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1、成都学院学士学位论文（设计）Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.本科毕业业设计题 目 FSAAE汽车转转向系统统设计学 院 工业制制造学院院 专 业 车辆工工程 学生姓名名 樊睿 学 号 2011010011551077 年级 20110级指导教师师 牛钊文 职称 讲师 20144年4月29日FSAEE汽车转转向系统统设计专 业：车车辆工程程 学 号：2011010011551077学 生：樊樊睿 指导教教师：牛牛钊文摘要：本本设计的题题目是FFSAEE（大学生生方程式式汽车）汽汽车转向向系统
2、设计计。根据据赛事主主办方对对转向系系统的要要求、结结合所学学知识、综综合类似似汽车转转向系统统的特点点，设计计出该汽汽车转向向系统。设设计内容容主要包包括FSSAE汽车转转向器选选型、设设计和计计算，转转向操纵纵机构设设计，转转向传动动机构和和转向梯梯形的设设计。选选择合适适的转向向器类型型，并设设计出满满足转向向系统要要求的转转向器，保保证汽车车转向操操作的轻轻便、并并提供很很好的操操控。并并对相应应的操纵纵机构和和传动机机构进行行设计。并并且本设设计在考考虑上述述要求和和因素的的基础上上对相应应机构进进行优化化设计。从而实现现转向器器结构简简单紧凑凑，轴向向尺寸短短，且零零件数目目少的优
3、优点，从从而保证证了汽车车转向的的稳定性性、灵敏性性和操作作的轻便便性。在在本文中中主要进进行了转转向器齿齿轮、齿条、拉拉杆和节节臂的校校核，其其结果满满足FSSAE汽车转转向系统统强度要要求。本本文主要要方法和和理论采采用汽车车设计等等相关资资料，并并运用CATTIA进行设设计与装装配。关键词：FSAAE；转向系统统；齿轮轮齿条转转向器；转向梯梯形The Steeerinng SSysttem Desiign of FSAAE CCar Speeciaaltyy：Vehiiclee Engiineeerinng Sttudeent Nummberr：2011010011551077Studd
4、entt：Fann Ruui Suuperrvissor： Niiu ZZhaoowennAbsttracct：Thiis ddesiign is enttitlled FSAAE (Forrmulla SSAE ) rraciing steeeriing sysstemm deesiggn . Acccorrdinng tto eevennt oorgaanizzerss, tthe steeeriing sysstemm reequiiremmentts, commbinned witth tthe knoowleedgee, ccompprehhenssivee raacinng sst
5、eeerinng ssysttem simmilaar ccharractteriistiics , tthe carr stteerringg syysteem ddesiign . DDesiign eleemennts inccludde FFSAEE raacinng ssteeerinng sseleectiion, deesiggn aand callcullatiion , ssteeerinng mmechhaniism dessignn , steeeriing rottatiion mecchannismm annd ssteeerinng ttrappezooid des
6、signn. SSeleect thee appproopriiatee tyype of steeeriing geaar aand steeeriing sysstemms ddesiigneed tto mmeett thhe rrequuireemennts of thee stteerringg geear to enssuree liighttweiightt raacinng ssteeerinng ooperratiionss annd pprovvidee goood conntrool . Annd tto ddesiign appproppriaate conntrool
