基于FSAE的赛车转向系统的设计及优化

基于FSAE的赛车转向系统的设计及优化摘要：汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。而用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，称为汽车转向系统。因此，汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。本文以盐城工学院YMR野马车队E45号电车为对象，系统地研究了FSAE赛车转向系统的设计过程和方法。本文E45赛车的转向系统沿用可逆式齿轮齿条式转向机构。转向梯形前置，断开式梯形结构，单万向节传动布置，整体简洁轻量化设计。方向盘采用碳纤维切割成型，嵌缝膏做握柄模型进行阴模翻制，再用碳纤维进行抽真空处理并用DP460进行胶接。转向系统的整体设计布局及零部件优化，在遵循大赛规则要求的基础上，综合考虑整车尺寸配合度和性能参数，再结合车手驾驶感受进行整车转向系设计。用CATIA软件建立部件模型并组装，以MATLAB、ADAMS和ANSYS等软件进行辅助分析，确保设计的可靠性。关键词：FSAE；转向系统；梯形优化；CATIA

DesignandoptimizationofcarsteeringsystembasedonFSAEAbstract：Intheprocessofdrivingacar,itisnecessarytochangeitsdrivingdirectionaccordingtothedriver'swill,thatis,thecarsteering.Thespecialmechanismusedtochangeorrestorethedrivingdirectionofthecariscalledthecarsteeringsystem.Therefore,thefunctionofautomobilesteeringsystemistoensurethattheautomobilecanturnanddriveaccordingtothedriver'swill.Inthispaper,thedesignprocessandmethodofthesteeringsystemofFsaeracingcararesystematicallystudied,takingtheE45ofYMRMustangteamofYanchengInstituteoftechnologyastheobject.Inthispaper,thesteeringsystemofE45racingcaradoptsreversiblerackandpinionsteeringmechanism.Steeringtrapezoidfront,brokentrapezoidstructure,singleuniversaljointtransmissionarrangement,simpleandlightweightdesign.Thesteeringwheeliscutandshapedwithcarbonfiber.Thecaulkingpasteisusedasthegripmodeltoturnoverthefemalemold.ThecarbonfiberisusedforvacuumizingandDP460isusedforbonding.Theoveralldesignlayoutandpartsoptimizationofthesteeringsystem,onthebasisoffollowingtherequirementsofthecompetitionrofthewholevehicle,andthencombiningthedriver'sdrivingexperiencetodesigntheules,comprehensivelyconsideringthesizematchingdegreeandperformanceparameterssteeringsystemofthewholevehicle.ThecomponentmodelisbuiltandassembledwithCATIAsoftware,andtheauxiliaryanalysisiscarriedoutwithMATLAB,AdamsandANSYSsoftwaretoensurethereliabilityofthedesign.Keywords：FSAE;SteeringSystem;TrapezoidalOptimization;CATIA目录绪论11.1FSAE赛事介绍11.2国内外发展和现状11.3本课题研究内容和意义1第二章FSAE转向系统概述、分析及目标12.1普通汽车转向系概述12.2FSAE转向系概述12.3FSAE转向系与普通汽车转向系区别12.4历年转向系分析12.5转向系统设计目标1第三章FSAE转向系统设计13.1赛车基本参数13.2设计转向系统性能参数13.2.1转向系角传动比13.2.2转向系力传动比13.3设计转向系统计算参数13.3.1齿条行程13.3.2梯形臂长度13.3.3原地阻力矩13.3.4作用在方向盘上的力13.4设计转向定位参数13.4.1主销定位参数13.4.2赛车回正力矩13.4.3回正阻力矩1第四章FSAE转向梯形优化及零件设计与分析14.1转向梯形优化14.1.1确定转向梯形14.1.2内外侧车轮转角关系14.1.3将转向杆系与悬架进行匹配设计14.2零件设计与分析1第五章结论1参考文献1致谢1附录1盐城工学院本科生毕业设计说明书2020-1-绪论FSAE赛事介绍中国大学生方程式汽车大赛（FormulaStudentChina）旨在由各大学车队的在校本科生和研究生在一年内自行设计制造一辆在加速、制动和操控方面性能优异同时又必须具有足够的耐久性以顺利完成规则中提及的比赛的方程式赛车，是一项有利于促进当代中国汽车行业发展，为未来培养汽车研发人才的社会公益事业[1]。比赛通常在夏季和秋季进行，包括赛前其他准备工作。其中，赛前要求所有团队按照组委会的规定及时参与报告工作，包括商业逻辑方案，碰撞结构实验报告，结构等同性报告，设计报告，设计参数表，电气系统表，失效模式影响分析，成本报告等，未在规定时间内或未按要求提交报告的队伍将会受到罚分的惩罚，严重者将取消比赛资格。赛时项目包括动态项目和静态项目，其中成本与制造分析评估，营销报告和工程设计答辩这三部分为静态比赛项目。成本与制造分析评估项目主要是考核参赛队员关于成本造价以及机械加工技术过程等知识的掌握情况。这项比赛项目需要确保参加比赛的成员能够很好地掌握商业策划以及财务管这些方面的专业技能。在营销报告的答辩中队员需要将裁判当成企业的决策者，用你优秀的策划和现场的解说，去打动裁判，让裁判愿意为你这家公司投资。赛车的设计报告则充分地展示了车队成员的专业精神和专业实力。在本次比赛过程中，参赛成员务必要将赛车的整体优势以及设计创新点和相关的设计理念进行简要地阐述。其中还有一部分为赛车技术检查，赛车技术检测既不属于动态比赛也不属于静态比赛。但是赛车的技术检查是参加动态比赛之前的必不可少的一道程序，技术检测分为电器检查，电池箱检查，机械检查，淋雨测试，制动测试。经过一系列周密而严谨的技术考察才能明确得知赛车的设计是否规范，并且唯有妥善处理好其他一系列安全问题才能够允许其进行后续阶段的相关比赛。动态比赛是对赛车的一次重要考验，动态赛有8字绕环、直线加速、高速避障、22公里耐久和效率测试。每支参赛队需要严格的安排好时间做好各种计划来参加这五项比赛。动态比赛不但需要考察赛车的整体性能配置情况，同时也对各位驾驶赛车人员的驾车技能和情绪控制能力进行了考察，在比赛过程中会遇到很多的突发情况。并且通过开展这类比赛也能够对各个参赛团队的团结合作能力进行了考验。可以看出，FSAE比赛所涵盖的范围非常广泛，涉及整个汽车行业产业链的全部环节。对于学生能力的锻炼和培养非常全面，学生团队在一年内需要经历市场调查，项目可行性分析，立项，目标设计，项目执行，流程管理，风险与控制，项目展示等步骤，对于队员的合作能力，工程实践能力，项目展示能力等都有极大提高，随着比赛规模的扩大，不仅仅是理工类人才，大量的非理工背景的学生也加入了进来，在比赛中快速的提升自己。这项赛事为他们创造了一个检验自己的平台，对他们未来的就业或者求学深造都起到了积极作用同时还给社会各行各业输送给了大批高质量的人才。国内外发展和现状对传统乘用车转向的研究最早是19世纪初德国人发明了转向梯形，对于FSAE赛车转向系统的研究则是近几年才兴起的。基于FSAE赛车的特点，很多转向辅助装置如ESP等都无法安装在车上。所以对于FSAE转向系统的研究多集中在针对赛道的转向梯形优化，轮胎性能，定位参数，动力学的影响等。