【《方程式转向系统设计与三维建模研究》14000字】

方程式转向系统设计与三维建模研究目录摘要 6第一章前言 81.1研究目的与意义 81.2国内外现状 81.2.1国内方程式转向系统的研究现状 81.2.2国外方程式转向系统的研究现状 91.3方程式转向系统的应用前景及发展趋势 101.4本章小结 11第二章转向系统结构及其理论 122.1转向系统分类 122.2转向系统结构 132.2.1操纵机构 132.2.2传动机构 132.2.3转向器的分类及其优缺点 142.2.4转向器的另一种分类 162.3理论基础 172.3.1转向系传动比 172.3.2转向时车轮运动规律 182.3.3转向特性 182.3.4阿克曼转向 192.3.5轮跳转向 192.3.6转向器效率 192.3.7传动间隙 202.3.8齿轮齿条转向器变速比 202.3.9轮胎的侧偏现象 212.4传动方式 212.5分析问题 212.6本章小结 21第三章设计计算部分 223.1本校赛车参数 223.2方向盘设计 233.3方向盘快拆 243.4万向节的选取 243.5转向轴的设计 243.6前轮最大转向角度 253.7转向系内外车轮转角关系 253.8转向系的力传动比 253.9校核转向系载荷 263.10转向横拉杆直径的确认 263.11齿轮齿条的设计计算 273.11.1初步估算主动齿轮轴的直径 273.11.2齿轮齿条转向器参数的选取 273.11.3齿条模数、齿条压力角 273.11.4齿条单向行程 273.11.5齿轮分度圆直径 283.11.6齿条的齿数计算z2 283.11.7齿条宽度（需圆整） 283.11.8齿轮齿条参数整合 283.12齿轮齿条的材料选择和强度校核 293.12.1材料选择 293.12.2齿轮接触疲劳强度校核 293.12.3齿轮弯曲强度校核 293.13齿轮齿条式转向器的受力分析与计算 303.14转向横拉杆设计 303.15转向传动机构的臂、杆与球头的设计 313.16图解法确定断开点 313.17转向梯形的设计 323.18本章小结 33第四章转向系统的三维建模 354.1方向盘建模 354.2快拆建模 354.3快拆花键轴建模 354.4快拆轴建模 364.5杆端轴承外螺纹M8建模 364.6M8杆端轴承建模 364.7M8球建模 374.8M8球环建模 374.9万向节十字轴建模 384.10万向节主体建模 384.11转向机壳体建模 384.12转向齿条建模 394.13下转向传动轴建模 394.14转向机固定座建模 394.15转向机固定耳盘建模 404.16转向机固定座上盖建模 404.17转向机接头转接器建模 404.18转向机装配 414.19转向拉杆建模 414.20转向横拉杆建模 414.21转向系统装配 424.22本章小结 42第五章总结与展望 435.1总结 435.2展望 43参考文献 44

摘要中国大学生方程式汽车大赛（FSC）要求参赛队伍在加速、刹车、操控性、稳定性和耐久性上都有出色的表现。电动式方程式赛车有转向系统、悬挂系统、动力系统、车架系统、刹车系统、安全系统等组成。其中，转向系统作为方程式赛车设计中的关键基础技术之一，也是赛车优异性能和赛车手安全驾驶赛车的基础保证。因此，对电动方程式赛车转向系统的研究对我校大学生方程式赛车的发展具有重要意义。转向系统除了由方向盘，转向柱，万向节，方向机等组成，此外，在转向系统中使用阿克曼转向几何也是极为重要的，竞速赛车通常速度快，抓地低，所以通常F1赛车设计需要有合适的阿克曼角，这样在高速过弯时才不会被甩开甚至侧翻而被取消比赛资格。阿克曼的设计和车辆风格以及操控性都有关系，但我们在整车设计时并不是纯粹按照阿克曼角设计的，而是在这基础上，我们对车轮转角进行一定的调整，比如赛车通常会采用的反阿克曼。关键词：方程式赛车，汽车转向，转向系统，阿克曼几何