7、s andd rootattingg meechaanissm . Inn coonsiiderratiion of thee abbovee , andd thhe ddesiign reqquirremeentss annd tthe facctorrs oon tthe bassis of appproppriaate insstittutiionss too opptimmizee thhe ddesiign . IIn oordeer tto aachiievee stteerringg siimplle aand commpacct sstruuctuure , sshorrt a
8、axiaal ddimeensiion , aand thee addvanntagges of thee smmalll nuumbeer oof ppartts , thhus enssuriing thee sttabiilitty oof tthe raccingg stteerringg , agiilitty aand opeerattionnal porrtabbiliity . IIn tthiss paaperr coonduucteed aa chheckk off thhe mmainn stteerringg geear, raack, tiie rrodss annd
9、 kknuccklee arrm , thhe rresuult FSAAE ccar steeeriing sysstemms mmeett thhe sstreengtth rrequuireemennts . IIn tthiss paaperr, tthe usee off caar ddesiign metthodds aand theeoriies andd ottherr reelatted infformmatiion , aand thee usse oof CCATIIA ffor dessignn annd aasseemblly .Keywwordds：FSAAE; S
10、teeeriing Sysstemm; Raack andd piinioon ssteeerinng; Steeeriing traapezzoidd目录绪论11汽车转转向系统统总述221.1 汽车车转向系系统概述述21.2 转向向系统类类型与发发展趋势势21.3 FSSAE汽汽车转向向系统的的要求332转向系系主要性性能参数数52.1 转向向系的效效率52.1.1 转向器器的正效效率52.1.2 转向器器的逆效效率62.2 传动动比变化化特性772.2.1 转向系系传动比比72.2.2 力传动动比与转转向系角角传动比比的关系系72.2.3 转向器器角传动动比的选选择82.3 转向向器传动动
11、副的传传动间隙隙92.4 转向向盘的总总转动圈圈数93FSAAE汽车车转向系系统总体体机构设设计1003.1 参考考数据的的确定1103.2 转向向系统类类型选择择103.2.1 机械转转向系1103.2.2 动力转转向系1113.3 转向向器类型型选择1133.3.1 齿轮齿齿条转向向器1333.3.2 循环球球式转向向器1333.3.3 蜗杆滚滚轮式转转向器1143.3.4 蜗杆指指销式转转向器1153.4 转向向轮侧偏偏角计算算154转向器器设计1174.1 齿轮轮齿条式式转向器器的结构构174.2 齿轮轮齿条式式转向器器形式1174.3 齿轮轮齿条式式转向器器的布置置形式1184.4
12、齿轮轮齿条啮啮合传动动的特点点194.5 转向向器参数数选取2214.6 选择择齿轮齿齿条材料料254.7 齿轮轮的强度度计算2254.7.1 齿轮齿齿条传动动的载荷荷计算2254.7.2 齿轮的的受力分分析2664.7.3 齿面接接触强度度计算2274.7.4 齿根弯弯曲强度度计算2294.8 齿条条的强度度计算3304.8.1 齿条的的受力分分析3004.8.2 齿条杆杆部受拉拉压的强强度计算算314.9 齿轮轮轴的结结构设计计324.100 轴轴承的选选择3224.111 转转向器的的润滑方方式和密密封类型型的选择择325 转转向操纵纵与传动动机构设设计3335.1 方向向盘设计计335
