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I 節(jié)能賽車轉向系統(tǒng)設計 摘要： 現在 的 能源 短缺 問題已 然成為了全球 經濟、 全球 政治 以及 公共決策 最嚴峻 的挑戰(zhàn)之一 。 中國 的 節(jié)能競技大賽 就是 在這 情況下產生的 。 需要參考 節(jié)能賽車 有關 易操控、輕量化 的 特點 。從而 對節(jié)能賽車的轉向裝置進行 分析 研究設計。轉向裝置 是由 轉向操縱機構、轉向傳動機構和轉向器 三部分組成 。確定轉向裝置總成方案、設計轉向節(jié)、轉向梯形的結構尺寸 。通過 增加輕量化材 料 的使用 。以達到 實現減輕賽車質量 從而 最終降低油耗的目的。本文 將 對參加節(jié)能競技大賽的 有關 車隊 起到 一定的指導 作用 。 關鍵詞： 節(jié)能 賽車 ； 轉向裝置 ； 轉向 梯形 ； 輕量化 ； 降低油耗 of s of of s is in to to of of of of In to of of In a in 錄 摘要 ................................................................. I ........................................................... 錄 ............................................... 錯誤 !未定義書簽。 1 緒論 ................................................................. 1 究背景 ........................................................... 1 能競技大賽的背景及規(guī)則 ..................................... 1 賽環(huán)境 .......................................................... 2 能競技大賽在國內的發(fā)展 ..................................... 3 題研究的意義 ..................................................... 4 2 節(jié)能車轉向機構總成的分析與計算 ..................................... 5 能車轉向機構介紹 ................................................ 6 能車輛轉向總成裝配方案的確定 ..................................... 8 能車轉向總成的分析與計算 ....................................... 10 克曼轉向系設計 ................................................. 11 3 節(jié)能車轉向機構零件的計算與校核 .................................... 14 4 轉向裝置運動模擬 .................................................. 16 5 結論 .............................................................. 18 參考文獻 ............................................................ 19 致謝 ................................................................ 