設(shè)計說明書 “夢想4.0號”賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20 年 月第 2 頁 共 67 頁 “夢想4.0號”賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計摘要賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是大學(xué)生方程式賽車底盤設(shè)計中重要的一環(huán)，也是車輛底盤的四大系統(tǒng)之一，作為多彎賽道的競速類比賽賽車，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能決定了車輛在賽道彎道中的車身姿態(tài)、過彎速度等諸多性能表現(xiàn)。本畢業(yè)設(shè)計根據(jù)比賽規(guī)則要求及車隊設(shè)計目標，對2017賽季中北大學(xué)行知車隊賽車“夢想4.0號”賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行設(shè)計，結(jié)合2016賽車車隊賽車轉(zhuǎn)向設(shè)計的設(shè)計流程與方法，零件加工制造的材料與工藝，以及最后總裝的經(jīng)驗，對新賽季的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計過程和方法進行改進和優(yōu)化。文中通過對賽車和傳統(tǒng)乗、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對比，根據(jù)規(guī)則與實際需求確定新賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計目標與流程。對比不同類型的轉(zhuǎn)向機，選定賽車轉(zhuǎn)向機類型為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機；對賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)與載荷進行了計算與校核；討論了主銷定位參數(shù)與輪胎定位參數(shù)對車輛轉(zhuǎn)向的影響，并確定其具體參數(shù)；根據(jù)整車設(shè)計需求，確定轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案與梯形布置形式；相比較上賽季轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計，引入輪胎側(cè)偏角對轉(zhuǎn)向的影響，建立帶有阿克曼校正系數(shù)的目標關(guān)系，并利用MATLAB軟件進行實際梯形的優(yōu)化；在運動學(xué)仿真軟件ADAMS/Car中建立模型，進行車輪跳動分析;利用CATIA進行相關(guān)部件三維建模設(shè)計；利用ANSYS對零部件進行力學(xué)分析。關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式賽車，轉(zhuǎn)向梯形MATLAB優(yōu)化，轉(zhuǎn)向機設(shè)計，輪芯立柱設(shè)計Design of the Dream 4.0 Racing Steering SystemOf North University Of ChinaAbstractThe car steering system is an important part of Formula Student chassis design, also it is one of the four systems of the car chassis, as a multi-curved track racing car,the performance of the steering system determines the performance of the vehicle in the track corner of the body posture, cornering speed and many other performance. The graduation design is based on the rules of the competition and the design goals of the fleet. It is designed for the NUC Racing Team Dream 4.0 racing steering system for the 2017 season tour.Combined with 2016 racing car racing steering design process and methods, parts processing materials and technology, as well as the final assembly experience, the new season of the car steering system design process and methods to improve and optimize. In this paper, the design goals and processes of the new car steering system are determined according to the rules and the actual demand by comparing the car and the traditional and commercial vehicle steering system.The parameters and load of the steering system are calculated and checked. The main pin positioning parameters and the tire positioning parameters are discussed for the steering of the vehicle. The steering type of the steering gear is different from that of the steering wheel. And to determine the specific parameters; according to the vehicle design needs to determine the steering trapezoidal structure of the program and trapezoidal layout form; compared to last season steering system design, the introduction of tire deflection angle on the impact of the establishment of Ackermann correction coefficient And then use the software to carry out the actual trapezoidal optimization. The model is established in the kinematic simulation software Adams / Car, and the wheel beating analysis is carried out. The three-dimensional modeling of the relevant parts is carried out by using CATIA. The mechanical analysis of the parts is carried out by ANSYS.Keywords:Formula Student,MATLAB optimization of steering trapezoid, Steering machine design,Wheel core column design目 錄1 緒論11.1 Formula SAE介紹11.1.1 比賽起源11.1.2 中國大學(xué)生方程式汽車大賽11.2 國內(nèi)、外大學(xué)生方程式汽車大賽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀31.3 歷年中北大學(xué)行知車隊及車隊賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展41.3.1 2013賽季41.3.2 2014賽季41.3.3 2015賽季51.3.4 2016賽季61.4 本畢業(yè)設(shè)計各章內(nèi)容及意義62 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述82.1 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成82.2 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘、商用車的差異82.3 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計目標92.4 本章小結(jié)103 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計113.1 轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)及選型113.1.1 轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)分類及優(yōu)缺點113.1.2 轉(zhuǎn)向機方案選型123.