13、.1.1 FSAAE汽车车方向盘盘设计要要求：3335.1.2 结构形形式3335.2 转向向轴设计计345.3 转向向管柱设设计3665.4 转向向节设计计365.5 转向向横拉杆杆与球头头销3776 转向向梯形机机构优化化386.1 转向向梯形机机构概述述386.2 整体体式转向向梯形结结构方案案分析3386.3 整体体式转向向梯形机机构优化化分析3396.4 整体体式转向向梯形机机构优化化设计4426.4.1 优化方方法介绍绍426.4.2 优化设设计计算算437结论445参考文献献47致谢488IV成都学院学士学位论文（设计）绪论中国大学学生方程程式汽车车大赛（以以下简称称FSSAE）
14、是中中国汽车车工程学学会及其其合作会会员单位位，在学学习和总总结美、日日、德等等国家相相关经验验的基础础上，结结合中国国国情，精精心打造造的一项项全新赛赛事。FSAEE活动由由各高等等院校汽汽车工程程或与汽汽车相关关专业的的在校学学生组队队参加。FSAAE要求各各参赛队队按照赛赛事规则则和汽车车制造标标准，自自行设计计和制造造方程式式类型的的小型单单人座休休闲汽车车，并携携该车参参加全部部或部分分赛事环环节。比比赛过程程中，参参赛队不不仅要阐阐述设计计理念，还还要由评评审裁判判对该车车进行若若干项性性能测试试项目。在比赛过过程中，参参赛队员员能充分分将所学学的理论论知识运运用于实实践中。同同时
15、，还还学习到到组织管管理、市市场营销销、物流流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。目前，中中国汽车车工业已已处于大大国地位位，但还还不是强强国。从从制造业业大国迈迈向产业业强国已已成为中中国汽车车人的首首要目标标，而人人才的培培养是实实现产业业强国目目标的基基础保障障之一。大学生方方程式汽汽车活动动将以院院校为单单位组织织学生参参与，赛赛事组织织的目的的主要有有：一是重点点培养学学生的设设计、制制造能力力、成本本控制能能力和团团队沟通通协作能能力，使使学生能能够尽快快适应企企业需求求，为企企业挑选选优秀适适用人才才提供平平台；二是通过
16、过活动创创造学术术竞争氛氛围，为为院校间间提供交交流平台台，进而而推动学学科建设设的提升升；大赛在提提高和检检验汽车车行业院院校学生生的综合合素质，为为汽车工工业健康康、快速速和可持持续发展展积蓄人人才,增进产产、学、研研三方的的交流与与互动合合作等方方面具有有十分广广泛的意意义。毫无疑问问，对于于对汽车车的了解解仅限于于书本和和个人驾驾乘体验验的大学学生而言言，组成成一个团团队设计计一辆纯纯粹而高高性能的的汽车并并将它制制造出来来，是一一段极具具挑战，同同时也受受益颇丰丰的过程程。本次10级车辆辆工程的的毕业设设计一部部分同学学的设计计便是与与FSAAE汽车相相关的各各系统的的设计，本本文则
17、主主要研究究设计FSAAE汽车转转向系统统的设计计。1 汽汽车转向向系统总总述1.1 汽车转向向系统概概述转向系统统是用来来保持或或者改变变汽车行行驶方向向的机构构，在汽汽车转向向行驶时时，保证证各转向向轮之间间有协调调的转角角关系。在转向技术方面汽车和普通汽车一样，只是由于汽车的速度快，对转向性的灵敏度要求高，要求响应要足够快。但该汽车的转向系统和通常汽车在转向原理，转向要求和转向效果上都是基本相通的。转向系统统是汽车车底盘的的重要组组成部分分，转向向系统性性能的好好坏直接接影响到到汽车行驶驶的安全全性、操操纵稳定定性和驾驾驶舒适适性，它它对于确确保车辆辆的行驶驶安全、减减少交通通事故以以及
