FSAE汽车转向系统设计0512

1、成都学院学士学位论文（设计） 本科毕业设设计题 目 FSAAE汽车转转向系统设设计 学 院 工业制造造学院 专 业 车辆辆工程 学生姓名 樊睿睿 学 号 200101001151107 年年级 22010级级 指导教师 牛牛钊文 职称 讲师 2014年年4月299日成都学院学士学位论文（设计）FSAE汽汽车转向系系统设计专 业：车辆辆工程 学 号号：201101011151007学 生：樊睿睿 指导教师师：牛钊文文摘要：本设设计的题目目是FSAAE（大学学生方程式式汽车）汽汽车转向系统设计。根据赛事事主办方对对转向系统统的要求、结合所学学知识、综综合类似汽汽车转向系系统的特点点，设计出出该汽车

2、转转向系统。设计内容容主要包括括FSAEE汽车转向向器选型、设计和计计算，转向向操纵机构构设计，转转向传动机机构和转向向梯形的设设计。选择择合适的转转向器类型型，并设计计出满足转转向系统要要求的转向向器，保证证汽车转向向操作的轻轻便、并提提供很好的的操控。并并对相应的的操纵机构构和传动机机构进行设设计。并且且本设计在在考虑上述述要求和因因素的基础础上对相应应机构进行行优化设计计。从而实现转转向器结构构简单紧凑凑，轴向尺尺寸短，且且零件数目目少的优点点，从而保保证了汽车车转向的稳稳定性、灵敏性和操操作的轻便便性。在本本文中主要要进行了转转向器齿轮轮、齿条、拉杆杆和节臂的的校核，其其结果满足足FS

3、AEE汽车转向向系统强度度要求。本本文主要方方法和理论论采用汽车车设计等相相关资料，并并运用CAATIA进进行设计与与装配。关键词：FFSAE；转向系统；齿轮齿条条转向器；转向梯形形The SSteerring Systeem Desiggn off FSAAE Car Speccialtty：Veehiclle Enginneeriing SStudeent NNumbeer：200101001151107Studeent：FFan RRui SSuperrvisoor： NNiu ZZhaowwenAbstrract：Thiss dessign is eentittled FSAEE (F

4、oormulla SAAE ) raciing ssteerring systtem ddesiggn . Accoordinng too eveent oorgannizerrs, tthe ssteerring systtem rrequiiremeents, commbineed wiith tthe kknowlledgee, coompreehenssive raciing ssteerring systtem ssimillar ccharaacterristiics , thee carr steeerinng syystemm dessign . Deesignn eleeme

5、ntts inncludde FSSAE rracinng stteeriing sselecctionn, deesignn andd callculaationn , ssteerring mechhanissm deesignn , ssteerring rotaationn mecchaniism aand ssteerring trappezoiid deesignn. Seelectt thee appproprriatee typpe off steeerinng geear aand ssteerring systtems desiignedd to meett thee re

6、qquireementts off thee steeerinng geear tto ennsuree ligghtweeightt raccing steeeringg opeeratiions and provvide goodd conntroll . AAnd tto deesignn appproprriatee conntrolls annd rootatiing mmechaanismm . IIn coonsidderattion of tthe aabovee , aand tthe ddesiggn reequirremennts aand tthe ffactoors

7、oon thhe baasis of aapproopriaate iinstiitutiions to ooptimmize the desiign . In ordeer too achhievee steeerinng siimplee andd commpactt strructuure , shoort aaxiall dimmensiion , andd thee advvantaages of tthe ssmalll nummber of ppartss , tthus ensuuringg thee staabiliity oof thhe raacingg steeerin

8、ng , agillity and operratioonal porttabillity . Inn thiis paaper condducteed a checck off thee maiin stteeriing ggear, racck, ttie rrods and knucckle arm , thhe reesultt FSAAE caar stteeriing ssysteems mmeet the streengthh reqquireementts . In tthis papeer, tthe uuse oof caar deesignn metthodss andd

9、 theeoriees annd otther relaated infoormattion , annd thhe usse off CATTIA ffor ddesiggn annd asssembbly .Keywoords：FSAEE; Steeerinng Syystemm; Racck annd piinionn steeerinng; Steeerinng trrapezzoid III I目 录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387750591 绪论 PAGEREF _Toc387750591 h 1 HYPERLINK l _Toc387750

10、592 1 汽车车转向系统统总述 PAGEREF _Toc387750592 h 2 HYPERLINK l _Toc387750593 1.1 汽车转向向系统概述述 PAGEREF _Toc387750593 h 2 HYPERLINK l _Toc387750594 1.2 转向系统统类型与发发展趋势 PAGEREF _Toc387750594 h 2 HYPERLINK l _Toc387750595 1.3 FSAEE汽车转向向系统的要要求 PAGEREF _Toc387750595 h 3 HYPERLINK l _Toc387750596 2 转向向系主要性性能参数 PAGEREF

11、 _Toc387750596 h 5 HYPERLINK l _Toc387750597 2.1 转向系的的效率 PAGEREF _Toc387750597 h 5 HYPERLINK l _Toc387750598 2.1.11 转向向器的正效效率 PAGEREF _Toc387750598 h 5 HYPERLINK l _Toc387750599 2.1.22 转向向器的逆效效率 PAGEREF _Toc387750599 h 6 HYPERLINK l _Toc387750600 2.2 传动比变变化特性 PAGEREF _Toc387750600 h 7 HYPERLINK l _T

