毕业设计（论文）题目：FSAE大学生方程式赛车转向系统、后桥、制动系的设计
1.课题名称：
FSAE大学生方程式赛车转向系统、后桥、制动系的设计
2.课题研究背景：
当今中国已是全球第一大汽车市场，产销量均已超过1800万。各大城市纷纷推出车展。整个中国车市呈现一片繁荣的景象。中国在拯救了全球汽车产业的同时已悄然成为全球第一汽车大国。
目前，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。 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。 毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA UG ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。 与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。
自比赛开始以来已经有同济、清华、北理等高校参加，作为211学校的我们参加这项比赛已是大势所趋。
3. 课题研究意义：
大学生方程式是一项综合性的比赛，它从设计研发，到加工制造、到采购成本控制，都由学生自己完成。一次成功的比赛经验对学生素质提高，以及专业知名度的提高都有很大的意义。方程式赛车是一台高性能的汽车，因此它对操控性和动力性的要求很高。而转向系、制动系、和驱动桥的设计就显得很关键了。
汽车制动系统是汽车底盘上的一个重要系统，它根据需要使行驶中的汽车减速甚至停车。使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停止的汽车保持不动。而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关键装置，是汽车上最重要的安全件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。
在赛车中转向系统占有重要的地位。转向系统是任何车辆都不可或缺的组成部分,其设计制造质量的优劣直接关系到车辆的操纵稳定性、安全性等技术性能。汽车操纵稳定性又被人们称为“高速车辆的生命线”。由此，转向系的设计是如此重要。通过对转向系的优化设计，来为赛车其他零部件分析优化提供思路，以达到对赛车的结构整体优化。
4.文献查阅概况：
转向系相关文献
1.姚汉波,唐应时,王焕美,林建涛，FSAE方程式赛车转向系统的仿真与优化，《计算机仿真》-2011年4期
摘要：研究赛车比赛转向系统动特性优化问题,由于赛车高速和赛道特殊的特点,赛车的转向稳定性问题和轮胎的单侧偏磨问题一直困扰着赛车设计者。针对上述问题,提出了一种符合赛车赛道特殊设计的断开式转向梯形机构设计方案。利用MATLAB计算软件,建立了空间转向梯形运动学模型,进行优化设计,控制梯形的Ackerman与理想Ackerman的误差,来提高赛车的转向稳定性。又建立了赛车转向系统和悬架系统动力学模型并进行了仿真分析,在车轮上下跳动时,控制车轮前进变化量的大小,可减弱轮胎的单侧偏磨程度。结果表明设计出的转向梯形机构方案具有良好的转向稳定性,很好地缓解了轮胎的单侧偏磨现象。
方程式赛车由于其高速性和快速过弯能力而受到人们的追捧。但是赛道的弯道很多,而且很多弯道的转弯半径很小。由此可见,赛车的转向稳定性问题非常的重要。另外赛道的摩擦系数非常大,可以达到315。这就意味着轮胎的温度会很高,如果轮胎出现单侧偏磨现象,对赛车的安全是个很大的隐患。在国内还没有大学生方程式赛车比赛之类的赛事,也很少关注这项国际赛事,对赛车转向系统设计还是空白。本文针对赛车转向稳定性问题和轮胎单侧偏磨现象线这两个方面,应用机构运动学理论,优化转向梯形杆系结构尺寸来实现转向时四轮作纯滚动的要求,提高赛车的转向稳定性。为适应赛车的转向需要,首次尝试使用改进的Ackerman转向几何。转向杆系与悬架导向机构的协调性优化设计主要是建立赛车悬架和转向多刚体系统动力学模型,进行灵敏度分析,在保证车轮前束角变化量在要求范围内的前提下,保证Ackerman误差在规定范围之内,进行转向杆系和悬架导向机构的运动协调性优化,缓解轮胎的单侧偏磨现象保证赛车高速行驶的稳定性。本文从这两个方面对转向系统进行设计分析。
赛车轮胎发生偏磨现象,就表明悬架的导向机构和转向杆系没有协调好,主要体现在轮胎上下跳动时,车轮前束的变化量的大小。ADAMS/Car是一种基于模板的建模和仿真工具,大大加速和简化了建模的步骤。用户只需在模板中输入必要的数据,就可以快速建造包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机仿真。ADAMS/insight是独立的模块,可以精确地预测所涉及到复杂机械系统在各种工况下的性能,可以对设计参数进行灵敏度分析,有效地区分关键参数和非关键参数,更高效快捷地修改和优化模型。
转向梯形断开点的最佳位置应该是是车轮在跳动过程中绕主销的摆动角最小,也就是前束在车轮跳动过程中的变化量最小,即转向和悬架系统运动干涉量的变化最小。
2.赵奕磊，倪 俊，徐 彬，基于特定赛道的方程式赛车转向稳定性研究与虚拟试验，《汽车工程学报》-2012年4期
摘要：前轮主销后倾角对车辆的转向稳定性具有较大影响。以比赛中的特定赛道为基础,为提高某方程式赛车在此赛道上过弯道时的转向稳定性,基于对比赛时车载信息系统所采集的数据的分析,以二自由度整车模型为基础,通过劳斯稳定性判据得到了赛车主销后倾角与稳定极限车速的匹配数学关系式。在此基础上,通过已经试验验证准确度的整车47自由度ADAMS
虚拟样机模型,进行了虚拟试验。其结果验证了理论分析的正确性,表明该数学公式对赛车的主销后倾角与极限转向车速的匹配有一定的预测性，为国内方程式赛车的设计提供了依据。转向稳定性的主销后倾角随速度 u 而变化。对于民用车复杂多变的行驶工况而言，很难保证主销后倾角设计合理以满足多种工况下的转向稳定性要求。但对赛车而言，它只在固定赛道上行驶，工况固定，所以赛车主销后倾角的设计只要赛车满足在此赛道上的转向稳定性即可。在该赛道上通过每个弯道时为保证转向稳定所需的最小主销后倾角为4.68°。赛车的设计思想应为保持在该赛道上的最佳操纵性能，如果赛车主销后倾角设计小于4.68°，则可能会造成通过第5个弯道时转向不稳定；如果赛车主销后倾角设计过大，虽然能满足转向稳定
性的要求，但同时会造成转向沉重的问题。
通过理论分析得到了赛车主销后倾角与转向稳定车速的匹配数学关系式。基于赛车与民用车的不同，以保证赛车在此赛道上的转向稳定性为目标，通过对比赛中车载信息系统所采集的速度数据进行分析，提出了针对特定赛道的赛车主销后倾角的设计方法。通过虚拟样机仿真方法验证了理论分析的准确性。仿真结果表明：赛车以80 km/h的速度转弯时，如果主销后倾 a 角小于 4.68°会出现转向不稳定，大于4.68°时转向稳定性良好，验证了理论分析的正确性。
3.倪 俊，FSAE 赛车弯道竞赛动态转向特性研究，《车辆与动力技术》-2012年2期
摘要：赛车在弯道行驶时常常需要减速入弯并加速出弯. 针对赛车的此特点，以汽车二自由度简化模型为基础，通过对比赛中车载信息系统所记录的加速度数据的分析，计入了纵向轴荷转移对轮胎侧偏刚度的影响，得到了方程式赛车入弯时和出弯时横摆角速度与前轮转角的传递函数. 角阶跃输入仿真结果表明:赛车在入弯时为转向不足，出弯时为转向过度.在此基础上，分别对轴距及转动惯量对赛车操纵特性的影响进行了分析. 分析结果表明:轴距的改变对赛车入弯和出弯时的转向特性有较大影响，适当的减小转动惯量可以较大程度提高出弯时赛车的响应速度.