18、保护护驾驶员员的人身身安全、改改善驾驶驶员的工工作条件件起着重重要作用用。1.2 转向系系统类型型与发展展趋势汽车转向向系统的的发展经经历了3个基本本阶段，分分别为纯纯机械式式转向系系统、液液压助力力转向系系统和电电动助力力转向系系统，而而线控转转向系统统成为其其发展趋趋势。1、 纯机械式式转向系系统机械式的的转向系系统， 由于产产生转动动所需要要的转矩矩完全由由机械力力来提供供， 所以为为施加足足够的转转矩而不不得不适适用大直直径的方方向盘，因因此占用用了很大大的驾驶驶空间而而使转向向系统显显得很 笨拙，而而且驾驶驶人员操操作起来来也比较较吃力，故故适用范范围有很很大局限限性。但但是由于于其
19、结构构 简单、造造价低廉廉、故障障率低，目目前在一一部分转转向操纵纵力不大大、对操操控性能能要求不不高的微微型轿车车、农用用机械上上仍有使使用。2、液压压助力转转向系统统液压助力力转向系系统首次次使用于于19553年通用用汽车公公司。上上世纪80年代后后期，液液压助力力转向系系得到进进一步优优化，出出现了变变流量泵泵液压动动力转向向系统(Vaariaablee Diispllacee- mmentt Poowerr Stteerringg Puump) 和电动动液压助助力转向向系统(Ellecttricc Hyydraauliic PPoweer SSteeerinng，简称 EHHPS)。变
20、流流量泵助助力转向向系统的的工作原原理是在在汽车处处于不需需要转向向或者比比较高的的行驶速速度的情情况下，泵泵的流量量将会相相应地减减少，有有利于减减少不必必要的功功耗。电电动液压压转向系系统的转转向泵由由电动机机驱动，与与直接由由发动机机驱动转转向泵相相比，电电机的转转速可调调，也可可以随时时关闭，所所以也能能够起到到降低功功耗的功功效。液液压助力力转向系系统降低低了转向向盘操纵纵力，方方向盘的的直径可可以做的的较小，大大大减少少了方向向盘所占占用的驾驾驶室空空间，同同时也使使转向系系统变得得更加灵灵敏。由由于液压压助力转转向系统统技术已已经很成成熟、能能提供大大的转向向操纵助助力，目目前在
21、大大部分商商用车、部部分乘用用车，特特别是重重型车辆辆上应用用广泛。但但是，液液压助力力转向系系统在系系统安装装、密封封性、布布置、操操纵灵敏敏度、磨磨损能量量、噪声声与消耗耗等方面面存在一一定不足足。 3、 汽车电动动助力转转向系统统(EPSS)EPS由由日本铃铃木公司司在 19988 年首次次开发出出来，此此后，电电动助力力转向技技术得到到迅速发发展，其其应用范范围已经经从微型型轿车向向大型轿轿车和客客车方向向发展。电电动助力力转向系系统由转转矩传感感器、车车速传感感器、电电子控制制器、电电动机、电电磁离合合器和减减速机构构等组成成，汽车车处于起起动或者者低速行行驶状态态操作转转向时， 转
22、矩传传感器通通过不断断检测驾驾驶者作作用于转转向柱上上的扭矩矩，并将将车速信信号与此此信号同同时输入入ECU，ECU对输入入的信号号进行处处理运算算，确定定助力扭扭矩输出出的大小小与方向向，从而而控制电电动机的的电流与与转向，电电动机将将转矩传传递给转转向操作作机构中中的横拉拉杆。最最终，起起到为驾驾驶人员员提供辅辅助转向向力的功功效，当当车速达达到一定定的临界界车速时时或出现现故障时时，为保保证汽车车高速时时具有良良好操控控稳定性性，EPSS 系统将将退出助助力工作作模式，电电动机将将停止工工作，转转向系统统切换到到机械转转向系统统。当然然，不转转向的情情况下，电电动机就就不工作作。4、 汽
23、车线控控转向系系统线控转向向系统由由方向盘盘模块、转转向执行行模块和和主控制制器 3个主要要部分以以及自动动防故障障系统、电电源等辅辅助模块块组成。它它是一种种全新概概念的转转向系统统，由于于其取消消了方向向盘与转转向车轮轮间的机机械连接接，通过过软件协协调它们们之间的的运动关关系，可可以实现现一系列列传统转转向系统统无法实实现的特特殊功能能。汽车车线控转转向系统统能够减减轻驾驶驶员的负负担、提提高整车车主动安安全性，使使汽车性性能适应应更 多非职职业驾驶驶员的需需求，对对广大消消费者有有着巨大大的吸引引力。但但是由于于可靠性性要求及及制造成成本较高高，该系系统距离离普及仍仍有一段段距离。1.