12、oc387750601 2.2.11 转向向系传动比比 PAGEREF _Toc387750601 h 7 HYPERLINK l _Toc387750602 2.2.22 力传传动比与转转向系角传传动比的关关系 PAGEREF _Toc387750602 h 7 HYPERLINK l _Toc387750603 2.2.33 转向向器角传动动比的选择择 PAGEREF _Toc387750603 h 8 HYPERLINK l _Toc387750604 2.3 转向器传传动副的传传动间隙 PAGEREF _Toc387750604 h 9 HYPERLINK l _Toc38775060

13、5 2.4 转向盘的的总转动圈圈数 PAGEREF _Toc387750605 h 9 HYPERLINK l _Tocc38777506006 3 FSAAE汽车转转向系统总总体机构设设计 PAGEREF _Toc387750606 h 10 HYPERLINK l _Toc387750607 3.1 参考数据据的确定 PAGEREF _Toc387750607 h 10 HYPERLINK l _Toc387750608 3.2 转向系统统类型选择择 PAGEREF _Toc387750608 h 10 HYPERLINK l _Toc38777506009 3.2.1 机机械转向系系 P

14、AGEREF _Toc387750609 h 10 HYPERLINK l _Toc387750610 3.2.22 动力力转向系 PAGEREF _Toc387750610 h 11 HYPERLINK l _Toc387750611 3.3 转向器类类型选择 PAGEREF _Toc387750611 h 13 HYPERLINK l _Toc387750612 3.3.11 齿轮轮齿条转向向器 PAGEREF _Toc387750612 h 13 HYPERLINK l _Toc387750613 3.3.22 循环环球式转向向器 PAGEREF _Toc387750613 h 13 H

15、YPERLINK l _Toc387750614 3.3.33 蜗杆杆滚轮式转转向器 PAGEREF _Toc387750614 h 14 HYPERLINK l _Toc387750615 3.3.44 蜗杆杆指销式转转向器 PAGEREF _Toc387750615 h 15 HYPERLINK l _Toc387750616 3.4 转向轮侧侧偏角计算算 PAGEREF _Toc387750616 h 15 HYPERLINK l _Toc387750617 4 转向向器设计 PAGEREF _Toc387750617 h 17 HYPERLINK l _Toc387750618 4.1

16、 齿轮齿条条式转向器器的结构 PAGEREF _Toc387750618 h 17 HYPERLINK l _Toc387750619 4.2 齿轮齿条条式转向器器形式 PAGEREF _Toc387750619 h 17 HYPERLINK l _Toc387750620 4.3 齿轮齿条条式转向器器的布置形形式 PAGEREF _Toc387750620 h 18 HYPERLINK l _Toc387750621 4.4 齿轮齿条条啮合传动动的特点 PAGEREF _Toc387750621 h 19 HYPERLINK l _Toc387750622 4.5 转向器参参数选取 PAGE

17、REF _Toc387750622 h 21 HYPERLINK l _Toc387750623 4.6 选择齿轮轮齿条材料料 PAGEREF _Toc387750623 h 25 HYPERLINK l _Toc387750624 4.7 齿轮的强强度计算 PAGEREF _Toc387750624 h 25 HYPERLINK l _Toc387750625 4.7.11 齿轮轮齿条传动动的载荷计计算 PAGEREF _Toc387750625 h 25 HYPERLINK l _Toc387750626 4.7.22 齿轮轮的受力分分析 PAGEREF _Toc387750626 h 2

18、6 HYPERLINK l _Toc387750627 4.7.33 齿面面接触强度度计算 PAGEREF _Toc387750627 h 27 HYPERLINK l _Toc387750628 4.7.44 齿根根弯曲强度度计算 PAGEREF _Toc387750628 h 29 HYPERLINK l _Toc387750629 4.8 齿条的强强度计算 PAGEREF _Toc387750629 h 30 HYPERLINK l _Toc387750630 4.8.11 齿条条的受力分分析 PAGEREF _Toc387750630 h 30 HYPERLINK l _Toc3877

19、50631 4.8.22 齿条条杆部受拉拉压的强度度计算 PAGEREF _Toc387750631 h 31 HYPERLINK l _Toc387750632 4.9 齿轮轴的的结构设计计 PAGEREF _Toc387750632 h 32 HYPERLINK l _Toc387750633 4.10 轴承的的选择 PAGEREF _Toc387750633 h 32 HYPERLINK l _Toc38777506334 4.111 转向向器的润滑滑方式和密密封类型的的选择 PAGEREF _Toc387750634 h 32 HYPERLINK l _Toc387750635 5 转

20、向向操纵与传传动机构设设计 PAGEREF _Toc387750635 h 33 HYPERLINK l _Toc387750636 5.1 方向盘设设计 PAGEREF _Toc387750636 h 33 HYPERLINK l _Toc387750637 5.1.1 FFSAE汽汽车方向盘盘设计要求求： PAGEREF _Toc387750637 h 33 HYPERLINK l _Toc387750638 5.1.22 结构构形式 PAGEREF _Toc387750638 h 33 HYPERLINK l _Toc387750639 5.2 转向轴设设计 PAGEREF _Toc38