第一章前言1.1研究目的与意义方程式赛车一直是一项丰富的运动，人们在高度优化的赛车上进行了数百万项研究。转向系统是汽车的重要的基础子系统。其作用是使驾驶员能够任意改变汽车的行驶方向以达到自己的预期意愿，并且在偏离行驶轨迹或路面遇到障碍物等状况出现时汽车也不受到影响，能够继续维持正常的行驶。机械转向系统由三个主要部件组成：转向操纵机构、转向机构和转向传动机构[1]。他的作用是保持或者改变汽车的运行方向。在汽车的操纵运行中，操纵系统能使各个转向轮保持一定的倾角关系[2]。目前，国内外学者对方程式赛车进行了大量的研究和设计，取得了一些富有阶段性、创新性的成果。本课题针对方程式赛车的转向系统进行了设计，转向的设计和制造是比赛的关键挑战之一，赛车转向系统的研究设计对赛车组装有着重要意义。1.2国内外现状1.2.1国内方程式转向系统的研究现状国内较国外起步较慢，2010年，中国汽车工程学会、中国20所大学汽车院校和易车（BITAUTO）汽车传媒集团共同联合主办了中国汽车工业协会，并吸取了国外FSC大赛的成功经验，为中国汽车行业的领导者和工程师们提供了一个全新的交流平台。虽然我国的方程式赛车赛事发展相对国外较晚一点。不过，目前该赛事也正在飞速发展。国内主要研究内容如下:(1)赛车整体结构的设计优化;(2)赛车轻量化的研究;(3)应力分析研究;(4)多刚体动力学研究。赛车转向系统的功能是改变或维持车辆的行驶方向。其功能是当车辆在行驶时，改变车辆的行驶路线，并在遇到特殊情况时，例如路遇到障碍物时或者偏离轨道时，也能继续保持赛车稳定行驶。因此，汽车转向系统的运行性能将直接关系到赛车的驾驶稳定性与安全性，因此转向系统是赛车安全至行驶的关键。许多复杂的动作都是车手转动赛车的方向盘以实现预定的车轮转向。在汽车转向系统中，最常用的是齿条齿轮式转向系统和循环球式转向系统。而赛车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。机械转向系统是车手纯靠手力操纵的转向系统。动力转向系统则为车手借助动力来操纵的转向系统。机械转向系统的全部传力构件均为机械式，包括转向操纵机构、转向机构和转向传动机构。以车手的体力作为转向能源，当驾驶员将转向力作用于方向盘时，由操作杆将转向力矩输入到转向器。从方向盘到转向传动轴，都是由动力转向系统和转向操纵机系统组成的。动力转向系统又可以分为两类：液压式和电动助力式。纯机械式转向系统作为机械式的转向系统，它通过机械力来提供产生旋转所需的全部扭矩，为了能施加足够的扭矩，所以必须采用直径较大的方向盘，这样就会占用大量的驾驶空间，从而使转向系统看起来很不方便，并且驾驶员很难操纵，因而应用的限制很大[3]。其结构简单、造价低廉、故障率低，目前用于局部转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用机械上。纯机械式转向系统，也同样适用于高速行使的方程式赛车。1.2.2国外方程式转向系统的研究现状大学生方程式赛车比赛是1979年由国际汽车工程师协会主办的，主要是针对在校本科生和研究生举办的一项大学生方程式赛车比赛。外国该类项目的起步较早，赛事发展比较成熟，经验相较国内更丰富，赛事水平已经达到了一定的高度。国外钢管结构方程式赛车的研究较先进，简单介绍如下：(1)为了进一步提高赛车轻量化水平，设计时采用了新材料和应用新工艺，以达到赛车在比赛中整体表现的不断提升的效果;(2)全面考虑人机工程学、环保、安全和方便拆装等方面对赛车总体形式进行选取，使得整车的结构布置更加安全合理;(3)通过对中央处理单元ECU的控制，达到发动机的智能控制，使发动机动力性能在不同赛况下都符合要求，让发动机的工作拥有更高效率[4]。(4)在赛车设计方面使用一些新的技术的开发，以及赛车比赛赛规的执行方面也得到完善。使用新的技术让参赛赛车水平更高，赛事水平也得以更加公平公正。汽车转向系统的发展经过三个基本阶段：纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统，其中线控转向系统是未来的发展方向[5]。汽车通用公司于1953年开始采用液压动力转向系统。80年代末，这种转向系统被进一步优化，产生了变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向(简称EHPS)系统[6]。当车辆在较高的车速下或无需转向时，泵的流量会相应地减少，有利于降低不必要的功率消耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，它能根据需要随时调整电机的转速，从而达到减少电力消耗的目的。