“夢(mèng)想4.0號(hào)”賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)

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1、 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) “夢(mèng)想4.0號(hào)”賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20 年 月第 2 頁(yè) 共 67 頁(yè) “夢(mèng)想4.0號(hào)”賽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)摘要賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是大學(xué)生方程式賽車底盤(pán)設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，也是車輛底盤(pán)的四大系統(tǒng)之一，作為多彎賽道的競(jìng)速類比賽賽車，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能決定了車輛在賽道彎道中的車身姿態(tài)、過(guò)彎速度等諸多性能表現(xiàn)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)比賽規(guī)則要求及車隊(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)2017賽季中北大學(xué)行知車隊(duì)賽車“夢(mèng)想4.0號(hào)”賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合2016賽車車隊(duì)賽車轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程與方法，零件加工制造的材料與工藝，以及最后總裝的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新賽季的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和方法進(jìn)

2、行改進(jìn)和優(yōu)化。文中通過(guò)對(duì)賽車和傳統(tǒng)乗、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對(duì)比，根據(jù)規(guī)則與實(shí)際需求確定新賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與流程。對(duì)比不同類型的轉(zhuǎn)向機(jī)，選定賽車轉(zhuǎn)向機(jī)類型為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)；對(duì)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)與載荷進(jìn)行了計(jì)算與校核；討論了主銷定位參數(shù)與輪胎定位參數(shù)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的影響，并確定其具體參數(shù)；根據(jù)整車設(shè)計(jì)需求，確定轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案與梯形布置形式；相比較上賽季轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，引入輪胎側(cè)偏角對(duì)轉(zhuǎn)向的影響，建立帶有阿克曼校正系數(shù)的目標(biāo)關(guān)系，并利用MATLAB軟件進(jìn)行實(shí)際梯形的優(yōu)化；在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS/Car中建立模型，進(jìn)行車輪跳動(dòng)分析;利用CATIA進(jìn)行相關(guān)部件三維建模設(shè)計(jì)；利用ANSYS對(duì)零部件進(jìn)行

3、力學(xué)分析。關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式賽車，轉(zhuǎn)向梯形MATLAB優(yōu)化，轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)，輪芯立柱設(shè)計(jì)Design of the Dream 4.0 Racing Steering SystemOf North University Of ChinaAbstractThe car steering system is an important part of Formula Student chassis design, also it is one of the four systems of the car chassis, as a multi-curved track racing car,the p

4、erformance of the steering system determines the performance of the vehicle in the track corner of the body posture, cornering speed and many other performance. The graduation design is based on the rules of the competition and the design goals of the fleet. It is designed for the NUC Racing Team Dr

5、eam 4.0 racing steering system for the 2017 season tour.Combined with 2016 racing car racing steering design process and methods, parts processing materials and technology, as well as the final assembly experience, the new season of the car steering system design process and methods to improve and o

6、ptimize. In this paper, the design goals and processes of the new car steering system are determined according to the rules and the actual demand by comparing the car and the traditional and commercial vehicle steering system.The parameters and load of the steering system are calculated and checked.

7、 The main pin positioning parameters and the tire positioning parameters are discussed for the steering of the vehicle. The steering type of the steering gear is different from that of the steering wheel. And to determine the specific parameters; according to the vehicle design needs to determine th

8、e steering trapezoidal structure of the program and trapezoidal layout form; compared to last season steering system design, the introduction of tire deflection angle on the impact of the establishment of Ackermann correction coefficient And then use the software to carry out the actual trapezoidal

9、optimization. The model is established in the kinematic simulation software Adams / Car, and the wheel beating analysis is carried out. The three-dimensional modeling of the relevant parts is carried out by using CATIA. The mechanical analysis of the parts is carried out by ANSYS.Keywords:Formula St

10、udent,MATLAB optimization of steering trapezoid, Steering machine design,Wheel core column design目 錄1 緒論11.1 Formula SAE介紹11.1.1 比賽起源11.1.2 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽11.2 國(guó)內(nèi)、外大學(xué)生方程式汽車大賽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀31.3 歷年中北大學(xué)行知車隊(duì)及車隊(duì)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展41.3.1 2013賽季41.3.2 2014賽季41.3.3 2015賽季51.3.4 2016賽季61.4 本畢業(yè)設(shè)計(jì)各章內(nèi)容及意義62 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述82.1 賽車轉(zhuǎn)向

11、系統(tǒng)的構(gòu)成82.2 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘、商用車的差異82.3 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)92.4 本章小結(jié)103 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.1 轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)及選型113.1.1 轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)分類及優(yōu)缺點(diǎn)113.1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)方案選型123.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)133.2.1 外側(cè)車輪最大偏轉(zhuǎn)角度133.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比163.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比173.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)183.3.1 齒輪齒條參數(shù)及齒條行程183.3.2 轉(zhuǎn)向梯形梯形臂長(zhǎng)度203.3.3 轉(zhuǎn)向系相關(guān)計(jì)算載荷確定203.4 主銷定位參數(shù)及前輪輪胎定位參數(shù)的確定223.4.1 主銷定位參數(shù)223.4.

12、2 前輪輪胎定位參數(shù)233.4.3 參數(shù)的確定243.5 本章小結(jié)244 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化254.1 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案254.2 轉(zhuǎn)向梯形布置形式264.3 轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化274.3.1 標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)274.3.2 側(cè)偏角存在時(shí)的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系284.3.3 目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化324.4 轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化344.4.1 桿系結(jié)構(gòu)所確定的轉(zhuǎn)角關(guān)系344.4.2 根據(jù)三心定理確定轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)354.4.3 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)優(yōu)化結(jié)果364.5 本章小結(jié)405 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)動(dòng)力學(xué)分析415.1 ADAMS/Car介紹415.2 前懸及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模415.3 車輪輪跳分析425.3.1

13、 前輪外傾角變化425.3.2 前輪前束角變化435.3.3 前輪主銷內(nèi)傾角435.3.4 前輪主銷后傾角445.4 本章小結(jié)446 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)部件設(shè)計(jì)建模及分析456.1 CATIA簡(jiǎn)介456.2 ANSYS簡(jiǎn)介456.3 方向盤(pán)設(shè)計(jì)456.4 轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)與分析466.4.1 轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪設(shè)計(jì)與分析466.4.2 轉(zhuǎn)向機(jī)齒條設(shè)計(jì)與分析506.5 輪芯立柱設(shè)計(jì)與分析516.5.1 輪芯設(shè)計(jì)與分析526.5.2 立柱設(shè)計(jì)及分析556.6 本章小結(jié)597 2016賽季總結(jié)607.1 2016賽季總結(jié)607.2 本章小結(jié)628 總結(jié)與展望638.1 總結(jié)638.2 展望63參 考 文 獻(xiàn)65致 謝6

14、7IV1 緒論1.1 Formula SAE介紹1.1.1 比賽起源Formula SAE（簡(jiǎn)稱：FSAE）賽事起源于1978年美國(guó)波斯頓，第一次比賽舉辦時(shí)，13支隊(duì)伍中有11支隊(duì)伍完賽，當(dāng)時(shí)的比賽用車是一輛木制5馬力賽車。Formula SAE賽事意在挑戰(zhàn)在校本科生，研究生團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新、設(shè)計(jì)與制造小型方程式賽車的能力。在與來(lái)自世界各地的大學(xué)生車隊(duì)的較量中，大賽給了參賽人員與車隊(duì)證明和展示自己創(chuàng)造力與制造技術(shù)的機(jī)會(huì)。Formula SAE賽事歷經(jīng)逐年的發(fā)展與演變到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展都世界各地，成為了車輛、機(jī)械等相關(guān)專業(yè)在校大學(xué)生的一場(chǎng)技術(shù)與制造的狂歡盛典。第一屆中國(guó)大學(xué)生方程式大賽（簡(jiǎn)稱：FSC）于

