转向梯形机构设计报告

采用齿轮齿条式转向器的采用齿轮齿条式转向器的 转向梯形机构优化设计报告转向梯形机构优化设计报告 指导老师： 学生：黄志宇 学号： 专业班级：车辆工程 04 班 重庆大学方程式赛车创新实践班重庆大学方程式赛车创新实践班 二〇一七年二月二〇一七年二月 一、一、赛赛车转向系概述车转向系概述 赛车转向系统是关系到赛车性能的主要系统，它是用来改变或恢 复汽车行驶方向的系统的总称， 通常，车手通过转向系统使转向轮偏 转一定角度实现行驶方向改变。赛车转向系统一股由方向盘、快拆、 转向轴、转向柱、万向节、转向器、转向拉杆、梯形臂等部分组成。 其中， 方向盘用于输入转向角度， 快拆用于快速分离方向盘与转向柱， 转向柱、转向轴、 万向节共同将方向盘输入角度传递到转向器，转向 器通过内部传动副机构将旋转运动转化为转向拉杆的直线运动， 转向 拉杆与梯形臂作用于转向节， 实现车轮转向。图图 1 1 展示了转向系梯形 结构，图图 2 2 展示了赛车转向系统构成。 图图 1 1 转向梯形机构 图图 2 2 赛车转向系统构成 1 二、二、赛赛车转向系选型车转向系选型 由于大赛组委会规则里面明确规定不允许使用线控或者电动转向， 考虑到在赛车转向系统布置空间有限， 且有严格的成本限制，以及轻 量化的赛车设计目标，将赛车转向器范围限定机械式转向器。目前， 国内外的大多数方程式赛车采用齿轮齿条式转向器和断开式转向梯 形结构。  齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器的传动副为齿轮齿条，其中，齿轮多与转向柱 做成一体，齿条多与转向横拉杆直接连接，连接点即为断开点位置。 根据输出位置不同，分为两端输出式和中间输出式。 其主要优点是：结构简单，体积小，易于设计制作；转向器可选 材料多样，壳体可选用招合金，质量轻；传动效率较高；容易实现调 隙，当齿轮齿条或者齿条与壳体之间产生间隙时， 可以通过安装在齿 条背部的挤压力可调的弹簧来消除间隙；转向角度大，制造成本低。 其主要缺点是：传动副釆用齿轮齿条，正效率非常髙的同时，逆 效率非常高，可以到达当汽车在颠簸路面上行驶时，路感反馈强烈， 来自路面的反冲力很容易传递到方向盘； 转向力矩大，驾驶员操纵费 力，对方向盘的反冲容易造成驾驶员精神紧张，过度疲劳。  断开式转向梯形结构 根据转向器和梯形的布置位置的不同，断开式转向梯形又分为四 类，分别为：转向器前置梯形前置，转向器后置梯形后置，转向器前 置梯形后置，转向节后置梯形前置。区分前后的分界线是赛车前轴。 当转向器和梯形分置于前轴两侧时，各杆件压力角较大，不利于 提高转向效率，转向费力的同时增加了各杆件的长度； 转向梯形前置 还是后置主要取决于空间布置关系， 本车队赛车前轮制动卡钳布置在 卡盘后侧， 如果将转向梯形布置在后面， 会与卡钳、 轮辋等部件干涉。 综上所述，本文以齿轮齿条式转向器作为转向器和断开式转向梯 形结构， 布置形式为转向器前置转向梯形前置对赛车的转向系统进行 研究和优化。 2 三、三、赛赛车转向系设计车转向系设计 3.13.1 断开式转向梯形参数的确定断开式转向梯形参数的确定 确定断开点的基本理念是：根据前悬架的结构特点和运动轨迹， 找到梯形臂与转向拉杆连接处的运动轨迹的瞬时运动中心，断开点 的位置与之重合。 图图 3 3 利用三心定理确定断开点位置 本文根据三心定理，确定断开点。 如图图 3 3 所示， 、分别是上下控制臂与转向节的铰点； 和分别是等效 上下控制臂的摆动铰点；点是梯形臂与横拉杆的铰点。 