节能赛车转向系统设计

I 节能赛车转向系统设计 摘要： 现在 的 能源 短缺 问题已 然成为了全球 经济、 全球 政治 以及 公共决策 最严峻 的挑战之一 。 中国 的 节能竞技大赛 就是 在这 情况下产生的 。 需要参考 节能赛车 有关 易操控、轻量化 的 特点 。从而 对节能赛车的转向装置进行 分析 研究设计。转向装置 是由 转向操纵机构、转向传动机构和转向器 三部分组成 。确定转向装置总成方案、设计转向节、转向梯形的结构尺寸 。通过 增加轻量化材 料 的使用 。以达到 实现减轻赛车质量 从而 最终降低油耗的目的。本文 将 对参加节能竞技大赛的 有关 车队 起到 一定的指导 作用 。 关键词： 节能 赛车 ； 转向装置 ； 转向 梯形 ； 轻量化 ； 降低油耗 of s of of s is in to to of of of of In to of of In a in 录 摘要 . I . 录 . 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 1 究背景 . 1 能竞技大赛的背景及规则 . 1 赛环境 . 2 能竞技大赛在国内的发展 . 3 题研究的意义 . 4 2 节能车转向机构总成的分析与计算 . 5 能车转向机构介绍 . 6 能车辆转向总成装配方案的确定 . 8 能车转向总成的分析与计算 . 10 克曼转向系设计 . 11 3 节能车转向机构零件的计算与校核 . 14 4 转向装置运动模拟 . 16 5 结论 . 18 参考文献 . 19 致谢 . 20 1 1 绪论 究背景 在当今世界，石油资 源 干涸 ，石油 储藏 飞快 下滑，中国的汽车数量年增加率却达到了 使得中国的燃油消费需要呈快速增长态势，然而燃油却严重依赖进口。因而，汽车节约能源和环境保护问题十分重要，面对定量的石油资源与国家能源战略碰到的威胁和需求，汽车节约能源与环境保护已变成汽车技术范围的研究重点 1。 因为 能源 问题 日趋 恶化 ,节约能源减少排放 已 变成了 影响世界 全球 各国可持续发展的重要 难题 。 所以要 抓住 机会增加 创新 水平 和研发实力， 把握 节能汽车市场，研究和开发高效节能 的 汽车。 能竞技大赛的背景及规则 在二十世 纪九十年代 ,本田公司在日本东京 资助举行 第一届“本田宗一郎杯”燃油 消耗 竞技 比 赛。这个比赛的目的是利用现 在 的技术 与水平，寻找对付 能源 不断减少与 环境 恶化 的 好 办法 ， 提醒 我们 节约能源与环境保护 的重要性 。 竞赛要求依靠相同的本田低油耗汽油发动机（ 125 毫升），而框架部分由各自队伍自己制作，比赛时在规定的场地内跑完全程，比赛中使用燃油最少的队伍获胜 4。在日本，有从初中和高中与大学的学校队伍、企业队伍，与来自社会中的一共 500 个队伍，制造出拥有独特特点的赛车加入竞赛。 2 式各样的竞技赛车 赛环境 比赛 位于 广东国际赛车场，比赛时间是 2017 年 10 月 27 日，根据历史气象资料，平均气温 20 C 到 25 C。 3 图 东国际赛车场 广东国际赛车场 是一所顶级的赛车场 。 拥有数 个 不同速度的 弯道，使 的 赛道用最少的面积 通过赛道线行的 不同组合变化 ， 从而 满足赛道 对于于可靠性和 运动性的 相关需要 。 无论 是对于 高 手 或菜鸟 都是一个不小的挑战。广东国际赛车场 面积为 550 多 亩， 比赛场地 长 约 米 ， 宽度 最 少为 12m，最 多为 15m， 它的 最大 速 度大约是 250km/h，可 以 容纳 22 辆车同时发车。 