FSAE转向组设计报告

FSAE转向组设计报告
作者：吴帅
2012/4/11
前言
汽车产品的质量检测具有重大的社会意义。

转向器作为汽车的一个重要部件，对其综合性能进行检测直接关系到人民的生命财产安全。

根据汽车安全性统计,，全世界每年因交通事故死亡的人数超过20万，加之几倍于死者的受伤者以及物质上的损失，其直接或间接的危害是难以估计的。

在我国，由于交通管理技术落后、路况差、车辆性能差，加之各类车辆混合行驶，交通事故时有发生。

近年来，我国交通事故死亡人数居世界前几位，每万辆车平均事故居大国中第一位。

交通事故己成为一个严重的社会问题。

概括交通事故的原因，不外乎人、汽车和环境三个因素。

显而易见，提高汽车的安全性能是减少交通事故的关键措施之一，因此，汽车工业发达的国家都非常重视汽车安全性的研究。

目前汽车工业己成为我国的支柱产业之一，所以，为了提高汽车的质量，保证行驶的安全性，在大力发展我国的汽车工业的同时，这就要求生产厂家对每一批产品必须进行质量检测，而其中转向器是汽车维持驾驶员给定方向稳定行驶能力(即操纵稳定性)的基本保障，所以汽车转向器综合性能试验成了汽车性能测试中的一个重要项目。

由于汽车转向器属于汽车系统中的关键部件，它在汽车系统中占有重要位置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为了衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。

近年来随着我过汽车工业的迅猛发展，作为汽车的重要安全部件—汽车转向器的生产水平也有了很大的提高。

在汽车转向器生产行业里，70年代推广循环球转向器，80年代开发和推广了循环球变传动比转向器，到了90年代，驾驶员对汽车转向器性能的要求有了进一步的提高，要求转向更轻便，操纵更灵敏。

随着汽车的高速比和超低压扁轮胎的通用化，过去的采用循环球转向器和循环球变传比转向器只能相对的解决转向轻便性和操纵灵敏性问题，现在虽然转向器以向动力转向发展，但大部分汽车还应用机械型转向器，如何改进转向器的设计，使之更加适合驾驶者，是最重要的，因此还需不断改进。

Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Automotive
Engineers 简称SAE）主办。

SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程
协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。

Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980 年在美国举办了第一届赛事。

比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。

目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。

赛车转向系统组成
机械转向系统
FSAE赛车转向系统不使用任何助力系统，其结构原理类似于普通汽车的转向系统。

下面以普通汽车转向系统为例进行原理分析。

驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器。

从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。

经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。

这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

转向操纵系统
转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。

转向传动机构
两种转向梯形：前梯形，后梯形。

不同位置的力作用点。

FSAE赛车的转向机作用力都在正中间。

附：纯阿克曼转向
2012赛车转向系统设计理念及目标
对于今年的转向系统，工作重点总结如下：
1.继续使用齿轮齿条式转向器
2.转向机采用自己加工的齿轮齿条式转向器，节约成本减轻重量。

3.重新设计与车架的连接，计划采用螺栓连接。

4.转向梯形采用平行转向梯形，非纯正阿克曼，筛选最优梯形。

5. 增加转向横拉杆等等部分的受力分析，确保可靠性。

6. 保证良好传力特性。

7. 安装限位装置。

转向系要求
（1） 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小半
径转弯的能力，同时操作轻便
（2） 汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑;
（3） 传给转向盘的反冲要尽可能的小;
（4） 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态;
（5） 发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时，转向系统
最好有保护机构防止伤及乘员。

整体设计方案
（一）转向梯形机构的设计
理想状态下汽车转弯时内外侧车轮转角关系
如 错误！未找到引用源。

所示，在汽车转向行驶时，为了避免产生路面对汽车行驶的附加阻力以及轮胎过快磨损，要求转向系统能保证汽车所有车轮均作纯滚动。

显然，这只有在所有车轮的轴线都相交于一点时方能实现。

此交点O 称为转向中心。

如 错误！未找到引用源。

所示，对于两轴车辆，内转向轮偏转角β应大于外转向轮偏转角α。

在车轮为绝对刚体的假设条件下，角β与角α的理想关系式应为：
L B /cot cot +=βα
其中：---B 两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；
---L 汽车轴距。