21、7750639 h 34 HYPERLINK l _Toc387750640 5.3 转向管柱柱设计 PAGEREF _Toc387750640 h 36 HYPERLINK l _Toc387750641 5.4 转向节设设计 PAGEREF _Toc387750641 h 36 HYPERLINK l _Toc387750642 5.5 转向横拉拉杆与球头头销 PAGEREF _Toc387750642 h 37 HYPERLINK l _Toc387750643 6 转向向梯形机构构优化 PAGEREF _Toc387750643 h 38 HYPERLINK l _Toc3877506

22、44 6.1 转向梯形形机构概述述 PAGEREF _Toc387750644 h 38 HYPERLINK l _Toc387750645 6.2 整体式转转向梯形结结构方案分分析 PAGEREF _Toc387750645 h 38 HYPERLINK l _Toc387750646 6.3 整体式转转向梯形机机构优化分分析 PAGEREF _Toc387750646 h 39 HYPERLINK l _Toc387750647 6.4 整体式转转向梯形机机构优化设设计 PAGEREF _Toc387750647 h 42 HYPERLINK l _Toc387750648 6.4.11

23、优化化方法介绍绍 PAGEREF _Toc387750648 h 42 HYPERLINK l _Toc387750649 6.4.22 优化化设计计算算 PAGEREF _Toc387750649 h 43 HYPERLINK l _Toc387750650 7 结论论 PAGEREF _Toc387750650 h 45 HYPERLINK l _Toc387750651 参考文献 PAGEREF _Toc387750651 h 47 HYPERLINK l _Toc387750652 致谢 PAGEREF _Toc387750652 h 488成都学院学士学位论文（设计） 绪论 中国大学

24、生生方程式汽汽车大赛（以以下简称FSAEE）是中中国汽车工工程学会及及其合作会会员单位，在在学习和总总结美、日日、德等国国家相关经经验的基础础上，结合合中国国情情，精心打打造的一项项全新赛事事。FSAE活活动由各高高等院校汽汽车工程或或与汽车相相关专业的的在校学生生组队参加加。FSAAE要求各各参赛队按按照赛事规规则和汽车车制造标准准，自行设设计和制造造方程式类类型的小型型单人座休休闲汽车，并并携该车参参加全部或或部分赛事事环节。比比赛过程中中，参赛队队不仅要阐阐述设计理理念，还要要由评审裁裁判对该车车进行若干干项性能测测试项目。在比赛过程程中，参赛赛队员能充充分将所学学的理论知知识运用于于实

25、践中。同时，还还学习到组组织管理、市场营销销、物流运运输、 HYPERLINK /view/858616.htm 汽车车运动等多多方面知识识，培养了了良好的人人际沟通能能力和 HYPERLINK /view/1004561.htm 团队队合作精神神，成为符符合社会需需求的全面面人才。目前，中国国汽车工业业已处于大大国地位，但但还不是强强国。从制制造业大国国迈向产业业强国已成成为中国汽汽车人的首首要目标，而而人才的培培养是实现现产业强国国目标的基基础保障之之一。大学生方程程式汽车活活动将以院院校为单位位组织学生生参与，赛赛事组织的的目的主要要有：一是重点培培养学生的的设计、制制造能力、成本控制制

26、能力和团团队沟通协协作能力，使使学生能够够尽快适应应企业需求求，为企业业挑选优秀秀适用人才才提供平台台；二是通过活活动创造学学术竞争氛氛围，为院院校间提供供交流平台台，进而推推动学科建建设的提升升；大赛在提高高和检验汽汽车行业院院校学生的的综合素质质，为汽车车工业健康康、快速和和可持续发发展积蓄人人才,增进进产、学、研三方的的交流与互互动合作等等方面具有有十分广泛泛的意义。毫无疑问，对对于对汽车车的了解仅仅限于书本本和个人驾驾乘体验的的大学生而而言，组成成一个团队队设计一辆辆纯粹而高高性能的汽汽车并将它它制造出来来，是一段段极具挑战战，同时也也受益颇丰丰的过程。本次100级车辆工工程的毕业业设

27、计一部部分同学的的设计便是是与FSAAE汽车相相关的各系系统的设计计，本文则则主要研究究设计FSSAE汽车车转向系统统的设计。1 汽车车转向系统统总述1.1 汽车转向向系统概述述转向系统是是用来保持持或者改变变汽车行驶驶方向的机机构，在汽汽车转向行行驶时，保保证各转向向轮之间有有协调的转转角关系。在转向技技术方面汽汽车和普通通汽车一样，只只是由于汽汽车的速度快，对对转向性的的灵敏度要要求高，要要求响应要要足够快。但该汽车的转向向系统和通通常汽车在转向向原理，转转向要求和和转向效果果上都是基基本相通的的。转向系统是是汽车底盘的的重要组成成部分，转转向系统性性能的好坏坏直接影响响到汽车行驶的的安全

28、性、操纵稳定定性和驾驶驶舒适性，它它对于确保保车辆的行行驶安全、减少交通通事故以及及保护驾驶驶员的人身身安全、改改善驾驶员员的工作条条件起着重重要作用。1.2 转向系统统类型与发发展趋势汽车转向系系统的发展展经历了33个基本阶阶段，分别别为纯机械械式转向系系统、液压压助力转向向系统和电电动助力转转向系统，而而线控转向向系统成为为其发展趋趋势。纯机械式转转向系统机械式的转转向系统， 由于产生生转动所需需要的转矩矩完全由机机械力来提提供， 所所以为施加加足够的转转矩而不得得不适用大大直径的方方向盘，因因此占用了了很大的驾驾驶空间而而使转向系系统显得很很 笨拙，而而且驾驶人人员操作起起来也比较较吃力

