PAGE8賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其理論基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u14668賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其理論基礎(chǔ)綜述 165741.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類 1307111.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)體系構(gòu)造 2118441.1.1操縱機構(gòu) 2270251.1.2傳動機構(gòu) 3266171.1.3轉(zhuǎn)向器的分類1 4151121.1.4轉(zhuǎn)向器的分類2 6310981.3理論基礎(chǔ) 6286631.3.1轉(zhuǎn)向系傳動比 6115061.3.2轉(zhuǎn)向時車輪運動規(guī)律 7130201.3.3轉(zhuǎn)向特性 7204781.3.4阿克曼轉(zhuǎn)向 8316551.3.5輪跳轉(zhuǎn)向 81101.3.6轉(zhuǎn)向器效率 9266301.3.7傳動間隙 9266031.3.8齒輪齒條轉(zhuǎn)向器變速比 9150731.3.9輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象 1097261.4傳動方式 10258231.5分析問題 101.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是由于比賽規(guī)則[10]，無法使用動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，僅可選用第一種完全由機械驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車手純靠手力操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。而動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)式車手借助動力來操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全部傳動元件均為機械式，包括轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)。以駕駛員的身體素質(zhì)為動力，在駕駛員將轉(zhuǎn)向力作用于方向盤時，由操縱桿將轉(zhuǎn)向力矩注入操縱桿。從方向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸，都是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)組成的。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為兩類：液壓式和電動式。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配有助力器，司機在轉(zhuǎn)向上會比較容易。本系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1.1中所示。圖1.1機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)體系構(gòu)造1.1.1操縱機構(gòu)操縱機構(gòu)負責起到把轉(zhuǎn)向盤的力傳至轉(zhuǎn)向器的作用。轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)可以根據(jù)適應不同賽車駕駛員來進行自行調(diào)節(jié)。且其中還裝有安全保護裝置來保護賽車駕駛員，在發(fā)生意外事故時可發(fā)揮作用降低駕駛員受到的傷害和減小損失。常見的安全保護裝置如圖1.2中所示。這種設(shè)備把轉(zhuǎn)向軸分為兩個部分，一個是上部的，一個是下部的。在遇到強烈撞擊時，轉(zhuǎn)向軸會自行脫離，從而保證司機的安全。圖1.2安全保護裝置（1）萬向節(jié)萬向節(jié)指的是利用球形等裝置以實現(xiàn)不同方向的軸動力輸出的零件，它也是車輛上的一個很重要部件[11]。而此次的設(shè)計，則是采用了雙聯(lián)式萬向節(jié)的傳動方式。與單十字軸萬向節(jié)相比，雙聯(lián)式萬向節(jié)具有更大的軸間夾角，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，工作可靠，效率高。1.1.2傳動機構(gòu)該轉(zhuǎn)向裝置的作用是將轉(zhuǎn)向裝置的動力和動力傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)上，使左右兩側(cè)的車輪產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使兩側(cè)車輪的傾角發(fā)生變化，以保證在轉(zhuǎn)彎時車輛與地面的相對滑動最小。