【《赛车转向系统的结构及其理论基础综述》3900字】

PAGE8赛车转向系统的结构及其理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u14668赛车转向系统的结构及其理论基础综述 165741.1转向系统分类 1307111.2转向系统体系构造 2118441.1.1操纵机构 2270251.1.2传动机构 3266171.1.3转向器的分类1 4151121.1.4转向器的分类2 6310981.3理论基础 6286631.3.1转向系传动比 6115061.3.2转向时车轮运动规律 7130201.3.3转向特性 7204781.3.4阿克曼转向 8316551.3.5轮跳转向 81101.3.6转向器效率 9266301.3.7传动间隙 9266031.3.8齿轮齿条转向器变速比 9150731.3.9轮胎的侧偏现象 1097261.4传动方式 10258231.5分析问题 101.1转向系统分类赛车转向系统主要包括机械转向系统和助力转向系统。但是由于比赛规则[10]，无法使用动力转向系统，仅可选用第一种完全由机械驱动的转向系统。机械转向系统是车手纯靠手力操纵的转向系统。而动力转向系统式车手借助动力来操纵的转向系统。机械转向系统的全部传动元件均为机械式，包括转向操纵机构、转向机构和转向机构。以驾驶员的身体素质为动力，在驾驶员将转向力作用于方向盘时，由操纵杆将转向力矩注入操纵杆。从方向盘到转向传动轴，都是由转向系统和转向控制系统组成的。动力转向系统可以分为两类：液压式和电动式。该转向系统配有助力器，司机在转向上会比较容易。本系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成，其结构如图1.1中所示。图1.1机械式转向系统1.2转向系统体系构造1.1.1操纵机构操纵机构负责起到把转向盘的力传至转向器的作用。转向操纵机构可以根据适应不同赛车驾驶员来进行自行调节。且其中还装有安全保护装置来保护赛车驾驶员，在发生意外事故时可发挥作用降低驾驶员受到的伤害和减小损失。常见的安全保护装置如图1.2中所示。这种设备把转向轴分为两个部分，一个是上部的，一个是下部的。在遇到强烈撞击时，转向轴会自行脱离，从而保证司机的安全。图1.2安全保护装置（1）万向节万向节指的是利用球形等装置以实现不同方向的轴动力输出的零件，它也是车辆上的一个很重要部件[11]。而此次的设计，则是采用了双联式万向节的传动方式。与单十字轴万向节相比，双联式万向节具有更大的轴间夹角，结构简单，制造方便，工作可靠，效率高。1.1.2传动机构该转向装置的作用是将转向装置的动力和动力传递到转向节上，使左右两侧的车轮产生偏转，使两侧车轮的倾角发生变化，以保证在转弯时车辆与地面的相对滑动最小。与非独立悬架相关的转向传动机构是由转向摇臂2、转向直拉杆3、转向臂4、转向梯形等组成。当前桥只有一个转向桥时，前桥后面通常都有一个转向梯形结构，即一个由左、右梯形臂5构成的转向梯形，如图1.3(a)中所示。当转向轮处于与车辆直线行驶相应的中立位置时，在平行于路面的水平表面上，梯形臂5和横杆6的交叉角大于90度。当引擎处于低位置时，为了防止车辆的运动受到干扰，一般将转向梯形置于前桥前方，此时的交叉角小于90度，如图1.3(b)中所示。当转向摇杆在与道路平行的水平方向上不会在汽车的纵向平面上来回摆动。那么，可以将所述的左右方向的直拉杆3横向地布置，并通过球销来直接驱动所述的操纵横杆6，由此使所述的两个梯形臂旋转，如图1.3(c)中所示。图1.3与非独立悬架匹配的传动机构与独立悬架匹配的传动机构，使得转向车轮都能相对于车身独立地运动。转向梯形也可分成二或三个部分，如图1.4中所示。图1.4与独立悬架匹配的传动机构1.1.3转向器的分类1转向器工作原理是将扭矩放大，从而克服转向阻力，从而带动车轮旋转，从而达到整体的转向效果。常见的有蜗杆式转向器、齿条式转向器、循环转向器、蜗杆转向器等。（1）蜗杆曲柄式转向器图1.5中为蜗杆曲柄式转向器。由于其效率低，啮合间隙调整困难，所以很少使用蜗杆曲柄传动机构。图1.5蜗杆曲柄式转向器（2）齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器可分成两端输出型和中间输出型两种。如下图1.6中所示，a图和b图是两端输出，c图和d图是中间（只一端）输出。本校赛车的转向系统是两端输出式齿轮条式转向器，如图1.6a）中所示。图1.6齿轮齿条式转向器其优点：结构简单，造价成本低廉，传动效率可超过90%，并且能实现齿间间隙的自动消除。其缺点：逆效率较高，能够达到60%至70%。因此，在崎岖不平的路况下，路面对车轮的力会被转移到方向盘上，形成“打手”。齿条的断面形状如图1.7中所示。分为三类，即图1.7（a）圆形、图1.7（b）V型、图1.7（c）Y型三类。