方程式赛车转向系统设计(转向系统)

FSAE赛车转向系统的研究与设计大学生方程式大赛（FSAE）是为热爱赛车的在读大学生举办的一项竞赛。

汽车的转向系统是用来保持或者改变行驶方向的机构。

本文从该角度分析了赛车转向系统的作用、基本构成、要求和总体性能。

标签：FSAE赛车；齿轮齿条式转向器；设计一、研究意义FSAE旨在通过学生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道，需要赛车转向系统灵敏、轻便、高效。

FSAE 赛车的转向系统设计能使车手在比赛时更好地高速避障、入弯出弯及紧急转向保证行车安全。

二、FSAE转向系统概述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。

FSAE大赛规定仅使用机械转向系统，即依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转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，其性能至关重要。

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很重要的作用。

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点。

另外，合适的转向器对转向系统也很重要。

比赛还规定：转向系統必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转；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°；方向盘必须安装在快拆器上，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。

三、FSAE赛车转向系统设计初始参数：1.转向盘总圈数≤3.02.转向盘直径≤200mm3.最大转向盘操纵力≤100N4.转向盘在上下方向的最大调节量≥50mm转向系统的设计要求：（1）保证汽车有较高的机动性；（2）汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑；（3）传给转向盘的反冲要尽量小；（4）转向后转向盘应自动回正，并使汽车保持直线行驶状态；（5）发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形后移时，转向系统最好有保护机构防止伤到乘员。

赛车转向系统的组成
赛车转向系统的组成通常包括以下几个部分：
1. 方向盘：方向盘是赛车转向系统的操作部分。

驾驶员通过方向盘来控制赛车的转向角度和方向。

2. 转向列轴：转向列轴是将方向盘的转动传递给转向机构的组件。

它通常由一根长形的金属轴
组成，通过联轴节与转向机构连接。

3. 转向机构：转向机构用于将方向盘转动的力矩转换成具体的转向操作。

它包括了各种齿轮、
连杆、丝杠等组件，可以通过机械方式将转动的力矩转换成具体的车轮转角。

4. 助力转向系统：在一些赛车中，为了减小驾驶员对方向盘的操作力，还会加装助力转向系统。

助力转向系统通常包括电动助力转向、液压助力转向等，可以通过电动或液压力量来提供转向
力矩。

5. 前轴和后轴：赛车转向系统涉及到车轮的转向，因此前轴和后轴扮演着重要的角色。

前轴通
常是转向的轴，它通过转向机构来控制前轮的转向。

后轴则是随着前轮的转向而自然变化的，
负责支撑和稳定车辆。

以上是赛车转向系统的基本组成，不同类型的赛车可能会有一些细微的差别，但总体而言，都
包括了这些基本组件。

赛车转向系统是用于改变或保持赛车行驶方向的专门机构。

起作用是使赛车在行驶过程中能按照车手的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及赛车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持赛车继续稳定行驶。

因此，转向系统的性能直接影响着赛车的操纵稳定性和安全性。

对赛车的行驶安全至关重要，因此赛车转向系统的零件都称为保安件。

赛车转向系统和制动系统都是赛车安全必须要重视的两个系统。

当转动赛车方向盘时，车轮就会转向。

为了使车轮转向，方向盘和轮胎之间发生了许多复杂的运动。

最常见的赛车转向系统的工作原理包括：齿条齿轮式转向系统和循环球式转向系统。

当赛车转向时，两个前轮并不指向同一个方向。

要让赛车顺利转向，每个车轮都必须按不同的圆圈运动。

由于内车轮所经过的圆圈半径较小，因此它的转向角度比外车轮要大。

如果对每个车轮都画一条垂直于它们的直线，那么线的交点便是转向的中心点。

转向拉杆具有独特的几何结构，可使内车轮的转向度大于外车轮。

赛车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。

a机械转向系统：完全靠车手手力操纵的转向系统。

b动力转向系统：借助动力来操纵的转向系统。

动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。

机械转向系以车手的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。

机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成（如图）。

车手对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器。

从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。

作为减速传动装置的转向器中有级减速传动副。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了赛车的行驶方向。

