节能赛车转向系统设计开题报告

开 题 报 告文 献 综 述1.1 课题研究背景 在石油资源日益枯竭、全球石油储藏量急剧下降的背景下，我国汽车保有量却以平均每年 12.07%的速度增加，使得我国对燃油的消费需求以惊人的快速度增长，但有很大一部分依赖进口。一方面，我国汽车节油技术的应用有限，燃油的使用效率普遍不高，汽车百公里耗油约比发达国家高 20%；另一方面，机动车排放污染已经成为我国污染物的主要来源之一 1。因此，汽车节油和环保问题日益突出，面对有限的石油资源和国家能源战略遇到的威胁与挑战，汽车节能与环保技术已成为汽车技术领域的研发热点 2。 随着能源危机日趋严重,节能减排已成为影响当今世界各国可持续发展的重要课题。同时“十二五”规划中,节能减排是经济结构调整的重点,因此,应该抓住这个机遇,不断提高创新能力和自身研发实力,把握节能车市场,研究和开发高效、节能、环保的节能车,具有重要的理论意义和广阔的应用前景 3。1.2 Honda 节能竞技大赛的背景及规则1981 年,本田公司在日本东京赞助举办了第一届“本田宗一郎杯”燃油耗费竞技大赛。（Honda Econo Power Race）比赛以本田公司创始人本田宗一郎的名字命名。大赛的宗旨是利用现有的技术和能力，寻找应对能源危机和环境污染的 最 佳 途 径 ， 唤 醒 人们 的 节 能 和 环 保 意 识 ， “大 家 行 动 起 来 ， 充 分 利 用 有 限 的 地球资源是参赛人员的一致心愿” 4。比赛要求参赛车辆使用统一的本田低油耗汽油发动机（125cc），而车架和车身等部件完全由各车队独自创作，赛车在指定的赛道内跑完赛程，比赛消耗燃油最少的获胜 5。在日本，每年都有来自初中、高中和大学等的学校代表队、企业代表队，以及来自社会上的共约 500 支车队，创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比赛。同时，这项比赛也逐渐向海外扩展，泰国、巴基斯坦、俄罗斯、韩国等的参赛者相继参加了日本的比赛 6。 1.3 Honda 节能竞技大赛在国内的发展 Honda 节能竞技大赛创办至今已有 34 年历史，在日本已经举办了 2 届，在泰国也已经举办了 9 届。在中国已经成功举办 3 届(包括一次试行) 7。2007 年 11 月 11 日，第一届 Honda 中国节能竞技大赛在上海国际赛车场胜利举办。来自全国各地 30 所高校的大学代表队、Honda 相关企业代表队、媒体代表队，以及来自泰国和日本的特邀代表队等共 77 只车队参加了本届大赛。最终来自东风本田发动机有限公司的 Fly 代表队以每升油行驶 868.680km 的成绩获得了本届 Honda 节能竞技大赛的总冠军 8。而最佳设计奖和最佳技术奖分别被中国农业大学的“农之魂代表队”和汽车导报深圳职业技术学院的“汽车导报高职院代表队”获得。 2009 年 9 月 2527 日，第三届 Honda 中国节能竞技大赛总决赛在上海 F1 国际赛场成功举办。参赛的 120 支节能车队的激烈角逐，最终北京理工大学翼升车队以 1279km/L 的成绩打破了由同济大学创造的 966km/L 的中国记录，夺得大学组冠军宝座，即一升油使自造节能汽车行驶 1279 公里。1.4 课题研究的意义Honda 节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识，它结合了关于发动机总成改造、车架和机械机构设计、车身空气动力学、材料应用等的相关知识，让参赛车队通过各项技术挖掘一升汽油的无限潜能 9。同时，比赛也为参赛者提供体验亲手设计和制作赛车的乐趣的机会，提高实践能力。Honda 创始人本田宗一郎曾说，节能竞技大赛的宗旨在于“让肩负着人类未来的年轻人通过思考和实践来体会如何更有效地利用资源，如何把我们生存的这个星球更完好地传递给下一代。” 10。Honda 节能竞技大赛鼓励参与者秉持“用最少的能源行驶更远的距离”的想法，亲身参与赛事感受“挑战节能极限”乐趣、体验“减排即是环保”的理念、认知“环保从我做起”的实际意义 11。