與非獨立懸架相關(guān)的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)是由轉(zhuǎn)向搖臂2、轉(zhuǎn)向直拉桿3、轉(zhuǎn)向臂4、轉(zhuǎn)向梯形等組成。當前橋只有一個轉(zhuǎn)向橋時，前橋后面通常都有一個轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，即一個由左、右梯形臂5構(gòu)成的轉(zhuǎn)向梯形，如圖1.3(a)中所示。當轉(zhuǎn)向輪處于與車輛直線行駛相應的中立位置時，在平行于路面的水平表面上，梯形臂5和橫桿6的交叉角大于90度。當引擎處于低位置時，為了防止車輛的運動受到干擾，一般將轉(zhuǎn)向梯形置于前橋前方，此時的交叉角小于90度，如圖1.3(b)中所示。當轉(zhuǎn)向搖桿在與道路平行的水平方向上不會在汽車的縱向平面上來回擺動。那么，可以將所述的左右方向的直拉桿3橫向地布置，并通過球銷來直接驅(qū)動所述的操縱橫桿6，由此使所述的兩個梯形臂旋轉(zhuǎn)，如圖1.3(c)中所示。圖1.3與非獨立懸架匹配的傳動機構(gòu)與獨立懸架匹配的傳動機構(gòu)，使得轉(zhuǎn)向車輪都能相對于車身獨立地運動。轉(zhuǎn)向梯形也可分成二或三個部分，如圖1.4中所示。圖1.4與獨立懸架匹配的傳動機構(gòu)1.1.3轉(zhuǎn)向器的分類1轉(zhuǎn)向器工作原理是將扭矩放大，從而克服轉(zhuǎn)向阻力，從而帶動車輪旋轉(zhuǎn)，從而達到整體的轉(zhuǎn)向效果。常見的有蝸桿式轉(zhuǎn)向器、齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)轉(zhuǎn)向器、蝸桿轉(zhuǎn)向器等。（1）蝸桿曲柄式轉(zhuǎn)向器圖1.5中為蝸桿曲柄式轉(zhuǎn)向器。由于其效率低，嚙合間隙調(diào)整困難，所以很少使用蝸桿曲柄傳動機構(gòu)。圖1.5蝸桿曲柄式轉(zhuǎn)向器（2）齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器可分成兩端輸出型和中間輸出型兩種。如下圖1.6中所示，a圖和b圖是兩端輸出，c圖和d圖是中間（只一端）輸出。本校賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兩端輸出式齒輪條式轉(zhuǎn)向器，如圖1.6a）中所示。圖1.6齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器其優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，造價成本低廉，傳動效率可超過90%，并且能實現(xiàn)齒間間隙的自動消除。其缺點：逆效率較高，能夠達到60%至70%。因此，在崎嶇不平的路況下，路面對車輪的力會被轉(zhuǎn)移到方向盤上，形成“打手”。齒條的斷面形狀如圖1.7中所示。分為三類，即圖1.7（a）圓形、圖1.7（b）V型、圖1.7（c）Y型三類。由于圓形斷面制造容易，成本低性價比高，因此本賽車采用了圓形斷面形狀的齒條。圖1.7齒條的斷面形狀（3）循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器如圖1.8中所示。其優(yōu)點主要為：耐磨、布置方便、工作平穩(wěn)可靠、壽命長[8]。但其也有缺點：制造工序復雜，成本高，容易出現(xiàn)“打手”現(xiàn)象。圖1.8循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器1.1.4轉(zhuǎn)向器的分類2轉(zhuǎn)向器又可分為可逆式轉(zhuǎn)向器、極限可逆式轉(zhuǎn)向器和不可逆式轉(zhuǎn)向器[12]?？赡媸睫D(zhuǎn)向器有自動調(diào)節(jié)回正功能。但缺點也很明顯，如果長時間在崎嶇不平的路段上行駛，就會產(chǎn)生“打手”的情況，使車手長期處于高度壓力下，會影響比賽狀態(tài)產(chǎn)生疲勞，從而造成事故。不可逆式轉(zhuǎn)向器具有零逆效率特點。轉(zhuǎn)向裝置會受到地面上的撞擊，長久以來，會造成部件的損傷。此外，該系統(tǒng)無法自動調(diào)整輪子和方向盤，從而增加了駕駛的危險。所以，通常不會被采納。極限可逆式轉(zhuǎn)向器則介于兩者之間，它具有低逆效率特點。這種轉(zhuǎn)向器在車輪受到撞擊時，僅會把很少的力量傳遞給方向盤。通過這種方法，司機在崎嶇不平的道路上行駛很久，不會有太大的壓力和疲勞感，從而保證車輛在較長的一段時間內(nèi)安全行車。而且，由于長時間的碰撞，轉(zhuǎn)向裝置也不需要頻繁的更換。也就是這類轉(zhuǎn)向裝置具有以上兩種類型的優(yōu)勢。