轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開題報告

第一章總論賽事簡介和設(shè)計目的及意義中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSAE”）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。2010年第一屆中國FSAE由中國汽車工程學(xué)會、中國二十所大學(xué)汽車院系、國內(nèi)領(lǐng)先的汽車傳媒集團(tuán)——易車（BITAUTO）聯(lián)合發(fā)起舉辦。中國FSAE秉持“中國創(chuàng)造擎動未來”的遠(yuǎn)大理想，立足于中國汽車工程教育和汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，吸收借鑒其他國家FSAE賽事的成功經(jīng)驗(yàn)，打造一個新型的培養(yǎng)中國未來汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和工程師的交流盛會，并成為與國際青年汽車工程師交流的平臺。中國FSAE致力于為國內(nèi)優(yōu)秀汽車人才的培養(yǎng)和選拔搭建公共平臺，通過全方位考核，提高學(xué)生們的設(shè)計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行長期的人才積蓄，促進(jìn)中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國”的戰(zhàn)略方向邁進(jìn)。本次畢業(yè)設(shè)計的題目為FSAE方程式賽車轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，目的在于設(shè)計一套適用于FSAE方程式賽車的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，配合其制動系，傳動系，行駛系及其他機(jī)構(gòu)使賽車的性能滿足大賽的要求。當(dāng)然，通過此次設(shè)計，也可以讓我回顧大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識，對自己大學(xué)學(xué)習(xí)的課程有一個更為深刻的總結(jié)，使自己成為符合新時代的汽車產(chǎn)業(yè)人才。國內(nèi)外賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展賽車在行駛中，經(jīng)常需要改變行駛方向，這就需要有一套用來控制賽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，這套機(jī)構(gòu)稱為賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（steeringsystem）。賽車行駛方向的改變是由駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而改變轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)的。賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為兩大類：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。完全靠駕駛員手力操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。借助動力來操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可分為液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。此外，隨著科技的不斷發(fā)展還出現(xiàn)了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2.1.機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向動力，又稱為人力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由三部分組成，即轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器工作的機(jī)構(gòu)叫做轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸等機(jī)件。轉(zhuǎn)向軸下端的蝸桿與扇形齒輪構(gòu)成轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向器是一個減速增矩機(jī)構(gòu)，經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大的力矩傳給轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、左右梯形臂等機(jī)件構(gòu)成轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。前軸的兩端和轉(zhuǎn)向節(jié)分別由主銷a和h鉸接在一起，轉(zhuǎn)向節(jié)上連有左右梯形臂，兩臂鉸接在轉(zhuǎn)向橫拉桿1。當(dāng)一個轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動時，另一個轉(zhuǎn)向節(jié)也隨著變位，實(shí)現(xiàn)賽車轉(zhuǎn)向。但兩個車輪轉(zhuǎn)動的角度不同，因?yàn)榍拜S、轉(zhuǎn)向橫拉桿、左右梯形臂所形成的四邊形不是矩形而是梯形。2.2.動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用駕駛員體力和發(fā)動機(jī)動力作為轉(zhuǎn)向動力.并且以發(fā)動機(jī)動力作為主要動力。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而成的。轉(zhuǎn)向加力裝置包括轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動力缸等。轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，以產(chǎn)生高壓油液。當(dāng)駕駛員逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向搖臂將拉動轉(zhuǎn)向直拉桿向前運(yùn)動，轉(zhuǎn)向直拉桿的拉力作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，使左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)及左側(cè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷向左偏轉(zhuǎn)一個角度，同時通過梯形臂和轉(zhuǎn)向桿使另一側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向輪繞該側(cè)轉(zhuǎn)向主銷偏轉(zhuǎn)一定的角度，這時賽車將向左轉(zhuǎn)向。與此同時，轉(zhuǎn)向直拉桿還帶動了轉(zhuǎn)向控制閥中的滑閥移動，使轉(zhuǎn)向動力缸的右腔接通轉(zhuǎn)向油泵的出油口，右腔通過轉(zhuǎn)向控制閥與轉(zhuǎn)向油罐接通，轉(zhuǎn)向動力缸的活塞所受的向右的液壓作用力便經(jīng)其推桿也作用在轉(zhuǎn)向橫拉桿上。由于液壓作用力較大，在很大程度上減輕了駕駛員的操作強(qiáng)度。.四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顧名思義，所謂四輪轉(zhuǎn)向，是指4個車輪都是轉(zhuǎn)向輪，簡稱4WS。它是汽車的主動控制形式之一。低速時，前、后輪進(jìn)行逆相位轉(zhuǎn)向，減小了轉(zhuǎn)彎半徑，提高了汽車的機(jī)動靈活性；高速時，前、后輪進(jìn)行同相位轉(zhuǎn)向，使汽車由于行駛方向改變而產(chǎn)生的橫擺角速度和側(cè)向加速度很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，改善了高速時的汽車操縱穩(wěn)定性。理論和試驗(yàn)研究表明，4WS系統(tǒng)通過對前、后輪的主動控制，能極大地提高汽車在轉(zhuǎn)彎、超車和變更車道等多種工況下的操縱穩(wěn)定性。.主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由德國寶馬公司和5U公司聯(lián)合開發(fā)，保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械構(gòu)件，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。