4.廖小亮，孙泽海，基于 ADAMS 的 FSAE 赛车转向梯形机构的优化设计，《湖北汽车工业学院学报》2011年4期
摘要：在设计FSAE赛车悬架转向机构的基础上，分析了转向机构中的关键点对阿克曼转向特性的影响。 利用ADAMS软件建立FSAE赛车悬架转向机构的虚拟样机模型，并对转向梯形机构进行优化设计，着重分析了梯形转向机构的几个约束条件和目标函数的建立。优化结果表明，优化后赛车转向系的内外轮的转角关系值与理论值更接近，误差更小，改善了赛车的转向性能。采用多体动力学软件ADAMS对转向梯形机构进行了优化设计，最终的优化结果表明，通过优化使得赛车的转向更加接近理想转向特性，赛车的转向性能得到了提高，获得了比较满意的结果。 同时也表明了运用ADAMS软件可以方便、精确地对机械系统进行建模和优化设计，减少了繁琐的数学公式的推导。此次优化采用的是以梯形臂、梯形底角在前轴中心水平面上，以梯形臂长度、梯形臂底角、转向器前后安装距离及转向器上下安装位置为变量。其中限制转向器上下安装位置在较小的变化范围，保证对传动角的影响尽量小。 在此优化过程中，发现转向器上下安装位置的变化，对优化结果影响不大，在以后优化过程中，可考虑转向器安装位置与梯形臂置于同一水平上。
5.向铁明，沈理真，赛车前悬架和转向系统 ADAMS/CAR 建模及仿真，《厦门理工学院学报》-2012年4期
摘要：在建模时，首先要选择好坐标系。 为了建模的方便，在建模时，以赛车行驶的正前方的相反方向为X轴正方向，赛车的右侧方向为Y轴正方向，垂直于地面向上的方向为Z轴正方向． 在建立某FSAE赛车模型的时候，根据假设和简化的第2)点，不考虑各运动副间的内部间隙和摩擦力，视各运动副均为刚性连接． 根据某FSAE赛车的前双横臂悬架的关键点坐标值，利用ADAMS/CAR模块建立了双横臂独立悬架的模型．转向系统简化后由方向盘、转向柱、转向传动轴、转向齿条和转向横拉杆组成，根据某FSAE赛车的转向系统的关键点坐标位置，利用ADAMS/CAR模块建立了转向系统的模型． 根据之前建立的前悬架和转向模型，利用ADAMS/CAR模块装配，将悬架和转向2个子系统和试验平台装配在一起，得到前悬架与转向系统的装配模型．借助ADAMS/CAR，建立了某FSAE赛车双横臂前悬架和转向系统的多体动力学仿真模型． 通过对该模型进行运动学仿真，得出前轮做上下±30mm同向跳动时前轮定位参数的变化情况，并绘制出各参数的变化曲线; 对模型下控制臂球头铰±8mm位移后再次仿真． 结果表明: 前轮外倾角和主销内倾角的变化量随着下控制臂球头铰的上移而减小，前轮前束角变化量则随着下控制臂球头铰的下移而减小，主销内倾角受下控制臂球头铰上下位移的变化不明显。
6.向铁明, 任恒山, 朱易铭，赛车转向梯形优化设计方法，《厦门理工学院学报》-2009年4期
摘要：汽车转向梯形的设计在汽车设计中占据重要的地位, 合理的设计可以保证汽车转向时内、外转向轮尽可能作无滑动的纯滚动, 从而减小轮胎磨损, 保障良好的转向性能和抓地性能. 设计的转向系需要满足内、外侧转角关系曲线与理论上要求的内、外侧转角运动曲线一致或尽可能地接近。优化后的阿克曼曲线比原设计阿克曼曲线更加接近于理论阿克曼曲线, 效果明显, 有效地降低了转向时轮胎的偏磨。 当外轮转角为最大 22°时, 出现最大理论与实际Ackerman转角偏差, 为 318°, 存在轮胎的磨损, 但是在外轮转角22°时的工况较为少见, 影响不会太大。
后桥相关文献
1.张义民,贺向东,刘巧伶,闻邦椿，非正态分布参数的汽车后桥可靠性灵敏度设计，《中国制造业信息化》-2007年3期
摘要：将可靠性设计理论与灵敏度分析方法相结合,讨论了汽车后桥的可靠性灵敏度设计问题,提出了可靠性灵敏度设计的计算方法,给出了可靠性灵敏度的变化规律,研究了设计参数的改变对汽车后桥可靠性的影响,为汽车后桥的可靠性设计提供了理论依据。汽车后桥可靠性灵敏度的分析计算有效地反映了汽车后桥各因素对其失效的影响程度,为在设计制造过程中控制敏感性高的设计参数提供了理论依据。本文提出的非正态分布参数的可靠性灵敏度设计的数值方法,在随机参数前四阶矩已知的情况下,放松了对随机参数的分布概型的限制,使之更接近于工程实际中的汽车后桥的可靠性问题, 为分析和修改汽车后桥的可靠性水平提供了新的为分析和修改汽车后桥的可靠性水平提供了新的敏度设计的通用的、实用的和有效的方法。