这里，转向横拉杆和转向节属于转向传动机构。

转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将车手转动转向盘的操纵力传给转向器。

机械转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。

采用齿轮齿条式转向器的转向梯形机构优化设计报告指导老师：***学生：黄志宇学号：********专业班级：车辆工程04班重庆大学方程式赛车创新实践班二〇一七年二月赛车转向系统是关系到赛车性能的主要系统，它是用来改变或恢复汽车行驶方向的系统的总称，通常，车手通过转向系统使转向轮偏转一定角度实现行驶方向改变。

赛车转向系统一股由方向盘、快拆、转向轴、转向柱、万向节、转向器、转向拉杆、梯形臂等部分组成。

其中，方向盘用于输入转向角度，快拆用于快速分离方向盘与转向柱，转向柱、转向轴、万向节共同将方向盘输入角度传递到转向器，转向器通过内部传动副机构将旋转运动转化为转向拉杆的直线运动，转向拉杆与梯形臂作用于转向节，实现车轮转向。

图1展示了转向系梯形结构，图2展示了赛车转向系统构成。

图1转向梯形机构图2赛车转向系统构成由于大赛组委会规则里面明确规定不允许使用线控或者电动转向，考虑到在赛车转向系统布置空间有限，且有严格的成本限制，以及轻量化的赛车设计目标，将赛车转向器范围限定机械式转向器。

目前，国内外的大多数方程式赛车采用齿轮齿条式转向器和断开式转向梯形结构。

●齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器的传动副为齿轮齿条，其中，齿轮多与转向柱做成一体，齿条多与转向横拉杆直接连接，连接点即为断开点位置。

根据输出位置不同，分为两端输出式和中间输出式。

其主要优点是：结构简单，体积小，易于设计制作；转向器可选材料多样，壳体可选用招合金，质量轻；传动效率较高；容易实现调隙，当齿轮齿条或者齿条与壳体之间产生间隙时，可以通过安装在齿条背部的挤压力可调的弹簧来消除间隙；转向角度大，制造成本低。

其主要缺点是：传动副釆用齿轮齿条，正效率非常髙的同时，逆效率非常高，可以到达当汽车在颠簸路面上行驶时，路感反馈强烈，来自路面的反冲力很容易传递到方向盘；转向力矩大，驾驶员操纵费力，对方向盘的反冲容易造成驾驶员精神紧张，过度疲劳。

●断开式转向梯形结构根据转向器和梯形的布置位置的不同，断开式转向梯形又分为四类，分别为：转向器前置梯形前置，转向器后置梯形后置，转向器前置梯形后置，转向节后置梯形前置。

附件一毕业设计任务书设计（论文）题目FSAE赛车转向系统设计及性能分析学院名称汽车与交通工程学院专业（班级）车辆工程姓名（学号）胡嗣林指导教师张代胜系（教研室）负责人卢剑伟一、毕业设计（论文）的主要内容及要求（任务及背景、工具环境、成果形式、着重培养的能力）背景：中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。

从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。

中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。

FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。

FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。

比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。

在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。

同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。

大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

任务：调研国内外赛车转向系统结构及原理，遵循FSAE竞赛规则完成赛车转向系统设计，转向梯形优化，系统建模与转向性能分析。

工具环境：CATIA/UG AutoCAD ADAMS Visio MATLAB Office办公软件等成果形式：①翻译相关外文文献不少于5000字②优化设计说明书一份③赛车转向系统三维模型一份能力培养：培养和锻炼学生搜集相关资料，综合运用所学汽车设计知识解决实际问题的能力、提高学生软件应用能力、独立完成赛车转向系统设计及相关问题的能力，为从事本专业有关工作打下坚实基础。

FSAE赛车转向系统CAD与CAE设计FSAE（Formula SAE）赛车是一种由学生设计和制造的小型单座赛车，旨在评估学生的工程能力和创新能力。

赛车的转向系统是其关键组成部分之一，对性能和操控性起着至关重要的作用。

因此，转向系统的CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）设计是确保赛车操纵性和安全性的重要环节。

