目录
摘要 .............................................................................................................................. 1 Abstract ........................................................................................................................ 2 1 绪论 .......................................................................................................................... 3
1.1 前言 ............................................................................................................... 3 1.2 设计思路 ....................................................................................................... 3 2 汽车转向系统概述 .................................................................................................. 4
2.1 转向系的主要要求 ....................................................................................... 4 2.2 转向系统分类 ............................................................................................... 5 2.3 转向系布置设计 ........................................................................................... 5 3 转向器的结构型式及选择 ...................................................................................... 6
3.1 循环球式转向器 ........................................................................................... 6 3.2齿轮齿条式转向器 ........................................................................................ 6
3.2.1 材料的选择 ........................................................................................ 7 3.2.2 齿轮齿条式转向器优缺点 ................................................................ 7 3.2.3 输入输出形式的选择 ........................................................................ 7 3.2.4 齿轮啮合方式的选择 ...................................................................... 10 3.2.5 齿条断面形状 .................................................................................. 11 3.2.6 齿轮齿条式转向器和转向梯形相对位置 ...................................... 11
4 转向操纵机构 ........................................................................................................ 12 5 转向传动机构 ........................................................................................................ 13 6 转向梯形的优化设计 ............................................................................................ 13
6.1 转向梯形结构的选择 ................................................................................. 13 6.2 断开点位置的确定 ..................................................................................... 15 6. 3 转向梯形的设计优化 ................................................................................ 16 6.4 用解析法求内、外轮转角关系 ................................................................. 17 6.5 转向传动机构的优化设计 ......................................................................... 19
6.5.1 目标函数的建立 .............................................................................. 19 6.5.2 设计变量与约束条件 ...................................................................... 20
6.5.3 转向梯形的计算 .............................................................................. 23 6.5.4 优化结论 .......................................................................................... 27
7 转向器参数设计 .................................................................................................... 27
7.1 原地转向力矩及转向器手力计算 ............................................................. 27 7.2 转向器角传动比及力传动比 ..................................................................... 28 8 齿轮齿条参数设计及校核 .................................................................................... 29
8.1 齿轮精度等级、材料及参数的选择 ......................................................... 29 8.2 齿轮几何尺寸确定 ................................................................................... 30 8.3 齿根弯曲疲劳强度计算 ........................................................................... 30
8.3.1 齿轮的齿根弯曲强度校核 .............................................................. 30 8.3.2 齿面接触疲劳强度校核 .................................................................. 31 8.4 齿条参数的设计 ....................................................................................... 31 结论 ............................................................................................................................ 32 致谢 ............................................................................................................................ 33 参考文献 .................................................................................................................... 33
F1转向系设计
摘要：转向系统在赛车中占有重要的地位，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。
本课题首先通过分析转向系的功能要求，结合转向系统的布置设计，比较各类型的转向器的优缺点，选用齿轮齿条式转向器。然后研究与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构的结构特点和优化设计方法,给出了优化设计的目标函数和设计变量的选择范围, 并结合FSAE赛车的参数用Matlab优化出各个参数。进而对转向器的各个参数进行了设计校核，最终由CATIA得到了转向系总的装配图。
通过对转向系的优化设计，来为赛车其他零部件分析优化提供思路，以达到对F1赛车的结构整体优化，提高其性能。
关键词：大学生方程式，转向系，转向传动机构，齿轮齿条转向器
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The Design of F1 Steering System
Abstract: As an important part of the automobile unit, the steering system plays a
critical role in vehicle security, handling stability and driving comfort. Firstly, the paper has an analysis of the function and requirement of the steering system. Considering the layout design of the steering system and the advantages of the steering box, a rack and pinion gear is selected. Secondly, the constructional features and optimum design methods of the steering linkage adapted to a rack and pinion steering gear are presented, and the paper gives the target functions in optimum design, as well as the selective range of design variations. Combined the actual parameters of the FSAE racing car, the parameters of the steering linkage are received by Matlab.
Finally, the paper gives a check of the parameters of the rack and pinion, and then through the soft of the CATIA, the assembly drawing of the steering system is obtained.
Through the optimal design of steering system, the design of the other systems has the similar methods in order to optimize the overall structure of the racing car and improve its performance.
Keywords: FSAE, Steering system, Steering linkage, Rack and pinion gear
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1 绪论
1.1 前言
所谓F1即Formula One的缩写，是指对赛车汽缸容量等指标在一个共同的方程式限制下进行的比赛，想要单纯靠加大发动机排量、减轻车身重量等手段在F1赛场是行不通的，所以F1是公认对赛车工程技术、设计手段、财力以及人类驾驶技巧和勇气的极端考验。现代F1赛车的设计过程，经过试运行的零件以及经过验证的某些设想会像拼图一样一步一步地被添加到电脑模拟中。通过计算机辅助设计软件（CAD）人们可以进一步进行调整。经过高精度的计算，人们可以运用特殊的软件描绘出新软件以及新款赛车的精确3D图像。
转向系统在赛车中占有重要的地位，通过对转向系的优化设计，来为赛车其他零部件分析优化提供思路，以达到对F1赛车的结构整体优化。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 设计思路
本课题在综合考虑众多因素的基础上先从转向系最基本的原理入手，经过对汽车的转向系原理的认真学习，来摸索着设计赛车的转向系。
设计过程中，先是比较各个类型转向系的优缺点，并结合赛车对转向系的一些特殊要求，最后决定采用齿轮齿条式转向系。因为目前梯形结构的转向系的转角关系较接近理想的转角关系，又鉴于赛车采用独立悬架结构，因此采用断开式梯形结构。
断开点的选择以及内、外转角关系曲线的优化方面，不但要考虑转向本身的需要，同时还要考虑转向与车架的配合，首先断开点应该设在车架的两侧，并且转向过程中断开点应一直都在车架的外侧，这样便限定了横拉杆的长度，与转向设计有关的主销距K由悬架设计时确定，轴距由车架来确定。这样一来，转向系的优化过程中只需优化梯形臂长m，梯形底角?和主销连线到横拉杆的水平距离h。h 值越大
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