拥有 13 处弯道，包括有 4个 左弯 赛 道 和 7 个 右弯 赛 道， 15 处 裁判点。 二三十 间维修车间 可以满足 车队 的大部分要求 。 二圈赛道长度： 5277m 四圈赛道长度： 10917m 直道长度： 718m 弯道最小曲线半径： R=10m 弯角： 13 个 赛道落差： 3 米 平均速度： 25km/h 最高允许时速： 250km/h 赛道宽度： 12能竞技大赛在国内的发展 本田节能竞技比赛到目前为止已经有超过 34 年的历史了，它在日本进行了 4 28 届，在泰国进行了 8 届，在中国举办 10 届。 2007 年 11 月 11 日，在上海 举办了第一届 中国 节能竞技比赛。来自中国不同省市的三十多所院校 的队伍、 体队伍，和来自泰国与日本的特邀队伍共七十七只车队参与了这届比赛。最终东风本田的队伍获得了冠军。 2009 年 9 月 24 26 日，第三次本田中国节能竞技比赛的总决赛在上海 球赛场胜利举行。有 130 支车队参加了比赛，最终 首都 理工大学的队伍夺得大学组冠军，使汽车 用 一升油行驶 1331千米。 奖的赛车 题研究的意义 本田节能竞技大赛旨在发 扬 节能减排的 好 风气，它结合了如发动机的装配和坐标变换， 汽车 设计，机械构造，材料力学的对应学识，让队伍经过努力提升一升汽油的潜力。同时，赛事给予了参与者设计经验与生产赛车的快乐的机遇，增 5 加了动手水平。 队合作 节能竞技 比 赛 希望人们保持节约能源的思想 ，参 加比赛体会挑战极限的 乐趣 ，知道保护环境 的 实际价值 。 一 立方分米 汽油 可以开 多少 如果 直接 按 百公里 行驶 油耗 计算 ，每百公里5 升， 算少了吧 ？ 所以 一升油能跑 二十千米 。但那样， 你 就太 小瞧 赛车的潜力了，它的 最高记录是 3435 公里！ 相当于 从太原至重庆 的 距离 。 车 辆节约能源减少排放十分 重要， 因为 当前我国 在 汽车 节约能源 上十分落后 。 所以 要努力开展 先进的混 合动力车和燃料电池车、 先进 柴油、乙醇 为标志 的新能源技术的开发和推广 ，需要努力设计 和 制作 是汽车行业在当前技术 领域 的现状，对 于 车辆的使用 需要很多具有 高 性价比 的 节能产品 【 6】 。 依靠材料 的 相关领域 知识 同时把握 节能竞技赛车 关于的 易操纵、 重量轻的特点。将选用机械转向机构作为思考与借鉴对象，对节能汽车转向器、转向梯形展开对应设计，使用轻质材料，来减少汽车重量，增加可操控性和降低燃料消耗量。 2 节能车转向机构总成的分析与计算 6 能车转向机构介绍 因为 节能竞技 赛 车易操控 ， 轻量化的特点 。从而让 其转向机构 和如 今的 汽 车 上 使用的传统转向机构 拥有明显不同，然而这些 转向系统的 制造 方法 与 设计原理 给予 节能竞技赛车的 有关 设计 以很大帮助 。 现在 汽车的转向系统 都由 转向操纵机构 与 转向传动机构 与 转向器 构 成 。当要 转向时 ，就给予 转向 杆一定的 操舵力 ，转向 杆就会给予 转向轴 相应的 力矩 。这种 力矩 从 转向传动轴输入 到 转向器 里 。 再经 过 转向器 的 放大 与 改变力矩 的 运动方向 ， 力矩传 送到 转向直拉杆 中让 转向传动机构 的 左右转向节转向轮 发生改变，让 汽车 的转动 方向 变化 。 一般 汽车转向技术包括各 种形式的转向器 和 转向助力技术 ，这些技术 都已经在 现实生活 中 有所体现。然而 节能竞技 赛 车上使用 的 这些现有技术 都 是不可行的 。它只是借鉴了 汽车转向系统的设计 思路与 方法 ，用来帮助 节能 赛 车转向装置的 相关 研究。