转向系统开题报告

第一章总论

一．赛事简介和设计目的及意义

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSAE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

2010年第一届中国FSAE由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团——易车（BITAUTO）联合发起举办。中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSAE 赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国FSAE致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。

本次毕业设计的题目为FSAE方程式赛车转向传动机构的设计，目的在于设计一套适用于FSAE方程式赛车的转向传动机构，配合其制动系，传动系，行驶系及其他机构使赛车的性能满足大赛的要求。当然，通过此次设计，也可以让我回顾大学四年所学的专业知识，对自己大学学习的课程有一个更为深刻的总结，使自己成为符合新时代的汽车产业人才。二．国内外赛车转向系统研究现状及发展

赛车在行驶中，经常需要改变行驶方向，这就需要有一套用来控制赛车行驶方向的机构，这套机构称为赛车转向系统(steering system）。赛车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系统而改变转向轮的偏转角度来实现的。赛车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。此外，随着科技的不断发展还出现了四轮转向系统，主动前轮转向系统和线控转向系统。2.1.机械转向系统

机械转向系统以驾驶员的体力作为转向动力，又称为人力转向系统。机械转向系统一般由三部分组成，即转向操纵机构、转向器和转向传动机构。驾驶员操纵转向器工作的机构叫做转向操纵机构，包括转向盘、转向轴等机件。转向轴下端的蜗杆与扇形齿轮构成转向器。转向器是一个减速增矩机构，经转向器放大的力矩传给转向传动机构。转向直拉杆、转向节臂、转向横拉杆、左右梯形臂等机件构成转向传动机构。前轴的两端和转向节分别由主销a 和h铰接在一起，转向节上连有左右梯形臂，两臂铰接在转向横拉杆L。当一个转向节转动时，另一个转向节也随着变位，实现赛车转向。但两个车轮转动的角度不同，因为前轴、转向横拉杆、左右梯形臂所形成的四边形不是矩形而是梯形。

2.2.动力转向系统

动力转向系统用驾驶员体力和发动机动力作为转向动力.并且以发动机动力作为主要动力。动力转向系统是在机械转向系统基础上加设一套转向加力装置而成的。转向加力装置包括转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸等。转向油泵由发动机驱动，以产生高压油液。

当驾驶员逆时针转动转向盘时，转向摇臂将拉动转向直拉杆向前运动，转向直拉杆的拉力作用在转向节臂上，使左侧转向节及左侧转向轮绕主销向左偏转一个角度，同时通过梯形

臂和转向杆使另一侧转向节与转向轮绕该侧转向主销偏转一定的角度，这时赛车将向左转向。与此同时，转向直拉杆还带动了转向控制阀中的滑阀移动，使转向动力缸的右腔接通转向油泵的出油口，右腔通过转向控制阀与转向油罐接通，转向动力缸的活塞所受的向右的液压作用力便经其推杆也作用在转向横拉杆上。由于液压作用力较大，在很大程度上减轻了驾驶员的操作强度。

2.3.四轮转向系统

顾名思义，所谓四轮转向，是指4个车轮都是转向轮，简称4WS。它是汽车的主动控制形式之一。低速时，前、后轮进行逆相位转向，减小了转弯半径，提高了汽车的机动灵活性；高速时，前、后轮进行同相位转向，使汽车由于行驶方向改变而产生的横摆角速度和侧向加速度很快达到稳态响应，改善了高速时的汽车操纵稳定性。理论和试验研究表明，4WS系统通过对前、后轮的主动控制，能极大地提高汽车在转弯、超车和变更车道等多种工况下的操纵稳定性。

2.4.主动前轮转向系统

主动前轮转向系统的结构，由德国宝马公司和5U公司联合开发，保留了传统转向系统中的机械构件，包括转向盘、转向柱、齿轮齿条转向机以及转向横拉杆等。其最大特点就是在转向盘与齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了1套双行星齿轮机构，用于向转向轮提供叠加转向角。因此，该系统除了可以实现传动比可变的功能外，还能主动干预前轮转角，从而提高车辆的操纵稳定性和安全性。作为一项新技术，主动前轮转向系统把车辆的安全性、灵活性以及驾驶乐趣提高到了一个全新的水平。