自 2007 年在中国举办首届赛事以来，赛事在向社会广泛普及环境保护理念和知识的同时，也唤起了中国年轻一代对节能环保事业的关注，吸引了越来越多的人参与到环保行动中。三十多年前壳牌（Shell）公司向全世界的工程师提出挑战：开发和研制用 1 公升汽油跑 100 公里的低消耗的节能车，这个提议让所有的人都兴奋不已 12。一升汽油能行驶多少公里？按照惯性思维，您可能会直接根据百公里油耗换算，比如每百公里 5升，够低了吧？如果您估计一升油能跑 20 公里，那您就太低估赛车的油耗潜力了，“本田节能大赛”目前的最高记录是 3435 公里！相当于北京到重庆高速公路的往返里程 13。汽 车 节 能 减 排 的 重 要 性 不 言 而 喻 ， 考 虑 到 当 前 我 国 的 汽 车 节 能 技 术 发 展 的 实际 情 况 14。除 了 要 积 极 推 进 以 混 合 动 力 、 燃 料 电 池 、 先 进 柴 油 ,醇 类 汽 车 等 为 代表 的 新 能 源 汽 车 技 术 的 发 展 外 ，另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状，并适合大量在用汽车的高性能节能产品 15【16】 。参考文献：1发改委.“十二五”规划纲要发布J.环境经济,2011(4):24.2黄金陵.汽车车身设计M.北京:机械工业出版社,2011:52. 3陈家瑞.汽车构造 M. 北京：机械工业出版社，2012:13.4张启明.节能竞技车的发展J.机电设备,2013，25(8):435方国浩,范明志,盛利平.节能竞技的发展历史与趋势J.专用汽车,2008(10):94-95 6 乔军奎. Honda 节能竞技大赛J.汽车工程学报,2012,2(2):1467李江涛. 节能赛车设计及其 CAE 分析优化J.太原科技大学学报,2014(3).8姚 喜 贵 .Honda 节 能 竞 技 大 赛 车 的 分 析 与 研 制 J.专用汽车,2010(4):1819.9穆 能 伶 .工 程 力 学 M.北京:机 械 工 业 出 版 社 ,2011:167-169.10Frederic Dieu. Structural Optimization of A Vehicle Using Finite Element Techniques, SAE885135. 225-260.11Bendsoe M.R,Kikuchi N Generating optimal topologies in structural design using a homogenization .method. Comput. Methods APPI. Mech. Engrg2012,71; 197-22412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.节能减排的思考 J .交通世界, 2010(6): 6870.14Ali Mohammadzadeh, Salim Haidar. Analysis And Design Of Vehicle Suspension System Using MATLAB And SIMULINKJ. American Society for Engineering Education2013.(10): 9-10 1015刘涛.汽车设计M北京：北京大学出版社，2012:10.16张文春.汽车理论M北京：机械工业出版社,2010:3. 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1.研究解决的问题：传统的汽车的转向装置包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。由于该系统结构复杂，适用于前两轮的节能车。节能赛车是前一轮的配置形式,采用自行车的前叉来进行直接转向，这样不仅构造简单而且大大减轻了整车重量。由于节能赛车和赛道特殊的特点，节能赛车的操控性轮胎的单侧偏磨问题一直困扰着参赛者,赛车的操控性和转向稳定性问题非常重要。赛道的摩擦系数可以达到 f=3.5，这就意味着轮胎的温度会很高，若出现单侧偏磨现象，将会是一个很大的安全隐患。