液压助力转向系统可以降低操纵力，因此可以极大地减小方向盘在驾驶室中的占用空间，并且可以使转向系统反应更快[7]。目前，这类转向系统技术成熟，能提供更大的操纵性，因此被广泛地用于乘用车、商用车和重型汽车。然而，系统的布置和安装、密封性、系统操纵灵敏度、车辆能耗、磨损和噪音等都有一定的不足。日本铃木公司于1988年研制成功出汽车电动助力转向系统(EPS)。此后，电动助力转向技术受到重视，发展速度越来越快，其应用领域也从小型轿车向大型轿车、客车方向发展。电动助力转向系统包括转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速装置等，当车辆在启动或低速行驶时，传感器会持续地探测作用在转向柱扭杆上的转矩，并与车速信号一起被输入到电子控制器中，通过该输入信号进行处理，并决定助力转矩的方向和幅度，由此控制电动机的电流和转向，电动机将转矩传递给牵引前车轮的横向拉杆，最终实现对车辆驾驶员的辅助转向力的作用[8];为了保证车辆在高速行驶时的稳定性，EPS系统在车辆速度超过某一阈值并发生故障时，将自动从助力工作状态中脱离，转向系统进入手动转向模式。在不转向时电动机停止工作。目前汽车行业正面临着向电气化、汽车共享服务的普及和自动驾驶新移动趋势的重大转变。在自动驾驶方面，电动动力转向(EPS)系统就代表了一种新启动技术。这种技术更符合人体工程学，基于此开发了新功能，使得驾驶员在执行的转向操作过程中可以减少对驱动器施加所需的力。此外，EPS还为转向系统提供了高精度的控制，为自动驾驶打下基础。目前无人驾驶公式学生(FSD)比赛中提出了一个能够评估EPS系统的性能设计的全电动四轮驱动电动原型赛车的项目。此项目中明确该系统转向杆是基于使用滚珠螺杆对转向机架的线性驱动。而无刷直流电机驱动的皮带传动装置旋转螺母。使用建模来介绍该系统的控制技术此外，还通过灰盒识别方法对数值模型进行了调整。最后对该系统的性能进行了实验测试，在车辆上通过正弦扫描曲线和联合模拟实现无人驾驶。系统能通过跟踪能力的参考来进行评估，从而得出结果良好的驱动方案，他在2020-2022年得到运用，估计当2030年时技术趋于成熟[9]。1.3方程式转向系统的应用前景及发展趋势大学生方程式比赛的举办主要目的是：一、培养学生动手制造、设计执行、资本控制、团队合作等能力，培养学生的适应能力；二、通过各种活动，为各高校搭建交流平台，促进技术进步，营造良好的学术氛围；三、结合专业理论，加强学生的创新能力，提高学生综合素质，为学生提供实习平台，为汽车工业的可持续发展储备人才，为汽车行业注入新鲜血液。这对促进三方的交流与合作具有重大的现实意义。本课题以中国大学生方程式汽车大赛作为为研究背景，且满足《中国大学生方程式大赛规则手册》的条件下，根据本校赛车参数，在不违背赛事规则的条件下，设计具有良好的转向性能，并且结构简单、成本低、稳定性好的转向系统，并进行计算校核。对其中赛车转向系统展开的研究能够使得赛车在比赛中拥有良好的转向性能，在一定程度上采用结构简单的转向系统在满足可控制成本的前提下又可以保持良好稳定性。不同于普通汽车，在比赛中做到最高的性价比设计是方程式赛车转向系统的发展趋势。1.4本章小结本章主要讲述了转向系统在赛车中的重要性和研究意义，介绍了大学生方程式汽车大赛以及国内外对汽车转向和赛车转向的研究情况，并在最后引出本篇论文的研究内容和转向设计的发展趋势。

第二章转向系统结构及其理论2.1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2.1中所示。图2.1机械式转向系统2.2转向系统体系构造2.2.1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2.2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2.2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。