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学生节能车转向系设计
摘要：
转向系统在赛车中占有重要的地位，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性。
本课题首先通过分析转向系的功能要求，结合转向系统的布置设计，比较各类型的转向器的优缺点，适应节能车轻质量的要求，决定采用杆系结构的转向系统。
编写MATLAB程序，建立适当的约束对转向梯形进行优化设计。
并对转向系传动机构进行必要的力学分析和校核。
使用catia软件画出三维图，完成节能车转向系的设计。
关键词：
节能车，转向系，转向传动机构，杆系结构
1绪论
1.1前言
转向系统在赛车中占有重要的地位，通过对转向系的优化设计，来为赛车其他零部件分析优化提供思路，以达到对节能车车的结构整体优化。
转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。
1.2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，最后决定采用质量最轻形化杆系结构的转向系。
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，又鉴于赛车采用非悬架结构，因此采用整体式梯形结构。
轴距由车架来确定，主销偏移距由总设计决定。
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Ƴ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Ƴ的优化时，采用求最小h值的方法，并将实际内、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，依据最小h值得出理想的转向梯形的尺寸。
各个杆件的参数变量确定以后，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系统的力传动比，角传动比。
2汽车转向系统概述
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。
2.1转向系的主要要求[1]
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。
不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。
2）汽车转向行驶时，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，转向轮都不得产生自振，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，由于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）操纵轻便。
7）转向轮碰撞到障碍物以后，传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，保证转向轮与转向盘转动方向一致。
2.2转向系统分类
随着现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（SBW）。
按转向力能源的不同，可将转向系分为机械转向系和动力转向系。
机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构一系列的杆件传递到转向轮来使转向偏转。
机械式转向系统工作过程为：
驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器，减速传动装置的转向器中有1、2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，从而实现汽车的转向。
其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动（严格讲是近似直线运动）的机构，是转向系的核心部件。
机械转向器是将驾驶员对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动（或齿条沿转向车轴轴向的移动），并按一定的角转动比和力转动比进行传递的机构。
机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向系统。
高级轿车和重型载货汽车为了使转向轻便，多采用这种动力转向系统。
采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。
2.3转向系布置设计
转向系统的布置先从转向器的布置开始的。
转向器的布置首先要考虑对中性，要将转向器布置在车架的正中间位置，才能保证左右转向的对称和灵活。
其次，转向器要保证不和车架干涉，且车手的腿能够伸缩自如，能够方便灵活地踩踏刹车盘和油门。
横拉杆的位置也随着转向器位置的确定而确定了，同时梯形臂的位置也根据轮辋的位置、设计长度和角度以及加工需要，确定了位置。
因此转向系统和车架的连接等也都确定了。
接着就要考虑转向器和方向盘之间的连接。
转向器轴是竖直放置的，而方向盘的放置需要和竖直方向有一定得夹角，因此，两者的连接就需要采用三节式万向节。
同时方向盘还要固定在车架上，以防止方向盘晃动。
3转向器的结构型式
根据所采用的转向传动副的不同转向器的结构型式有多种。
常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。
下面分别介绍几种常见的转向器。
[2]
3.1循环球式转向器
循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-曲柄销式。
它们各有两个传动副，前者为：
螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的齿条和摇臂轴上的齿扇传动副；
后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂轴的锥销或球销传动副。
两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行调整。
循环球式转向器的传动效率高、工作平稳、可靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长。
齿扇与齿条啮合间隙的调整方便易行，这种结构与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为方便。
3.2齿轮齿条式转向器
齿轮齿条式转向器的传动副为齿轮与齿条，其结构简单、布置方便，制造容易，但转向传动比较小，（一般不大于15），且齿条沿其长度方向磨损不均匀，故仅广泛用于微型汽车和轿车上。
转向传动副的主动件是一斜齿圆柱小齿轮，它和装在外壳中的从动件——齿条相啮合，外壳固定在车身或车架上。
