毕业论文-梦想4.0号赛车转向系设计.docx

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书中北大学“梦想4.0号”赛车转向系设计机械与动力工程学院学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 2017年6月第 1 页 共 67 页中北大学“梦想4.0号”赛车转向系设计摘要赛车转向系统是大学生方程式赛车底盘设计中重要的一环，也是车辆底盘的四大系统之一，作为多弯赛道的竞速类比赛赛车，转向系统的性能决定了车辆在赛道弯道中的车身姿态、过弯速度等诸多性能表现。本毕业设计根据比赛规则要求及车队设计目标，对2017赛季中北大学行知车队赛车“梦想4.0号”赛车转向系统进行设计，结合2016赛车车队赛车转向设计的设计流程与方法，零件加工制造的材料与工艺，以及最后总装的经验，对新赛季的赛车转向系统设计过程和方法进行改进和优化。文中通过对赛车和传统乗、商用车转向系统的对比，根据规则与实际需求确定新赛车转向系统的设计目标与流程。对比不同类型的转向机，选定赛车转向机类型为齿轮齿条式转向机；对赛车转向系统的参数与载荷进行了计算与校核；讨论了主销定位参数与轮胎定位参数对车辆转向的影响，并确定其具体参数；根据整车设计需求，确定转向梯形结构方案与梯形布置形式；相比较上赛季转向系统设计，引入轮胎侧偏角对转向的影响，建立带有阿克曼校正系数的目标关系，并利用MATLAB软件进行实际梯形的优化；在运动学仿真软件ADAMS/Car中建立模型，进行车轮跳动分析;利用CATIA进行相关部件三维建模设计；利用ANSYS对零部件进行力学分析。关键词：大学生方程式赛车，转向梯形MATLAB优化，转向机设计，轮芯立柱设计Design of the Dream 4.0 Racing Steering SystemOf North University Of ChinaAbstractThe car steering system is an important part of Formula Student chassis design, also it is one of the four systems of the car chassis, as a multi-curved track racing car,the performance of the steering system determines the performance of the vehicle in the track corner of the body posture, cornering speed and many other performance. The graduation design is based on the rules of the competition and the design goals of the fleet. It is designed for the NUC Racing Team Dream 4.0 racing steering system for the 2017 season tour.Combined with 2016 racing car racing steering design process and methods, parts processing materials and technology, as well as the final assembly experience, the new season of the car steering system design process and methods to improve and optimize. In this paper, the design goals and processes of the new car steering system are determined according to the rules and the actual demand by comparing the car and the traditional and commercial vehicle steering system.The parameters and load of the steering system are calculated and checked. The main pin positioning parameters and the tire positioning parameters are discussed for the steering of the vehicle. The steering type of the