FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)0512

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. 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 工業(yè)制造學(xué)院 專 業(yè) 車輛工程 　 學(xué)生姓名 樊睿 　 學(xué) 號(hào) 201010115107 年級(jí) 2010級(jí) 指導(dǎo)教師 牛釗文 職稱 講師 2014年4月29日 . FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè)：車輛工程 學(xué) 號(hào)：201010115107 學(xué) 生：樊睿 指導(dǎo)教師：牛釗文 摘要：本設(shè)計(jì)的題目是FSAE（大學(xué)生方程式汽車）汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)賽事主辦方對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求、結(jié)合所學(xué)知識(shí)、綜合類似汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出該汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括FSAE汽車轉(zhuǎn)向器選型、設(shè)計(jì)和計(jì)算，轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)。選擇合適的轉(zhuǎn)向器類型，并設(shè)計(jì)出滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)向器，保證汽車轉(zhuǎn)向操作的輕便、并提供很好的操控。并對(duì)相應(yīng)的操縱機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且本設(shè)計(jì)在考慮上述要求和因素的基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向尺寸短，且零件數(shù)目少的優(yōu)點(diǎn)，從而保證了汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性、靈敏性和操作的輕便性。在本文中主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)向器齒輪、齒條、拉桿和節(jié)臂的校核，其結(jié)果滿足FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)強(qiáng)度要求。本文主要方法和理論采用汽車設(shè)計(jì)等相關(guān)資料，并運(yùn)用CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì)與裝配。 關(guān)鍵詞：FSAE；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；齒輪齒條轉(zhuǎn)向器；轉(zhuǎn)向梯形 The Steering System Design of FSAE Car Specialty：Vehicle Engineering Student Number：201010115107 Student：Fan Rui Supervisor： Niu Zhaowen Abstract：This design is entitled FSAE (Formula SAE ) racing steering system design . According to event organizers, the steering system requirements, combined with the knowledge, comprehensive racing steering system similar characteristics , the car steering system design . Design elements include FSAE racing steering selection, design and calculation , steering mechanism design , steering rotation mechanism and steering trapezoid design. Select the appropriate type of steering gear and steering systems designed to meet the requirements of the steering gear to ensure lightweight racing steering operations and provide good control . And to design appropriate controls and rotating mechanism . In consideration of the above , and the design requirements and the factors on the basis of appropriate institutions to optimize the design . In order to achieve steering simple and compact structure , short axial dimension , and the advantages of the small number of parts , thus ensuring the stability of the racing steering , agility and operational portability . In this paper conducted a check of the main steering gear, rack, tie rods and knuckle arm , the result FSAE car steering systems meet the strength requirements . In this paper, the use of car design methods and theories and other related information , and the use of CATIA for design and assembly . Keywords：FSAE; Steering System; Rack and pinion steering; Steering trapezoid 目 錄 緒論 1 1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總述 2 1.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 2 1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型與發(fā)展趨勢(shì) 2 1.3 FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求 3 2 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 5 2.1 轉(zhuǎn)向系的效率 5 2.1.1 轉(zhuǎn)向器的正效率 5 2.1.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率 6 2.2 傳動(dòng)比變化特性 7 2.2.1 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 7 2.2.2 力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系 7 2.2.3 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的選擇 8 2.3 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙 9 2.4 轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 9 3 FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.1 參考數(shù)據(jù)的確定 10 3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型選擇 10 3.2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系 10 3.2.2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系 11 3.3 轉(zhuǎn)向器類型選擇 13 3.3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 13 3.3.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 13 3.3.3 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器 14 3.3.4 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器 15 3.4 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算 15 4 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 17 4.