FSAE汽车转向系统设计概述4853.docx

《FSAE汽车转向系统设计概述4853.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FSAE汽车转向系统设计概述4853.docx（73页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、成都学院学士学位论文（设计） 本科毕业设计题 目 FSSAE汽车转转向系统设计计 学 院 工业制造造学院 专 业 车辆辆工程 学生姓名 樊睿睿 学 号 20101101151107 年级级 20110级 指导教师 牛钊文 职称 讲师 2014年4月月29日FSAE汽车转转向系统设计计专 业：车辆工程 学学 号号：20100101155107学 生：樊睿 指导教师师：牛钊文摘要：本设计的的题目是FSSAE（大学学生方程式汽汽车）汽车转向系统设计。根据赛赛事主办方对对转向系统的的要求、结合合所学知识、综综合类似汽车车转向系统的的特点，设计计出该汽车转转向系统。设设计内容主要要包括FSAAE汽车转向

2、向器选型、设设计和计算，转向向操纵机构设设计，转向传传动机构和转转向梯形的设设计。选择合合适的转向器器类型，并设设计出满足转转向系统要求求的转向器，保保证汽车转向向操作的轻便便、并提供很很好的操控。并并对相应的操操纵机构和传传动机构进行行设计。并且且本设计在考考虑上述要求求和因素的基基础上对相应应机构进行优优化设计。从而实现转向向器结构简单单紧凑，轴向向尺寸短，且且零件数目少少的优点，从从而保证了汽车转转向的稳定性性、灵敏性和操作作的轻便性。在在本文中主要要进行了转向向器齿轮、齿条、拉杆和和节臂的校核核，其结果满满足FSAEE汽车转向系系统强度要求求。本文主要方法法和理论采用用汽车设计等等相关

3、资料，并并运用CATTIA进行设设计与装配。关键词：FSAAE；转向系统；齿轮齿齿条转向器；转向梯形The Steeeringg Systemm Designn of FFSAE CCar Speciaalty：VVehiclle Engineeeringg SStudennt Nummber：220101001151007Studentt：Fan Rui SSupervvisor： Niu ZhaowwenAbstracct：Thiis dessign iis enttitledd FSAEE (Forrmula SAE ) raciing stteerinng sysstem ddesig

4、nn . Acccordiing too evennt orgganizeers, tthe stteerinng sysstem rrequirrementts, coombineed witth thee knowwledgee, commpreheensivee raciing stteerinng sysstem ssimilaar chaaracteeristiics , the ccar stteerinng sysstem ddesignn . Deesign elemeents iincludde FSAAE raccing ssteeriing seelectiion, dd

5、esignn and calcuulatioon , ssteeriing meechaniism deesign , steeeringg rotaation mechaanism and ssteeriing trrapezooid deesign. Seleect thhe apppropriiate ttype oof steeeringg gearr and steerring ssystemms dessignedd to mmeet tthe reequireementss of tthe stteerinng geaar to ensurre ligghtweiight rra

6、cingg steeering operaationss and proviide goood coontroll . Annd to desiggn apppropriiate ccontrools annd rottatingg mechhanismm . Inn conssideraation of thhe aboove , and tthe deesign requiiremennts annd thee facttors oon thee basiis of approopriatte insstituttions to opptimizze thee desiign . In o

7、rrder tto achhieve steerring ssimplee and compaact sttructuure , shortt axiaal dimmensioon , aand thhe advvantagges off the smalll numbber off partts , tthus eensuriing thhe staabilitty of the rracingg steeering , agiility and ooperattionall porttabiliity . In thhis paaper cconduccted aa checck of t

8、he mmain ssteeriing geear, rrack, tie rrods aand knnucklee arm , thee resuult FSSAE caar steeeringg systtems mmeet tthe sttrengtth reqquiremments . In this paperr, thee use of caar dessign mmethodds andd theoories and oother relatted innformaation , andd the use oof CATTIA foor dessign aand asssembl

9、ly .Keywordds：FSAE; Steerring SSystemm; Rackk and pinioon steeeringg; Steeering trapeezoid目 录绪论11 汽车转向向系统总述21.1 汽车车转向系统概概述21.2 转向向系统类型与与发展趋势21.3 FSSAE汽车转转向系统的要要求32 转向系主主要性能参数数52.1 转向向系的效率52.1.1 转向器的正正效率52.1.2 转向器的逆逆效率62.2 传动动比变化特性性72.2.1 转向系传动动比72.2.2 力传动比与与转向系角传传动比的关系系72.2.3 转向器角传传动比的选择择82.3 转向向器传动