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)設(shè)計133.2.1 外側(cè)車輪最大偏轉(zhuǎn)角度133.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比163.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動比173.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算參數(shù)設(shè)計183.3.1 齒輪齒條參數(shù)及齒條行程183.3.2 轉(zhuǎn)向梯形梯形臂長度203.3.3 轉(zhuǎn)向系相關(guān)計算載荷確定203.4 主銷定位參數(shù)及前輪輪胎定位參數(shù)的確定223.4.1 主銷定位參數(shù)223.4.2 前輪輪胎定位參數(shù)233.4.3 參數(shù)的確定243.5 本章小結(jié)244 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化254.1 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案254.2 轉(zhuǎn)向梯形布置形式264.3 轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化274.3.1 標準阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)274.3.2 側(cè)偏角存在時的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系284.3.3 目標轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化324.4 轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化344.4.1 桿系結(jié)構(gòu)所確定的轉(zhuǎn)角關(guān)系344.4.2 根據(jù)三心定理確定轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點354.4.3 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)優(yōu)化結(jié)果364.5 本章小結(jié)405 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)動力學(xué)分析415.1 ADAMS/Car介紹415.2 前懸及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模415.3 車輪輪跳分析425.3.1 前輪外傾角變化425.3.2 前輪前束角變化435.3.3 前輪主銷內(nèi)傾角435.3.4 前輪主銷后傾角445.4 本章小結(jié)446 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)部件設(shè)計建模及分析456.1 CATIA簡介456.2 ANSYS簡介456.3 方向盤設(shè)計456.4 轉(zhuǎn)向機設(shè)計與分析466.4.1 轉(zhuǎn)向機齒輪設(shè)計與分析466.4.2 轉(zhuǎn)向機齒條設(shè)計與分析506.5 輪芯立柱設(shè)計與分析516.5.1 輪芯設(shè)計與分析526.5.2 立柱設(shè)計及分析556.6 本章小結(jié)597 2016賽季總結(jié)607.1 2016賽季總結(jié)607.2 本章小結(jié)628 總結(jié)與展望638.1 總結(jié)638.2 展望63參 考 文 獻65致 謝67IV1 緒論1.1 Formula SAE介紹1.1.1 比賽起源Formula SAE（簡稱：FSAE）賽事起源于1978年美國波斯頓，第一次比賽舉辦時，13支隊伍中有11支隊伍完賽，當(dāng)時的比賽用車是一輛木制5馬力賽車。Formula SAE賽事意在挑戰(zhàn)在校本科生，研究生團隊的創(chuàng)新、設(shè)計與制造小型方程式賽車的能力。在與來自世界各地的大學(xué)生車隊的較量中，大賽給了參賽人員與車隊證明和展示自己創(chuàng)造力與制造技術(shù)的機會。Formula SAE賽事歷經(jīng)逐年的發(fā)展與演變到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展都世界各地，成為了車輛、機械等相關(guān)專業(yè)在校大學(xué)生的一場技術(shù)與制造的狂歡盛典。第一屆中國大學(xué)生方程式大賽（簡稱：FSC）于2010年在中國汽車工程學(xué)會、易車集團和各大學(xué)汽車院校聯(lián)合發(fā)起舉辦。中國FSC大賽得到了社會各界多方的關(guān)注，各大國內(nèi)知名汽車企業(yè)基于對汽車后備人才的培養(yǎng)，紛紛踴躍贊助大賽開展。各大企業(yè)不僅在在資金上贊助大賽，并在比賽中派出近百位汽車研發(fā)和實驗的技術(shù)專家擔(dān)任賽事現(xiàn)場裁判，與各參賽隊進行交流與指導(dǎo)。1.1.2 中國大學(xué)生方程式汽車大賽中國大學(xué)生方程式大賽旨在為中國汽車產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)后備人才，各大學(xué)參賽隊被假設(shè)為一家汽車制造公司，隊員有在讀大學(xué)生與研究生組成，車隊被要求在一年的時間內(nèi)，嚴格遵守組委會所制定并頒布的最新比賽技術(shù)規(guī)則，自主完成設(shè)計、加工、組裝、測試。調(diào)教等任務(wù)，制造一臺用來參賽的賽車。為了使各參賽車隊充分的發(fā)揮設(shè)計的靈活性，以表達創(chuàng)造力和想象力，賽事除了必要技術(shù)、安全標準外，對車輛的整體設(shè)計沒有太多的限制，避免了參賽車輛的高度相似，各參賽車隊有著充分的發(fā)揮空間。中國大學(xué)生方程式大賽一般安排在每年的十月中旬，在位于湖北襄陽的夢想方程式賽車場舉辦。比賽日比賽項目分為靜態(tài)項目和動態(tài)項目兩大部分，項目具體內(nèi)容如表1.1所示1。除此之外，各參賽車隊需要按照組委會的規(guī)定，在相應(yīng)的時間節(jié)點提交如：設(shè)計報告、商業(yè)邏輯方案、成本報告、前端緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、和賽車基本信息等相關(guān)文件，未安規(guī)定時間提交或未安要求提交的車隊會面臨罰分甚至取消比賽資格的處罰。表 1.1 中國大學(xué)生方程式汽車大賽項目內(nèi)容及分值靜態(tài)項目營銷報告75賽車設(shè)計150成本與制造分析100動態(tài)項目直線加速測試758 字繞環(huán)測試50高速避障測試150耐久測試300效率測試100總分1,000在比賽日，各車隊面臨的第一個考驗是技術(shù)檢查。通過裁判的技術(shù)檢查是賽車駛上賽道參加動態(tài)項目的前提條件。技術(shù)檢查項目繁雜主要包括：機械結(jié)構(gòu)檢查、側(cè)傾臺檢查、制動測試、電氣檢查四大部分，以保證各車隊所制賽車是嚴格按照組委會規(guī)則制造，以保證比賽的公平性與車輛的安全性。（圖1.1為賽車車檢）圖 1.1 賽車車檢營銷報告是要求車隊將自己假定為賽車制造公司，向投資方（即裁判）展示自己的賽車，并說服投資方進行投資。緣于比賽規(guī)則的開放性和各個車隊的逐年比賽的技術(shù)積累，各參賽車隊的賽車設(shè)計也各有亮點，所以在賽車設(shè)計這個環(huán)節(jié)，各車隊參與答辯的隊員被要求充分向裁判展示賽車設(shè)計的亮點與設(shè)計理念，以及應(yīng)用的新技術(shù)與材料，運用了哪些軟件分析來輔助賽車設(shè)計，并且對裁判所針對的細節(jié)問題進行解答。成本與制造分析需要參賽隊按照標準化的成本計算方式，對照組委會所發(fā)布的標準零件價格表來核算賽車的制造成本，要求不遺漏任何一個微小部件，不丟掉任何一道工序，做到詳實精準，并在答辯時按照裁判所給出的“案例分析”場景，回答相關(guān)問題。