大学生赛车转向机构设计

史明月 任峰 李龙海

摘 要：FSEC赛车转向机构的设计在赛车总体结构设计中意义重大，赛车行驶中车手对赛车的控制主要是通转向盘对车轮进行转向的控制。良好的的赛车转向系统是赛车转向行驶性能、操纵稳定性等性能的前提和保障，针对赛车结构设计一款专用的符合阿克曼转角关系的转向梯形。

关键词：FSAE赛车;阿克曼转角;转向梯形

1 研究现状

截止目前中国已经举办了多届FSAE比赛，大学方程式赛车各项技术也在迅猛的发展，针对赛车各个部分都有大量的相关结果以供研究。转向机构作为整车的一个重要组成部分，其研究内容比较丰富多元，对其进一步研究仍有重要意义。

2 参数的初始设定

根据赛场情况确定车的结构参数，确定转向系统功能范围。比赛中考验转向性能的项目主要是八字绕环和高速避障[1]。根据赛道情况和比赛规则等因素，我们设定了最小转弯半径R为3500mm，轴距L为1650mm，主销距K为1190mm由悬架确定，前轮距为1220mm左右，后轮距1180mm。本次设计前轮转向系统，所以后轮轮距只做了解。根据以上参数则可通过公式R=L/sin（β）计算出赛车外轮理想最大转角约为28.1°，为保证标准阿克曼转向，则通过公式cot（β）-cot（α）=K/L计算内轮理想转角42.44°。我们首先将关节臂长度设置为110mm。赛车转向机构先设定采用齿轮齿条转向器[2]。

在后期设计过程中进行验证修缮，通过CATIA进行三维展示，进行干涉分析等发现问题，并在设计过程中对三维图进行修改，并得到最终的转向系统。

不同类型的转向机有不同的结构组成，但其主要功能是相同的，考虑到我们的赛车体积有限，重量较小所以采用无助力的机械式转向器。我们选择齿轮齿条式转向器，将其依附于车架底部，受力合理，因此该车转向传动机构可以非常简单紧凑。与其他类型的机械转向器相比，其原理简洁方便，易于设计和加工。体积可以进一步缩小。

转向梯形是由前轴，左右转向节臂和转向拉杆组成的梯形。其作用是确保左右车轮在转弯时以一定比例转动一定角度[3]。根据转向器位于前轴后方、前方，梯形臂前置、后置，转向器有四种安装形式;如图1所示。我们选择了转向器位于前轴后方，梯形臂前置的形式[4]。

3 转向梯形和转向器的功能参数计算

根据之前参数的设定，赛车外轮最大转角28.1°内轮转角42.44°。因为是赛车，我们首先考虑方向盘的灵敏性，转向盘从中间位置到左止点转动的角度为135°，与外轮转角28.1°相对应，则转向比为4.8：1。

我们将转向节臂长度设定为110mm，内外轮角度分别为28.1°和42.44°。计算转向节臂划过弧长接近67mm。

转向盘在转角270°范围使齿条行程在范围70mm左右。

4 转向梯形的优化设计

对于双横臂独立悬架，在悬架跳动时有杆系干涉，直观的我们使横拉杆与悬架摆臂之间各杆系都互相趋向于平行四边形布置，我们使断开点的位置接近于悬架与车身固定点所在的平面上，其准确位置用求解法（三心定理）确定[5]。

建立数学模型，设赛车的轴距L、左右两主销轴间距离K，齿条两端球铰中心距M，梯形臂长L1，转向器轴线到前轴的距离h，横拉杆长度L2可列式计算。当方向盘转动时，齿条向左或向右水平移动，导致左右车轮的不同运动，使得左轮和右轮分别获得一个角。将齿条设置在右侧以移动特定行程S，然后将右梯形臂推过右侧横杆以使车轮转动。

可建立坐标系，梯形底角顶点O为坐标原点，沿车辆横向和纵向分别为X、Y轴，齿条行程S与外轮转角的关系式并可求得内轮转角的关系式。

通过MATLAB内外轮转角关系曲线程序，在L1为110mm的基础上改变底角值，安装距离h大小等参数。使实际角度接近阿克曼转角[6]，过程如图2所示。

可以直观的在CATIA草图中进行平面模拟，约束线条关系并进行运动学分析，可以改变梯形臂长度，底角，和拉杆长度，对转向中心的变化进行观察，对数据进行表格记录，总结规律，结合MATLAB的结果进行各个参数的最终确定。如图3所示。

最后可以通过Ansys进行了拉杆总成的应力分析，其主要为对杆端球轴承的分析，分析结果如图4所示。

杆的分析结果为：这个杆是机构中较为脆弱的部分，其承载的最大应力6.672MPa，远远小于其屈服极限785MPa，所以可以认为这根横拉杆是符合安全强度性能的[7]。

5 结语

对于转向系统的设计非常复杂，在设计时需要将部分因素忽略，建立理想化模型，主要借助软件的仿真进行验证可行性，求最佳值。本次设计主要以CATIA软件为工具，建立三维实体装配模型，进行预装配，并进行运动分析，实现转向系统基本运动关系，并检查干涉情况与其他配合件的安装位置，与干涉量，最终实现完整设计。

参考文献：

[1]宋芷伊，贺雨晴，吴香燕，郭鹏飞，黄冠球.大学生F1赛车转向系统仿真及优化设计[J].南方农机，2016，47（06）：69-70.

[2]邵非，李传昌，徐华源.大学生方程式赛车转向梯形设计与优化[J].上海工程技术大学学报，2018，32（01）：58-63.

[3]朱发旺，尉庆国.转向梯形机构的设计及优化[J].内燃机与配件，2015（03）：6-10.

[4]赵聪.FSAE赛车转向系统设计及性能分析[D].合肥工业大学，2015.

[5]轉向机构运动学分析[J].国外汽车，1970（02）：24-40.

[6]石启龙，杨建伟.基于MATLAB的断开式转向梯形机构的优化设计[J].机械设计与制造，2011（02）：8-10.

[7]张林海，冯庆东，侯宇，薛党琴，任义磊，冯耀东.游车下提环力学分析[J].南阳理工学院学报，2016，8（02）：65-68.