steering gear is different from that of the steering wheel. And to determine the specific parameters; according to the vehicle design needs to determine the steering trapezoidal structure of the program and trapezoidal layout form; compared to last season steering system design, the introduction of tire deflection angle on the impact of the establishment of Ackermann correction coefficient And then use the software to carry out the actual trapezoidal optimization. The model is established in the kinematic simulation software Adams / Car, and the wheel beating analysis is carried out. The three-dimensional modeling of the relevant parts is carried out by using CATIA. The mechanical analysis of the parts is carried out by ANSYS.Keywords:Formula Student,MATLAB optimization of steering trapezoid, Steering machine design,Wheel core column design目 录1 绪论11.1 Formula SAE介绍11.1.1 比赛起源11.1.2 中国大学生方程式汽车大赛11.2 国内、外大学生方程式汽车大赛转向系统研究现状31.3 历年中北大学行知车队及车队赛车转向系统发展41.3.1 2013赛季41.3.2 2014赛季41.3.3 2015赛季51.3.4 2016赛季61.4 本毕业设计各章内容及意义62 大学生方程式赛车转向系统概述82.1 赛车转向系统的构成82.2 赛车转向系统与乘、商用车的差异82.3 赛车转向系统的设计目标92.4 本章小结103 大学生方程式赛车转向系统设计113.1 转向机结构及选型113.1.1 转向机结构分类及优缺点113.1.2 转向机方案选型123.2 转向系统主要性能参数设计133.2.1 外侧车轮最大偏转角度133.2.2 转向系统角传动比163.2.3 转向系统转矩传动比173.3 转向系统计算参数设计183.3.1 齿轮齿条参数及齿条行程183.3.2 转向梯形梯形臂长度203.3.3 转向系相关计算载荷确定203.4 主销定位参数及前轮轮胎定位参数的确定223.4.1 主销定位参数223.4.2 前轮轮胎定位参数233.4.3 参数的确定243.5 本章小结244 大学生方程式赛车转向梯形优化254.1 转向梯形结构方案254.2 转向梯形布置形式264.3 转向关系优化274.3.1 标准阿克曼转向几何学274.3.2 侧偏角存在时的内、外侧车轮转角关系284.3.3 目标转向关系优化324.4 转向梯形优化344.4.1 杆系结构所确定的转角关系344.4.2 根据三心定理确定转向横拉杆断开点354.4.3 转向梯形参数优化结果364.5 本章小结405 转向系统相关动力学分析415.1 ADAMS/Car介绍415.2 前悬及转向系统建模415.3 车轮轮跳分析425.3.1 前轮外倾角变化425.3.2 前轮前束角变化435.3.3 前轮主销内倾角435.3.4 前轮主销后倾角445.4 本章小结446 转向系统相关部件设计建模及分析456.1 CATIA简介456.2 ANSYS简介456.3 方向盘设计456.4 转向机设计与分析466.4.1 转向机齿轮设计与分析466.4.2 转向机齿条设计与分析506.5 轮芯立柱设计与分析516.5.1 轮芯设计与分析526.5.2 立柱设计及分析556.6 本章小结597 2016赛季总结607.1 2016赛季总结607.2 本章小结628 总结与展望638.1 总结638.2 展望63参 考 文 献65致 谢67III1 绪论1.1 Formula SAE介绍1.1.1 比赛起源Formula SAE（简称：FSAE）赛事起源于1978年美国波斯顿，第一次比赛举办时，13支队伍中有11支队伍完赛，当时的比赛用车是一辆木制5马力赛车。