24、3 FSAAE汽车转向向系统的的要求1、汽车车转弯行行驶时，全全部车轮轮都应绕瞬瞬时转向向中心旋旋转，任任何车轮轮不应有有侧滑。不不满足这这项要求求会加速速轮胎磨磨损，并并降低汽汽车的行行驶稳定定性；2、汽车车转向行行驶时，在在驾驶员员松开转转向盘的的条件下下，转向向轮能自自动返回回到直线线行驶位位置，并并稳定行行驶；3、汽车车在任何何行驶状状态下，转转向轮都都不得产产生自振振，转向向盘没有有摆动；4、转向向传动机机构和悬悬架导向向装置共共同工作作时，由由于运动动不协调调使车轮轮产生的的摆动应应最小；5、操纵纵轻便，保证轿轿车有较较高的机机动性，具具有迅速速和小转转弯行驶驶能力；6、转向向轮碰
25、撞撞到障碍碍物以后后，传给给转向盘盘的反冲冲力要尽尽可能小小；8、转向向器和转转向传动动机构的的球头处处，有消消除因磨磨损而产产生间隙隙的调整整机构；9、在车车祸中当当转向轴轴和转向向盘由于于车架或或车身变变形而共共同后移移时，转转向系应应有能使使驾驶员员免遭或或减轻伤伤害的防防伤装置置；10、方方向盘必必须与前前轮机械械连接，禁禁止使用用线控转转向；11、转转向系统统必须安安装有效效的转向向限位块块，以防防止转向向连杆结结构反转转（四杆杆机构在在一个节节点处发发生反转转）。限限位块可可安装在在转向立立柱或齿齿条上，并并且必须须防止轮轮胎在转转向行驶驶时接触触悬架、车车身或车车架部件件； 12
26、、转转向系统统的自由由行程不不得超过过 7（在方方向盘上上测量）； 13、方方向盘必必须安装装在快拆拆器上， 必须保保证车手手在正常常驾驶坐坐姿并配配戴手套套时可以以操作快快拆器；14、方方向盘轮轮廓必须须为连续续闭合的的近圆形形或近椭椭圆形，例例如：外外轮廓可可以有一一些部分分趋向直直线，不不能有内内凹的部部分。禁禁止使用用 H 形、8 型或分分开式方方向盘； 15、在在任何角角度，方方向盘上上端必须须低于前前环的上上端；16、进进行运动动校核，保保证转向向轮与转转向盘转转动方向向一致；正确设计计转向梯梯形机构构，可以以使第11项要求求得到保保证。转转向系统统中设置置有转向向减振器器时，能能
27、够防止止转向轮轮产生自自振，同同时又能能使传到到转向盘盘上的反反冲力明明显降低低。为了了使汽车车具有良良好的机机动性，必必须使转转向轮有有尽可能能大的转转角，并并要达到到按前外外轮车轮轮轨迹计计算，其其最小转转弯半径径能达到到汽车轴距距的22.5倍。通通常用转转向时驾驾驶员作作用在转转向盘上上的切向向力大小小和转动动圈数多多少两项项指标来来评价操操纵轻便便性。没没有装置置动力转转向的轿轿车，在在行驶中中转向，此此力应为为501000N；有动动力转向向时，此此力在2050N。轿车车转向盘盘从中间间位置转转到每一一端的圈圈数不得得超过2.0圈。2转向系系主要性性能参数数转向系统统主要参参数包括括转
28、向系系效率、转转向系传传动比、传传动副的的传动间间隙和转转向盘的的转动圈圈速。2.1 转向系系的效率率功率从转转向轴输输入，经经转向摇摇臂轴（或或横拉杆杆）输出出所求得得的效率率称为转转向器的的正效率率，用符符号表示示，；反反之称为为逆效率率，用符符号表示示。正效率计计算公式式：（2-11）逆效率计计算公式式：（2-22）式中，为为作用在在转向轴轴上的功功率；为为转向器器中的磨磨擦功率率；为作作用在转转向摇臂臂轴上的的功率。正正效率高高，转向向轻便；转向器器应具有有一定逆逆效率，以以保证转转向轮和和转向盘盘的自动动返回能能力。但但为了减减小传至至转向盘盘上的路路面冲击击力，防防止打手手，又要要
29、求此逆逆效率尽尽可能低低。影响转向向器正效效率的因因素有转转向器的的类型、结结构特点点、结构构参数和和制造质质量等。2.1.1 转向器器的正效效率影响转向向器正效效率的因因素有转转向器的的类型、结结构特点点、结构构参数和和制造质质量等。1、转向向器类型型、结构构特点与与效率在四种转转向器中中，齿轮轮齿条式式、循环环球式转转向器的的正效率率比较高高，而蜗蜗杆指销销式特别别是固定定销和蜗蜗杆滚轮轮式转向向器的正正效率要要明显的的低些。同一类型型转向器器，因结结构不同同效率也也不一样样。如蜗蜗杆滚轮轮式转向向器的滚滚轮与支支持轴之之间的轴轴承可以以选用滚滚针轴承承、圆锥锥滚子轴轴承和球球轴承。选选用