在进行CAD设计时，首先要进行车辆框架的建模和结构设计。

这涉及到车辆的尺寸、重量分布和重心位置等因素的考虑。

通过利用CAD软件，可以绘制三维模型，以便更好地进行设计和分析。

同时，转向系统所涉及到的各个部件也需要进行详细的建模和设计，如转向臂、连杆、转向柱和转向齿轮等。

通过CAD软件可以实现对这些部件的尺寸、布局和安装位置进行精确控制，以确保其在赛车运行中的稳定性和性能。

除了CAD设计，CAE分析也是必不可少的一部分。

CAE工具可以模拟赛车在不同工况下的运行状态，并预测转向系统的性能和强度。

其中，最常用的CAE工具之一是有限元分析（FEA）。

通过将转向系统的CAD模型导入到FEA软件中，可以对系统进行载荷分析、应力分析和振动分析，以评估部件的强度和刚度。

这有助于了解转向系统在各种工况下的性能，并进行必要的优化和改进。

此外，CAE还可以用于进行动力学模拟。

动力学模拟可以模拟赛车在转弯时的动力学特性，如悬挂系统的工作状态和车辆的侧向力分布。

这对于转向系统的设计和调整非常重要，可以确保赛车在高速转弯和紧急避让等情况下的操纵稳定性和安全性。

总之，FSAE赛车的转向系统CAD和CAE设计是确保赛车性能和操纵性的关键环节。

通过CAD设计和CAE分析，可以实现对转向系统的精确控制和优化，以确保赛车在竞技中取得最佳表现。

基于FSC大学生方程式赛车的转向系统设计
赵煜;林健锋;黄玲;周金伟;张博
【期刊名称】《科技与创新》
【年(卷),期】2022()19
【摘要】以FSC大学生方程式赛车转向子系统为例,叙述转向系统的基本设计流程,为设计转向系统提供参考方法,以便提高设计效率。

以《2020中国大学生方程式大赛规则》为背景,提出以操控稳定性、路感反馈性为要求,根据上届所积累的经验对转向系统的参数进行设定,然后运用CATIA仿真软件绘制草图并建立整个仿真模型图以防部件对赛车产生不同的干涉,并运用ANSYS对其中重要的零部件进行静力学分析校核强度和结构的优化。

最后设计结果表明,依照设计方法设计的大学生方程式赛车转向系统符合赛规而且安全性达到预设理想效果,拥有良好的操纵性和车手路感反馈性。

【总页数】4页(P49-52)
【作者】赵煜;林健锋;黄玲;周金伟;张博
【作者单位】广东白云学院
【正文语种】中文
【中图分类】U463.2
【相关文献】
1.大学生方程式赛车(FSC)立柱性能分析方法
2.大学生方程式赛车转向节设计与优化
3.大学生方程式赛车转向梯形设计与优化
4.大学生电动方程式赛车转向梯形设计及总布置
5.大学生电动方程式赛车转向系统研究
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104AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计大学生方程式赛车整车设计姜沛羽　任峰　李龙海长春师范大学工程学院　吉林省长春市　130032摘 要： 赛车的整车设计是赛车制造过程中的第一步也是最重要的一步，本文中写明长春师范大学工程学院车辆工程专业根据FSEC 规则设计的赛车的整车设计方案，详细的论述了该车的整车主要参数、悬架、转向、电气、车架等方面的设计方案。

关键词：FSEC 赛车；整车设计；转向系统；电气系统；车架1　引言中国大学生电动方程式汽车大赛（FSEC）是由中国汽车工程学会主办，考验各个有汽车专业高校学生在汽车设计与制造方面能力的比赛，全国多所院校参加。

本文围绕本次大赛长春师范大学新时代车队自主设计的赛车展开，分析了该车的整车主要参数、悬架、转向、电气、车架等方面的设计，并通过对实车的测试，验证的设计过程的合理。

2　整车主要参数整车的设计理念是在兼顾大赛规则、成本、性能等因素下尽量选择合适的轴距，同时做好承重合理分布、前后轴载荷的均匀分配。

轴距和轮距是很重要的参数，轴距的大小会影响到整车的质量和中心的额位置，增加轴距长度，会提高抗俯仰和横摆性能增强稳定性，但同时会一定程度上影响汽车的灵活性。

综合考虑到轻量化、重心位置等因素，将轴距定为1650mm以达到理想的性能。

根据大赛规则，车辆的最小轮距不可以小于最大轮距的75%，轮距的选择决定了汽车的横向宽度、横向稳定性等因素，综合考虑，前轮轮距定为1220mm，后轮轮距定为1180mm，并确定汽车总宽1220mm，考虑到车架的长度，将汽车总长定为2450mm。