29、，故故适用范围围有很大局局限性。但但是由于其其结构 简简单、造价价低廉、故故障率低，目目前在一部部分转向操操纵力不大大、对操控控性能要求求不高的微微型轿车、农用机械械上仍有使使用。2、液压助助力转向系系统液压助力转转向系统首首次使用于于19533年通用汽汽车公司。上世纪880年代后后期，液压压助力转向向系得到进进一步优化化，出现了了变流量泵泵液压动力力转向系统统(Varriablle Diisplaace- mentt Powwer SSteerring Pumpp) 和电电动液压助助力转向系系统(Ellectrric HHydraaulicc Powwer SSteerring，简简称 EH

30、HPS)。变流量泵泵助力转向向系统的工工作原理是是在汽车处处于不需要要转向或者者比较高的的行驶速度度的情况下下，泵的流流量将会相相应地减少少，有利于于减少不必必要的功耗耗。电动液液压转向系系统的转向向泵由电动动机驱动，与与直接由发发动机驱动动转向泵相相比，电机机的转速可可调，也可可以随时关关闭，所以以也能够起起到降低功功耗的功效效。液压助助力转向系系统降低了了转向盘操操纵力，方方向盘的直直径可以做做的较小，大大大减少了了方向盘所所占用的驾驾驶室空间间，同时也也使转向系系统变得更更加灵敏。由于液压压助力转向向系统技术术已经很成成熟、能提提供大的转转向操纵助助力，目前前在大部分分商用车、部分乘用用

31、车，特别别是重型车车辆上应用用广泛。但但是，液压压助力转向向系统在系系统安装、密封性、布置、操操纵灵敏度度、磨损能能量、噪声声与消耗等等方面存在在一定不足足。 汽车电动助助力转向系系统(EPPS)EPS由日日本铃木公公司在 11988 年首次开开发出来，此此后，电动动助力转向向技术得到到迅速发展展，其应用用范围已经经从微型轿轿车向大型型轿车和客客车方向发发展。电动动助力转向向系统由转转矩传感器器、车速传传感器、电电子控制器器、电动机机、电磁离离合器和减减速机构等等组成，汽汽车处于起起动或者低低速行驶状状态操作转转向时， 转矩传感感器通过不不断检测驾驾驶者作用用于转向柱柱上的扭矩矩，并将车车速信

32、号与与此信号同同时输入EECU，EECU对输输入的信号号进行处理理运算，确确定助力扭扭矩输出的的大小与方方向，从而而控制电动动机的电流流与转向，电电动机将转转矩传递给给转向操作作机构中的的横拉杆。最终，起起到为驾驶驶人员提供供辅助转向向力的功效效，当车速速达到一定定的临界车车速时或出出现故障时时，为保证证汽车高速速时具有良良好操控稳稳定性，EEPS 系系统将退出出助力工作作模式，电电动机将停停止工作，转转向系统切切换到机械械转向系统统。当然，不不转向的情情况下，电电动机就不不工作。汽车线控转转向系统线控转向系系统由方向向盘模块、转向执行行模块和主主控制器 3个主要要部分以及及自动防故故障系统、

33、电源等辅辅助模块组组成。它是是一种全新新概念的转转向系统，由由于其取消消了方向盘盘与转向车车轮间的机机械连接，通通过软件协协调它们之之间的运动动关系，可可以实现一一系列传统统转向系统统无法实现现的特殊功功能。汽车车线控转向向系统能够够减轻驾驶驶员的负担担、提高整整车主动安安全性，使使汽车性能能适应更 多非职业业驾驶员的的需求，对对广大消费费者有着巨巨大的吸引引力。但是是由于可靠靠性要求及及制造成本本较高，该该系统距离离普及仍有有一段距离离。1.3 FSAEE汽车转向向系统的要要求1、汽车转转弯行驶时时，全部车车轮都应绕瞬时时转向中心心旋转，任任何车轮不不应有侧滑滑。不满足足这项要求求会加速轮轮

34、胎磨损，并并降低汽车车的行驶稳稳定性；2、汽车转转向行驶时时，在驾驶驶员松开转转向盘的条条件下，转转向轮能自自动返回到到直线行驶驶位置，并并稳定行驶驶；3、汽车在在任何行驶驶状态下，转转向轮都不不得产生自自振，转向向盘没有摆摆动；4、转向传传动机构和和悬架导向向装置共同同工作时，由由于运动不不协调使车车轮产生的的摆动应最最小；5、操纵轻轻便，保证轿车车有较高的的机动性，具具有迅速和和小转弯行行驶能力；6、转向轮轮碰撞到障障碍物以后后，传给转转向盘的反反冲力要尽尽可能小；8、转向器器和转向传传动机构的的球头处，有有消除因磨磨损而产生生间隙的调调整机构；9、在车祸祸中当转向向轴和转向向盘由于车车架