2.陈珂，殷国富，基于知识融合的汽车后桥差速器齿轮结构优化《四川大学学报》-2009年4期
摘要：为更好的适应企业产品快速设计环境下FEA技术的开发与利用,从设计过程知识重用的角度出发,提出了一种基于知识融合技术的产品结构分析优化方法,通过在设计活动中引入动态分析仿真预制流程模板对所设计的产品进行最佳实践的仿真分析,实现结构有限元网格模型与分析计算的参数化,从而支持企业产品设计内部知识和被验证可重复的分析优化方法的可延续形积累。通过在汽车后桥差速器圆锥齿轮结构设计过程中的应用表明:此方法能够协助设计人员在产品开发过程中有效应用FEA技术,改善了设计方案中的应力集中、应力不合理分布与扩展状况,提高了齿轮基体的承载能力,减少了断裂失效的预期,促进了设计质量和设计效率的提高。
3.陈珂，殷国富，汪永超，汽车后桥差速器齿轮结构设计优化研究，四川大学制造科学与工程学院， 四川成都 610065
摘要：各方案出现危险状况时的部位有明显的一致性,这些部位产生的强烈应力集中现象掩盖了改进方案可能取得的改进效果,如行星齿轮背部球面台阶处的应力集中,可能导致轮齿呈一定角度斜向折断;而改进方案中所加凸台或连皮,由于过渡圆角的设计不尽合理,直接在凸台(连皮)与轮齿的过渡处产生强烈的应力集中,并使得此处的应力扩展受到阻碍,易产生凸台(连皮)与轮齿间材料的撕裂;同时应力扩展方式也呈现出一定的规律性,轮齿小端应力扩展方向主要为径向,如果齿轮基体强度不足,将直接导致齿轮的径向断裂失效。行星齿轮的基体薄弱,应力扩展形式呈径向,进一步削弱了基体的承载能力,也导致了上述主要针对行星齿轮轮齿强度的改进方案效果不明显,没有针对性的解决行星齿轮最薄弱的失效环节。同时半轴齿轮的改进方案也应调整为改善轮齿的应力分布,促使应力从小端逐步向大端平滑过渡发展,形成一个与实际使用受力状况相一致的等强度应力分布方案。
4.王金龙，汽车后桥的可靠性分析及优化设计，《潍坊学院学报》-2009年6期
摘要：对汽车后桥整机结构在建立三维有限元分析模型的基础上进行静力分析,直观展示了结构的应力场和位移场,通过静态分析评价了结构的力学性能。静态分析结果表明,汽车后桥能够满足强度要求。运用结构可靠性理论,求得汽车后桥受力不均对汽车的可靠性的影响;利用ANSYS的参数化优化设计模块从静力分析角度对汽车后桥进行优化设计,获得了汽车后桥结构以最小体积为目标的优化设计结果,取得了良好结果。
制动系相关文献
1.乔军奎，陶文锦，孙博，FSAE 方程式赛车制动系统的设计，《汽车工程学报》-2012年2期
摘要：提出了一套适用于 FSAE 方程式赛车制动系统设计的方法，包括零部件的匹配和制动性能的仿真。从 FSAE 比赛规则出发，分析了比赛对赛车制动性能的要求，确定了赛车制动系统的形式。通过对赛车在不同制动强度下的受力分析，初步分配了赛车的前后制动力，再以此为基础匹配了制动主缸、制动器和制动盘。在 AMESim 仿真环境下建立了整车制动系统的模型，并与 Simulink 中建立的三自由度整车模型进行了联合仿真。仿真结果表明，赛车在中等强度、大强度制动时的制动性能均满足设计要求，通过与实车试验的对比，验证了仿真模型的正确性和有效性。
通过仿真和试验结果的对比，得到以下结论
（1）仿真结果可以得到制动压力建立的迟滞，为实际设计管路长度和布置管路提供参考。
（2）仿真结果可以得到不同制动强度下赛车受到的制动力，为整车转向节等零部件有限元分析的边界条件提供参考。
（3）仿真结果表明，赛车在中等强度、大强度制动时的制动性能均满足设计要求，然而仿真和试验数据的差异也表明轮胎温度和路面条件对于轮胎附着的重要性。
（4）通过实车试验与仿真结果的对比，验证了本文提出的 FSAE 方程式赛车制动系统设计方法的有效性，以及建立的整车动力学模型和制动模型的可行性，可以满足对方程式赛车的制动性能进行仿真与预测的要求。
2.贺绍华，阳林，廖世豪，彭才望，FSAE赛车制动系统设计，《农业装备与车辆工程》-2012年12期
