FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計

【摘要】大學生方程式大賽（FSAE）是為熱愛賽車的在讀大學生舉辦的一項競賽。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；設計

一、研究意義

FSAE旨在通過學生親手設計制造一輛滿足大賽要求的賽車，來提高學生對汽車設計知識的拓展應用能力和實際加工動腦動手能力。大賽賽道設有轉(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)設計能使車手在比賽時更好地高速避障、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)向行駛時保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系的機構(gòu)。

FSAE大賽規(guī)定僅使用機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(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、減輕駕駛員勞動強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，應作為設計工作的重點。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)設計

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)的設計要求：（1）保證汽車有較高的機動性；（2）汽車轉(zhuǎn)向時，全部車輪應繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，不應有側(cè)滑；（3）傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖要盡量??；（4）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤應自動回正，并使汽車保持直線行駛狀態(tài)；（5）發(fā)生車禍時，當轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸由于車架和車身變形后移時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最好有保護機構(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)點是：結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕；傳動效率高；可自動消除嚙合間隙；制造成本低。缺點是：逆效率高。

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

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點是：耐磨、壽命長；轉(zhuǎn)向系的傳動比可變；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，我所要設計方程式賽車將采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。

五、齒輪齒條的設計

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，斜齒的運轉(zhuǎn)比直齒平穩(wěn)，且傳遞更大動力，故采用斜齒圓柱齒輪。假設齒輪有足夠嚙合長度，且齒輪在齒條上滾動。當齒條不動齒輪嚙合一周時，齒輪中心線移動了一定位移S。我們通過計算可知，位移S=πd，即齒條實際移動距離（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。齒條的橫向運動帶動轉(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、減輕駕駛員的勞動強度很重要。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)的設計匹配過程，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，角傳動比為4∶1，轉(zhuǎn)向效率很高。

參考文獻

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[2]中國大學生方程式汽車大賽組委會.2011中國大學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。