汽车行业FSAE汽车转向系统设计Word文档下载推荐.docx
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转向系统；
齿轮齿条转向器；
转向梯形
TheSteeringSystemDesignofFSAECar
Specialty：
VehicleEngineeringStudentNumber：
Student：
FanRuiSupervisor：
NiuZhaowen
Abstract：
ThisdesignisentitledFSAE（FormulaSAE）racingsteeringsystemdesign.Accordingtoeventorganizers,thesteeringsystemrequirements,combinedwiththeknowledge,comprehensiveracingsteeringsystemsimilarcharacteristics,thecarsteeringsystemdesign.DesignelementsincludeFSAEracingsteeringselection,designandcalculation,steeringmechanismdesign,steeringrotationmechanismandsteeringtrapezoiddesign.Selecttheappropriatetypeofsteeringgearandsteeringsystemsdesignedtomeettherequirementsofthesteeringgeartoensurelightweightracingsteeringoperationsandprovidegoodcontrol.Andtodesignappropriatecontrolsandrotatingmechanism.Inconsiderationoftheabove,andthedesignrequirementsandthefactorsonthebasisofappropriateinstitutionstooptimizethedesign.Inordertoachievesteeringsimpleandcompactstructure,shortaxialdimension,andtheadvantagesofthesmallnumberofparts,thusensuringthestabilityoftheracingsteering,agilityandoperationalportability.Inthispaperconductedacheckofthemainsteeringgear,rack,tierodsandknucklearm,theresultFSAEcarsteeringsystemsmeetthestrengthrequirements.Inthispaper,theuseofcardesignmethodsandtheoriesandotherrelatedinformation,andtheuseofCATIAfordesignandassembly.
Keywords：
FSAE;
SteeringSystem;
Rackandpinionsteering;
Steeringtrapezoid
绪论1
1汽车转向系统总述2
1.1汽车转向系统概述2
1.2转向系统类型与发展趋势2
1.3FSAE汽车转向系统的要求3
2转向系主要性能参数5
2.1转向系的效率5
2.1.1转向器的正效率5
2.1.2转向器的逆效率6
2.2传动比变化特性7
2.2.1转向系传动比7
2.2.2力传动比与转向系角传动比的关系7
2.2.3转向器角传动比的选择8
2.3转向器传动副的传动间隙9
2.4转向盘的总转动圈数9
3FSAE汽车转向系统总体机构设计10
3.1参考数据的确定10
3.2转向系统类型选择10
3.2.1机械转向系10
3.2.2动力转向系11
3.3转向器类型选择13
3.3.1齿轮齿条转向器13
3.3.2循环球式转向器13
3.3.3蜗杆滚轮式转向器14
3.3.4蜗杆指销式转向器15
3.4转向轮侧偏角计算15
4转向器设计17
4.1齿轮齿条式转向器的结构17
4.2齿轮齿条式转向器形式17
4.3齿轮齿条式转向器的布置形式18
4.4齿轮齿条啮合传动的特点19
4.5转向器参数选取21
4.6选择齿轮齿条材料25
4.7齿轮的强度计算25
4.7.1齿轮齿条传动的载荷计算25
4.7.2齿轮的受力分析26
4.7.3齿面接触强度计算27
4.7.4齿根弯曲强度计算29
4.8齿条的强度计算30
4.8.1齿条的受力分析30
4.8.2齿条杆部受拉压的强度计算31
4.9齿轮轴的结构设计32
4.10轴承的选择32
4.11转向器的润滑方式和密封类型的选择32
5转向操纵与传动机构设计33
5.1方向盘设计33
5.1.1FSAE汽车方向盘设计要求：
33
5.1.2结构形式33
5.2转向轴设计34
5.3转向管柱设计36
5.4转向节设计36
5.5转向横拉杆与球头销37
6转向梯形机构优化38
6.1转向梯形机构概述38
6.2整体式转向梯形结构方案分析38
6.3整体式转向梯形机构优化分析39
6.4整体式转向梯形机构优化设计42
6.4.1优化方法介绍42
6.4.2优化设计计算43
7结论45
参考文献47
致谢48
绪论
中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"
FSAE"
）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。
FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。
FSAE要求各参赛队按照赛事规则和汽车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲汽车，并携该车参加全部或部分赛事环节。
比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。
在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。
同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。
目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。
从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。
大学生方程式汽车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：
一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；
二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；
大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。
毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的汽车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。
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汽车转向系统总述
1.1汽车转向系统概述
转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。
在转向技术方面汽车和普通汽车一样，只是由于汽车的速度快，对转向性的灵敏度要求高，要求响应要足够快。
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。
转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。