国外对赛车转向系统动力学方便的研究开始较早，根据赛车性能要求，从轮胎入手，辅以车身，车架，悬架，转向，空气动力学等，对赛车的车辆动力学进行了深入的研究，通过轮胎实验数据，分析轮胎侧偏力和侧偏角，外倾力和外倾角，轮胎距离，载荷敏感性，摩擦园等，着重分析了轮胎在转向系统中的作用。日本参赛车队讲解了汽车的开发和制造流程，帮助车辆工程专业的学生在汽车设计时建立清晰的思路，并帮助他们了解汽车从立项到设计，制造，试验等一系列流程，着重介绍了赛车极低转速转向几何，阿克曼转向几何，稳态转向几何等，并对影响转向特性的因素如柔性转向，侧倾转向进行了详细分析。我国的汽车零部件行业跟随整车一步步发展起来，转向行业发展到今天可以说是大浪淘沙，从20世纪50年代开始，转向行业发展是迅猛的。最早的转向器，就是非常简单的机械结构。直到70年代发展到循环球式，直到后期才开始发展齿轮齿条式。20世纪末发展液压转向，随着国外汽车转向技术的发展，我们国内也得到了飞速的提升。目前，国内液压助力转向器占了一大半市场，我们已经熟练的掌握了液压助力转向技术，下一步在乘用车尤其是轿车方面往ESP方向发展是必然趋势，随着节能减排的国际潮流一同前进。我国FSAE转向系统的发展，虽然整体上与国外车队相比差距很大，但随着大数据时代的发展和信息化的到来，我国以同济大学，吉林大学为首的211，985知名院校车队以及近百所高校的不断学习和突破下，我国FSAE转向系统的水平与国外院校的差距正以肉眼可见的速度飞速缩小，甚至能够名列前茅。本课题研究内容和意义本课题在综合考虑众多因素的基础上先从转向系最基本的原理入手，经过对汽车的转向系原理的认真学习，来摸索着设计赛车的转向系。设计过程中，先是比较各个类型转向系的优缺点，并结合赛车对转向系的一些特殊要求，最后决定采用齿轮齿条式转向系。因为目前梯形结构的转向系的转角关系较接近理想的转角关系，又鉴于赛车采用独立悬架结构，因此采用断开式梯形结构。断开点的选择以及内、外转角关系曲线的优化方面，不但要考虑转向本身的需要，同时还要考虑转向与车架的配合，首先断开点应该设在车架的两侧，并且转向过程中断开点应一直都在车架的外侧，这样便限定了横拉杆的长度，与转向设计有关的主销距K由悬架设计时确定，轴距由车架来确定。这样一来，转向系的优化过程中只需优化梯形臂长m，梯形底角和主销连线到横拉杆的水平距离h。转向器的结构设计，首先考虑到转向器的安装空间问题，根据空间确定了满足功能的转向器的总体尺寸模型的大小，再在这个模型的基础上分割出各个零件的尺寸要求，在保证各个功能要求的基础上，设计出转向器的各个部件。通过上述方案优化设计出最合理的赛车转向系统，并且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。自1980年第一届比赛在美国举办以来，该项赛事的知名度与社会认可度逐年提升，世界范围内当今主要有美洲、欧洲、亚洲的国家开始规范地组织该项赛事。与此同时，赛事的规模以及参加比赛的赛车质量也有了显著的提高，进入21世纪，参赛学生团队已经可以自主研制最高车速达到甚至超过210km/h，零百加速时间在3秒内的高性能大学生方程式赛车。另一方面，参赛团队还可以将自身模拟为公司组织，进行内部的管理分配和对外的沟通交流。本课题的研究一方面为我队以后转向系统的提升奠定了基础，为新加入的队员提供了一份具有参考价值的完整的转向系设计的参考书。另一方面对我自己也有很大的提升，让我提前熟悉了整车系统部件的整个研发生产过程，在我今后的就业工作中有很大的意义。同时也为当前中国汽车转向研发提供了一位优秀的实干型人才。FSAE转向系统概述、分析及目标2.1普通汽车转向系概述汽车前进方向的改变或保持机构称为汽车转向系统，转向系统的功能是根据驾驶员对汽车转向系统的需求来控制车辆的转向，对汽车的安全性很重要，因此汽车转向系统对汽车而言是必不可少的。汽车转向系统分为两大类：机械和动力转向系统，驾驶员用自己的力量操纵的叫机械转向系统，而驾驶员借助外力操纵的称为动力转向系统。动力转向系统可分为液压动力转向系统和机电助力动力转向系统。机械转向系统以驾驶员的体力为动力源，由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。普通汽车的转向操纵机构一般都是由由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它可以将驾驶员转动转向盘的力传输给转向器。