车辆工程工科试验fsae电动方程式赛车转向系统设计及优化

第1章绪 第1节引 第2节FSAE大学生电动方程式比赛介 第3节FSAE方程式汽车大赛赛事发 第4节FSAE赛事规 第5节FSAE转向系统研究现 第6节本课题研究目的与意 第7节本章小 第2章FSAE转向系统概 第1节转向系统的作用和组 1.1转向系统的分 电池选 第2节转向系统的分 电机类型选 电机功率的选 电机转速、转矩的选 电机选 第3节转向系统的设计要 第4节转向系统的设计流 传动比计 最高车速及加速时间估 第5节本章小 第3章转向系统设 第1节转向器方案选 电池布 电机布 电机控制器布 第2节转向系主要参数选 传动系统布置方 电机支架设 器支架设 联轴器设 球笼壳设 半轴设 第3节转向器的设计和计 电池箱体设 电池箱散热结构设 第4节本章小 第4章转向梯形的优化设 第5章制造工艺分 结 致 参考文 2010FSAE赛的学生数量逐年增多，引领了众多工科院校学生的运动热潮。对而言，底盘设计很大程度上决定了的操控性能。对与一极限闻名的运动，十分考验手对于的操控力，以达到理想的状态，所以的操控性对于的重要性不言而喻。转向系统的设计对于的操控性而言也有着十分重要的地位，本文以吉林大学吉速电动方程式为对象进行转向系统的设计及优化。综合考虑汽车转向系统的设计要求以及对转向系统的特殊性，对机械式转断开点进行优化设计，最后结合悬架系统确定的定位参数，防止结构。转角关系的建模，优化目标转向关系，保证能够实现良好的转向性能和抓地性能。熟练运用CATIA、等软件进行三维建模以及转向性能的仿真分析。充分将理论与实践相结合，也为吉速电动方程式队留下：电 SinceSinceheldthefirstformula,collegestudentstoparticipatedomesticFSAEmatchthenumberofstudentsincreasedyearbyyear,hasledtomanyengineeringcollegesanduniversitiesstudent'smotorsportboom.Forracingsports,thedesignofsteeringsystemforhandlingofthecaralsohasaveryimportantposition,inthispaper,jilinuniversity,thespeedofelectricformulaforthedesignofsteeringsystemandoptimizationfortheobject.Consideringthedesignrequirementsofautomotivesteeringsystemandtheparticularityofcarmanipulationofsteeringsystem,thestructureofmechanicalsteeringgearselection,designthemainperformanceparametersofthesteeringsystem,thedesignofsteeringtrapezoidaloptimizationdesignforthecut-offpoint,thepositioningparametersofsuspensionsystemdeterminesthecar,topreventthecarstructureinterference.Intheprocessofthedesignofthesteeringsystem,andvehicleparametersmatchingandcoordination,learningexperiencesinthepracticalmanufacturingprocess,optimizationdesign,throughthecaroftherelationshipbetweentheleftandrightwheelsteeringAngleofsteeringsystemidealmodeling,theoptimizationgoalturnedtorelationship,ensurethecarcanachievegoodsteeringperformanceandgrip.GoodcommandofCATIA,the