15、2010年在中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、易車集團(tuán)和各大學(xué)汽車院校聯(lián)合發(fā)起舉辦。中國(guó)FSC大賽得到了社會(huì)各界多方的關(guān)注，各大國(guó)內(nèi)知名汽車企業(yè)基于對(duì)汽車后備人才的培養(yǎng)，紛紛踴躍贊助大賽開(kāi)展。各大企業(yè)不僅在在資金上贊助大賽，并在比賽中派出近百位汽車研發(fā)和實(shí)驗(yàn)的技術(shù)專家擔(dān)任賽事現(xiàn)場(chǎng)裁判，與各參賽隊(duì)進(jìn)行交流與指導(dǎo)。1.1.2 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽中國(guó)大學(xué)生方程式大賽旨在為中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)后備人才，各大學(xué)參賽隊(duì)被假設(shè)為一家汽車制造公司，隊(duì)員有在讀大學(xué)生與研究生組成，車隊(duì)被要求在一年的時(shí)間內(nèi)，嚴(yán)格遵守組委會(huì)所制定并頒布的最新比賽技術(shù)規(guī)則，自主完成設(shè)計(jì)、加工、組裝、測(cè)試。調(diào)教等任務(wù)，制造一臺(tái)用來(lái)參賽的賽車。為了使各

16、參賽車隊(duì)充分的發(fā)揮設(shè)計(jì)的靈活性，以表達(dá)創(chuàng)造力和想象力，賽事除了必要技術(shù)、安全標(biāo)準(zhǔn)外，對(duì)車輛的整體設(shè)計(jì)沒(méi)有太多的限制，避免了參賽車輛的高度相似，各參賽車隊(duì)有著充分的發(fā)揮空間。中國(guó)大學(xué)生方程式大賽一般安排在每年的十月中旬，在位于湖北襄陽(yáng)的夢(mèng)想方程式賽車場(chǎng)舉辦。比賽日比賽項(xiàng)目分為靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目?jī)纱蟛糠?，?xiàng)目具體內(nèi)容如表1.1所示1。除此之外，各參賽車隊(duì)需要按照組委會(huì)的規(guī)定，在相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)提交如：設(shè)計(jì)報(bào)告、商業(yè)邏輯方案、成本報(bào)告、前端緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、和賽車基本信息等相關(guān)文件，未安規(guī)定時(shí)間提交或未安要求提交的車隊(duì)會(huì)面臨罰分甚至取消比賽資格的處罰。表 1.1 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽項(xiàng)目?jī)?nèi)容及分值靜態(tài)

17、項(xiàng)目營(yíng)銷報(bào)告75賽車設(shè)計(jì)150成本與制造分析100動(dòng)態(tài)項(xiàng)目直線加速測(cè)試758 字繞環(huán)測(cè)試50高速避障測(cè)試150耐久測(cè)試300效率測(cè)試100總分1,000在比賽日，各車隊(duì)面臨的第一個(gè)考驗(yàn)是技術(shù)檢查。通過(guò)裁判的技術(shù)檢查是賽車駛上賽道參加動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的前提條件。技術(shù)檢查項(xiàng)目繁雜主要包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)檢查、側(cè)傾臺(tái)檢查、制動(dòng)測(cè)試、電氣檢查四大部分，以保證各車隊(duì)所制賽車是嚴(yán)格按照組委會(huì)規(guī)則制造，以保證比賽的公平性與車輛的安全性。（圖1.1為賽車車檢）圖 1.1 賽車車檢營(yíng)銷報(bào)告是要求車隊(duì)將自己假定為賽車制造公司，向投資方（即裁判）展示自己的賽車，并說(shuō)服投資方進(jìn)行投資。緣于比賽規(guī)則的開(kāi)放性和各個(gè)車隊(duì)的逐年比賽的技術(shù)

18、積累，各參賽車隊(duì)的賽車設(shè)計(jì)也各有亮點(diǎn)，所以在賽車設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)，各車隊(duì)參與答辯的隊(duì)員被要求充分向裁判展示賽車設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)與設(shè)計(jì)理念，以及應(yīng)用的新技術(shù)與材料，運(yùn)用了哪些軟件分析來(lái)輔助賽車設(shè)計(jì)，并且對(duì)裁判所針對(duì)的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行解答。成本與制造分析需要參賽隊(duì)按照標(biāo)準(zhǔn)化的成本計(jì)算方式，對(duì)照組委會(huì)所發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)零件價(jià)格表來(lái)核算賽車的制造成本，要求不遺漏任何一個(gè)微小部件，不丟掉任何一道工序，做到詳實(shí)精準(zhǔn)，并在答辯時(shí)按照裁判所給出的“案例分析”場(chǎng)景，回答相關(guān)問(wèn)題。動(dòng)態(tài)項(xiàng)目是大賽的重頭戲，也是賽車性能的舞臺(tái)。直線加速考驗(yàn)了車輛的動(dòng)力性、輕量化及輪胎型號(hào)的選擇；8字繞環(huán)檢測(cè)了賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、以及車手的能力；高

19、速避障綜合評(píng)價(jià)了賽車的機(jī)動(dòng)性和操縱性，綜合了加速、制動(dòng)、高速過(guò)彎等多種工況，只有通過(guò)了高速避障項(xiàng)目才能參加耐久測(cè)試；耐久測(cè)試是對(duì)車輛及整個(gè)車隊(duì)的考驗(yàn)，約10公里的長(zhǎng)賽程需兩名車手完成，比賽工況復(fù)雜，對(duì)車輛耐久性、可靠性、車手技術(shù)及車隊(duì)的團(tuán)隊(duì)都是一次考驗(yàn)，諸多車隊(duì)在此項(xiàng)目中失利，以至于無(wú)法完賽；效率測(cè)試反映了賽車的節(jié)油能力，與耐久賽同步進(jìn)行。大學(xué)生方程式大賽所涉及的關(guān)乎車輛設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、調(diào)教、銷售等整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的方方面面，是一次對(duì)學(xué)生能力的綜合比拼。隨著比賽的發(fā)展，比賽規(guī)模的擴(kuò)大，越老越多非車輛、機(jī)械相關(guān)專業(yè)的學(xué)生加入，在使賽事蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也為他們創(chuàng)造了一個(gè)巨大的學(xué)以致用的平臺(tái)，為社會(huì)

20、各行各業(yè)培養(yǎng)了大量?jī)?yōu)秀的人才。1.2 國(guó)內(nèi)、外大學(xué)生方程式汽車大賽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究開(kāi)始較早,1995年,美國(guó)人Douglas L.Milliken編寫(xiě)的賽車車輛動(dòng)力學(xué)2著重分析了輪胎在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的作用。日本作家雞田幸夫2012年編著汽車設(shè)計(jì)制造指南3,以日本大學(xué)生方程式大賽參賽車輛為例,對(duì)賽車的設(shè)計(jì)制造流程進(jìn)行了指導(dǎo)，并提出了對(duì)車輛性能的諸多檢驗(yàn)方法，被日本各車隊(duì)廣為參考，并對(duì)中國(guó)各大學(xué)車隊(duì)賽車設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究則是最近幾年隨著比賽才興起，也逐漸的形成了自己的理論及設(shè)計(jì)體系，例如，北京航空航天大學(xué)于2016年編寫(xiě)并發(fā)售的大學(xué)生方