10、副的的传动间隙92.4 转向向盘的总转动动圈数93 FSAEE汽车转向系系统总体机构构设计103.1 参考考数据的确定定103.2 转向向系统类型选选择103.2.11 机械转转向系103.2.2 动力转向系系113.3 转向向器类型选择择133.3.1 齿轮齿条转转向器133.3.2 循环球式转转向器133.3.3 蜗杆滚轮式式转向器143.3.4 蜗杆指销式式转向器153.4 转向向轮侧偏角计计算154 转向器设设计174.1 齿轮轮齿条式转向向器的结构174.2 齿轮轮齿条式转向向器形式174.3 齿轮轮齿条式转向向器的布置形形式184.4 齿轮轮齿条啮合传传动的特点194.5 转向向器

11、参数选取取214.6 选择择齿轮齿条材材料254.7 齿轮轮的强度计算算254.7.1 齿轮齿条传传动的载荷计计算254.7.2 齿轮的受力力分析264.7.3 齿面接触强强度计算274.7.4 齿根弯曲强强度计算294.8 齿条条的强度计算算304.8.1 齿条的受力力分析304.8.2 齿条杆部受受拉压的强度度计算314.9 齿轮轮轴的结构设设计324.10 轴轴承的选择324.11 转向器的的润滑方式和和密封类型的的选择325 转向操纵纵与传动机构构设计335.1 方向向盘设计3355.1.1 FSAEE汽车方向盘盘设计要求：335.1.2 结构形式335.2 转向向轴设计345.3 转

12、向向管柱设计365.4 转向向节设计365.5 转向向横拉杆与球球头销376 转向梯形形机构优化386.1 转向向梯形机构概概述386.2 整体体式转向梯形形结构方案分分析386.3 整体体式转向梯形形机构优化分分析396.4 整体体式转向梯形形机构优化设设计426.4.1 优化方法介介绍426.4.2 优化设计计计算437 结论445参考文献477致谢48IV成都学院学士学位论文（设计）绪论 中国大学生方程程式汽车大赛赛（以下简称称FSAEE）是中国国汽车工程学学会及其合作作会员单位，在在学习和总结结美、日、德德等国家相关关经验的基础础上，结合中中国国情，精精心打造的一一项全新赛事事。FSA

13、E活动由由各高等院校校汽车工程或或与汽车相关关专业的在校校学生组队参参加。FSAAE要求各参参赛队按照赛赛事规则和汽汽车制造标准准，自行设计计和制造方程程式类型的小小型单人座休休闲汽车，并并携该车参加加全部或部分分赛事环节。比比赛过程中，参参赛队不仅要要阐述设计理理念，还要由由评审裁判对对该车进行若若干项性能测测试项目。在比赛过程中，参参赛队员能充充分将所学的的理论知识运运用于实践中中。同时，还还学习到组织织管理、市场场营销、物流流运输、汽车车运动等多方方面知识，培培养了良好的的人际沟通能能力和团队合合作精神，成成为符合社会会需求的全面面人才。目前，中国汽车车工业已处于于大国地位，但但还不是强

14、国国。从制造业业大国迈向产产业强国已成成为中国汽车车人的首要目目标，而人才才的培养是实实现产业强国国目标的基础础保障之一。大学生方程式汽汽车活动将以以院校为单位位组织学生参参与，赛事组组织的目的主主要有：一是重点培养学学生的设计、制制造能力、成成本控制能力力和团队沟通通协作能力，使使学生能够尽尽快适应企业业需求，为企企业挑选优秀秀适用人才提提供平台；二是通过活动创创造学术竞争争氛围，为院院校间提供交交流平台，进进而推动学科科建设的提升升；大赛在提高和检检验汽车行业业院校学生的的综合素质，为为汽车工业健健康、快速和和可持续发展展积蓄人才,增进产、学学、研三方的的交流与互动动合作等方面面具有十分广

