FSAE赛车转向系统的研究与设计

【摘要】大学生方程式大赛（FSAE）是为热爱赛车的在读大学生举办的一项竞赛。汽车的转向系统是用来保持或者改变行驶方向的机构。本文从该角度分析了赛车转向系统的作用、基本构成、要求和总体性能。

【关键词】FSAE赛车；齿轮齿条式转向器；设计

一、研究意义

FSAE旨在通过学生亲手设计制造一辆满足大赛要求的赛车，来提高学生对汽车设计知识的拓展应用能力和实际加工动脑动手能力。大赛赛道设有转向半径较小的急转弯道和间距不等的障碍道，需要赛车转向系统灵敏、轻便、高效。FSAE赛车的转向系统设计能使车手在比赛时更好地高速避障、入弯出弯及紧急转向保证行车安全。

二、FSAE转向系统概述

转向系统是用来保持或者改变车辆行驶方向并在车辆转向行驶时保证各转向轮之间有协调的转角关系的机构。

FSAE大赛规定仅使用机械转向系统，即依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。转向器作为改变汽车行驶方向及保持汽车稳定直线行驶的关键零部件，其性能至关重要。转向系统的技术状况，对于保证行驶安全、减轻驾驶员劳动强度和延长车辆使用寿命均有很重要的作用。如何改善赛车转向系统的操纵稳定性、灵敏性、可靠性和轻便性，应作为设计工作的重点。另外，合适的转向器对转向系统也很重要。

比赛还规定：转向系統必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转；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；转向系统的自由行程不得超过7°；方向盘必须安装在快拆器上，保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器；方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。

三、FSAE赛车转向系统设计

初始参数：

1.转向盘总圈数 ≤3.0

2.转向盘直径≤200mm

3.最大转向盘操纵力≤100N

4.转向盘在上下方向的最大调节量≥50mm

转向系统的设计要求：（1）保证汽车有较高的机动性；（2）汽车转向时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，不应有侧滑；（3）传给转向盘的反冲要尽量小；（4）转向后转向盘应自动回正，并使汽车保持直线行驶状态；（5）发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架和车身变形后移时，转向系统最好有保护机构防止伤到乘员。

四、转向器结构型式方案的确定

齿轮齿条式转向器的主要优点是：结构简单、质量轻；传动效率高；可自动消除啮合间隙；制造成本低。缺点是：逆效率高。

蜗杆滚轮式转向器主要优点是：结构简单；强度比较高、寿命长；逆效率低。缺点是：正效率低；啮合间隙难调整；传动比不能变化。

循环球式转向器的主要优点是：耐磨、寿命长；转向系的传动比可变；间隙容易调整；布置方便，适合大、中型车辆。

由以上分析可知，我所要设计方程式赛车将采用齿轮齿条式转向器。

五、齿轮齿条的设计

齿轮轴是一根切有齿的轴，安装在转向器壳体上并与齿条上的齿相啮合，其上端与转向柱相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动来操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的深沟球轴承支承。转向器内的齿选用斜齿，斜齿的运转比直齿平稳，且传递更大动力，故采用斜齿圆柱齿轮。假设齿轮有足够啮合长度，且齿轮在齿条上滚动。当齿条不动齿轮啮合一周时，齿轮中心线移动了一定位移S。我们通过计算可知，位移S=πd，即齿条实际移动距离（d是分度圆直径）。

对于一般汽车的齿轮齿条式转向器来说，齿轮的模数取值范围在2～3mm之间，主动小齿轮齿数在5～7范围变化，压力角取值20°，齿轮螺旋角多为9°～15°。但考虑到赛车的方向盘转角不到一圈，而齿条总行程需要约160mm，且每啮合一次，齿条走过一个周节（t=πm）的距离，致使所需齿轮较大，所以初选齿数Z1为15。

齿条是在金属壳体内来回滑动的，转向器壳体是安装在车架前底板固定位置上的。齿条的横向运动带动转向横拉杆，使前轮转向。相互啮合的齿轮的齿距p1和齿条的齿距p2必须相等。

即：πm1cosα1=πm2cosα2

所以选定齿条模数m2为5mm，计算出齿条的压力角α2=20°。选取齿条齿数z=10，螺旋角β=13°，齿条断面形状选取为圆形。

六、结论

赛车转向系统对于保证赛车行驶安全、减轻驾驶员的劳动强度很重要。改善汽车的操纵稳定性和提高转向系统的可靠性是比赛制胜的重要因素之一。本文阐述了FSAE转向系统的设计匹配过程，得出以下结论：（1）齿轮齿条式转向器保证了较高的传动效率，操纵的轻便性及可靠性。（2）较合理的转向梯形布置很好地满足了转向轻便和磨损较小的要求。（3）方向盘转动圈数不到1圈，但转向轮最大摆角满足比赛转向要求，角传动比为4∶1，转向效率很高。

参考文献

[1]晋兵营，宁广庆，施国标.汽车电动助力转向系统发展综述[J].拖拉机与农用运输车，2010（01）.

[2]中国大学生方程式汽车大赛组委会.2011中国大学生方程式汽车大赛参赛手册[R].北京：中国汽车工程协会，2012.

作者简介：徐娇艳（1986.11—），女，汉族，湖北襄阳人，硕士，讲师，主研究方向：汽车专业、教育管理。