FSAE方程式赛车转向系统设计概述

[摘 要]本文以FSAE方程式赛车的转向系统为主题，介绍了宁远车队2015赛季转向系统数值初值确立，数据优化，三维建模，零件选材和加工工艺四个方面。

[关键词]转向系统，FSAE赛车，CATIA

中图分类号：U469.696 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0400-01

FSAE方程式赛车设计应遵循《汽车设计》所提出的要求，但其结构，性能，设计要点又区别于民用汽车的转向系统的，下面以宁远车队2015赛季赛车转向系统为例，从理论数据初值确立，数据优化，三维建模，零件选材和加工工艺四个方面，对FSAE方程式赛车转向系统的设计进行概述。

设计目标：①保证赛车在中高速过弯过程四轮最大限度的围绕同一回转中心运动，减少与地面的滑动摩擦，确保赛车行驶平顺性。②转向各零部件稳定牢靠，确保赛车行驶过程中不发生机械故障。③转向灵敏，操作轻便。④方便进行实车调校，改善赛车的操纵稳定性。

一、理论数据初值确立

此部分数据主要包括：转向梯形的选择与布置，最小转弯半径，角传动比，方向盘最大转角，内外轮最大转角，转向齿条总长（即断开点位置），齿条行程，齿条安装高度，齿条偏距，齿轮基本参数（模数，齿数），横拉杆长度，节臂长度与底角，万向节夹角。

（1）根据转向器在和转向梯形相对于前轴的位置不同，有四种布置方式：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；转向器位于前轴前放，前置梯形。其中梯形的前置与后置是根据节臂相对于前轴的位置提出的。

（2）最小转弯半径，角传动比，方向盘最大转角为经验选取值。根据襄阳赛道的特点，最小转弯半径一般为4--5m。宁远5号赛车设定最小转弯半径3.8m。角传动比一般为4：1--5：1，通常方向盘最大转角在100到135度之间，对于车手操作较为适宜。转角过小，会导致转向沉重，过大则会影响转向灵敏性，且较大转向角度下车手会出现交叉手现象，这是应当避免的。

（3）内外轮转角。根据理想阿克曼几何可算出理论最大内外轮转角。根据悬架参数可知轴距为1580mm，前轮距1230mm。

（4）转向梯形参数。

赛车基本都采用的断开式转向梯形结构，齿轮齿条为中间输入，两端输出结构。若知道齿条长度p，主销间距k，节臂长m，底角μ1μ2，横拉杆长n，齿条偏距e。则转向梯形可唯一确定。C、D点，即断开点，其位置可根据《汽车设计》中的三心定理初步确定。轮胎转角与齿条行程关系也可由几何关系确定。有宁远5号赛车得出的相关数据如下：齿条长421.6mm，节臂78.5mm，梯形底角85°，横拉杆杆长370mm，偏距74.3mm。需要指出的是，节臂越长，越有利于功能的实现，主要体现在后期的实体化后拉杆与节臂实体对转角的影响。

二、数据优化

结合ADAMS优化进行动态仿真，能得到更为理想的参数。主要可用以下几个方面进行。①稳态回转――整个稳态转的试验过程需要测量的有方向盘转角、汽车行驶轨迹、汽车前进速度、横摆角速度、侧向加速度、纵向加速度和车身侧倾角的时间历程曲线。②方向盘角阶跃――汽车受转向盘输入干扰引起的稳态横摆角速度增益，反应时间等。③蛇形仿真――汽车横摆角速度响应、转向盘转角、车身侧倾角、横摆加速度等指标进行评价。④双轮同向（反向）激振试验――外倾，前束，主销内倾角及横向偏移距，主销后倾角及后倾拖距，侧倾中心高度，转向角，悬架刚度，悬架侧倾角刚度，侧倾转向系数。

三、三维建模

此过程是将各参数实体化的过程，建模过程务必要结合车架，悬架模型，确保符合规则，与其他组件进行模型总装后不能发生静态干涉。并可在模型中模拟车轮动态过程，避免潜在干涉的可能性。主要是横拉杆，轮辋，叉臂，车架之间的干涉。零件的建模应本着耐用，精致，轻量化，便于加工，便于装配的原则，不断寻求更好的设计。

四、零件材料选择与加工工艺

（2）快拆器。这是赛车必不可少的装置，便于车手的快速拆卸方向盘，进出座舱。这一般为购买件，国内外都有很多优秀的产品可选。自行设计的快拆，在内外花键处可选用45钢材质，其他部分采用普通铝或优质铝。

（3）转向柱。转向柱分为两部分，一部分与快拆轴直接相连，因为两者须进行焊接，所以材料多为钢质空心轴，外径根据转向柱轴承设计，内径应在壁厚满足力学要求的情况下设计。另一部分连接万向节或齿轮轴，这一部分在满足抗扭刚度的下宜采用钢管或铝管，可减轻重量。

（4）万向节。万向节的选择至关重要。其质量的好坏直接决定了整个车的转向虚程。由于对精度要求较高，基本采用购买件。FSAE赛车多采用十字轴式万向节，根据连接部分不同可分为滑块连接和滚针轴承连接，从自由间隙上评价滚针轴承连接优于滑块连接，但其承受扭矩相对较小。万向节与转向柱的连接方式，切忌选用简单的过盈配合，可用螺纹与定销结合的方式。如有必要可在两者间加以焊接增强连接强度。

总结

FSAE方程式赛车的转向系统将直接影响赛车的操纵稳定性与平顺性以及安全性。所以从设计到实体的每个环节，都应牢牢守住三个原则：转向牢靠，转向灵敏，转向轻便。同时应着眼整车，与其系统协同配合，能够在实车过程方便调校，最大程度将整车性能发挥到极致。

参考文献

[1] 王望予.汽车设计4版吉林大学北京：机械工业出版社，2004.

[2] 余志生.汽车理论5版清华大学北京：机械工业出版社，2015.

[3] 吴晓健.齿轮齿条是转向器特性研究[学位论文].重庆：重庆理工大学，2009.

[4] 向铁明，周水庭，沈理真.赛车转向梯形建模及优化设计.机械设计，2014.

[5] 周东玉，FSAE赛车总布置、悬架布置及整车操稳性分析[学位论文].西安：长安大学，2013.

[6] 王润琪，周永军，尹鹏.汽车前轮定位及回正力矩和转向力矩的计算.湖南科技大学学报（自然科学版），2010.

[7] 廖小亮，孙泽海.基于ADAMS的FSAE赛车转向梯形机构的优化设计. 湖北汽车工业学院学报，2011.

[8] 初亮，彭彦宏，鲁和安，代淑云.双横臂独立悬架转向梯形断开点位置的优化及分析.汽车工程，1998.

[9] 胡国强，岳红旭. 汽车转向系统十字轴万向节传动优化设计.汽车工程师，2011.