2.2.2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2.3(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2.3(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2.3(c)中所示。图2.3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2.4中所示。图2.4与独立悬架匹配的传动机构2.2.3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2.5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2.5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2.6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2.6a）中所示。图2.6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2.7中所示。分为三类，即图2.7（a）圆形、图2.7（b）V型、图2.7（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2.7齿条的断面形状（3）循环球式转向器循环球式转向器如图2.8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2.8循环球式转向器2.2.4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。2.3理论基础2.3.1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=2Fd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=ωfω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=ijDfz式中，Dfz2.3.2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2.9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=co（式中：B为两主销中心间距；L为汽车的轴距。2.3.3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。2.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2.9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]。2.3.4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=BL（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]。2.3.5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]。2.3.6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。2.3.7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2.12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2.10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2.10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。2.3.8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2.11齿轮齿条转向器2.3.9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，这称为侧偏现象。2.4传动方式大多数FSAE赛车都使用了斜齿轮。啮合平稳，噪声低，重合度高，结构紧凑。但这样的装置很难生产和安装。因此，本次设计中使用了直齿轮驱动。当然，直齿也有其不足之处，与斜齿轮相比，其平顺性差，噪声大，易发生断裂。2.5分析问题按照比赛规定，方向盘应与前轮进行机械连接，不得在前轮上采用线控制和电子控制[12]。故在各参数设计合理的前提下，完全可以采用无阻力的纯机械齿轮齿条转向机完成转向任务。2.6本章小结这一章主要介绍了汽车转向系统。本文对车辆转向系统进行了简单的分类，并对各子系统的组成进行了比较详尽的描述。重点阐述了汽车的转向驱动装置和转向装置。通过比较，确定了适合本校赛车使用的转向驱动装置和转向器，并确定了转向装置的具体配置。此外，本文还对转向系传动比、转向时车轮运动规律、转向特性等基本理论进行了较为详尽的阐述。为下文的设计计算做铺垫。下文将根据车队的赛车参数，对转向系统进行设计计算，并对齿轮齿条进行强度校核和受力分析。

第三章设计计算部分3.1本校赛车参数表3.1a整车参数整车参数数值整车参数数值前轮距（mm）1190轴距（mm）1560后轮距（mm）1160最小离地间隙（mm）40长（mm）2930总质量（kg）230高（mm）1090前轴轴荷（%）48表3.1b车轮定位参数名称前轴后轴主销内倾角4°4°主销后倾角6°6.5°车轮外倾角-2°-2°车轮束角-1°0°表3.1c赛车各项性能参数表3.1d赛车各系统系统名称选型和设计动力系统四缸CBR600；6速序列式变速箱传动系统摩擦片式限滑差速器轮辋轮胎13寸OZ轮辋；205/470R13轮胎车身结构流线型；碳纤维材料车架结构钢管桁架式结构；4130钢悬架结构前后推杆式不等长双横臂结构转向系统齿轮齿条转向器制动系统4轮盘式制动；双液压回路系统前后轮定钳表3.1e悬架硬点坐标3.2方向盘设计由于比赛规定：赛车必须安装连续闭合的近圆形或近椭圆形的方向盘，为了司机的安全[6]，在旋转时，方向盘必须比前环低。另外，在比赛中，驾驶员必须要有足够的反应能力，方向盘的最大转角通常不会超过150度。因此，这个设计使用了按键来控制离合器和升降档位，在设计前就已经对驾驶员的手指进行了足够的测量。按键结构简单，易于实现，主要是采购的成品，可靠性高，不易损坏。但也很容易被触动，因此要仔细选择按键排列的地点。为了防止发生意外情况，赛车发生剧烈翻滚时，车手身体与方向盘发生摩擦碰撞，方向盘设计不宜过大。但又因为本车没有助力转向，比赛过程中需要完全依靠车手的臂力转动方向盘，因此又要求转向操纵力尽量小一点，方向盘的尺寸尽量大一点。同时为了避免在驾驶过程中，与车手的腿部发生干涉，暂定方向盘为长直径为231mm的近椭圆形，类似于图3.1。为了能够给车手提供更大的腿部空间，同时便于车手上肢发力，在满足赛事规则的条件下，方向盘的位置确尽量靠上。图3.1方向盘3.3方向盘快拆快拆是方向盘与转向柱之间的结构，其作用是为了防止发生意外时，车手被困在车内无法出来。车手可以在车内自行拆下方向盘，以此来保障车手生命安全。其结构如下图所示。

图3.2方向盘快拆3.4万向节的选取万向节传动可以分为三种：一个单十字轴万向节、双联式万向节和两个单十字轴万向节[11]。本设计采用双万向节结构。3.5转向轴的设计根据前文所述，转向操纵机构必须具有安全保护装置，以此来保护驾驶员的生命安全。本文所设计的机构如下图3.3所示，将万向节连接的两轴错开一定的角度，即可增加行驶安全性，避免驾驶员在发生车祸时的受到人身伤害，拆装也更加容易。图3.3转向轴3.6前轮最大转向角度根据表3.1c,最小转弯半径为4m。根据下列公式θ0max=arcsinLRmin式中，θ0max为外轮最大转角，L为轴距，c为主销偏移距（c为0）。取整得θ0max为23°。eq \f(2,3)3.7转向系内外车轮转角关系由阿克曼转向原理，当汽车在转弯时要确保轮胎的纯滚动运动，并且轮胎没有滑动，必须满足下式cotθ0max−cotθ计算得，内轮最大转角为33°因为车手需要根据赛道迅速得改变赛车的行驶方向。150。是方向盘最大转角。