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu) 17 4.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器形式 17 4.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 18 4.4 齒輪齒條嚙合傳動(dòng)的特點(diǎn) 19 4.5 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取 21 4.6 選擇齒輪齒條材料 25 4.7 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 25 4.7.1 齒輪齒條傳動(dòng)的載荷計(jì)算 25 4.7.2 齒輪的受力分析 26 4.7.3 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 27 4.7.4 齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算 29 4.8 齒條的強(qiáng)度計(jì)算 30 4.8.1 齒條的受力分析 30 4.8.2 齒條桿部受拉壓的強(qiáng)度計(jì)算 31 4.9 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32 4.10 軸承的選擇 32 4.11 轉(zhuǎn)向器的潤(rùn)滑方式和密封類型的選擇 32 5 轉(zhuǎn)向操縱與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 5.1 方向盤設(shè)計(jì) 33 5.1.1 FSAE汽車方向盤設(shè)計(jì)要求： 33 5.1.2 結(jié)構(gòu)形式 33 5.2 轉(zhuǎn)向軸設(shè)計(jì) 34 5.3 轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì) 36 5.4 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì) 36 5.5 轉(zhuǎn)向橫拉桿與球頭銷 37 6 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化 38 6.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)概述 38 6.2 整體式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案分析 38 6.3 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析 39 6.4 整體式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 42 6.4.1 優(yōu)化方法介紹 42 6.4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算 43 7 結(jié)論 45 參考文獻(xiàn) 47 致謝 48 . . 緒論 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（以下簡(jiǎn)稱"FSAE"）是中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日、德等國(guó)家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事。 FSAE活動(dòng)由各高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。FSAE要求各參賽隊(duì)按照賽事規(guī)則和汽車制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計(jì)和制造方程式類型的小型單人座休閑汽車，并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過(guò)程中，參賽隊(duì)不僅要闡述設(shè)計(jì)理念，還要由評(píng)審裁判對(duì)該車進(jìn)行若干項(xiàng)性能測(cè)試項(xiàng)目。 在比賽過(guò)程中，參賽隊(duì)員能充分將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中。同時(shí)，還學(xué)習(xí)到組織管理、市場(chǎng)營(yíng)銷、物流運(yùn)輸、汽車運(yùn)動(dòng)等多方面知識(shí)，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，成為符合社會(huì)需求的全面人才。 目前，中國(guó)汽車工業(yè)已處于大國(guó)地位，但還不是強(qiáng)國(guó)。從制造業(yè)大國(guó)邁向產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)已成為中國(guó)汽車人的首要目標(biāo)，而人才的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的基礎(chǔ)保障之一。 大學(xué)生方程式汽車活動(dòng)將以院校為單位組織學(xué)生參與，賽事組織的目的主要有： 一是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺(tái)； 二是通過(guò)活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為院校間提供交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升； 大賽在提高和檢驗(yàn)汽車行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動(dòng)合作等方面具有十分廣泛的意義。 毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于對(duì)汽車的了解僅限于書(shū)本和個(gè)人駕乘體驗(yàn)的大學(xué)生而言，組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一輛純粹而高性能的汽車并將它制造出來(lái)，是一段極具挑戰(zhàn)，同時(shí)也受益頗豐的過(guò)程。本次10級(jí)車輛工程的畢業(yè)設(shè)計(jì)一部分同學(xué)的設(shè)計(jì)便是與FSAE汽車相關(guān)的各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文則主要研究設(shè)計(jì)FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總述 1.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(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。在轉(zhuǎn)向技術(shù)方面汽車和普通汽車一樣，只是由于汽車的速度快，對(duì)轉(zhuǎn)向性的靈敏度要求高，要求響應(yīng)要足夠快。但該汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和通常汽車在轉(zhuǎn)向原理，轉(zhuǎn)向要求和轉(zhuǎn)向效果上都是基本相通的。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對(duì)于確保車輛的行駛安全、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要作用。 1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型與發(fā)展趨勢(shì) 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)基本階段，分別為純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為其發(fā)展趨勢(shì)。 1、 純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 由于產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩完全由機(jī)械力來(lái)提供， 所以為施加足夠的轉(zhuǎn)矩而不得不適用大直徑的方向盤，因此占用了很大的駕駛空間而使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯得很 笨拙，而且駕駛?cè)藛T操作起來(lái)也比較吃力，故適用范圍有很大局限性。但是由于其結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、故障率低，目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對(duì)操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用機(jī)械上仍有使用。 2、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)首次使用于1953年通用汽車公司。