30、滚针针轴承时时，除滚滚轮与滚滚针之间间有摩擦擦损失外外，滚轮轮侧翼与与垫片之之间还存存在滑动动摩擦损损失，故故这种轴轴向器的的效率+仅有54%。另外外两种结结构的转转向器效效率分别别为70%和75%。转向摇臂臂轴的轴轴承采用用滚针轴轴承比采采用滑动动轴承可可使正或或逆效率率提高约约10%。2、转向向器的结结构参数数与效率率如果忽略略轴承和和其经地地方的摩摩擦损失失，只考考虑啮合合副的摩摩擦损失失，对于于蜗杆类类转向器器，其效效率可用用下式计计算：（2-33）式中，aa0为蜗杆杆（或螺螺杆）的的螺线导导程角；为摩擦擦角，=arrctaanf；f为磨擦擦因数。2.1.2 转向器器的逆效效率根据逆效
31、效率不同同，转向向器有可可逆式、极极限可逆逆式和不不可逆式式之分。路面作用用在车轮轮上的力力，经过过转向系系可大部部分传递递到转向向盘，这这种逆效效率较高高的转向向器属于于可逆式式。它能能保证转转向轮和和转向盘盘自动回回正，既既可以减减轻驾驶驶员的疲疲劳，又又可以提提高行驶驶安全性性。但是是，在不不平路面面上行驶驶时，传传至转向向盘上的的车轮冲冲击力，易易使驾驶驶员疲劳劳，影响响安全行行驾驶。属于可逆逆式的转转向器有有齿轮齿齿条式和和循环球球式转向向器。不可逆式式和极限限可逆式式转向器器。不可可逆式转转向器，是是指车轮轮受到的的冲击力力不能传传到转向向盘的转转向器。该该冲击力力转向传传动机构构
32、的零件件承受，因因而这些些零件容容易损坏坏。同时时，它既既不能保保证车轮轮自动回回正，驾驾驶员又又缺乏路路面感觉觉，因此此，现代代汽车不不采用这这种转向向器。极极限可逆逆式转向向器介于于可逆式式与不可可逆式转转向器两两者之间间。在车车轮受到到冲击力力作用时时，此力力只有较较小一部部分传至至转向盘盘。如果忽略略轴承和和其它地地方的磨磨擦损失失，只考考虑啮合合副的磨磨擦损失失，则逆逆效率可可用下式式计算（2-44）式（2-3）和式式（2-4）表明明：增加加导程角角，正、逆逆效率均均增大。受受增大的的影响，不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向
33、器。为此，导程角必须大于磨擦角。2.2 传动比比变化特特性转向系的的传动比比包括转转向系的的角传动动比和转转向系的的力传动动比iP，两者者之间的的关系对对转向的的整体性性能有很很大影响响。2.2.1 转向系系传动比比传动系的的力传动动比：（2-55）转向系的的角传动动比: （2-66）转向系的的角传动动比由转转向器角角传动比比和转向向传动机机构角传传动组成成，即：（2-77）转向器的的角传动动比:（2-8）转向传动动机构的的角传动动比:（2-99）2.2.2 力传动动比与转转向系角角传动比比的关系系转向阻力力与转向向阻力矩矩的关系系式：（2-110）作用在转转向盘上上的手力力与作用用在转向向盘
34、上的的力矩的的关系式式：（2-111）将式（22-100）、式式（2-111）代入 后得到到：（2-112）如果忽略略磨擦损损失，根根据能量量守恒原原理，2Mrr/Mhh可用下下式表示示 （2-113）将式（22-100）代入入式（2-111）后得得到：（2-114）当a和DDsw不变时时，力传传动比越越大，虽虽然转向向越轻，但但也越大大，表明明转向不不灵敏。2.2.3 转向器器角传动动比的选选择转向器角角传动比比可以设设计成减减小、增增大或保保持不变变的。影影响选取取角传动动比变化化规律的的主要因因素是转转向轴负负荷大小小和对汽汽车机动动能力的的要求。若转向轴轴负荷小小或采用用动力转转向的汽
35、汽车，不不存在转转向沉重重问题，应应取较小小的转向向器角传传动比，以以提高汽汽车的机机动能力力。若转转向轴负负荷大，汽汽车低速速急转弯弯时的操操纵轻便便性问题题突出，应应选用大大些的转转向器角角传动比比。汽车以较较高车速速转向行行驶时，要要求转向向轮反应应灵敏，转转向器角角传动比比应当小小些。汽汽车高速速直线行行驶时，转转向盘在在中间位位置的转转向器角角传动比比不宜过过小。否否则转向向过分敏敏感，使使驾驶员员精确控控制转向向轮的运运动有困困难。转向器角角传动比比变化曲曲线应选选用大致致呈中间间小两端端大些的的下凹形形曲线，如如图2-1所示。图2-11转向器器角传动动比变化化特性曲曲线2.3 转
