FSAE電動方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\hFSAE電動方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化TheSteeringSystemDesignandOptimizationofFSAEElectricRacingCar學生姓名：學生班級：學生學號：學院：汽車工程學院專業(yè)：車輛工程（工科試驗班）導師姓名及職稱：目錄第1章緒論1第1節(jié)引言1第2節(jié)FSAE大學生電動方程式比賽介紹2第3節(jié)FSAE方程式汽車大賽賽事發(fā)展3第4節(jié)FSAE賽事競技規(guī)則4第5節(jié)FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀5第6節(jié)本課題研究目的與意義5第7節(jié)本章小結(jié)6第2章FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述7第1節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用和組成71.1賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類71.2電池選型8第2節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類122.1電機類型選擇122.2電機功率的選擇122.3電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的選擇152.4電機選型16第3節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求17第4節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計流程174.1傳動比計算174.2最高車速及加速時間估算19第5節(jié)本章小結(jié)20第3章轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計21第1節(jié)轉(zhuǎn)向器方案選型211.1電池布置211.2電機布置221.3電機控制器布置23第2節(jié)轉(zhuǎn)向系主要參數(shù)選型242.1傳動系統(tǒng)布置方案242.2電機支架設(shè)計242.3減速器支架設(shè)計262.4聯(lián)軸器設(shè)計282.5球籠殼設(shè)計292.6半軸設(shè)計30第3節(jié)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和計算303.1電池箱體設(shè)計303.2電池箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計34第4節(jié)本章小結(jié)35第4章轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計36第5章制造工藝分析40結(jié)論41致謝42參考文獻43摘要自2010年中國舉辦第一屆大學生方程式大賽以來，國內(nèi)參與FSAE比賽的學生數(shù)量逐年增多，引領(lǐng)了眾多工科院校學生的賽車運動熱潮。對于賽車競技而言，賽車底盤設(shè)計很大程度上決定了賽車的操控性能。對與一項以極限競技聞名的賽車運動，十分考驗賽車手對于賽車的操控力，以達到理想的競技狀態(tài)，所以賽車的操控性對于賽車競技的重要性不言而喻。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計對于賽車的操控性而言也有著十分重要的地位，本文以吉林大學吉速電動方程式賽車為對象進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化。綜合考慮汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求以及賽車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱的特殊性，對機械式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)判斷選型，設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形同時對斷開點進行優(yōu)化設(shè)計，最后結(jié)合懸架系統(tǒng)確定賽車的定位參數(shù)，防止賽車結(jié)構(gòu)干涉。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計過程中，不斷與整車參數(shù)進行匹配，協(xié)調(diào)，在實際制造加工過程中吸取經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計，通過汽車轉(zhuǎn)向系理想的左右輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角關(guān)系的建模，優(yōu)化目標轉(zhuǎn)向關(guān)系，保證賽車能夠?qū)崿F(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向性能和抓地性能。熟練運用CATIA、MATLAB等軟件進行三維建模以及轉(zhuǎn)向性能的仿真分析。充分將理論與實踐相結(jié)合，也為吉速電動方程式賽車隊留下寶貴的設(shè)計經(jīng)驗供參考。關(guān)鍵詞：電動賽車、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、參數(shù)匹配及優(yōu)化、轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計AbstractSince2010,Chinaheldthefirstformula,collegestudentstoparticipateindomesticFSAEmatchthenumberofstudentsincreasedyearbyyear,hasledtomanyengineeringcollegesanduniversitiesstudent'smotorsportboom.Forracingsports,thedesignofsteeringsystemforhandlingofthecaralsohasaveryimportantposition,inthispaper,jilinuniversity,thespeedofelectricformulaforthedesignofsteeringsystemandoptimizationfortheobject.Consideringthedesignrequirementsofautomotivesteeringsystemandtheparticularityofcarmanipulationofsteeringsystem,thestructureofmechanicalsteeringgearselection,designthemainperformanceparametersofthesteeringsystem,thedesignofsteeringtrapezoidaloptimizationdesignforthecut-offpoint,thepositioningparametersofsuspensionsystemdeterminesthecar,topreventthecarstructureinterference.Intheprocessofthedesignofthesteeringsystem,andvehicleparametersmatchingandcoordination,learningexperiencesinthepracticalmanufacturingprocess,optimizationdesign,throughthecaroftherelationshipbetweentheleftandrightwheelsteeringAngleofsteeringsystemidealmodeling,theoptimizationgoalturnedtorelationship,ensurethecarcanachievegoodsteeringperformanceandgrip.GoodcommandofCATIA,theMATLABsoftwarefor3dmodelingandsimulationanalysisofsteeringperformance.Fullycombiningtheorywithpractice,butalsoforthespeedofelectricformularacingteamleftavaluabledesignexperienceforreference.Keywords：electriccars,steeringsystem,parametersmatchingandoptimization,steeringtrapeziumdesign第1章緒論第1節(jié)引言賽車運動最早起源于城市間的公路比賽，距今已有100多年的歷史，可分為場地賽車和非場地賽車。而方程式賽車作為一項極具刺激感的場地型賽車比賽，其賽車制造的專業(yè)化和比賽的可欣賞性吸引了眾多賽車迷的參與。賽車必須依照相關(guān)規(guī)則協(xié)會制定的技術(shù)規(guī)則制造賽車，包括車體結(jié)構(gòu)、長度和寬度、最低重量、電子設(shè)備、輪胎的距離和大小等。為了在賽車這項極限汽車運動中發(fā)揮賽車性能的極限狀態(tài)，相比較一般民用車而言，賽車的設(shè)計更加注重車輛動力學和汽車的輕量化。同時，各大汽車公司都在投入大量的人力和物力支持賽車運動，如贊助F1等賽車比賽。賽車中的先進技術(shù)也將逐步應用到民用車上，可以說，賽車運動是汽車技術(shù)發(fā)展的先行者。在大學生電動方程式大賽中，由各大高校學生自主研發(fā)符合規(guī)則的賽車，在賽場中依照動態(tài)賽規(guī)則比拼速度一較高下。但是在其背后是大學生們對賽車動力學、電動汽車驅(qū)動控制、電池管理系統(tǒng)以及汽車電控系統(tǒng)等的深入研究與實踐。吉林大學吉速電動方程式成立于2015年末，成功參加2016年中國大學生電動方程式大賽，作為第一年參賽的隊伍取得了第八名的成績。本人擔任2016年賽季車隊經(jīng)理，負責車隊總籌規(guī)劃及賽車設(shè)計監(jiān)督工作，同時也發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題。本次以吉速電動方程式賽車為研究對象，進行FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化工作。主要進行轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的選型、轉(zhuǎn)向參數(shù)的設(shè)計以及轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計及優(yōu)化。第二節(jié)FSAE大學生電動方程式比賽介紹中國大學生電動方程式汽車大賽（FSEC）脫胎于中國大學生方程式汽車大賽（FormulaStudentChina，簡稱FSC），是一項由高等院校汽車相關(guān)專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽，作為汽車專業(yè)教育的有益補充，被譽為“汽車工程師的搖籃”。2015年起FSC實行油電分離，電動方程式比賽成為一個新的比賽類別——即FSEC。首屆比賽就吸引了全國28支大學生車隊參賽，已成為國內(nèi)乃至世界頗具影響力的非盈利性社會公益性賽事項目。中國大學生方程式汽車大賽是全國高校中影響力最大、最專業(yè)的汽車技術(shù)展示、應用平臺，是汽車企業(yè)最為認可的人才選拔及儲備平臺，更是世界大學生技術(shù)交流的平臺。而中國大學生電動方程式大賽的發(fā)展契合未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展需求，成為有志于新能源的大學生學習、展示和交流的最高平臺。中國大學生電動方程式大賽旨在由各高校車隊中的本科生和研究生成員根據(jù)當年中國大學生方程式大賽規(guī)則來構(gòu)想、設(shè)計、制造、研發(fā)并完成一輛小型電動方程式賽車并參加比賽。參與大學生電動方程式大賽的高校學生，在一年的時間內(nèi)制造一輛符合FSAE規(guī)則的電動方程式賽車。在這一年中，學生不僅學習理論知識，更將汽車知識轉(zhuǎn)化為實際的行動力，在賽車上體現(xiàn)各自的專業(yè)水平。當然，造車面臨的問題不單單是學習和創(chuàng)造賽車，物資支持的資源獲取能力以及積累賽車制造經(jīng)驗對于越來越偏重理論化學習的大學生都是十分寶貴的收益。對于大學生而言，除了知識和技術(shù)上的收獲，在不斷解決實際問題的過程中，鍛煉了處理突發(fā)事件，解決棘手問題的能力，培養(yǎng)了從實際出發(fā)考慮問題的清醒意識，更是實現(xiàn)了一個雖然艱苦但充滿刺激與光榮的賽車夢，對于許多參與大學生方程式賽車的同學來說，這都是人生的珍貴經(jīng)歷。同時，國內(nèi)越來越多的汽車企業(yè)也參與其中，無論是整車生產(chǎn)制造的一汽、上汽、東風等，還是零部件企業(yè)如大陸集團、博世集團以及互聯(lián)網(wǎng)汽車公司如易車、蔚來等，都在支持這項充滿速度與激情的公益事業(yè)，不斷向各個車隊提供物資贊助以及提供技術(shù)人員協(xié)助組織比賽開展。在能源緊缺的大環(huán)境下，發(fā)展新能源汽車的大潮滾滾而來，新能源汽車的發(fā)展已列入《中國制造2025》十大重點領(lǐng)域之一。汽車行業(yè)的領(lǐng)頭集團們也紛紛摩拳擦掌加快電動車的研發(fā)進程，社會對于電動車人才的需求必然增大，通過大學生電動方程式大賽也將培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的新能源汽車行業(yè)的后備力量。第3節(jié)FSAE方程式汽車大賽賽事發(fā)展FSAE起源于美國休斯頓大學的一位在校博士組織的小型場地賽車比賽，這樣的木質(zhì)小型賽車也被稱之為“mini-Indy”賽車。這樣的“mini-Indy”賽車搭載五馬力的發(fā)動機于1979年在美國舉辦了第一屆世界大學生方程式汽車大賽，共有13支隊伍參加，并展示了各自隊伍充分的創(chuàng)意的想象力。自此以來，在全世界各地逐漸開展了FSAE的熱潮，不分國界的年輕學生加入這項充滿創(chuàng)意和未知的比賽中。從圖紙到現(xiàn)實，從零件到整車，從賽車落地到賽場奔馳，到現(xiàn)在，有超過15個國家每年舉辦20余場FSAE賽事。中國自2010年舉辦第一屆大學生方程式汽車大賽，已成功舉辦七屆。經(jīng)過六年多的發(fā)展和進步，各大高校紛紛參與其中。在與世界FSAE比賽保持同步的同時，也增加了許多本土特色，以求和而不同。