巴哈赛车转向系统设计

胡延明　王健儿　贾琼

摘 要：大学生巴哈比赛是一项由汽车工程学会主办以大学生群体为主的赛车竞赛。要求在规定时间内每支车队独立制造出一辆具有良好的加速性能、四轮能同时抱死、操控性能足够稳定等特点以成功通过赛事里的每一项比赛的赛车。转向系统设计是巴哈赛车设计中的一项非常重要设计，其作用是保障在改变行驶方向的同时保证车辆的正常运行，并保证在产生转向时转向轮之间的转角协调.本文简要分析了转向系统的作用、基本构成，为了保证赛车具有良好的机动性能，确定符合巴哈赛车的最小转弯半径，最大外轮转角以及转动系统的传动比;其次根据赛车所需转向关系以及实际转向内外轮转角关系确定转向梯形结构参数并验证其是否满足要求，利用前悬架参数采用三心定理确定转向梯形断开点，确定转向杆系的空间布局;最后确定各结构件参数完成catia三维模型建立装配。

关键词：巴哈赛车 转向系统 CATIA 转向梯形

Design of Steering System for Bach Racing Car

Hu Yanming，Wang Jianer，Jia Qiong

Abstract：The university student Baha'i race is a racing race mainly hosted by the society of automotive engineering. It is required that each team independently produce a car with good acceleration performance， four wheels locking at the same time， stable handling performance and other characteristics within the specified time to successfully pass each race in the race. The design of steering system is a very important design in the design of Baha racing car. Its function is to ensure the normal operation of the vehicle while changing the driving direction， and ensure the angle coordination between steering wheels when steering occurs This paper briefly analyzes the function and basic composition of the steering system. In order to ensure the good maneuverability of the car， the minimum turning radius， the maximum outer wheel angle and the transmission ratio of the rotating system are determined; secondly， according to the steering relationship required by the car and the actual steering angle relationship between the inner and outer wheels， the steering trapezoidal structure parameters and verify whether they meet the requirements are determined， using the front suspension parameters and the three center theorem to determine the breaking point of the steering trapezoid and the spatial layout of the steering linkage; finally， the parameters of each structural part are determined to complete the establishment and assembly of CATIA three-dimensional model.

Key words：BAHA racing car， steering system， CATIA， steering trapezoid

1 斷开式转向梯形参数的确定

由于赛车工况比较复杂，在行驶过程中悬架会上下跳动，为避免转向与悬架干涉需要考虑转向杆的布置位置，本车采用的是断开式转向梯形，设计关键是转向断开点的位置。

依据三心定理确定转向断开点，如图1所示。

（1）连接EC并延长，与GD连线的延长线的交点就是转向节的瞬时运动中心P1。

（2）连接并延长GE，与DC的延长线的交点为P2。

（3）做直线P3，P1，P2，使其夹角为α。由于P1U在P1G上方，故P3在P2上方。延长UE角P1P3与P3，连接P3C并延长与P1U交于T。T即为所求的转向断开点。

2 转向系内外轮转角的关系确定

初步设计齿轮齿条式转向器在前轴后方，要求齿轮齿条中齿条轴线与汽车纵向对称轴垂直，在中间位置布置转向器，在汽车纵向对称轴的两侧布置齿条两端球铰中心且两球铰应对称。

先计算横向拉杆的长度。已知赛车的轴距L、齿条两端球铰中心距M、主销后倾角β、梯形臂长L1、左右两主销轴线延长线与地面交点之间的距离K、梯形底角γ以及齿条轴线到梯形底边的安装距离h。根据公式计算得到：

当转动方向盘时，带动齿条移动，连接齿条两端的杆系会产生不同长度的运动，于是左右车轮分别获得一个转角。如果汽车向左转弯，此时右轮为外轮，外轮一侧的杆系运动如图2所示。假设此时齿条向右移动行程为S，右横拉杆推动右梯形臂，得到转角θ0。把图中顶点O作为坐标原点，可以得到齿条行程S与外轮转角θ0的关系：

另外，由图3可知：

汽车内轮一侧的运动则如图3所示，齿条往右移动同样的行程S，齿条带动左横拉杆拉动右梯形臂转过，把图中顶点O1作为坐标原点，水平方向为y轴、竖直方向为x轴，可以得到齿条行程S与内轮转角的关系，即：

因此，利用（式1-2）便可求出对应于任一外轮转角的齿条行程S，再将S代人（式1-9）即可求出相应的内轮转角。把（式1-2）和（式1-5）结合起来便可将θi表示为θ0的函数，记作：

反之，也可利用（式1-4）求出对应任一内轮转角θi的齿条行程S，再将S代入（式1-7）即可求出相应的外轮转角θ0。将（式1-8）和（式1-7）结合起来可将θ0表示为θi的函数，

记作：θi=F（θ0）k

3 齿轮的设计

斜齿轮传动具有传动平稳，噪声较小以及重合度大的优点。因此该设计采用斜齿圆柱齿轮和齿条进行传动。齿轮模数取的值范围在1.5-3.0之间该齿轮模数取1.75，主动大齿轮压力角取值20°，齿轮螺旋角一般为9°-15°赛车的整车质量较轻，转向力矩较小。

依据表1的数据可计算出：

斜齿圆柱齿轮分度圆直径d。

4 齿条的设计

根据齿轮齿条配合要求，相互啮合的齿轮的齿距p1=πmn1cosα1和齿条的齿距p2=πmn2cosα2必须相等，即：

πmn1cosα1=πmn2cosα2# （或1-11）

设计齿条的模数：mn2=1.75，可计算出齿条的压力角为：α2=20°。

齿条的齿数Z2：

此式中：S-齿条行程，35mm;

mn2-齿条模数，1.75mm;

α2-齿条压力角，α2=20°

将数据代入（式1-12），得：

Z2=13.6;取齿条齿数Z2=17

齿宽b

此式中：齿宽系数取为0.66

d为齿轮分度圆直径，为30.41mm;

计算得：

b=20.07mm

齿轮轴和齿条的材料采用40cr，齿轮采用调质渗碳淬火的热处理方式，齿条采用调质淬火的热处理方式。

5 确定目标函数

忽略不计轮胎侧偏，实现转向轮纯滚动、无侧滑转向的条件是内外轮转角由如图4所示的理想的关系。

即

由（1-14）式可用θot的函数替换内轮转角θit即：

θit=f（θo）=arctg（ctgθo-）（式1-15）

得到转向梯形机构的内、外实际转角关系θi=f（θo）或θ0=f（θi）。转向梯形机构优化设计的下一步目标就是要在规定的转角范围内使实际的内（或外）轮转角要尽可能的接近理想的内（或外）轮转角。在考虑中小转角时希望两转角尽量接近，所以综合评价两转角在全部转角范围内接近的程度时需要用两函数的加权均方根误差σ作为评价指标。即：

加权因子Wo、Wi之间的关系为

Wo=Wi

由于两个加权因子的关系是等价的，要根据具体的情况取其中之一作为极小化目标函数。

6 结语

本次設计首先采用传统的设计方法设计赛车转向系统，然后以CATIA软件作为制图工具，整理出一整套较为快捷的设计转向系统方法。通过两种方法的尝试充分感受到新方法效率高，且通过结果对比发现新方法与传统方法结果相符，说明新方法基本可行。

参考文献：

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[2]张敏中.与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构优化设计. 汽车技术，1994.

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[4]周祥基.汽车转向传动机构的类型分析与优化设计.东南大学硕士论文.2005.

[5]王文斌.机械设计手册（新版）.北京：机械工业出版社，2004.