1.2转向系统类型与发展趋势
汽车转向系统的发展经历了3个基本阶段，分别为纯机械式转向系统、液压助力转向系统和电动助力转向系统，而线控转向系统成为其发展趋势。
1、纯机械式转向系统
机械式的转向系统，由于产生转动所需要的转矩完全由机械力来提供，所以为施加足够的转矩而不得不适用大直径的方向盘，因此占用了很大的驾驶空间而使转向系统显得很笨拙，而且驾驶人员操作起来也比较吃力，故适用范围有很大局限性。
但是由于其结构简单、造价低廉、故障率低，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用机械上仍有使用。
2、液压助力转向系统
液压助力转向系统首次使用于1953年通用汽车公司。
上世纪80年代后期，液压助力转向系得到进一步优化，出现了变流量泵液压动力转向系统（VariableDisplace-mentPowerSteeringPump）和电动液压助力转向系统（ElectricHydraulicPowerSteering，简称EHPS）。
变流量泵助力转向系统的工作原理是在汽车处于不需要转向或者比较高的行驶速度的情况下，泵的流量将会相应地减少，有利于减少不必要的功耗。
电动液压转向系统的转向泵由电动机驱动，与直接由发动机驱动转向泵相比，电机的转速可调，也可以随时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。
液压助力转向系统降低了转向盘操纵力，方向盘的直径可以做的较小，大大减少了方向盘所占用的驾驶室空间，同时也使转向系统变得更加灵敏。
由于液压助力转向系统技术已经很成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在大部分商用车、部分乘用车，特别是重型车辆上应用广泛。
但是，液压助力转向系统在系统安装、密封性、布置、操纵灵敏度、磨损能量、噪声与消耗等方面存在一定不足。
3、汽车电动助力转向系统（EPS）
EPS由日本铃木公司在1988年首次开发出来，此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。
电动助力转向系统由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成，汽车处于起动或者低速行驶状态操作转向时，转矩传感器通过不断检测驾驶者作用于转向柱上的扭矩，并将车速信号与此信号同时输入ECU，ECU对输入的信号进行处理运算，确定助力扭矩输出的大小与方向，从而控制电动机的电流与转向，电动机将转矩传递给转向操作机构中的横拉杆。
最终，起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效，当车速达到一定的临界车速时或出现故障时，为保证汽车高速时具有良好操控稳定性，EPS系统将退出助力工作模式，电动机将停止工作，转向系统切换到机械转向系统。
当然，不转向的情况下，电动机就不工作。
4、汽车线控转向系统
线控转向系统由方向盘模块、转向执行模块和主控制器3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。
它是一种全新概念的转向系统，由于其取消了方向盘与转向车轮间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以实现一系列传统转向系统无法实现的特殊功能。
汽车线控转向系统能够减轻驾驶员的负担、提高整车主动安全性，使汽车性能适应更多非职业驾驶员的需求，对广大消费者有着巨大的吸引力。
但是由于可靠性要求及制造成本较高，该系统距离普及仍有一段距离。
1.3FSAE汽车转向系统的要求
1、汽车转弯行驶时，全部车轮都应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。
不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性；
2、汽车转向行驶时，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶；
3、汽车在任何行驶状态下，转向轮都不得产生自振，转向盘没有摆动；
4、转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小；
5、操纵轻便，保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力；
6、转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小；
8、转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构；
9、在车祸中当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置；
10、方向盘必须与前轮机械连接，禁止使用线控转向；
11、转向系统必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转（四杆机构在一个节点处发生反转）。
限位块可安装在转向立柱或齿条上，并且必须防止轮胎在转向行驶时接触悬架、车身或车架部件；
12、转向系统的自由行程不得超过7°
（在方向盘上测量）；
13、方向盘必须安装在快拆器上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器；
14、方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形，例如：
外轮廓可以有一些部分趋向直线，不能有内凹的部分。
禁止使用H形、8型或分开式方向盘；
15、在任何角度，方向盘上端必须低于前环的上端；
16、进行运动校核，保证转向轮与转向盘转动方向一致；
正确设计转向梯形机构，可以使第1项要求得到保证。
转向系统中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。
为了使汽车具有良好的机动性，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2.5倍。
通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。
没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50～100N；
有动力转向时，此力在20～50N。
轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈。
2转向系主要性能参数
转向系统主要参数包括转向系效率、转向系传动比、传动副的传动间隙和转向盘的转动圈速。
2.1转向系的效率
功率从转向轴输入，经转向摇臂轴（或横拉杆）输出所求得的效率称为转向器的正效率，用符号表示，；
反之称为逆效率，用符号表示。
正效率计算公式：
（2-1）
逆效率计算公式：
（2-2） 式中，为作用在转向轴上的功率；
为转向器中的磨擦功率；
为作用在转向摇臂轴上的功率。
正效率高，转向轻便；
转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。
但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，又要求此逆效率尽可能低。
影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。
2.1.1转向器的正效率
1、转向器类型、结构特点与效率
在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。
同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。
如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承。