齿条利用两个球接头直接和两根分开的左、右横拉杆相联。
横拉杆再经球接头与梯形臂相接。
为了转向轻便，主动小齿轮的直径应尽量小。
通常，这类转向器的齿轮模数多在2～3mm范围内，压力角为20°
，主动小齿轮有5～8个齿，螺旋角为9°
～15°
。
根据小齿轮螺旋角和齿条倾斜角的大小和方向的不同，可以构成不同的传动方案。
应根据整车布置的需要并考虑转向系的传动比及效率等来选择这些角度的大小和方向。
3.2.1材料
齿轮齿条式转向器的主动小齿轮可采用低碳合金钢如20MnCr5、20MnCr4或15CrNi6（德国标准DIN17210）制造并经渗碳淬火；
齿条可采用中碳钢或中碳合金钢如45号钢或41Cr4钢（德国标准DIN17200）制造并经高频淬火，表面硬度均应在HRC56以上。
壳体常用铝合金压铸。
3.2.2齿轮齿条式转向器优缺点
齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。
与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：
结构简单、紧凑；
壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；
传动效率高达90％；
齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；
转向器占用的体积小；
没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；
制造成本低；
转向机构总成完全封闭,可免于维护；
因齿轮和齿条直接啮合,操纵灵敏性非常高。
特别适于与烛式和麦弗逊式悬架配用，便于布置等优点。
因此，目前它在轿车、微型、轻型货车上得到广泛的应用。
例如,一汽的红旗CA7220型轿车、奥迪100型轿车、捷达轿车、上海桑塔纳轿车、天津夏利轿车以及天津TJ1010型微型货车和南京依维柯轻型货车等，都采用了这种齿轮齿条式转向器。
齿轮齿条式转向器的主要缺点是：
因逆效率高（60%-70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。
反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，方向盘突然转动会造成打手，同时对驾驶员造成伤害。
3.2.3输入输出形式的选择
根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式：
中间输入，两端输出（图3.2a）、侧面输入，两端输出（图3.2b）、侧面输入，中间输出（图3.2c）、侧面输入，一端输出（图3.2d）。
图3.2输入输出形式
两端输出的齿轮齿条式转向器如图3.3所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。
与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。
弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。
弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。
当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。
采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度受限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。
但其结构简单，制造方便，且成本低等特点，常用于小型车辆上。
图3.3两端输出式
1.转向横拉杆2.防尘套3.球头座4.转向齿条5.转向器壳体6.调整螺塞7.压紧弹簧8.锁紧螺母9.压块10.万向节11.转向齿轮轴12.向心球轴承13.滚针轴承
中间输出的齿轮齿条式转向器如图3.4所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。
在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。
与齿条固连的左、右拉杆延伸到接近汽车总想对称平面附近。
由于拉杆长度增加，车轮上、下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上下跳动时转向系与悬架系的运动干涉。
拉杆与齿条用螺栓固定连接，因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器壳体上开有轴向的长槽，从而降低了它的强度。
图3.4中间输出
1.万向节叉2.转向齿轮轴3.调整螺母4.向心球轴承5.滚针轴承6.固定螺栓7.转向横拉杆8.转向器壳体9.防尘套10.转向齿条11.调整螺塞12.锁紧螺母13.压紧弹簧14.压块
3.2.4齿轮啮合方式
齿轮齿条式转向器若采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击力大，工作噪声增加。
此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角。
采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与噪声均降低，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。
因为斜齿工作时有轴向力作用，所以转向器应该采用推力轴承，是轴承寿命降低，还有斜齿轮的滑磨比较大事它的缺点。
图3.5齿条断面形状
3.2.5齿条断面形状
齿条断面形状有圆形、V形和Y形三种。
圆形断面齿条的制作工艺比较简单。
V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，约节约20%，故质量小；
位于齿下面的两斜面与齿条托座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；
Y形的断面齿条的齿宽可以做的宽一些，因而强度得到增加。
在齿条与托座之间通常装有碱性材料（如聚四氟乙烯）做的垫片，以减少滑动摩擦。
当车轮跳动、转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩时，应选用V形和Y形断面齿条，用来防止因齿条旋转而破坏齿条、齿轮的齿不能正确啮合的情况出现。
图3.6转向梯形的相对位置
3.2.6齿轮齿条式转向器和转向梯形相对位置
根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，齿轮齿条式转向器在汽车上有四种布置形式：
转向器位于前轴后方，后置梯形；
转向器位于前轴后方，前置梯形；
转向器位于前轴前方，后置梯形；