3　悬架系统设计悬架系统采用了推杆不等长双横臂独立悬架，并选用10英寸铝合金轮辋、Hoosier43105轮胎。

通过ANSYS分析，确定了推杆长度以及最佳焊点，并在后期的调试中进行了严谨的修改，以保整车的最佳状态。

4　转向系统设计在比赛中，八字绕环和高速避两个项目对赛车的转向系统提出了很高的要求，因为车身较轻，故采用了无助力的机械式转向器并将其附于车架底部。

大学生方程式赛车转向系统设计1、概述汽车产品的质量检测具有重大的社会意义。

转向器作为汽车的一个重要部件，对其综合性能进行检测直接关系到人民的生命财产安全。

根据汽车安全性统计,，全世界每年因交通事故死亡的人数超过20万，加之几倍于死者的受伤者以及物质上的损失，其直接或间接的危害是难以估计的。

在我国，因为交通管理技术落后、路况差、车辆性能差，加之各类车辆混合行驶，交通事故时有发生。

近年来，我国交通事故死亡人数居世界前几位，每万辆车平均事故居大国中第一位。

交通事故己成为一个严重的社会问题。

概括交通事故的原因，不外乎人、汽车和环境三个因素。

显而易见，提高汽车的安全性能是减少交通事故的关键措施之一，因此，汽车工业发达的国家都非常重视汽车安全性的研究。

目前汽车工业己成为我国的支柱产业之一，所以，为了提高汽车的质量，保证行驶的安全性，在大力发展我国的汽车工业的同时，这就要求生产厂家对每一批产品必须进行质量检测，而其中转向器是汽车维持驾驶员给定方向稳定行驶能力(即操纵稳定性)的基本保障，所以汽车转向器综合性能试验成了汽车性能测试中的一个重要项目。

因为汽车转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。

近年来随着我过汽车工业的迅猛发展，作为汽车的重要安全部件—汽车转向器的生产水平也有了很大的提高。

在汽车转向器生产行业里，70年代推广循环球转向器，80年代开发和推广了循环球变传动比转向器，到了90年代，驾驶员对汽车转向器性能的要求有了进一步的提高，要求转向更轻便，操纵更灵敏。

随着汽车的高速比和超低压扁轮胎的通用化，过去的采用循环球转向器和循环球变传比转向器只能相对的解决转向轻便性和操纵灵敏性问题，现在虽然转向器以向动力转向发展，但大部分汽车还应用机械型转向器，如何改进转向器的设计，使之更加适合驾驶者，是最重要的，因此还需不断改进。

毕业设计（论文）题目大学生方程式赛车设计(转向器设计)2013年 5 月30 日方程式赛车转向系统设计（转向系统）摘要赛车转向系的设计对赛车转向行驶性能、操纵稳定性等性能都有较大影响。

在赛车转向系设计过程中首先通过转向系统受力计算和UG草图功能进行运动分析，确定转向系的传动比，确定了方向盘转角输入与轮胎转角输出之间的角传动比为3.67；运用空间机构运动学的原理,采用Matlab软件编制转向梯形断开点的通用优化计算程序,确定汽车转向梯形断开点的最佳位置,从而将悬架导向机构与转向杆系的运动干涉减至最小；然后采用UG运动分析的方法,分析转向系在转向时的运动,求解内外轮转角、拉杆与转向器及转向节臂的传动角、转向器的行程的对应关系,为转向梯形设计及优化提供数据依据。

完成结构设计与优化后我们对转向纵拉杆与横拉杆计算球铰的强度与耐磨性校核以及对一些易断的杆件进行了校核计算，确保赛车有足够的强度与寿命。

完成了对转向轻便性的计算，我们计算了转向轮的转向力矩M，转以及转向盘回转总圈数n，以确认是否达到赛车规则中转向盘上作用力p手所规定的要求以及转向的灵活性与轻便性。