选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率η+仅有54%。
另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。
转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。
2、转向器的结构参数与效率
如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算：
（2-3）
式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；
ρ为摩擦角，ρ=arctanf；
f为磨擦因数。
2.1.2转向器的逆效率
根据逆效率不同，转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。
路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。
它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。
但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。
属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。
不可逆式和极限可逆式转向器。
不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。
该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。
同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。
极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。
在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。
如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算
（2-4）
式（2-3）和式（2-4）表明：
增加导程角，正、逆效率均增大。
受增大的影响，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传动比变化特性
转向系的传动比包括转向系的角传动比和转向系的力传动比iP，两者之间的关系对转向的整体性能有很大影响。
2.2.1转向系传动比
传动系的力传动比：
（2-5）
转向系的角传动比:
（2-6）
转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动组成，即：
（2-7）
转向器的角传动比:
（2-8）
转向传动机构的角传动比:
（2-9）
2.2.2力传动比与转向系角传动比的关系
转向阻力与转向阻力矩的关系式：
（2-10）
作用在转向盘上的手力与作用在转向盘上的力矩的关系式：
（2-11）
将式（2-10）、式（2-11）代入后得到：
（2-12）
如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示
（2-13）
将式（2-10）代入式（2-11）后得到：
（2-14）
当a和Dsw不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。
2.2.3转向器角传动比的选择
转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。
影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。
若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。
若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，应选用大些的转向器角传动比。
汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。
汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。
否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。
转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线，如图2-1所示。
图2-1转向器角传动比变化特性曲线
2.3转向器传动副的传动间隙
传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。
该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性（图2-2）。
研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。
传动副的传动间隙在转向盘处于中间位置及其附近位置时要很小，最好无间隙。
若转向器传动副存在的传动间隙很大时，当转向轮受到较大的侧向力作用，车轮将很有可能偏离原行驶路线，使车辆失去稳定。
传动副在中间位置及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。
在中间位置及附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。
图2-2转向器传动副传动间隙特性
转向器传动副传动间隙特性图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；
曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；
曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。
2.4转向盘的总转动圈数
转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。
它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。
轿车转向盘的总转动圈数较少，一般约在3.6圈以内。
而对于方程式汽车而言，过多的转动圈速不利于提高转向的灵敏度。
本文的设计参考Formula1汽车转向系统，转动圈速为2/3圈，及左右各120°
。
3FSAE汽车转向系统总体机构设计
FSAE汽车属于小型赛车，其整备质量很轻，整体尺寸也很小，本章将确定转向系统的主要参数，并根据确定的参数进行转向系统类型的选择。
3.1参考数据的确定
表3-1FSAE汽车转向系统参数
前轮距B1
1250mm
后轮距B2
1200mm
轴距L
1650mm
满载轴荷分配：
前/后
169.2/190.8（kg）
轮胎
223/533R14
主销偏移距a
100mm
轮胎压力p/MPa
0.45
方向盘直径DSW
300mm
最小转弯半径R
3.5m
转向节臂L1
90mm
3.2转向系统类型选择
汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。
3.2.1机械转向系
机械转向系中转向能源是来自驾驶员的体力，其中所有传力件都是机械的。
机械转向系由转向器、转向操纵机构和转向传动机构三大部分组成。
图3-1所示的机械转向系统。
当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。
该力矩通过转向轴和柔性联轴节输入转向器，转向器再将力经左，右横拉杆,将力传给固定于两侧转向节上的左、右转向节臂，使转向节和它所支撑的转向轮绕主销轴线偏移一定角度，实现转向。
目前，许多国内外生产的新车型在转向操纵机构中转向轴采用了
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