上述在汽车转弯时内外侧车轮理想的转角关系称为Ackermann 转向关系式。

为此，必须精心确定转向传动机构中转向梯形的几何参数。

但是迄今为止，所有汽车的转向梯形实际上都只能设计得在一定车轮偏转角范围内，使两侧车轮偏转角的关系大体接近于理想关系。

由转向中心O 到外侧转向轮与地面接触点的距离称为汽车转弯半径R 。

由 错误！未找到引用源。

可见汽车的最小转弯半径为：
max min sin αL R =
本次采用的平行转向近似取α=β
两种形式的梯形选择
内凹式：该布置方案所占用的空间比较大。

赛车所采用的轮辋尺寸较小，深度较大，同时由于该结构中转向拉杆向外凸起，在赛车转弯较大时转向拉杆与轮辋容易碰撞，发生运动干涉。

外凸式：该方案所占用的空间小，同时由于该方案中拉杆向内收敛，在赛车较大的转弯时不易与轮辋发生运动干涉。

同时转向机位于前轴轴线附近，转向机的安装方便。

由上面的总结，结合赛车自身和特点，采用凹式、后置式转向梯形是一种最佳的选择。

该方案结构紧奏，尺寸较小，容易协调运动干涉，便于在赛车上使用，且布置比较方便，故本次设计采用此方案。

转向系统设计需要解决的参数
本赛车所用转向梯形为六连杆机构，在设计时需要全部设计所有的连杆长度。

如 错误！未找到引用源。

所示，所有要设计的参数如下：
转向节臂长1L ---
转向拉杆长2L ---
转向机齿条长3L ---
转向梯形高H ---
转向机齿条的移动距离L ∆---
转向系统关键参数的确定
在转向系统设计时，需要用到的已知参数如下：
赛车轮距（两侧主销轴线与地面相交点之间的距离）为：mm B 1300=；
赛车轴距为：mm L 1550=；
根据比赛规则，赛车的最小转弯半径：m R 4min =；
转向梯形相关参数的确定方法与过程
图 1、计算用转向梯形尺寸图
现以赛车向左转为例来分析其转弯时的内外侧车轮的运动关系。

如 图 1、计算用转向梯形尺寸图 所示，当赛车转弯时，其内外则车轮的转角关系可表示如图所示。

求内侧车轮的转角值
由几何关系不难得出下式成立： ()()2
222sin sin cos cos Lk a b Lk a b a a --+∆=-'-+'+-θααθ
由此式解出α'，则内轮的转角可表示为：αθα'-=；
求外侧车轮转角值
外轮转角的求法分两种情况来求：
当转向器齿条的行程较小时，有： ()222
2sin cos Lk b Lk a b a ----+≤∆θθ ()()2222sin sin cos cos Lk a b Lk a b a a -'-+∆=--+'-βθβθ
由此式解出β'，则外轮的转角可表示为：θββ-'=；
当转向器齿条行程较大时，有： ()222
2sin cos Lk b Lk a b a ----+>∆θθ ()()2
222sin sin cos cos Lk a b Lk a b a a -'-+∆=--+'+βθβθ 由此式解出β'，则外轮的转角可表示为：θβπβ-'-=，此时的外车轮情况如 图 2、外轮转角过大 所示：
图 2、外轮转角过大
转向梯形中各变量的取值范围的确定
a 的取值受到轮辋尺寸的限至，可取范围定为：10mm~160mm ；
转向梯形初始底角θ的限至：10度~90度；
转向器轴线到前轴轴线距离的范围受a 及转向梯形底角的限至：
θsin ,0max min a Lk Lk ==；
转向梯形横拉杆的长度受到肖轮轮距、a 、初始底角、转向器尺寸LL 以及Lk 的限至：()22
max min sin 2cos 2,sin Lk a LL a K b Lk a b -+⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-=θθθ
齿条行程受到a 、b 、Lk 、以及θ的限至： ()()2
222max min sin cos ,0Lk a b a Lk b a -----+=∆=∆θθ
同时，∆的值截止到≤βsin /L 最小转弯半径处；
优化条件
如 图 3、转向梯形优化条件图示 所示，转向理论特征线是一条直线，其斜率为：K L K /2=理论，转向的实际特征线为一条曲线，其参数方程如下：
在几何关系得：
])2/1/[(tan ]
)2/1/[(tan x S y x S y +=-=βα
整理得：
βαβαβαβαtan tan tan *tan *)
tan (tan *2)
tan (tan +=+-=S y S x
图 3、转向梯形优化条件图示
根据最小二程法将这两条实际特征曲线化成一条近似的直线，其斜率如下：
n i x y x K i i i
至实际1,2
==∑∑，
实际特征线的斜率与理论特征线的斜率相差最小：
||理实K K k -=δ最小。

所以，在实际优化计算时，以上式作为最优选择条件。

计算步长的选取
考虑到在装配时不可能精确到度及毫米，所以在求解过程中将长度的步长定为了5mm ，将角度的步长定为1度。

编写程序计算
本转向梯形的设计计算过程是通过C++语言进行的，程序符着在符件内，运行平台：Microsoft Visual Studio 2008。