FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

【摘要】大學(xué)生方程式大賽（FSAE）是為熱愛賽車的在讀大學(xué)生舉辦的一項(xiàng)競賽。汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變行駛方向的機(jī)構(gòu)。本文從該角度分析了賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用、基本構(gòu)成、要求和總體性能。

【關(guān)鍵詞】FSAE賽車；齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；設(shè)計(jì)

一、研究意義

FSAE旨在通過學(xué)生親手設(shè)計(jì)制造一輛滿足大賽要求的賽車，來提高學(xué)生對汽車設(shè)計(jì)知識的拓展應(yīng)用能力和實(shí)際加工動(dòng)腦動(dòng)手能力。大賽賽道設(shè)有轉(zhuǎn)向半徑較小的急轉(zhuǎn)彎道和間距不等的障礙道，需要賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靈敏、輕便、高效。FSAE賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)能使車手在比賽時(shí)更好地高速避障、入彎出彎及緊急轉(zhuǎn)向保證行車安全。

二、FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變車輛行駛方向并在車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系的機(jī)構(gòu)。

FSAE大賽規(guī)定僅使用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向器作為改變汽車行駛方向及保持汽車穩(wěn)定直線行駛的關(guān)鍵零部件，其性能至關(guān)重要。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)狀況，對于保證行駛安全、減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度和延長車輛使用壽命均有很重要的作用。如何改善賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性、靈敏性、可靠性和輕便性，應(yīng)作為設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。另外，合適的轉(zhuǎn)向器對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也很重要。

比賽還規(guī)定：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須安裝有效的轉(zhuǎn)向限位塊，以防止轉(zhuǎn)向連桿結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)；限位塊可安裝在轉(zhuǎn)向立柱或齒條上，并且必須防止輪胎在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)接觸懸架、車身或車架部件；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過7°；方向盤必須安裝在快拆器上，保證車手在正常駕駛坐姿并配戴手套時(shí)可以操作快拆器；方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形。

三、FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

初始參數(shù)：

1.轉(zhuǎn)向盤總?cè)?shù) ≤3.0

2.轉(zhuǎn)向盤直徑≤200mm

3.最大轉(zhuǎn)向盤操縱力≤100N

4.轉(zhuǎn)向盤在上下方向的最大調(diào)節(jié)量≥50mm

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：（1）保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性；（2）汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，全部車輪應(yīng)繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，不應(yīng)有側(cè)滑；（3）傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖要盡量小；（4）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動(dòng)回正，并使汽車保持直線行駛狀態(tài)；（5）發(fā)生車禍時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸由于車架和車身變形后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最好有保護(hù)機(jī)構(gòu)防止傷到乘員。

四、轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式方案的確定

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕；傳動(dòng)效率高；可自動(dòng)消除嚙合間隙；制造成本低。缺點(diǎn)是：逆效率高。

蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；強(qiáng)度比較高、壽命長；逆效率低。缺點(diǎn)是：正效率低；嚙合間隙難調(diào)整；傳動(dòng)比不能變化。

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)是：耐磨、壽命長；轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比可變；間隙容易調(diào)整；布置方便，適合大、中型車輛。

由以上分析可知，我所要設(shè)計(jì)方程式賽車將采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。

五、齒輪齒條的設(shè)計(jì)

齒輪軸是一根切有齒的軸，安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上并與齒條上的齒相嚙合，其上端與轉(zhuǎn)向柱相連。因此，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)使齒條橫向移動(dòng)來操縱前輪。齒輪軸由安裝在轉(zhuǎn)向器殼體上的深溝球軸承支承。轉(zhuǎn)向器內(nèi)的齒選用斜齒，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)比直齒平穩(wěn)，且傳遞更大動(dòng)力，故采用斜齒圓柱齒輪。假設(shè)齒輪有足夠嚙合長度，且齒輪在齒條上滾動(dòng)。當(dāng)齒條不動(dòng)齒輪嚙合一周時(shí)，齒輪中心線移動(dòng)了一定位移S。我們通過計(jì)算可知，位移S=πd，即齒條實(shí)際移動(dòng)距離（d是分度圓直徑）。

對于一般汽車的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器來說，齒輪的模數(shù)取值范圍在2～3mm之間，主動(dòng)小齒輪齒數(shù)在5～7范圍變化，壓力角取值20°，齒輪螺旋角多為9°～15°。但考慮到賽車的方向盤轉(zhuǎn)角不到一圈，而齒條總行程需要約160mm，且每嚙合一次，齒條走過一個(gè)周節(jié)（t=πm）的距離，致使所需齒輪較大，所以初選齒數(shù)Z1為15。

齒條是在金屬殼體內(nèi)來回滑動(dòng)的，轉(zhuǎn)向器殼體是安裝在車架前底板固定位置上的。齒條的橫向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，使前輪轉(zhuǎn)向。相互嚙合的齒輪的齒距p1和齒條的齒距p2必須相等。

即：πm1cosα1=πm2cosα2

所以選定齒條模數(shù)m2為5mm，計(jì)算出齒條的壓力角α2=20°。選取齒條齒數(shù)z=10，螺旋角β=13°，齒條斷面形狀選取為圓形。

六、結(jié)論

賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于保證賽車行駛安全、減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度很重要。改善汽車的操縱穩(wěn)定性和提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性是比賽制勝的重要因素之一。本文闡述了FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配過程，得出以下結(jié)論：（1）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器保證了較高的傳動(dòng)效率，操縱的輕便性及可靠性。（2）較合理的轉(zhuǎn)向梯形布置很好地滿足了轉(zhuǎn)向輕便和磨損較小的要求。（3）方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不到1圈，但轉(zhuǎn)向輪最大擺角滿足比賽轉(zhuǎn)向要求，角傳動(dòng)比為4∶1，轉(zhuǎn)向效率很高。

參考文獻(xiàn)

[1]晉兵營，寧廣慶，施國標(biāo).汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2010（01）.

[2]中國大學(xué)生方程式汽車大賽組委會.2011中國大學(xué)生方程式汽車大賽參賽手冊[R].北京：中國汽車工程協(xié)會，2012.

作者簡介：徐嬌艷（1986.11—），女，漢族，湖北襄陽人，碩士，講師，主研究方向：汽車專業(yè)、教育管理。