35、或车身身变形而共共同后移时时，转向系系应有能使使驾驶员免免遭或减轻轻伤害的防防伤装置；10、方向向盘必须与与前轮机械械连接，禁禁止使用线线控转向；11、转向向系统必须须安装有效效的转向限限位块，以以防止转向向连杆结构构反转（四四杆机构在在一个节点点处发生反反转）。限限位块可安安装在转向向立柱或齿齿条上，并并且必须防防止轮胎在在转向行驶驶时接触悬悬架、车身身或车架部部件； 12、转向向系统的自自由行程不不得超过 7（在方向向盘上测量量）； 13、方向向盘必须安安装在快拆拆器上， 必须保证证车手在正正常驾驶坐坐姿并配戴戴手套时可可以操作快快拆器；14、方向向盘轮廓必必须为连续续闭合的近近圆形或近近

36、椭圆形，例例如：外轮轮廓可以有有一些部分分趋向直线线，不能有有内凹的部部分。禁止止使用 HH 形、88 型或分分开式方向向盘； 15、在任任何角度，方方向盘上端端必须低于于前环的上上端；16、进行行运动校核核，保证转转向轮与转转向盘转动动方向一致致；正确设计转转向梯形机机构，可以以使第1项要求得得到保证。转向系统统中设置有有转向减振振器时，能能够防止转转向轮产生生自振，同同时又能使使传到转向向盘上的反反冲力明显显降低。为为了使汽车车具有良好好的机动性性，必须使使转向轮有有尽可能大大的转角，并并要达到按按前外轮车车轮轨迹计计算，其最最小转弯半半径能达到到汽车轴距的的22.5倍。通通常用转向向时驾

37、驶员员作用在转转向盘上的的切向力大大小和转动动圈数多少少两项指标标来评价操操纵轻便性性。没有装装置动力转转向的轿车车，在行驶驶中转向，此此力应为5501000N；有有动力转向向时，此力力在2050N。轿车转向向盘从中间间位置转到到每一端的的圈数不得得超过2.0圈。2 转向向系主要性性能参数转向系统主主要参数包包括转向系系效率、转转向系传动动比、传动动副的传动动间隙和转转向盘的转转动圈速。2.1 转向系的的效率功率从转向向轴输入，经经转向摇臂臂轴（或横横拉杆）输输出所求得得的效率称称为转向器器的正效率率，用符号号表示，；反之称为为逆效率，用用符号表示示。正效率计算算公式： （22-1）逆效率计算

38、算公式： （2-2） 式中，为作作用在转向向轴上的功功率；为转转向器中的的磨擦功率率；为作用用在转向摇摇臂轴上的的功率。正正效率高，转转向轻便；转向器应应具有一定定逆效率，以以保证转向向轮和转向向盘的自动动返回能力力。但为了了减小传至至转向盘上上的路面冲冲击力，防防止打手，又又要求此逆逆效率尽可可能低。影响转向器器正效率的的因素有转转向器的类类型、结构构特点、结结构参数和和制造质量量等。2.1.11 转向器的的正效率影响转向器器正效率的的因素有转转向器的类类型、结构构特点、结结构参数和和制造质量量等。1、转向器器类型、结结构特点与与效率在四种转向向器中，齿齿轮齿条式式、循环球球式转向器器的正效

39、率率比较高，而而蜗杆指销销式特别是是固定销和和蜗杆滚轮轮式转向器器的正效率率要明显的的低些。同一类型转转向器，因因结构不同同效率也不不一样。如如蜗杆滚轮轮式转向器器的滚轮与与支持轴之之间的轴承承可以选用用滚针轴承承、圆锥滚滚子轴承和和球轴承。选用滚针针轴承时，除除滚轮与滚滚针之间有有摩擦损失失外，滚轮轮侧翼与垫垫片之间还还存在滑动动摩擦损失失，故这种种轴向器的的效率+仅有544%。另外外两种结构构的转向器器效率分别别为70%和75%。转向摇臂轴轴的轴承采采用滚针轴轴承比采用用滑动轴承承可使正或或逆效率提提高约100%。2、转向器器的结构参参数与效率率如果忽略轴轴承和其经经地方的摩摩擦损失，只只

40、考虑啮合合副的摩擦擦损失，对对于蜗杆类类转向器，其其效率可用用下式计算算： （2-33）式中，a00为蜗杆（或或螺杆）的的螺线导程程角；为为摩擦角，=arcctanff；f为磨磨擦因数。2.1.22 转向器的的逆效率根据逆效率率不同，转转向器有可可逆式、极极限可逆式式和不可逆逆式之分。路面作用在在车轮上的的力，经过过转向系可可大部分传传递到转向向盘，这种种逆效率较较高的转向向器属于可可逆式。它它能保证转转向轮和转转向盘自动动回正，既既可以减轻轻驾驶员的的疲劳，又又可以提高高行驶安全全性。但是是，在不平平路面上行行驶时，传传至转向盘盘上的车轮轮冲击力，易易使驾驶员员疲劳，影影响安全行行驾驶。属于

41、可逆式式的转向器器有齿轮齿齿条式和循循环球式转转向器。不可逆式和和极限可逆逆式转向器器。不可逆逆式转向器器，是指车车轮受到的的冲击力不不能传到转转向盘的转转向器。该该冲击力转转向传动机机构的零件件承受，因因而这些零零件容易损损坏。同时时，它既不不能保证车车轮自动回回正，驾驶驶员又缺乏乏路面感觉觉，因此，现现代汽车不不采用这种种转向器。极限可逆逆式转向器器介于可逆逆式与不可可逆式转向向器两者之之间。在车车轮受到冲冲击力作用用时，此力力只有较小小一部分传传至转向盘盘。如果忽略轴轴承和其它它地方的磨磨擦损失，只只考虑啮合合副的磨擦擦损失，则则逆效率可可用下式计计算（22-4）式（2-33）和式（22