softwarefor3dmodelingandsimulationysisofsteeringperformance.Fullycombiningtheorywithpractice,butalsothespeedofelectricformularacingteamleftavaluabledesignexperience：electriccars,steeringsystem, parametersmatchingandoptimization,steeringtrapeziumdesign第11运动最早于城市间的公路比赛，距今已有100多年的历史，可分为场地和非场地。而方程式作为一项极具刺激感的场地型比赛，其制造的专业化和比赛的可欣赏性吸引了众多迷的参与。必须依照相关规则制定的技术规则制造，包括车体结车这项极限汽车运动中发挥性能的极限状态，相比较一般民用车而言，的设计更加注重车辆动力学和汽车的轻量化。同时，各大汽车公司都在投入大量的人力和物力支持运动，如赞助F1等比赛。赛车中的先进技术也将逐步应用到民用车上，可以说，运动是汽车技术们对动力学、电动汽车驱动控制、电池管理系统以及汽车电控系统等2015加2016年学生电动方程式大赛，作为第一年参赛的队伍取得了第2016设计监督工作，同时也发现设计存在的问题。本次以吉速电动方程式为研究对象，进行FSAE转向系统的设计及优化工作。主要进行转向第二节FSAE大学生电动方程式比赛介学生电动方程式汽车大赛（FSEC）脱胎于学生方程式汽车大赛（FormulaStudent，简称FSC，是一项由高等院校汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛，作为汽车专业教育的有2015FSCFSEC。首届比赛就吸引了28支大学生车队参赛，已成为国内乃至世界颇具的非性社会公益性赛事项目。学生方程式汽车大赛是高校中最大、最专业的汽车技术展示、应用平台，是汽车企业最为认可的人才选拔及储备平台，更是世界大学生技术交流的平台。而学生电动方程式大赛的发展契合未来新能源汽车产业和技术的发展需求，成为有志于新能源的大学生学习、展示和交流的最高平台。学生电动方程式大赛旨在由各高校车队中的本科生和成员根据当年学生方程式大赛规则来构想、设计、制造、研发并完成一辆小型电动方程式并参加比赛。参与大学生电动方程式大赛的高校学生，在一年的时间内制造一辆符合FSAE规则的电动方程式。在这一年中，学生不仅学习理论知识，更将汽车知识转化为实际的行动力，在上体现各自的专业水平。当然，造车的问题不单单是学习和创造，物资支持的资源获取能力以及积累制造经验对于越来越偏重理论化学习的大学生都是十分宝贵的，锻炼了处理突发，解决棘手问题的能力，培养了从实际出发考虑问题的清醒意识，更是实现了一个虽然艰苦但充满刺激与光荣的梦，对于许多参与大学生方程式的同学来说，这都是人生的珍贵经历。同时，国内越来越多的汽车企业也参与其中，无论是整车生产制造的、上汽、东风等，还是零部件企业如大陆、博世以及互联网汽车公司如易车、蔚来等，都在支持这项充满速度与的公益事业，不断向各个车队提供物资赞助以及大潮滚滚而来，新能源汽车的发展已列入《中国制造2025》十大重点领域之 3FSAE式汽车大赛赛事发FSAE于休斯顿大学的一位在校博士组织的小型场地比赛，这样的木质小型也被称之为“mini-Indy”。