方法和原理有 以下 几点 ；第一， 转向系统 需要留下 转向操纵机构 与 转向传动机构 与 转向器三部分。第二，让 汽车 的 2 个 转向前轮 满足 一定 要求，就 要 由 转向梯形机构来 确保。 阿克曼转向广泛的用于斜躺自行车，赛 车的重量和设计与斜倚自行车的重量和设计相似，因此许多部件可以直接从 斜躺 自行车上取出来。 阿克曼转向系统可以在转动时让内轮胎比外轮胎转角大。这种现象会使滚动摩擦力最小化。滚动摩擦使轮胎转弯减慢，这对节能运 动等事件非常不利。现在 转向梯形 都 用 电脑来设计， 利用 件对转向梯形 的 进行分析 ， 优化 ， 设计 。当今 汽车的轻 型 设计 思想 对节能 赛 车 的 转向机构设计有 一定 的 帮助 。 7 2 工具图 8 2 加工过程 能车辆转向总成装配方案的确定 节能 赛车 车转向的设计是基于所选择的框架方案来 确定的 ，使得车轮配置状况 会左右 转 向 制定方案。节能 赛车 可 以 自由 的 选择车轮配置 与 转向方式。现有车轮配置主要是接下来的三个 。前面两个轮后面一个轮是用后轮来驱动前轮转向的，如 图 面一个轮后面两个轮是用后轮来驱动前轮转向的 ，如 图 后各两轮是用后轮驱动的如图 当我们考虑车轮安排时，我们先放弃四轮安排是由于车辆设备质量的提高 ， 轮胎滚动阻力增加 ， 节能效果不理想。 因为要提高 传动 比，所以不用 前一后两 的 差速驱动的 方法 ； 最后考虑前两轮后一轮方案 ，它有 结构 不复杂 ，稳定 良 好，易生产， 行驶阻力小 的好处 。 所以 采用图 方案 ，认真对待 车轮 的 定位准确性 与 操纵的轻 巧 性 以 及机构的轻量化的研究。 9 图 轮转向图 图 轮驱动 图 轮设计 图 克曼转向原理 如今选择的 节能车转向机构 大多是 阿克曼式结构如图 示。 当车辆转动时，为了减小阻力，它必须沿着一定的弧线轨迹行进。方向盘的延伸部位在非机动后桥的延伸部上，内轮的转角大于外轮的转角。 因为需要 车轮旋转以 控制转向 ，所以须要 转向臂结构。 10 当前两轮控制转向时，车轮的转向轴与侧杆 的支点形成了梯形结构。通过设计转转向臂可以在设计中 达到 梯形形状。 能车转向总成的分析与计算 节能赛车转向装置由 3 个总成构成 转向操纵机构与转向传动机构以及转向器。转向操纵机构由转向车把和转向轴以及支承转向轴的转向轴承组成。转向器可以简化为转向摇臂，转向传动机构由转向直拉杆、转向横拉杆以及转向节臂构成。此外，还有连接转向车轮与转向传动机构的转向节总成。 转向操纵机构 见图 图 把受力图 按照规定 ，使用现有的自行车 的 把手 就可以 直接 代替 转动车把， 而 强度和刚度 都 满足 了相关规定 要求。在节能竞争 赛 车中，转向轴轴承 的 外圈 与 框架 连在一起 ，内壁 和 转向轴 需要 用过盈配合，并 且用油 润滑 ，使 的 转向 光滑，还有 支撑转向轴 与 车把的 效果 。 转向器 可以影响 驾驶员的转向力和转向动作方向的装置 ， 在车 中叫做 转向器，在节能车中 叫做 转向 摇 臂。转向摇杆 用 不锈钢板 来进行制造 ， 改变 厚度以 达到 扭转强度。上 部用 半圆与转向轴 相接， 下 部则转出小 孔 ， 用螺栓 和 转向直拉杆相连 ， 图 。 11 转向传动机构 转向机构的目的是将转向摇臂上的力矩转移到转向节上去，用来改变方向杆的两边，使得两个方向杆的角 度根据相应的关系（内轮角度大于外圆）偏转，以确保汽车方向杆可以进行纯粹的滚动。 