21、程式賽車設(shè)計(jì)4就是國(guó)內(nèi)第一本基于中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽賽車的整體技術(shù)開(kāi)發(fā)及流程的指導(dǎo)性書(shū)籍，以中國(guó)賽的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)賽車各方面的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行了講解與指導(dǎo)。1.3 歷年中北大學(xué)行知車隊(duì)及車隊(duì)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展1.3.1 2013賽季2013年，中北大學(xué)行知車隊(duì)仍在參加Honda中國(guó)節(jié)能車競(jìng)技大賽，但已有意向參加中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽，并整合資源與人員試制了山西省高校第一輛大學(xué)生方程式賽車，如圖（1.2）。圖 1.2 行知車隊(duì)試制樣車1.3.2 2014賽季經(jīng)過(guò)隊(duì)員一年的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、加工、組裝、調(diào)試，夢(mèng)想“1.0”終赴襄陽(yáng)夢(mèng)想賽車場(chǎng)參加2014年中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（圖1.3）。并在成本報(bào)

22、告中取得了第四名的成績(jī)。作為第一次參賽的隊(duì)伍，雖然沒(méi)有完賽，但是在賽場(chǎng)和其他車隊(duì)的交流過(guò)程中，學(xué)到了很多先進(jìn)的，設(shè)計(jì)、制造、加工經(jīng)驗(yàn)，為下個(gè)賽季的賽車設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。圖 1.3 行知車隊(duì)夢(mèng)想“1.0”賽車1.3.3 2015賽季有了上一賽季的設(shè)計(jì)、制造、參賽經(jīng)驗(yàn)，夢(mèng)想“2.0”作為第二代方程式賽車（圖1.4），采用重新標(biāo)定的JH600發(fā)動(dòng)機(jī)，雙叉臂獨(dú)立懸架、氣動(dòng)換擋技術(shù)，并通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，較往年整體減重68kg，成本報(bào)告取得了第五名的成績(jī)。這一賽季的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了是成品轉(zhuǎn)向機(jī)，雖然進(jìn)行了改裝但還是與設(shè)計(jì)有很大偏差，而且在裝配過(guò)程中，裝配方式的不合理，使得轉(zhuǎn)向軸不同軸，從而在使用過(guò)程中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向

23、過(guò)重，轉(zhuǎn)向梯形在使用中出現(xiàn)死點(diǎn)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂與立柱螺栓連接防松處理不合理導(dǎo)致節(jié)臂松脫等影響正常操縱的嚴(yán)重問(wèn)題。圖 1.4 行知車隊(duì)夢(mèng)想“2.0”賽車1.3.4 2016賽季夢(mèng)想“3.0”（圖1.5）仍采用JH600單缸發(fā)動(dòng)機(jī)作為賽車動(dòng)力系統(tǒng)，車隊(duì)第一次使用全替代ECU（Haltech）等大賽主流技術(shù)，在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試過(guò)程中仔細(xì)論證、實(shí)驗(yàn)，首次在襄陽(yáng)夢(mèng)想賽車場(chǎng)完賽，是車隊(duì)發(fā)展歷程中重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。本次賽車第一次使用了自制的轉(zhuǎn)向機(jī)，雖與強(qiáng)隊(duì)還有一定的技術(shù)差距，但效果明顯，自制轉(zhuǎn)向機(jī)的可靠性得到了實(shí)戰(zhàn)的檢驗(yàn)。轉(zhuǎn)向過(guò)重、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)死點(diǎn)、節(jié)臂松脫問(wèn)題得到了解決，但也暴露了輕量化設(shè)計(jì)不到位、轉(zhuǎn)向機(jī)固定方式不合理

24、、轉(zhuǎn)向空行程過(guò)大、雙聯(lián)萬(wàn)向節(jié)傾覆、夾具不合理導(dǎo)致焊接變形等問(wèn)題。圖 1.5 行知車隊(duì)夢(mèng)想“3.0”賽車1.4 本畢業(yè)設(shè)計(jì)各章內(nèi)容及意義本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題基于中北大學(xué)行知車隊(duì)2017賽季賽車“夢(mèng)想4.0”，完成對(duì)新賽季賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件進(jìn)行優(yōu)化，拉近與國(guó)內(nèi)強(qiáng)隊(duì)之間的技術(shù)及設(shè)計(jì)理念的差距。具體內(nèi)容如下：第1章 介紹了中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的具體情況，闡述了國(guó)內(nèi)、外賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀，展示了中北大學(xué)行知車隊(duì)從參賽以來(lái)，車隊(duì)及賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展，并闡述了本課題背景。第2章 介紹了大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成，對(duì)比了賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的差異，并制定了新賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)

25、計(jì)目標(biāo)。第3章 確定了本設(shè)計(jì)所用轉(zhuǎn)向機(jī)類型；通過(guò)對(duì)賽道的分析對(duì)確定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)；通過(guò)計(jì)算得到了齒條行程、梯形臂長(zhǎng)度的初選值，并進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系載荷初步校核；討論了主銷定位參數(shù)和前輪輪胎定位參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，并確定了具體數(shù)值。第4章 確定轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案；確定轉(zhuǎn)向梯形的布置形式；建立考慮輪胎側(cè)偏角時(shí)的內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系；引入阿克曼校正系數(shù)，并利用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化獲得還有阿克曼校正系數(shù)的目標(biāo)關(guān)系；建立桿系結(jié)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)角關(guān)系；利用三心定理確定斷開(kāi)點(diǎn)；通過(guò)MATLAB編程進(jìn)行梯形參數(shù)優(yōu)化，對(duì)梯形相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定。第5章 使用ADAMS/Car并進(jìn)行前懸的動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，分析主銷及前輪定位

26、參數(shù)的變化，判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各參數(shù)是否設(shè)置合理。第6章 利用CATIA進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)部件建模，如方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪齒條、轉(zhuǎn)向機(jī)殼體、輪芯立柱等，并利用ANSYS對(duì)關(guān)鍵受載荷部件進(jìn)行力學(xué)分析，在保證可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。第7章 對(duì)2016賽季進(jìn)行總結(jié)。第8章 對(duì)本文進(jìn)行了全面總結(jié)，提出了本設(shè)計(jì)未來(lái)的改進(jìn)方向。本課題意義：以中北大學(xué)行知車隊(duì)“夢(mèng)想4.0”為研究對(duì)象，在基于往年賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性。并為以后的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，其次使新入隊(duì)隊(duì)員盡快能對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及流程有較為全面的認(rèn)知。第 79 頁(yè) 共 67 頁(yè)2