其最大特點(diǎn)就是在轉(zhuǎn)向盤與齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了1套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，用于向轉(zhuǎn)向輪提供疊加轉(zhuǎn)向角。因此，該系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)傳動比可變的功能外，還能主動干預(yù)前輪轉(zhuǎn)角，從而提高車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。作為一項(xiàng)新技術(shù)，主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把車輛的安全性、靈活性以及駕駛樂趣提高到了一個全新的水平。2.5.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)早在20世紀(jì)50年代，美國TRW公司等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)商就對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做出了大膽的設(shè)想，提出將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間用控制信號代替原有的機(jī)械連接。20世紀(jì)60年代末，德國的Kasselmann公司等設(shè)計了與TRW公司設(shè)想類似的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990年，德國奔馳公司將其關(guān)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究應(yīng)用到了概念車F4OO-Carving上。ZF公司也在1998年開發(fā)出電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之后，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了積極的開發(fā)研究，目前已經(jīng)有整套的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上市。而由Daimier-Chrysler公司開發(fā)的用操縱桿操縱的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，則被列為2000年汽車10大新技術(shù)之一。在2001年舉辦的第71屆瑞士日內(nèi)瓦國際汽車展覽會上，意大利的Berstone汽車設(shè)計及開發(fā)公司展示了新型概念車FILO。該概念車電傳驅(qū)動系統(tǒng)的核心是機(jī)-電一體化控制系統(tǒng)（智能機(jī)電起動單元），其轉(zhuǎn)向、加速、制動、換擋、離合等均由電傳驅(qū)動系統(tǒng)控制完成。TTA-GROUP是國外一個專門研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的專業(yè)性機(jī)構(gòu)，在線控轉(zhuǎn)向領(lǐng)域取得了卓越的成就。2002年，裝備線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的奧迪S8型汽車在德國慕尼黑舉行的TTA-GROUP的論壇上展出，該車的道路識別系統(tǒng)將路線軌跡的信息通過TTP總線傳給ECU，ECU控制汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沿道路行駛，駕駛員可以隨時對其修正。雖然線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身的成本較高，但是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后，汽車底盤設(shè)計就不必考慮區(qū)分左、右行駛交通系統(tǒng)，使底盤開發(fā)特別是跨國公司的底盤開發(fā)費(fèi)用降低。盡管目前歐洲的汽車法規(guī)要求在駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機(jī)械連接，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還不允許在歐洲上市，但只要生產(chǎn)商能夠有足夠的證據(jù)表明線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠性，其得到上市許可還是完全可能的。目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于自身成本等因素的制約，很難在價格低廉的家用轎車上得到普及應(yīng)用，但是在對于追求性能極限的高級轎車、高級跑車上應(yīng)用，則是完全可能和必要的，它能夠減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，提高主動安全性能，因此有著很好的應(yīng)用前景。輔助駕駛系統(tǒng)和無人駕駛汽車是現(xiàn)在新興的熱門研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)汽車智能轉(zhuǎn)向的最佳方案就是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制開發(fā)也為自動駕駛汽車的開發(fā)提供了良好的科研平臺，其自身也具有良好的應(yīng)用前景，可用于未來的智能交通系統(tǒng)中。賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)概述轉(zhuǎn)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)又包括方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂。3?1.賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計的具體要求汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由運(yùn)動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。保證汽車有較高的機(jī)動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。同時兼顧操縱輕便性和靈敏性。⑺轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，轉(zhuǎn)給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。進(jìn)行運(yùn)動校核，保證轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。設(shè)計思路本課題在綜合考慮眾多因素的基礎(chǔ)上先從轉(zhuǎn)向系最基本的原理入手，經(jīng)過對汽車的轉(zhuǎn)向系原理的認(rèn)真學(xué)習(xí)，來摸索著設(shè)計賽車的轉(zhuǎn)向系。設(shè)計過程中，先是比較各個類型轉(zhuǎn)向系的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合賽車對轉(zhuǎn)向系的一些特殊要求，最后決定采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系。因?yàn)槟壳疤菪谓Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)角關(guān)系較接近理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系，又鑒于賽車采用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，因此采用斷開式梯形結(jié)構(gòu)。斷開點(diǎn)的選擇以及內(nèi)、外轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的優(yōu)化方面，不但要考慮轉(zhuǎn)向本身的需要，同時還要考慮轉(zhuǎn)向與車架的配合，首先斷開點(diǎn)應(yīng)該設(shè)在車架的兩側(cè)，并且轉(zhuǎn)向過程中斷開點(diǎn)應(yīng)一直都在車架的外側(cè)，這樣便限定了橫拉桿的長度，與轉(zhuǎn)向設(shè)計有關(guān)的主銷距K由懸架設(shè)計時確定，軸距由車架來確定。這樣一來，轉(zhuǎn)向系的優(yōu)化過程中只需優(yōu)化梯形臂長m，梯形底角和主銷連線到橫拉桿的水平距離h。h值越大，轉(zhuǎn)向越省力，但又考慮到安裝的空間問題，h值不能過大。對梯形臂長m和梯形底角的優(yōu)化時，采用曲線比擬的方法，將實(shí)際內(nèi)、外轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線和理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線畫在同一張圖上，比較兩個曲線的接近程度，優(yōu)化出兩個變量的