Formula SAE赛事意在挑战在校本科生，研究生团队的创新、设计与制造小型方程式赛车的能力。在与来自世界各地的大学生车队的较量中，大赛给了参赛人员与车队证明和展示自己创造力与制造技术的机会。Formula SAE赛事历经逐年的发展与演变到现在，已经发展都世界各地，成为了车辆、机械等相关专业在校大学生的一场技术与制造的狂欢盛典。第一届中国大学生方程式大赛（简称：FSC）于2010年在中国汽车工程学会、易车集团和各大学汽车院校联合发起举办。中国FSC大赛得到了社会各界多方的关注，各大国内知名汽车企业基于对汽车后备人才的培养，纷纷踊跃赞助大赛开展。各大企业不仅在在资金上赞助大赛，并在比赛中派出近百位汽车研发和实验的技术专家担任赛事现场裁判，与各参赛队进行交流与指导。1.1.2 中国大学生方程式汽车大赛中国大学生方程式大赛旨在为中国汽车产业培养后备人才，各大学参赛队被假设为一家汽车制造公司，队员有在读大学生与研究生组成，车队被要求在一年的时间内，严格遵守组委会所制定并颁布的最新比赛技术规则，自主完成设计、加工、组装、测试。调教等任务，制造一台用来参赛的赛车。为了使各参赛车队充分的发挥设计的灵活性，以表达创造力和想象力，赛事除了必要技术、安全标准外，对车辆的整体设计没有太多的限制，避免了参赛车辆的高度相似，各参赛车队有着充分的发挥空间。中国大学生方程式大赛一般安排在每年的十月中旬，在位于湖北襄阳的梦想方程式赛车场举办。比赛日比赛项目分为静态项目和动态项目两大部分，项目具体内容如表1.1所示1。除此之外，各参赛车队需要按照组委会的规定，在相应的时间节点提交如：设计报告、商业逻辑方案、成本报告、前端缓冲结构数据、和赛车基本信息等相关文件，未安规定时间提交或未安要求提交的车队会面临罚分甚至取消比赛资格的处罚。表 1.1 中国大学生方程式汽车大赛项目内容及分值静态项目营销报告75赛车设计150成本与制造分析100动态项目直线加速测试758 字绕环测试50高速避障测试150耐久测试300效率测试100总分1,000在比赛日，各车队面临的第一个考验是技术检查。通过裁判的技术检查是赛车驶上赛道参加动态项目的前提条件。技术检查项目繁杂主要包括：机械结构检查、侧倾台检查、制动测试、电气检查四大部分，以保证各车队所制赛车是严格按照组委会规则制造，以保证比赛的公平性与车辆的安全性。（图1.1为赛车车检）图 1.1 赛车车检营销报告是要求车队将自己假定为赛车制造公司，向投资方（即裁判）展示自己的赛车，并说服投资方进行投资。缘于比赛规则的开放性和各个车队的逐年比赛的技术积累，各参赛车队的赛车设计也各有亮点，所以在赛车设计这个环节，各车队参与答辩的队员被要求充分向裁判展示赛车设计的亮点与设计理念，以及应用的新技术与材料，运用了哪些软件分析来辅助赛车设计，并且对裁判所针对的细节问题进行解答。成本与制造分析需要参赛队按照标准化的成本计算方式，对照组委会所发布的标准零件价格表来核算赛车的制造成本，要求不遗漏任何一个微小部件，不丢掉任何一道工序，做到详实精准，并在答辩时按照裁判所给出的“案例分析”场景，回答相关问题。动态项目是大赛的重头戏，也是赛车性能的舞台。直线加速考验了车辆的动力性、轻量化及轮胎型号的选择；8字绕环检测了赛车的转向系统、悬架系统、以及车手的能力；高速避障综合评价了赛车的机动性和操纵性，综合了加速、制动、高速过弯等多种工况，只有通过了高速避障项目才能参加耐久测试；耐久测试是对车辆及整个车队的考验，约10公里的长赛程需两名车手完成，比赛工况复杂，对车辆耐久性、可靠性、车手技术及车队的团队都是一次考验，诸多车队在此项目中失利，以至于无法完赛；效率测试反映了赛车的节油能力，与耐久赛同步进行。大学生方程式大赛所涉及的关乎车辆设计、制造、测试、调教、销售等整个汽车产业链的方方面面，是一次对学生能力的综合比拼。随着比赛的发展，比赛规模的扩大，越老越多非车辆、机械相关专业的学生加入，在使赛事蓬勃发展的同时，也为他们创造了一个巨大的学以致用的平台，为社会各行各业培养了大量优秀的人才。1.2 国内、外大学生方程式汽车大赛转向系统研究现状国外对赛车转向系统动力学方面的研究开始较早,1995年,美国人Douglas L.Milliken编写的赛车车辆动力学2着重分析了轮胎在转向系统中的作用。日本作家鸡田幸夫2012年编著汽车设计制造指南3,以日本大学生方程式大赛参赛车辆为例,对赛车的设计制造流程进行了指导，并提出了对车辆性能的诸多检验方法，被日本各车队广为参考，并对中国各大学车队赛车设计有深远影响。国内对于FSAE赛车转向系统的研究则是最近几年随着比赛才兴起，也逐渐的形成了自己的理论及设计体系，例如，北京航空航天大学于2016年编写并发售的大学生方程式赛车设计4就是国内第一本基于中国大学生方程式汽车大赛赛车的整体技术开发及流程的指导性书籍，以中国赛的实际情况出发，对赛车各方面的基础知识进行了讲解与指导。