最后我们建立三维模型数据进行预装配，在软件上检查我们设计的转向系是否存在干涉等现象以及检查我们的转向系是否满足我们的设计要求，对我们的设计进行改进。

关键词：赛车，转向，UG，转向梯形，运动分析，齿轮齿条The design of Formula front and rear suspension andsteering system (steering system)ABSTRACTSteering System Design of a car has a significant impact of driving performance, steering stability. In the car design process, first through the steering force calculations and the UG kinetic analysis we determine the ratio of steering system, the relationship between the wheel angle input and output; The principles of spatial mechanism kinetics and a related optimization program by using Matlab are applied to the calculation of the spatial motion of the ackerman steering linkage. By using the method,the interference between suspension guiding mechanism and steering linkage is minimized; then UG kinetic analysis is used to analysis the motion of steering system when turning and calculating the corresponding relation between the turning angle of inside and outside wheels, the transmission angle of steering linkage and steering box or steering linkage and track-rod, and steering box stroke. And it provides a theoretical basis for designing and optimizing the steering trapezoidal mechanism.After the work we calculate the ball joints tie rod strength and wear resistance, and some calculations was made on some dangerous bars, to ensure the car has enough strength and life. After carrying out a complete calculation of the portability, we calculate the torque of the wheel, the force of steering wheel on the hands and the total number of turns , to meet the requirements in the car rules. Finally, we set up pre-assembled three-dimensional model data, checking the steering we designed whether there is interference phenomena and to examine whether our steering meet our design requirements, to improve our design.KEY WORDS：FSAE，UG, steering trapezoid, motion analysis, rack and pinion目录第一章绪论 (1)§1.1 Formula SAE 概述 (1)§1.1.1 背景 (1)§1.1.2 发展和现状 (2)§1.2 中国FSAE发展概况 (2)§1.3 任务和目标 (3)第二章转向系设计方案分析 (4)§2.1 赛车转向系概述 (4)§2.2 转向系的基本构成 (4)§2.3 转向操纵机构 (4)§2.4 转向传动机构 (6)§2.5 机械式转向器方案分析 (6)§2.5.1 齿轮齿条式转向器 (6)§2.5.2 其他形式的转向器 (8)§2.5.3 转向器形式的选择 (9)§2.6 赛车转向系统传动比分析 (9)§2.7 转向梯形机构的分析与选择 (10)§2.7.1 转向梯形机构的选择 (10)§2.7.2 断开式转向梯形参数的确定 (10)§2.7.3 转向系内外轮转角的关系的确定 (12)§2.7.4 MATLAB内外轮转角关系曲线部分程序 (14)第三章转向系主要性能参数 (16)§3.1 转向器的效率 (16)§3.1.1 转向器的正效率η+ (16)§3.1.2 转向器的逆效率η- (17)§3.2 传动比的变化特性 (17)§3.2.1 转向系传动比 (17)§3.2.2 力传动比与转向系角传动比的关系 (18)§3.2.3 转向系的角传动比wo i (19)§3.2.4 转向器角传动比及其变化规律 (19)§3.3 转向器传动副的传动间隙Δt (20)§3.3.1 转向器传动间隙特性 (20)§3.3.2如何获得传动间隙特性 (21)§3.4 转向系传动比的确定 (22)第四章齿轮齿条式转向器设计与计算 (23)§4.1 转向系计算载荷的确定 (23)§4.1.1 原地转向阻力矩MR的计算 (23)§4.1.2 作用在转向盘上的手力Fh (23)§4.1.3转向横拉杆直径的确定 (24)§4.1.4初步估算主动齿轮轴的直径 (24)§4.2 齿轮齿条式转向器的设计 (25)§4.2.1 齿条的设计 (25)§4.2.2 齿轮的设计 (25)§4.2.3 转向横拉杆及其端部的设计 (25)§4.2.4齿条调整 (26)§4.2.5转向传动比 (27)§4.3 齿轮轴和齿条的设计计算 (28)§4.3.1 选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 (28)§4.3.2 初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸 (29)§4.3.3确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 (30)§4.4 齿轮齿条转向器转向横拉杆的需要全套设计请联系Q Q1537693694运动分析 (31)§4.5 齿轮齿条传动受力分析 (32)§4.6 齿轮轴的强度校核 (32)§4.6.1轴的受力分析 (32)§4.6.2判断危险剖面 (33)§4.6.3轴的弯扭合成强度校核 (33)§4.6.4轴的疲劳强度安全系数校核 (33)第五章转向梯形的优化设计 (36)§5.1 目标函数的建立 (36)§5.2 设计变量与约束条件 (37)§5.2.1 保证梯形臂不与车轮上的零部件发生干涉 (37)§5.2.2保证有足够的齿条行程来实现要求的最大转角 (38)§5.2.3保证有足够大的传动角α (38)第六章基于UG运动仿真的转向梯形设计与优化 (41)§6.1 建立UG三维模型 (41)§6.2 基于UG工程图模块的转向机动图 (42)§6.3 UG模型以及基于UG高级仿真的零部件校核 (42)§6.4 UG装配模型检查干涉问题 (43)第七章结论 (44)参考文献 (45)致谢 (46)第一章绪论§1.1 Formula SAE 概述§1.1.1 背景Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Automotive Engineers 简称SAE）主办。