動態(tài)項目是大賽的重頭戲，也是賽車性能的舞臺。直線加速考驗了車輛的動力性、輕量化及輪胎型號的選擇；8字繞環(huán)檢測了賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、以及車手的能力；高速避障綜合評價了賽車的機動性和操縱性，綜合了加速、制動、高速過彎等多種工況，只有通過了高速避障項目才能參加耐久測試；耐久測試是對車輛及整個車隊的考驗，約10公里的長賽程需兩名車手完成，比賽工況復(fù)雜，對車輛耐久性、可靠性、車手技術(shù)及車隊的團隊都是一次考驗，諸多車隊在此項目中失利，以至于無法完賽；效率測試反映了賽車的節(jié)油能力，與耐久賽同步進行。大學(xué)生方程式大賽所涉及的關(guān)乎車輛設(shè)計、制造、測試、調(diào)教、銷售等整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈的方方面面，是一次對學(xué)生能力的綜合比拼。隨著比賽的發(fā)展，比賽規(guī)模的擴大，越老越多非車輛、機械相關(guān)專業(yè)的學(xué)生加入，在使賽事蓬勃發(fā)展的同時，也為他們創(chuàng)造了一個巨大的學(xué)以致用的平臺，為社會各行各業(yè)培養(yǎng)了大量優(yōu)秀的人才。1.2 國內(nèi)、外大學(xué)生方程式汽車大賽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國外對賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)方面的研究開始較早,1995年,美國人Douglas L.Milliken編寫的賽車車輛動力學(xué)2著重分析了輪胎在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的作用。日本作家雞田幸夫2012年編著汽車設(shè)計制造指南3,以日本大學(xué)生方程式大賽參賽車輛為例,對賽車的設(shè)計制造流程進行了指導(dǎo)，并提出了對車輛性能的諸多檢驗方法，被日本各車隊廣為參考，并對中國各大學(xué)車隊賽車設(shè)計有深遠影響。國內(nèi)對于FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究則是最近幾年隨著比賽才興起，也逐漸的形成了自己的理論及設(shè)計體系，例如，北京航空航天大學(xué)于2016年編寫并發(fā)售的大學(xué)生方程式賽車設(shè)計4就是國內(nèi)第一本基于中國大學(xué)生方程式汽車大賽賽車的整體技術(shù)開發(fā)及流程的指導(dǎo)性書籍，以中國賽的實際情況出發(fā)，對賽車各方面的基礎(chǔ)知識進行了講解與指導(dǎo)。1.3 歷年中北大學(xué)行知車隊及車隊賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展1.3.1 2013賽季2013年，中北大學(xué)行知車隊仍在參加Honda中國節(jié)能車競技大賽，但已有意向參加中國大學(xué)生方程式汽車大賽，并整合資源與人員試制了山西省高校第一輛大學(xué)生方程式賽車，如圖（1.2）。圖 1.2 行知車隊試制樣車1.3.2 2014賽季經(jīng)過隊員一年的構(gòu)思、設(shè)計、加工、組裝、調(diào)試，夢想“1.0”終赴襄陽夢想賽車場參加2014年中國大學(xué)生方程式汽車大賽（圖1.3）。并在成本報告中取得了第四名的成績。作為第一次參賽的隊伍，雖然沒有完賽，但是在賽場和其他車隊的交流過程中，學(xué)到了很多先進的，設(shè)計、制造、加工經(jīng)驗，為下個賽季的賽車設(shè)計提供了指導(dǎo)。圖 1.3 行知車隊夢想“1.0”賽車1.3.3 2015賽季有了上一賽季的設(shè)計、制造、參賽經(jīng)驗，夢想“2.0”作為第二代方程式賽車（圖1.4），采用重新標定的JH600發(fā)動機，雙叉臂獨立懸架、氣動換擋技術(shù)，并通過輕量化設(shè)計，較往年整體減重68kg，成本報告取得了第五名的成績。這一賽季的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了是成品轉(zhuǎn)向機，雖然進行了改裝但還是與設(shè)計有很大偏差，而且在裝配過程中，裝配方式的不合理，使得轉(zhuǎn)向軸不同軸，從而在使用過程中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向過重，轉(zhuǎn)向梯形在使用中出現(xiàn)死點、轉(zhuǎn)向節(jié)臂與立柱螺栓連接防松處理不合理導(dǎo)致節(jié)臂松脫等影響正常操縱的嚴重問題。圖 1.4 行知車隊夢想“2.0”賽車1.3.4 2016賽季夢想“3.0”（圖1.5）仍采用JH600單缸發(fā)動機作為賽車動力系統(tǒng)，車隊第一次使用全替代ECU（Haltech）等大賽主流技術(shù)，在設(shè)計、制造、調(diào)試過程中仔細論證、實驗，首次在襄陽夢想賽車場完賽，是車隊發(fā)展歷程中重要的轉(zhuǎn)折點。本次賽車第一次使用了自制的轉(zhuǎn)向機，雖與強隊還有一定的技術(shù)差距，但效果明顯，自制轉(zhuǎn)向機的可靠性得到了實戰(zhàn)的檢驗。轉(zhuǎn)向過重、轉(zhuǎn)向機構(gòu)死點、節(jié)臂松脫問題得到了解決，但也暴露了輕量化設(shè)計不到位、轉(zhuǎn)向機固定方式不合理、轉(zhuǎn)向空行程過大、雙聯(lián)萬向節(jié)傾覆、夾具不合理導(dǎo)致焊接變形等問題。圖 1.5 行知車隊夢想“3.0”賽車1.4 本畢業(yè)設(shè)計各章內(nèi)容及意義本畢業(yè)設(shè)計課題基于中北大學(xué)行知車隊2017賽季賽車“夢想4.0”，完成對新賽季賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件進行優(yōu)化，拉近與國內(nèi)強隊之間的技術(shù)及設(shè)計理念的差距。具體內(nèi)容如下：第1章 介紹了中國大學(xué)生方程式汽車大賽的具體情況，闡述了國內(nèi)、外賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀，展示了中北大學(xué)行知車隊從參賽以來，車隊及賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展，并闡述了本課題背景。第2章 介紹了大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成，對比了賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的差異，并制定了新賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計目標。第3章 確定了本設(shè)計所用轉(zhuǎn)向機類型；通過對賽道的分析對確定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)；通過計算得到了齒條行程、梯形臂長度的初選值，并進行了轉(zhuǎn)向系載荷初步校核；討論了主銷定位參數(shù)和前輪輪胎定位參數(shù)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，并確定了具體數(shù)值。第4章 確定轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案；確定轉(zhuǎn)向梯形的布置形式；建立考慮輪胎側(cè)偏角時的內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系；引入阿克曼校正系數(shù)，并利用MATLAB進行優(yōu)化獲得還有阿克曼校正系數(shù)的目標關(guān)系；建立桿系結(jié)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)角關(guān)系；利用三心定理確定斷開點；通過MATLAB編程進行梯形參數(shù)優(yōu)化，對梯形相關(guān)參數(shù)進行確定。第5章 使用ADAMS/Car并進行前懸的動力學(xué)仿真實驗，分析主銷及前輪定位參數(shù)的變化，判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各參數(shù)是否設(shè)置合理。第6章 利用CATIA進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)部件建模，如方向盤、轉(zhuǎn)向機齒輪齒條、轉(zhuǎn)向機殼體、輪芯立柱等，并利用ANSYS對關(guān)鍵受載荷部件進行力學(xué)分析，在保證可靠性的前提下實現(xiàn)輕量化設(shè)計。