这样的“mini-Indy”搭载五马力的发动机于1979年在举办了第一届世界大学13FSAE整车，从落地到赛场奔驰，到现在，有超过15个国家每年举办20余FSAE2010FSAE2017年，有超过100支来自各大学校的车队报名参加学生方程式大赛。随着汽车工业的革新，电动车登上历史舞台，电动方程式比201310一名的成绩。2015年开始实行油电分离，在举办学生电动方程式大赛。2016过制造一辆可以培养及提高学生动手能力、创新能力及团队协作精沿的工程技术与知识有效地结合起来。吉林大学自2010年参加第一届方程式汽车大赛，2016年参加电动方程式大赛。随着汽车技术的革新，方程式大赛仍在不断的发展和完善中，2016人方程式大赛，而中国也在2017年举办无人方程式大赛，培养走在第4节FSAE赛 规大学生方程式大赛旨在让学生们自行设计、制造以及调试方程式并参加最终的比赛。赛事主办方对整体设计较少的规则限制，从设计产品的角度，这辆方程式需要满足的安全性、操控性、加速性以及成本合理的条件下的周末休闲。主办方根据以上要求从静态项目和动态项目两个角度给出评分规则，以体现比赛的公平性和全面性。第5节FSAE转向系统研究现方程式的转向系统相对于传统乘用车的转向系统，更加注重转向的灵敏度，车手需要在较短时间内迅速过弯，同时转向系统也是手驾驶过最多的机构，便于车手的转向机构对于提高性能的影响不可小视。上由于结构空间的限制，没有传统乘用车上的转FSAE车动力学的研究上，利用等软件建立转向梯形的几何模型，控制实际和理想之间的误差值，优化转向梯形从而提高转向系统6课题研究目的与本课题基于吉林大学吉速电动方程式，根据学生方程式大方面展开研究。满足转向系统设计要求，保证较高的机动性和方便以及不发生侧滑，不与悬架机构发生等。根据规则进行仿真试验，对于一个刚刚建立一年多的新车队来说，缺乏设计的经验，十分需要对系统的学习和认识过程。在目前的电动方程式大赛中，也较为缺乏 参照。都是根据经验设计，缺少理论依据。故本课题的研究帮助本学校车队的新队员学习理论知识，对转向7章本章主要介绍了学生电动方程式大赛的发展情况、规则和未来趋势以及对FSAE转向系统的研究现状的简述。最后介绍本文的第2章 转向系统是手在过的主要机构之一，很大程度的决定了赛械机构逐步实现。本章主要介绍FSAE转向系统的功用、特点、结构组成以及设计要求等并根据大学生方程式大赛规则制定转向系统设计流程，确定研第1节转向系统的作用和组员的意图保持或改变汽车行驶方向的机构。的转向系统为机械转向系统，手施加手力在方向盘上使其转动，经过转向器和转向传动机构使转向轮偏转一定的角度。根据规则要求，转向系统需要具备快拆机构第2 转向系统与乘用车转向系统区于方程式是场地类，需要考虑驾驶场地对于的影响，另一方面由于比赛需要手对由足够的掌控力，所以对驾驶员的要求也会影响转向系统的设计。根据以上特殊性，与普通乘用车在结称；但方程式根据规则为小型单人座休闲，故不存在一定前倾角度。而方程式为了提高的稳定性，质驶，会较大影响的质心位置，故为了减少驾驶员对质心高度的影响，手采用半躺的在驾驶舱内，驾驶时双手伸计安装方向盘时，需要着重考虑性和舒适性。 角度。如果单向方向盘最大角度大于180°，那么车手转到最大角度时操作十分不顺畅，会影响的性。所以根据以上要求FSAE的单侧方向盘最大转角不应超过180；而乘用车的驾驶员驾驶条件好于，故方向盘转角范围更大，540°。根据上述方向盘最大转角以及快速入弯的要求，向系传动比为12：1到20：1的范围内；的转向系传动比10：1一般乘用车会采用不同的转向助力机构，使驾驶员轻便。