摘要：根据FSAE比赛规则对赛车制动性能的要求，确定了赛车制动系统的布置形式。对赛车进行了制动受力分析，优化制动器制动力分配系数。选定制动盘的参数，在此基础上匹制动轮缸、制动主缸的参数。假定附着系数为0．8的情况下，赛车以20km／ h制动，计算了赛车的最大减速度和制动距离。研究对于赛车制动系统的设计具有指导意义。
按照FSAE规定，赛车制动要求简单控制，制动系统必须有两套独立的液压制动回路，当某一条回路系统泄漏或失效时，另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。每个液压制动回路必须有其专用的储液罐，不允许采用带助力的制动装置。赛车的制动系统将被进行动态测试，测试时，赛车将首先在制动检查官规定的直道上加速，在直道末端，赛车必须制动至静止，并要求四轮抱死且不跑偏。 赛车的制动器制动力分配系数是定值。而制动力分配系数的确定影响到制动系好坏， 直接关系到车手安全，所以有必要对制动力分配系数进行优化。选定制动盘的参数，在优化制动力分配系数的基础上，匹配制动轮缸、制动主缸的参数，同时计算出给定条件下的制动距离，便于判断制动距离是否符合制动法规要求。
3.唐应时，李雪鹏，肖启瑞，陈明媚，FSAE赛车制动性能仿真与优化，《计算机仿真》-2010年
摘要：赛车性能应满足FSAE有关制动规定,ECE制动法规以及GB12676-1999给出的汽车制动要求。为提高整车制动性能,增加系统的稳定性,通过对大学生FSAE赛车在制动时的受力分析,首先结合经验确定了制动力分配比初值。明确制动力分配比的约束条件,建立了最佳制动力分配比优化数学模型,利用MATLAB优化工具箱对其进行优化仿真。得到大学生FSAE赛车最佳制动力分配比为0.61及相应的制动性能指标。可直接判断赛车制动性能能否满足制动法规要求。仿真结果证明,满足系统要求,对赛车制动系统的设计有一定的指导意义。本文提出的制动性能优化数学模型,可方便、直接地获得大学生 FSAE赛车制动力分配比的最优值,同时计算出FASE赛车的最大减速度,制动距离。该方法不仅能使整车制动性能达到制动要求并提高整车的制动性能,对于赛车的制动系统设计有指导意义。
英文文献
1.William K. Lennon and Kevin M. Passino,Senior Member, Intelligent Control for Brake Systems IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL. 7, NO. 2, MARCH 1999
Abstract:There exist several problems in the control of brakesystems including the development of control logic for antilock braking systems (ABS) and ªbase-braking.º Here, we study
the base-braking control problem where we seek to develop a controller that can ensure that the braking torque commanded by the driver will be achieved. In particular, we develop a ªfuzzy model reference learning controller,º a ªgenetic model reference adaptive controller,º and a ªgeneral genetic adaptive controller,º and investigate their ability to reduce the effects of variations in the process due to temperature. The results are compared to those found in previous research.