所以转角最大值取135°则角传动比：iω=△φωmax(△θimax计算得，iw3.8转向系的力传动比转向系力传动比公式为：iT=TωTh转向系的力传动比用下式计算：iT=iωη其中，ηSG为转向器效率，一般取90％；η的效率，一般取85％计算。计算得，iT3.9校核转向系载荷汽车在普通路面上的原地转向阻力矩MRMR=f3G式中，f为摩擦因数，取0.7;G1为转向轴负荷（N）;P为轮胎气压（MPa）,大小为0.1MPa。因赛车为前置后驱式，所以转向轴负荷率为46%。G1=345×9.8×46%=1555N(代入上式得：M作用在转向盘上的手力为：Fh=2L1MRL式中，L1、L2不代入数值；代入上式，得Fh转向盘扭力矩TZTZ＝Fh式中，Fh为转向盘上的手力，D代入上式，得TZ3.10转向横拉杆直径的确认dL≥4M其中，a=L2；;σ=297.1MPa,求得，dLmin=13.9mm,3.11齿轮齿条的设计计算3.11.1初步估算主动齿轮轴的直径dz≥316Mnmaxπ[τ其中，σ为材料许用切应力,Mτ=140MPa,求得dzmin3.11.2齿轮齿条转向器参数的选取小齿轮的分度圆不能过小，否则就得靠驾驶员来带动，而分度圆径过大，则会使转向装置体积增大，重量增加，这对转向装置的结构和转向装置的要求也是不利的。一般情况下，小齿轮分度圆直径在20~38mm的范围之内。小齿轮的模数通常也在2~3mm的范围中选取，切勿太细，以免造成“崩齿”。另外，齿轮传动机构的位移系数不能太大，否则会造成“卡死”。小齿轮的齿数要比大，才能防止“根切”。但是，由于齿数太多，加工困难，齿轮啮合时的啮合精度不高，所以一般选用齿轮的齿数为8~19齿。本次设计选取模数为2mm,齿轮齿数Z1=18,压力角αp=20°的直齿轮。齿轮和齿条顶高系数3.11.3齿条模数、齿条压力角由于齿轮的齿距与齿条齿距必须相同。根据公式：πm1cosα1=π正确啮合条件：m1齿条模数m2为2ｍｍ，就可以得到齿条的压力角3.11.4齿条单向行程由上文求得，转向系角传动比iω=4.7,车轮最大转角约为33°根据下列公式，可求得齿条单向行程。γ360∗πmz=L(其中，γ为小齿轮最大转过角度(155.1°)，z为齿数18，m为模数2mmL为齿条单向行程（mm）。代入数据，求得，L=48.7mm3.11.5齿轮分度圆直径分度圆直径可由下列公式求得：d1=m1z式中，m1为齿轮模数；z1为齿轮齿数；m1为2，Z1为18，3.11.6齿条的齿数计算z2

z2=2Lπm代入数据得，z2=齿条宽度（需圆整）齿条宽度公式如下：b2=φbd其中，φb为齿宽系数，取求得，齿条齿宽为28.8mm齿轮齿宽b1=b2+10求得，齿轮齿宽为38.8mm3.11.8齿轮齿条参数整合齿轮齿条参数整合名称符号公式齿轮(n=1)齿条(n=2)法向模数m—22压力角α—20°20°齿数Z—1817分度圆直径dd= 36—基圆bb=d×cosα33.8变位系数X—0—齿顶高hh22齿根高hh2.52.5齿全高hh=4.54.5齿顶圆直径dd40—齿根圆直径dd31—螺旋角β—0°0°齿宽b—38.828.83.12齿轮齿条的材料选择和强度校核3.12.1材料选择[15]齿轮、齿条：20Cr调质263HBS3.12.2齿轮接触疲劳强度校核齿面接触疲劳极限σH安全系数SHlim=[σH]=σHlimZ《机械设计手册》[16]查得：KKKKK=KAKv齿面接触疲劳强度校核：σH=ZEZ式中，ZH取2.5；ZE取189.8；Zε取1.3；U将数据代入得，σ明显，σH3.12.3齿轮弯曲强度校核齿根应力修正系数安全系数寿命系数YσF=σFlimYσF=2KTZ式中，YF为外齿轮的齿形参数，取2.9；YS为外齿轮根切应力修正系数，取1.53；Yε将数据代入得，σ明显，σF3.13齿轮齿条式转向器的受力分析与计算法向力Fn正交于齿面。它可以分解为径向力Fr、圆周力Ft和轴向力F图3.4齿轮齿条式转向器的受力分析Ft=2TzdFr=FttanαFa=Fttanβ=0NFn=Ftcos式中α为齿轮压力角，20；β为齿轮螺旋角，0°；Tz为转向盘扭力矩，10695.3N∙mm；3.14转向横拉杆设计转向横拉杆如下图3.5所示：图3.5转向横拉杆外接头转向横拉杆参数项目符号尺寸参数横拉杆总长L156横拉杆直径+14外接头总长L44球头销螺纹公称直径dM8×1外接头螺纹公称直径dM8×1内接头螺纹公称直径dM8×13.15转向传动机构的臂、杆与球头的设计棒材为20钢，具有良好的刚度和重量。