shù)，算得以下幾個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)。原地轉(zhuǎn)向阻力矩mr22752.0 nmm轉(zhuǎn)向盤(pán)手力fh49.76n梯形臂長(zhǎng)度l2130mm轉(zhuǎn)向橫拉桿直徑dmin10mm斜齒輪轉(zhuǎn)矩t16319.52mm表21.2.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)和校核齒輪軸是一根切有齒的軸，安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并與齒條上的齒相嚙合，其上端與轉(zhuǎn)向柱相連。因此，轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)以操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的球軸承支承。齒條是在金屬殼體內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)的，加工有齒形的金屬條。轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在車架前

5、底板固定位置上的。導(dǎo)向座將齒條支持在轉(zhuǎn)向器殼體上。齒條的橫向運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。1.2.3.1齒輪的設(shè)計(jì)和校核對(duì)于一般的汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，齒輪的模數(shù)取值范圍在23mm之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)在57個(gè)范圍變化，壓力角取值20，齒輪螺旋角多為915。但是考慮到賽車的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角不到一圈，而齒條總行程需要約160mm，且每嚙合一次，齒條走過(guò)一個(gè)周節(jié)（t=m）的距離，致使所需齒輪較大，所以初選齒數(shù)z1為15?？傻茫簍=16mmm=5.09mm方向盤(pán)轉(zhuǎn)角限制齒輪齒條只能嚙合260，約10對(duì)齒，因此可設(shè)計(jì)為不完全齒輪，按照齒數(shù)為15的斜齒輪加工，只切出11個(gè)齒，剩余部分保持齒頂高半

6、徑。結(jié)合齒輪加工過(guò)程，從第一系列里選得齒輪的模數(shù)mn1為5mm。另外，選擇齒輪壓力角1為20，螺旋角為13，變位系數(shù)n=0.7。通過(guò)齒輪相關(guān)計(jì)算公式，得到齒輪數(shù)據(jù)如下：齒輪幾何計(jì)算名稱代號(hào)計(jì)算結(jié)果/mm齒頂高h(yuǎn)a8.5齒根高h(yuǎn)f2.75齒高h(yuǎn)11.25分度圓直徑d51.36齒頂圓直徑da68.36齒根圓直徑df45.86基圓直徑db48.26法向齒厚sn10.40端面齒厚st10.47齒寬b72表3齒輪精度等級(jí)、材料的選擇：（1） 由于轉(zhuǎn)向器齒輪轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選擇8級(jí)精度。（2） 主動(dòng)小齒輪選用16mncr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，硬度在56-62hrc之間，取值60hrc.下面進(jìn)行齒

7、輪的力學(xué)校核。一、齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)以下公式：（1）k=kt=1.3；（2）斜齒輪轉(zhuǎn)矩t1=6.32m；（3）復(fù)合齒形系數(shù)=；（4）許用彎曲應(yīng)力=0.7=0.71187=830.9n/，為齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值；（5）齒寬系數(shù)m=1.0（小齒輪對(duì)稱布置）；（6）齒輪齒數(shù)z1取15。最終算得：mn0.65所以模數(shù)選5遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小模數(shù)，強(qiáng)度校核合格。二、計(jì)算載荷系數(shù)k=kakvkhk=10.41.11.15=0.759，以此修正kt值：算得mn=4.17mm，故前取5mm不變。三、齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式為（1）許用接觸應(yīng)力=1650mpa查表得，彈性系數(shù)區(qū)域系數(shù)合度系數(shù)螺旋角系數(shù)

8、 u=4.7算得h=1377.06mpa1650mpa由以上計(jì)算可知齒輪滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，即以上設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。齒輪的ug建模如圖4所示。圖41.2.3.2齒條的設(shè)計(jì)相互嚙合的齒輪的齒距p1和齒條的齒距p2必須相等。即：mn1cos 1=mn2cos 2所以選定齒條的模數(shù)mn2為5mm，計(jì)算出齒條的壓力角2=20。根據(jù)圖4計(jì)算出齒條的幾何數(shù)據(jù)。圖5齒條幾何計(jì)算名稱代號(hào)計(jì)算公式數(shù)值/mm模數(shù)m-5周節(jié)tt=m15.7齒厚ss=t/27.85徑向間隙cc=0.25m1.25齒頂高h(yuǎn)1h1=m5齒根高h(yuǎn)2h2=1.25m6.25齒工作高度hghg =2m10齒全高h(yuǎn)h =2.25m11.25表

9、4 齒條常采用45號(hào)鋼制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度在56hrc以上。齒條的ug建模如圖6所示。圖61.2.4 轉(zhuǎn)向器其他部件的設(shè)計(jì)在ug中將齒輪齒條裝配嚙合，進(jìn)一步根據(jù)嚙合的空間尺寸，設(shè)計(jì)了齒間間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)，以調(diào)整轉(zhuǎn)向器間隙，減小方向盤(pán)自由行程，滿足賽規(guī)。示意圖如下：圖7一個(gè)齒條導(dǎo)向座安裝在齒條光滑的一面。齒條導(dǎo)向座1和與殼體螺紋連接的調(diào)節(jié)螺塞3之間連有一個(gè)彈簧2，此調(diào)節(jié)螺塞由鎖緊螺母固定4。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條間有一定預(yù)緊力，此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲及反饋。設(shè)計(jì)齒條導(dǎo)向座如圖。圖8還設(shè)計(jì)了殼體、端蓋、轉(zhuǎn)向橫拉桿連接耳片等部件。軸承選用型號(hào)為6004的深溝球軸承，內(nèi)徑d=20mm，外

10、徑42mm，寬b=12mm，基本額定載荷cr=9.38kn，c0r=5.02kn，脂潤(rùn)滑，極限轉(zhuǎn)速19000r/min。上端蓋（大）和殼體連接處、轉(zhuǎn)向橫拉桿耳片連接處均使用m6螺栓，上端蓋（?。┨幨褂胢3螺釘。最終在ug中裝配，得到爆炸圖及一些視圖如下：圖9 爆炸圖圖10 正二測(cè)視圖圖11 側(cè)視圖圖12 鳥(niǎo)瞰圖2.中期設(shè)計(jì)過(guò)程中遺留的問(wèn)題齒輪齒條的設(shè)計(jì)和校核中有部分?jǐn)?shù)據(jù)的選取不是很確定，需要進(jìn)一步查資料對(duì)正，而且齒輪的嚙合計(jì)算、中心距的選擇、齒間間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)未能做得完善，需要在后期彌補(bǔ)。殼體等結(jié)構(gòu)只是基本滿足使用要求，并未最大程度上結(jié)合實(shí)際加工、輕量化、美觀等因素。3.后期工作安排1、進(jìn)一步計(jì)算齒輪齒條的嚙合力學(xué)特性，得到合理的嚙合位置，并對(duì)轉(zhuǎn)向器整體進(jìn)行優(yōu)化，去掉不必要的部分，改進(jìn)不合理的部件，并對(duì)其進(jìn)行更進(jìn)一步的力學(xué)分析，使其實(shí)際使用性能得到最大保障。2、進(jìn)行轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)，并運(yùn)用matlab對(duì)體型進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)梯形臂長(zhǎng)和底角，并與車架組和懸架組成員交流，運(yùn)用ug在空間里對(duì)梯形建模，確定出轉(zhuǎn)向器