1.3 历年中北大学行知车队及车队赛车转向系统发展1.3.1 2013赛季2013年，中北大学行知车队仍在参加Honda中国节能车竞技大赛，但已有意向参加中国大学生方程式汽车大赛，并整合资源与人员试制了山西省高校第一辆大学生方程式赛车，如图（1.2）。图 1.2 行知车队试制样车1.3.2 2014赛季经过队员一年的构思、设计、加工、组装、调试，梦想“1.0”终赴襄阳梦想赛车场参加2014年中国大学生方程式汽车大赛（图1.3）。并在成本报告中取得了第四名的成绩。作为第一次参赛的队伍，虽然没有完赛，但是在赛场和其他车队的交流过程中，学到了很多先进的，设计、制造、加工经验，为下个赛季的赛车设计提供了指导。图 1.3 行知车队梦想“1.0”赛车1.3.3 2015赛季有了上一赛季的设计、制造、参赛经验，梦想“2.0”作为第二代方程式赛车（图1.4），采用重新标定的JH600发动机，双叉臂独立悬架、气动换挡技术，并通过轻量化设计，较往年整体减重68kg，成本报告取得了第五名的成绩。这一赛季的转向系统采用了是成品转向机，虽然进行了改装但还是与设计有很大偏差，而且在装配过程中，装配方式的不合理，使得转向轴不同轴，从而在使用过程中出现了转向过重，转向梯形在使用中出现死点、转向节臂与立柱螺栓连接防松处理不合理导致节臂松脱等影响正常操纵的严重问题。图 1.4 行知车队梦想“2.0”赛车1.3.4 2016赛季梦想“3.0”（图1.5）仍采用JH600单缸发动机作为赛车动力系统，车队第一次使用全替代ECU（Haltech）等大赛主流技术，在设计、制造、调试过程中仔细论证、实验，首次在襄阳梦想赛车场完赛，是车队发展历程中重要的转折点。本次赛车第一次使用了自制的转向机，虽与强队还有一定的技术差距，但效果明显，自制转向机的可靠性得到了实战的检验。转向过重、转向机构死点、节臂松脱问题得到了解决，但也暴露了轻量化设计不到位、转向机固定方式不合理、转向空行程过大、双联万向节倾覆、夹具不合理导致焊接变形等问题。图 1.5 行知车队梦想“3.0”赛车1.4 本毕业设计各章内容及意义本毕业设计课题基于中北大学行知车队2017赛季赛车“梦想4.0”，完成对新赛季赛车的转向系统设计，对转向系统各部件进行优化，拉近与国内强队之间的技术及设计理念的差距。具体内容如下：第1章 介绍了中国大学生方程式汽车大赛的具体情况，阐述了国内、外赛车转向系统的现状，展示了中北大学行知车队从参赛以来，车队及赛车转向系统的发展，并阐述了本课题背景。第2章 介绍了大学生方程式赛车转向系统的构成，对比了赛车转向系统与乘用车、商用车转向系统的差异，并制定了新赛车转向系统的设计目标。第3章 确定了本设计所用转向机类型；通过对赛道的分析对确定了转向系统主要性能参数；通过计算得到了齿条行程、梯形臂长度的初选值，并进行了转向系载荷初步校核；讨论了主销定位参数和前轮轮胎定位参数对转向系统的影响，并确定了具体数值。第4章 确定转向梯形结构方案；确定转向梯形的布置形式；建立考虑轮胎侧偏角时的内外侧车轮转角关系；引入阿克曼校正系数，并利用MATLAB进行优化获得还有阿克曼校正系数的目标关系；建立杆系结构确定的转角关系；利用三心定理确定断开点；通过MATLAB编程进行梯形参数优化，对梯形相关参数进行确定。第5章 使用ADAMS/Car并进行前悬的动力学仿真实验，分析主销及前轮定位参数的变化，判断转向系统各参数是否设置合理。第6章 利用CATIA进行转向系统相关部件建模，如方向盘、转向机齿轮齿条、转向机壳体、轮芯立柱等，并利用ANSYS对关键受载荷部件进行力学分析，在保证可靠性的前提下实现轻量化设计。第7章 对2016赛季进行总结。第8章 对本文进行了全面总结，提出了本设计未来的改进方向。本课题意义：以中北大学行知车队“梦想4.0”为研究对象，在基于往年赛车转向系统的基础上进行改进设计，应用软件进行仿真实验，以保证转向系统设计的合理性与可靠性。并为以后的赛车转向系统设计提供参考，其次使新入队队员尽快能对转向系统设计方法及流程有较为全面的认知。第 67 页 共 67 页2 大学生方程式赛车转向系统概述转向系统是汽车底盘构造四大系统之一，是汽车底盘构造中不可或缺的一部分。汽车转向系统的功用是保证汽车能够按驾驶员的意志改变或恢复行使方向。5驾驶员对车辆的控制绝大部分是通过转向系统来实现的，车辆的性能表现受到其性能的直接影响。本章着重介绍大学生方程式赛车转向系统的构成和其与乘用车、商用车转向系统的不同，并根据中国大学生方程式汽车大赛规则确定转向系统的设计要求。2.1 赛车转向系统的构成转向系统的作用，通俗的说就是使转向轮在驾驶员的控制下偏转一定的角度，从而实现是车辆改变现有的行使方向。如图2.1所示，大学生方程式赛车转向系统从驾驶舱起一般有以下部分组成：方向盘、方向盘快拆器、转向柱、万向节（或其他变向连轴装置）、转向轴、转向机、转向横拉杆、转向梯形臂等，此外还包含转向柱吊装支架架、转向轴固定支架、转向机安装底板等周边固定部件。