36、向器器传动副副的传动动间隙传动间隙隙是指各各种转向向器中传传动副之之间的间间隙。该该间隙随随转向盘盘转角的的大小不不同而改改变，并并把这种种变化关关系称为为转向器器传动副副传动间间隙特性性（图22-2）。研究该特特性的意意义在于于它与直直线行驶驶的稳定定性和转转向器的的使用寿寿命有关关。传动副的的传动间间隙在转转向盘处处于中间间位置及其其附近位位置时要要很小，最最好无间间隙。若若转向器器传动副副存在的的传动间间隙很大大时，当转向轮轮受到较较大的侧侧向力作作用，车车轮将很很有可能能偏离原原行驶路路线，使使车辆失去去稳定。传动副在在中间位位置及其其附近位位置因使使用频繁繁，磨损损速度要要比两端端快
37、。在在中间位位置及附附近位置置因磨损损造成的的间隙过过大时，必必须经调调整消除除该处间间隙。图2-22 转向器器传动副副传动间间隙特性性转向器传传动副传传动间隙隙特性 图中曲曲线1表明转转向器在在磨损前前的间隙隙变化特特性；曲曲线2表明使使用并磨磨损后的的间隙变变化特性性，并且且在中间间位置处处已出现现较大间间隙；曲曲线3表明调调整后并并消除中中间位置置处间隙隙的转向向器传动动间隙变变化特性性。2.4 转向盘盘的总转转动圈数数转向盘从从一个极极端位置置转到另另一个极极端位置置时所转转过的圈圈数称为为转向盘盘的总转转动圈数数。它与与转向轮轮的最大大转角及及转向系系的角传传动比有有关，并并影响转转
38、向的操操纵轻便便性和灵灵敏性。轿轿车转向向盘的总总转动圈圈数较少少，一般般约在3.6圈以内内。而对对于方程程式汽车车而言，过过多的转转动圈速速不利于于提高转转向的灵灵敏度。本本文的设设计参考考Forrmulla 11汽车转转向系统统，转动动圈速为为2/3圈，及及左右各各1200。483FSAAE汽车车转向系统统总体机机构设计计FSAEE汽车属属于小型型赛车，其其整备质质量很轻轻，整体体尺寸也也很小，本本章将确确定转向向系统的的主要参参数，并并根据确确定的参参数进行行转向系系统类型型的选择择。3.1 参考数数据的确确定表3-11 FFSAEE汽车转转向系统统参数前轮距BB112500mm后轮距B
39、B212000mm轴距L16500mm满载轴荷荷分配：前/后169.2/1900.8(kg)轮胎223/5333R14主销偏移移距a100mmm轮胎压力力p/MMPa0.455方向盘直直径DSW300mmm最小转弯弯半径RR3.5mm转向节臂臂L190mmm3.2 转向系系统类型型选择汽车转向向系可按按转向能能源的不不同分为为机械转转向系和和动力转转向系两两大类。3.2.1 机械转转向系机械转向向系中转转向能源源是来自自驾驶员员的体力力，其中中所有传传力件都都是机械械的。机机械转向向系由转转向器、转转向操纵纵机构和和转向传传动机构构三大部部分组成成。图3-11所示的的机械转转向系统统。当汽汽车
40、转向向时，驾驾驶员对对转向盘盘施加一一个转向向力矩。该该力矩通通过转向向轴和柔柔性联轴轴节输入入转向器器，转向向器再将将力经左左，右横横拉杆,将力传传给固定定于两侧侧转向节节上的左左、右转转向节臂臂，使转转向节和和它所支支撑的转转向轮绕绕主销轴轴线偏移移一定角角度，实实现转向向。目前，许许多国内内外生产产的新车车型在转转向操纵纵机构中中转向轴轴采用了了万向传传动装置置（转向向万向节节和转向向传动轴轴）。这这有助于于转向盘盘和转向向器等部部件和组组件的通通用化和和系列化化。只要要适当改改变转向向万向传传动装置置的几何何参数，便便可以满满足各种种变型车车的总布布置要求求。即使使在转向向器与转转向盘
41、同同轴线的的情况下下，其间间也可以以采用万万向传动动装置，以以补偿由由于部件件在车上上的安装装基体和和安装误误差（驾驾驶室、车车架）的的变形所所造成的的二者轴轴线实际际上的不不重合。图3-11 机械转转向系统统3.2.2 动力转转向系为了减轻轻转向时时驾驶员员作用到到转向盘盘上的手手力和提提高行驶驶安全，在在有些汽汽车上装装设了动动力转向向机构。动动力转向向系统主主要分为为液压助助力转向向系统、电电动助力力转向系系统。如如图（3-2、3-3）。图3-22液压助助力转向向系统图3-33 电动助助力转向向系统示示意图发动机排排量在2.55L以上的的乘用车车，由与与对其操操纵轻便便性的要要求越来来越