上世紀(jì)80年代后期，液壓助力轉(zhuǎn)向系得到進(jìn)一步優(yōu)化，出現(xiàn)了變流量泵液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Variable Displace- ment Power Steering Pump) 和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱 EHPS)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是在汽車處于不需要轉(zhuǎn)向或者比較高的行駛速度的情況下，泵的流量將會(huì)相應(yīng)地減少，有利于減少不必要的功耗。電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵相比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，也可以隨時(shí)關(guān)閉，所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)降低了轉(zhuǎn)向盤操縱力，方向盤的直徑可以做的較小，大大減少了方向盤所占用的駕駛室空間，同時(shí)也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變得更加靈敏。由于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力，目前在大部分商用車、部分乘用車，特別是重型車輛上應(yīng)用廣泛。但是，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)安裝、密封性、布置、操縱靈敏度、磨損能量、噪聲與消耗等方面存在一定不足。 3、 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS) EPS由日本鈴木公司在 1988 年首次開(kāi)發(fā)出來(lái)，此后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等組成，汽車處于起動(dòng)或者低速行駛狀態(tài)操作轉(zhuǎn)向時(shí)， 轉(zhuǎn)矩傳感器通過(guò)不斷檢測(cè)駕駛者作用于轉(zhuǎn)向柱上的扭矩，并將車速信號(hào)與此信號(hào)同時(shí)輸入ECU，ECU對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，確定助力扭矩輸出的大小與方向，從而控制電動(dòng)機(jī)的電流與轉(zhuǎn)向，電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)矩傳遞給轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)中的橫拉桿。最終，起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)向力的功效，當(dāng)車速達(dá)到一定的臨界車速時(shí)或出現(xiàn)故障時(shí)，為保證汽車高速時(shí)具有良好操控穩(wěn)定性，EPS 系統(tǒng)將退出助力工作模式，電動(dòng)機(jī)將停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)切換到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當(dāng)然，不轉(zhuǎn)向的情況下，電動(dòng)機(jī)就不工作。 4、 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器 3個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。它是一種全新概念的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于其取消了方向盤與轉(zhuǎn)向車輪間的機(jī)械連接，通過(guò)軟件協(xié)調(diào)它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)一系列傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)、提高整車主動(dòng)安全性，使汽車性能適應(yīng)更 多非職業(yè)駕駛員的需求，對(duì)廣大消費(fèi)者有著巨大的吸引力。但是由于可靠性要求及制造成本較高，該系統(tǒng)距離普及仍有一段距離。 1.3 FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求 1、汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪都應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性； 2、汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛； 3、汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒(méi)有擺動(dòng)； 4、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最??； 5、操縱輕便，保證轎車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力； 6、轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小； 8、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)； 9、在車禍中當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置； 10、方向盤必須與前輪機(jī)械連接，禁止使用線控轉(zhuǎn)向； 11、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)（四桿機(jī)構(gòu)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生反轉(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； 12、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過(guò) 7（在方向盤上測(cè)量）； 13、方向盤必須安裝在快拆器上， 必須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； 14、方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形，例如：外輪廓可以有一些部分趨向直線，不能有內(nèi)凹的部分。禁止使用 H 形、8 型或分開(kāi)式方向盤； 15、在任何角度，方向盤上端必須低于前環(huán)的上端； 16、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致； 正確設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，可以使第1項(xiàng)要求得到保證。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中設(shè)置有轉(zhuǎn)向減振器時(shí)，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生自振，同時(shí)又能使傳到轉(zhuǎn)向盤上的反沖力明顯降低。為了使汽車具有良好的機(jī)動(dòng)性，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪車輪軌跡計(jì)算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車軸距的2～2.5倍。通常用轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力大小和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)多少兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)操縱輕便性。沒(méi)有裝置動(dòng)力轉(zhuǎn)向的轎車，在行駛中轉(zhuǎn)向，此力應(yīng)為50～100N；有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，此力在20～50N。轎車轉(zhuǎn)向盤從中間位置轉(zhuǎn)到每一端的圈數(shù)不得超過(guò)2.0圈。 2 轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要參數(shù)包括轉(zhuǎn)向系效率、轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比、傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈速。 2.1 轉(zhuǎn)向系的效率 功率從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸（或橫拉桿）輸出所求得的效率稱為轉(zhuǎn)向器的正效率，用符號(hào)表示，；反之稱為逆效率，用符號(hào)表示。 正效率計(jì)算公式： （2-1） 逆效率計(jì)算公式： （2-2） 　式中，為作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率；為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率；為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。