第7章 對2016賽季進行總結(jié)。第8章 對本文進行了全面總結(jié)，提出了本設(shè)計未來的改進方向。本課題意義：以中北大學(xué)行知車隊“夢想4.0”為研究對象，在基于往年賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，應(yīng)用軟件進行仿真實驗，以保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的合理性與可靠性。并為以后的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計提供參考，其次使新入隊隊員盡快能對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方法及流程有較為全面的認知。第 79 頁 共 67 頁2 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤構(gòu)造四大系統(tǒng)之一，是汽車底盤構(gòu)造中不可或缺的一部分。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能夠按駕駛員的意志改變或恢復(fù)行使方向。5駕駛員對車輛的控制絕大部分是通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來實現(xiàn)的，車輛的性能表現(xiàn)受到其性能的直接影響。本章著重介紹大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成和其與乘用車、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不同，并根據(jù)中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求。2.1 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用，通俗的說就是使轉(zhuǎn)向輪在駕駛員的控制下偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而實現(xiàn)是車輛改變現(xiàn)有的行使方向。如圖2.1所示，大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從駕駛艙起一般有以下部分組成：方向盤、方向盤快拆器、轉(zhuǎn)向柱、萬向節(jié)（或其他變向連軸裝置）、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向梯形臂等，此外還包含轉(zhuǎn)向柱吊裝支架架、轉(zhuǎn)向軸固定支架、轉(zhuǎn)向機安裝底板等周邊固定部件。其中，駕駛員通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操作機構(gòu)及方向盤、轉(zhuǎn)向柱、萬向節(jié)（或其他變向連軸裝置）、轉(zhuǎn)向軸將操縱力（旋轉(zhuǎn)運動）傳遞到轉(zhuǎn)向機，轉(zhuǎn)向機將旋轉(zhuǎn)運動通過內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，通過推動或拉動轉(zhuǎn)向橫拉桿作用于固定于立柱上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，從而使轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷軸線轉(zhuǎn)動。圖 2.1 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘、商用車的差異賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在功能、機械結(jié)構(gòu)方面和乗、商用車類似。但由于賽車的結(jié)構(gòu)、行使條件、使用工況、規(guī)則限制等方面與乗、商用車有較大的區(qū)別，兩相比較有以下幾點不同：（1） 轉(zhuǎn)向機布置形式。大學(xué)生方程式賽車定位是小型單人單座賽車，轉(zhuǎn)向機需布置在整車中心線上，轉(zhuǎn)向機直線運動需對稱輸出；根據(jù)我國的相關(guān)規(guī)定，乗、商用車都為左舵車，固轉(zhuǎn)向機布置在整車中心線以左，轉(zhuǎn)向機直線運動的輸出也是不對稱的。（2） 角傳動比。大學(xué)生方程式汽車大賽賽道彎道多，彎道角度多變，車輛需在較高車速下快速進出彎道以及在出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度和轉(zhuǎn)向不足時快速修正車輛方向，需保證車手在不換手的情況下達到轉(zhuǎn)向輪的最大偏角，這使得賽車的方向盤單側(cè)轉(zhuǎn)角要小于一般乘用車的540，更是遠小于商用車，賽車方向盤一般最大單側(cè)轉(zhuǎn)角小于150。同時也使得一般賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比在81以下，小于乘用車的121到201，更小于商用車的161到321。（3） 轉(zhuǎn)向助力裝置。乗、商用車為了使駕駛員操縱輕便，尤其是為了降低商用車駕駛員的工作強度，通常都加裝轉(zhuǎn)向助力裝置。但出于對方程式賽車輕量化、內(nèi)部布置空間、整備質(zhì)量都在200kg左右以及助力裝置設(shè)計難度等方面的考慮，通常不安裝轉(zhuǎn)向助力裝置。（4） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自由行程。方程式賽車所參與的比賽屬于競技競速項目，對轉(zhuǎn)向的精準度有較高的要求，根據(jù)比賽規(guī)則，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過 7 （在方向盤上測量）1。乘用車為了使駕駛員在操作時留有容錯的余地以及避免在操作時精神的高度緊張，所以自由行程一般在15左右，商用車輛則更大。2.3 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計目標根據(jù)中國大賽規(guī)則及以往參賽經(jīng)驗，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計目標及要求如下：（1）方向盤必須與前輪機械連接。不得采用線控、電控轉(zhuǎn)向。（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須安裝有效限位塊，防止轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)，并防止轉(zhuǎn)向輪及轉(zhuǎn)向桿件在行使過程中與車輛其他部分如：車架、懸架等發(fā)生接觸、干涉。（3）在方向盤上測得的自由行程不得超過7。（4）方向盤必須通過快拆器安裝在轉(zhuǎn)向柱上，必須保證車手在坐姿、佩戴手套時快速操作快拆器。（5）方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或橢圓。（6）方向盤在任何角度，其最高點不得高于賽車前環(huán)，與前環(huán)的距離不得超過250mm。（7）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的連接件必須通過機械連接，并采用規(guī)則允許的防松措施。（8）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需在滿足賽車使用需求，保證可靠性的前提下進行輕量化設(shè)計。2.4 本章小結(jié)本章介紹了大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成，對比了賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的差異，并根據(jù)組委會規(guī)則和過往經(jīng)驗制定了新賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計目標。3 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計3.1 轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)及選型3.1.1 轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)分類及優(yōu)缺點如前文所述，根據(jù)大賽組委會發(fā)布的大賽規(guī)則，大學(xué)生方程式賽車不允許使用線控及電動轉(zhuǎn)向，車內(nèi)布置空間有限不適合使用轉(zhuǎn)向助力裝置，有輕量化設(shè)計目標，有較為嚴格的成本控制，所以賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向機只能選擇傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機。