到2017年，有超過100支來自全國各大學校的車隊報名參加中國大學生方程式大賽。隨著汽車工業(yè)的革新，電動車登上歷史舞臺，電動方程式賽車比賽也發(fā)展迅速。德國賽率先舉辦電動方程式大賽。中國在2013年開始設(shè)立電車組比賽，第一年由10所學校報名參加，合肥工業(yè)大學取得國內(nèi)第一名的成績。2015年開始實行油電分離，在上海舉辦中國大學生電動方程式大賽。2016年，由蔚來公司冠名贊助，舉辦蔚來杯電動方程式大賽。通過制造一輛賽車可以培養(yǎng)及提高學生動手能力、創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作精神，同時還能夠緊密結(jié)合汽車工業(yè)最先進的科學技術(shù)，讓廣大學生把最前沿的工程技術(shù)與課本知識有效地結(jié)合起來。吉林大學自2010年參加第一屆方程式汽車大賽，2016年參加電動方程式賽車大賽。隨著汽車技術(shù)的革新，方程式大賽仍在不斷的發(fā)展和完善中，2016年，德國賽舉辦第一屆無人方程式大賽，而中國也在2017年舉辦無人方程式大賽，培養(yǎng)更多走在行業(yè)發(fā)展前沿的卓越汽車人才。第4節(jié)FSAE賽事競技規(guī)則大學生方程式大賽旨在讓學生們自行設(shè)計、制造以及調(diào)試方程式賽車并參加最終的比賽。賽事主辦方對賽車整體設(shè)計較少的規(guī)則限制，從設(shè)計產(chǎn)品的角度，這輛方程式賽車需要滿足賽車的安全性、操控性、加速性以及其他性能的基本要求；從商品化的角度，這是一輛需要滿足市場需求以及成本合理的條件下的周末休閑賽車。主辦方根據(jù)以上要求從靜態(tài)項目和動態(tài)項目兩個角度給出競技評分規(guī)則，以體現(xiàn)比賽的公平性和全面性。第5節(jié)FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)乘用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，更加注重轉(zhuǎn)向操縱的靈敏度，車手需要在較短時間內(nèi)迅速過彎，同時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是賽車手駕駛過程中操縱最多的機構(gòu)，便于車手操縱的轉(zhuǎn)向機構(gòu)對于提高賽車性能的影響不可小視。賽車上由于結(jié)構(gòu)空間的限制，沒有傳統(tǒng)乘用車上的轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)，對FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要集中在轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化以及賽車動力學的研究上，利用Matlab等軟件建立轉(zhuǎn)向梯形的幾何模型，控制實際阿克曼和理想阿克曼之間的誤差值，優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形從而提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱的穩(wěn)定性。第6節(jié)本課題研究目的與意義本課題基于吉林大學吉速電動方程式賽車，根據(jù)中國大學生方程式大賽規(guī)則進行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化。主要從轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的選型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)設(shè)計、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計算參數(shù)設(shè)計、轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計及優(yōu)化等方面展開研究。滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計要求，保證賽車較高的機動性和操縱方便以及不發(fā)生側(cè)滑，不與懸架機構(gòu)發(fā)生干涉等。根據(jù)規(guī)則進行仿真試驗，確保設(shè)計的可行性和可靠性。本課題的研究為本學校電動方程式車隊的今后的轉(zhuǎn)向設(shè)計提供參照，對于一個剛剛建立一年多的新車隊來說，缺乏賽車設(shè)計的經(jīng)驗，十分需要對賽車系統(tǒng)的學習和認識過程。在目前的電動方程式大賽中，也較為缺乏系統(tǒng)的設(shè)計轉(zhuǎn)向機構(gòu)的論文參照。更多都是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，缺少理論依據(jù)。故本課題的研究幫助本學校車隊的新隊員學習賽車理論知識，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有更加深刻的了解，對車隊成員的成長由一定的促進作用。第7節(jié)本章小結(jié)本章主要介紹了中國大學生電動方程式大賽的發(fā)展情況、競技規(guī)則和未來趨勢以及對FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀的簡述。最后介紹本文的主要研究內(nèi)容和研究意義。第2章FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是賽車手在競技過程中的主要操縱機構(gòu)之一，很大程度的決定了賽車的操控性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計也是一個系統(tǒng)化的設(shè)計過程，需要從設(shè)計參數(shù)到機械機構(gòu)逐步實現(xiàn)。本章主要介紹FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用、特點、結(jié)構(gòu)組成以及設(shè)計要求等并根據(jù)大學生方程式大賽規(guī)則制定賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計流程，確定研究的重點。第1節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用和組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過協(xié)調(diào)各轉(zhuǎn)向車輪之間的轉(zhuǎn)角關(guān)系使汽車能夠按照駕駛員的意圖保持或改變汽車行駛方向的機構(gòu)。賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，賽車手施加手力在方向盤上使其轉(zhuǎn)動，經(jīng)過轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度。根據(jù)規(guī)則要求，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要具備快拆機構(gòu)用于分離轉(zhuǎn)向柱和方向盤，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)中又包括萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向梯形臂。