15、广泛的意义。毫无疑问，对于于对汽车的了了解仅限于书书本和个人驾驾乘体验的大大学生而言，组组成一个团队队设计一辆纯纯粹而高性能能的汽车并将将它制造出来来，是一段极极具挑战，同同时也受益颇颇丰的过程。本次10级车辆工程的毕业设计一部分同学的设计便是与FSAE汽车相关的各系统的设计，本文则主要研究设计FSAE汽车转向系统的设计。1 汽车转向向系统总述1.1 汽车车转向系统概概述转向系统是用来来保持或者改改变汽车行驶驶方向的机构构，在汽车转转向行驶时，保保证各转向轮轮之间有协调调的转角关系系。在转向技技术方面汽车车和普通汽车一样，只只是由于汽车车的速度快，对对转向性的灵灵敏度要求高高，要求响应应要足够

16、快。但该汽车的转向系统和通常汽车在转向原理，转向要求和转向效果上都是基本相通的。转向系统是汽车车底盘的重要要组成部分，转转向系统性能能的好坏直接接影响到汽车车行驶的安全全性、操纵稳稳定性和驾驶驶舒适性，它它对于确保车车辆的行驶安安全、减少交交通事故以及及保护驾驶员员的人身安全全、改善驾驶驶员的工作条条件起着重要要作用。1.2 转向向系统类型与与发展趋势汽车转向系统的的发展经历了了3个基本阶阶段，分别为为纯机械式转转向系统、液液压助力转向向系统和电动动助力转向系系统，而线控控转向系统成成为其发展趋趋势。1、 纯机械式转向系系统机械式的转向系系统， 由于于产生转动所所需要的转矩矩完全由机械械力来提

17、供， 所以为施加加足够的转矩矩而不得不适适用大直径的的方向盘，因因此占用了很很大的驾驶空空间而使转向向系统显得很很 笨拙，而而且驾驶人员员操作起来也也比较吃力，故故适用范围有有很大局限性性。但是由于于其结构 简简单、造价低低廉、故障率率低，目前在在一部分转向向操纵力不大大、对操控性性能要求不高高的微型轿车车、农用机械械上仍有使用用。2、液压助力转转向系统液压助力转向系系统首次使用用于19533年通用汽车车公司。上世世纪80年代代后期，液压压助力转向系系得到进一步步优化，出现现了变流量泵泵液压动力转转向系统(VVariabble Diisplacce- meent Poower SSteerii

18、ng Puump) 和和电动液压助助力转向系统统(Elecctric Hydraaulic Powerr Steeering，简简称 EHPPS)。变流流量泵助力转转向系统的工工作原理是在在汽车处于不不需要转向或或者比较高的的行驶速度的的情况下，泵泵的流量将会会相应地减少少，有利于减减少不必要的的功耗。电动动液压转向系系统的转向泵泵由电动机驱驱动，与直接接由发动机驱驱动转向泵相相比，电机的的转速可调，也也可以随时关关闭，所以也也能够起到降降低功耗的功功效。液压助助力转向系统统降低了转向向盘操纵力，方方向盘的直径径可以做的较较小，大大减减少了方向盘盘所占用的驾驾驶室空间，同同时也使转向向系统变得

19、更更加灵敏。由由于液压助力力转向系统技技术已经很成成熟、能提供供大的转向操操纵助力，目目前在大部分分商用车、部部分乘用车，特特别是重型车车辆上应用广广泛。但是，液液压助力转向向系统在系统统安装、密封封性、布置、操操纵灵敏度、磨磨损能量、噪噪声与消耗等等方面存在一一定不足。 3、 汽车电动助力转转向系统(EEPS)EPS由日本铃铃木公司在 1988 年首次开发发出来，此后后，电动助力力转向技术得得到迅速发展展，其应用范范围已经从微微型轿车向大大型轿车和客客车方向发展展。电动助力力转向系统由由转矩传感器器、车速传感感器、电子控控制器、电动动机、电磁离离合器和减速速机构等组成成，汽车处于于起动或者低