42、高，采采用或者者可供选选装动力力转向器器的逐渐渐增多。转转向轴轴轴载质量量超过2.55t的货车车，可以以采用动动力转向向；当超超过4t时，应应该采用用动力转转向。动力转向向系统是是一种转转向能源源是来自自于发动动机（或或电动机机）的动动力和驾驾驶员体体力的转转向系统统。在机机械转向向系统的的基础上上加设一一套转向向助力装装置就形形成的动动力转向向系统。在正常情情况下，汽汽车所需需转向能能量，大大部分是是由发动动机所驱驱动的动动力转向向装置提提供的其其中只有有一小部部分由驾驾驶员来来提供，如如果动力力转向装装置出现现故障无无法提供供助力时时，此时时驾驶员员能独立立承担汽汽车转向向所需的的能量。所
43、所以在机机械转向向系的基基础上加加设一套套动力转转向装置置就形成成了动力力转向系系统。对较轻的的汽车人人力勉强强可以实实现转向向，但对对于最大大总质量量大于等等于50吨的重重型汽车车而言，动动力转向向装置一一旦失效效，转向向轮在驾驾驶员通通过机械械传动系系加于万万向节的的力的作作用下远远不足发发生偏转转从而实实现转向向。动力力转向装装置稳定定可靠程程度对这这种汽车车尤为重重要。FSAEE汽车属属于小型型车辆，整整备质量量尽为3000kg左右，所所以本设设计选用用的机械械转向系系统。3.3 转向器器类型选选择转向器是是整个转转向系统统的核心心部分，转转向器的的设计也也就是整整个转向向系统的的关键
44、所所在。根根据所采采用的转转向传动动副的不不同，常常见转向向器的结结构型式式有四种。分别别有齿轮轮齿条式式、循环环球式、球球面蜗杆杆滚轮式式和蜗杆指指销式等等。3.3.1 齿轮齿齿条转向向器齿轮齿条条式转向向器（图图3-4）由与与转向轴轴做成一一体的转转向齿轮轮和常与与转向横横拉杆做做成一体体的齿条条组成。齿齿轮齿条条式转向向器与其其他形式式的转向向器相比比，其最最主要的的优点是是：结构构简单，紧紧凑，壳壳体压铸铸而成材材质多选选用铝合合金或者者镁合金金，其的的质量相相对比较较少；转转向器占占用的体体积小；传动效效率也高高达90%，没有有转向摇摇臂和直直拉杆，所所以转向向轮转角角可以增增大；制
45、制造成本本低。齿轮齿齿条转向向器最主主要的缺缺点是：因逆效效率高（60%700%），汽汽车在不不平路面面上行驶驶时，发发生在转转向轮与与路面之之间冲击击力的大大部分能能转至转转向盘，称称之为反反冲。反反冲现象象会使驾驾驶员精精神紧张张，并难难以准确确控制汽汽车行驶驶方向，转转向盘突突然转动动又会造造成打手手，同时时对驾驶驶员造成成伤害。图3-44 齿轮齿齿条式转转向器3.3.2 循环球球式转向向器循环球式式转向器器由螺杆杆和螺母母共同形形成的螺螺旋槽内内装钢球球构成的的传动副副，以及及螺母上上齿条与与摇臂轴轴上齿扇扇构成的的传动副副组成，如如图（3-5）。图3-55 循环球球式转向向器循环球式
46、式转向器器的优点点是：因因为可以以循环流流动的钢钢球在螺螺杆和螺螺母之间间滚动，上上滑动摩摩擦转变变成滚动动摩擦，其其传动效效率高达达到75%855%；另外外在结构构与工艺艺方面进进行改良良，例如如降低工工作表面面的粗糙糙度和提提高螺杆杆螺母制制造精度度。螺杆杆螺母上上的螺纹纹经磨削削加工和和淬火，硬硬度和耐耐磨损性性能都等等到很大大提升，保保证螺杆杆螺母的的使用寿寿命得意意提升；工作平平稳可靠靠；并且且转向器器的传动动比也是是可以变变化。 循环球式式转向器器的缺点点是：逆逆效率高高，结构构复杂，制制造困难难，制造造精度要要求高,循环球球式转向向器主要要用于商商用车上上。3.3.3 蜗杆滚滚轮式转转向器蜗杆滚轮轮式转向向器（如如图3-6）主要要由蜗杆杆和滚轮轮相互啮啮合而构构成。此此类转向向器的优优点主要要是：结结构较简简单；易易加工；由于蜗蜗杆上的的螺纹和和滚轮的的齿面属属于面接接触，所所以强度度较高，