20 1 1 緒論 究背景 在當今世界，石油資 源 干涸 ，石油 儲藏 飛快 下滑，中國的汽車數量年增加率卻達到了 使得中國的燃油消費需要呈快速增長態(tài)勢，然而燃油卻嚴重依賴進口。因而，汽車節(jié)約能源和環(huán)境保護問題十分重要，面對定量的石油資源與國家能源戰(zhàn)略碰到的威脅和需求，汽車節(jié)約能源與環(huán)境保護已變成汽車技術范圍的研究重點 [1]。 因為 能源 問題 日趨 惡化 ,節(jié)約能源減少排放 已 變成了 影響世界 全球 各國可持續(xù)發(fā)展的重要 難題 。 所以要 抓住 機會增加 創(chuàng)新 水平 和研發(fā)實力， 把握 節(jié)能汽車市場，研究和開發(fā)高效節(jié)能 的 汽車。 能競技大賽的背景及規(guī)則 在二十世 紀九十年代 ,本田公司在日本東京 資助舉行 第一屆“本田宗一郎杯”燃油 消耗 競技 比 賽。這個比賽的目的是利用現 在 的技術 與水平，尋找對付 能源 不斷減少與 環(huán)境 惡化 的 好 辦法 ， 提醒 我們 節(jié)約能源與環(huán)境保護 的重要性 。 競賽要求依靠相同的本田低油耗汽油發(fā)動機（ 125 毫升），而框架部分由各自隊伍自己制作，比賽時在規(guī)定的場地內跑完全程，比賽中使用燃油最少的隊伍獲勝 [4]。在日本，有從初中和高中與大學的學校隊伍、企業(yè)隊伍，與來自社會中的一共 500 個隊伍，制造出擁有獨特特點的賽車加入競賽。 2 式各樣的競技賽車 賽環(huán)境 比賽 位于 廣東國際賽車場，比賽時間是 2017 年 10 月 27 日，根據歷史氣象資料，平均氣溫 20° C 到 25° C。 3 圖 東國際賽車場 廣東國際賽車場 是一所頂級的賽車場 。 擁有數 個 不同速度的 彎道，使 的 賽道用最少的面積 通過賽道線行的 不同組合變化 ， 從而 滿足賽道 對于于可靠性和 運動性的 相關需要 。 無論 是對于 高 手 或菜鳥 都是一個不小的挑戰(zhàn)。廣東國際賽車場 面積為 550 多 畝， 比賽場地 長 約 米 ， 寬度 最 少為 12m，最 多為 15m， 它的 最大 速 度大約是 250km/h，可 以 容納 22 輛車同時發(fā)車。 擁有 13 處彎道，包括有 4個 左彎 賽 道 和 7 個 右彎 賽 道， 15 處 裁判點。 二三十 間維修車間 可以滿足 車隊 的大部分要求 。 二圈賽道長度： 5277m 四圈賽道長度： 10917m 直道長度： 718m 彎道最小曲線半徑： R=10m 彎角： 13 個 賽道落差： 3 米 平均速度： 25km/h 最高允許時速： 250km/h 賽道寬度： 12能競技大賽在國內的發(fā)展 本田節(jié)能競技比賽到目前為止已經有超過 34 年的歷史了，它在日本進行了 4 28 屆，在泰國進行了 8 屆，在中國舉辦 10 屆。 2007 年 11 月 11 日，在上海 舉辦了第一屆 中國 節(jié)能競技比賽。來自中國不同省市的三十多所院校 的隊伍、 體隊伍，和來自泰國與日本的特邀隊伍共七十七只車隊參與了這屆比賽。最終東風本田的隊伍獲得了冠軍。 2009 年 9 月 24— 26 日，第三次本田中國節(jié)能競技比賽的總決賽在上海 球賽場勝利舉行。有 130 支車隊參加了比賽，最終 首都 理工大學的隊伍奪得大學組冠軍，使汽車 用 一升油行駛 1331千米。 獎的賽車 題研究的意義 本田節(jié)能競技大賽旨在發(fā) 揚 節(jié)能減排的 好 風氣，它結合了如發(fā)動機的裝配和坐標變換， 汽車 設計，機械構造，材料力學的對應學識，讓隊伍經過努力提升一升汽油的潛力。同時，賽事給予了參與者設計經驗與生產賽車的快樂的機遇，增 5 加了動手水平。 隊合作 節(jié)能競技 比 賽 希望人們保持節(jié)約能源的思想 ，參 加比賽體會挑戰(zhàn)極限的 樂趣 ，知道保護環(huán)境 的 實際價值 。 一 立方分米 汽油 可以開 多少 如果 直接 按 百公里 行駛 油耗 計算 ，每百公里5 升， 算少了吧 ？ 