巴哈賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

胡延明　王健兒　賈瓊

摘 要：大學(xué)生巴哈比賽是一項由汽車工程學(xué)會主辦以大學(xué)生群體為主的賽車競賽。要求在規(guī)定時間內(nèi)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(wěn)定等特點以成功通過賽事里的每一項比賽的賽車。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計是巴哈賽車設(shè)計中的一項非常重要設(shè)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(chǎn)生轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向輪之間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào).本文簡要分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用、基本構(gòu)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(zhuǎn)彎半徑，最大外輪轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的傳動比;其次根據(jù)賽車所需轉(zhuǎn)向關(guān)系以及實際轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系確定轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)參數(shù)并驗證其是否滿足要求，利用前懸架參數(shù)采用三心定理確定轉(zhuǎn)向梯形斷開點，確定轉(zhuǎn)向桿系的空間布局;最后確定各結(jié)構(gòu)件參數(shù)完成catia三維模型建立裝配。

關(guān)鍵詞：巴哈賽車 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) CATIA 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向梯形參數(shù)的確定

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

依據(jù)三心定理確定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié)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(zhuǎn)向斷開點。

2 轉(zhuǎn)向系內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系確定

初步設(shè)計齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在前軸后方，要求齒輪齒條中齒條軸線與汽車縱向?qū)ΨQ軸垂直，在中間位置布置轉(zhuǎn)向器，在汽車縱向?qū)ΨQ軸的兩側(cè)布置齒條兩端球鉸中心且兩球鉸應(yīng)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(jù)公式計算得到：

當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤時，帶動齒條移動，連接齒條兩端的桿系會產(chǎn)生不同長度的運動，于是左右車輪分別獲得一個轉(zhuǎn)角。如果汽車向左轉(zhuǎn)彎，此時右輪為外輪，外輪一側(cè)的桿系運動如圖2所示。假設(shè)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(zhuǎn)角θ0。把圖中頂點O作為坐標(biāo)原點，可以得到齒條行程S與外輪轉(zhuǎn)角θ0的關(guān)系：

另外，由圖3可知：

汽車內(nèi)輪一側(cè)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(zhuǎn)過，把圖中頂點O1作為坐標(biāo)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(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即：

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

反之，也可利用（式1-4）求出對應(yīng)任一內(nèi)輪轉(zhuǎn)角θi的齒條行程S，再將S代入（式1-7）即可求出相應(yīng)的外輪轉(zhuǎn)角θ0。將（式1-8）和（式1-7）結(jié)合起來可將θ0表示為θi的函數(shù)，

記作：θi=F（θ0）k

3 齒輪的設(shè)計

斜齒輪傳動具有傳動平穩(wěn)，噪聲較小以及重合度大的優(yōu)點。因此該設(shè)計采用斜齒圓柱齒輪和齒條進行傳動。齒輪模數(shù)取的值范圍在1.5-3.0之間該齒輪模數(shù)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(zhì)量較輕，轉(zhuǎn)向力矩較小。

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)可計算出：

斜齒圓柱齒輪分度圓直徑d。

4 齒條的設(shè)計

根據(jù)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(shè)計齒條的模數(shù)：mn2=1.75，可計算出齒條的壓力角為：α2=20°。

齒條的齒數(shù)Z2：

此式中：S-齒條行程，35mm;

mn2-齒條模數(shù)，1.75mm;

α2-齒條壓力角，α2=20°

將數(shù)據(jù)代入（式1-12），得：

Z2=13.6;取齒條齒數(shù)Z2=17

齒寬b

此式中：齒寬系數(shù)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(diào)質(zhì)滲碳淬火的熱處理方式，齒條采用調(diào)質(zhì)淬火的熱處理方式。

5 確定目標(biāo)函數(shù)

忽略不計輪胎側(cè)偏，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪純滾動、無側(cè)滑轉(zhuǎn)向的條件是內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角由如圖4所示的理想的關(guān)系。

即

由（1-14）式可用θot的函數(shù)替換內(nèi)輪轉(zhuǎn)角θit即：

θit=f（θo）=arctg（ctgθo-）（式1-15）

得到轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的內(nèi)、外實際轉(zhuǎn)角關(guān)系θi=f（θo）或θ0=f（θi）。轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的下一步目標(biāo)就是要在規(guī)定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)使實際的內(nèi)（或外）輪轉(zhuǎn)角要盡可能的接近理想的內(nèi)（或外）輪轉(zhuǎn)角。在考慮中小轉(zhuǎn)角時希望兩轉(zhuǎn)角盡量接近，所以綜合評價兩轉(zhuǎn)角在全部轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)接近的程度時需要用兩函數(shù)的加權(quán)均方根誤差σ作為評價指標(biāo)。即：

加權(quán)因子Wo、Wi之間的關(guān)系為

Wo=Wi

由于兩個加權(quán)因子的關(guān)系是等價的，要根據(jù)具體的情況取其中之一作為極小化目標(biāo)函數(shù)。

6 結(jié)語

本次設(shè)計首先采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，然后以CATIA軟件作為制圖工具，整理出一整套較為快捷的設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(jié)果對比發(fā)現(xiàn)新方法與傳統(tǒng)方法結(jié)果相符，說明新方法基本可行。

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