常見轉(zhuǎn)向機根據(jù)傳動副的區(qū)別分為以下幾類5：（1） 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機（圖3.1）中通過齒輪齒條的壓緊嚙合，將轉(zhuǎn)向齒輪軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向齒條的直線運動。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單動作可靠，體積小，易于設(shè)計，加工簡單；材料選擇多樣，易于通過材料選擇實現(xiàn)輕量化；齒輪齒條傳動效率高；調(diào)隙方式簡單可靠。缺點：逆效率高。在車輛顛簸時，傳遞到方向盤的沖擊較大。圖 3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意（2） 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機（圖3.2）是目前國內(nèi)外中大型汽車上較為流行的轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)形式。通過螺桿-螺母、齒條-齒扇兩級傳動副，螺桿轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)向螺母軸向移動，驅(qū)動齒扇轉(zhuǎn)動。優(yōu)點：安全性、可靠性好；傳動效率較高；通過改變齒扇的工作半徑可以實現(xiàn)可變傳動比。缺點：逆效率較高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高不利于設(shè)計及加工。圖 3.2 循環(huán)球轉(zhuǎn)向機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意（3） 螺桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向機螺桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向機（圖3.3），轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動，與之嚙合的指銷其軸線轉(zhuǎn)動。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；效率高；壽命長；易于實現(xiàn)變傳動比。缺點：單指銷式在指銷角度過大時，指銷與蝸桿脫離，失去轉(zhuǎn)向功能；雙指銷式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量與尺寸較大，制造精度要求高。圖 3.3 螺桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意3.1.2 轉(zhuǎn)向機方案選型根據(jù)規(guī)則及需求，賽車轉(zhuǎn)向機需滿足以下條件：（1） 鼓勵自制。組委會對各車隊賽車的所有部件都鼓勵自制，自制轉(zhuǎn)向機需便于設(shè)計，加工方便。（2） 輕量化。作為賽車的一部分，轉(zhuǎn)向機也需要實現(xiàn)輕量化設(shè)計，使用鋁合金材質(zhì)，甚至碳纖維，來實現(xiàn)輕量化。（3） 成本要求。車隊在設(shè)計制作賽車時需要控制成本，在保證設(shè)計需求的前提下，選擇成本較為低廉的方案。（4） 駕駛艙空間。規(guī)則要求如圖3.4的檢測板放入駕駛艙來檢測內(nèi)部空間尺寸，這就要求布置在駕駛艙中的轉(zhuǎn)向機不能侵占過多駕駛艙空間。圖 3.4 駕駛艙內(nèi)部空間檢測板綜上考慮，對照各類轉(zhuǎn)向機特點及賽車設(shè)計需求，選擇結(jié)構(gòu)原理簡單，易于設(shè)計加工的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機。齒輪齒條轉(zhuǎn)向機體積小，可以通過使用鋁合金或碳纖維等材質(zhì)來實現(xiàn)輕量化，雖然逆效率高，駕駛舒適性差，但是車手經(jīng)過訓(xùn)練可以適應(yīng)其較大的反饋力度。3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)設(shè)計3.2.1 外側(cè)車輪最大偏轉(zhuǎn)角度目前，中國大學(xué)生方程式汽車大賽的舉辦地為襄陽市政府投入專項資金建立的襄陽夢想方程式賽道。賽道特為大學(xué)生方程式汽車大賽建設(shè)，為了提高比賽安全性，限制比賽中賽車的行使速度，考驗賽車操縱穩(wěn)定性及提高比賽觀賞性，賽道設(shè)立了較多彎道，其中發(fā)夾彎彎道最小外徑為9米，直線道路上用交通錐標擺出的蛇形彎道最小距離為9米，且彎道最小寬度為4.5米，這需要賽車有足夠小的轉(zhuǎn)彎半徑來通過彎道。結(jié)合過往的參賽經(jīng)驗及賽道的情況，考慮到在比賽中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向不足的狀況，所以擬定賽車的最小轉(zhuǎn)向半徑為4.0米。圖3.5為襄陽夢想方程式賽場大學(xué)生方程式賽道圖。圖 3.5 襄陽夢想方程式賽場大學(xué)生方程式賽道圖最小轉(zhuǎn)向半徑是指賽車在方向盤滿舵，即轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度最大，進行極低速轉(zhuǎn)向時，前輪外側(cè)的接地中心所描繪的軌跡的半徑為最小轉(zhuǎn)向半徑3。車身的最外側(cè)軌跡半徑軌跡稱為實際外側(cè)最小轉(zhuǎn)向半徑，最內(nèi)側(cè)軌跡半徑稱為實際內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向半徑。如圖3.6所示。圖 3.6 最小轉(zhuǎn)向半徑的定義在以極低速轉(zhuǎn)向時，在阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)中為了使各個輪胎與地面為純滾動，轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角要大于外側(cè)車輪。圖3.7為阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)圖 3.7 阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)兩轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角用公式來表示（3.1）式中，為前輪外側(cè)轉(zhuǎn)向角，；為前輪內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向角，；為軸距，；為輪距，。由于車輛在實際設(shè)計中需要考慮各方面的因素，使得車輛在實際行駛是不完全按照阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)，如圖3.8，左右輪轉(zhuǎn)向中心不再是圖3.7中所示的點。圖 3.8 最小轉(zhuǎn)向半徑計算因此，最小轉(zhuǎn)向半徑可用內(nèi)、外輪的平均值來計算，如下式（3.2）對于大學(xué)生方程賽車，以較高車速轉(zhuǎn)向時由于軸荷轉(zhuǎn)移等原因外側(cè)車輪對最小轉(zhuǎn)向半徑影響遠大于內(nèi)側(cè)，所以在考慮主銷偏置距的情況下可得下式（3.3）式中，為主銷偏置距，。由上式可得外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度（3.4）根據(jù)賽車參數(shù)，軸距1545，最小轉(zhuǎn)向半徑3500，主銷偏置距22，代入上式可得（3.5）取，確定賽車外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)向角度為263.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比在汽車設(shè)計6中，規(guī)定汽車的轉(zhuǎn)向系角傳動比的值為方向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度之比。即（3.6）式中，為方向盤角增量，為轉(zhuǎn)向輪角增量，為時間增量；下文等同。角傳動比對車輛的操縱性有較大的影響。乗、商用車在以較高車速行駛時，較小的轉(zhuǎn)向比可使車輛在緊急并線等特殊行駛情況下有足夠的轉(zhuǎn)向靈敏度，而較大的轉(zhuǎn)向比則可降低車輛轉(zhuǎn)向的靈敏度，在長途駕駛時避免駕駛員精力過于集中而造成疲勞，因此現(xiàn)代乗、商用汽車都普遍采用助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者變傳動比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來均衡這對矛盾。