除此以外，還需要轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向軸實現(xiàn)方向盤到轉(zhuǎn)向器之間的連接。而轉(zhuǎn)向器利用內(nèi)部的齒輪齒條傳動副將轉(zhuǎn)向軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動傳遞給轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向梯形臂共同作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上，轉(zhuǎn)向輪實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。第2節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)區(qū)別賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是根據(jù)乘用車機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變形而來，基本功能相同，都是為了實現(xiàn)按照駕駛員意圖的保持或改變行駛方向。但是一方面由于方程式賽車是場地競技類賽車，需要考慮駕駛場地對于操縱的影響，另一方面由于競技比賽需要賽車手對賽車由足夠的掌控力，所以對駕駛員的要求也會影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)以上特殊性，賽車與普通乘用車在結(jié)構(gòu)上有以下區(qū)別：普通乘用車一般會有副駕駛位的存在，方向盤處于汽車中軸線的左側(cè)或右側(cè)（國內(nèi)一般為左舵），所以整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位于整車的左側(cè)，轉(zhuǎn)向器左右輸出不同，左右轉(zhuǎn)向節(jié)也存在區(qū)別不對稱；但方程式賽車根據(jù)規(guī)則為小型單人座休閑賽車，故不存在副駕駛空間的要求，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位于整車中心軸線處并關(guān)于其對稱，轉(zhuǎn)向器左右輸出對稱。普通乘用車通常駕駛員采取坐姿駕駛，方向盤相對于駕駛員有一定前傾角度。而方程式賽車為了提高賽車的操縱穩(wěn)定性，質(zhì)心高度相比于一般乘用車要低得多，若駕駛員仍采用坐姿駕駛，會較大影響賽車的質(zhì)心位置，故為了減少駕駛員對質(zhì)心高度的影響，賽車手采用半躺的姿勢在駕駛艙內(nèi)，駕駛時雙手伸展程度更大，這對于駕駛來說更加需要考慮舒適性。所以在設(shè)計安裝方向盤時，需要著重考慮操縱性和舒適性。FSAE賽車動態(tài)賽規(guī)則中體現(xiàn)賽道中設(shè)置了較多的彎道和錐桶，同時賽車競速時車速較高，這就要求賽車手能夠在高速條件下迅速過彎，所以在快速入彎和快速出彎的情況下，車手打方向的時間極短，需要保證車手在不換手的條件下轉(zhuǎn)到方向盤最大角度。如果單向方向盤最大角度大于180°，那么車手轉(zhuǎn)到最大角度時操作十分不順暢，會影響賽車的操縱性。所以根據(jù)以上要求FSAE賽車的單側(cè)方向盤最大轉(zhuǎn)角不應超過180；而乘用車的駕駛員駕駛操縱條件好于賽車，故方向盤轉(zhuǎn)角范圍更大，普通乘用車的單側(cè)方向盤最大轉(zhuǎn)角可達540°。根據(jù)上述賽車方向盤最大轉(zhuǎn)角以及賽車快速入彎的要求，賽車的轉(zhuǎn)向系傳動比相對于一般乘用車會小許多。一般乘用車的轉(zhuǎn)向系傳動比為12：1到20：1的范圍內(nèi)；賽車的轉(zhuǎn)向系傳動比一般在小于10：1的范圍內(nèi)。一般乘用車會采用不同的轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)，使駕駛員操縱輕便。但方程式賽車由于可操作空間的限制和學生較難加工制作動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，故FSAE賽車一般不采取助力轉(zhuǎn)向裝置，只有機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)。一般乘用車為了考慮不同駕駛能力的駕駛員，對駕駛操作的轉(zhuǎn)向精準度要求比較低，方向盤存在較大的自由行程。但方程式賽車由于比賽的競技性，需要對轉(zhuǎn)向有精準的控制才能節(jié)省轉(zhuǎn)向的時間取得更好的成績，故方向盤的自由行程控制在7°范圍內(nèi)。綜上，賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與乘用車雖然作用相同，結(jié)構(gòu)類似，由于比賽規(guī)則、競技條件和方程式賽車作為非量產(chǎn)車的加工、購買渠道的不成熟的制約，賽車與乘用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在一些區(qū)別，需要因地制宜設(shè)計賽車。第3節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計要求根據(jù)中國大學生方程式大賽規(guī)則和汽車設(shè)計對賽車的轉(zhuǎn)向系提出的設(shè)計如下設(shè)計要求：賽車轉(zhuǎn)彎行駛時，車輪應繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，車輪不產(chǎn)生側(cè)滑。否則會加速輪胎的磨損，降低賽車的行駛穩(wěn)定性。賽車轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪能自動回正繼續(xù)穩(wěn)定行駛。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)與懸架桿系共同運動時，發(fā)生干涉對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的影響最小。轉(zhuǎn)向機動性好，反應靈敏，有迅速的過彎行駛能力。轉(zhuǎn)向機構(gòu)操縱輕便，有適當?shù)穆犯蟹答?，便于車手駕駛。遇到障礙物時，方向盤傳遞的反沖力盡可能小，避免打手。無論賽車方向盤如何旋轉(zhuǎn)，它的最高點不能超過前環(huán)的最高點。方向盤到車輪之間的連接必須為純機械連接，不得使用線控或電控轉(zhuǎn)向以保證可靠性。賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)務必安裝限制轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)反轉(zhuǎn)的限位塊。測量到的賽車方向盤的自由行程必須7°考慮到跑動過程中賽車的動態(tài)性能，盡量減少跳動轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向等。在滿足以上要求的前提下，保證各部件剛度要求并盡量實現(xiàn)輕量化設(shè)計。