20、低速行驶状态态操作转向时时， 转矩传传感器通过不不断检测驾驶驶者作用于转转向柱上的扭扭矩，并将车车速信号与此此信号同时输输入ECU，EECU对输入入的信号进行行处理运算，确确定助力扭矩矩输出的大小小与方向，从从而控制电动动机的电流与与转向，电动动机将转矩传传递给转向操操作机构中的的横拉杆。最最终，起到为为驾驶人员提提供辅助转向向力的功效，当当车速达到一一定的临界车车速时或出现现故障时，为为保证汽车高高速时具有良良好操控稳定定性，EPSS 系统将退退出助力工作作模式，电动动机将停止工工作，转向系系统切换到机机械转向系统统。当然，不不转向的情况况下，电动机机就不工作。4、 汽车线控转向系系统线控转

21、向系统由由方向盘模块块、转向执行行模块和主控控制器 3个个主要部分以以及自动防故故障系统、电电源等辅助模模块组成。它它是一种全新新概念的转向向系统，由于于其取消了方方向盘与转向向车轮间的机机械连接，通通过软件协调调它们之间的的运动关系，可可以实现一系系列传统转向向系统无法实实现的特殊功功能。汽车线线控转向系统统能够减轻驾驾驶员的负担担、提高整车车主动安全性性，使汽车性性能适应更 多非职业驾驾驶员的需求求，对广大消消费者有着巨巨大的吸引力力。但是由于于可靠性要求求及制造成本本较高，该系系统距离普及及仍有一段距距离。1.3 FSSAE汽车转转向系统的要要求1、汽车转弯行行驶时，全部部车轮都应绕瞬时

22、转转向中心旋转转，任何车轮轮不应有侧滑滑。不满足这这项要求会加加速轮胎磨损损，并降低汽汽车的行驶稳稳定性；2、汽车转向行行驶时，在驾驾驶员松开转转向盘的条件件下，转向轮轮能自动返回回到直线行驶驶位置，并稳稳定行驶；3、汽车在任何何行驶状态下下，转向轮都都不得产生自自振，转向盘盘没有摆动；4、转向传动机机构和悬架导导向装置共同同工作时，由由于运动不协协调使车轮产产生的摆动应应最小；5、操纵轻便，保证轿车有有较高的机动动性，具有迅迅速和小转弯弯行驶能力；6、转向轮碰撞撞到障碍物以以后，传给转转向盘的反冲冲力要尽可能能小；8、转向器和转转向传动机构构的球头处，有有消除因磨损损而产生间隙隙的调整机构构

23、；9、在车祸中当当转向轴和转转向盘由于车车架或车身变变形而共同后后移时，转向向系应有能使使驾驶员免遭遭或减轻伤害害的防伤装置置；10、方向盘必必须与前轮机机械连接，禁禁止使用线控控转向；11、转向系统统必须安装有有效的转向限限位块，以防防止转向连杆杆结构反转（四四杆机构在一一个节点处发发生反转）。限限位块可安装装在转向立柱柱或齿条上，并并且必须防止止轮胎在转向向行驶时接触触悬架、车身身或车架部件件； 12、转向系统统的自由行程程不得超过 7（在方向盘盘上测量）； 13、方向盘必必须安装在快快拆器上， 必须保证车车手在正常驾驾驶坐姿并配配戴手套时可可以操作快拆拆器；14、方向盘轮轮廓必须为连连续

24、闭合的近近圆形或近椭椭圆形，例如如：外轮廓可可以有一些部部分趋向直线线，不能有内内凹的部分。禁禁止使用 HH 形、8 型或分开式式方向盘； 15、在任何角角度，方向盘盘上端必须低低于前环的上上端；16、进行运动动校核，保证证转向轮与转转向盘转动方方向一致；正确设计转向梯梯形机构，可可以使第1项要求得到到保证。转向向系统中设置有有转向减振器器时，能够防防止转向轮产产生自振，同同时又能使传传到转向盘上上的反冲力明明显降低。为为了使汽车具有良好好的机动性，必必须使转向轮轮有尽可能大大的转角，并并要达到按前前外轮车轮轨轨迹计算，其其最小转弯半半径能达到汽汽车轴距的222.5倍倍。通常用转转向时驾驶员员

25、作用在转向向盘上的切向向力大小和转转动圈数多少少两项指标来来评价操纵轻轻便性。没有有装置动力转转向的轿车，在在行驶中转向向，此力应为为501000N；有动动力转向时，此此力在2050N。轿轿车转向盘从从中间位置转转到每一端的的圈数不得超超过2.0圈圈。2 转向系主主要性能参数数转向系统主要参参数包括转向向系效率、转转向系传动比比、传动副的的传动间隙和和转向盘的转转动圈速。2.1 转向向系的效率功率从转向轴输输入，经转向向摇臂轴（或或横拉杆）输输出所求得的的效率称为转转向器的正效效率，用符号号表示，；反反之称为逆效效率，用符号号表示。正效率计算公式式： （2-1）逆效率计算公式式： （22-2）

