大学生方程式赛车设计——转向系统

赛车转向系统是用于改变或保持赛车行驶方向的专门机构。起作用是使赛车在行驶过程中能按照车手的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及赛车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持赛车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着赛车的操纵稳定性和安全性。对赛车的行驶安全至关重要，因此赛车转向系统的零件都称为保安件。赛车转向系统和制动系统都是赛车安全必须要重视的两个系统。当转动赛车方向盘时，车轮就会转向。为了使车轮转向，方向盘和轮胎之间发生了许多复杂的运动。最常见的赛车转向系统的工作原理包括：齿条齿轮式转向系统和循环球式转向系统。当赛车转向时，两个前轮并不指向同一个方向。要让赛车顺利转向，每个车轮都必须按不同的圆圈运动。由于内车轮所经过的圆圈半径较小，因此它的转向角度比外车轮要大。如果对每个车轮都画一条垂直于它们的直线，那么线的交点便是转向的中心点。转向拉杆具有独特的几何结构，可使内车轮的转向度大于外车轮。赛车转向系统分为两大类：机械转向系

统和动力转向系统。a机械转向

系统：完全靠车手手力操纵的转

向系统。b动力转向系统：借助

动力来操纵的转向系统。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。机

械转向系以车手的体力作为转向

能源，其中所有传力件都是机械

的。机械转向系由转向操纵机构、

转向器和转向传动机构三大部分

组成（如图）。车手对转向盘施

加的转向力矩通过转向轴输入转

向器。从转向盘到转向传动轴这

一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有级减速传动副。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆，再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了赛车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节属于转向传动机构。。

转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将车手转动转向盘的操纵力传给转向器。机械转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。齿条齿轮式齿轮组被包在一个金属管中，齿条的各个齿端都突出在金属管外，并用横拉杆连在一起。小齿轮连在

转向轴上。转动方向盘时，齿轮就会旋转，从而带动齿条运动。齿条各齿端的横拉杆连接在转向轴的转向臂上。齿条齿轮式齿轮组有两个作用：a 将方向盘的旋转运动转换成车轮转动所需的线性运动。b 提供齿轮减速功能，从而使车轮转向更加方便。转向传动比是指方向盘转向程度与车轮转向程度之比。若将方向盘旋转一周（360度）会导致车轮转向20度，则转向传动比就等于360除以20，即18:1。

转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化，以保证赛车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

赛车转向时，要使各车轮都只滚动不

滑动，各车轮必须围绕一个中心点O 转动，如下图显然这个中心要落在后轴中心线的延长线上，并且左、右前轮也必须以这个中心点O 为圆心而转动。

为了满足上述要求，左、右前轮的偏转角应满足如下关系：

B

+=βαcot cot

由转向中心O 到外转向轮与地面接触点的距离，称为车转弯半径。转弯半径越小，则赛车转向所需场地就越小。当外转向轮偏转角达到最大值α时，转弯半径R 最小。在理

想情况下，最小转弯半径R 与的关系为：min sin αL

R =

机械转向系的常见故障主要包括：转向沉重，转向盘自由行程过大和转向轮抖动。赛车行驶中，车手向左、右转动转向盘时，感到沉重费力，无回正感；赛车低速转弯行驶和调头时，转动转向盘感到非常沉重，甚至打不动。转向沉重的根本原因是转向轮气压不足或定位不准，转向系传动链中出现配合过紧或卡滞而引起摩擦阻力增大。具体原因主要有：①转向轮轮胎气压不足，应按规定充气。②转向轮本身定位不准或车轴、车架变形造成转向轮定位失准，应校正车轴和车架，并重新调整转向轮定位。③转向器主动部分轴承调整过紧或从动部分与衬套配合太紧，应予调整。④转向器主、从动部分的啮合间隙调整过小，应予调整。⑤转向器缺油或无油，应按规定添加润滑油。⑥转向器壳体变形，应予校正。⑦转向管柱转向轴弯曲或套管凹瘪造成互相碰擦，应予修理。⑧转向纵、横拉杆球头连接处调整过紧或缺油，应予调整或添加润滑脂。⑨转向节主销与转向节衬套配合过紧或缺油，或转向节止推轴承缺油，应予调整或添加润滑脂等。