第3節(jié)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計流程根據(jù)上一節(jié)中FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求，結(jié)合汽車設(shè)計和方程式大賽規(guī)則，確定如下的賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計流程：（1）進行賽車轉(zhuǎn)向器選型工作，對比不同種類轉(zhuǎn)向器確定選擇的類型；并依據(jù)賽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)從人機工程的角度設(shè)計賽車方向盤。（2）對最大轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向系的角傳動比以及轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動比等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能參數(shù)進行設(shè)計；設(shè)計齒條行程、轉(zhuǎn)向梯形臂長度、計算載荷等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計算參數(shù)。（3）由轉(zhuǎn)向系設(shè)計理論，確定斷開式轉(zhuǎn)向梯形的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系；確定賽車轉(zhuǎn)向梯形特性和斷開點位置，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)設(shè)計。（4）匹配轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)與懸架桿系，盡量避免干涉情況出現(xiàn)。（5）建立前懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整車虛擬模型，進行動力學仿真，分析轉(zhuǎn)向性能。第4節(jié)本章小結(jié)本章主要介紹了FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)、功能機理和各部分作用，從場地競技要求、駕駛環(huán)境以及駕駛員等方面分析了賽車與一般乘用車之間的不同點，在轉(zhuǎn)向靈敏度、駕駛姿勢、傳動比以及操縱空間上差異較大，故不能局限于汽車傳統(tǒng)設(shè)計來設(shè)計方程式賽車。根據(jù)二者的相同點與不同點，綜合汽車設(shè)計與方程式大賽規(guī)則，確定FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求以及主要設(shè)計流程。第3章FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計在第2章中，主要介紹了FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的特點和要求，確定了設(shè)計流程。在本章將根據(jù)上一章最后確定的設(shè)計步驟進行賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計。從轉(zhuǎn)向機構(gòu)選型到轉(zhuǎn)向性能參數(shù)和計算參數(shù)的確定，再到轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計，最后考慮與懸架系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。由淺到深、由易到難，系統(tǒng)地進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計。第1節(jié)轉(zhuǎn)向器方案的選型根據(jù)方程式大賽規(guī)則要求：FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)禁止使用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。且賽車由于車架和其他機構(gòu)的限制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置空間較為局限，難以布置過多結(jié)構(gòu)。同時考慮輕量化的賽車設(shè)計要求，賽車轉(zhuǎn)向器的初步選擇為機械式轉(zhuǎn)向器方案。下一步將在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器這四種主要的機械式轉(zhuǎn)向器方案中進行選型。機械式轉(zhuǎn)向器分類及特點根據(jù)機械式轉(zhuǎn)向器采用的傳動機構(gòu)不同，一般將機械式轉(zhuǎn)向器劃分為以下幾種，具體特點如下：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向齒輪和齒條組成傳動副，轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向軸做成一體，齒條常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體。根據(jù)輸入齒輪和輸出特點不同，可以將齒輪齒條轉(zhuǎn)向器分為四種形式：中間輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，中間輸出以及側(cè)面輸入，一端輸出。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量和體積都比較小，便于加工制造；傳動效率高，可以高達90%；利用裝在齒條背部的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧能夠消除齒輪和齒條之間因為磨損產(chǎn)生的間隙，可以提高賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度和防止轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作產(chǎn)生沖擊和噪聲，也防止間隙過大影響轉(zhuǎn)向系傳動；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向角度大；工作噪聲小，制造成本低。齒條齒條轉(zhuǎn)向器的主要缺點有：因為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的正效率很高，帶來了較高的逆效率。一般可達60%-70%，當賽車在不平路面駕駛時，車輪與地面之間的沖擊很容易傳遞給方向盤，即產(chǎn)生反沖。這對于賽車手駕駛十分不利。一方面帶來較大的轉(zhuǎn)向力矩，給車手操縱方向盤帶來困難；另一方面，方向盤反沖給賽車手帶來強烈的“路感”沖擊，造成車手的精神緊張或者打手造成傷害。齒輪齒條能夠承受的載荷并不大，所以不適用在載重較高的車上，且不適用在非獨立懸架的乘用車中。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的兩對傳動副分別由螺桿和螺母共同構(gòu)成的螺旋槽內(nèi)的鋼球以及螺母上的齒條和搖臂軸的齒扇組成。