巴哈賽車轉向系統設計

胡延明　王健兒　賈瓊

摘 要：大學生巴哈比賽是一項由汽車工程學會主辦以大學生群體為主的賽車競賽。要求在規定時間內每支車隊獨立制造出一輛具有良好的加速性能、四輪能同時抱死、操控性能足夠穩定等特點以成功通過賽事里的每一項比賽的賽車。轉向系統設計是巴哈賽車設計中的一項非常重要設計，其作用是保障在改變行駛方向的同時保證車輛的正常運行，并保證在產生轉向時轉向輪之間的轉角協調.本文簡要分析了轉向系統的作用、基本構成，為了保證賽車具有良好的機動性能，確定符合巴哈賽車的最小轉彎半徑，最大外輪轉角以及轉動系統的傳動比;其次根據賽車所需轉向關系以及實際轉向內外輪轉角關系確定轉向梯形結構參數并驗證其是否滿足要求，利用前懸架參數采用三心定理確定轉向梯形斷開點，確定轉向桿系的空間布局;最后確定各結構件參數完成catia三維模型建立裝配。

關鍵詞：巴哈賽車 轉向系統 CATIA 轉向梯形

Design of Steering System for Bach Racing Car

Hu Yanming，Wang Jianer，Jia Qiong

Abstract：The university student Baha'i race is a racing race mainly hosted by the society of automotive engineering. It is required that each team independently produce a car with good acceleration performance， four wheels locking at the same time， stable handling performance and other characteristics within the specified time to successfully pass each race in the race. The design of steering system is a very important design in the design of Baha racing car. Its function is to ensure the normal operation of the vehicle while changing the driving direction， and ensure the angle coordination between steering wheels when steering occurs This paper briefly analyzes the function and basic composition of the steering system. In order to ensure the good maneuverability of the car， the minimum turning radius， the maximum outer wheel angle and the transmission ratio of the rotating system are determined; secondly， according to the steering relationship required by the car and the actual steering angle relationship between the inner and outer wheels， the steering trapezoidal structure parameters and verify whether they meet the requirements are determined， using the front suspension parameters and the three center theorem to determine the breaking point of the steering trapezoid and the spatial layout of the steering linkage; finally， the parameters of each structural part are determined to complete the establishment and assembly of CATIA three-dimensional model.

Key words：BAHA racing car， steering system， CATIA， steering trapezoid

1 斷開式轉向梯形參數的確定

由于賽車工況比較復雜，在行駛過程中懸架會上下跳動，為避免轉向與懸架干涉需要考慮轉向桿的布置位置，本車采用的是斷開式轉向梯形，設計關鍵是轉向斷開點的位置。

依據三心定理確定轉向斷開點，如圖1所示。

（1）連接EC并延長，與GD連線的延長線的交點就是轉向節的瞬時運動中心P1。

（2）連接并延長GE，與DC的延長線的交點為P2。

（3）做直線P3，P1，P2，使其夾角為α。由于P1U在P1G上方，故P3在P2上方。延長UE角P1P3與P3，連接P3C并延長與P1U交于T。T即為所求的轉向斷開點。

2 轉向系內外輪轉角的關系確定

初步設計齒輪齒條式轉向器在前軸后方，要求齒輪齒條中齒條軸線與汽車縱向對稱軸垂直，在中間位置布置轉向器，在汽車縱向對稱軸的兩側布置齒條兩端球鉸中心且兩球鉸應對稱。

先計算橫向拉桿的長度。已知賽車的軸距L、齒條兩端球鉸中心距M、主銷后傾角β、梯形臂長L1、左右兩主銷軸線延長線與地面交點之間的距離K、梯形底角γ以及齒條軸線到梯形底邊的安裝距離h。根據公式計算得到：

當轉動方向盤時，帶動齒條移動，連接齒條兩端的桿系會產生不同長度的運動，于是左右車輪分別獲得一個轉角。如果汽車向左轉彎，此時右輪為外輪，外輪一側的桿系運動如圖2所示。假設此時齒條向右移動行程為S，右橫拉桿推動右梯形臂，得到轉角θ0。把圖中頂點O作為坐標原點，可以得到齒條行程S與外輪轉角θ0的關系：