其中，驾驶员通过转向系统操作机构及方向盘、转向柱、万向节（或其他变向连轴装置）、转向轴将操纵力（旋转运动）传递到转向机，转向机将旋转运动通过内部机械结构转变为直线运动，通过推动或拉动转向横拉杆作用于固定于立柱上的转向节臂，从而使转向轮围绕主销轴线转动。图 2.1 赛车转向系统结构示意图2.2 赛车转向系统与乘、商用车的差异赛车转向系统在功能、机械结构方面和乗、商用车类似。但由于赛车的结构、行使条件、使用工况、规则限制等方面与乗、商用车有较大的区别，两相比较有以下几点不同：（1） 转向机布置形式。大学生方程式赛车定位是小型单人单座赛车，转向机需布置在整车中心线上，转向机直线运动需对称输出；根据我国的相关规定，乗、商用车都为左舵车，固转向机布置在整车中心线以左，转向机直线运动的输出也是不对称的。（2） 角传动比。大学生方程式汽车大赛赛道弯道多，弯道角度多变，车辆需在较高车速下快速进出弯道以及在出现转向过度和转向不足时快速修正车辆方向，需保证车手在不换手的情况下达到转向轮的最大偏角，这使得赛车的方向盘单侧转角要小于一般乘用车的540，更是远小于商用车，赛车方向盘一般最大单侧转角小于150。同时也使得一般赛车转向系统的角传动比在81以下，小于乘用车的121到201，更小于商用车的161到321。（3） 转向助力装置。乗、商用车为了使驾驶员操纵轻便，尤其是为了降低商用车驾驶员的工作强度，通常都加装转向助力装置。但出于对方程式赛车轻量化、内部布置空间、整备质量都在200kg左右以及助力装置设计难度等方面的考虑，通常不安装转向助力装置。（4） 转向系统自由行程。方程式赛车所参与的比赛属于竞技竞速项目，对转向的精准度有较高的要求，根据比赛规则，转向系统的自由行程不得超过 7 （在方向盘上测量）1。乘用车为了使驾驶员在操作时留有容错的余地以及避免在操作时精神的高度紧张，所以自由行程一般在15左右，商用车辆则更大。2.3 赛车转向系统的设计目标根据中国大赛规则及以往参赛经验，赛车转向系统设计目标及要求如下：（1）方向盘必须与前轮机械连接。不得采用线控、电控转向。（2）转向系统必须安装有效限位块，防止转向连杆机构结构反转，并防止转向轮及转向杆件在行使过程中与车辆其他部分如：车架、悬架等发生接触、干涉。（3）在方向盘上测得的自由行程不得超过7。（4）方向盘必须通过快拆器安装在转向柱上，必须保证车手在坐姿、佩戴手套时快速操作快拆器。（5）方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或椭圆。（6）方向盘在任何角度，其最高点不得高于赛车前环，与前环的距离不得超过250mm。（7）转向系统中的连接件必须通过机械连接，并采用规则允许的防松措施。（8）转向系统需在满足赛车使用需求，保证可靠性的前提下进行轻量化设计。2.4 本章小结本章介绍了大学生方程式赛车转向系统的构成，对比了赛车转向系统与乘用车、商用车转向系统的差异，并根据组委会规则和过往经验制定了新赛车转向系统的设计目标。3 大学生方程式赛车转向系统设计3.1 转向机结构及选型3.1.1 转向机结构分类及优缺点如前文所述，根据大赛组委会发布的大赛规则，大学生方程式赛车不允许使用线控及电动转向，车内布置空间有限不适合使用转向助力装置，有轻量化设计目标，有较为严格的成本控制，所以赛车转向系统中的转向机只能选择传统机械转向机。常见转向机根据传动副的区别分为以下几类5：（1） 齿轮齿条式转向机齿轮齿条式转向机（图3.1）中通过齿轮齿条的压紧啮合，将转向齿轮轴的旋转运动转变为转向齿条的直线运动。优点：结构简单动作可靠，体积小，易于设计，加工简单；材料选择多样，易于通过材料选择实现轻量化；齿轮齿条传动效率高；调隙方式简单可靠。缺点：逆效率高。在车辆颠簸时，传递到方向盘的冲击较大。图 3.1 齿轮齿条转向机内部结构示意（2） 循环球式转向机循环球式转向机（图3.2）是目前国内外中大型汽车上较为流行的转向机结构形式。通过螺杆-螺母、齿条-齿扇两级传动副，螺杆转动时转向螺母轴向移动，驱动齿扇转动。优点：安全性、可靠性好；传动效率较高；通过改变齿扇的工作半径可以实现可变传动比。缺点：逆效率较高；结构复杂，精度要求高不利于设计及加工。图 3.2 循环球转向机内部结构示意（3） 螺杆曲柄指销式转向机螺杆曲柄指销式转向机（图3.3），转向蜗杆转动，与之啮合的指销其轴线转动。优点：结构简单；效率高；寿命长；易于实现变传动比。缺点：单指销式在指销角度过大时，指销与蜗杆脱离，失去转向功能；双指销式结构复杂，质量与尺寸较大，制造精度要求高。图 3.3 螺杆曲柄指销式转向机内部结构示意3.1.2 转向机方案选型根据规则及需求，赛车转向机需满足以下条件：（1） 鼓励自制。组委会对各车队赛车的所有部件都鼓励自制，自制转向机需便于设计，加工方便。