而转向器，也就是我们常说的转向机，是完成由旋转运动到直线运动的一组齿轮机构，同时也是转向系中用来减速的传动装置。最后，转向传动机构的功能是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。正是这些部件的相互配合，看似不起眼的转向系统在整车系统里却扮演者安全保证的角色。2.2FSAE转向系概述同理，赛车转向系统当然也是关系到赛车性能的主要系统，它也是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构，而且在赛车行驶时，还能够保证各转向轮之间有协调的转角关系。对于赛车来说，这是非常重要的。除了油门和刹车，车手最长时间接触的就是赛车的转向系统，也就是他的方向盘，一个车手能否将一辆车的性能发挥到极致，就看车手与车之间的能否有感应上的联系。而转向系统正是连接车手和车之间的桥梁，车手通过方向盘，间接地感受到赛车的实时情况并对自己的操作进行调整。虽然我们从普通汽车上很难通过方向盘来感受到汽车的情况，但是在赛车这样的急速运动竞赛下，赛车再渺小的细节，都会给车手带来清晰的反馈，从而在竞赛中保证自己安全的同时，还能将赛车的全部性能发挥得淋漓尽致。通常，赛车的转向系统结构简单，一般由方向盘，快拆，转向轴，转向器，梯形臂，万向节等组成。这里需要强调的是与普通汽车不同，赛车由于竞赛需要，所以在方向盘和转向轴之间是以快拆连接的，为了方便车手拆卸方向盘。2.3FSAE转向系与普通汽车转向系区别那么赛车的转向系统跟普通汽车的转向系统有什么区别呢？在上面我们已经提到了一点，也就是赛车的方向盘下都是有快拆的，而大部分普通汽车是没有的。赛车转向系统功能其实跟普通汽车差不多，但是由于赛车的驾驶条件比较苛刻，如行驶路面、整车结构等方面的不同，在结构和要求上与乘用车还是有很多区别的。赛车体型比较小，而且整车的重心都是在中心线上的，所以可以很明显的看见车手的座位是不一样的，赛车车手坐在正中间，而普通汽车驾驶者则坐在靠左，因此转向系统的布置也自然就跟着改变位置了。第二点，赛车的整车质心高度较低，设计师为了平衡赛车前后配重，同时减少车手质量对赛车正常质心的影响，车手在驾驶舱内都是为半躺，设计方向盘的角度时，还需要考虑车手的操纵性和舒适性。而普通汽车质心比较高，驾驶者一般都是坐着开车，所以方向盘会有很大的前倾。第三点，赛车在比赛时速度很快，并且经常需要快速过弯或者高速避障，车手会在高速状态下快速入弯的同时快速出弯，且必须保证在不改变自身手的位置的情况下转到最大角度，这就硬性要求了方向盘最大转角不能太大，所以一般情况下赛车方向盘最大单侧转角要求是要小于180°的

，而普通汽车就明显不一样了。综上，虽然赛车和普通汽车的功能与结构有很多相似之处，但由于空间布局、生产成本、加工难度、赛车结构、运行状况等因素的制约，两者的区别还是很大的。2.4历年转向系分析回顾我队往年的设计案例，结合每年车手的反馈，我做出了以下总结。我队E16号赛车采用了转向梯形后置的布置方式，由于传动比低，导致转向所需车手力大，而在高速避障时需要更多的消耗，需要连续转向。导致车手体能消耗的增加，导致当时耐久性测试车手由于耐力不足，出现了一堆连续的失误。E12吸取了先前的教训，优化了传动比，转向较重的问题得到了明显的改善，但转向的灵敏度却又下降了。原因是在齿轮齿条的设计中，设计者增高了齿条的齿面，虽然目的是好的，为了消除转向间隙，但却在比赛中出现了转向器卡死的现象，最终导致赛车失去控制。而在E21号赛车上，为了过分的追求轻量化，我们采用新型的塑料来做轴承，导致出现了明显的转向不足，最终也影响了成绩。再到去年E32的落地，由于换了万向节的类型，导致左右转向不一致，依然留下了遗憾。本人于16年就加入了车队，直到现在已经干满了三年，见证了四辆车的落地，虽然我队在每年的成绩上都有进步，但进步还不是很大，我们还有很多需要努力的地方。所以我希望以我此篇文章来总结设计并优化出最完善的一套转向系统，助我队后生带领车队早日冲进全国前三！2.5转向系统设计目标设计的轻量化以及驾驶的舒适性依然是本次转向系统的核心设计理念。根据历年经验以及自身分析，本次转向器的设计依旧采用的是齿轮齿条式，布置形式为转向梯形前置；在传递动力上，我们使用了双万向节；而在本文设计的方向盘，也更加符合人机工程的要求，让车手更好的感应赛车。本次关于方向盘的制造，与往年的手敷碳纤维的方式不同，采用碳纤维切割成型，嵌缝膏做握柄模型进行阴模翻制，再用碳纤维进行抽真空处理并用DP460进行胶接。