正效率高，轉(zhuǎn)向輕便；轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有一定逆效率，以保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的自動(dòng)返回能力。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。 影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。 2.1.1 轉(zhuǎn)向器的正效率 影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。 1、轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率 在四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承。選用滾針軸承時(shí)，除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在滑動(dòng)摩擦損失，故這種軸向器的效率η+僅有54%。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為70%和75%。 轉(zhuǎn)向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動(dòng)軸承可使正或逆效率提高約10%。 2、轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率 如果忽略軸承和其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對(duì)于蝸桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計(jì)算： 　　 　　　　　　　　?。?-3） 式中，a0為蝸桿（或螺桿）的螺線導(dǎo)程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為磨擦因數(shù)。 2.1.2 轉(zhuǎn)向器的逆效率 根據(jù)逆效率不同，轉(zhuǎn)向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正，既可以減輕駕駛員的疲勞，又可以提高行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時(shí)，傳至轉(zhuǎn)向盤上的車輪沖擊力，易使駕駛員疲勞，影響安全行駕駛。 屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。 不可逆式和極限可逆式轉(zhuǎn)向器。不可逆式轉(zhuǎn)向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時(shí)，它既不能保證車輪自動(dòng)回正，駕駛員又缺乏路面感覺(jué)，因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于可逆式與不可逆式轉(zhuǎn)向器兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時(shí)，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。 如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失，只考慮嚙合副的磨擦損失，則逆效率可用下式計(jì)算 　　　　　　　　　　?。?-4） 式（2-3）和式（2-4）表明：增加導(dǎo)程角，正、逆效率均增大。受增大的影響，不宜取得過(guò)大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于磨擦角時(shí)，逆效率為負(fù)值或者為零，此時(shí)表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。 2.2 傳動(dòng)比變化特性 轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比iP，兩者之間的關(guān)系對(duì)轉(zhuǎn)向的整體性能有很大影響。 2.2.1 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比 傳動(dòng)系的力傳動(dòng)比： 　　　　　　　　　　　　　（2-5） 轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比: 　　 　　　　?。?-6） 轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)組成，即： 　　　　　　　　　　　　　?。?-7） 轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比: 　 　　 　　　?。?-8） 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比: 　　 　　　　?。?-9） 2.2.2 力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的關(guān)系 轉(zhuǎn)向阻力與轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系式： 　　　　　　　　　　　　　（2-10） 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力與作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩的關(guān)系式： 　　　　　　　　　　　　?。?-11） 將式（2-10）、式（2-11）代入 后得到： 　　　　　　　　　　　?。?-12） 如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示 　　　　　　　　　?。?-13） 將式（2-10）代入式（2-11）后得到： 　　　　　　　　　　　　（2-14） 當(dāng)a和Dsw不變時(shí)，力傳動(dòng)比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。 2.2.3 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的選擇 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比可以設(shè)計(jì)成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動(dòng)比變化規(guī)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對(duì)汽車機(jī)動(dòng)能力的要求。 若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小或采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，以提高汽車的機(jī)動(dòng)能力。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱輕便性問(wèn)題突出，應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比。 汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比應(yīng)當(dāng)小些。汽車高速直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比不宜過(guò)小。否則轉(zhuǎn)向過(guò)分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)有困難。 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化曲線應(yīng)選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線，如圖2-1所示。 圖2-1 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化特性曲線 2.3 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙 傳動(dòng)間隙是指各種轉(zhuǎn)向器中傳動(dòng)副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，并把這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性（圖2-2）。 研究該特性的意義在于它與直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。 傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙在轉(zhuǎn)向盤處于中間位置及其附近位置時(shí)要很小，最好無(wú)間隙。若轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副存在的傳動(dòng)間隙很大時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到較大的側(cè)向力作用，車輪將很有可能偏離原行駛路線，使車輛失去穩(wěn)定。 