另外，由圖3可知：

汽車內輪一側的運動則如圖3所示，齒條往右移動同樣的行程S，齒條帶動左橫拉桿拉動右梯形臂轉過，把圖中頂點O1作為坐標原點，水平方向為y軸、豎直方向為x軸，可以得到齒條行程S與內輪轉角的關系，即：

因此，利用（式1-2）便可求出對應于任一外輪轉角的齒條行程S，再將S代人（式1-9）即可求出相應的內輪轉角。把（式1-2）和（式1-5）結合起來便可將θi表示為θ0的函數，記作：

反之，也可利用（式1-4）求出對應任一內輪轉角θi的齒條行程S，再將S代入（式1-7）即可求出相應的外輪轉角θ0。將（式1-8）和（式1-7）結合起來可將θ0表示為θi的函數，

記作：θi=F（θ0）k

3 齒輪的設計

斜齒輪傳動具有傳動平穩，噪聲較小以及重合度大的優點。因此該設計采用斜齒圓柱齒輪和齒條進行傳動。齒輪模數取的值范圍在1.5-3.0之間該齒輪模數取1.75，主動大齒輪壓力角取值20°，齒輪螺旋角一般為9°-15°賽車的整車質量較輕，轉向力矩較小。

依據表1的數據可計算出：

斜齒圓柱齒輪分度圓直徑d。

4 齒條的設計

根據齒輪齒條配合要求，相互嚙合的齒輪的齒距p1=πmn1cosα1和齒條的齒距p2=πmn2cosα2必須相等，即：

πmn1cosα1=πmn2cosα2# （或1-11）

設計齒條的模數：mn2=1.75，可計算出齒條的壓力角為：α2=20°。

齒條的齒數Z2：

此式中：S-齒條行程，35mm;

mn2-齒條模數，1.75mm;

α2-齒條壓力角，α2=20°

將數據代入（式1-12），得：

Z2=13.6;取齒條齒數Z2=17

齒寬b

此式中：齒寬系數取為0.66

d為齒輪分度圓直徑，為30.41mm;

計算得：

b=20.07mm

齒輪軸和齒條的材料采用40cr，齒輪采用調質滲碳淬火的熱處理方式，齒條采用調質淬火的熱處理方式。

5 確定目標函數

忽略不計輪胎側偏，實現轉向輪純滾動、無側滑轉向的條件是內外輪轉角由如圖4所示的理想的關系。

即

由（1-14）式可用θot的函數替換內輪轉角θit即：

θit=f（θo）=arctg（ctgθo-）（式1-15）

得到轉向梯形機構的內、外實際轉角關系θi=f（θo）或θ0=f（θi）。轉向梯形機構優化設計的下一步目標就是要在規定的轉角范圍內使實際的內（或外）輪轉角要盡可能的接近理想的內（或外）輪轉角。在考慮中小轉角時希望兩轉角盡量接近，所以綜合評價兩轉角在全部轉角范圍內接近的程度時需要用兩函數的加權均方根誤差σ作為評價指標。即：

加權因子Wo、Wi之間的關系為

Wo=Wi

由于兩個加權因子的關系是等價的，要根據具體的情況取其中之一作為極小化目標函數。

6 結語

本次設計首先采用傳統的設計方法設計賽車轉向系統，然后以CATIA軟件作為制圖工具，整理出一整套較為快捷的設計轉向系統方法。通過兩種方法的嘗試充分感受到新方法效率高，且通過結果對比發現新方法與傳統方法結果相符，說明新方法基本可行。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車設計.北京：清華大學出版社，2000.

[2]張敏中.與齒輪齒條式轉向器配用的轉向傳動機構優化設計. 汽車技術，1994.

[3]石啟龍，楊建偉.基于MAT;AB的斷開式轉向梯形機構的優化設計.機械設計與制造，2011.

[4]周祥基.汽車轉向傳動機構的類型分析與優化設計.東南大學碩士論文.2005.

[5]王文斌.機械設計手冊（新版）.北京：機械工業出版社，2004.