27、 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤(pán)構(gòu)造四大系統(tǒng)之一，是汽車底盤(pán)構(gòu)造中不可或缺的一部分。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能夠按駕駛員的意志改變或恢復(fù)行使方向。5駕駛員對(duì)車輛的控制絕大部分是通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，車輛的性能表現(xiàn)受到其性能的直接影響。本章著重介紹大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成和其與乘用車、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不同，并根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。2.1 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用，通俗的說(shuō)就是使轉(zhuǎn)向輪在駕駛員的控制下偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)是車輛改變現(xiàn)有的行使方向。如圖2.1所示，大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從駕駛艙起一般有以下部分組成：方向盤(pán)、方向

28、盤(pán)快拆器、轉(zhuǎn)向柱、萬(wàn)向節(jié)（或其他變向連軸裝置）、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向梯形臂等，此外還包含轉(zhuǎn)向柱吊裝支架架、轉(zhuǎn)向軸固定支架、轉(zhuǎn)向機(jī)安裝底板等周邊固定部件。其中，駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)及方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱、萬(wàn)向節(jié)（或其他變向連軸裝置）、轉(zhuǎn)向軸將操縱力（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，通過(guò)推動(dòng)或拉動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿作用于固定于立柱上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，從而使轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 2.1 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2 賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘、商用車的差異賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)方面和乗、商用車類似。但由于賽車的結(jié)構(gòu)、行使條件、使用工況、規(guī)則限制等方面與乗、商用

29、車有較大的區(qū)別，兩相比較有以下幾點(diǎn)不同：（1） 轉(zhuǎn)向機(jī)布置形式。大學(xué)生方程式賽車定位是小型單人單座賽車，轉(zhuǎn)向機(jī)需布置在整車中心線上，轉(zhuǎn)向機(jī)直線運(yùn)動(dòng)需對(duì)稱輸出；根據(jù)我國(guó)的相關(guān)規(guī)定，乗、商用車都為左舵車，固轉(zhuǎn)向機(jī)布置在整車中心線以左，轉(zhuǎn)向機(jī)直線運(yùn)動(dòng)的輸出也是不對(duì)稱的。（2） 角傳動(dòng)比。大學(xué)生方程式汽車大賽賽道彎道多，彎道角度多變，車輛需在較高車速下快速進(jìn)出彎道以及在出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過(guò)度和轉(zhuǎn)向不足時(shí)快速修正車輛方向，需保證車手在不換手的情況下達(dá)到轉(zhuǎn)向輪的最大偏角，這使得賽車的方向盤(pán)單側(cè)轉(zhuǎn)角要小于一般乘用車的540，更是遠(yuǎn)小于商用車，賽車方向盤(pán)一般最大單側(cè)轉(zhuǎn)角小于150。同時(shí)也使得一般賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比在

30、81以下，小于乘用車的121到201，更小于商用車的161到321。（3） 轉(zhuǎn)向助力裝置。乗、商用車為了使駕駛員操縱輕便，尤其是為了降低商用車駕駛員的工作強(qiáng)度，通常都加裝轉(zhuǎn)向助力裝置。但出于對(duì)方程式賽車輕量化、內(nèi)部布置空間、整備質(zhì)量都在200kg左右以及助力裝置設(shè)計(jì)難度等方面的考慮，通常不安裝轉(zhuǎn)向助力裝置。（4） 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自由行程。方程式賽車所參與的比賽屬于競(jìng)技競(jìng)速項(xiàng)目，對(duì)轉(zhuǎn)向的精準(zhǔn)度有較高的要求，根據(jù)比賽規(guī)則，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過(guò) 7 （在方向盤(pán)上測(cè)量）1。乘用車為了使駕駛員在操作時(shí)留有容錯(cuò)的余地以及避免在操作時(shí)精神的高度緊張，所以自由行程一般在15左右，商用車輛則更大。2.3 賽車轉(zhuǎn)

31、向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)中國(guó)大賽規(guī)則及以往參賽經(jīng)驗(yàn)，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求如下：（1）方向盤(pán)必須與前輪機(jī)械連接。不得采用線控、電控轉(zhuǎn)向。（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須安裝有效限位塊，防止轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)，并防止轉(zhuǎn)向輪及轉(zhuǎn)向桿件在行使過(guò)程中與車輛其他部分如：車架、懸架等發(fā)生接觸、干涉。（3）在方向盤(pán)上測(cè)得的自由行程不得超過(guò)7。（4）方向盤(pán)必須通過(guò)快拆器安裝在轉(zhuǎn)向柱上，必須保證車手在坐姿、佩戴手套時(shí)快速操作快拆器。（5）方向盤(pán)輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或橢圓。（6）方向盤(pán)在任何角度，其最高點(diǎn)不得高于賽車前環(huán)，與前環(huán)的距離不得超過(guò)250mm。（7）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的連接件必須通過(guò)機(jī)械連接，并采用規(guī)則允許的防松措施

32、。（8）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需在滿足賽車使用需求，保證可靠性的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。2.4 本章小結(jié)本章介紹了大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成，對(duì)比了賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的差異，并根據(jù)組委會(huì)規(guī)則和過(guò)往經(jīng)驗(yàn)制定了新賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。3 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)及選型3.1.1 轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)分類及優(yōu)缺點(diǎn)如前文所述，根據(jù)大賽組委會(huì)發(fā)布的大賽規(guī)則，大學(xué)生方程式賽車不允許使用線控及電動(dòng)轉(zhuǎn)向，車內(nèi)布置空間有限不適合使用轉(zhuǎn)向助力裝置，有輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，有較為嚴(yán)格的成本控制，所以賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向機(jī)只能選擇傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)。常見(jiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)根據(jù)傳動(dòng)副的區(qū)別分為以下幾類5：（1） 齒輪齒條

33、式轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)（圖3.1）中通過(guò)齒輪齒條的壓緊嚙合，將轉(zhuǎn)向齒輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向齒條的直線運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單動(dòng)作可靠，體積小，易于設(shè)計(jì)，加工簡(jiǎn)單；材料選擇多樣，易于通過(guò)材料選擇實(shí)現(xiàn)輕量化；齒輪齒條傳動(dòng)效率高；調(diào)隙方式簡(jiǎn)單可靠。缺點(diǎn)：逆效率高。在車輛顛簸時(shí)，傳遞到方向盤(pán)的沖擊較大。圖 3.1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意（2） 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)（圖3.2）是目前國(guó)內(nèi)外中大型汽車上較為流行的轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)螺桿-螺母、齒條-齒扇兩級(jí)傳動(dòng)副，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向螺母軸向移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒扇轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：安全性、可靠性好；傳動(dòng)效率較高；通過(guò)改變齒扇的工作半徑可以實(shí)現(xiàn)可變傳動(dòng)比。缺點(diǎn)：逆

34、效率較高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高不利于設(shè)計(jì)及加工。圖 3.2 循環(huán)球轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意（3） 螺桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向機(jī)螺桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向機(jī)（圖3.3），轉(zhuǎn)向蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，與之嚙合的指銷其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；效率高；壽命長(zhǎng)；易于實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比。缺點(diǎn)：?jiǎn)沃镐N式在指銷角度過(guò)大時(shí)，指銷與蝸桿脫離，失去轉(zhuǎn)向功能；雙指銷式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量與尺寸較大，制造精度要求高。圖 3.3 螺桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意3.1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)方案選型根據(jù)規(guī)則及需求，賽車轉(zhuǎn)向機(jī)需滿足以下條件：（1） 鼓勵(lì)自制。組委會(huì)對(duì)各車隊(duì)賽車的所有部件都鼓勵(lì)自制，自制轉(zhuǎn)向機(jī)需便于設(shè)計(jì)，加工方便。（2） 輕量化。作為賽車的一部分，轉(zhuǎn)向機(jī)也需要實(shí)現(xiàn)