因此，提高转向系统操作稳定性和转向稳定十分重要。2.研究方案：为了更好的了解所作题目，查阅已有文献资料是十分重要的，由于资料很少。因此，在设计过程中，广泛的搜集资料，并借鉴了赛车的一些数据资料对我的设计工作起了很大的帮助。在这些文献综述中，详细的介绍了节能赛车的一般设计思路，如外形的设计，驱动方式如何，具体结构等等，都对我即将所作的设计提供了很大的帮助，此外，为了更好的设计节能赛车，在轴、带、齿轮等重要元件的设计过程中保证其结构的准确性，又对机械设计等专业课本进行了系统的复习，但还是有很多关键技术是专利项目，不会公布在资料之中的。所以，我参考用的资料并不能解决我在设计过程中所遇到的所有难点，有许多的问题是根据我自己的想法来做的。因为我的这些想法并不成熟，没有太多的实践性，所以，在解决一些棘手问题时并不能够很好的解决。在今后的设计中，还需要通过实践，对其一步一步的进行改进。赛车转向系统总体方案的确定1 转向系统方案的选型大赛规定转向系统为机械转向系统，目前应用较广泛的机械转向系统有齿轮条式转向器、循环球式转向器、蜗杆曲柄销式转向器。考虑到比赛赛车体积较为紧凑的转向系统安装位置有限，对于转向系统的灵敏性要求较高，而赛道道路条件较好，路面不会对于车轮产生较大的冲击等因素，决定选择该赛车的转向系为齿轮齿条式转向系统。 2 齿轮齿条转向系统的总体布置形式1）输入输出型式：中间输入两端输出 ( 结构简单、制造方便、成本低 )。2）齿轮齿条选择：斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合（重合度增加，运转平稳，冲击与噪声均降低，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计要求）。3）齿条断面形状：圆形（制造简便）。最终的布置为：采用中间输入两端输出的输出形式，齿轮齿条采用斜齿，齿条断面采用圆形断面。3 与齿轮齿条转向器配用的传动机构一般来说，这种转向系统的传动结构大多如图所示。转向轴的末端与转向器的齿轮轴 1 直接相连或通过万向节轴相连，齿轮与装于同一壳体的齿条 2 啮合，外壳则固定于车身或车架上。齿条通过两端的转向节 3、4 与分开的横拉杆 5、6 相连，因此，齿条 2 既是转向器的传动件，又是转向梯形机构中三段式横拉杆的一部分。4 齿轮轴的确定1）齿轮齿条传动受力分析。若不考虑齿面之间的摩擦力，则节点 P 受法向力 Fn，Fn 可分解为径向力 Fr 和分力 F，分力 F 又可分解为轴向力 Fa 和圆周力 Ft。2）齿轮轴最小轴径确定。由于齿轮的基圆直径 ，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴。5 转向传动机构1）转向横拉杆。转向横拉杆是转向梯形的底边。一般由横拉杆体和旋装在两端的横拉杆接头组成。横拉杆接头通过球头销与左右转向梯形臂连接。两接头通过螺纹与横拉杆连接，接头螺纹与横拉杆体连接，接头螺纹部分有切口，具有弹性。横拉杆体旋装到接头上后，用螺栓通过冲压制成的卡箍将横拉杆夹紧。横拉杆两端的螺纹一端左旋，一端右旋。因此，在旋松卡箍上的螺栓后，转动横拉杆体，即可改变横拉杆的长度，从而可调整转向轮前束。2）球头销。球头销是联接转向横拉杆和转向梯形臂的重要零件。球头销的外形尺寸是成比例的，所以在选定球头直径后可安比例确定其他尺寸。6 结论 1 节能车转向装置总成的分析与计算。目前能够选用的转向总成方案比较多结合赛车车架的设计以及整车布局合理确定转向装置的总成对于下一步工作具有指导意义。 2 节能车转向装置各零件的参数计算与强度及刚度分析。其中最为重要的是车轮定位参数的合理确定，这对于节能竞技车的滑行效果及车手操纵的轻便与舒适性影响较大。 3 转向装置三维模型的建立与工作状态模拟。转向机构各零件之间的连接关系的选定较重要，合理的连接关系的选择有利于达到设计目标。转向装置的轻量化对于减少整车质量，降低油耗有帮助。 开 题 报 告指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日