傳動(dòng)副在中間位置及其附近位置因使用頻繁，磨損速度要比兩端快。在中間位置及附近位置因磨損造成的間隙過(guò)大時(shí)，必須經(jīng)調(diào)整消除該處間隙。 圖2-2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性 圖中曲線1表明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性；曲線2表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現(xiàn)較大間隙；曲線3表明調(diào)整后并消除中間位置處間隙的轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙變化特性。 2.4 轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 轉(zhuǎn)向盤從一個(gè)極端位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)極端位置時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)。而對(duì)于方程式汽車而言，過(guò)多的轉(zhuǎn)動(dòng)圈速不利于提高轉(zhuǎn)向的靈敏度。本文的設(shè)計(jì)參考Formula 1汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈速為2/3圈，及左右各120。 . 3 FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) FSAE汽車屬于小型賽車，其整備質(zhì)量很輕，整體尺寸也很小，本章將確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要參數(shù)，并根據(jù)確定的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型的選擇。 3.1 參考數(shù)據(jù)的確定 表3-1 FSAE汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù) 前輪距B1 1250mm 后輪距B2 1200mm 軸距L 1650mm 滿載軸荷分配：前/后 169.2/190.8(kg) 輪胎 223/533R14 主銷偏移距a 100mm 輪胎壓力p/MPa 0.45 方向盤直徑DSW 300mm 最小轉(zhuǎn)彎半徑R 3.5m 轉(zhuǎn)向節(jié)臂L1 90mm 3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型選擇 汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類。 3.2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系 機(jī)械轉(zhuǎn)向系中轉(zhuǎn)向能源是來(lái)自駕駛員的體力，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。 圖3-1所示的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸和柔性聯(lián)軸節(jié)輸入轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器再將力經(jīng)左，右橫拉桿,將力傳給固定于兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)上的左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支撐的轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸線偏移一定角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 目前，許多國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新車型在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)向軸采用了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置（轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸）。這有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的幾何參數(shù)，便可以滿足各種變型車的總布置要求。即使在轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向盤同軸線的情況下，其間也可以采用萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，以補(bǔ)償由于部件在車上的安裝基體和安裝誤差（駕駛室、車架）的變形所造成的二者軸線實(shí)際上的不重合。 圖3-1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3.2.2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系 為了減輕轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用到轉(zhuǎn)向盤上的手力和提高行駛安全，在有些汽車上裝設(shè)了動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要分為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如圖（3-2、3-3）。 圖3-2液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 圖3-3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖 發(fā)動(dòng)機(jī)排量在2.5L以上的乘用車，由與對(duì)其操縱輕便性的要求越來(lái)越高，采用或者可供選裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的逐漸增多。轉(zhuǎn)向軸軸載質(zhì)量超過(guò)2.5t的貨車，可以采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向；當(dāng)超過(guò)4t時(shí)，應(yīng)該采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向。 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)向能源是來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)（或電動(dòng)機(jī)）的動(dòng)力和駕駛員體力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向助力裝置就形成的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 在正常情況下，汽車所需轉(zhuǎn)向能量，大部分是由發(fā)動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置提供的其中只有一小部分由駕駛員來(lái)提供，如果動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置出現(xiàn)故障無(wú)法提供助力時(shí)，此時(shí)駕駛員能獨(dú)立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向所需的能量。所以在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置就形成了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 對(duì)較輕的汽車人力勉強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，但對(duì)于最大總質(zhì)量大于等于50噸的重型汽車而言，動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置一旦失效，轉(zhuǎn)向輪在駕駛員通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系加于萬(wàn)向節(jié)的力的作用下遠(yuǎn)不足發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置穩(wěn)定可靠程度對(duì)這種汽車尤為重要。 FSAE汽車屬于小型車輛，整備質(zhì)量盡為300kg左右，所以本設(shè)計(jì)選用的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 3.3 轉(zhuǎn)向器類型選擇 轉(zhuǎn)向器是整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部分，轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)也就是整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副的不同，常見(jiàn)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式有四種。