35、輕量化設(shè)計(jì)，使用鋁合金材質(zhì)，甚至碳纖維，來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。（3） 成本要求。車隊(duì)在設(shè)計(jì)制作賽車時(shí)需要控制成本，在保證設(shè)計(jì)需求的前提下，選擇成本較為低廉的方案。（4） 駕駛艙空間。規(guī)則要求如圖3.4的檢測(cè)板放入駕駛艙來(lái)檢測(cè)內(nèi)部空間尺寸，這就要求布置在駕駛艙中的轉(zhuǎn)向機(jī)不能侵占過(guò)多駕駛艙空間。圖 3.4 駕駛艙內(nèi)部空間檢測(cè)板綜上考慮，對(duì)照各類轉(zhuǎn)向機(jī)特點(diǎn)及賽車設(shè)計(jì)需求，選擇結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)加工的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)。齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)體積小，可以通過(guò)使用鋁合金或碳纖維等材質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，雖然逆效率高，駕駛舒適性差，但是車手經(jīng)過(guò)訓(xùn)練可以適應(yīng)其較大的反饋力度。3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1 外側(cè)車輪

36、最大偏轉(zhuǎn)角度目前，中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的舉辦地為襄陽(yáng)市政府投入專項(xiàng)資金建立的襄陽(yáng)夢(mèng)想方程式賽道。賽道特為大學(xué)生方程式汽車大賽建設(shè)，為了提高比賽安全性，限制比賽中賽車的行使速度，考驗(yàn)賽車操縱穩(wěn)定性及提高比賽觀賞性，賽道設(shè)立了較多彎道，其中發(fā)夾彎彎道最小外徑為9米，直線道路上用交通錐標(biāo)擺出的蛇形彎道最小距離為9米，且彎道最小寬度為4.5米，這需要賽車有足夠小的轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)通過(guò)彎道。結(jié)合過(guò)往的參賽經(jīng)驗(yàn)及賽道的情況，考慮到在比賽中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向不足的狀況，所以擬定賽車的最小轉(zhuǎn)向半徑為4.0米。圖3.5為襄陽(yáng)夢(mèng)想方程式賽場(chǎng)大學(xué)生方程式賽道圖。圖 3.5 襄陽(yáng)夢(mèng)想方程式賽場(chǎng)大學(xué)生方程式賽道圖最小轉(zhuǎn)向半徑

37、是指賽車在方向盤(pán)滿舵，即轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度最大，進(jìn)行極低速轉(zhuǎn)向時(shí)，前輪外側(cè)的接地中心所描繪的軌跡的半徑為最小轉(zhuǎn)向半徑3。車身的最外側(cè)軌跡半徑軌跡稱為實(shí)際外側(cè)最小轉(zhuǎn)向半徑，最內(nèi)側(cè)軌跡半徑稱為實(shí)際內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向半徑。如圖3.6所示。圖 3.6 最小轉(zhuǎn)向半徑的定義在以極低速轉(zhuǎn)向時(shí)，在阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)中為了使各個(gè)輪胎與地面為純滾動(dòng)，轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角要大于外側(cè)車輪。圖3.7為阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)圖 3.7 阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)兩轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角用公式來(lái)表示（3.1）式中，為前輪外側(cè)轉(zhuǎn)向角，；為前輪內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向角，；為軸距，；為輪距，。由于車輛在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮各方面的因素，使得車輛在實(shí)際行駛是不完全按照阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)，如

38、圖3.8，左右輪轉(zhuǎn)向中心不再是圖3.7中所示的點(diǎn)。圖 3.8 最小轉(zhuǎn)向半徑計(jì)算因此，最小轉(zhuǎn)向半徑可用內(nèi)、外輪的平均值來(lái)計(jì)算，如下式（3.2）對(duì)于大學(xué)生方程賽車，以較高車速轉(zhuǎn)向時(shí)由于軸荷轉(zhuǎn)移等原因外側(cè)車輪對(duì)最小轉(zhuǎn)向半徑影響遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，所以在考慮主銷偏置距的情況下可得下式（3.3）式中，為主銷偏置距，。由上式可得外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度（3.4）根據(jù)賽車參數(shù)，軸距1545，最小轉(zhuǎn)向半徑3500，主銷偏置距22，代入上式可得（3.5）取，確定賽車外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)向角度為263.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比在汽車設(shè)計(jì)6中，規(guī)定汽車的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比的值為方向盤(pán)角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度之比。即（3.6）式中，為方向

39、盤(pán)角增量，為轉(zhuǎn)向輪角增量，為時(shí)間增量；下文等同。角傳動(dòng)比對(duì)車輛的操縱性有較大的影響。乗、商用車在以較高車速行駛時(shí)，較小的轉(zhuǎn)向比可使車輛在緊急并線等特殊行駛情況下有足夠的轉(zhuǎn)向靈敏度，而較大的轉(zhuǎn)向比則可降低車輛轉(zhuǎn)向的靈敏度，在長(zhǎng)途駕駛時(shí)避免駕駛員精力過(guò)于集中而造成疲勞，因此現(xiàn)代乗、商用汽車都普遍采用助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)均衡這對(duì)矛盾。對(duì)于大學(xué)生方程式賽車，由于布置空間、設(shè)計(jì)、制作和成本的限制，比賽時(shí)賽道彎多且車速較快，車輛需快速修正車輛方向，留給車手的反應(yīng)和操作時(shí)間短，需使車手在雙手不離開(kāi)方向盤(pán)的情況下完成一系列操作。這使得賽車的方向盤(pán)單側(cè)最大轉(zhuǎn)角要小于150，而不可以如同乘用車采用5

40、40以及更大的方向盤(pán)單側(cè)轉(zhuǎn)角。這也使得賽車的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比在81以下，而不能像乗用車一般采用121到201的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比。由于較小轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比造成的方向盤(pán)手力較大的情況，可以通過(guò)加強(qiáng)對(duì)車手的體能及駕駛技術(shù)來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。綜合上文討論及上個(gè)賽季31的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)和車手的實(shí)際駕駛反饋，本文設(shè)計(jì)的2017賽季賽車轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比確定為41。即外側(cè)車輪到達(dá)設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)角26時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為104，車手不需要換手就可以完成車輛的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，較上個(gè)賽季的設(shè)計(jì)還減小了一定的轉(zhuǎn)向手力。 3.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比計(jì)算公式為（3.7）式中，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳功比；為轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向軸線上的轉(zhuǎn)矩；為

41、車手對(duì)方向盤(pán)施加的轉(zhuǎn)矩。由于、這兩對(duì)轉(zhuǎn)矩在現(xiàn)實(shí)中不易測(cè)得，所以轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比一般由下式計(jì)算而得（3.8）式中，為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向機(jī)傳動(dòng)效率；為轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率。由前文可知，本次設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比為41，轉(zhuǎn)向機(jī)為出輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)，傳動(dòng)副為齒輪齒條，傳動(dòng)效率較高在94%到98%之間，考慮加工精度及齒輪齒條運(yùn)動(dòng)時(shí)與調(diào)隙機(jī)構(gòu)等部件的摩擦損耗，取值94%，轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿系組成，考慮萬(wàn)向節(jié)因兩軸夾角造成的效率損失，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向機(jī)的壓力角接近180，梯形底角介于100到120之間，取轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率為85%，代入式3.8計(jì)算得轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比為（3.9）3.3 轉(zhuǎn)向