1.3理論基礎(chǔ)1.3.1轉(zhuǎn)向系傳動比（1）轉(zhuǎn)向系的力傳動比地面對兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力2Ｆｄ與作用在方向盤上的受力Ｆｆ之比，稱為轉(zhuǎn)向力傳動比i1由公式可知，轉(zhuǎn)向越輕便，i1（2）轉(zhuǎn)向系角傳動比方向盤角速度ωｆ與同側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角ωｃ之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比ij根據(jù)公式可知，轉(zhuǎn)向越靈敏,角傳動比越小。（3）兩者之間的關(guān)系轉(zhuǎn)向系的力傳動比與角傳動比則有以下關(guān)系：ip=式中，Dfz1.3.2轉(zhuǎn)向時車輪運動規(guī)律在車輛轉(zhuǎn)彎時，要實現(xiàn)四個輪子在同一瞬間的轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動，必須使前后輪子的轉(zhuǎn)角符合下列公式，以確保不打滑的純粹滾動。在圖1.9中可以看到。從圖表中可以看出，在車輛轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)車輪輪的偏轉(zhuǎn)角β大于外車輪的偏轉(zhuǎn)角α。兩角度的關(guān)系如下式所示：cotαtβ+BL式中：B為兩主銷中心間距；L為汽車的軸距。1.3.3轉(zhuǎn)向特性汽車轉(zhuǎn)彎時，有可能會出現(xiàn)以下三種轉(zhuǎn)向情況[13]。1.不足轉(zhuǎn)向：汽車轉(zhuǎn)彎半徑逐漸增大，做向外偏離的運動。1.過多轉(zhuǎn)向：汽車轉(zhuǎn)彎半徑逐漸減小，做向內(nèi)偏離的運動。3.中性轉(zhuǎn)向：汽車轉(zhuǎn)彎半徑?jīng)]有發(fā)生變化，一直沿著圓周軌跡運動。圖1.9轉(zhuǎn)向時車輪運動規(guī)律當轉(zhuǎn)向不足時，司機會和車輛一樣有同樣的動作感覺。過度轉(zhuǎn)向時，駕駛者的動作感覺和車輛不協(xié)調(diào)，會造成駕駛者重心向內(nèi)傾斜，從而使駕駛員很難向后轉(zhuǎn)方向盤[4]。1.3.4阿克曼轉(zhuǎn)向為使四個輪子在轉(zhuǎn)向時都能繞著同一瞬間的方向轉(zhuǎn)動，前后輪子的轉(zhuǎn)角必須符合以下公式，以確保不打滑的純粹滾動。cotα?cotβ=B阿克曼轉(zhuǎn)向時，因車輛實際轉(zhuǎn)彎半徑的差異，導致前軸外側(cè)輪轉(zhuǎn)角，即α＜β。阿克曼轉(zhuǎn)向按內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系可劃分為正阿克曼、平行阿克曼和反阿克曼三類。內(nèi)側(cè)大于外側(cè)為正阿克曼，相等為阿克曼，內(nèi)側(cè)小于外側(cè)為反阿克曼[1]。阿克曼率=轉(zhuǎn)向輪實際轉(zhuǎn)角差阿克曼率是正的阿克曼，零即是阿克曼，負的是阿克曼。FSAE阿克曼在0-70%的范圍內(nèi)[1]。1.3.5輪跳轉(zhuǎn)向輪跳轉(zhuǎn)向是指當車輪在車身上、下、下運動時，輪子圍繞著主銷旋轉(zhuǎn)。在懸掛側(cè)視圖中，上、下、橫拉三條直線相交。在后懸掛，也就是橫桿，也就是第五桿，一般是把第五桿和下面的操縱桿設(shè)置在同一水平面上。因此，從側(cè)視圖來看，第五桿和下控制臂是一條直線，也就是上、下、第五桿總是“三線合一”，這樣，懸掛和輪子就可以被看成是四桿機構(gòu)，輪子可以“純”地上下運動，而不會圍繞著主銷產(chǎn)生任何偏移。然而，在前懸架中，由于布局空間的問題，不能使操縱橫桿與下操縱臂處于同一水平面上，因此，即使在某個位置上能夠?qū)崿F(xiàn)“三線合一”，也不能在整個動作中達到這一要求。當三種情況不能同時發(fā)生時，前輪就像是車身在上下移動一樣，導致輪子圍繞著主銷旋轉(zhuǎn)[14]。1.3.6轉(zhuǎn)向器效率動力通過轉(zhuǎn)向軸輸入，通過搖桿的輸出得到的能量是正向的。相反的就為反向的效率。1.3.7傳動間隙顧名思義，就是指變速器中的傳動副之間的空隙。它的特征在圖1.12中大體顯示。當方向盤角度發(fā)生變化時，這個變化就是指轉(zhuǎn)向機構(gòu)的傳動副的傳動間隙。[6]。圖1.10傳動間隙傳動副的傳動間隙特性應該被設(shè)計成在離開中間位置之后具有如圖1.10中所示的逐漸增大的形狀。其中，曲線1為轉(zhuǎn)向器在磨損前的變化曲線，曲線2為磨損后的變化曲線，曲線3為消除間隙后的變化曲線。1.3.8齒輪齒條轉(zhuǎn)向器變速比齒輪在模數(shù)m1和壓力角α1變化的情況下，在齒條上與模數(shù)m2變化、壓力角α2變化的齒條嚙合圖1.11齒輪齒條轉(zhuǎn)向器1.3.9輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象在車輛的行駛中，由于道路的傾斜，車輛會在沿軸方向受到一個側(cè)向力，根據(jù)牛頓第三定律，車輪將會承受來自地面的側(cè)向反作用力，也就是所謂的側(cè)偏力。當輪胎受到側(cè)偏力的作用時，輪胎在其自身平面上的的運動方向發(fā)生偏移，這