所以 一升油能跑 二十千米 。但那樣， 你 就太 小瞧 賽車的潛力了，它的 最高記錄是 3435 公里！ 相當于 從太原至重慶 的 距離 。 車 輛節(jié)約能源減少排放十分 重要， 因為 當前我國 在 汽車 節(jié)約能源 上十分落后 。 所以 要努力開展 先進的混 合動力車和燃料電池車、 先進 柴油、乙醇 為標志 的新能源技術的開發(fā)和推廣 ，需要努力設計 和 制作 是汽車行業(yè)在當前技術 領域 的現狀，對 于 車輛的使用 需要很多具有 高 性價比 的 節(jié)能產品 【 6】 。 依靠材料 的 相關領域 知識 同時把握 節(jié)能競技賽車 關于的 易操縱、 重量輕的特點。將選用機械轉向機構作為思考與借鑒對象，對節(jié)能汽車轉向器、轉向梯形展開對應設計，使用輕質材料，來減少汽車重量，增加可操控性和降低燃料消耗量。 2 節(jié)能車轉向機構總成的分析與計算 6 能車轉向機構介紹 因為 節(jié)能競技 賽 車易操控 ， 輕量化的特點 。從而讓 其轉向機構 和如 今的 汽 車 上 使用的傳統(tǒng)轉向機構 擁有明顯不同，然而這些 轉向系統(tǒng)的 制造 方法 與 設計原理 給予 節(jié)能競技賽車的 有關 設計 以很大幫助 。 現在 汽車的轉向系統(tǒng) 都由 轉向操縱機構 與 轉向傳動機構 與 轉向器 構 成 。當要 轉向時 ，就給予 轉向 桿一定的 操舵力 ，轉向 桿就會給予 轉向軸 相應的 力矩 。這種 力矩 從 轉向傳動軸輸入 到 轉向器 里 。 再經 過 轉向器 的 放大 與 改變力矩 的 運動方向 ， 力矩傳 送到 轉向直拉桿 中讓 轉向傳動機構 的 左右轉向節(jié)轉向輪 發(fā)生改變，讓 汽車 的轉動 方向 變化 。 一般 汽車轉向技術包括各 種形式的轉向器 和 轉向助力技術 ，這些技術 都已經在 現實生活 中 有所體現。然而 節(jié)能競技 賽 車上使用 的 這些現有技術 都 是不可行的 。它只是借鑒了 汽車轉向系統(tǒng)的設計 思路與 方法 ，用來幫助 節(jié)能 賽 車轉向裝置的 相關 研究。方法和原理有 以下 幾點 ；第一， 轉向系統(tǒng) 需要留下 轉向操縱機構 與 轉向傳動機構 與 轉向器三部分。第二，讓 汽車 的 2 個 轉向前輪 滿足 一定 要求，就 要 由 轉向梯形機構來 確保。 阿克曼轉向廣泛的用于斜躺自行車，賽 車的重量和設計與斜倚自行車的重量和設計相似，因此許多部件可以直接從 斜躺 自行車上取出來。 阿克曼轉向系統(tǒng)可以在轉動時讓內輪胎比外輪胎轉角大。這種現象會使?jié)L動摩擦力最小化。滾動摩擦使輪胎轉彎減慢，這對節(jié)能運 動等事件非常不利?，F在 轉向梯形 都 用 電腦來設計， 利用 件對轉向梯形 的 進行分析 ， 優(yōu)化 ， 設計 。當今 汽車的輕 型 設計 思想 對節(jié)能 賽 車 的 轉向機構設計有 一定 的 幫助 。 7 2 工具圖 8 2 加工過程 能車輛轉向總成裝配方案的確定 節(jié)能 賽車 車轉向的設計是基于所選擇的框架方案來 確定的 ，使得車輪配置狀況 會左右 轉 向 制定方案。節(jié)能 賽車 可 以 自由 的 選擇車輪配置 與 轉向方式?，F有車輪配置主要是接下來的三個 。前面兩個輪后面一個輪是用后輪來驅動前輪轉向的，如 圖 面一個輪后面兩個輪是用后輪來驅動前輪轉向的 ，如 圖 后各兩輪是用后輪驅動的如圖 當我們考慮車輪安排時，我們先放棄四輪安排是由于車輛設備質量的提高 ， 輪胎滾動阻力增加 ， 節(jié)能效果不理想。 因為要提高 傳動 比，所以不用 前一后兩 的 差速驅動的 方法 ； 最后考慮前兩輪后一輪方案 ，它有 結構 不復雜 ，穩(wěn)定 良 好，易生產， 行駛阻力小 的好處 。 所以 采用圖 方案 ，認真對待 車輪 的 定位準確性 與 操縱的輕 巧 性 以 及機構的輕量化的研究。 