42、系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)3.3.1 齒輪齒條參數(shù)及齒條行程乗、商用車采用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)，多數(shù)使用斜齒圓柱齒輪，來(lái)提高齒輪齒條的嚙合程度，來(lái)使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，但由于斜齒齒輪齒條在傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生使齒條旋轉(zhuǎn)的軸向力，為防止因齒條旋轉(zhuǎn)使齒輪齒條無(wú)法正確嚙合從而對(duì)齒輪齒條造成損壞的情況，乗、商用車轉(zhuǎn)向機(jī)齒條一般采用V形和Y形斷面設(shè)計(jì)，并在轉(zhuǎn)向機(jī)殼體上設(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)向槽，如圖3.9和圖3.10。圖 3.9 V形斷面齒條及導(dǎo)向槽圖 3.10 Y形斷面齒條及導(dǎo)向槽對(duì)于大學(xué)生方程式賽車，如果采用如同乗、商用車的這種V形Y形斷面斜齒條，并在轉(zhuǎn)向機(jī)殼體上設(shè)計(jì)加工導(dǎo)向槽，會(huì)使制作加工難度和成本急劇上升，并且不利于轉(zhuǎn)向機(jī)部件的輕

43、量化。為了避免這些問(wèn)題，賽車轉(zhuǎn)向機(jī)一般采用半圓斷面的直齒齒輪齒條。傳統(tǒng)乘用車齒輪模數(shù)取多在2到3之間6，重載商用車則更大，而大學(xué)生方程式賽車總質(zhì)量一般都在250kg以下，所以可采用較小的齒輪模數(shù)。根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，取齒輪模數(shù)1.5，齒數(shù)選擇20，壓力角選擇20，齒輪螺旋角選擇0即直齒輪。忽略萬(wàn)向節(jié)所造成的不等速現(xiàn)象，這時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是齒輪所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，即前文中方向盤(pán)單側(cè)最大轉(zhuǎn)角104。當(dāng)齒輪齒條正常嚙合時(shí)，單側(cè)齒條行程即為齒輪單側(cè)最大轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)，根據(jù)下式可計(jì)算單側(cè)齒條行程（3.10）式中，為單側(cè)齒條行程，；為方向盤(pán)單側(cè)最大轉(zhuǎn)角，；為直齒輪模數(shù)，；為直齒輪齒數(shù)；下文等同。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得（3.1

44、1）為使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在后期有一定的調(diào)整余量，取齒條單側(cè)設(shè)計(jì)行程為30，則此時(shí)初選的齒條的設(shè)計(jì)總行程為60。正確合理的設(shè)計(jì)齒條行程保證轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比至關(guān)重要的一環(huán)。3.3.2 轉(zhuǎn)向梯形梯形臂長(zhǎng)度當(dāng)方向盤(pán)達(dá)到最大角度104時(shí)，齒條也達(dá)到了最大單側(cè)行程位置，這時(shí)外側(cè)轉(zhuǎn)向車輪應(yīng)該處于轉(zhuǎn)角最大位置，即26。在不考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中其他桿件之間壓力角的情況下，可根據(jù)下式，利用單側(cè)齒條最大行程和外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角來(lái)粗略計(jì)算梯形臂長(zhǎng)度（3.12）式中，為梯形臂長(zhǎng)度，；下同。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得梯形節(jié)臂長(zhǎng)度的初選值為68。3.3.3 轉(zhuǎn)向系相關(guān)計(jì)算載荷確定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各個(gè)零件需要有足夠的強(qiáng)度來(lái)保證車輛的行駛安全。要來(lái)驗(yàn)證零件

45、的強(qiáng)度，首先得知道零件需要承受的力。影響這個(gè)力的因素有很多，例如：轉(zhuǎn)向軸的載荷、胎壓、輪胎種類、行駛路面條件等等。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪時(shí)，還需要克服轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)間的摩擦阻力、由輪胎變形帶來(lái)的阻力、轉(zhuǎn)向輪由于主銷傾角的存在而造成繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力等等。（1）原地轉(zhuǎn)向阻力矩由于受到的影響條件過(guò)多，以及各種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)細(xì)微結(jié)構(gòu)的差別，無(wú)法建立準(zhǔn)確的理論及數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行精確的計(jì)算，只能通過(guò)用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩6。通常，原地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪時(shí)，需要的力最大，因此可以用此時(shí)相關(guān)的計(jì)算數(shù)值用來(lái)作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的校核標(biāo)準(zhǔn)。原地轉(zhuǎn)向阻力矩半經(jīng)驗(yàn)公式如下（3.13）式中，為原地轉(zhuǎn)向阻力矩，；

46、為輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸載荷，；為轉(zhuǎn)向輪胎壓，。（2）方向盤(pán)上的最大手力方向盤(pán)上的手力是在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，車手需要在方向盤(pán)上所施加的力，最直觀的反應(yīng)了轉(zhuǎn)向的便利性，過(guò)大會(huì)極大的消耗車手體能，不利于長(zhǎng)時(shí)間駕駛。方向盤(pán)手力計(jì)算公式如下（3.14）式中，為方向盤(pán)上的手力，；為轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)，；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)，；為方向盤(pán)直徑，；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正效率；下同。由于在本設(shè)計(jì)中，賽車轉(zhuǎn)向系沒(méi)有轉(zhuǎn)向搖臂，所以使用以下簡(jiǎn)化公式來(lái)計(jì)算方向盤(pán)上的手力（3.15）（3） 轉(zhuǎn)向機(jī)最大輸出力轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力是指經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)傳動(dòng)后，將車手通過(guò)方向盤(pán)輸入的轉(zhuǎn)矩以直線運(yùn)動(dòng)輸出時(shí)，齒條作用在轉(zhuǎn)向橫

47、拉桿上的力。當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力最大時(shí)，對(duì)主銷所產(chǎn)生的力矩需大于原地轉(zhuǎn)向阻力矩轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力的計(jì)算公式如下（3.16）式中，為轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力，；為轉(zhuǎn)向機(jī)中齒輪分度圓直徑，。根據(jù)設(shè)計(jì)之初所規(guī)定的整車基本參數(shù)可知：賽車整備質(zhì)量210kg；車手最大體重70kg；前后軸軸荷比4555；前輪輪胎氣壓0.14；方向盤(pán)直徑270；梯形臂長(zhǎng)度68。由此可計(jì)算得原地轉(zhuǎn)向力矩（3.17）方向盤(pán)上的最大手力（3.18）在GB 17675-1999中規(guī)定：不帶助力時(shí)轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于2457。由此可知，設(shè)計(jì)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)向機(jī)最大輸出力（3.19）通過(guò)以下公式可以計(jì)算轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力作用在主銷上的力矩（3.20）式中，為主銷內(nèi)傾角，取值