（2） 轻量化。作为赛车的一部分，转向机也需要实现轻量化设计，使用铝合金材质，甚至碳纤维，来实现轻量化。（3） 成本要求。车队在设计制作赛车时需要控制成本，在保证设计需求的前提下，选择成本较为低廉的方案。（4） 驾驶舱空间。规则要求如图3.4的检测板放入驾驶舱来检测内部空间尺寸，这就要求布置在驾驶舱中的转向机不能侵占过多驾驶舱空间。图 3.4 驾驶舱内部空间检测板综上考虑，对照各类转向机特点及赛车设计需求，选择结构原理简单，易于设计加工的齿轮齿条式转向机。齿轮齿条转向机体积小，可以通过使用铝合金或碳纤维等材质来实现轻量化，虽然逆效率高，驾驶舒适性差，但是车手经过训练可以适应其较大的反馈力度。3.2 转向系统主要性能参数设计3.2.1 外侧车轮最大偏转角度目前，中国大学生方程式汽车大赛的举办地为襄阳市政府投入专项资金建立的襄阳梦想方程式赛道。赛道特为大学生方程式汽车大赛建设，为了提高比赛安全性，限制比赛中赛车的行使速度，考验赛车操纵稳定性及提高比赛观赏性，赛道设立了较多弯道，其中发夹弯弯道最小外径为9米，直线道路上用交通锥标摆出的蛇形弯道最小距离为9米，且弯道最小宽度为4.5米，这需要赛车有足够小的转弯半径来通过弯道。结合过往的参赛经验及赛道的情况，考虑到在比赛中可能出现的转向不足的状况，所以拟定赛车的最小转向半径为4.0米。图3.5为襄阳梦想方程式赛场大学生方程式赛道图。图 3.5 襄阳梦想方程式赛场大学生方程式赛道图最小转向半径是指赛车在方向盘满舵，即转向轮偏转角度最大，进行极低速转向时，前轮外侧的接地中心所描绘的轨迹的半径为最小转向半径3。车身的最外侧轨迹半径轨迹称为实际外侧最小转向半径，最内侧轨迹半径称为实际内侧转向半径。如图3.6所示。图 3.6 最小转向半径的定义在以极低速转向时，在阿克曼转向几何学中为了使各个轮胎与地面为纯滚动，转向轴的内侧轮的转向角要大于外侧车轮。图3.7为阿克曼转向几何学图 3.7 阿克曼转向几何学两转向轮转角用公式来表示（3.1）式中，为前轮外侧转向角，；为前轮内侧转向角，；为轴距，；为轮距，。由于车辆在实际设计中需要考虑各方面的因素，使得车辆在实际行驶是不完全按照阿克曼转向几何学，如图3.8，左右轮转向中心不再是图3.7中所示的点。图 3.8 最小转向半径计算因此，最小转向半径可用内、外轮的平均值来计算，如下式（3.2）对于大学生方程赛车，以较高车速转向时由于轴荷转移等原因外侧车轮对最小转向半径影响远大于内侧，所以在考虑主销偏置距的情况下可得下式（3.3）式中，为主销偏置距，。由上式可得外侧车轮转向角度（3.4）根据赛车参数，轴距1545，最小转向半径3500，主销偏置距22，代入上式可得（3.5）取，确定赛车外侧车轮最大转向角度为263.2.2 转向系统角传动比在汽车设计6中，规定汽车的转向系角传动比的值为方向盘角速度与同侧转向轮偏转角速度之比。即（3.6）式中，为方向盘角增量，为转向轮角增量，为时间增量；下文等同。角传动比对车辆的操纵性有较大的影响。乗、商用车在以较高车速行驶时，较小的转向比可使车辆在紧急并线等特殊行驶情况下有足够的转向灵敏度，而较大的转向比则可降低车辆转向的灵敏度，在长途驾驶时避免驾驶员精力过于集中而造成疲劳，因此现代乗、商用汽车都普遍采用助力转向系统或者变传动比转向系统来均衡这对矛盾。对于大学生方程式赛车，由于布置空间、设计、制作和成本的限制，比赛时赛道弯多且车速较快，车辆需快速修正车辆方向，留给车手的反应和操作时间短，需使车手在双手不离开方向盘的情况下完成一系列操作。这使得赛车的方向盘单侧最大转角要小于150，而不可以如同乘用车采用540以及更大的方向盘单侧转角。这也使得赛车的转向系角传动比在81以下，而不能像乗用车一般采用121到201的转向系角传动比。由于较小转向系角传动比造成的方向盘手力较大的情况，可以通过加强对车手的体能及驾驶技术来进行弥补。综合上文讨论及上个赛季31的转向系角传动比设计和车手的实际驾驶反馈，本文设计的2017赛季赛车转向系角传动比确定为41。即外侧车轮到达设计最大转角26时，方向盘转角为104，车手不需要换手就可以完成车辆的转弯动作，较上个赛季的设计还减小了一定的转向手力。 3.2.3 转向系统转矩传动比转向系统转矩传动比计算公式为（3.7）式中，为转向系统转矩传功比；为转向时转向轴线上的转矩；为车手对方向盘施加的转矩。由于、这两对转矩在现实中不易测得，所以转矩传动比一般由下式计算而得（3.8）式中，为转向系角传动比；为转向机传动效率；为转向系传动机构传动效率。