分別有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式和蝸桿指銷式等。 3.3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器（圖3-4）由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器與其他形式的轉(zhuǎn)向器相比，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，殼體壓鑄而成材質(zhì)多選用鋁合金或者鎂合金，其的質(zhì)量相對(duì)比較少；轉(zhuǎn)向器占用的體積?。粋鲃?dòng)效率也高達(dá)90%，沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器最主要的缺點(diǎn)是：因逆效率高（60%~70%），汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)造成打手，同時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害。 圖3-4 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 3.3.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿和螺母共同形成的螺旋槽內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動(dòng)副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動(dòng)副組成，如圖（3-5）。 圖3-5 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)榭梢匝h(huán)流動(dòng)的鋼球在螺桿和螺母之間滾動(dòng)，上滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變成滾動(dòng)摩擦，其傳動(dòng)效率高達(dá)到75%~85%；另外在結(jié)構(gòu)與工藝方面進(jìn)行改良，例如降低工作表面的粗糙度和提高螺桿螺母制造精度。螺桿螺母上的螺紋經(jīng)磨削加工和淬火，硬度和耐磨損性能都等到很大提升，保證螺桿螺母的使用壽命得意提升；工作平穩(wěn)可靠；并且轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比也是可以變化。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高,循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車上。 3.3.3 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器（如圖3-6）主要由蝸桿和滾輪相互嚙合而構(gòu)成。此類轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)主要是：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；易加工；由于蝸桿上的螺紋和滾輪的齒面屬于面接觸，所以強(qiáng)度較高，工作穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，不易磨損；其逆效率較低。 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器缺點(diǎn)主要是：正效率較低；當(dāng)工作齒面發(fā)生磨損之后，嚙合間隙的調(diào)整比較困難；另外蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比是不能改變。 曾經(jīng)在汽車上也廣泛使用過(guò)這種轉(zhuǎn)向器。 圖3-6 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器 3.3.4 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器（如圖3-7）主要由蝸桿和一端帶有銷子搖臂軸構(gòu)成。按銷子能否轉(zhuǎn)動(dòng)分成旋轉(zhuǎn)銷式和固定銷式。如果銷子除隨同搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)外，還能繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱子為旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器；如果銷子不能自轉(zhuǎn)，則稱之為固定銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器。根據(jù)銷子數(shù)量的不同又可以分為單銷和雙銷。 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是:當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程不變時(shí)，其傳動(dòng)比也是不變的。如果要的到可以變傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向器，將螺桿的導(dǎo)程做成變化的即可。當(dāng)蝸桿和指銷之間的工作面磨損之后，間隙的調(diào)整工作也比較容易。 固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工；但是因銷子本身無(wú)法自轉(zhuǎn)，銷子的工作部位基本保持不變，所以磨損快，工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高，磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器應(yīng)有較少 圖3-7 蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器 根據(jù)FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求，結(jié)合上述幾種轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中選用的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 3.4 轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角計(jì)算 如上圖3-8所示：左、右轉(zhuǎn)向車輪繞其轉(zhuǎn)向主銷的偏轉(zhuǎn)，并使它們偏轉(zhuǎn)到繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心的不同軌跡圓上，實(shí)現(xiàn)車輪無(wú)滑動(dòng)地滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。為了使左、右轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系能滿足這一汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，兩車輪見(jiàn)側(cè)片角會(huì)有一下關(guān)系，這要由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)來(lái)保證。 汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，將圍繞其彎心轉(zhuǎn)動(dòng)，兩車輪離轉(zhuǎn)彎中心的距離并不相等，其內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角位，外側(cè)為，最大轉(zhuǎn)彎半徑R，軸距L，為兩主銷中心線延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離，則左右車輪側(cè)片角如下。 圖3.8 車輪位置簡(jiǎn)圖 （3-1） （3-2） 4 轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；質(zhì)量相對(duì)比較少；轉(zhuǎn)向器占用的體積??；傳動(dòng)效率也高達(dá)90%；沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿；制造成本低等優(yōu)點(diǎn)被普遍應(yīng)用在小型汽車上。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和質(zhì)量少等特點(diǎn)也非常適合在FSAE汽車上使用。本章將詳細(xì)的闡述本設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 4.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)中在3.2節(jié)中已經(jīng)確定了FSAE汽車將選用與圖4-1類似的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，本節(jié)主要是設(shè)計(jì)符合該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)向器。 圖4-1 典型齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 4.