對于大學(xué)生方程式賽車，由于布置空間、設(shè)計、制作和成本的限制，比賽時賽道彎多且車速較快，車輛需快速修正車輛方向，留給車手的反應(yīng)和操作時間短，需使車手在雙手不離開方向盤的情況下完成一系列操作。這使得賽車的方向盤單側(cè)最大轉(zhuǎn)角要小于150，而不可以如同乘用車采用540以及更大的方向盤單側(cè)轉(zhuǎn)角。這也使得賽車的轉(zhuǎn)向系角傳動比在81以下，而不能像乗用車一般采用121到201的轉(zhuǎn)向系角傳動比。由于較小轉(zhuǎn)向系角傳動比造成的方向盤手力較大的情況，可以通過加強對車手的體能及駕駛技術(shù)來進行彌補。綜合上文討論及上個賽季31的轉(zhuǎn)向系角傳動比設(shè)計和車手的實際駕駛反饋，本文設(shè)計的2017賽季賽車轉(zhuǎn)向系角傳動比確定為41。即外側(cè)車輪到達設(shè)計最大轉(zhuǎn)角26時，方向盤轉(zhuǎn)角為104，車手不需要換手就可以完成車輛的轉(zhuǎn)彎動作，較上個賽季的設(shè)計還減小了一定的轉(zhuǎn)向手力。 3.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動比計算公式為（3.7）式中，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳功比；為轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向軸線上的轉(zhuǎn)矩；為車手對方向盤施加的轉(zhuǎn)矩。由于、這兩對轉(zhuǎn)矩在現(xiàn)實中不易測得，所以轉(zhuǎn)矩傳動比一般由下式計算而得（3.8）式中，為轉(zhuǎn)向系角傳動比；為轉(zhuǎn)向機傳動效率；為轉(zhuǎn)向系傳動機構(gòu)傳動效率。由前文可知，本次設(shè)計轉(zhuǎn)向系角傳動比為41，轉(zhuǎn)向機為出輪齒條式轉(zhuǎn)向機，傳動副為齒輪齒條，傳動效率較高在94%到98%之間，考慮加工精度及齒輪齒條運動時與調(diào)隙機構(gòu)等部件的摩擦損耗，取值94%，轉(zhuǎn)向系傳動機構(gòu)有一個十字軸萬向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿系組成，考慮萬向節(jié)因兩軸夾角造成的效率損失，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向機的壓力角接近180，梯形底角介于100到120之間，取轉(zhuǎn)向系傳動機構(gòu)效率為85%，代入式3.8計算得轉(zhuǎn)向系角傳動比為（3.9）3.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算參數(shù)設(shè)計3.3.1 齒輪齒條參數(shù)及齒條行程乗、商用車采用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機，多數(shù)使用斜齒圓柱齒輪，來提高齒輪齒條的嚙合程度，來使傳動更加平穩(wěn)，但由于斜齒齒輪齒條在傳動時會產(chǎn)生使齒條旋轉(zhuǎn)的軸向力，為防止因齒條旋轉(zhuǎn)使齒輪齒條無法正確嚙合從而對齒輪齒條造成損壞的情況，乗、商用車轉(zhuǎn)向機齒條一般采用V形和Y形斷面設(shè)計，并在轉(zhuǎn)向機殼體上設(shè)計相應(yīng)的導(dǎo)向槽，如圖3.9和圖3.10。圖 3.9 V形斷面齒條及導(dǎo)向槽圖 3.10 Y形斷面齒條及導(dǎo)向槽對于大學(xué)生方程式賽車，如果采用如同乗、商用車的這種V形Y形斷面斜齒條，并在轉(zhuǎn)向機殼體上設(shè)計加工導(dǎo)向槽，會使制作加工難度和成本急劇上升，并且不利于轉(zhuǎn)向機部件的輕量化。為了避免這些問題，賽車轉(zhuǎn)向機一般采用半圓斷面的直齒齒輪齒條。傳統(tǒng)乘用車齒輪模數(shù)取多在2到3之間6，重載商用車則更大，而大學(xué)生方程式賽車總質(zhì)量一般都在250kg以下，所以可采用較小的齒輪模數(shù)。根據(jù)過往經(jīng)驗，取齒輪模數(shù)1.5，齒數(shù)選擇20，壓力角選擇20，齒輪螺旋角選擇0即直齒輪。忽略萬向節(jié)所造成的不等速現(xiàn)象，這時方向盤轉(zhuǎn)過的角度就是齒輪所轉(zhuǎn)過的角度，即前文中方向盤單側(cè)最大轉(zhuǎn)角104。當(dāng)齒輪齒條正常嚙合時，單側(cè)齒條行程即為齒輪單側(cè)最大轉(zhuǎn)動的弧長，根據(jù)下式可計算單側(cè)齒條行程（3.10）式中，為單側(cè)齒條行程，；為方向盤單側(cè)最大轉(zhuǎn)角，；為直齒輪模數(shù)，；為直齒輪齒數(shù)；下文等同。代入數(shù)據(jù)計算得（3.11）為使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在后期有一定的調(diào)整余量，取齒條單側(cè)設(shè)計行程為30，則此時初選的齒條的設(shè)計總行程為60。正確合理的設(shè)計齒條行程保證轉(zhuǎn)向系傳動比至關(guān)重要的一環(huán)。3.3.2 轉(zhuǎn)向梯形梯形臂長度當(dāng)方向盤達到最大角度104時，齒條也達到了最大單側(cè)行程位置，這時外側(cè)轉(zhuǎn)向車輪應(yīng)該處于轉(zhuǎn)角最大位置，即26。在不考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中其他桿件之間壓力角的情況下，可根據(jù)下式，利用單側(cè)齒條最大行程和外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角來粗略計算梯形臂長度（3.12）式中，為梯形臂長度，；下同。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，計算得梯形節(jié)臂長度的初選值為68。3.3.3 轉(zhuǎn)向系相關(guān)計算載荷確定轉(zhuǎn)向機構(gòu)中各個零件需要有足夠的強度來保證車輛的行駛安全。要來驗證零件的強度，首先得知道零件需要承受的力。影響這個力的因素有很多，例如：轉(zhuǎn)向軸的載荷、胎壓、輪胎種類、行駛路面條件等等。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪時，還需要克服轉(zhuǎn)向機構(gòu)間的摩擦阻力、由輪胎變形帶來的阻力、轉(zhuǎn)向輪由于主銷傾角的存在而造成繞主銷轉(zhuǎn)動時的阻力等等。（1）原地轉(zhuǎn)向阻力矩由于受到的影響條件過多，以及各種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)細微結(jié)構(gòu)的差別，無法建立準確的理論及數(shù)學(xué)模型來進行精確的計算，只能通過用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩6。通常，原地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪時，需要的力最大，因此可以用此時相關(guān)的計算數(shù)值用來作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的校核標準。原地轉(zhuǎn)向阻力矩半經(jīng)驗公式如下（3.13）式中，為原地轉(zhuǎn)向阻力矩，；為輪胎與路面的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸載荷，；為轉(zhuǎn)向輪胎壓，。（2）方向盤上的最大手力方向盤上的手力是在原地轉(zhuǎn)向時，車手需要在方向盤上所施加的力，最直觀的反應(yīng)了轉(zhuǎn)向的便利性，過大會極大的消耗車手體能，不利于長時間駕駛。方向盤手力計算公式如下（3.14）式中，為方向盤上的手力，；為轉(zhuǎn)向搖臂長，；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，；為方向盤直徑，；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正效率；下同。由于在本設(shè)計中，賽車轉(zhuǎn)向系沒有轉(zhuǎn)向搖臂，所以使用以下簡化公式來計算方向盤上的手力（3.15）（3） 轉(zhuǎn)向機最大輸出力轉(zhuǎn)向機輸出力是指經(jīng)過轉(zhuǎn)向機內(nèi)部機構(gòu)傳動后，將車手通過方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩以直線運動輸出時，齒條作用在轉(zhuǎn)向橫拉桿上的力。