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點有：因為傳動副由鋼球構(gòu)成，所以滾動的鋼球可以將原本的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，大大降低了摩擦因數(shù)，故傳動效率較高可達75%-85%；改良結(jié)構(gòu)工藝性如改善表面粗糙度、對螺桿螺母的螺旋槽進行淬火和磨削加工后，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器可以具有較大的硬度和耐磨性，提高使用壽命；由于齒輪工作半徑可調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的傳動比可變；齒條和齒扇之間的間隙易于調(diào)整；工作平穩(wěn)可靠。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點有：和齒輪齒條轉(zhuǎn)向器類似，具有較高正效率的同時也帶來了較高逆效率的負擔。如上文中所述，在不平路面上，方向盤“反沖”的存在，會造成的駕駛員緊張甚至有打手的可能。除此以外，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)比較復雜，對制造精度的要求較高，對大學生來講設(shè)計制造略有難度。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動副一般是由球面蝸桿和滾輪嚙合構(gòu)成。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計和制造；傳動副中滾輪的齒面和球面蝸桿的螺紋是通過面接觸，故強度較高，工作可靠，壽命長；逆效率低，會大大減少方向盤的反沖和打手。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是正效率低，導致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏度較低，對于賽車這種對轉(zhuǎn)向靈敏度要求較高的使用條件不適用；傳動副磨損后造成的間隙不易于調(diào)節(jié)，調(diào)隙機構(gòu)不易設(shè)計和實現(xiàn)；轉(zhuǎn)向器不能實現(xiàn)可變傳動比，目前應用較少。蝸桿指銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器根據(jù)轉(zhuǎn)向器的銷子能否自轉(zhuǎn)可以分為固定銷式蝸桿指銷轉(zhuǎn)向器和旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。傳動副為轉(zhuǎn)向蝸桿和指銷，可選擇性大，目前應用較少，多用于載重較大的商用車。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點有：固定銷式蝸桿指銷轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造；旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器因為自身銷子可以繞軸線轉(zhuǎn)動，所以工作效率高，磨損小，壽命長；雙銷式轉(zhuǎn)向器可以保證搖臂軸有較大的轉(zhuǎn)角，滿足使用要求且降低了單個銷子的負荷，減少磨損，壽命長；傳動比可以根據(jù)需求做成不變的或者變化的；蝸桿與指銷的工作面發(fā)生磨損后，容易調(diào)節(jié)間隙。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的主要缺點有：固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的銷子不能自轉(zhuǎn)帶來較大的磨損，工作效率低，壽命短；雙銷式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)復雜，尺寸大，質(zhì)量也大，且對尺寸精度要求高，調(diào)隙范圍和傳動比的變化范圍比較局限。機械式轉(zhuǎn)向器方案比較和選型綜合分析汽車設(shè)計、賽車使用條件以及方大學生程式大賽規(guī)則對賽車轉(zhuǎn)向器提出以下要求：由于大學生制造能力有限，賽車轉(zhuǎn)向器應具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和便于維修的特點，盡量不進行特種加工。由于賽車運動對動力學要求更高，賽車輕量化是賽車設(shè)計的一大目標，所以賽車轉(zhuǎn)向器應盡量做到輕量化設(shè)計，轉(zhuǎn)向器的殼體選擇鋁合金等輕型材料。除了設(shè)計因素，從實際成本把控的角度看，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件數(shù)目少在各總成中占據(jù)的造價比例最小，所以在選擇轉(zhuǎn)向器材料時要充分考慮價格因素的影響，選擇價格可接受的材料和加工工藝。賽車采用前輪轉(zhuǎn)向，根據(jù)方程式大賽規(guī)則要求，為了保證駕駛艙內(nèi)部橫截面有足夠的尺寸，用如下圖所示的模板在豎直狀態(tài)下沿水平方向放入駕駛艙，直到距離踏板后端面之后100mm以檢測內(nèi)部橫截面尺寸。故要求轉(zhuǎn)向器設(shè)計尺寸滿足駕駛艙內(nèi)部尺寸要求，節(jié)省駕駛艙空間。賽車競技過程有較多彎道和樁桶，轉(zhuǎn)彎半徑比較小，轉(zhuǎn)向器需要滿足極限轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)角要求。綜合以上，參照機械式轉(zhuǎn)向器各種類型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器作為FSAE賽車的轉(zhuǎn)向器。首先，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點較為突出，結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造、尺寸小、正效率高、成本低，將齒條與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體，容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)向較大角度。其次，雖然齒輪齒條轉(zhuǎn)向器有逆效率高的缺點，可能出現(xiàn)反沖、打手的情況，但是由于賽車的駕駛員不同于一般乘用車駕駛能力不一的駕駛員，賽車手一般經(jīng)過專業(yè)的訓練，有充足的駕駛經(jīng)驗，駕駛體能強于一般人，對賽車的掌控能力很強，所以能夠適應轉(zhuǎn)向反饋，不會造成駕駛時精神過度緊張的情況，賽車比賽持續(xù)時間并不長，最考驗賽車的耐久賽總里程不超過20公里，所以不會造成賽車手駕駛疲勞，所以逆效率的缺點可以通過駕駛員素質(zhì)克服。相比于其他種類的機械轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器最適合FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。第2節(jié)方向盤設(shè)計方向盤將車手施加在其邊緣上的力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩傳遞給轉(zhuǎn)向柱。在電動賽車比賽中，沒有換擋撥片供車手操縱換擋，方向盤是車手駕駛過程中操縱最多的機構(gòu)。方向盤的設(shè)計需要充分考慮車手駕駛的舒適性和操縱穩(wěn)定性。