48、4代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力作用在主銷上的力矩（3.21）可知在轉(zhuǎn)向機(jī)最大輸出力作用下，車輛可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。3.4 主銷定位參數(shù)及前輪輪胎定位參數(shù)的確定車輛的前輪定位參數(shù)包括兩大部分：主銷定位參數(shù)和前輪輪胎定位參數(shù)。主銷定位參數(shù)又可細(xì)分為主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角，前輪輪胎定位參數(shù)又可細(xì)分為前輪前束和前輪外傾角。3.4.1 主銷定位參數(shù)在整體式轉(zhuǎn)向橋上，主銷就是轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)體軸，但在獨(dú)立懸架出現(xiàn)后，主銷不在單只車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的實(shí)體軸，其定義拓展到了由上下兩個(gè)轉(zhuǎn)向球鉸中心連線定義的轉(zhuǎn)向軸線，所以稱其為主銷軸線。圖3.11為主銷定位參數(shù)示意圖。圖 3.11 主銷定位參數(shù)示意圖隨著汽車技術(shù)的

49、進(jìn)步，在現(xiàn)代汽車中主銷軸線也不在與地面垂直，在圖中所示的輪胎側(cè)視圖中，主銷軸線與地面垂線之間的夾角稱為主銷傾角，圖中所示主銷傾角為正值；主銷軸線與地面的交點(diǎn)與通過(guò)車輪中心地面垂線之間的距離稱為主銷后傾拖距。在圖中所示的輪胎前視圖中，主銷軸線與地面出現(xiàn)之間的夾角稱為主銷內(nèi)傾角，圖中所示主銷內(nèi)傾角為正值；主銷軸線與地面的交點(diǎn)與通過(guò)車輪中心地面垂線之間的距離稱為主銷偏置量，圖中所示主銷偏置量為負(fù)值；主銷軸線與輪胎中心的垂直距離稱為主銷偏距，圖中所示主銷偏距為正值。主銷后傾角的存在使得汽車在行駛中，會(huì)因輪胎的偏轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生一定的回正力矩，使得輪胎回正，提高了汽車在直線行駛中的穩(wěn)定性。而在原地和極低速轉(zhuǎn)向

50、時(shí)，主銷內(nèi)傾角會(huì)導(dǎo)致車輛前部有小幅度抬起，從而通過(guò)重力作用產(chǎn)生回正力矩，使轉(zhuǎn)向操縱輕便。3.4.2 前輪輪胎定位參數(shù)目前市面上的在售車輛中，前輪輪胎平面在安裝時(shí)也非垂直于地面，而是存在一定的傾角。圖3.12為前輪輪胎定位參數(shù)示意圖。圖 3.12 前輪輪胎定位參數(shù)示意圖在前視圖中，輪胎中心線與地面垂線之間的夾角稱為前輪外傾角，圖中所示的前輪外傾角為正值；在俯視圖中，輪胎中心線與車輛的縱向中軸線之間的夾角為前輪前束角，圖中所示的前輪前束角為正值。前輪外傾角的作用是使轉(zhuǎn)向輕便，在載重時(shí)，可減少輪芯立柱中外軸承的磨損與輪轂螺栓的負(fù)載，更利于行駛安全。在競(jìng)速車輛上如大學(xué)生方程式賽車，如果車輛在靜止時(shí)前輪

51、是垂直于地面的，在高速過(guò)彎時(shí)，由于載荷轉(zhuǎn)移會(huì)使車輛傾斜從而使車輪向彎外傾斜，是輪胎無(wú)法更好的貼合路面來(lái)獲得轉(zhuǎn)向所需的側(cè)偏力。所以在各車隊(duì)賽車都普遍采用負(fù)值的前輪前束角，以提高車輛轉(zhuǎn)向靈敏性。由于前輪外傾角的存在，車輛在直線行駛時(shí)以負(fù)值前輪外傾角為例，輪胎靠近車體的一側(cè)所受的載荷要大于另外一側(cè)，從而使得輪胎磨損不均勻極大的減小了輪胎的使用壽命，并且有向內(nèi)轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，這時(shí)前輪需要一個(gè)負(fù)值的前束，來(lái)抵消這種趨勢(shì)，降低輪胎側(cè)向偏移，減小輪胎磨損。通常外傾角和前束角同正同負(fù)。3.4.3 參數(shù)的確定在車隊(duì)新賽季工作展開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)分工時(shí)，主銷及前輪定位參數(shù)的設(shè)計(jì)交與了賽車懸架組設(shè)計(jì)，所以具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及過(guò)

52、程在本設(shè)計(jì)中就不在贅述。通過(guò)與本賽季懸架設(shè)計(jì)組溝通后，了解到主銷后傾角擬定為+4、主銷內(nèi)傾角擬定為+4、前輪前束擬定為-1前輪外傾角擬定為-1.5。3.5 本章小結(jié)本章通過(guò)各類型轉(zhuǎn)向機(jī)的優(yōu)缺對(duì)比確定了轉(zhuǎn)向機(jī)為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)；通過(guò)對(duì)賽道的分析確定了賽車最小轉(zhuǎn)向半徑，通過(guò)計(jì)算確定了賽車轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際情況確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比后確定了方向盤(pán)單側(cè)最大轉(zhuǎn)角，并由此計(jì)算了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)比；計(jì)算了轉(zhuǎn)向機(jī)中齒輪參數(shù)，并計(jì)算得到了齒條行程、梯形臂長(zhǎng)度的初選值，由此對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中原地轉(zhuǎn)向阻力矩、方向盤(pán)手力、轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了初步校核；討論了主銷定位參數(shù)和前輪輪胎定位參數(shù)

53、對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，并確定了具體數(shù)值。4 大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化在傳統(tǒng)整體式轉(zhuǎn)向橋上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向機(jī)等部件在車輛俯視圖中呈現(xiàn)為梯形結(jié)構(gòu)，遂稱為轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向梯形的作用的通過(guò)組成轉(zhuǎn)向梯形各部分的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)，使得車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向車軸的內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角滿足設(shè)計(jì)需求，減小輪胎損耗，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。4.1 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)方案 （1） 整體式轉(zhuǎn)向梯形整體式轉(zhuǎn)向梯形由整體式轉(zhuǎn)向車橋軸、轉(zhuǎn)向梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿組成，多用于轉(zhuǎn)向車橋采用非獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)的乗、商用車。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，但由于使用了整體式車橋的非獨(dú)立懸架，使得在行駛過(guò)程中如果一側(cè)車輪受到顛簸會(huì)影響

54、到另一側(cè)車輪，從而對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)造成干擾。圖4.1為整體式轉(zhuǎn)向梯形示意圖。圖 4.1 整體式轉(zhuǎn)向梯形示意圖（2） 斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形多用于轉(zhuǎn)向車橋采用獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)的乗、商用車。對(duì)整體式轉(zhuǎn)向梯形中的轉(zhuǎn)向橫拉桿進(jìn)行斷開(kāi)設(shè)計(jì)，使得在一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)，不會(huì)對(duì)另一側(cè)車輪造成影響。斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形相比整體式，布置更加方便，在駕駛過(guò)程中動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，但由于斷開(kāi)式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難。圖4.2為斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形示意圖。圖 4.2 斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形示意圖在大學(xué)生方程式賽車中，為降低車輛質(zhì)心、減輕車輛整備質(zhì)量以獲得更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更普遍采用非獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)。本車隊(duì)在新賽季賽車的設(shè)計(jì)中，前懸架使用了雙

