赛车转向系统的设计方案

赛车转向系统的设计方案
李宏昌
转向系统的主要任务是：1.设计合适的断开点以使悬架跳动对转向的影响尽
可能小。

2.设计合适的转向梯形以使内外转角尽可能符合理
论阿克曼曲线。

设计过程如下：
1.确定转向机的布置形式
前置，下置,断开式梯形前置。

2.转向系角传动比的确定
由最小转弯半径确定了最大外轮转角，根据最大外轮转角与方向盘转角的关系初步确定转向系角传动比为4:1，转向系角传动比为转向器传动比与转向机构传动比的乘积，转向传动机构角传动比，除用iw′=dβp／dβk表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长Ll之比来表示，即iw′=dβp／d βki≈L2／Ll 。

现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在0．85～1．1之间，取比值为1，则转向器角传动比为4：1.
3.由转向器角传动比初步确定转向节臂L1的值。

齿轮齿条装置把方向盘的转动转换成横拉杆内球头的直线运动。

计算传动比时需用到齿条的c-factor和转向节臂长度（外球头到主销轴的距离）。

C-factor=齿条行程（in.）/小齿轮转过360°
一般的齿条有“1-7/8-inch 齿条”或者“2-inch 齿条”；c-factor这个尺寸是方向盘转一圈的齿条行程。

一旦齿条的c-factor知道，转向传动比可近似用下式计算：
i=arcsin(c-factor/L)/360
L—转向节臂长度
本式中长度单位为英寸，角度单位为度。

系统中的压力角越小这个近似值越接近，也就是说在俯视图中横拉杆几乎要与转向节臂垂直。

如果角度比较大的话，那拉杆的布置也会影响传动比。

C-factor取70，i为4，计算得L为76.67mm。

4.确定断开点的位置（得到转向机的长度和布置高度）
在车辆行驶过程中由于道路的不平会引起车轮的上下跳动，与车轮相连接的转向节及转向节臂铰链点N将随车轮上下运动（如图1），其运动规律有上下A臂和转向节臂的运动所确定，同时，N点还通过转向横拉杆，桡骨顶点F摆动，因此当N点上下运动时，其运动轨迹上的点至F的距离不能保持恒定时车轮将发生偏转，摆震，影响车辆的操纵稳定性，同时也加大轮胎磨损，使转向传动系统受到冲击。

因此，在断开式梯形设计中，首先要确定断开点。

用图解法确定断开点位置（如图2）。

采用上下止点法确定断开点位置，当选假的导向机构和转向节臂作为一个刚体跳至上止点时，图中A,B,C三点分别运动到A1，B1，C1位置；跳至下止点时，则分别运动到A2，B2，C2，在上止点时,B1，O1连线的延长线与A1，O1连线的延长线相交于O3，此点即是悬架在上止点时的瞬时摆动中心，为了保证运动协调，C点的摆动中心应在C1，O3的连线上，同理，当悬架落至下止点时，得到瞬时摆动中心O4，则C点的摆动中心应在C2，O4的连线上，那么上下止点时C点的瞬时摆动中心取在C1O3和C2O4两直线的延长线交点O’上。

当A,B,C三点分别跳至上下止点的60%时，用上述方法得到C点的瞬时摆动中心O’’，同样C2O’’=C1O’’,O’与O’’两点连线的中点为Oa，Oa点即为断开点。

对于赛车，取L1为76.67mm，梯形底角取110度（转向机前置时为满足正确阿克曼转向关系需取梯形底角为钝角），通过作图后得到转向节高度大致在距主销下A臂球销连接点之下10mm，通过作图法得到转向机长度M大致为500mm,转向机高度为距车架前地面30mm的位置，当断开点满足这个尺寸时，悬架跳动对转向的影响较小。

5.通过MATLAB优化设计转向梯形内外轮转角关系。

Matlab程序如下：
sita20=0.0001;
for i=1:50
D2R=pi/180;
sita21=atan(1/(1/tan(sita20)+1196/1650));
angles1(i,1)=sita20/D2R;
angles1(i,2)=sita21/D2R;
sita20=sita20+D2R;
end
plot(angles1(:,1),angles1(:,2),'r-')
axis([0 30 0 30]);
hold on
r=120*pi/180;
h=100;
k=1196;
M=500;
sita0=0;
L1=76.67;
L2=(((k-M)/2-L1*cos(r))^2+(L1*sin(r)-h)^2)^0.5;
D2R=pi/180;
for i=1:50
s=(k-M)/2-L1*cos(r+sita0)-(L2^2-(L1*sin(r+sita0)-h)^2)^0.5;
a=r;
b=atan(2*h/(k-M+2*s));
c=L1^2+((k-M)/2+s)^2+h^2-L2^2;
d=2*L1*(((k-M)/2+s)^2+h^2)^0.5;
e=c/d;
sita1=a-b-acos(e);
angles(i,1)=sita0/D2R;
angles(i,2)=sita1/D2R;
sita0=sita0+D2R;
end
plot(angles(:,1),angles(:,2))
grid;
axis([0 30 0 30]);
xlabel('内轮转角（度）')
ylabel('外轮转角（度）')
上图为得到的实际内外轮转角曲线（蓝线）与理想阿克曼转角曲线（红线），在最大转角时，实际转角与理论转角的差值为最大值2-3度，属于可接受范围。