FSAE赛车转向系统CAD与CAE设计FSAE（Formula SAE）是一项学生工程竞赛，由学生设计和建造一款Formula-style赛车，以参加一系列国际比赛。

FSAE赛车需要在各种挑战环境下运行，并需要具有高性能转向系统，以确保车辆在赛道上的准确操控。

因此，对FSAE赛车转向系统的CAD（计算机辅助设计）与CAE（计算机辅助工程）设计至关重要。

转向系统是FSAE赛车中至关重要的一个组成部分，直接影响到车辆的操控性能和安全性。

一个优秀的转向系统需要具有以下特点：具有良好的操控性和稳定性、轻量化设计、耐用性强、尽可能减小功耗和能耗等。

在进行CAD与CAE设计时，需要充分考虑这些特点，以确保转向系统的设计符合赛车的需求。

在进行CAD设计时，工程师们可以利用各种CAD软件，如SolidWorks、AutoCAD等，对转向系统进行三维建模。

在建模过程中，需要考虑各个零部件的尺寸、间隙以及安装位置等因素，并确保各个零部件之间的匹配性和协调性。

此外，CAD设计还可以帮助工程师们进行各种虚拟分析，如有限元分析（FEA）、动力学模拟等，以验证转向系统的强度和稳定性。

在进行CAE设计时，工程师们可以利用各种CAE软件，如ANSYS、ADAMS等，对转向系统进行模拟分析。

通过CAE分析，工程师们可以评估转向系统在各种工况下的性能表现，如转向灵活性、阻尼效果、响应时间等。

通过对模拟结果的分析，可以发现并解决转向系统中存在的问题，优化设计方案，提高系统的性能。

在CAD与CAE设计中，需要特别注意以下几个方面：1.转向系统的优化设计：在CAD设计中，需要充分考虑各个零部件的结构设计、材料选择和加工工艺等因素，以保证转向系统的性能表现。

在CAE设计中，需要对转向系统进行各种模拟分析，以找出系统存在的问题，并提出相应的解决方案。

2.转向系统的强度和稳定性：在CAD设计中，需要对各个零部件进行强度分析，以确保系统在高速运行时不会发生破裂或变形。

FSAE赛车转向系统优化设计宋学前;丁华锋;景文倩;黄成;朱令磊【摘要】转向系统是FSAE赛车的重要组成部分,其设计水平直接影响赛车的操纵稳定性。

以提高转向响应的速度为目标,分析了转向系统的转向力,确定了转向系统结构参数的合理取值范围。

利用Adams软件优化设计了转向断开点的坐标,结合转向力和转向断开点的坐标,利用Matlab软件对理想阿克曼转角关系进行分析矫正,完成对转向梯形结构参数的分析优化。

仿真结果表明:利用转向断开点的最佳空间坐标,不仅可以减少轮胎上下跳动对转向系统的冲击,而且可以减少前束角大小和轮胎磨损,保证了转向系统良好的操作性能和高速过弯性能。

【期刊名称】《重庆理工大学学报》【年(卷),期】2019(033)002【总页数】7页(P38-44)【关键词】FSAE赛车;转向梯形;转向断开点;转向力【作者】宋学前;丁华锋;景文倩;黄成;朱令磊【作者单位】[1]湖北文理学院纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室,湖北襄阳441053;[1]湖北文理学院纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室,湖北襄阳441053;[1]湖北文理学院纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室,湖北襄阳441053;[1]湖北文理学院纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室,湖北襄阳441053;[1]湖北文理学院纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室,湖北襄阳441053【正文语种】中文【中图分类】U463.46中国大学生方程式汽车大赛(简称“中国FSAE”)是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