但方程式由于可操作空间的限制和学生较难加工制作动力转向系统，故FSAE一般不采取助力转向装置，只有机械由于比赛的性，需要对转向有精准的控制才能节省转7°范综上，转向系统与乘用车虽然作用相同，结构类似，由于比赛规则、条件和方程式作为非量产车的加工、的不成制约，与乘用车的转向系统存在一些区别，需要因地制宜设计。第3节转向系统设计要根据学生方程式大赛规则和汽车设计对的转向系设（1）转弯行驶时，车轮应绕同一瞬时转向中心旋转，车轮不产生侧滑。否则会加速轮胎的磨损，降低的行驶稳定性。（2）转向后，转向轮能自动回正继续稳定行驶转向传动机构与悬架杆系共同运动时，发生对转向传动机转向机构轻便，有适当的路感反馈，便于车手驾驶遇到物时，方向盘传递的反冲力尽可能小，避免无论方向盘如何旋转，它的最高点过前环的最高测量到的方向盘的自由行程必须第3节转向系统设计流根据上一节中FSAE转向系统的设计要求，结合汽车设计和方程式大赛规则，确定如下的转向系统的设计流程：进行转向器选型工作，对比不同种类转向器确定选择的类型；依据的结构参数从人机工程的角度设计方向盘关系；确定转向梯形特性和断开点位置，从而实现转向梯形参数设匹配转向传动机构与悬架杆系，尽量避 情况出现4章本章主要介绍了FSAE转向系统的主要结构、功能机理和各部分作用，从场地要求、驾驶环境以及驾驶员等方面分析了与一般乘用车之间的不同点，在转向灵敏度、驾驶、传动比以及空间上差异较大，故不能局限于汽车传统设计来设计方程式。根据二者的相同点与不同点，综合汽车设计与方程式大赛规则，确定FSAE转向系统第3章FSAE转向系统的设了设计流程。在本章将根据上一章最后确定的设计步骤进行的转向系统的设1向器方案的选或者电动转向系统。且由于车架和其他机构的限制，转向系统布置空间较为局限，难以布置过多结构。同时考虑轻量化的设计要求，循式转向器、蜗杆滚轮式转向器、蜗杆指销式转向器这四种主要的机机械式转向器分类及特之间因为磨损产生的间隙，可以提高转向系统的刚度和防止60%-70%，当给方向盘，即产生反冲。这对于手驾驶十分不利。一方面带来较大的转向力矩，给车手方向盘带来；另一方面，方向盘反冲给手带来“路感”冲击，造成车手的精神紧张或者造成。齿轮循式转向循式转向器的两对传动副分别由螺杆和螺母共同构成的螺旋槽内的钢球以及螺母上的齿条和摇臂轴的齿扇组成。循式转向器的主要火和磨削加工后，循式转向器可以具有较大的硬度和耐磨性，提高使用；循式转向器的主要缺点有：和齿轮齿条转向器类似，具有较高上，方向盘“反冲”的存在，会造成的驾驶员紧张甚至有的可能除此以外，循式转向器结构比较复杂，对制造精度的要求较高，对较高，工作可靠，长；逆效率低，会大大减少方向盘的反冲和度较低，对于这种对转向灵敏度要求较高的使用条件不适用；传动副磨损后造成的间隙不易于调节，调隙机构不易设计；转向大，目前应用较少，多用于载重较大的车。 低了单个销子的负荷，减少磨损，长；不能自转带来较大的磨损，工作效率低，短；双销式转向器结构复机械式转向器方案比较和选综合分析汽车设计、使用条件以及方大学生程式大赛规则对赛由于大学生制造能力有限，转向器应具有结构简单、易于制由于运动对动力学要求更高，轻量化是设计的一大目标，所以转向器应尽量做到轻量化设计，转向器的壳体选100mm式转向器作为FSAE的转向器。首先，齿轮齿条转向器的优点较为突有逆效率高的缺点，可能出现反冲、的情况，但是由 的驾驶不同于一般乘用车驾驶能力不一的驾驶员，手一般经过专业的训练，有充足的驾驶经验，驾驶体能强于一般人，对的掌控能力很强，所以能够适应转向反馈，不会造成驾驶时精神过度紧张的情况，比赛持续时间并不长，最考验的耐久赛总里程不超过20公里，所以不会造成他种类的机械转向器，齿轮齿条转向器最适合FSAE转向系统。2向盘设比赛中，没有换挡拨片供车手换挡，方向盘是车手驾驶过纵最多的机构。