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器形式 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸入（圖4-2a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖4-2b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖4-2c）；側(cè)面輸入，一端輸出（圖4-2d）。 采用側(cè)面輸入、中間輸出方案時(shí)，其橫拉桿長(zhǎng)度增長(zhǎng)，車輪上、下跳動(dòng)時(shí)位桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動(dòng)干涉。而采用兩側(cè)輸出方案時(shí)，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。 拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此兩拉桿與齒條同時(shí)向左或者向右移動(dòng)，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開(kāi)有軸向的長(zhǎng)槽， 從而降低它的強(qiáng)度。 圖4-2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式 側(cè)面輸入、一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭微型貨車上。 采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降。 而對(duì)于方程式汽車而言，由于其布局較民用車而言差別很大，其座艙中置，方向盤也就在中部，選擇中間輸入，兩端輸出的轉(zhuǎn)向器形式有利于汽車的整體布局。所以本設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)向器選型中間輸入，兩端輸出的轉(zhuǎn)向器形式。 4.3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的布置形式 根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對(duì)前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式（如圖4-3）：轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形。 本設(shè)計(jì)的布置形式受汽車長(zhǎng)度和軸距的限制，選擇圖（3-3a）的轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形的布置形式。 圖4-3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種布置形式 4.4 齒輪齒條嚙合傳動(dòng)的特點(diǎn) 齒條實(shí)際上是齒數(shù)為無(wú)窮的齒輪的一部分。當(dāng)齒數(shù)為無(wú)窮時(shí)，齒輪的基圓直徑也為無(wú)窮大，根據(jù)漸開(kāi)線的形成過(guò)程可知，此時(shí)漸開(kāi)線就變成了直線。所以齒條的齒廓為直齒廓（如圖4-4所示），齒廓上各點(diǎn)的法線是平行的，而且在傳動(dòng)時(shí)齒條是平動(dòng)的，齒廓上各點(diǎn)速度的大小和方向也相同，所以齒條齒廓上個(gè)點(diǎn)的壓力角相同，大小等于齒廓的傾斜角。齒條上各齒同側(cè)的齒廓是平行的，所以在任何與分度線平行的直線上，周節(jié)都相等。 圖4-4 齒條 齒輪齒條嚙合傳動(dòng)時(shí)，根據(jù)小齒輪螺旋角與齒條齒傾角的大小和方向不同，可以構(gòu)成不同的傳動(dòng)方案。當(dāng)左旋小齒輪與右傾齒條相嚙合而且齒輪螺旋角β1與齒條傾斜角β2角相等時(shí)，則軸交角θ=0；若β1＞β2，則θ=β1－β2；若β1＜β2，則θ=β1－β2為負(fù)值，表示在齒條軸線的另一側(cè)。當(dāng)右旋小齒輪與右傾齒條或左旋小齒輪與左傾齒條相嚙合時(shí)，其軸交角均為θ=β1+β2。 齒輪為普通的漸開(kāi)線斜齒輪。 通常小齒輪與齒條齒廓都采用相同的模數(shù)與壓力角，漸開(kāi)線齒輪嚙合傳動(dòng)的條件為嚙合部位兩齒廓基節(jié)相等，即 (4-1) (4-2) (4-3) 式中， Pb1—小齒輪的基節(jié)； Pb2—齒條的基節(jié)； m1—小齒輪模數(shù)； m2—齒條模數(shù)； α10—小齒輪節(jié)圓壓力角； α20—齒條節(jié)線壓力角 可以知道，齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)時(shí)，齒輪的節(jié)圓始終與其分度圓重合。當(dāng)小齒輪軸線與齒條軸線不垂直時(shí)，小齒輪齒廓與齒條齒廓間的接觸為點(diǎn)接觸，輪齒所受的壓強(qiáng)較大，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力也比較大，輪齒磨損很快，所以齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比不能太大。 如圖4-5所示，兩齒廓相切于P點(diǎn), tt為兩齒廓在P處的切線。根據(jù)嚙合傳動(dòng)的要求，兩齒廓上與點(diǎn)P重合的點(diǎn)的速度在tt 方向的分量相等。 圖4-5 齒廓 假設(shè)小齒輪的螺旋角為β1，齒條的齒傾角為β2，在嚙合處齒輪上的點(diǎn)的切向速度為V1，齒條上的點(diǎn)的速度為V2，則有 （4-4） 將上式兩邊對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分 （4-5） 得 （4-6） 上式中：n—小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)； dt—小齒輪的端面分度圓直徑; L—相應(yīng)的齒條行程。 根據(jù)斜齒輪特性，又有 （4-7） （4-8） mn為小齒輪的法面模數(shù)，z為小輪的齒數(shù)。 于是就有 （4-9） 從而可以得到齒輪齒條傳動(dòng)的線角傳動(dòng)比為 （mm/rev） （4-10） 可見(jiàn)齒輪齒條傳動(dòng)的傳動(dòng)比只與齒條的齒傾角、小齒輪的法向模數(shù)和小齒輪的齒數(shù)有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)，只要合理的選取這幾個(gè)參數(shù)就可以獲得需要的傳動(dòng)比。但是小齒輪的模數(shù)不能太小，否則會(huì)使齒條齒廓在嚙合時(shí)嚙合點(diǎn)離齒頂太近，齒根的彎曲應(yīng)力增大，易產(chǎn)生崩齒。同時(shí)小齒輪的變位系數(shù)不能太大，否則會(huì)造成齒條齒頂平面與小齒輪齒根圓柱面的間隙過(guò)小，對(duì)潤(rùn)滑不利，而且容易造成轉(zhuǎn)向器卡死的現(xiàn)象。 4.5 轉(zhuǎn)向器參數(shù)選取 原地轉(zhuǎn)向阻力矩： （4-11） 式中：為輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷；為輪胎胎壓。 轉(zhuǎn)向橫拉桿上理論推力： （4-12） 方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n：方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈速參照Formula 1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，左右各轉(zhuǎn)動(dòng)120度，即： n=2/3圈 （4-13） 角傳動(dòng)比： （4-14） 方向盤上的手力： （4-15） 式中——轉(zhuǎn)向盤直徑 ——轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比 ——轉(zhuǎn)向器正效率 作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷:對(duì)轎車該力不應(yīng)超過(guò)150～200N，對(duì)貨車不應(yīng)超過(guò)500N。所以符合FSAE設(shè)計(jì)要求 方向盤轉(zhuǎn)矩 （4-16） 力傳動(dòng)比： （4-17） 式中：為注銷偏移距。 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒輪，斜齒輪的幾何尺寸計(jì)算應(yīng)在端面內(nèi)進(jìn)行。以下參數(shù)除特殊注明外均為端面參數(shù)。 齒輪端面模數(shù)選擇，齒數(shù)選擇13，壓力角取，螺旋角在之間。故取齒輪：右旋，壓力角，及,,。 齒條齒數(shù)由（4-12）可知： （4-18） 取整可得 壓力角,,。旋向與齒輪相反為左旋。 