该项比赛旨在培养学生汽车设计成本控制、团队合作等能力。

转向系统是FSAE赛车重要的组成部分，转向系统设计的好坏直接决定了赛车的操纵稳定性。

目前国内外对汽车内外转向轮转角的研究主要是满足阿克曼转向理论，没有考虑到实际转向过程中轮胎侧偏力对转向轮转角的影响。

目录1 绪论 (1)1.1大学生方程式大赛简介 (1)1.2 FSAE转向系统基础知识 (2)1.3 本次毕业设计的主要工作 (5)2 大学生方程式赛车转向系统设计 (6)2.1 转向系统基本参数 (6)2.2 转向器设计 (7)1）转向器角传动比i W (7)2）转向器载荷及相关尺寸计算 (8)3）齿轮设计 (10)4）齿条设计 (14)5）啮合受力分析 (15)6）齿间间隙调整机构设计 (18)7）轴承选择 (20)2.3 转向梯形优化 (20)3 基于UG的大学生方程式赛车转向系统仿真 (25)3.1 UG简介 (25)3.2 建立零件模型 (26)3.2.1 斜齿轮建模过程 (26)3.2.2 主要零件模型图 (31)4 基于ADAMS Car/Insight的大学生方程式赛车转向系统优化 (34)结论 (39)参考文献 (40)致谢 (42)1 绪论1.1 大学生方程式大赛简介大学生方程式大赛（以下简称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、燃油经济性等方面的优异表现。

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：由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛。

比赛本身给了参赛车队一个同各地大学的车队同场竞技的机会，以展示和证明他们的创造力和工程技术水平。

0引言大学生方程式赛车比赛由国际汽车工程师协会于1979年举办，面向在校本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛[1]。

该赛事针对提升大学生研发创新能力而开办，对学生知识运用、团队协作以及人际交流方面的能力都有极大的提升。

转向节是悬架系统的重要组成部分，是赛车底盘所有零部件中受力最复杂、工况最恶劣的零部件之一。

在实际行驶工况中，它不光要承受整车重量，还要承受赛车工况当中的路面冲击、制动力矩和转向力矩等载荷。

复杂和严苛的受力条件对其刚强度提出了较大考验，且由于转向节属于簧下质量，其轻量化对提高赛车操纵稳定性有重要影响[2]。

因此，转向节的合理设计与优化对于提高赛车性能，满足刚强度和轻量化要求有重要意义。

1转向节结构设计转向节作为连接悬架上下摆臂、制动卡钳和转向横拉杆的关键零部件，其结构设计需要满足赛车四轮定位参数、悬架结构形式、制动卡钳和转向横拉杆安装位置等诸多因素的要求。

本文研究的赛车悬架形式为不等长双横臂式独立悬架。

利用车辆动力学仿真软件ADAMS 对赛车悬架系统K&C 特性进行仿真调教和优化[3，4]，得到最优悬架硬点组合下的主销内倾角为7°，主销后倾角为3.6°。

确定转向横拉杆和制动卡钳安装位置后，建立转向节的三维模型如图1所示，其质量为712g 。

2转向节强度校核当赛车在进行高速过弯测试时，若速度过大将导致赛车冲出赛道，由于赛道外的路面不平整，因此会带来冲击载荷。

同时，车手将踩下制动踏板，因此会产生制动力。

这种包含冲击、制动和侧倾的极限工况对转向节强度提出了巨大考验。

为了保证转向节在任何情况下都有足够的强度，认为制动减速度和侧向加速度都达到最大值。

赛车轮胎能提供的最大制动减速度为1.4g ，车身结构能提供的最大侧向加速度为1.7g 。

由此计算得到转向节受到垂直地面的冲击载荷为3900N ，刹车座受力为2100N ，转向节臂受力为1500N [5]。

在该受力条件下，利用有限元技术计算得到转向节最大应力为395MPa （图2）。

赛车转向系统的设计方案李宏曰转向系统的主要任务是：1.设计合适的断开点以使悬架跳动对转向的影响尽可能小。

2. 设计合适的转向梯形以使内外转角尽可能符合理论阿克曼曲线。

设计过程如下：1. 确定转向机的布置形式前置，下置，断开式梯形前置。

2. 转向系角传动比的确定由最小转弯半径确定了最大外轮转角，根据最大外轮转角与方向盘转角的关系初步确定转向系角传动比为4:1，转向系角传动比为转向器传动比与转向机构传动比的乘积，转向传动机构角传动比，除用iw ' =d 3 p/d 3 k表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长LI之比来表示，即iw ' =d 3 p/d3 ki疋L2 / LI o现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在0. 85〜1. 1之间，取比值为1,则转向器角传动比为4: 1.3. 由转向器角传动比初步确定转向节臂L1的值。