26、 式中，为作用用在转向轴上上的功率；为为转向器中的的磨擦功率；为作用在转转向摇臂轴上上的功率。正正效率高，转转向轻便；转转向器应具有有一定逆效率率，以保证转转向轮和转向向盘的自动返返回能力。但但为了减小传传至转向盘上上的路面冲击击力，防止打打手，又要求求此逆效率尽尽可能低。影响转向器正效效率的因素有有转向器的类类型、结构特特点、结构参参数和制造质质量等。2.1.1 转向器的正正效率影响转向器正效效率的因素有有转向器的类类型、结构特特点、结构参参数和制造质质量等。1、转向器类型型、结构特点点与效率在四种转向器中中，齿轮齿条条式、循环球球式转向器的的正效率比较较高，而蜗杆杆指销式特别别是固定销和和

27、蜗杆滚轮式式转向器的正正效率要明显显的低些。同一类型转向器器，因结构不不同效率也不不一样。如蜗蜗杆滚轮式转转向器的滚轮轮与支持轴之之间的轴承可可以选用滚针针轴承、圆锥锥滚子轴承和和球轴承。选选用滚针轴承承时，除滚轮轮与滚针之间间有摩擦损失失外，滚轮侧侧翼与垫片之之间还存在滑滑动摩擦损失失，故这种轴轴向器的效率率+仅有554%。另外外两种结构的的转向器效率率分别为700%和75%。转向摇臂轴的轴轴承采用滚针针轴承比采用用滑动轴承可可使正或逆效效率提高约110%。2、转向器的结结构参数与效效率如果忽略轴承和和其经地方的的摩擦损失，只只考虑啮合副副的摩擦损失失，对于蜗杆杆类转向器，其其效率可用下下式

28、计算： （2-33）式中，a0为蜗蜗杆（或螺杆杆）的螺线导导程角；为为摩擦角，=arcttanf；ff为磨擦因数数。2.1.2 转向器的逆逆效率根据逆效率不同同，转向器有有可逆式、极极限可逆式和和不可逆式之之分。路面作用在车轮轮上的力，经经过转向系可可大部分传递递到转向盘，这这种逆效率较较高的转向器器属于可逆式式。它能保证证转向轮和转转向盘自动回回正，既可以以减轻驾驶员员的疲劳，又又可以提高行行驶安全性。但但是，在不平平路面上行驶驶时，传至转转向盘上的车车轮冲击力，易易使驾驶员疲疲劳，影响安安全行驾驶。属于可逆式的转转向器有齿轮轮齿条式和循循环球式转向向器。不可逆式和极限限可逆式转向向器。不可

29、逆逆式转向器，是是指车轮受到到的冲击力不不能传到转向向盘的转向器器。该冲击力力转向传动机机构的零件承承受，因而这这些零件容易易损坏。同时时，它既不能能保证车轮自自动回正，驾驾驶员又缺乏乏路面感觉，因因此，现代汽汽车不采用这这种转向器。极极限可逆式转转向器介于可可逆式与不可可逆式转向器器两者之间。在在车轮受到冲冲击力作用时时，此力只有有较小一部分分传至转向盘盘。如果忽略轴承和和其它地方的的磨擦损失，只只考虑啮合副副的磨擦损失失，则逆效率率可用下式计计算（22-4）式（2-3）和和式（2-44）表明：增增加导程角，正正、逆效率均均增大。受增增大的影响，不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时，逆效

30、率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于磨擦角。2.2 传动动比变化特性性转向系的传动比比包括转向系系的角传动比比和转向系的的力传动比iiP，两者之间间的关系对转转向的整体性性能有很大影影响。2.2.1 转向系传动动比传动系的力传动动比：（2-55）转向系的角传动动比: （2-66）转向系的角传动动比由转向器器角传动比和和转向传动机机构角传动组组成，即：（2-7）转向器的角传动动比: （22-8） 转向传动机构的的角传动比: （2-99）2.2.2 力传动比与与转向系角传传动比的关系系转向阻力与转向向阻力矩的关关系式：（2-110）作用在转向盘上上的手力与作作用

