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AUTO TIME
史明月 任峰 李龙海
长春师范大学工程学院 吉林省长春市 130032
摘 要： F SEC 赛车转向机构的设计在赛车总体结构设计中意义重大，赛车行驶中车手对赛车的控制主要是
通转向盘对车轮进行转向的控制。良好的的赛车转向系统是赛车转向行驶性能、操纵稳定性等性能的前提和保障，针对赛车结构设计一款专用的符合阿克曼转角关系的转向梯形。 关键词：FSAE 赛车；阿克曼转角；转向梯形
1 研究现状
截止目前中国已经举办了多届FSAE 比赛，大学方程式赛车各项技术也在迅猛的发展，针对赛车各个部分都有大量的相关结果以供研究。转向机构作为整车的一个重要组成部分，其研究内容比较丰富多元，对其进一步研究仍有重要意义。
2 参数的初始设定
根据赛场情况确定车的结构参数，确定转向系统功能范围。比赛中考验转向性能的项目主要是八字绕环和高速避障[1]。根据赛道情况和比赛规则等因素，我们设定了最小转
弯半径R 为3500mm，轴距L 为1650mm，主销距K 为1190mm 由悬架确定，前轮距为1220mm 左右，后轮距1180mm。本次设计前轮转向系统，所以后轮轮距只做了解。根据以上参数则可通过公式R=L/sin（β）计算出赛车外轮理想最大转角约为28.1°，为保证标准阿克曼转向，则通过公式cot（β）-cot （α）=K/L 计算内轮理想转角42.44°。我们首先将关节臂长度设置为110mm。赛车转向机构先设定采用齿轮齿条转向器[2]。
在后期设计过程中进行验证修缮，通过CATIA 进行三维展示，进行干涉分析等发现问题，并在设计过程中对三维图进行修改，并得到最终的转向系统。
不同类型的转向机有不同的结构组成，但其主要功能是相同的，考虑到我们的赛车体积有限，重量较
小所以采用无助力的机械式转向器。我们选择齿轮齿条式转向器，将其依附于车架底部，受力合理，因此该车转向传动机构可以非常简单紧凑。与其他类型的机械转向器相比，其原理简洁方便，易于设计和加工。体积可以进一步缩小。
转向梯形是由前轴，左右转向节臂和转向拉杆组成的梯形。其作用是确保左右车轮在转弯时以一定比例转动一定角度[3]。根据转向器位于前轴后方、前方，梯形臂前置、后置，转向器有四种安装形式；如图1所示。我们选择了转向器位于前轴后方，梯形臂前置的形式[4]。
图1
行驶方向
行驶方向
行驶方向
行驶方向
（a）
（c）（b）
（d）
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3 转向梯形和转向器的功能参数计算
根据之前参数的设定，赛车外轮最大转
角28.1°内轮转角42.44°。因为是赛车，
我们首先考虑方向盘的灵敏性，转向盘从中
间位置到左止点转动的角度为135°，与外轮
转角28.1°相对应，则转向比为4.8：1。
我们将转向节臂长度设定为110mm，内
外轮角度分别为28.1°和42.44°。计算转
向节臂划过弧长接近67mm。
转向盘在转角270°范围使齿条行程在范
围70mm左右。
4 转向梯形的优化设计
对于双横臂独立悬架，在悬架跳动时有
杆系干涉，直观的我们使横拉杆与悬架摆臂
之间各杆系都互相趋向于平行四边形布置，
我们使断开点的位置接近于悬架与车身固定
点所在的平面上，其准确位置用求解法（三
心定理）确定[5]。
建立数学模型，设赛车的轴距L、左右两
主销轴间距离K，齿条两端球铰中心距M，
梯形臂长L1，转向器轴线到前轴的距离h，
旧衣服加工设备横拉杆长度L2可列式计算。当方向盘转动时，
齿条向左或向右水平移动，导致左右车轮的
不同运动，使得左轮和右轮分别获得一个角。
将齿条设置在右侧以移动特定行程S，然后将
右梯形臂推过右侧横杆以使车轮转动。
可建立坐标系，梯形底角顶点O为坐标原点，沿车辆横向和纵向分别为X、Y轴，齿条行程S与外轮转角的关系式并可求得内轮转角的关系式。
通过MATLAB内外轮转角关系曲线程序，在L1为110mm的基础上改变底角值，安装距离h大小等参数。使实际角度接近阿克曼转角[6]，过程如图2所示。
可以直观的在CATIA草图中进行平面模拟，约束线条关系并进行运动学分析，可以改变梯形臂长度，
底角，和拉杆长度，对转向中心的变化进行观察，对数据进行表格记录，总结规律，结合MATLAB的结果进行各个参数的最终确定。如图3所示。
最后可以通过Ansys进行了拉杆总成的应力分析，其主要为对杆端球轴承的分析，分析结果如图4所示。
杆的分析结果为：这个杆是机构中较为脆弱的部分，其承载的最大应力6.672MPa，远远小于其屈服极限785MPa，所以可以认为
这根横拉杆是符合安全强度性能的[7]。
5 结语
对于转向系统的设计非常复杂，在设计
时需要将部分因素忽略，建立理想化模型，
主要借助软件的仿真进行验证可行性，求最
佳值。本次设计主要以CATIA软件为工具，
建立三维实体装配模型，进行预装配，并进
行运动分析，实现转向系统基本运动关系，
并检查干涉情况与其他配合件的安装位置，
与干涉量，最终实现完整设计。
参考文献：
[1]宋芷伊，贺雨晴，吴香燕，郭鹏飞，黄冠
球.大学生F1赛车转向系统仿真及优化设
净烟器计[J].南方农机，2016，47（06）：69-70.
[2]邵非，李传昌，徐华源.大学生方程式赛
车转向梯形设计与优化[J].上海工程技术
大学学报，2018，32（01）：58-63.
[3]朱发旺，尉庆国.转向梯形机构的设计
及优化[J].内燃机与配件，2015（03）：
6-10.
[4]赵聪.FSAE赛车转向系统设计及性能分析
[D].合肥工业大学，2015.
[5]转向机构运动学分析[J].国外汽车，1970
箱包手把（02）：24-40.
[6]石启龙，杨建伟.基于MATLAB的断开式
转向梯形机构的优化设计[J].机械设计与
茶油精制造，2011（02）：8-10.delta并联机器人
[7]张林海，冯庆东，侯宇，薛党琴，任义磊，
冯耀东.游车下提环力学分析[J].南阳理工
学院学报，2016，8（02）：65-68.
作者简介
史明月： (1998.06—)，男，汉族，山东济宁市人，
大学本科在读，现就读于长春师范大学
工程学院车辆工程专业。
地沟油提炼
图3
图2
图4
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