2.5.线控转向系统

早在20世纪50年代，美国TRW公司等转向系统开发商就对线控转向系统做出了大胆的设想，提出将转向盘与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。20世纪60年代末，德国的Kasselmann公司等设计了与TRW公司设想类似的主动转向系统。1990年，德国奔驰公司将其关于线控转向系统方面的研究应用到了概念车F4OO-Carving上。ZF公司也在1998年开发出电动助力式转向系统之后，对线控转向系统进行了积极的开发研究，目前已经有整套的线控转向系统上市。而由Daimier-Chrysler公司开发的用操纵杆操纵的线控转向系统，则被列为2000年汽车10大新技术之一。在2001年举办的第71届瑞士日内瓦国际汽车展览会上，意大利的Berstone汽车设计及开发公司展示了新型概念车FILO。该概念车电传驱动系统的核心是机-电一体化控制系统（智能机电起动单元），其转向、加速、制动、换挡、离合等均由电传驱动系统控制完成。TTA－GROUP是国外一个专门研究线控转向系统的专业性机构，在线控转向领域取得了卓越的成就。2002年，装备线控转向技术的奥迪S8型汽车在德国慕尼黑举行的TTA－GROUP的论坛上展出，该车的道路识别系统将路线轨迹的信息通过TTP总线传给ECU，ECU控制汽车转向系统沿道路行驶，驾驶员可以随时对其修正。

虽然线控转向系统本身的成本较高，但是采用线控转向系统后，汽车底盘设计就不必考虑区分左、右行驶交通系统，使底盘开发特别是跨国公司的底盘开发费用降低。尽管目前欧洲的汽车法规要求在驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，线控转向系统还不允许在欧洲上市，但只要生产商能够有足够的证据表明线控转向系统的安全可靠性，其得到上市许可还是完全可能的。目前线控转向系统由于自身成本等因素的制约，很难在价格低廉的家用轿车上得到普及应用，但是在对于追求性能极限的高级轿车、高级跑车上应用，则是完全可能和必

要的，它能够减轻驾驶员的负担，提高主动安全性能，因此有着很好的应用前景。辅助驾驶系统和无人驾驶汽车是现在新兴的热门研究领域，实现汽车智能转向的最佳方案就是采用线控转向系统，因而线控转向系统的研制开发也为自动驾驶汽车的开发提供了良好的科研平台，其自身也具有良好的应用前景，可用于未来的智能交通系统中。

三．赛车转向系统特点概述

转向系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。转向系由转向器、转向操纵机构和转向传动机构组成。转向操纵机构又包括方向盘、转向轴、转向管柱。转向传动机构包括转向摇臂、转向横拉杆、转向节臂。

3.1.赛车转向系设计的具体要求

(1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。

(2)汽车转向行驶后，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，由运动不协调使车轮产生的摆动应最小。

(5)保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。

(6)同时兼顾操纵轻便性和灵敏性。

(7)转向轮碰撞到障碍物以后，转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)进行运动校核，保证转向盘和转向轮转动方向一致。

四．设计思路

本课题在综合考虑众多因素的基础上先从转向系最基本的原理入手，经过对汽车的转向系原理的认真学习，来摸索着设计赛车的转向系。设计过程中，先是比较各个类型转向系的优缺点，并结合赛车对转向系的一些特殊要求，最后决定采用齿轮齿条式转向系。因为目前梯形结构的转向系的转角关系较接近理想的转角关系，又鉴于赛车采用独立悬架结构，因此采用断开式梯形结构。断开点的选择以及内、外转角关系曲线的优化方面，不但要考虑转向本身的需要，同时还要考虑转向与车架的配合，首先断开点应该设在车架的两侧，并且转向

过程中断开点应一直都在车架的外侧，这样便限定了横拉杆的长度，与转向设计有关的主销距K由悬架设计时确定，轴距由车架来确定。这样一来，转向系的优化过程中只需优化梯形臂长m，梯形底角和主销连线到横拉杆的水平距离h。h 值越大，转向越省力，但又考虑到安装的空间问题，h值不能过大。对梯形臂长m 和梯形底角的优化时，采用曲线比拟的方法，将实际内、外转角的关系曲线和理想的内、外转角的关系曲线画在同一张图上，比较两个曲线的接近程度，优化出两个变量的最好组合值。各个杆件的参数变量确定以后，要开始设计转向器，首先，根据最小半径的要求计算出车轮的最大转角，然后综合各种因素确定转向器的传动比，之后根据以上参数确定转向器齿轮齿条的参数。转向器的结构设计，首先考虑到转向器的结构设计，首先考虑到转向器的安装空间问题，根据空间确定了满足功能的转向器的总体尺寸模型的大小，再在这个模型的基础上分割出各个零件的尺寸要求，在保证各个功能要求的基础上，设计出转向器的各个部件。