31、在转向盘盘上的力矩的的关系式：（2-111）将式（2-100）、式（22-11）代代入 后得到到：（2-122）如果忽略磨擦损损失，根据能能量守恒原理理，2Mr/Mh可用下式表表示 （22-13）将式（2-100）代入式（22-11）后后得到：（2-144）当a和Dsw不不变时，力传传动比越大，虽虽然转向越轻轻，但也越大大，表明转向向不灵敏。2.2.3 转向器角传传动比的选择择转向器角传动比比可以设计成成减小、增大大或保持不变变的。影响选选取角传动比比变化规律的的主要因素是是转向轴负荷荷大小和对汽汽车机动能力力的要求。若转向轴负荷小小或采用动力力转向的汽车车，不存在转转向沉重问题题，应取较小小

32、的转向器角角传动比，以以提高汽车的的机动能力。若若转向轴负荷荷大，汽车低低速急转弯时时的操纵轻便便性问题突出出，应选用大大些的转向器器角传动比。汽车以较高车速速转向行驶时时，要求转向向轮反应灵敏敏，转向器角角传动比应当当小些。汽车车高速直线行行驶时，转向向盘在中间位位置的转向器器角传动比不不宜过小。否否则转向过分分敏感，使驾驾驶员精确控控制转向轮的的运动有困难难。转向器角传动比比变化曲线应应选用大致呈呈中间小两端端大些的下凹凹形曲线，如如图2-1所示。图2-1 转转向器角传动动比变化特性性曲线2.3 转向向器传动副的的传动间隙传动间隙是指各各种转向器中中传动副之间间的间隙。该该间隙随转向向盘转

33、角的大大小不同而改改变，并把这这种变化关系系称为转向器器传动副传动动间隙特性（图图2-2）。研究该特性的意意义在于它与与直线行驶的的稳定性和转转向器的使用用寿命有关。传动副的传动间间隙在转向盘盘处于中间位位置及其附近近位置时要很很小，最好无无间隙。若转转向器传动副副存在的传动间隙很大大时，当转向轮受到到较大的侧向力力作用，车轮轮将很有可能能偏离原行驶驶路线，使车辆失去稳定定。传动副在中间位位置及其附近近位置因使用用频繁，磨损损速度要比两两端快。在中中间位置及附近位位置因磨损造造成的间隙过过大时，必须须经调整消除除该处间隙。图2-2 转转向器传动副副传动间隙特特性转向器传动副传传动间隙特性性 图

34、中曲线线1表明转向向器在磨损前前的间隙变化化特性；曲线线2表明使用用并磨损后的的间隙变化特特性，并且在在中间位置处处已出现较大大间隙；曲线线3表明调整整后并消除中中间位置处间间隙的转向器器传动间隙变变化特性。2.4 转向向盘的总转动动圈数转向盘从一个极极端位置转到到另一个极端端位置时所转转过的圈数称称为转向盘的的总转动圈数数。它与转向向轮的最大转转角及转向系系的角传动比比有关，并影影响转向的操操纵轻便性和和灵敏性。轿轿车转向盘的的总转动圈数数较少，一般般约在3.66圈以内。而而对于方程式式汽车而言，过过多的转动圈圈速不利于提提高转向的灵灵敏度。本文文的设计参考考Formuula 1汽汽车转向系

35、统统，转动圈速速为2/3圈圈，及左右各各120。483 FSAEE汽车转向系统总体体机构设计FSAE汽车属属于小型赛车车，其整备质质量很轻，整整体尺寸也很很小，本章将将确定转向系系统的主要参参数，并根据据确定的参数数进行转向系系统类型的选选择。3.1 参考考数据的确定定表3-1 FFSAE汽车车转向系统参数前轮距B11250mm后轮距B21200mm轴距L1650mm满载轴荷分配：前/后169.2/1190.8(kg)轮胎223/5333R14主销偏移距a100mm轮胎压力p/MMPa0.45方向盘直径DSSW300mm最小转弯半径RR3.5m转向节臂L190mm3.2 转向向系统类型选选择汽