本文设计的转向系齿条并非一体式，而是采用了齿条与齿条干分开的结构，这种设计的优点是可以根据车手对赛车驾驶上不同的需求来自由更换转向传动比。同时这样的设计方式也更利于齿条的维护跟保养。关于本文所设计的转向系的各个部件以及对各个连接件的选取，都是严格按照大赛组委会制订的规则的条件下进行设计的，均符合大赛规则。一辆合格的赛车是通过各个部件完美地相配合而形成的，本文的设计同时也综合考虑了其他系统的配合，以防止出现干涉等问题。比如制动踏板，车架前环，悬架以及车手。本文中，我将用CATIA软件建立部件模型并组装，后以MATLAB、ADAMS和ANSYS等软件进行辅助分析，确保设计的可靠性。FSAE转向系统设计3.1赛车基本参数本次设计以盐城工学院YMR野马电车队E45赛车为基础，具体参数情况如下：表3-1赛车基本参数整车质量（kg）轴距（mm）前轮距（mm）后轮距（mm）主销间距（mm）主销偏置量（mm）前后载荷比25015501220122011523237:433.2设计转向系统性能参数FSAE赛事动态项目包括直线加速测试、8字绕环测试、高速避障测试、耐久以及效率测试。为了考验赛车的过弯性能和操纵稳定性，赛道弯道较多，发夹弯、回头弯半径比较小，最小弯道外径为4.5m，交通锥标间隔最小为7.62米。其中8字绕环测试的目的是衡量赛车在平地上做定半径转向时的转向能力，高速避障和耐久测试的目的是评价赛车在紧凑赛道上的机动性、操纵性以及耐久可靠性，综合了加速、制动和转向等多种测试性能的特点。根据赛道情况，初定赛车最小转弯半径为3.8米。赛车行驶时，外侧车轮对赛车的最小转弯半径影响较大，按照最小转弯半径计算外轮最大转角，计算公式为R为转弯半径，mm；L为轴距，mm；θ为外侧车轮转角，°；a为主销偏置量，mm。最大转向角度代入赛车参数，得取，确定赛车转向时外侧车轮最大转角为24.3°。3.2.1转向系角传动比转向系角传动比被定义为方向盘转角与相应的前轮转角之比。赛道弯道较多，考验赛车的高速过弯能力，要求赛车转向轻便性的同时保证灵敏性。方向盘的单侧转角范围应小于180°，车手无需改变握方向盘姿势便能过弯。初定转向系角传动比为5:1，当达到最大转向角度时，方向盘转角为122，车手无需改变姿势。3.2.2转向系力传动比两个转向轮受到的转向阻力与车手作用在方向盘上的手力之比称为转向系力传动比。实际中，一般用下式粗略计算为转向系角传动比；为转向器效率；为转向传动机构效率角传动比为5:1，齿轮齿条式转向器的效率大约为90%，转向传动机构效率大约为85%，则转向系力传动比为3.3设计转向系统计算参数3.3.1齿条行程赛车相对于民用车，整车质量较轻，转向力矩较小，转向系统布置空间小，同时为了轻量化设计，没有转向助力系统，所以齿轮模数选择1.5mm，为避免发生根切，齿数选择17，压力角为20°。当方向盘转到最大角度125.5°时，齿轮轴转动角度为125.5°。当齿轮齿条正确啮合时，齿条行程与齿轮转动的弧长相等，即齿条单侧行程为代入参数，得齿条总行程为54.3mm。3.3.2梯形臂长度当方向盘单侧转角最大时，轮胎转动到最大角度24.3°，根据齿条行程和最大转向角计算梯形臂长度代入参数，得梯形臂长度为65.9mm，计算出的数值为初定数值，根据转向梯形优化来确定最终数值。3.3.3原地阻力矩整车质量加上车手质量按估算取值为320kg，则前轮转向轴负荷G1为1142.19N，轮胎与混凝土地面的滑动摩擦系数f取中间值0.7，接近于练车胎压P为0.1MPa。原地阻力矩代入参数，得原地阻力矩数值为28482.91N/mm。3.3.4作用在方向盘上的力根据整车驾驶舱空间布置确定方向盘最大直径Dsw为240mm，传动比iω作用在方向盘上的力代入参数，得计算得到车手作用在方向盘上的力达到52.8N。3.4设计转向定位参数3.4.1主销定位参数在前视图中，主销偏转的角度被称为主销内倾角，转向主销与地面的交点至车轮中心平面与地面相交处的距离称之为主销偏置量。在前轴所在水平面内，从主销轴心到车轮中心平面的距离称为主销偏距。在侧视图中，主销偏转角度称为主销后倾角。如果主销轴线没有通过车轮中心那么就有了侧视的主销偏距。在地平面内测量从主销到轮胎接地点中心的距离称为主销后倾拖距。图3-1主销定位参数（1）主销内倾角当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度，这样赛车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应，因而方向盘回正容易。此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时车手加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损。（2）主销偏置量主销偏置量与主销内倾是密切相关的，调整主销内倾角，可以得到不同的主销偏置量。主销偏置量有正负之分，主销轴线与地面交点的位置在车轮内侧的为正，在外侧的为负。