由前文可知，本次设计转向系角传动比为41，转向机为出轮齿条式转向机，传动副为齿轮齿条，传动效率较高在94%到98%之间，考虑加工精度及齿轮齿条运动时与调隙机构等部件的摩擦损耗，取值94%，转向系传动机构有一个十字轴万向节与转向横拉杆系组成，考虑万向节因两轴夹角造成的效率损失，转向横拉杆与转向机的压力角接近180，梯形底角介于100到120之间，取转向系传动机构效率为85%，代入式3.8计算得转向系角传动比为（3.9）3.3 转向系统计算参数设计3.3.1 齿轮齿条参数及齿条行程乗、商用车采用的齿轮齿条式转向机，多数使用斜齿圆柱齿轮，来提高齿轮齿条的啮合程度，来使传动更加平稳，但由于斜齿齿轮齿条在传动时会产生使齿条旋转的轴向力，为防止因齿条旋转使齿轮齿条无法正确啮合从而对齿轮齿条造成损坏的情况，乗、商用车转向机齿条一般采用V形和Y形断面设计，并在转向机壳体上设计相应的导向槽，如图3.9和图3.10。图 3.9 V形断面齿条及导向槽图 3.10 Y形断面齿条及导向槽对于大学生方程式赛车，如果采用如同乗、商用车的这种V形Y形断面斜齿条，并在转向机壳体上设计加工导向槽，会使制作加工难度和成本急剧上升，并且不利于转向机部件的轻量化。为了避免这些问题，赛车转向机一般采用半圆断面的直齿齿轮齿条。传统乘用车齿轮模数取多在2到3之间6，重载商用车则更大，而大学生方程式赛车总质量一般都在250kg以下，所以可采用较小的齿轮模数。根据过往经验，取齿轮模数1.5，齿数选择20，压力角选择20，齿轮螺旋角选择0即直齿轮。忽略万向节所造成的不等速现象，这时方向盘转过的角度就是齿轮所转过的角度，即前文中方向盘单侧最大转角104。当齿轮齿条正常啮合时，单侧齿条行程即为齿轮单侧最大转动的弧长，根据下式可计算单侧齿条行程（3.10）式中，为单侧齿条行程，；为方向盘单侧最大转角，；为直齿轮模数，；为直齿轮齿数；下文等同。代入数据计算得（3.11）为使转向系统在后期有一定的调整余量，取齿条单侧设计行程为30，则此时初选的齿条的设计总行程为60。正确合理的设计齿条行程保证转向系传动比至关重要的一环。3.3.2 转向梯形梯形臂长度当方向盘达到最大角度104时，齿条也达到了最大单侧行程位置，这时外侧转向车轮应该处于转角最大位置，即26。在不考虑转向系统中其他杆件之间压力角的情况下，可根据下式，利用单侧齿条最大行程和外侧车轮最大转角来粗略计算梯形臂长度（3.12）式中，为梯形臂长度，；下同。将相关数据代入，计算得梯形节臂长度的初选值为68。3.3.3 转向系相关计算载荷确定转向机构中各个零件需要有足够的强度来保证车辆的行驶安全。要来验证零件的强度，首先得知道零件需要承受的力。影响这个力的因素有很多，例如：转向轴的载荷、胎压、轮胎种类、行驶路面条件等等。转动转向轮时，还需要克服转向机构间的摩擦阻力、由轮胎变形带来的阻力、转向轮由于主销倾角的存在而造成绕主销转动时的阻力等等。（1）原地转向阻力矩由于受到的影响条件过多，以及各种转向系统细微结构的差别，无法建立准确的理论及数学模型来进行精确的计算，只能通过用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩6。通常，原地转动转向轮时，需要的力最大，因此可以用此时相关的计算数值用来作为转向系统的校核标准。原地转向阻力矩半经验公式如下（3.13）式中，为原地转向阻力矩，；为轮胎与路面的滑动摩擦因数，一般取0.7；为转向轴载荷，；为转向轮胎压，。（2）方向盘上的最大手力方向盘上的手力是在原地转向时，车手需要在方向盘上所施加的力，最直观的反应了转向的便利性，过大会极大的消耗车手体能，不利于长时间驾驶。方向盘手力计算公式如下（3.14）式中，为方向盘上的手力，；为转向摇臂长，；为转向节臂长，；为方向盘直径，；为转向系统角传动比；为转向系统正效率；下同。由于在本设计中，赛车转向系没有转向摇臂，所以使用以下简化公式来计算方向盘上的手力（3.15）（3） 转向机最大输出力转向机输出力是指经过转向机内部机构传动后，将车手通过方向盘输入的转矩以直线运动输出时，齿条作用在转向横拉杆上的力。当转向机输出力最大时，对主销所产生的力矩需大于原地转向阻力矩转向机输出力的计算公式如下（3.16）式中，为转向机输出力，；为转向机中齿轮分度圆直径，。根据设计之初所规定的整车基本参数可知：赛车整备质量210kg；车手最大体重70kg；前后轴轴荷比4555；前轮轮胎气压0.14；方向盘直径270；梯形臂长度68。由此可计算得原地转向力矩（3.17）方向盘上的最大手力（3.18）在GB 17675-1999中规定：不带助力时转向力应小于2457。由此可知，设计满足国家标准。转向机最大输出力（3.19）通过以下公式可以计算转向机输出力作用在主销上的力矩（3.20）式中，为主销内倾角，取值4代入相关数据，计算得转向机输出力作用在主销上的力矩（3.21）可知在转向机最大输出力作用下，车辆可以实现原地转向。3.4 主销定位参数及前轮轮胎定位参数的确定车辆的前轮定位参数包括两大部分：主销定位参数和前轮轮胎定位参数。主销定位参数又可细分为主销后倾角和主销内倾角，前轮轮胎定位参数又可细分为前轮前束和前轮外倾角。