36、车转向系可按按转向能源的的不同分为机机械转向系和和动力转向系系两大类。3.2.1 机械转向系系机械转向系中转转向能源是来来自驾驶员的的体力，其中中所有传力件件都是机械的的。机械转向向系由转向器器、转向操纵纵机构和转向向传动机构三三大部分组成成。图3-1所示的的机械转向系系统。当汽车车转向时，驾驾驶员对转向向盘施加一个个转向力矩。该该力矩通过转转向轴和柔性性联轴节输入入转向器，转转向器再将力力经左，右横横拉杆,将力力传给固定于于两侧转向节节上的左、右右转向节臂，使使转向节和它它所支撑的转转向轮绕主销销轴线偏移一一定角度，实实现转向。目前，许多国内内外生产的新新车型在转向向操纵机构中中转向轴采用用

37、了万向传动动装置（转向向万向节和转转向传动轴）。这这有助于转向向盘和转向器器等部件和组组件的通用化化和系列化。只只要适当改变变转向万向传传动装置的几几何参数，便便可以满足各各种变型车的的总布置要求求。即使在转转向器与转向向盘同轴线的的情况下，其其间也可以采采用万向传动动装置，以补补偿由于部件件在车上的安安装基体和安安装误差（驾驾驶室、车架架）的变形所所造成的二者者轴线实际上上的不重合。 图3-1 机械械转向系统3.2.2 动力转向系系为了减轻转向时时驾驶员作用用到转向盘上上的手力和提提高行驶安全全，在有些汽汽车上装设了了动力转向机机构。动力转转向系统主要要分为液压助助力转向系统统、电动助力力转

38、向系统。如如图（3-22、3-3）。图3-2液压助助力转向系统统图3-3 电动动助力转向系系统示意图发动机排量在22.5L以上上的乘用车，由由与对其操纵纵轻便性的要要求越来越高高，采用或者者可供选装动动力转向器的的逐渐增多。转转向轴轴载质质量超过2.5t的货车车，可以采用用动力转向；当超过4tt时，应该采采用动力转向向。动力转向系统是是一种转向能能源是来自于于发动机（或或电动机）的的动力和驾驶驶员体力的转转向系统。在在机械转向系系统的基础上上加设一套转转向助力装置置就形成的动动力转向系统统。在正常情况下，汽汽车所需转向向能量，大部部分是由发动动机所驱动的的动力转向装装置提供的其其中只有一小小部

39、分由驾驶驶员来提供，如如果动力转向向装置出现故故障无法提供供助力时，此此时驾驶员能能独立承担汽汽车转向所需需的能量。所所以在机械转转向系的基础础上加设一套套动力转向装装置就形成了了动力转向系系统。对较轻的汽车人人力勉强可以以实现转向，但但对于最大总总质量大于等等于50吨的的重型汽车而而言，动力转转向装置一旦旦失效，转向向轮在驾驶员员通过机械传传动系加于万万向节的力的的作用下远不不足发生偏转转从而实现转转向。动力转转向装置稳定定可靠程度对对这种汽车尤尤为重要。FSAE汽车属属于小型车辆辆，整备质量量尽为3000kg左右，所所以本设计选选用的机械转转向系统。3.3 转向向器类型选择择转向器是整个转

40、转向系统的核核心部分，转转向器的设计计也就是整个个转向系统的的关键所在。根根据所采用的的转向传动副副的不同，常常见转向器的的结构型式有有四种。分别有齿轮齿齿条式、循环环球式、球面面蜗杆滚轮式式和蜗杆指销式式等。3.3.1 齿轮齿条转转向器齿轮齿条式转向向器（图3-4）由与转转向轴做成一一体的转向齿齿轮和常与转转向横拉杆做做成一体的齿齿条组成。齿齿轮齿条式转转向器与其他他形式的转向向器相比，其其最主要的优优点是：结构构简单，紧凑凑，壳体压铸铸而成材质多多选用铝合金金或者镁合金金，其的质量量相对比较少少；转向器占占用的体积小小；传动效率率也高达900%，没有转转向摇臂和直直拉杆，所以以转向轮转角角