1）延长 KBB 与 KAA，交于立柱 AB 的瞬心 P 点，由 P 点作直线 PS。S 点为转向节臂球销中心在悬架杆件（双横臂）所在平面上的投 影。当悬架摇臂的轴线斜置时，应以垂直于摇臂轴的平面作为当量平 面进行投影和运动分析。 2) 延长直线 AB 与 KAKB，交于 QAB点，连 PQAB直线。 3）连接 S 和 B 点，延长直线 SB。 4）作直线PQBS，使直线PQAB与 PQBS间夹角等于直线 PKA与 PS 间的夹角。当 S 点低于 A 点时，PQBS线应低于 PQAB线。 5）延长 PS 与 QBSKB，相交于 D 点，此 D 点便是横拉杆铰接点 3 （断开点）的理想位置。 以上是在前轮没有转向的情况下，确定断开点 D 的位置的方法。 此外，还要对车轮向左转和向右转的几种不同工况进行校核。 图解方 法同上，但 S 点的位置变了；当车轮转向时，可以认为 S 点沿垂直于 主销中心线 AB 的平面上画弧（不计主销后倾角） 。如果这种方法所 得到的横拉杆长度在不同转角下都相同或十分接近， 则不仅在汽车直 线行驶是，而且在转向时， 车轮的跳动都不会对转向产生影响。双横 臂互相平行的悬架能满足此要求。 3.23.2 转向系内外轮转角的关系的确定转向系内外轮转角的关系的确定 齿轮齿条式转向系的结构如图图 4 4 所示，转向轴 1 的末端与转向器 的齿轮轴 2 直接相连或通过万向节轴相连， 齿轮 2 与装于同一壳体的 齿条 3 啮合，外壳则固定于车身或车架上。 齿条通过两端的球铰接头 与两根分开的横拉杆 4、7 相连，两横拉杆又通过球头销与左右车轮 上的梯形臂 5、6 相连。因此，齿条 3 既是转向器的传动件又是转向 梯形机构中三段式横拉杆的一部分。 图图 4 4转向系统结构简图 1、转向轴 2、齿轮 3、齿条 4、左横拉杆 5、左梯形臂 6、右梯形臂 7、右横拉杆 4 齿轮齿条式转向器布置在前轴后方，安装时，齿条轴线与汽车纵 向对称轴垂直，而且当转向器处于中立位置时， 齿条两端球铰中心应 对称的处于汽车纵向对称轴的两侧。 赛车的轴距 L、主销后倾角 β 以及左右两主销轴线延长线与地面 交点之间的距离 K，齿条两端球铰中心距M，梯形底角γ，梯形臂长 L1以及齿条轴线到梯形底边的安装距离 h。则横拉杆长度 L2由下式 计算： 2 KM  L 2   L 1 cos  L 1 sinh  2  2 转动转向盘时，齿条便向左或向右移动， 使左右两边的杆系产生 不同的运动， 从而使左右车轮分别获得一个转角。 以汽车左转弯为例， 此时右轮为外轮，外轮一侧的杆系运动如图图 5 5 所示。设齿条向右移动 某一行程 S，通过右横拉杆推动右梯形臂，使之转角为 o。 取梯形右底角顶点 O 为坐标原点，X、Y 轴方向如图图 5 5 所示，则 可导出齿条行程 S 与外轮转角 0 的关系： S  L 1 cos i  L 2 -L 1 sin i h  2 2 KM 2 图图 5 5 外轮一侧杆系运动情况图图 6 6内轮一侧杆系运动情况 另外，由图 5 可知： 而  0    5  arctan 2h K M 2S L OE 1  L2 2 2L 1 *OE 1 2   arccos 2 1 2 2  K  M  OE 1    Sh2  2   K M  L Sh2 L2 22h 2  0  arctan arcsin 2K M 2S  K M  2L 1  Sh2  2