根據(jù)大學生方程式大學規(guī)則對方向盤提出如下要求：無論方向盤在任何轉(zhuǎn)角下，其最高點都必須低于前環(huán)最高點，以保證賽車出現(xiàn)意外翻轉(zhuǎn)時賽車手的手部不與地面接觸防止受傷。轉(zhuǎn)向輪擺正情況下，沿賽車中心線、從前環(huán)后端到方向盤前端水平測量前環(huán)與方向盤前的距離不得超過250mm(9.8英寸)，以保證車手能夠緊急逃生。方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形。方向盤的外輪廓可以有一些趨向直線的地方，但不能存在內(nèi)凹。禁止使用H形、8型或外輪廓有開口的方向盤。根據(jù)規(guī)則，設(shè)計方向盤如下圖所示。該方向盤除了滿足基本方程式賽車方向盤設(shè)計要求外，還采用碳纖維材料，面板上集成了整車電控開關(guān)，實現(xiàn)了多功能一體化，方便賽車手實時掌握賽車狀態(tài)，做出最優(yōu)駕駛策略。手柄采用人機工程設(shè)計，根據(jù)駕駛員手型制作油泥模型，利用3D掃描儀掃描后進行逆向建模，建模完成后采用輕質(zhì)代木進行銑削加工，手柄更貼合駕駛員手掌，握感舒適，有利于提高駕駛成績。如圖所示為車架與轉(zhuǎn)向系的裝配圖。通過測量，方向盤在從前環(huán)后端到方向盤前端的水平距離為97mm,保證車手能緊急逃生，方向盤處于最高點時低于前環(huán)最高點，滿足規(guī)則要求。在垂直方向上，方向盤處于最高點時與前環(huán)最高點之間的最小距離為26mm。第2節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)設(shè)計最大轉(zhuǎn)向角度的設(shè)計方程式賽車不同于專門的越野賽或耐久賽，主要考驗的是賽車的極限速度。對賽道環(huán)境要求較高，賽道越平整，賽車的抓地性能就越好。中國大學生方程式汽車大賽舉辦地是襄陽的夢想方程式賽道，由襄陽市政府專門為FSAE比賽建立。而中國大學生電動方程式大賽的舉辦地是上海國際賽車場，也是頂級的方程式賽道，每年的F1方程式大賽中國站在這里舉行。其他比賽如世界杯汽車大獎賽（A1），世界摩托車大獎賽（MotoGP），全國房車錦標賽（CTCC）也曾在這里舉行。上海國際賽車場的賽道的總長度為5451.24米，具有十分有特色的螺線型收縮彎道，轉(zhuǎn)彎半徑變化大。在方程式比賽中，會設(shè)置較多的彎道以及樁桶來考驗賽車的過彎性能和車手對賽車的操控性。在耐久賽中，有半徑在30米到54米的定半徑彎、彎道最小外徑為9米的發(fā)夾彎以及以9.0米到15.0米的間隔直線排列的蛇形穿樁。這樣的多彎道比賽規(guī)則要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足賽車有足夠大的轉(zhuǎn)向角度順利進入彎道保證賽車的過彎能力。賽車過彎時為了有一定的轉(zhuǎn)向角度就需要縮小轉(zhuǎn)彎半徑，故賽車的過彎能力很大程度取決于賽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑。賽車的底盤設(shè)計時，一般使其具備一定的不足轉(zhuǎn)向特性，防止過多轉(zhuǎn)向的出現(xiàn)，所以綜合考慮賽車不足轉(zhuǎn)向特性和賽道的最小轉(zhuǎn)彎半徑，設(shè)計賽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑為3.5米。在賽車轉(zhuǎn)彎時，影響最小轉(zhuǎn)彎半徑的主要是外側(cè)車輪。為了確定賽車有足夠的轉(zhuǎn)向角度，根據(jù)上文中設(shè)計的賽車最小轉(zhuǎn)彎半徑可以算出外側(cè)車輪的最大轉(zhuǎn)角。計算公式如下： 其中,Ro為車輪的轉(zhuǎn)彎半徑，單位mm；L為賽車的軸距,單位mm；θo為外車車輪的轉(zhuǎn)角,單位°；（下文中含義相同）c為賽車的主銷偏置距，單位mm。由上式3-1可知，外側(cè)車輪的最大轉(zhuǎn)角為： 已知賽車的軸距L=1575mm;最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin=3.5mm；主銷偏置距c=49mm。代入式3-2得：θmax=23.49°，故確定賽車轉(zhuǎn)向的外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角為23.49°。轉(zhuǎn)向系角傳動比的設(shè)計在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤的角速度ωw與轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動的角速度ωk之比，即轉(zhuǎn)向系的角傳動比，也可以用方向盤轉(zhuǎn)角的變化量φ與轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角變化量βK之比來表示。由于乘用車上兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)的角度不同，一般取其平均值進行計算。如下式中所示：其中，Δφ是方向盤轉(zhuǎn)角變化量，,分別是內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)角變化量，單位°。對于乘用車而言，在一定的方向盤轉(zhuǎn)角下，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度與轉(zhuǎn)向系的角傳動比成反比；增大角傳動比，轉(zhuǎn)向輪響應遲緩，轉(zhuǎn)向靈敏度低。但從力傳動比的角度看，增大角傳動比可以增大力傳動比，使操縱輕便。故增大角傳動比時，會形成“輕”與“靈”的矛盾。一般選用變速比的轉(zhuǎn)向器或助力轉(zhuǎn)向裝置解決這對矛盾。但方程式賽車由于布置空間和規(guī)則要求的限制，無法采用助力轉(zhuǎn)向或變速比轉(zhuǎn)向?；谏鲜鲆蛩兀诖_定FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比時需考慮以下幾點：方向盤轉(zhuǎn)角：上文中提到賽車與乘用車一大不同就是對于轉(zhuǎn)向靈敏度的要求。一般乘用車對轉(zhuǎn)向靈敏度要求并不是十分高，轉(zhuǎn)向的自由行程大。乘用車行駛速度低，轉(zhuǎn)向時有充足的反應時間。方向盤轉(zhuǎn)向范圍較大，一般最大單側(cè)轉(zhuǎn)角可達540°；賽車對轉(zhuǎn)向靈敏度要求很高，轉(zhuǎn)向時車速很高，且為了更快的通過彎道，對車手的反應速度和操作速度要求較快。為了轉(zhuǎn)向時盡量給車手提供方便快速的操作環(huán)境，賽車方向盤保證車手能夠不換手操作。所以賽車方向盤的單側(cè)最大轉(zhuǎn)角一般不超過180°。齒條行程：齒輪齒條轉(zhuǎn)向器采用齒輪和齒條作為傳動副，傳動比越大，齒條行程越長，轉(zhuǎn)向器體積越大。但根據(jù)賽車轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求，為了滿足駕駛艙內(nèi)部尺寸要求，轉(zhuǎn)向器的體積應盡量設(shè)計的小一些。所以齒條行程應盡量短。方向盤手力：根據(jù)上文中提到的方向盤設(shè)計要求，為了保證方向盤最高點不超過主環(huán)最高點，方向盤直徑設(shè)計較小。方向盤手力由角傳動比以及方向盤尺寸等決定，為了便于賽車手操縱，方向盤手力應小一些。