方向盘的设计需要充分考虑车手驾驶的舒适性和稳定以保证出现意外翻转时手的手部不与地面接触防止受转向轮摆正情况下，沿中心线、从前环后端到方向盘前端250mm(9.8轮廓可以有一些趋向直线的地方，但不能存在内凹。使用H形、8型或外轮廓有开口的方向盘。该方向盘除了满足基本方程式方向盘设计要求外，还采用碳纤维材料，面板上集成了整车电控开关，实现了多功能，方便手实时掌握状态，做出最优驾驶策略。手柄采用人机工程设计，根据驾驶3D97mm,保证车手能紧急逃生，方向盘处于最高26mm。2转向系统的性能参数设方程式不同于专门的越野赛或耐久赛，主要考验的是的极限速度。对赛道环境要求较高，赛道越平整，的抓地性能就越好。中国大学生方程式汽车大赛举办地是襄阳的梦想方程式赛道，由襄阳市专门为FSAE比赛建立。而学生电动方程式大赛的举办地是国际F1行。其他比赛如汽车大奖赛（A1，世界摩托车大奖赛（MotoGP，房车锦标赛（CTCC）也曾在这里举行。国际场的赛道5451.24在方程式比赛中，会设置较多的弯道以及桩桶来考验的过弯性能和车手对的操控性。在耐久赛中，有半径在30米到54米的定半径列的蛇形穿桩。这样的多弯道比赛规则要求转向系统的设计需要满足有足够大的转向角度顺利进入弯道保证的过弯能力。过弯时为了有一定的转向角度就需要缩小转弯半径，故的过弯能力很大程度取决于的最小转弯半径。的底盘设计时，一般使其具备一定的不足转向特性，防止过多转向的出现，所以综合考虑不足转向特性和赛道的最小转弯半径，设计的最小转弯半径为3.5米。在转弯时，影响最小转弯半径的主要是外侧车轮。为了确定赛车有足够的转向角度，根据上文中设计的最小转弯半径可以算出外侧 Ro

其中,Ro为车轮的转弯半径，单位mm；L为的轴距,单位mm；θo°（mm。3-1

=

3已知的轴距L=1575mm;最小转弯半径Rmin=3.5mm；主销偏置距c=49mm。代入式3-2得：θmax=23.49°，故确定转向的外侧车轮最大转角23.49°。在转向系统中，方向盘的角速度ωwωk转向系的角传动比i，也可以用方向盘转角的变化量φ化量βKiwd/dt

d/ d

i 2其中，Δφio分别是内、外侧车轮转向节的 速比转向。基于上述因素，在确定FSAE转向系统的角传动比时需考虑以下方向盘转角：上文中提到与乘用车一大不同就是对于转向灵敏度的大，一般最大单侧转角可达540°；对转向灵敏度要求很高，转向求较快。为了转向时尽量给车手提供方便快速的操作环境，方向盘保证车手能够不换手操作。所以方向盘的单侧最大转角一般不超过齿条行程越长，转向器体积越大。但根据转向器设计要求，为了满及方向盘尺寸等决定，为了便于手，方向盘手力应小一些。卡钳以及转向节等，因为轮辋较小，安装空间本来就比较有限，安装零件较多，留给梯形臂的空间狭小，所以经常出现与轮辋的情综合以上在设计FSAE转向系统的角传动比需要考虑的主要问题，对比一般乘用车转向系统的传动比在16:1到20:1的范围之间。为了满足快速转向的要求，的角传动比应该越小越好。比如F1的传动比一般在10:1以内，有些转向迅速的卡丁车的转向系统角传动比可以达到1：1。在尽量减小传动比加快转向的同时也需要考虑手的难度，保证手能够有足够的体力开完全程，手力不能过大。故最终选取FSAE 6:1，转向系转矩传动比的设TiTRtT

其中，iT为转向系统的转矩传动比；TRt为在转向节上克服的转向阻力矩，单位N*m；Th为 手施加在方向盘上的转矩,单位N*m。iT

(3其中iw为 转向系的角传动比，SG为转向器在实际情况下的效率，SLFSAE6:1，查资料可知齿轮齿条转90%左右，转向传动机构的传动效率可分为两部分，传动万85%3-5iT60.90.85 (33向计算参数的设2mm-3mm的范围内，但与乘用车相比更加轻巧灵活，设计偏重于轻量化和1.5mm,为了保证驾驶舱空间，转向