當(dāng)轉(zhuǎn)向機輸出力最大時，對主銷所產(chǎn)生的力矩需大于原地轉(zhuǎn)向阻力矩轉(zhuǎn)向機輸出力的計算公式如下（3.16）式中，為轉(zhuǎn)向機輸出力，；為轉(zhuǎn)向機中齒輪分度圓直徑，。根據(jù)設(shè)計之初所規(guī)定的整車基本參數(shù)可知：賽車整備質(zhì)量210kg；車手最大體重70kg；前后軸軸荷比4555；前輪輪胎氣壓0.14；方向盤直徑270；梯形臂長度68。由此可計算得原地轉(zhuǎn)向力矩（3.17）方向盤上的最大手力（3.18）在GB 17675-1999中規(guī)定：不帶助力時轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于2457。由此可知，設(shè)計滿足國家標準。轉(zhuǎn)向機最大輸出力（3.19）通過以下公式可以計算轉(zhuǎn)向機輸出力作用在主銷上的力矩（3.20）式中，為主銷內(nèi)傾角，取值4代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得轉(zhuǎn)向機輸出力作用在主銷上的力矩（3.21）可知在轉(zhuǎn)向機最大輸出力作用下，車輛可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。3.4 主銷定位參數(shù)及前輪輪胎定位參數(shù)的確定車輛的前輪定位參數(shù)包括兩大部分：主銷定位參數(shù)和前輪輪胎定位參數(shù)。主銷定位參數(shù)又可細分為主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角，前輪輪胎定位參數(shù)又可細分為前輪前束和前輪外傾角。3.4.1 主銷定位參數(shù)在整體式轉(zhuǎn)向橋上，主銷就是轉(zhuǎn)向時，車輪轉(zhuǎn)動的實體軸，但在獨立懸架出現(xiàn)后，主銷不在單只車輪轉(zhuǎn)動時的實體軸，其定義拓展到了由上下兩個轉(zhuǎn)向球鉸中心連線定義的轉(zhuǎn)向軸線，所以稱其為主銷軸線。圖3.11為主銷定位參數(shù)示意圖。圖 3.11 主銷定位參數(shù)示意圖隨著汽車技術(shù)的進步，在現(xiàn)代汽車中主銷軸線也不在與地面垂直，在圖中所示的輪胎側(cè)視圖中，主銷軸線與地面垂線之間的夾角稱為主銷傾角，圖中所示主銷傾角為正值；主銷軸線與地面的交點與通過車輪中心地面垂線之間的距離稱為主銷后傾拖距。在圖中所示的輪胎前視圖中，主銷軸線與地面出現(xiàn)之間的夾角稱為主銷內(nèi)傾角，圖中所示主銷內(nèi)傾角為正值；主銷軸線與地面的交點與通過車輪中心地面垂線之間的距離稱為主銷偏置量，圖中所示主銷偏置量為負值；主銷軸線與輪胎中心的垂直距離稱為主銷偏距，圖中所示主銷偏距為正值。主銷后傾角的存在使得汽車在行駛中，會因輪胎的偏轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生一定的回正力矩，使得輪胎回正，提高了汽車在直線行駛中的穩(wěn)定性。而在原地和極低速轉(zhuǎn)向時，主銷內(nèi)傾角會導(dǎo)致車輛前部有小幅度抬起，從而通過重力作用產(chǎn)生回正力矩，使轉(zhuǎn)向操縱輕便。3.4.2 前輪輪胎定位參數(shù)目前市面上的在售車輛中，前輪輪胎平面在安裝時也非垂直于地面，而是存在一定的傾角。圖3.12為前輪輪胎定位參數(shù)示意圖。圖 3.12 前輪輪胎定位參數(shù)示意圖在前視圖中，輪胎中心線與地面垂線之間的夾角稱為前輪外傾角，圖中所示的前輪外傾角為正值；在俯視圖中，輪胎中心線與車輛的縱向中軸線之間的夾角為前輪前束角，圖中所示的前輪前束角為正值。前輪外傾角的作用是使轉(zhuǎn)向輕便，在載重時，可減少輪芯立柱中外軸承的磨損與輪轂螺栓的負載，更利于行駛安全。在競速車輛上如大學(xué)生方程式賽車，如果車輛在靜止時前輪是垂直于地面的，在高速過彎時，由于載荷轉(zhuǎn)移會使車輛傾斜從而使車輪向彎外傾斜，是輪胎無法更好的貼合路面來獲得轉(zhuǎn)向所需的側(cè)偏力。所以在各車隊賽車都普遍采用負值的前輪前束角，以提高車輛轉(zhuǎn)向靈敏性。由于前輪外傾角的存在，車輛在直線行駛時以負值前輪外傾角為例，輪胎靠近車體的一側(cè)所受的載荷要大于另外一側(cè)，從而使得輪胎磨損不均勻極大的減小了輪胎的使用壽命，并且有向內(nèi)轉(zhuǎn)向的趨勢，這時前輪需要一個負值的前束，來抵消這種趨勢，降低輪胎側(cè)向偏移，減小輪胎磨損。通常外傾角和前束角同正同負。3.4.3 參數(shù)的確定在車隊新賽季工作展開進行設(shè)計分工時，主銷及前輪定位參數(shù)的設(shè)計交與了賽車懸架組設(shè)計，所以具體的設(shè)計計算方法及過程在本設(shè)計中就不在贅述。通過與本賽季懸架設(shè)計組溝通后，了解到主銷后傾角擬定為+4、主銷內(nèi)傾角擬定為+4、前輪前束擬定為-1前輪外傾角擬定為-1.5。3.5 本章小結(jié)本章通過各類型轉(zhuǎn)向機的優(yōu)缺對比確定了轉(zhuǎn)向機為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機；通過對賽道的分析確定了賽車最小轉(zhuǎn)向半徑，通過計算確定了賽車轉(zhuǎn)向時外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)動角度，在根據(jù)經(jīng)驗及實際情況確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比后確定了方向盤單側(cè)最大轉(zhuǎn)角，并由此計算了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動比；計算了轉(zhuǎn)向機中齒輪參數(shù)，并計算得到了齒條行程、梯形臂長度的初選值，由此對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中原地轉(zhuǎn)向阻力矩、方向盤手力、轉(zhuǎn)向機輸出力進行了計算，并進行了初步校核；討論了主銷定位參數(shù)和前輪輪胎定位參數(shù)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，并確定了具體數(shù)值。4 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化在傳統(tǒng)整體式轉(zhuǎn)向橋上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向機等部件在車輛俯視圖中呈現(xiàn)為梯形結(jié)構(gòu)，遂稱為轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向梯形的作用的通過組成轉(zhuǎn)向梯形各部分的傳動機構(gòu)，實現(xiàn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)，使得車輛在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向車軸的內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角滿足設(shè)計需求，減小輪胎損耗，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。4.1 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案 （1） 整體式轉(zhuǎn)向梯形整體式轉(zhuǎn)向梯形由整體式轉(zhuǎn)向車橋軸、轉(zhuǎn)向梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿組成，多用于轉(zhuǎn)向車橋采用非獨立懸架設(shè)計的乗、商用車。結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但由于使用了整體式車橋的非獨立懸架，使得在行駛過程中如果一側(cè)車輪受到顛簸會影響到另一側(cè)車輪，從而對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)造成干擾。圖4.1為整體式轉(zhuǎn)向梯形示意圖。圖 4.1 整體式轉(zhuǎn)向梯形示意圖（2） 斷開式轉(zhuǎn)向梯形斷開式轉(zhuǎn)向梯形多用于轉(zhuǎn)向車橋采用獨立懸架設(shè)計的乗、商用車。對整體式轉(zhuǎn)向梯形中的轉(zhuǎn)向橫拉桿進行斷開設(shè)計，使得在一側(cè)車輪跳動時，不會對另一側(cè)車輪造成影響。斷開式轉(zhuǎn)向梯形相比整體式，布置更加方便，在駕駛過程中動態(tài)性能優(yōu)異，但由于斷開式的結(jié)構(gòu)特點，使得轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難。