见图 图 向节总成 图 体转向节 现在，许多节能车用焊接整体式转向节，见图 型以后转向节的相关数据（主销内倾角、主销后倾角、前轮前束、车轮外倾角）只要有存在不达标，就会浪费并需要再次制造，在之后的阶段，不能对车轮定位参数进行修改。本的设计比之前的设计有很大不同，那就是将整 体转向节改进 成整 体式活塞 杆端转向节 ，能调整转向节两端的长度来达到实现少量的定位参数的改变 ,同时可以修正转向机构部件的弯曲变形。 克曼转向系设计 在互联网上有一个阿克曼 速算表 ，它记载了许多 三轮车阿克曼转向几何 ，这有助于阿克曼转移到关键的参数确定和设计，将使用它来设计赛车的阿克曼转向系统。由两个部分组成：一部分是输入系统参数，另一部分则为精准的阿克曼几何计算情况。首先，确定常量和变量。 图表中的红色标记是不变的。常数 底盘尺寸和车轮尺寸决定其他尺寸。当前变量为 d， f 和 j。 然 12 后，输入变量值减小了 理想的阿克曼转向误差，导致阿克曼转向适合 2的不同转向半径。图 示了误差范围内 5转向半径的不同轴距。 图 克曼转向系速算表 13 图 距的计算结果 14 3 节能车转向机构零件的计算与校核 15 要确保开车的安全性，构成转向系统的部件要有一定 的强度，在设计零件的结构时，要确保在低重量的条件下让部件满足保证强度与刚度需求。使用公式计算汽车转向阻力矩 )。 即 313(3F 滑动摩擦因数，是为 转向轴载荷，等于和车把手上的变速、刹车以及驾驶员给予的力。驾驶员是 40向轴负荷为 100N(10P 为轮胎的气压 ,气压范围是 27060于高胎压会减小车轮滚动阻力，所以 P 是400 （ N* 车把上的手力等于转向盘上手力的公式 ; (3 式中 , 1L 为转向摇臂的长 =65 2L 为转向节臂的长 =75 为转向盘直径 ,现为转向车把的长度为 450 I 为转向角的传动比 ,用转向节臂长 2L 与摇臂臂长 1L 之比进行表示 ,即 12 2L 1L 的比值在 看作 1； 是 转向器角的传动比，节能车不用转向器，所以取 =入公式； *45 0*70 *65*2 在车辆一定的条件下，以上的力是最大值。因此，该值可以用作计算加载下一步计算。在进行设计制作时，构件要满足强度需求。不能在赛车的运动中产生了断裂与破碎。接下来，在达到 强度要求的情况后，应当有更大的刚性。防止产生过度的弯曲变形，从而影响车轮定位参数的可靠性，根据以往的零件初始设计经验，首先需要设计零件的各项参数，如所用材料，加工工艺等然后利用力学的相关知识对它的强度以及刚度进行考察。在检查的过程中，大多数部件都是合格的，可以保证一定的安全系数。一些零件发生强度达到要求然而刚度不达标时， 16 要用弹性模量更大的材料进行制造，或者是，通过对零件进行热处理的办法来增加它的刚性，使得刚度也能达到标准。用这种办法，对转向装置进行设计。根据曲线的最小曲线半径，参见图 定方向盘极限角 度 30，根据移动模式在计算过程中，使用文献中描述的最小转弯半径的计算。 最大转角 =30， 长度是 160车架决定），在三角形 2 030s 0s , 向系参数 参数名称 转向系角传动比 最大转角 最小转弯半径 数值 30 转向装置运动模拟 上文 已经完成 了 转向装置总成 以及 各部分零件的 计算 与设计 过程 ,关于 受载 17 零件 要用 材料力学 的资料 进行受力分析、强度以及刚度的计算。在计算 中 力学性能 要 保 持 超额余量，在实现各种功能的转向机构的同时，确保强度和刚度达到要求，从而保证车轮定位参数的 精准 。 要让 设计结果 合理 ，用三维软件 作了三维模型的转向和运动仿真。 