42、-4）表表明：增加加导程角，正正、逆效率率均增大。受增大的的影响，不不宜取得过过大。当导导程角小于于或等于磨磨擦角时，逆逆效率为负负值或者为为零，此时时表明该转转向器是不不可逆式转转向器。为为此，导程程角必须大大于磨擦角角。2.2 传动比变变化特性转向系的传传动比包括括转向系的的角传动比比和转向系系的力传动动比iP，两者之之间的关系系对转向的的整体性能能有很大影影响。2.2.11 转向系系传动比传动系的力力传动比：（2-55）转向系的角角传动比: （2-66）转向系的角角传动比由由转向器角角传动比和和转向传动动机构角传传动组成，即即：（2-7）转向器的角角传动比: （2-8） 转向传动机机构的

43、角传传动比: （2-99）2.2.22 力传动比比与转向系系角传动比比的关系转向阻力与与转向阻力力矩的关系系式：（2-110）作用在转向向盘上的手手力与作用用在转向盘盘上的力矩矩的关系式式：（2-111）将式（2-10）、式（2-11）代代入 后得得到：（22-12）如果忽略磨磨擦损失，根根据能量守守恒原理，22Mr/MMh可用下式式表示 （2-13）将式（2-10）代代入式（22-11）后后得到：（22-14）当a和Dssw不变时时，力传动动比越大，虽虽然转向越越轻，但也也越大，表表明转向不不灵敏。2.2.33 转向器器角传动比比的选择转向器角传传动比可以以设计成减减小、增大大或保持不不变的

44、。影影响选取角角传动比变变化规律的的主要因素素是转向轴轴负荷大小小和对汽车车机动能力力的要求。若转向轴负负荷小或采采用动力转转向的汽车车，不存在在转向沉重重问题，应应取较小的的转向器角角传动比，以以提高汽车车的机动能能力。若转转向轴负荷荷大，汽车车低速急转转弯时的操操纵轻便性性问题突出出，应选用用大些的转转向器角传传动比。汽车以较高高车速转向向行驶时，要要求转向轮轮反应灵敏敏，转向器器角传动比比应当小些些。汽车高高速直线行行驶时，转转向盘在中中间位置的的转向器角角传动比不不宜过小。否则转向向过分敏感感，使驾驶驶员精确控控制转向轮轮的运动有有困难。转向器角传传动比变化化曲线应选选用大致呈呈中间小

45、两两端大些的的下凹形曲曲线，如图图2-1所示。图2-1 转向器器角传动比比变化特性性曲线2.3 转向器传传动副的传传动间隙传动间隙是是指各种转转向器中传传动副之间间的间隙。该间隙随随转向盘转转角的大小小不同而改改变，并把把这种变化化关系称为为转向器传传动副传动动间隙特性性（图2-2）。研究该特性性的意义在在于它与直直线行驶的的稳定性和和转向器的的使用寿命命有关。传动副的传传动间隙在在转向盘处处于中间位位置及其附附近位置时时要很小，最好好无间隙。若转向器器传动副存存在的传动间隙隙很大时，当转向轮受受到较大的的侧向力作作用，车轮轮将很有可可能偏离原原行驶路线线，使车辆失去稳稳定。传动副在中中间位置

46、及其附附近位置因因使用频繁繁，磨损速速度要比两两端快。在在中间位置置及附近位位置因磨损损造成的间间隙过大时时，必须经经调整消除除该处间隙隙。图2-2 转向器器传动副传传动间隙特特性转向器传动动副传动间间隙特性 图中曲线线1表明转转向器在磨磨损前的间间隙变化特特性；曲线线2表明使使用并磨损损后的间隙隙变化特性性，并且在在中间位置置处已出现现较大间隙隙；曲线33表明调整整后并消除除中间位置置处间隙的的转向器传传动间隙变变化特性。2.4 转向盘的的总转动圈圈数转向盘从一一个极端位位置转到另另一个极端端位置时所所转过的圈圈数称为转转向盘的总总转动圈数数。它与转转向轮的最最大转角及及转向系的的角传动比比

47、有关，并并影响转向向的操纵轻轻便性和灵灵敏性。轿轿车转向盘盘的总转动动圈数较少少，一般约约在3.66圈以内。而对于方方程式汽车车而言，过过多的转动动圈速不利利于提高转转向的灵敏敏度。本文文的设计参参考Forrmulaa 1汽车车转向系统统，转动圈圈速为2/3圈，及及左右各1120。3 FSSAE汽车车转向系统总总体机构设设计FSAE汽汽车属于小小型赛车，其其整备质量量很轻，整整体尺寸也也很小，本本章将确定定转向系统统的主要参参数，并根根据确定的的参数进行行转向系统统类型的选选择。3.1 参考数据据的确定表3-1 FSAAE汽车转转向系统参数前轮距B111250mmm后轮距B221200mmm轴