齿轮齿条装置把方向盘的转动转换成横拉杆内球头的直线运动。

计算传动比时需用到齿条的c-factor和转向节臂长度（外球头到主销轴的距离）。

C-factor=齿条行程（in.）/小齿轮转过360°一般的齿条有"1-7/8-in ch齿条”或者"2-i nch齿条” ；c-factor这个尺寸是方向盘转一圈的齿条行程。

一旦齿条的c-factor知道，转向传动比可近似用下式计算：i=arcsi n（c-factor/L）/360L—转向节臂长度本式中长度单位为英寸，角度单位为度。

系统中的压力角越小这个近似值越接近，也就是说在俯视图中横拉杆几乎要与转向节臂垂直。

如果角度比较大的话，那拉杆的布置也会影响传动比。

C-factor 取70, i 为4，计算得L 为76.67mm。

4. 确定断开点的位置（得到转向机的长度和布置高度）在车辆行驶过程中由于道路的不平会引起车轮的上下跳动，与车轮相连接的转向节及转向节臂铰链点N将随车轮上下运动（如图1）,其运动规律有上下A臂和转向节臂的运动所确定，同时，N点还通过转向横拉杆，桡骨顶点F摆动，因此当N点上下运动时，其运动轨迹上的点至F的距离不能保持恒定时车轮将发生偏转，摆震，影响车辆的操纵稳定性，同时也加大轮胎磨损，使转向传动系统受到冲击。

Steering columnBy Steven De Groote on 09 Dec 2005, 02:15For a sport in which hundredths of a second can mean the difference between pole position or a mid-field grid slot, a car's ability to handle well is paramount. As Phil Gallagher, Senior Design Engineer at McLaren Racing, points out, the steering system provides the driver with his first indication as to how well the car is handling. The steering column is an essential link in the chain of events that sees a twist of the steering wheel turn the car's wheels. The column is joined to the steering wheel at one end and the rack and pinion at the other. This means that the steering column stretches from the edge of the cockpit down to the front bulkhead.Quite simply, when the driver turns the steering wheel,the column rotates the pinion gear and the rackmoves laterally. The track rods are put into action,shifting the wheels.Constructed primarily from carbon fibre, the steeringcolumn is made of two tubes. They are linked togetherby a constant velocity joint, which makes sure that the two parts move at the same speed. It also provides high stiffness and low friction. As the man responsible for designing the steering column, Gallagher says these are two of his main concerns. "If there is too much friction or not enough stiffness then it will adversely affect the way the driver can handle the car," he says.The column features an electrical plug which connects the steering wheel's electronics to the chassis control unit via a wiring harness. This end of the column also has quick disconnect, which means the driver can remove the steering wheel in a hurry. "There's an FIA rule which stipulates that the driver must be able to exit the car in five seconds, so the quick disconnect is very important," he says.At the steering rack end of the column, a splined joint is used to link the two together, this then connects to the power steering valve and then on to the pinion. Without the power steering, which uses a 200 barhydraulics supply, the driver would have to work thesteering twice as hard.Another of the requirements for the component laiddown by the FIA is the aluminium crush tube. "We have to perform a test in which we drop a weight on the end of the steering column and measure the deceleration," he says. "The peak deceleration must be less than 80g in a crash."The steering column takes around ten hours to make, and the team takes three or four spares along to each race. They are inspected after completing 1,500kms and serviced after 3,000kms. A typical service would involve complete disassembly, followed by a crack check of the safety critical parts. It would then be re-assembled - with new parts where necessary - and finally tested on the test rig before being signed-off for use on the circuit.Having arrived at a design that is both light and stiff yet reliable, Gallagher says the steering column is not changed regularly. However, frequent design reviews are carried out and a new design will be put in place if the monocoque changes sufficiently. The current example has been in action for two years with limited change. Proving that, when it comes to steering, Team McLaren Mercedes is always moving in the right direction.Technical Specification Length: Approx. 950mmDiameter: Approx. 35mmMaterial: Carbon fibre, titanium, steel, aluminium。