转向器位于前轴前方，前置梯形。
如图3.2.6。
对转向器结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。
中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。
球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上，例如：
当前轴轴荷不大于2.5t且无动力转向和不大于4t带动力转向的汽车均可选用这种结构型式。
循环球式转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。
轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。
矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。
4转向操纵机构
图4转向操纵机构
1-转向万向节；
2-转向传动轴；
3-转向管柱；
4-转向轴；
5-转向盘
转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。
有时为了布置方便，减小由于装配位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节，如图4。
采用柔性万向节可减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节如果过软，则会影响转向系的刚度。
采用动力转向时，还应有转向动力系统。
5转向传动机构
转向传动机构包括转向臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等。
（见图5）
转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。
图5转向传动机构
1-转向摇臂；
2-转向纵拉杆；
3-转向节臂；
4-转向梯形臂；
5-转向横拉杆
6、节能车转向系基本结构的选取
为了更直观的表达我们选择杆系结构的转向系，我们做了如下的对比分析：
这是实际使用的汽车转向系统的典型的结构图
实际在道路上行驶的各种车辆，其转向系统要考虑到很多方面的内容，所以其结构复杂。
重量很重。
在节能车上主要考虑的问题是节能。
围绕节能出发，转向系这块的主要任务是：
在满足基本转向要求的前提下，尽可能的减轻重量。
为此，节能车基本上转向系统不用转向器，以最简单的拉杆机构实现车轮的转向。
下面是一些节能车转向系统的实物图
因此为此我们的节能车也采用这种形式
下面是一张我们草拟的转向系总布置图，里面包括节能车轴距1500mm，注销中心距640mm，轮距800mm。
一副传动机构和整体式转向梯形。
转向手柄：
为适应总布置的要求，用手刹的形式来操纵离合器和碟刹，所以用转向手柄代替转向盘。
这种结构形式被节能车广泛采用，如上图
传动机构：
主要部件为球头拉杆，质量轻，结构简单
转向梯形：
实现转向轮绕同一中心运动的部分，采用非独立悬架机构，所以采用整体式转型梯形。
7节能车主要性能参数的计算及选定
7.1、转向系的效率
节能车转向系由杆系机构传动，主要能量损失在啮合副的摩擦损失，可忽略不记。
所以节能车转向系的正负效率都比较高。
7.2、转向系的传动比
正常道路使用的车辆，传动比都较高，达到17~25，方向盘转一圈，轮才转一点。
但是参考方程式赛车组成员的建议，认为，我们设计的节能车，传动比应该小些，便于操作，尤其我们采用的是手柄转向而不是方向盘。
类比自行车的设计，我们决定传动比初定为1.
由于转向系采用的是杆系传动机构，所以要实现这一目标是比较容易的，只要一个平行四边形机构就可以了。
如下图所示
四边形的长由车架定了为K/2=320mm
四边形的宽由转向系的布置，拉杆和摇臂的受力情况综合分析考虑后再定。
7.3、力传动比
预定驾驶节能车的驾驶员体重不超过50kg，设计的作用于驾驶员手上的力最大为50N（乘用车为700N）。
转向阻力矩计算
由公式Mr=F/3*（G1^3/p）^0.5中
p=35*6.895kpa=0.241325Mpa
f=0.7
G1=500N
得原地转向阻力矩最大值为5310.4N·
mm
设计的转向手柄
长度L=（5310.4/50）*2N=212.461mm
考虑到实际手掌握手柄的宽度，将手柄长度调整为250mm。
从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力2Fh=2*Mr/a=265.52N
力传动比ip=265.52/50=5.3（由于手柄长度经过了调整，所以实际的力传动比要稍大于这个值）
节能车杆系
8转向梯形的优化
8.转向梯形机构优化设计方案
8.1转向梯形机构概述
转向梯形机构用来保证汽车转弯行驶时所有车轮能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上做无滑动的纯滚动。
设计转向梯形的主要任务之一是确定转向梯型的最佳参数和进行强度计算。
一般转向梯形机构布置在前轴之后，但当发动机位置很低或前轴驱动时，也有位于前轴之前的。
转向梯形有整体式和断开式两种，选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有联系。
无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。
同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。
8.2整体式转向梯形结构方案分析
图5.1整体式转向梯形
1—转向横拉杆2—转向梯形臂3—前轴
整体式转向梯形是由转向横拉杆1，转向梯形臂2和汽车前轴3组成，如图5.1所示。
其中梯形臂呈收缩状向后延伸。
这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；
主要缺点是一侧转向轮上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。
当汽车前悬架采用非独立悬架时，应当采用整体式转向梯形。
整体式转向梯形的横拉杆可位于前轴后或前轴前（称为前置梯形）。
对于发动机位置低或前轮驱动汽车，常采用前置梯形。
前置梯形的梯形臂必须向前外侧方向延伸，因而会与车轮或制动底板发生干涉，所以在布置上有困难。
为了保护横拉杆免遭路面不平物的损伤，横拉杆的位置应尽可能布置得高些，至少不低于前轴高度。
8.3整体式转向梯形机构优化分析
汽车转向行驶时，受弹性轮胎侧偏角的影响，所有车轮不是绕位于后轴沿长线上的点滚动，而是绕位于前轴和后轴之间的汽车内侧某一点滚动。
此点位置与前轮和后轮的侧偏角大小有关。
因影响轮胎侧偏角的因素很多，且难以精确确定，故下面是在忽略侧偏角影响的条件下，分析有关两轴汽车的转向问题。
此时，两转向前轮
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