1、2012/4/11FSAE轉向組設計報告作者：吳帥前言汽車產(chǎn)品的質量檢測具有重大的社會意義。轉向器作為汽車的一個重要部件，對其綜合性能進行檢測直接關系到人民的生命財產(chǎn)安全。根據(jù)汽車安全性統(tǒng)計,，全世界每年因交通事故死亡的人數(shù)超過20萬，加之幾倍于死者的受傷者以及物質上的損失，其直接或間接的危害是難以估計的。在我國，由于交通管理技術落后、路況差、車輛性能差，加之各類車輛混合行駛，交通事故時有發(fā)生。近年來，我國交通事故死亡人數(shù)居世界前幾位，每萬輛車平均事故居大國中第一位。交通事故己成為一個嚴重的社會問題。概括交通事故的原因，不外乎人、汽車和環(huán)境三個因素。顯而易見，提高汽車的安全性能是減少交通事故的

2、關鍵措施之一，因此，汽車工業(yè)發(fā)達的國家都非常重視汽車安全性的研究。目前汽車工業(yè)己成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，所以，為了提高汽車的質量，保證行駛的安全性，在大力發(fā)展我國的汽車工業(yè)的同時，這就要求生產(chǎn)廠家對每一批產(chǎn)品必須進行質量檢測，而其中轉向器是汽車維持駕駛員給定方向穩(wěn)定行駛能力(即操縱穩(wěn)定性)的基本保障，所以汽車轉向器綜合性能試驗成了汽車性能測試中的一個重要項目。由于汽車轉向器屬于汽車系統(tǒng)中的關鍵部件，它在汽車系統(tǒng)中占有重要位置，因而它的發(fā)展同時也反映了汽車工業(yè)的發(fā)展，它的規(guī)模和質量也成為了衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。近年來隨著我過汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，作為汽車的重要安全部件汽車轉向器的生產(chǎn)

3、水平也有了很大的提高。在汽車轉向器生產(chǎn)行業(yè)里，70年代推廣循環(huán)球轉向器，80年代開發(fā)和推廣了循環(huán)球變傳動比轉向器，到了90年代，駕駛員對汽車轉向器性能的要求有了進一步的提高，要求轉向更輕便，操縱更靈敏。隨著汽車的高速比和超低壓扁輪胎的通用化，過去的采用循環(huán)球轉向器和循環(huán)球變傳比轉向器只能相對的解決轉向輕便性和操縱靈敏性問題，現(xiàn)在雖然轉向器以向動力轉向發(fā)展，但大部分汽車還應用機械型轉向器，如何改進轉向器的設計，使之更加適合駕駛者，是最重要的，因此還需不斷改進。Formula SAE 賽事由美國汽車工程師協(xié)會（the Society of AutomotiveEngineers 簡稱SAE）主辦。

4、SAE 是一個擁有超過60000 名會員的世界性的工程協(xié)會，致力與海、陸、空各類交通工具的發(fā)展進步。Formula SAE 是一項面對美國汽車工程師學會學生會員組隊參與的國際賽事，于1980 年在美國舉辦了第一屆賽事。比賽的目的是設計、制造一輛小型的高性能賽車。目前美國、歐洲和澳大利亞每年都會定期舉辦該項賽事。賽車轉向系統(tǒng)組成機械轉向系統(tǒng)FSAE賽車轉向系統(tǒng)不使用任何助力系統(tǒng)，其結構原理類似于普通汽車的轉向系統(tǒng)。下面以普通汽車轉向系統(tǒng)為例進行原理分析。駕駛員對轉向盤施加的轉向力矩通過轉向軸輸入轉向器。從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零件即屬于轉向操縱機構。經(jīng)轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向

5、橫拉桿，再傳給固定于轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支承的轉向輪偏轉，從而改變了汽車的行駛方向。這里，轉向橫拉桿和轉向節(jié)臂屬于轉向傳動機構。轉向操縱系統(tǒng)轉向操縱機構由方向盤、轉向軸、轉向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器。轉向傳動機構兩種轉向梯形：前梯形，后梯形。不同位置的力作用點。FSAE賽車的轉向機作用力都在正中間。附：純阿克曼轉向2012賽車轉向系統(tǒng)設計理念及目標對于今年的轉向系統(tǒng)，工作重點總結如下：1. 繼續(xù)使用齒輪齒條式轉向器2. 轉向機采用自己加工的齒輪齒條式轉向器，節(jié)約成本減輕重量。3. 重新設計與車架的連接，計劃采用螺栓連接。4. 轉向梯形采用平行轉向

6、梯形，非純正阿克曼，篩選最優(yōu)梯形。5. 增加轉向橫拉桿等等部分的受力分析，確保可靠性。6. 保證良好傳力特性。7. 安裝限位裝置。轉向系要求（1） 保證汽車有較高的機動性，在有限的場地面積內，具有迅速和小半徑轉彎的能力，同時操作輕便（2） 汽車轉向時，全部車輪應繞一個瞬時轉向中心旋轉，不應有側滑;（3） 傳給轉向盤的反沖要盡可能的小;（4） 轉向后，轉向盤應自動回正，并應使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài);（5） 發(fā)生車禍時，當轉向盤和轉向軸由于車架和車身變形一起后移時，轉向系統(tǒng)最好有保護機構防止傷及乘員。整體設計方案（一）轉向梯形機構的設計理想狀態(tài)下汽車轉彎時內外側車輪轉角關系如 Error!