转向盘自由行程过大又可称为转向不灵敏。赛车保持直线行驶位置静止不动时，转向盘左右转动的游动角度太大。具体表现为赛车转向时感觉转向盘松旷量很大，需用较大的幅度转动转向盘，方能控制赛车的行驶方向；而在赛车直线行驶时又感到行驶方向不稳定。

转向盘自由行程过大的根本原因是转向系传动链中—处或多处的配合因装配不当、磨损等原因造成松旷。具体原因主要有：①转向器主、从动啮合部位间隙过大或主、从动部位轴承松旷，应予调整或更换。②转向盘与转向轴连接部位松旷，应予调整。③转向垂臂与转向垂臂轴连接松旷，应予调整。④纵、横拉杆球头连接部位松旷，应予调整或更换。⑤纵、横拉杆臂与转向节连接松旷，应予调整或更换。⑥转向节主销与衬套磨损后松旷，应予更换。

⑦车轮轮毂轴承间隙过大，应予更换等。

赛车在某低速范围内或某高速范围内行驶时，出现转向轮各自围绕自身主销进行角振动的现象。尤其是高速时，转向轮摆振严重，握转向盘的手有麻木感，甚至在驾驶室可看到赛车车头晃动。

转向轮抖动的根本原因是转向轮定位不准，转向系连接部件之间出现松旷，旋转部件动不平衡。具体原因主要有：①转向轮旋转质量不平衡或转向轮轮毂轴承松旷，应予校正动平衡或更换轴承。②转向轮使用翻新轮胎，应予更换。③两转向轮的定位不正确，应予调整或更换部件。④转向系与悬挂的运动发生干涉，应予更换部件。⑤转向器主、从动部分啮合间隙或轴承间隙太大，应予调整或更换轴承。⑥转向器垂臂与其轴配合松旷或纵、横拉杆球头连接松旷，应予调整或更换。⑦转向器在车架上的连接松动，应予紧固。⑧转向轮所在车轴的悬挂减振器失效或左右两边减振器效能不一，应予更换。⑨转向轮所在车轴的钢板弹簧U 形螺栓松动或钢板销与衬套配合松旷，应予紧固或调整。⑩转向轮所在车轴的左右两悬挂的高度或刚度不一，应予更换等。

动力转向系一般是在机械转向系的基础上加装转向助力装置；常用的助力装置是液压式，主要由转向泵、动力油缸、控制阀、转向油罐和油管等组成。

动力转向系的常见故障部位主要有：转向盘自由行程、转向传动机构连接处、转向器、转向泵、控制阀、油管接头等。

动力转向系的常见故障有转向沉重和转向噪声等。

转向沉重故障一般由液压转向助力系统失效或助力不足，机械传动机构损坏或调整不当引起。具体原因主要是：①转向油罐油液油量不足或规格不对，应使用正确的油液并调整到规定高度。②油路堵塞或不畅，应予检修。③油路中有泄漏现象，应予检修排除。④油路中有空气，应予排气。⑤转向泵传动带损坏或打滑，应予调整或更换。⑥调节阀失效，使输出压力过低，应予更换或调整。⑦转向机构调整不当，应予调整等。

转向噪声故障——装有动力转向系的赛车，在发动机起动后，转向助力泵的溢流阀中出现液流噪声是正常的，但噪声过大甚至影响转向性能时，该噪声应视为故障。因助力系统引起转向噪声的原因主要是：①转向泵损坏或磨损严重，应予修理或更换。②转向泵传动带打滑，应予调整或更换。③控制阀性能不良，应予检修。④系统中渗入空气，应予排气。⑤管道不畅，应予检修等。