55、A臂獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)，為配合懸架設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向梯形需選用斷開(kāi)式設(shè)計(jì)。4.2 轉(zhuǎn)向梯形布置形式轉(zhuǎn)向梯形更根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形的布置不同可分兩大類，在圖4.3中，左圖為后置轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，右圖為前置梯形結(jié)構(gòu)。圖 4.3 前、后置梯形結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)相對(duì)與前軸的位置，轉(zhuǎn)向梯形又可分為轉(zhuǎn)向機(jī)前置和轉(zhuǎn)向機(jī)后置。如圖4.4中，兩種布置結(jié)構(gòu)分別是轉(zhuǎn)向機(jī)后置梯形后置和轉(zhuǎn)向機(jī)后置梯形前置。圖 4.4 后置轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖在選用布置形式時(shí)，需要考慮整體機(jī)構(gòu)在賽車中的布置空間以及各傳動(dòng)桿件之間的壓力角。由于在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向柱連接處使用了十字軸萬(wàn)向節(jié)做變向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而十字軸萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)效率及傳動(dòng)不等速現(xiàn)象對(duì)其

56、傳動(dòng)角度較為敏感，角度過(guò)大會(huì)使傳動(dòng)效率下降，不等速現(xiàn)象凸顯，所以需選擇前置轉(zhuǎn)向機(jī)的方式來(lái)怎加轉(zhuǎn)向機(jī)與萬(wàn)向節(jié)的縱向距離，來(lái)減小萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)角度。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各桿件的壓力角也會(huì)影響傳動(dòng)效率，過(guò)大的壓力角不利于提高轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，所以在轉(zhuǎn)向機(jī)前置的前提下需將轉(zhuǎn)向梯形前置，以減小各機(jī)構(gòu)壓力角。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇布置方式為轉(zhuǎn)向機(jī)前置梯形前置的斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形。4.3 轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)如圖4.5，在極低速行駛時(shí)，各輪胎側(cè)偏角近乎為零各車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)僅作純滾動(dòng)而沒(méi)有側(cè)向滑動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)向中心位于賽車后軸軸線的延長(zhǎng)線上，此時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為（4.1）式中，為外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角，；為內(nèi)側(cè)

57、車輪轉(zhuǎn)角，；為內(nèi)、外兩車輪主銷距離，；為車輛軸距，；下同。由此可得到在標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)中，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角為（4.2）圖 4.5 標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)4.3.2 側(cè)偏角存在時(shí)的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系4.3.2.1 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象及側(cè)偏角車輛在行駛過(guò)程中，由于路面傾斜、側(cè)向風(fēng)或曲線行駛時(shí)的離心力等的作用，車輪中心會(huì)有一個(gè)沿著車輪滾動(dòng)軸線的側(cè)向力，由牛頓第三定律可知，此時(shí)地面對(duì)車輪施加了一個(gè)側(cè)向的反作用力，這個(gè)力就是側(cè)偏力。一般車輛的輪胎由橡膠制成，橡膠輪胎為彈性元件，這使得車輪具有側(cè)向彈性。當(dāng)側(cè)向力沒(méi)有到達(dá)輪胎附著極限時(shí)，會(huì)使車輪行駛方向偏離輪胎平面，這就是輪胎側(cè)側(cè)偏現(xiàn)象。在輪胎靜止時(shí)，如圖4.6

58、a，輪胎中心面cc與印跡中心線aa不重合；在輪胎滾動(dòng)時(shí)，如圖4.6b，輪胎中心面cc與印跡中心線aa不只偏離而且不再平行，兩者的夾角即為輪胎的側(cè)偏角。圖 4.6 輪胎側(cè)偏現(xiàn)象及輪胎側(cè)偏角示意圖4.3.2.2 側(cè)偏角存在時(shí)的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系由于側(cè)偏角的存在，車輪在較高車速轉(zhuǎn)向時(shí)，行駛軌跡的方向并不與車輪方向相同而是偏離了一定角度，從而使得車倆的轉(zhuǎn)向中心不再和極低速時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何一樣在后軸的延長(zhǎng)線上而是偏移了一定距離，轉(zhuǎn)向半徑也隨之增大，如圖4.7所示。圖 4.7 側(cè)偏角存在時(shí)的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系假設(shè)同軸車輪側(cè)偏角相同，根據(jù)圖4.7中的幾何關(guān)系可以推到出兩輪轉(zhuǎn)角關(guān)系滿足下式（4.3）

59、式中，為前輪側(cè)偏角，；為后輪側(cè)偏角，；為計(jì)算算子，。由式4.3可知，如果給出輪胎側(cè)偏角即可推導(dǎo)出側(cè)偏角存在時(shí)的內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系。4.3.2.3 通過(guò)兩輪模型計(jì)算輪胎側(cè)偏角由于已經(jīng)假設(shè)同軸車輪側(cè)偏角相同，所以在這里引入兩輪模型來(lái)進(jìn)行前后輪側(cè)偏角的計(jì)算，將同軸左右兩車輪向車輛縱軸線集中，將四個(gè)車輪簡(jiǎn)化為兩個(gè)車輪來(lái)研究。在考慮側(cè)偏角時(shí)，兩輪轉(zhuǎn)向模型如圖4.8所示。圖 4.8 考慮側(cè)偏角時(shí)的兩輪轉(zhuǎn)向模型圖中，與為分別車輛質(zhì)心到前、后軸的距離，；與分別為兩輪模型中前、后輪側(cè)偏角，；為前輪轉(zhuǎn)向角，。由幾何關(guān)系可得圖4.8中（4.4）當(dāng)車輛已速度轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，其轉(zhuǎn)向半徑可近似為（4.5）從運(yùn)動(dòng)學(xué)定律可知，

60、車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)需實(shí)現(xiàn)力的平衡和力矩的平衡。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)力平衡公式（4.6）車輛轉(zhuǎn)向時(shí)力矩平衡公式（4.7）式中，與為輪胎側(cè)偏力與側(cè)偏角的比值，被稱為輪胎側(cè)偏剛度，如圖4.9所示，在輪胎處于彈性變形區(qū)時(shí)，曲線斜率為定值，這個(gè)值稱為輪胎側(cè)偏剛度，。圖 4.9 輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系曲線示意圖聯(lián)立式4.6與式4.7可得出：前輪側(cè)偏角（4.8）后輪側(cè)偏角（4.9）輪胎的側(cè)偏剛度受到輪胎胎壓、輪胎所受垂直載荷、輪胎類型、輪胎和主銷定位參數(shù)等影響。根據(jù)新賽車的基本設(shè)計(jì)參數(shù)得知，靜止時(shí)，前輪垂直載荷為617.4，后輪的垂直載荷為754.6，輪胎胎壓為0.14。查閱本車隊(duì)采用的Hooiser輪胎相關(guān)參數(shù)資料得到此時(shí)前輪側(cè)偏度，后輪側(cè)偏剛度。根據(jù)賽車設(shè)計(jì)目標(biāo)，車輛的在極限情況下的側(cè)向加速度最大G值為1.7G，即；。由此可得：前輪側(cè)偏角（4.10）后輪側(cè)偏角（4.11）4.3.3 目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)系優(yōu)化引入阿克曼校正系數(shù)（4.12）式中，為內(nèi)側(cè)車輪實(shí)際轉(zhuǎn)角；為外側(cè)車輪實(shí)際轉(zhuǎn)角；為標(biāo)準(zhǔn)阿克曼轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角。根據(jù)式4.2可得帶有的內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角公式（4.13）根據(jù)式4.3可得考慮輪胎側(cè)偏角時(shí)