取齒寬系數(shù) （4-19） 齒條寬度取整，則取齒輪齒寬 初步選定齒輪： 1 0.25 齒條： 1 0.25 其余參數(shù)計(jì)算如下 齒頂高 齒輪：=5mm （4-20） 齒條：=5mm （4-21） 齒根高 齒輪：=6.25mm （4-22） 齒條：=6.25mm （4-23） 全齒高 齒輪：11.25mm （4-24） 齒條：11.25mm （4-25） 齒頂圓 齒輪：=76mm （4-26） 齒根圓 齒輪：=53.5mm （4-27） 基圓直徑 齒輪：=61.08mm （4-28） 名稱 符號(hào) 公式（端面/法面） 齒輪（端面/法面） 齒條（端面/法面） 齒數(shù) 13 9 模數(shù) m 5/5.077 5/5.077 分度圓直徑 66/67.02 — 齒頂高 5/5.077 5/5.077 齒根高 6.25/6.346 6.25/6.346 齒頂圓直徑 76/77.172 — 齒根圓直徑 53.5/54.33 — 螺旋角 — 10 齒寬 30/30.46 20/20.31 齒條齒部結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)下表： 表4.1 齒輪齒條基本參數(shù) 4.6 選擇齒輪齒條材料 小齒輪：齒輪通常選用國(guó)內(nèi)常用、性能優(yōu)良的20CrMnTi合金鋼，熱處理采用表面滲碳淬火工藝，齒面硬度為HRc58～63。而齒條選用與20CrMnTi具有較好匹配性的40Cr作為嚙合副，齒條熱處理采用高頻淬火工藝，表面硬度HRc50～56，精度等級(jí)為7級(jí)。 4.7 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 齒輪齒條是轉(zhuǎn)向器的核心部件，其強(qiáng)度對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體強(qiáng)度影響很大，所多齒輪齒條的強(qiáng)度要求是很高的。 4.7.1 齒輪齒條傳動(dòng)的載荷計(jì)算　 計(jì)算斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力時(shí)，推導(dǎo)計(jì)算公式的出發(fā)點(diǎn)和直齒圓柱齒輪相似，但要考慮其以下特點(diǎn)：嚙合的接觸線是傾斜的，有利于提高接觸強(qiáng)度 ；重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)。 齒輪的計(jì)算載荷 為了便于分析計(jì)算，通常取沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上的平均載荷P（單位為N/mm）為 （4-29） Fn ——作用在齒面接觸線上的法向載荷 L ——沿齒面的接觸線長(zhǎng)，單位mm 法向載荷Fn 為公稱載荷，在實(shí)際傳動(dòng)中，由于齒輪的制造誤差，特別是基節(jié)誤差和齒形誤差的影響，會(huì)使法面載荷增大。此外，在同時(shí)嚙合的齒對(duì)間，載荷的分配不是均勻的，即使在一對(duì)齒上， 載荷也不可能沿接觸線均勻分布。因此在計(jì)算載荷的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按接觸線單位長(zhǎng)度上的最大載荷，即計(jì)算 （單位N/mmm）進(jìn)行計(jì)算。即 （4-30） K——載荷系數(shù) 載荷系數(shù)K包括 ：使用系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分配數(shù)，即 （4-31） 4.7.2 齒輪的受力分析 在斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中，作用于齒面上的法向載荷任垂直于齒面。如圖4-6所示，作用于主動(dòng)輪上的位于法面內(nèi)，在節(jié)圓柱的切面傾斜一法向嚙合角?？裳佚X輪的周向、徑向及軸向分解成三個(gè)相互垂直的分力。 首先，將力在法面內(nèi)分解成沿徑向的分力（徑向力）和在面內(nèi)的分力，然后再將在面內(nèi)分解成沿周向的分力（圓周力）及沿軸向的分力（軸向力）。各力方向如圖4-6所示。 圖4-6 斜齒輪受力分析 各力的大小為： （4-32） （4-33） （4-34） （4-35） 式中：——節(jié)圓螺旋角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即分度圓螺旋角； ——嚙合平面的螺旋角，即基圓螺旋角； ——法向壓力角，本設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)齒輪； ——端面壓力角。 4.7.3 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，其校核公式為： （4-36） （1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1） 試選=1.6； 2） 由圖（4-7）選取區(qū)域系數(shù)=2.433； 圖4-7 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 3） 查得，，； 4） 齒寬系數(shù)=1； 5） 齒輪轉(zhuǎn)矩 6） 查得彈性系數(shù) 7） 許用接觸應(yīng)力可用下式計(jì)算：，查得接觸疲勞極限應(yīng)力為； 8） 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)公式的： （4-37） （4-38） 9） 接觸疲勞壽命系數(shù)=0.90；=0.95。 10）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)=1，則可得: （4-39） （4-40） 許用接觸應(yīng)力 （4-41） (2)計(jì)算 1）試算齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得 （4-42） 2）計(jì)算載荷系數(shù)。 是考慮齒輪嚙合時(shí)外部領(lǐng)接裝置引起的附加動(dòng)載荷影響的系數(shù)。使用系數(shù) =1.0。齒輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動(dòng)載系數(shù)，動(dòng)載系數(shù) =1.0。齒輪的制造精度7級(jí)精度，齒間載荷分配系數(shù)=1.2 。齒向載荷分配系數(shù)=1.5。故載荷系數(shù) （4-43） 安實(shí)際載荷系數(shù)校核分度圓直徑 （4-44） 所以，齒輪所選的參數(shù)滿足齒輪設(shè)計(jì)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求。 4.7.4 齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算 （4-45） （1）確定計(jì)算參數(shù) 縱向重合度=1.903，查表的螺旋角系數(shù)=0.88 1） 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)。 2） 查得齒形系數(shù)=2.592，=2.211 3） 查得應(yīng)力校正系數(shù)=1.596，=1.774 4） 查的齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380 MPa，取彎曲疲勞壽命系數(shù)，。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則有 5） 計(jì)算齒輪齒條的并加以比較 對(duì)比可知齒輪的數(shù)值較大 6） 設(shè)計(jì)計(jì)算 mm （4-46） 所以，齒輪所選的參數(shù)滿足齒輪設(shè)計(jì)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求。 4.8 齒條的強(qiáng)度計(jì)算 齒條齒形與齒輪的參數(shù)是一致的，受力情況也基本相同，所就不在對(duì)齒條的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。本節(jié)將主要對(duì)齒條桿部受拉壓的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。 4.8.1 齒條的受力分析 駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切力是轉(zhuǎn)向輕便性的另一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)微車來(lái)說(shuō)，有動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向力約為20—50N；無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)為50—100N。據(jù)此可以確定轉(zhuǎn)向盤尺寸和轉(zhuǎn)向器效率要求及轉(zhuǎn)向節(jié)臂尺寸。根據(jù)車型不同，轉(zhuǎn)向盤的直徑在380—550mm, 對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選用300mm規(guī)格的轉(zhuǎn)向盤， 在本設(shè)計(jì)中，選取轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩 T =7617Nmm，齒輪傳動(dòng)一般均加以潤(rùn)滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計(jì)算輪齒受力時(shí)，可不予考慮。 齒條的受力狀況類似于齒輪，齒條的受力分析如圖 圖4-8 齒條的受力分析 如圖，作用于齒條齒面上的法向力，垂直于齒面，將分解成沿齒條徑向的分力（徑向力），沿齒輪周向的分力（切向力），沿齒輪軸向的分力（軸向力） 。各力的大小為： （4-47） （4-48） （4-49） （4-50） 1）齒條受到的切向力： 230.82N （4-51） T——作用在輸入軸上的扭矩 。 d——齒輪軸分度圓的直徑， 2）齒條齒面的法向力： =85.31N