48、距L1650mmm满载轴荷分分配：前/后169.22/190.8(kgg)轮胎223/5533R114主销偏移距距a100mmm轮胎压力pp/MPaa0.45方向盘直径径DSW300mmm最小转弯半半径R3.5m转向节臂LL190mm3.2 转向系统统类型选择择汽车转向系系可按转向向能源的不不同分为机机械转向系系和动力转转向系两大大类。3.2.11 机械械转向系机械转向系系中转向能能源是来自自驾驶员的的体力，其其中所有传传力件都是是机械的。机械转向向系由转向向器、转向向操纵机构构和转向传传动机构三三大部分组组成。图3-1所所示的机械械转向系统统。当汽车车转向时，驾驾驶员对转转向盘施加加一个转向

49、向力矩。该该力矩通过过转向轴和和柔性联轴轴节输入转转向器，转转向器再将将力经左，右右横拉杆,将力传给给固定于两两侧转向节节上的左、右转向节节臂，使转转向节和它它所支撑的的转向轮绕绕主销轴线线偏移一定定角度，实实现转向。目前，许多多国内外生生产的新车车型在转向向操纵机构构中转向轴轴采用了万万向传动装装置（转向向万向节和和转向传动动轴）。这这有助于转转向盘和转转向器等部部件和组件件的通用化化和系列化化。只要适适当改变转转向万向传传动装置的的几何参数数，便可以以满足各种种变型车的的总布置要要求。即使使在转向器器与转向盘盘同轴线的的情况下，其其间也可以以采用万向向传动装置置，以补偿偿由于部件件在车上的

50、的安装基体体和安装误误差（驾驶驶室、车架架）的变形形所造成的的二者轴线线实际上的的不重合。 图3-1 机械转向向系统3.2.22 动力力转向系为了减轻转转向时驾驶驶员作用到到转向盘上上的手力和和提高行驶驶安全，在在有些汽车车上装设了了动力转向向机构。动动力转向系系统主要分分为液压助助力转向系系统、电动动助力转向向系统。如如图（3-2、3-3）。图3-2液液压助力转转向系统图3-3 电动助力力转向系统统示意图发动机排量量在2.55L以上的的乘用车，由由与对其操操纵轻便性性的要求越越来越高，采采用或者可可供选装动动力转向器器的逐渐增增多。转向向轴轴载质质量超过22.5t的的货车，可可以采用动动力转

51、向；当超过44t时，应应该采用动动力转向。动力转向系系统是一种种转向能源源是来自于于发动机（或或电动机）的的动力和驾驾驶员体力力的转向系系统。在机机械转向系系统的基础础上加设一一套转向助助力装置就就形成的动动力转向系系统。在正常情况况下，汽车车所需转向向能量，大大部分是由由发动机所所驱动的动动力转向装装置提供的的其中只有有一小部分分由驾驶员员来提供，如如果动力转转向装置出出现故障无无法提供助助力时，此此时驾驶员员能独立承承担汽车转转向所需的的能量。所所以在机械械转向系的的基础上加加设一套动动力转向装装置就形成成了动力转转向系统。对较轻的汽汽车人力勉勉强可以实实现转向，但但对于最大大总质量大大于

52、等于550吨的重重型汽车而而言，动力力转向装置置一旦失效效，转向轮轮在驾驶员员通过机械械传动系加加于万向节节的力的作作用下远不不足发生偏偏转从而实实现转向。动力转向向装置稳定定可靠程度度对这种汽汽车尤为重重要。FSAE汽汽车属于小小型车辆，整整备质量尽尽为3000kg左右右，所以本本设计选用用的机械转转向系统。3.3 转向器类类型选择转向器是整整个转向系系统的核心心部分，转转向器的设设计也就是是整个转向向系统的关关键所在。根据所采采用的转向向传动副的的不同，常常见转向器器的结构型型式有四种。分别有齿轮轮齿条式、循环球式式、球面蜗蜗杆滚轮式式和蜗杆指销销式等。3.3.11 齿轮轮齿条转向向器齿轮

53、齿条式式转向器（图图3-4）由由与转向轴轴做成一体体的转向齿齿轮和常与与转向横拉拉杆做成一一体的齿条条组成。齿齿轮齿条式式转向器与与其他形式式的转向器器相比，其其最主要的的优点是：结构简单单，紧凑，壳壳体压铸而而成材质多多选用铝合合金或者镁镁合金，其其的质量相相对比较少少；转向器器占用的体体积小；传传动效率也也高达900%，没有有转向摇臂臂和直拉杆杆，所以转转向轮转角角可以增大大；制造成成本低。齿轮齿条条转向器最最主要的缺缺点是：因因逆效率高高（60%70%），汽车车在不平路路面上行驶驶时，发生生在转向轮轮与路面之之间冲击力力的大部分分能转至转转向盘，称称之为反冲冲。反冲现现象会使驾驾驶员精神

54、神紧张，并并难以准确确控制汽车车行驶方向向，转向盘盘突然转动动又会造成成打手，同同时对驾驶驶员造成伤伤害。图3-4 齿轮齿齿条式转向向器3.3.22 循环环球式转向向器循环球式转转向器由螺螺杆和螺母母共同形成成的螺旋槽槽内装钢球球构成的传传动副，以以及螺母上上齿条与摇摇臂轴上齿齿扇构成的的传动副组组成，如图图（3-55）。图3-5 循环球球式转向器器循环球式转转向器的优优点是：因因为可以循循环流动的的钢球在螺螺杆和螺母母之间滚动动，上滑动动摩擦转变变成滚动摩摩擦，其传传动效率高高达到755%855%；另外外在结构与与工艺方面面进行改良良，例如降降低工作表表面的粗糙糙度和提高高螺杆螺母母制造精度