9 圖 輪轉向圖 圖 輪驅動 圖 輪設計 圖 克曼轉向原理 如今選擇的 節(jié)能車轉向機構 大多是 阿克曼式結構如圖 示。 當車輛轉動時，為了減小阻力，它必須沿著一定的弧線軌跡行進。方向盤的延伸部位在非機動后橋的延伸部上，內輪的轉角大于外輪的轉角。 因為需要 車輪旋轉以 控制轉向 ，所以須要 轉向臂結構。 10 當前兩輪控制轉向時，車輪的轉向軸與側桿 的支點形成了梯形結構。通過設計轉轉向臂可以在設計中 達到 梯形形狀。 能車轉向總成的分析與計算 節(jié)能賽車轉向裝置由 3 個總成構成 轉向操縱機構與轉向傳動機構以及轉向器。轉向操縱機構由轉向車把和轉向軸以及支承轉向軸的轉向軸承組成。轉向器可以簡化為轉向搖臂，轉向傳動機構由轉向直拉桿、轉向橫拉桿以及轉向節(jié)臂構成。此外，還有連接轉向車輪與轉向傳動機構的轉向節(jié)總成。 ① 轉向操縱機構 見圖 圖 把受力圖 按照規(guī)定 ，使用現有的自行車 的 把手 就可以 直接 代替 轉動車把， 而 強度和剛度 都 滿足 了相關規(guī)定 要求。在節(jié)能競爭 賽 車中，轉向軸軸承 的 外圈 與 框架 連在一起 ，內壁 和 轉向軸 需要 用過盈配合，并 且用油 潤滑 ，使 的 轉向 光滑，還有 支撐轉向軸 與 車把的 效果 。 ②轉向器 可以影響 駕駛員的轉向力和轉向動作方向的裝置 ， 在車 中叫做 轉向器，在節(jié)能車中 叫做 轉向 搖 臂。轉向搖桿 用 不銹鋼板 來進行制造 ， 改變 厚度以 達到 扭轉強度。上 部用 半圓與轉向軸 相接， 下 部則轉出小 孔 ， 用螺栓 和 轉向直拉桿相連 ， 圖 。 11 ③轉向傳動機構 轉向機構的目的是將轉向搖臂上的力矩轉移到轉向節(jié)上去，用來改變方向桿的兩邊，使得兩個方向桿的角 度根據相應的關系（內輪角度大于外圓）偏轉，以確保汽車方向桿可以進行純粹的滾動。 見圖 圖 向節(jié)總成 圖 體轉向節(jié) 現在，許多節(jié)能車用焊接整體式轉向節(jié)，見圖 型以后轉向節(jié)的相關數據（主銷內傾角、主銷后傾角、前輪前束、車輪外傾角）只要有存在不達標，就會浪費并需要再次制造，在之后的階段，不能對車輪定位參數進行修改。本的設計比之前的設計有很大不同，那就是將整 體轉向節(jié)改進 成整 體式活塞 桿端轉向節(jié) ，能調整轉向節(jié)兩端的長度來達到實現少量的定位參數的改變 ,同時可以修正轉向機構部件的彎曲變形。 克曼轉向系設計 在互聯網上有一個阿克曼 速算表 ，它記載了許多 三輪車阿克曼轉向幾何 ，這有助于阿克曼轉移到關鍵的參數確定和設計，將使用它來設計賽車的阿克曼轉向系統(tǒng)。由兩個部分組成：一部分是輸入系統(tǒng)參數，另一部分則為精準的阿克曼幾何計算情況。首先，確定常量和變量。 圖表中的紅色標記是不變的。常數 底盤尺寸和車輪尺寸決定其他尺寸。當前變量為 d， f 和 j。 然 12 后，輸入變量值減小了 理想的阿克曼轉向誤差，導致阿克曼轉向適合 2的不同轉向半徑。圖 示了誤差范圍內 5轉向半徑的不同軸距。 圖 克曼轉向系速算表 13 圖 距的計算結果 14 3 節(jié)能車轉向機構零件的計算與校核 15 要確保開車的安全性，構成轉向系統(tǒng)的部件要有一定 的強度，在設計零件的結構時，要確保在低重量的條件下讓部件滿足保證強度與剛度需求。使用公式計算汽車轉向阻力矩 )。 即 313?(3F 滑動摩擦因數，是為 轉向軸載荷，等于和車把手上的變速、剎車以及駕駛員給予的力。駕駛員是 40向軸負荷為 100N(10P 為輪胎的氣壓 ,氣壓范圍是 27060于高胎壓會減小車輪滾動阻力，所以 P 是400? ? （ N* 車把上的手力等于轉向盤上手力的公式 ; ?? (3 式中 , 1L 為轉向搖臂的長 =65 2L 為轉向節(jié)臂的長 =75 為轉向盤直徑 ,現為轉向車把的長度為 450 ?I 為轉向角的傳動比 ,用轉向節(jié)臂長 2L 與搖臂臂長 1L 之比進行表示 ,即 12 2L 1L 的比值在 看作 1； ?? 