球形销轴和轴套采用低碳合金钢，经渗碳和淬火，由钢材35制作[17]。3.16图解法确定断开点从图3.6可以看出，在z轴方向上离地1/3轮胎直径左右的高度上，存在转向梯形前置时节臂点最佳位置，节臂点y、z坐标可在正视图中初步确定[18]。图3.6图解法1节臂点位置确定后，在正视图中结合悬架几何，根据三心定理，作图找出断开点y，z坐标。延长EC与GD，交于EG的瞬心P1点。延长GE与DC交于P2点，连接P1连接UP1，测出UP1与GP1延长UE至P3，使P1P3与延长P3C与UP1交于点T图3.7图解法23.17转向梯形的设计如图3.8中所示，当车辆转向左侧时，方向盘旋转，齿条向左侧移动，使得左侧和右侧的杠杆系统发生不一样的运动，使得左侧和右侧的车轮得到了不同转动角度[18]。。当车往左转向时，将齿条向左的位移量设为S[18]。图3.8转向梯形这时，外轮轴：由右横拉杆带动右梯形臂，使之旋转角度为θ0，由此得出外轮转角θ0与齿条冲程SS=L1cosγ−θ0+θ0=γ−arctan2hK−内轮由左横向拉杆带动左梯形臂，转过角度θi后，可得到内轮转角θi与齿条行程S=K−M2−Lcos(γ+θi=arccosL12其中，横拉杆长度L2与hL2=[K−M2把公式（3.16a）.16e）结（3.16d）（3合可以将内轮转角θi表示为外轮转角θθi=F(θ0反之，内轮转角θi的函数可以由外轮转角θ0θ0=φ(θi)3.18本章小结本章在参考各类资料和第二章理论知识的基础上，对整个转向系统进行设计计算。本章首先在参考各类资料的前提下，对方向盘、快拆、万向节、转向轴等进行简单设计。然后，根据本校车队的赛车参数以及公式，得到了最大转角、力传动比、转向系负载等参数。然后，基于所选的齿轮齿条模数和齿数，进行了其他参数的设计与计算，并对其进行了强度检验与受力分析，以保证有足够的强度，避免出现问题。最后，本章还对转向系统的内外车轮转角关系以及断开点进行设计分析。后文将会在此章的基础上，用三维软件CATIA画出转向系统的各个零部件，并展示整个转向系统的装配图。第四章转向系统的三维建模4.1方向盘建模方向盘如下图4.1所示：图4.1FSC赛车的方向盘采用碳纤维制作，硬度高、质量轻，符合赛车轻量化的设计理念。4.2快拆建模快拆如下图4.2所示：图4.24.3快拆花键轴建模快拆花键轴如下图4.3所示：图4.34.4快拆轴建模快拆轴如下图4.4所示：图4.44.5杆端轴承外螺纹M8建模杆端轴承外螺纹M8如下图4.5所示：图4.54.6M8杆端轴承建模M8杆端轴承如下图4.6所示：图4.64.7M8球建模M8球如下图4.7所示：图4.74.8M8球环建模如下图4.7所示：图4.84.9万向节十字轴建模如下图4.9所示：图4.94.10万向节主体建模如下图4.10所示：图4.104.11转向机壳体建模如下图4.11所示：图4.114.12转向齿条建模如下图4.12所示：图4.124.13下转向传动轴建模如下图4.13所示：图4.13下转向轴同样采用7075铝制成。4.14转向机固定座建模转向机固定座如下图4.14所示：图4.144.15转向机固定耳盘建模转向机固定耳盘如下图4.15所示：图4.154.16转向机固定座上盖建模转向机固定座上盖如下图4.16所示：图4.164.17转向机接头转接器建模转向机接头转接器如下图4.17所示：图4.174.18转向机装配转向机如下图4.18所示：图4.184.19转向拉杆建模下图4.19所示：图4.194.20转向横拉杆建模转向横拉杆如下图4.20所示：图4.20为了减轻转向横拉杆重量，采用4130钢管。4.21转向系统装配转向系统如下图4.21所示：图4.214.22本章小结本章根据第三章的设计计算数据，使用SOLIDWORKS三维软件进行了三维建模，主要为转向系统的各个零部件，并展示了每个零部件的三维图，并将他们装配起来制成了转向系统总体模型。

第五章总结与展望5.1总结本设计主要针对大学生方程式赛车的转向系统进行了设计