3.4.1 主销定位参数在整体式转向桥上，主销就是转向时，车轮转动的实体轴，但在独立悬架出现后，主销不在单只车轮转动时的实体轴，其定义拓展到了由上下两个转向球铰中心连线定义的转向轴线，所以称其为主销轴线。图3.11为主销定位参数示意图。图 3.11 主销定位参数示意图随着汽车技术的进步，在现代汽车中主销轴线也不在与地面垂直，在图中所示的轮胎侧视图中，主销轴线与地面垂线之间的夹角称为主销倾角，图中所示主销倾角为正值；主销轴线与地面的交点与通过车轮中心地面垂线之间的距离称为主销后倾拖距。在图中所示的轮胎前视图中，主销轴线与地面出现之间的夹角称为主销内倾角，图中所示主销内倾角为正值；主销轴线与地面的交点与通过车轮中心地面垂线之间的距离称为主销偏置量，图中所示主销偏置量为负值；主销轴线与轮胎中心的垂直距离称为主销偏距，图中所示主销偏距为正值。主销后倾角的存在使得汽车在行驶中，会因轮胎的偏转就会产生一定的回正力矩，使得轮胎回正，提高了汽车在直线行驶中的稳定性。而在原地和极低速转向时，主销内倾角会导致车辆前部有小幅度抬起，从而通过重力作用产生回正力矩，使转向操纵轻便。3.4.2 前轮轮胎定位参数目前市面上的在售车辆中，前轮轮胎平面在安装时也非垂直于地面，而是存在一定的倾角。图3.12为前轮轮胎定位参数示意图。图 3.12 前轮轮胎定位参数示意图在前视图中，轮胎中心线与地面垂线之间的夹角称为前轮外倾角，图中所示的前轮外倾角为正值；在俯视图中，轮胎中心线与车辆的纵向中轴线之间的夹角为前轮前束角，图中所示的前轮前束角为正值。前轮外倾角的作用是使转向轻便，在载重时，可减少轮芯立柱中外轴承的磨损与轮毂螺栓的负载，更利于行驶安全。在竞速车辆上如大学生方程式赛车，如果车辆在静止时前轮是垂直于地面的，在高速过弯时，由于载荷转移会使车辆倾斜从而使车轮向弯外倾斜，是轮胎无法更好的贴合路面来获得转向所需的侧偏力。所以在各车队赛车都普遍采用负值的前轮前束角，以提高车辆转向灵敏性。由于前轮外倾角的存在，车辆在直线行驶时以负值前轮外倾角为例，轮胎靠近车体的一侧所受的载荷要大于另外一侧，从而使得轮胎磨损不均匀极大的减小了轮胎的使用寿命，并且有向内转向的趋势，这时前轮需要一个负值的前束，来抵消这种趋势，降低轮胎侧向偏移，减小轮胎磨损。通常外倾角和前束角同正同负。3.4.3 参数的确定在车队新赛季工作展开进行设计分工时，主销及前轮定位参数的设计交与了赛车悬架组设计，所以具体的设计计算方法及过程在本设计中就不在赘述。通过与本赛季悬架设计组沟通后，了解到主销后倾角拟定为+4、主销内倾角拟定为+4、前轮前束拟定为-1前轮外倾角拟定为-1.5。3.5 本章小结本章通过各类型转向机的优缺对比确定了转向机为齿轮齿条式转向机；通过对赛道的分析确定了赛车最小转向半径，通过计算确定了赛车转向时外侧车轮最大转动角度，在根据经验及实际情况确定转向系统角传动比后确定了方向盘单侧最大转角，并由此计算了转向系统转矩传动比；计算了转向机中齿轮参数，并计算得到了齿条行程、梯形臂长度的初选值，由此对转向系统中原地转向阻力矩、方向盘手力、转向机输出力进行了计算，并进行了初步校核；讨论了主销定位参数和前轮轮胎定位参数对转向系统的影响，并确定了具体数值。4 大学生方程式赛车转向梯形优化在传统整体式转向桥上，转向系统中的转向节臂、转向横拉杆、转向机等部件在车辆俯视图中呈现为梯形结构，遂称为转向梯形。转向梯形的作用的通过组成转向梯形各部分的传动机构，实现阿克曼转向几何学，使得车辆在转向时，转向车轴的内、外车轮转角满足设计需求，减小轮胎损耗，提高车辆的操纵稳定性。4.1 转向梯形结构方案 （1） 整体式转向梯形整体式转向梯形由整体式转向车桥轴、转向梯形臂和转向横拉杆组成，多用于转向车桥采用非独立悬架设计的乗、商用车。结构简单，维修方便，但由于使用了整体式车桥的非独立悬架，使得在行驶过程中如果一侧车轮受到颠簸会影响到另一侧车轮，从而对转向系统造成干扰。图4.1为整体式转向梯形示意图。图 4.1 整体式转向梯形示意图（2） 断开式转向梯形断开式转向梯形多用于转向车桥采用独立悬架设计的乗、商用车。对整体式转向梯形中的转向横拉杆进行断开设计，使得在一侧车轮跳动时，不会对另一侧车轮造成影响。断开式转向梯形相比整体式，布置更加方便，在驾驶过程中动态性能优异，但由于断开式的结构特点，使得转向桥结构复杂，调整困难。图4.2为断开式转向梯形示意图。图 4.2 断开式转向梯形示意图在大学生方程式赛车中，为降低车辆质心、减轻车辆整备质量以获得更好的动态响应更普遍采用非独立悬架设计。本车队在新赛季赛车的设计中，前悬架使用了双A臂独立悬架设计，为配合悬架设计，转向梯形需选用断开式设计。4.2 转向梯形布置形式转向梯形更根据转向梯形的布置不同可分两大类，在图4.3中，左图为后置转向梯形结构，右图为前置梯形结构。图 4.3 前、后置梯形结构示意图根据转向机相对与前轴的位置，转向梯形又可分为转向机前置和转向机后置。