7、Reference source not found. 所示，在汽車轉向行駛時，為了避免產(chǎn)生路面對汽車行駛的附加阻力以及輪胎過快磨損，要求轉向系統(tǒng)能保證汽車所有車輪均作純滾動。顯然，這只有在所有車輪的軸線都相交于一點時方能實現(xiàn)。此交點稱為轉向中心。如 Error! Reference source not found. 所示，對于兩軸車輛，內轉向輪偏轉角應大于外轉向輪偏轉角。在車輪為絕對剛體的假設條件下，角與角的理想關系式應為：其中：兩側主銷軸線與地面相交點之間的距離； 汽車軸距。上述在汽車轉彎時內外側車輪理想的轉角關系稱為Ackermann轉向關系式。為此，必須精心確定轉向傳動機構中轉向梯形

8、的幾何參數(shù)。但是迄今為止，所有汽車的轉向梯形實際上都只能設計得在一定車輪偏轉角范圍內，使兩側車輪偏轉角的關系大體接近于理想關系。由轉向中心到外側轉向輪與地面接觸點的距離稱為汽車轉彎半徑。由 Error! Reference source not found. 可見汽車的最小轉彎半徑為：本次采用的平行轉向近似取=兩種形式的梯形選擇內凹式：該布置方案所占用的空間比較大。賽車所采用的輪輞尺寸較小，深度較大，同時由于該結構中轉向拉桿向外凸起，在賽車轉彎較大時轉向拉桿與輪輞容易碰撞，發(fā)生運動干涉。外凸式：該方案所占用的空間小，同時由于該方案中拉桿向內收斂，在賽車較大的轉彎時不易與輪輞發(fā)生運動干涉。同時轉

9、向機位于前軸軸線附近，轉向機的安裝方便。由上面的總結，結合賽車自身和特點，采用凹式、后置式轉向梯形是一種最佳的選擇。該方案結構緊奏，尺寸較小，容易協(xié)調運動干涉，便于在賽車上使用，且布置比較方便，故本次設計采用此方案。轉向系統(tǒng)設計需要解決的參數(shù)本賽車所用轉向梯形為六連桿機構，在設計時需要全部設計所有的連桿長度。如 Error! Reference source not found. 所示，所有要設計的參數(shù)如下：轉向節(jié)臂長轉向拉桿長轉向機齒條長轉向梯形高轉向機齒條的移動距離轉向系統(tǒng)關鍵參數(shù)的確定在轉向系統(tǒng)設計時，需要用到的已知參數(shù)如下：賽車輪距（兩側主銷軸線與地面相交點之間的距離）為：；賽車軸距為

10、：；根據(jù)比賽規(guī)則，賽車的最小轉彎半徑：；轉向梯形相關參數(shù)的確定方法與過程圖 1、計算用轉向梯形尺寸圖現(xiàn)以賽車向左轉為例來分析其轉彎時的內外側車輪的運動關系。如 圖 1、計算用轉向梯形尺寸圖 所示，當賽車轉彎時，其內外則車輪的轉角關系可表示如圖所示。求內側車輪的轉角值由幾何關系不難得出下式成立：由此式解出，則內輪的轉角可表示為：；求外側車輪轉角值外輪轉角的求法分兩種情況來求：當轉向器齒條的行程較小時，有：由此式解出，則外輪的轉角可表示為：；當轉向器齒條行程較大時，有：由此式解出，則外輪的轉角可表示為：，此時的外車輪情況如 圖 2、外輪轉角過大 所示：圖 2、外輪轉角過大轉向梯形中各變量的取值范圍的確定a的取值受到輪輞尺寸的限至，可取范圍定為：10mm160mm；轉向梯形初始底角的限至：10度90度；轉向器軸線到前軸軸線距離的范圍受a及轉向梯形底角的限至：；轉向梯形橫拉桿的長度受到肖輪輪距、a、初始底角、轉向器尺寸LL以及Lk的限至：齒條行程受到a、b、Lk、以及的限至：同時，的值截止到最小轉彎半徑處；優(yōu)化條件如 圖 3、轉向梯形優(yōu)化條件圖示 所示，轉向理論特征線是一條直線，其斜率為：，轉向的實際特征線為一條曲線，其參數(shù)方程如下：在幾何關系得：整理得：圖 3、轉向梯形優(yōu)化條件圖示根據(jù)最小二程法將這兩條實際特征曲線化成一條近似的直線，其斜率如下：，實際特征線的