2.Tsung-Hsien Hu, Chih-Jung Yeh, Shih-Rung Ho, Tsung-Hua Hsu, and Ming-Chih Lin,IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), September 3-5, 2008, Harbin, China
Abstract:The purpose of this research is to develop an electric power steering (EPS) control logic which integrates base-assist, damping, return, and inertia control logic. This research also introduces a special method which employs the steering angle signal and the vehicle speed signal into the control logic to tune the compensation gain immediately. It can optimize the steering response and improve the steering feel. In addition, a new control logic, impact compensation, has been proposed. It reduces the oscillatory effect of the steering system when the vehicle passes through an uneven road. For verifying the ideas mentioned above, this research integrates Matlab/Simulink with CarSim. Co-simulation technique is used to validate the proposed ideas for the high accurate description of vehicle dynamics and model of the steering behavior. The results show that the designed control logic and compensation strategy can satisfy various driving conditions. The impact control logic can alleviate the unwanted vibration of the steering wheel effectively.
5.设计（论文）的主要内容：
1.文献检索与外文翻译
2.编写毕业设计开题报告
3.转向器设计并制图
4.制动系设计并制图
5.驱动桥设计并制图
6.编写毕业设计说明书
6.设计（论文）提交形式：
（1）. 开题报告1 份，字数不少于4000～5000 字。
（2）. 设计说明书1 本，格式符合教务处要求，字数不少于2 万字。
（3）. 总装图（用UG 绘制三维图及A0 二维总装图1 张），自选几个重要零件绘制二维
零件图，二维总图量不少于2～3 张A0，其中手工绘图不少于1/3。
（4）. 查阅相关文献20 篇以上，写1 篇综述（为开题报告的主要组成部分），含2篇
以上英文文献，翻译其中1 篇，不少于5000 汉字。
（5）. 查阅相关专利10 篇以上，写1 篇模拟专利申请。
7 .进度安排
第四周 收集资料包括外文资料，通过学习和翻译外文资料要达到对外文资料的
理解并能够达到把握国内外的动态。
第五周 写开题报告,要通过收集各种资料对设计方案的选择进行比较,真正达
到选型恰当经济实惠的效果。
第六周 学习如何书写专利，通过学习如何写申请专利，了解如何保护知识产权
第七周 确定设计方案
第八周 设计并确定具体方案的实施方法，并确定各系统所需零部件
第九周 确定零部件的具体尺寸，初步确定装配方法
第十周 绘制各系统装配草图
第十一周 绘制各系统装配草图
第十二周 绘制转向系装配图
第十三周 绘制后桥装配图
第十四周 绘制制动系装配图
第十五周 绘制零件图
第十六周 整理说明书
第十七周 编写设计计算说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。
第十八周 毕业答辩
8. 指导教师意见
签名：
年 月 日