地面对转向的阻力力矩，与主销偏置量的大小成正比。主销偏置量越小，转向阻力矩也越小。所以，一般主销偏置量小一些，以减小转向力以及地面对转向系统的冲击。

（3）主销后倾角主销后倾角过小，当汽车直线行驶时，容易发生前轮摆振，转向盘摇摆不定，转向后转向盘自动回正能力变弱，车手会失去路感；当左右轮主销后倾角不等时，车辆直线行驶时会引起跑偏，极易引起车手疲劳。主销后倾的作用是保持汽车直线行驶的稳定性，并使汽车转弯后能自动回正。但是后倾角过大会造成转向沉重，所以主销后倾角不宜过大，一般为2°～3°。赛车为了增加了行驶稳定性，普遍采用扁平率较高的轮胎，因此主销后倾角可以减小甚至接近于零。3.4.2赛车回正力矩赛车回正力矩主要包括：（1）重力引起的作用于主销内倾角，主销偏置量产生的力矩（2）侧偏力引起的作用于轮胎本身拖距产生的力矩（3）由侧偏力引起的作用于主销后倾角，主销后倾拖距产生的力矩总回正力矩B为主销间距;L为赛车轴距Gf为前轴载荷；a为主销偏置量；α为主销后倾角；β为主销内倾角；γ为车轮外倾角；δ为前轮转向角度；θ’为轮胎侧偏角,取θ’=0.0267(4.5-l)+0.0064，l为轮胎接地印迹长度；kγ为轮胎外倾刚度；kθ为轮胎侧偏刚度；μ为滑动摩擦系数；r为轮胎半径；Fy为侧偏力；Fz为前轮垂直载荷；Φ为无量纲侧偏角。b为轮胎宽度,mm；d为轮胎直径，mm；p为轮胎胎压，Mpa。l的值选用匈牙利学者科曼第推荐的半经验公式计算。3.4.3回正阻力矩回正阻力矩主要包括：（1）主销上下球头摩擦阻力矩（2）转向器逆转阻力矩（3）地面对轮胎的摩擦阻力矩总回正阻力矩K为前桥动载系数，取3；f1、f2为主销和双横臂悬架上下外球头销之间的摩擦系数，取f1=0.003，f2=0.004；r1，r2为主销上下向心轴承安装座孔半径；h为主销上下球头销之间的距离。M2’为齿轮齿条转向器的逆转阻力距，取30Nm;φ为路面附着系数。基于转向轻便性和回正性，利用Matlab进行优化，得赛车主销后倾角为3.5°，主销内倾为3°。FSAE转向梯形优化及零件设计与分析4.1转向梯形优化4.1.1确定转向梯形配合赛车独立悬架结构，采用断开式转向梯形，就是把横拉杆断开，断开的位置被称为断开点。断开式转向梯形能够保证一侧车轮上下跳动时，不会影响另一侧车轮。但是杆系增多，结构复杂，制造成本增加，前束调节困难。当转向器和梯形位于前轴两侧时，各杆件压力角较大，不利于提高转向效率，同时增加了杆件长度。考虑到转向器的空间布置问题，前轮制动卡钳放置在后侧，后侧空间较小，不利于梯形臂的布置，为避免发生干涉，采用转向器前置，转向梯形前置的布置方式。4.1.2内外侧车轮转角关系标准阿克曼转向关系不考虑侧偏角的影响，根据阿克曼转向理论，赛车转向时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，转向中心位于赛车后轴线的延长线上，此时内外侧车轮转角关系为为外轮转角，°；为内轮转角，°；B为前轮轮距，mm；L为轴距，mm内轮转角为前文计算得外轮最大转角为24.3°，代入，得图4-1标准阿克曼转向关系考虑侧偏角时的转向的关系赛车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用，车轮中心沿Y轴方向将作用有侧向力，相应地在地面上产生地面侧向反作用力即侧偏力。车轮有侧向弹性时，即使侧偏力没有到达附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面。当车轮静止不滚动时，由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎胎面接地印迹的中心线与车轮平面不重合，但轮胎胎面接地印迹的中心线仍然平行于车轮平面。