由于圆形断面制造容易，成本低性价比高，因此本赛车采用了圆形断面形状的齿条。图1.7齿条的断面形状（3）循环球式转向器循环球式转向器如图1.8中所示。其优点主要为：耐磨、布置方便、工作平稳可靠、寿命长[8]。但其也有缺点：制造工序复杂，成本高，容易出现“打手”现象。图1.8循环球式转向器1.1.4转向器的分类2转向器又可分为可逆式转向器、极限可逆式转向器和不可逆式转向器[12]。可逆式转向器有自动调节回正功能。但缺点也很明显，如果长时间在崎岖不平的路段上行驶，就会产生“打手”的情况，使车手长期处于高度压力下，会影响比赛状态产生疲劳，从而造成事故。不可逆式转向器具有零逆效率特点。转向装置会受到地面上的撞击，长久以来，会造成部件的损伤。此外，该系统无法自动调整轮子和方向盘，从而增加了驾驶的危险。所以，通常不会被采纳。极限可逆式转向器则介于两者之间，它具有低逆效率特点。这种转向器在车轮受到撞击时，仅会把很少的力量传递给方向盘。通过这种方法，司机在崎岖不平的道路上行驶很久，不会有太大的压力和疲劳感，从而保证车辆在较长的一段时间内安全行车。而且，由于长时间的碰撞，转向装置也不需要频繁的更换。也就是这类转向装置具有以上两种类型的优势。1.3理论基础1.3.1转向系传动比（1）转向系的力传动比地面对两个转向轮上的合力2Ｆｄ与作用在方向盘上的受力Ｆｆ之比，称为转向力传动比i1由公式可知，转向越轻便，i1（2）转向系角传动比方向盘角速度ωｆ与同侧车轮偏转角ωｃ之比，称为转向系角传动比ij根据公式可知，转向越灵敏,角传动比越小。（3）两者之间的关系转向系的力传动比与角传动比则有以下关系：ip=式中，Dfz1.3.2转向时车轮运动规律在车辆转弯时，要实现四个轮子在同一瞬间的转向中心转动，必须使前后轮子的转角符合下列公式，以确保不打滑的纯粹滚动。在图1.9中可以看到。从图表中可以看出，在车辆转弯时，内车轮轮的偏转角β大于外车轮的偏转角α。两角度的关系如下式所示：cotαtβ+BL式中：B为两主销中心间距；L为汽车的轴距。1.3.3转向特性汽车转弯时，有可能会出现以下三种转向情况[13]。1.不足转向：汽车转弯半径逐渐增大，做向外偏离的运动。1.过多转向：汽车转弯半径逐渐减小，做向内偏离的运动。3.中性转向：汽车转弯半径没有发生变化，一直沿着圆周轨迹运动。图1.9转向时车轮运动规律当转向不足时，司机会和车辆一样有同样的动作感觉。过度转向时，驾驶者的动作感觉和车辆不协调，会造成驾驶者重心向内倾斜，从而使驾驶员很难向后转方向盘[4]。1.3.4阿克曼转向为使四个轮子在转向时都能绕着同一瞬间的方向转动，前后轮子的转角必须符合以下公式，以确保不打滑的纯粹滚动。cotα−cotβ=B阿克曼转向时，因车辆实际转弯半径的差异，导致前轴外侧轮转角，即α＜β。阿克曼转向按内轮转角的关系可划分为正阿克曼、平行阿克曼和反阿克曼三类。内侧大于外侧为正阿克曼，相等为阿克曼，内侧小于外侧为反阿克曼[1]。阿克曼率=转向轮实际转角差阿克曼率是正的阿克曼，零即是阿克曼，负的是阿克曼。FSAE阿克曼在0-70%的范围内[1]。1.3.5轮跳转向轮跳转向是指当车轮在车身上、下、下运动时，轮子围绕着主销旋转。在悬挂侧视图中，上、下、横拉三条直线相交。在后悬挂，也就是横杆，也就是第五杆，一般是把第五杆和下面的操纵杆设置在同一水平面上。因此，从侧视图来看，第五杆和下控制臂是一条直线，也就是上、下、第五杆总是“三线合一”，这样，悬挂和轮子就可以被看成是四杆机构，轮子可以“纯”地上下运动，而不会围绕着主销产生任何偏移。然而，在前悬架中，由于布局空间的问题，不能使操纵横杆与下操纵臂处于同一水平面上，因此，即使在某个位置上能够实现“三线合一”，也不能在整个动作中达到这一要求。当三种情况不能同时发生时，前轮就像是车身在上下移动一样，导致轮子围绕着主销旋转[14]。1.3.6转向器效率动力通过转向轴输入，通过摇杆的输出得到的能量是正向的。相反的就为反向的效率。1.3.7传动间隙顾名思义，就是指变速器中的传动副之间的空隙。它的特征在图1.12中大体显示。当方向盘角度发生变化时，这个变化就是指转向机构的传动副的传动间隙。[6]。图1.10传动间隙传动副的传动间隙特性应该被设计成在离开中间位置之后具有如图1.10中所示的逐渐增大的形状。其中，曲线1为转向器在磨损前的变化曲线，曲线2为磨损后的变化曲线，曲线3为消除间隙后的变化曲线。1.3.8齿轮齿条转向器变速比齿轮在模数m1和压力角α1变化的情况下，在齿条上与模数m2变化、压力角α2变化的齿条啮合图1.11齿轮齿条转向器1.3.9轮胎的侧偏现象在车辆的行驶中，由于道路的倾斜，车辆会在沿轴方向受到一个侧向力，根据牛顿第三定律，车轮将会承受来自地面的侧向反作用力，也就是所谓的侧偏力。当轮胎受到侧偏力的作用时，轮胎在其自身平面上的的运动方向发生偏移，这