圖4.2為斷開式轉(zhuǎn)向梯形示意圖。圖 4.2 斷開式轉(zhuǎn)向梯形示意圖在大學(xué)生方程式賽車中，為降低車輛質(zhì)心、減輕車輛整備質(zhì)量以獲得更好的動態(tài)響應(yīng)更普遍采用非獨立懸架設(shè)計。本車隊在新賽季賽車的設(shè)計中，前懸架使用了雙A臂獨立懸架設(shè)計，為配合懸架設(shè)計，轉(zhuǎn)向梯形需選用斷開式設(shè)計。4.2 轉(zhuǎn)向梯形布置形式轉(zhuǎn)向梯形更根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形的布置不同可分兩大類，在圖4.3中，左圖為后置轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，右圖為前置梯形結(jié)構(gòu)。圖 4.3 前、后置梯形結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)轉(zhuǎn)向機相對與前軸的位置，轉(zhuǎn)向梯形又可分為轉(zhuǎn)向機前置和轉(zhuǎn)向機后置。如圖4.4中，兩種布置結(jié)構(gòu)分別是轉(zhuǎn)向機后置梯形后置和轉(zhuǎn)向機后置梯形前置。圖 4.4 后置轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)示意圖在選用布置形式時，需要考慮整體機構(gòu)在賽車中的布置空間以及各傳動桿件之間的壓力角。由于在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動機構(gòu)中，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向柱連接處使用了十字軸萬向節(jié)做變向傳動機構(gòu)，而十字軸萬向節(jié)的傳動效率及傳動不等速現(xiàn)象對其傳動角度較為敏感，角度過大會使傳動效率下降，不等速現(xiàn)象凸顯，所以需選擇前置轉(zhuǎn)向機的方式來怎加轉(zhuǎn)向機與萬向節(jié)的縱向距離，來減小萬向節(jié)傳動角度。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各桿件的壓力角也會影響傳動效率，過大的壓力角不利于提高轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的傳動效率，所以在轉(zhuǎn)向機前置的前提下需將轉(zhuǎn)向梯形前置，以減小各機構(gòu)壓力角。綜上所述，本設(shè)計選擇布置方式為轉(zhuǎn)向機前置梯形前置的斷開式轉(zhuǎn)向梯形。4.3 轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化4.3.1 標準阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)如圖4.5，在極低速行駛時，各輪胎側(cè)偏角近乎為零各車輪在轉(zhuǎn)向時僅作純滾動而沒有側(cè)向滑動，此時轉(zhuǎn)向中心位于賽車后軸軸線的延長線上，此時內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為（4.1）式中，為外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角，；為內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角，；為內(nèi)、外兩車輪主銷距離，；為車輛軸距，；下同。由此可得到在標準阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)中，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角為（4.2）圖 4.5 標準阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)4.3.2 側(cè)偏角存在時的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系4.3.2.1 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象及側(cè)偏角車輛在行駛過程中，由于路面傾斜、側(cè)向風(fēng)或曲線行駛時的離心力等的作用，車輪中心會有一個沿著車輪滾動軸線的側(cè)向力，由牛頓第三定律可知，此時地面對車輪施加了一個側(cè)向的反作用力，這個力就是側(cè)偏力。一般車輛的輪胎由橡膠制成，橡膠輪胎為彈性元件，這使得車輪具有側(cè)向彈性。當(dāng)側(cè)向力沒有到達輪胎附著極限時，會使車輪行駛方向偏離輪胎平面，這就是輪胎側(cè)側(cè)偏現(xiàn)象。在輪胎靜止時，如圖4.6a，輪胎中心面cc與印跡中心線aa不重合；在輪胎滾動時，如圖4.6b，輪胎中心面cc與印跡中心線aa不只偏離而且不再平行，兩者的夾角即為輪胎的側(cè)偏角。圖 4.6 輪胎側(cè)偏現(xiàn)象及輪胎側(cè)偏角示意圖4.3.2.2 側(cè)偏角存在時的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系由于側(cè)偏角的存在，車輪在較高車速轉(zhuǎn)向時，行駛軌跡的方向并不與車輪方向相同而是偏離了一定角度，從而使得車倆的轉(zhuǎn)向中心不再和極低速時的標準阿克曼轉(zhuǎn)向幾何一樣在后軸的延長線上而是偏移了一定距離，轉(zhuǎn)向半徑也隨之增大，如圖4.7所示。圖 4.7 側(cè)偏角存在時的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系假設(shè)同軸車輪側(cè)偏角相同，根據(jù)圖4.7中的幾何關(guān)系可以推到出兩輪轉(zhuǎn)角關(guān)系滿足下式（4.3）式中，為前輪側(cè)偏角，；為后輪側(cè)偏角，；為計算算子，。由式4.3可知，如果給出輪胎側(cè)偏角即可推導(dǎo)出側(cè)偏角存在時的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系。4.3.2.3 通過兩輪模型計算輪胎側(cè)偏角由于已經(jīng)假設(shè)同軸車輪側(cè)偏角相同，所以在這里引入兩輪模型來進行前后輪側(cè)偏角的計算，將同軸左右兩車輪向車輛縱軸線集中，將四個車輪簡化為兩個車輪來研究。在考慮側(cè)偏角時，兩輪轉(zhuǎn)向模型如圖4.8所示。圖 4.8 考慮側(cè)偏角時的兩輪轉(zhuǎn)向模型圖中，與為分別車輛質(zhì)心到前、后軸的距離，；與分別為兩輪模型中前、后輪側(cè)偏角，；為前輪轉(zhuǎn)向角，。由幾何關(guān)系可得圖4.8中（4.4）當(dāng)車輛已速度轉(zhuǎn)向行駛時，其轉(zhuǎn)向半徑可近似為（4.5）從運動學(xué)定律可知，車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時需實現(xiàn)力的平衡和力矩的平衡。車輛轉(zhuǎn)向時力平衡公式（4.6）車輛轉(zhuǎn)向時力矩平衡公式（4.7）式中，與為輪胎側(cè)偏力與側(cè)偏角的比值，被稱為輪胎側(cè)偏剛度，如圖4.9所示，在輪胎處于彈性變形區(qū)時，曲線斜率為定值，這個值稱為輪胎側(cè)偏剛度，。圖 4.9 輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系曲線示意圖聯(lián)立式4.6與式4.7可得出：前輪側(cè)偏角（4.8）后輪側(cè)偏角（4.9）輪胎的側(cè)偏剛度受到輪胎胎壓、輪胎所受垂直載荷、輪胎類型、輪胎和主銷定位參數(shù)等影響。根據(jù)新賽車的基本設(shè)計參數(shù)得知，靜止時，前輪垂直載荷為617.4，后輪的垂直載荷為754.6，輪胎胎壓為0.14。查閱本車隊采用的Hooiser輪胎相關(guān)參數(shù)資料得到此時前輪側(cè)偏度，后輪側(cè)偏剛度。根據(jù)賽車設(shè)計目標，車輛的在極限情況下的側(cè)向加速度最大G值為1.7G，即；。由此可得：前輪側(cè)偏角（4.10）后輪側(cè)偏角（4.11）4.3.3 目標轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化引入阿克曼校正系數(shù)（4.12）式中，為內(nèi)側(cè)車輪實際轉(zhuǎn)角；為外側(cè)車輪實際轉(zhuǎn)角；為標準阿克曼轉(zhuǎn)向時內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角。根據(jù)式4.2可得帶有的內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角公式（4.13）根據(jù)式4.3可得考慮輪胎側(cè)偏角時