当车轮滚动时接地印迹的中心线不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面平行，轮胎胎面接地印迹的中心线与车轮平面形成夹角，即侧偏角。侧偏角的大小与侧向力的大小有关。轮胎的侧偏力与侧偏角的比值称为侧偏刚度，侧偏刚度是决定操控稳定性的重要轮胎参数。轮胎的尺寸、形式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。下图为本赛季赛车使用的马牌轮胎侧偏特性示意图。图4-2马牌轮胎侧偏特性示意图标准阿克曼转向关系，转向中心位于赛车后轴线的延长线上。但实际上，由于轮胎侧偏现象的存在，导致转向中心不在后轴延长线上。采用阿克曼校正系数来描述转向关系，使得转角范围内实际的内轮转角尽量接近对应理论上的内轮转角，阿克曼系数在30%时最佳。转向关系为图4-3考虑侧偏角时的转向关系4.1.3将转向杆系与悬架进行匹配设计梯形参数采用转向器前置，转向梯形前置的布置方式。图4-4梯形参数布置图M为断开点距离，mm；N为主销间距，mm；h为前置转向器与前轴之间的距离；L1为梯形臂长度，mm；L2为横拉杆长度，mm；λ为梯形底角，°。三心定理确定断开点图解法确定断开点位置找到梯形臂与转向拉杆连接处运动轨迹的瞬时运动中心，断开点位置与之重合。（1)延长KBB与KAA，交于立柱AB的瞬心P点，由P点作直线PS。S点为转向节臂球销中心在悬架杆件(双横臂)所在平面上的投影。当悬架摇臂的轴线斜置时，应以垂直于摇臂轴的平面作为当量平面进行投影和运动分析。（2)延长直线AB与KAKB，交于QAB点，连PQAB直线。（3)连接S和B点，延长直线SB。（4)作直线PQBS，使直线PQAB与PQBS间夹角等于直线PKA与PS间的夹角。当S点低于A点时，PQBS线应低于PQAB线。（5)延长PS与QBSKB，相交于D点，此D点便是横拉杆铰接点(断开点)的理想的位置。以上是在前轮没有转向的情况下，确定断开点D位置的方法。此外，还要对车轮向左转和向右转的几种不同的工况进行校核。图解方法同上，但S点的位置变了；当车轮转向时，可认为S点沿垂直于主销中心线AB的平面上画弧(不计主销后倾角)。如果用这种方法所得到的横拉杆长度在不同转角下都相同或十分接近，则不仅在汽车直线行驶时，而且在转向时，车轮的跳动都不会对转向产生影响。双横臂互相平行的悬架能满足此要求，见图4-5和4-6。图4-5横拉杆断开点确定图根据上述方法，在三维软件中采用三心定理确定断开点的位置坐标图4-6断开点位置坐标图结合前文的数据和三心定理，考虑到转向器空间布置，避免干涉。利用Matlab编写程序，对转向梯形进行优化。图4-7转向梯形优化图虚线为标准阿克曼转向，星形线为阿克曼校正系数为30%时的转向，实线为实际内外轮转向关系。优化结果参数数值断开点距离M（mm）436转向器到前轴距离h（mm）50梯形臂L1（mm）70横拉杆L2（mm）369.7梯形底角λ（°）101.6齿条单侧行程（mm）29.12表4-1转向梯形优化结果取齿条单侧行程为30mm。图4-8内外轮转角图内外轮实际最大转角分别为24.5°和27.5°。4.2零件设计与分析方向盘设计方向盘是车手操作最频繁，最直接的赛车零部件。影响着整车操纵舒适和稳定性，重要性不言而喻。本赛季征取多位车手建议，并根据车手的握方向盘姿势与手型对方向盘握柄进行全新的设计。大赛规则对方向盘规定（1）方向盘必须与前轮机械连接。前轮禁止使用线控转向及电控转向。（2）方向盘必须通过快拆器安装在转向柱上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器。（3）方向盘在任何转角下的最高点都必须低于前环最高点。（4）前环与方向盘前的距离不得超过250mm(9.8英寸)。该距离是沿赛车中心线、从前环后端到方向盘前端水平测量得到，方向盘处于任何位置均需满足。（5）方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。禁止使用H形、8型或外轮廓有开口的方向盘。图4-9规则对方向盘规定图初定方向盘直径240mm，外轮廓采用近似椭圆形，上下轮廓趋于直线，满足规则要求。方向盘正面开有四个槽，保证车手可以握紧方向盘。（1）一组做握柄模型，第一步：制作模型；首先考虑到嵌缝膏具有明显的可塑性、成本低、可用手、施工方便等优点，所以选用嵌缝膏。