梯形臂長度：設(shè)計梯形臂長度時，需要考慮梯形臂的安裝空間。在裝配整車輪邊時，需要在一定的空間內(nèi)安裝輪轂、制動盤、懸架桿系、制動卡鉗以及轉(zhuǎn)向節(jié)等，因為賽車輪輞較小，安裝空間本來就比較有限，安裝零件較多，留給梯形臂的空間狹小，所以經(jīng)常出現(xiàn)與輪輞的干涉情況，故設(shè)計時需要預留一定的扳手空間。綜合以上在設(shè)計FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比需要考慮的主要問題，對比一般乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比在16:1到20:1的范圍之間。為了滿足賽車快速轉(zhuǎn)向的要求，賽車的角傳動比應該越小越好。比如F1賽車的傳動比一般在10:1以內(nèi)，有些轉(zhuǎn)向迅速的卡丁車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比可以達到1：1。在盡量減小傳動比加快轉(zhuǎn)向的同時也需要考慮賽車手的操縱難度，保證賽車手能夠有足夠的體力開完全程，手力不能過大。故最終選取FSAE賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比為6:1，，當賽車外側(cè)車輪達到最大轉(zhuǎn)角23.5°時，方向盤轉(zhuǎn)過的最大角度為141°，在此角度下賽車手無需換手操作方向盤。轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)矩傳動比的設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比包括角傳動比和轉(zhuǎn)矩傳動比。對于轉(zhuǎn)矩傳動比的定義為轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向阻力矩之比。如下式所示： 其中，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳動比；為在轉(zhuǎn)向節(jié)上克服的轉(zhuǎn)向阻力矩，單位N*m；為賽車手施加在方向盤上的轉(zhuǎn)矩,單位N*m。在實際應用中，我們一般用下式進行轉(zhuǎn)矩傳動比的計算： 其中為賽車轉(zhuǎn)向系的角傳動比，為轉(zhuǎn)向器在實際情況下的效率，為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的實際效率。上文中已經(jīng)確定FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比為6:1，查資料可知齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的使用效率在90%左右，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的傳動效率可分為兩部分，傳動萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向桿系，傳動效率較高，取為85%。所以，根據(jù)式3-5計算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳動比為： 第3節(jié)轉(zhuǎn)向計算參數(shù)的設(shè)計齒條行程以及梯形臂長度的設(shè)計齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒條行程與轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的梯形臂的長度都是保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比的必要因素。其他因素例如梯形底角、轉(zhuǎn)向桿系的壓力角等也會影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比。本節(jié)主要以賽車設(shè)計經(jīng)驗為基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)初選主要影響因素齒條行程以及梯形臂的長度，次要因素在接下來的優(yōu)化中具體討論。在乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計中，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪模數(shù)選取在2mm-3mm的范圍內(nèi)，但賽車與乘用車相比更加輕巧靈活，設(shè)計偏重于輕量化和操控性，所以質(zhì)量輕，力矩小。故根據(jù)經(jīng)驗和輕量化設(shè)計，選擇齒輪模數(shù)為1.5mm,為了保證駕駛艙空間，轉(zhuǎn)向器尺寸越小越好，所以選擇齒數(shù)為17，壓力角根據(jù)一般齒輪設(shè)計原則初選20°，螺旋角為0°。根據(jù)賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成機構(gòu)，轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向軸連接方向盤與轉(zhuǎn)向器之間的動力傳遞，轉(zhuǎn)向柱與兩端連接角度相同的十字軸萬向節(jié)共同構(gòu)成了等速萬向節(jié)。當車手轉(zhuǎn)動方向盤時，齒輪軸也將轉(zhuǎn)動相同的角度。因此，上文中設(shè)計得到的方向盤單側(cè)最大轉(zhuǎn)角141°，也是齒輪軸的最大轉(zhuǎn)向角度。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器正常工作時，齒輪旋轉(zhuǎn)的弧長與齒條移動的行程相同，故齒條單側(cè)行程可據(jù)此計算為得到： 所以齒條的總行程為64mm。當齒條達到單側(cè)最大移動行程時，方向盤已經(jīng)打到了單側(cè)最大轉(zhuǎn)角。此時外側(cè)車輪達到最大轉(zhuǎn)角141°。忽略其他因素的影響，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)角與齒條行程之間的傳動關(guān)系，計算轉(zhuǎn)向梯形臂的長度如下： 綜上，我們初步確定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒條行程和轉(zhuǎn)向梯形臂的長度。在接下來我們會進行更進一步的研究優(yōu)化這兩項參數(shù)。但變化較小，也不會影響對其他主要設(shè)計參數(shù)的計算。FSAE轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算載荷的確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計算載荷指轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全部零件承受力的強度，由作用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩決定。其主要影響因素有轉(zhuǎn)向軸的垂直載荷、輪胎型號、輪胎氣壓、道路條件以及車速條件等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要克服的阻力主要來自前輪繞主銷轉(zhuǎn)動