是 轉向器角的傳動比，節(jié)能車不用轉向器，所以取 ?? =入公式； *45 0*70 *65*2 ?? 在車輛一定的條件下，以上的力是最大值。因此，該值可以用作計算加載下一步計算。在進行設計制作時，構件要滿足強度需求。不能在賽車的運動中產生了斷裂與破碎。接下來，在達到 強度要求的情況后，應當有更大的剛性。防止產生過度的彎曲變形，從而影響車輪定位參數的可靠性，根據以往的零件初始設計經驗，首先需要設計零件的各項參數，如所用材料，加工工藝等然后利用力學的相關知識對它的強度以及剛度進行考察。在檢查的過程中，大多數部件都是合格的，可以保證一定的安全系數。一些零件發(fā)生強度達到要求然而剛度不達標時， 16 要用彈性模量更大的材料進行制造，或者是，通過對零件進行熱處理的辦法來增加它的剛性，使得剛度也能達到標準。用這種辦法，對轉向裝置進行設計。根據曲線的最小曲線半徑，參見圖 定方向盤極限角 度 30°，根據移動模式在計算過程中，使用文獻中描述的最小轉彎半徑的計算。 最大轉角 ? =30°， 長度是 160車架決定），在三角形 2 030s 0s ?? ?, 向系參數 參數名稱 轉向系角傳動比 最大轉角 最小轉彎半徑 數值 30° 轉向裝置運動模擬 上文 已經完成 了 轉向裝置總成 以及 各部分零件的 計算 與設計 過程 ,關于 受載 17 零件 要用 材料力學 的資料 進行受力分析、強度以及剛度的計算。在計算 中 力學性能 要 保 持 超額余量，在實現各種功能的轉向機構的同時，確保強度和剛度達到要求，從而保證車輪定位參數的 精準 。 要讓 設計結果 合理 ，用三維軟件 作了三維模型的轉向和運動仿真。 ①從整體到部分，在 件 中繪出車架部分，轉向操縱機構（包 括轉向手柄，轉向軸，支承轉向軸的轉向軸承 ），轉向臂，轉向傳動機構（包括轉向直拉桿，轉向橫拉桿，轉向節(jié)）型號，見圖 ②在第一步完成后，利用 組件模塊，參見圖 作出轉向結構各部③ 用三維模型 來進行 模擬轉向裝置的工 況 ，觀察 對應 機構的運動是否 有 干 涉、轉向角 卡死 的 現象 ， 擴展 了各 部分 的設計 進程 。 圖 節(jié)螺栓三維圖 片 圖 向節(jié)總成三維圖 在進行加工時設定相互轉動的零件的約束是“銷 釘”約束，能在完成加工圖后，對圖 車把給予轉矩，可以模擬真實的轉向過程，在察看轉向機構進行的運動模擬，以便察看各部件的實際運動狀況，就可以知道機構設計里運動干涉有無零件設計不合理。 依靠在以上運算，轉向車輪的最大轉角是 30°，依靠三維軟件進行模擬，設置 30°為轉向輪的最大轉角，可以更直觀的看見轉向過程，轉向裝置設計標準，機構間無干涉，見圖 18 圖 向裝置運動模擬 此時，完成了轉向裝置的三維建模和運動分析，并 且用 現代設計 的 方法模擬 了 真實 工 的 作狀態(tài)。 查看 過程，確 定 以上 參數， 完成轉向設計。 5 結論 （ 1） 節(jié)能 賽 車 在 轉向裝置總成 中 的分析與計算 過程 。 可以 選 擇 的轉向總成方案 有不少，通過了解 節(jié)能賽車 框架 的設計 和 整 體規(guī)劃從而 確定轉向裝置的總成 可以對接下來的 工作 起到 指導 作用 。 19 （ 2）節(jié)能賽車在轉向裝置的各 部分 零件中 的 參數計算 過程 和強度和 強 度分析 經過 。關于車輪定位參數的相關計算，它將對節(jié)能競技賽車的滑行效果和駕駛員行駛的輕巧和舒適度有一定影響。 （ 3） a 轉向裝置在三維模型中的建立和工作情況的模擬。轉向機構在所有零件中的相互連接的選擇獨一無二，恰當的相互連接會利于 實現設計目標。轉向裝置的輕型化可以減少汽車的重量減少油耗。 參 考 文 獻 [1]發(fā)改委 .“十二五”規(guī)劃綱要發(fā)布 [J]2011(4):24. 20 [2]黃金陵 M]機械工業(yè)出版社 ,2011:52. 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