55、度。螺杆螺螺母上的螺螺纹经磨削削加工和淬淬火，硬度度和耐磨损损性能都等等到很大提提升，保证证螺杆螺母母的使用寿寿命得意提提升；工作作平稳可靠靠；并且转转向器的传传动比也是是可以变化化。 循环球式转转向器的缺缺点是：逆逆效率高，结结构复杂，制制造困难，制制造精度要要求高,循循环球式转转向器主要要用于商用用车上。3.3.33 蜗杆杆滚轮式转转向器蜗杆滚轮式式转向器（如如图3-66）主要由由蜗杆和滚滚轮相互啮啮合而构成成。此类转转向器的优优点主要是是：结构较较简单；易易加工；由由于蜗杆上上的螺纹和和滚轮的齿齿面属于面面接触，所所以强度较较高，工作作稳定可靠靠，使用寿寿命长，不不易磨损；其逆效率率较低

56、。蜗杆滚轮式式转向器缺缺点主要是是：正效率率较低；当当工作齿面面发生磨损损之后，啮啮合间隙的的调整比较较困难；另另外蜗杆滚滚轮式转向向器的传动动比是不能能改变。曾经在汽车车上也广泛泛使用过这这种转向器器。图3-6 蜗杆滚轮轮式转向器器3.3.44 蜗杆杆指销式转转向器蜗杆指销式式转向器（如如图3-77）主要由由蜗杆和一一端带有销销子摇臂轴轴构成。按按销子能否否转动分成成旋转销式式和固定销销式。如果果销子除随随同摇臂轴轴转动外，还还能绕自身身轴线转动动的，称子子为旋转销销式转向器器；如果销销子不能自自转，则称称之为固定定销式蜗杆杆指销式转转向器。根根据销子数数量的不同同又可以分分为单销和和双销。

57、蜗杆指销式式转向器的的优点是:当蜗杆的的导程不变变时，其传传动比也是是不变的。如果要的的到可以变变传动比的的转向器，将将螺杆的导导程做成变变化的即可可。当蜗杆杆和指销之之间的工作作面磨损之之后，间隙隙的调整工工作也比较较容易。固定销蜗杆杆指销式转转向器的结结构简单，易易加工；但但是因销子子本身无法法自转，销销子的工作作部位基本本保持不变变，所以磨磨损快，工工作效率低低。旋转销销式转向器器的效率高高，磨损慢慢，但结构构复杂。蜗杆指销销式转向器器应有较少少图3-7 蜗杆指销销式转向器器根据FSAAE转向系系统要求，结结合上述几几种转向器器的特点，本本设计中选选用的是齿齿轮齿条式式转向器。3.4 转

58、向轮侧侧偏角计算算如上图3-8所示：左、右转转向车轮绕绕其转向主主销的偏转转，并使它它们偏转到到绕同一瞬瞬时转向中中心的不同同轨迹圆上上，实现车车轮无滑动动地滚动转转向。为了了使左、右右转向车轮轮偏转角之之间的关系系能满足这这一汽车转转向运动学学的要求，两车轮见侧片角会有一下关系，这要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。汽车转向时时，将围绕绕其弯心转转动，两车车轮离转弯弯中心的距距离并不相相等，其内内侧车轮转转角位，外外侧为，最最大转弯半半径R，轴轴距L，为为两主销中中心线延长长线到地面面交点之间间的距离，则则左右车轮轮侧片角如如下。图3.8 车轮位位置简图 （33-1） （33-

59、2）4 转向向器设计齿轮齿条式式转向器结结构以其结结构简单紧紧凑；质量量相对比较较少；转向向器占用的的体积小；传动效率率也高达990%；没没有转向摇摇臂和直拉拉杆；制造造成本低等等优点被普普遍应用在在小型汽车车上。其结结构简单和和质量少等等特点也非非常适合在在FSAEE汽车上使使用。本章章将详细的的阐述本设设计中的转转向器的设设计要点。4.1 齿轮齿条条式转向器器的结构 本设计中在在3.2节节中已经确确定了FSSAE汽车车将选用与与图4-11类似的齿齿轮齿条式式转向器，本本节主要是是设计符合合该转向系系统要求的的转向器。图4-1 典型齿轮轮齿条转向向器4.2 齿轮齿条条式转向器器形式根据输入齿

60、齿轮位置和和输出特点点不同，齿齿轮齿条式式转向器有有四种形式式：中间输输入，两端端输入（图图4-2aa）；侧面面输入，两两端输出（图图4-2bb）；侧面输输入，中间间输出（图图4-2cc）；侧面面输入，一一端输出（图图4-2dd）。采用侧面输输入、中间间输出方案案时，其横横拉杆长度度增长，车车轮上、下下跳动时位位杆摆角减减小，有利利于减少车车轮上、下下跳动时转转向系与悬悬架系的运运动干涉。而采用两两侧输出方方案时，容容易与悬架架系统导向向机构产生生运动干涉涉。 拉杆杆与齿条用用螺栓固定定连接，因因此两拉杆杆与齿条同同时向左或或者向右移移动，为此此在转向器器壳体上开开有轴向的的长槽， 从而降低低