从整体到部分，在 件 中绘出车架部分，转向操纵机构（包 括转向手柄，转向轴，支承转向轴的转向轴承 ），转向臂，转向传动机构（包括转向直拉杆，转向横拉杆，转向节）型号，见图 在第一步完成后，利用 组件模块，参见图 作出转向结构各部 用三维模型 来进行 模拟转向装置的工 况 ，观察 对应 机构的运动是否 有 干 涉、转向角 卡死 的 现象 ， 扩展 了各 部分 的设计 进程 。 图 节螺栓三维图 片 图 向节总成三维图 在进行加工时设定相互转动的零件的约束是“销 钉”约束，能在完成加工图后，对图 车把给予转矩，可以模拟真实的转向过程，在察看转向机构进行的运动模拟，以便察看各部件的实际运动状况，就可以知道机构设计里运动干涉有无零件设计不合理。 依靠在以上运算，转向车轮的最大转角是 30，依靠三维软件进行模拟，设置 30为转向轮的最大转角，可以更直观的看见转向过程，转向装置设计标准，机构间无干涉，见图 18 图 向装置运动模拟 此时，完成了转向装置的三维建模和运动分析，并 且用 现代设计 的 方法模拟 了 真实 工 的 作状态。 查看 过程，确 定 以上 参数， 完成转向设计。 5 结论 （ 1） 节能 赛 车 在 转向装置总成 中 的分析与计算 过程 。 可以 选 择 的转向总成方案 有不少，通过了解 节能赛车 框架 的设计 和 整 体规划从而 确定转向装置的总成 可以对接下来的 工作 起到 指导 作用 。 19 （ 2）节能赛车在转向装置的各 部分 零件中 的 参数计算 过程 和强度和 强 度分析 经过 。关于车轮定位参数的相关计算，它将对节能竞技赛车的滑行效果和驾驶员行驶的轻巧和舒适度有一定影响。 （ 3） a 转向装置在三维模型中的建立和工作情况的模拟。转向机构在所有零件中的相互连接的选择独一无二，恰当的相互连接会利于 实现设计目标。转向装置的轻型化可以减少汽车的重量减少油耗。 参 考 文 献 1发改委 .“十二五”规划纲要发布 J2011(4):24. 20 2黄金陵 M机械工业出版社 ,2011:52. 3陈家瑞 M. 北京：机械工业出版社， 2012:13. 4张启明 J2013， 25(8):43 5方国浩 ,范明志 ,盛利平 与趋势 J汽 车 ,2008(10):946 乔军奎 . 能竞技大赛 J2012,2(2):146 7李江涛 .节能赛车设计及其 析优化 J2014(3). 8姚喜贵 能竞技大赛车的分析 与研制 J2010(4):18 19. 9穆能伶 M机械工业出版社 ,2011:16710 A 22511of a 51 257 12赵聪 . 节能 赛车转向系统设计及性能分析 J. 太原科技大学学报 ,2012(1). 13邵志刚 J 2010(6): 68 70. 14f . 10): 910 15刘涛 M北京：北京大学出版社， 2012:10. 16张文春 M北京： 机械工业出版社 ,2010:3. 致 谢 21 在这次设计完成之时，四年紧张而又充实的大学生活就要画上句号了。大学的时光对我而言是一个非常美好的回忆，在这四年中，我学会了很多东西，我相信通过这四年的洗礼， 我在以后的工作和生活中可以走得更远更好 ! 首先，感谢我的毕业设计指导老师。从论文的选题、提纲的议定、研究方法、篇章结构、理论指导、修改直至最后的各个环节都给予了极大的支持和帮助。 其次，在做设计的过程中，要感谢和我一起做毕业设计的同学。同学之间的相互学习和相互帮助最终克服了许多困难，我才能顺利的完成此次毕业设计。 最后，感谢所有课程的授课老师。在四年的学习中，是他们的悉心教导才使我对专业的认识不断加深，并最终完成我的大学四年求学生涯。在此，对所有老师表达最由衷的感谢。