41、可以增大；制造成本低低。齿轮齿条转向向器最主要的的缺点是：因因逆效率高（660%700%），汽车车在不平路面面上行驶时，发发生在转向轮轮与路面之间间冲击力的大大部分能转至至转向盘，称称之为反冲。反反冲现象会使使驾驶员精神神紧张，并难难以准确控制制汽车行驶方方向，转向盘盘突然转动又又会造成打手手，同时对驾驾驶员造成伤伤害。图3-4 齿齿轮齿条式转转向器3.3.2 循环球式转转向器循环球式转向器器由螺杆和螺螺母共同形成成的螺旋槽内内装钢球构成成的传动副，以以及螺母上齿齿条与摇臂轴轴上齿扇构成成的传动副组组成，如图（33-5）。图3-5 循循环球式转向向器循环球式转向器器的优点是：因为可以循循环流动

42、的钢钢球在螺杆和和螺母之间滚滚动，上滑动动摩擦转变成成滚动摩擦，其其传动效率高高达到75%85%；另外在结构构与工艺方面面进行改良，例例如降低工作作表面的粗糙糙度和提高螺螺杆螺母制造造精度。螺杆杆螺母上的螺螺纹经磨削加加工和淬火，硬硬度和耐磨损损性能都等到到很大提升，保保证螺杆螺母母的使用寿命命得意提升；工作平稳可可靠；并且转转向器的传动动比也是可以以变化。 循环球式转向器器的缺点是：逆效率高，结结构复杂，制制造困难，制制造精度要求求高,循环球球式转向器主主要用于商用用车上。3.3.3 蜗杆滚轮式式转向器蜗杆滚轮式转向向器（如图33-6）主要要由蜗杆和滚滚轮相互啮合合而构成。此此类转向器的的优

43、点主要是是：结构较简简单；易加工工；由于蜗杆杆上的螺纹和和滚轮的齿面面属于面接触触，所以强度度较高，工作作稳定可靠，使使用寿命长，不不易磨损；其其逆效率较低低。蜗杆滚轮式转向向器缺点主要要是：正效率率较低；当工工作齿面发生生磨损之后，啮啮合间隙的调调整比较困难难；另外蜗杆杆滚轮式转向向器的传动比比是不能改变变。曾经在汽车上也也广泛使用过过这种转向器器。图3-6 蜗杆杆滚轮式转向向器3.3.4 蜗杆指销式式转向器蜗杆指销式转向向器（如图33-7）主要要由蜗杆和一一端带有销子子摇臂轴构成成。按销子能能否转动分成成旋转销式和和固定销式。如如果销子除随随同摇臂轴转转动外，还能能绕自身轴线线转动的，称称

44、子为旋转销销式转向器；如果销子不不能自转，则则称之为固定定销式蜗杆指指销式转向器器。根据销子子数量的不同同又可以分为为单销和双销销。蜗杆指销式转向向器的优点是是:当蜗杆的的导程不变时时，其传动比比也是不变的的。如果要的的到可以变传传动比的转向向器，将螺杆杆的导程做成成变化的即可可。当蜗杆和和指销之间的的工作面磨损损之后，间隙隙的调整工作作也比较容易易。固定销蜗杆指销销式转向器的的结构简单，易易加工；但是是因销子本身身无法自转，销销子的工作部部位基本保持持不变，所以以磨损快，工工作效率低。旋旋转销式转向向器的效率高高，磨损慢，但但结构复杂。蜗杆指销式转向器应有较少图3-7 蜗杆杆指销式转向向器根

45、据FSAE转转向系统要求求，结合上述述几种转向器器的特点，本本设计中选用用的是齿轮齿齿条式转向器器。3.4 转向向轮侧偏角计计算如上图3-8所所示：左、右右转向车轮绕绕其转向主销销的偏转，并并使它们偏转转到绕同一瞬瞬时转向中心心的不同轨迹迹圆上，实现现车轮无滑动动地滚动转向向。为了使左左、右转向车车轮偏转角之之间的关系能能满足这一汽汽车转向运动动学的要求，两车轮见侧片角会有一下关系，这要由转向传动机构中的转向梯形机构的精确设计来保证。汽车转向时，将将围绕其弯心心转动，两车车轮离转弯中中心的距离并并不相等，其其内侧车轮转转角位，外侧侧为，最大转转弯半径R，轴轴距L，为两两主销中心线线延长线到地地面交点之间间的距离，则则左右车轮侧侧片角如下。图3.8 车车轮位置简图图 （33-1） （33-2）