将水和嵌缝膏按一定比例混合搅拌做成两块矩形，通过对其进行打磨，贴合车手的手型。为便于后期脱模，将模型分别一切为二。第二步：阴模翻制；采用玻璃纤维对模型进行阴模翻制，具有较高的性价比。首先在阳模表面打上一层脱模蜡，然后再在上面依次刷上两层胶衣，确保翻制出的阴模具有较高的表面质量同时也可进行打磨增加光滑度；其次在胶衣覆上两层玻璃纤维细布及刷上不饱和树脂。第三步：初步成型；之后用玻璃纤维粗布，石膏和不饱和树脂以1：1的比例搅拌均匀，覆盖在上面，确保阳模具有足够的强度；最后局部地方进行加固，确保阴模与阳模不发生脱离，保证阴模的质量。最后再进行脱模，适当对阴模进行表面处理。第四步：真空压层成型；用预浸布，对照模具剪裁好碳纤维并将其覆在模具表面，之后在碳纤维表面铺上一层隔离膜，再在隔离膜上附上一层吸脂棉，然后在法兰边贴好密封胶条，覆上真空袋薄膜，最后连接好导流管进行抽真空处理。第五步：做好的碳纤维握柄进行修整用dp460直接粘接在碳板上。（2）另一组通过CATIA三维软件绘画方向盘，并进行3D打印，制作两套方向盘供车手选用。将车手虚拟模型导入整车模型，大概确定方向盘位置。根据6位车手在焊接好的车架上对方向盘进行详细定位。轴承套在确定转向柱及方向盘布置方位后，沿用上一赛季利用双轴承对转向轴进行固定的设计思路对轴承套进行优化改进，考虑到轴承可能会意外滑落的情况，在轴承的外端增加卡簧槽，用卡簧对两个轴承进行限位；轴承套安装部位引用矩形槽设计，与配套设计的轴承套盖相结合，用两根长螺栓进行固定，拆装方便。轴承套考虑到与轴承过盈配合以及轻量化，故材料选用更易于加工的7075铝，而轴承套盖因要与车架前环焊接，所以材料选用中碳钢。齿条支柱齿条支柱采用分段设计，其轴心处结合直线轴承以辅助齿条轴直线运动，外围对与齿条碳管保护壳连接处进行开槽处理，对齿条壳碳管与齿轮壳的连接处也进行了半圆处理，两端都利用凹槽进行机械限位及固定。这样在节省材料实现轻量化的同时也减少了部分工序，方便拆装。支柱中间开槽设计来安装直线轴承，使齿条轴灵敏度高、精度高的平稳直线运动，减小摩擦。齿轮壳齿轮壳配合齿轮尺寸进行设计，在不影响齿轮轴与齿条啮合传动的基础上，适当减小齿轮壳尺寸和优化结构，采用双轴承固定以保证齿轮轴向运动，设置卡簧槽，利用孔用弹性挡圈对轴承进行限位；底部开孔用于转角传感器和齿轮的连接，提高转角信号采集准确度，同时便于齿轮拆装。壳体结合下沉式固定耳片，便于安装在车架吊耳上，也便于定位与拆卸。材料采用7075铝利于加工及轻量化。齿轮齿条为消除齿条加工的最小变位系数，和适度的行程量，齿轮齿数取17，相应的齿轮模数值为，一此计算得出齿轮设计参数。齿轮轴在满足强度要求的情况下,为符合要求，在其底部开槽以便安装转角传感器，从而保证测量转角数据的精确。齿条采用的是嵌入式，在满足齿条轴与齿条设计强度的条件下，将齿条和齿条轴分开设计，以便拆卸安装灵活多变，齿条通过螺栓固定在齿条轴开槽处,这样不仅可以通过再接触面增减垫片来调整齿条与齿轮间的间隙，更便于更换磨损的齿条，延长转向器使用寿命；齿条轴设计采用中间向两边逐渐缩小直径，并且使用光华圆角过度，避免过度处应力集中。齿条两端为了配合限位块连接，采用了螺纹设计，使用锁紧螺母对限位块进行轴向固定，同时使用方形凸起配和限位块的凹陷处，进行径向限位。该设计的优点是大大减小了齿条质量，同时缩短了加工工期。齿轮齿条加工材料选用的是40cr，经ANSYS通过静态分析得出最小安全系数为4.12，最大应力为195.59Mpa。符合强度要求。支柱吊耳其侧面的刨面结构贴紧于所固定钢管，更有利于定位安装且其采用稳定的三角结构，同时在保持强度一定的基础上，对其进行了轻量化设计。经ANSYS分析后，得出其最小安全系数为2.30.其表面最大的应力为108.5MPa。符合强度要求。梯形臂通过分析优化，确定梯形臂长度为70mm，梯形底角为101.5°，在CATIA中进行定位，避免与制动盘和轮辋干涉，对梯形臂外形设计，同时考虑装拆方便性，将梯形臂与立柱整体设计。结论本篇转向系统沿用可逆式齿轮齿条式转向机构。转向梯形前置，断开式梯形结构，单万向节传动布置，整体简洁轻量化设计。方向盘采用碳纤维切割成型，嵌缝膏做握柄模型进行阴模翻制，再用碳纤维进行抽真空处理并用DP460进行胶接。转向系统的整体设计布局及零部件优化，在遵循大赛规则要求的基础上，综合考虑整车尺寸配合度和性能参数，再结合车手驾驶感受进行整车转向系设计。用CATIA软件建立部件模