CN107685763B - 一种大学生方程式赛车转向系统、制造及其安装方法 - Google Patents

Abstract

一种大学生方程式赛车转向系统、制造及其安装方法，所述转向系统包括转向组件、压紧装置、可调横拉杆以及方向盘总成，所述转向组件包括转向机壳体、横向套管、齿轮轴和齿条，方向盘总成通过连接杆组件与转向机壳体相连；制造方法根据赛胎官方试验数据作拟合分析，选取最适宜阿克曼百分比；通过MATLAB优化筛选出合理转向梯形布置形式，校核转向力矩和拟合阿克曼曲线进行比较分析；利用adams修正并制造出相应的转向组件、压紧装置、可调横拉杆以及方向盘总成；安装方法为将转向机壳体与横向套管一端卡接；选择合适的齿轮轴齿条传动比并安装压紧装置、安装方向盘总成；调整可调横拉杆的长度，安装完毕。本发明的有益效果是：精准灵敏、稳定可靠并具有限位。

Description

一种大学生方程式赛车转向系统、制造及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种大学生方程式赛车转向系统、制造及其安装方法。

背景技术

FSAE(中国大学生方程式大赛)赛车的转向系统是连接车手与赛车的最重要的桥梁，转向系统需要与悬架、轮边以及动力源协同工作，才能保证在各种工况下转向的灵敏性与精准性。车手通过手握方向盘，根据实际车况和路况，对转向系统进行操控，实现对赛车的行驶控制。同时，安装在转向部件上的角位移传感器获得转角大小及转角加速度等一系列的信号后，迅速传输至整车控制器进行运算并执行，实现后轮的电子差速。此外，为了保证车手的安全，该转向系统采用了快拆式方向盘，便于在紧急情况下，车手能够及时逃生。转向系统是车手对车辆起控制作用的核心系统，车辆的操控稳定性都取决于转向系统设计的合理性、可靠性和科学性。由于国外大学生方程式赛车比赛以及娱乐级的赛车早已普及，对转向系统的设计制造已经相当成熟，并且已经掌握大量专利技术。在国外赛车文化的影响下，国内的各类业余赛事正蓬勃兴起，但易于改装，便于布置的赛车转向系统的技术尚未成熟。对于该转向系统，我们采用了齿轮齿条式转向结构，根据对轮胎、悬架以及车辆情况的分析，通过优化计算，可以灵活更改转向梯形布置形式，提高转向系统的适应性。我们针对齿条齿轮转向系统经常存在的间隙松动问题和难以实现轻量化问题进行了创新改善。

发明内容

为了防止车轮过度转向甚至反转影响赛车安全性的问题，本发明提出一种精准灵敏、稳定可靠并具有限位的大学生方程式赛车转向系统、制造及其安装方法。

本发明所述的一种大学生方程式赛车转向系统，其特征在于：包括用于实现方向盘转向的转向组件、用于限制方向盘转动角度的压紧装置、用于与车架相连的可调横拉杆以及用于转向的方向盘总成，所述转向组件包括转向机壳体、横向套管、齿轮轴和齿条，所述转向机壳体包括两个同轴的横向接口和一个带有内螺纹的纵向接口，并且两个横向接口的外端均设有用于安装横向套管的轴肩，两个横向接口之间设有用于插入压紧装置的安装通孔，其中所述安装通孔与纵向接口内腔连通；所述转向机壳体的轴肩各安装一根横向套筒；所述横向套筒通过支座安装在车架内腔前部；所述齿条的背面设有用于与压紧装置配合的平台，所述齿条同轴插入所述横向套筒内，并且齿条的两端从相应的横向套筒内伸出后与所述可调横拉杆铰接；所述可调横拉杆的另一端与车前轮安装轴相连；所述齿轮轴的安装部插入所述纵向接口内，并且所述齿条与所述齿轮轴啮合；所述方向盘总成通过连接杆组件与所述转向机壳体相连，其中连接杆组件的底部与所述齿轮轴的安装部铰接，所述连接杆组件的顶部与方向盘总成螺接。

所述齿条的外壁沿其轴向设有能与齿轮轴啮合的齿，并且与齿相对的齿条外壁设有平台，所述齿条的齿数为14，所述齿轮轴的齿数为19，模数为1.5，齿宽为18mm，压力角为20°，齿条的两端各设有用于限定横向套管轴向移动的齿条轴肩。

所述压紧装置包括带凸肩的压紧螺柱和按压块，所述压紧螺柱的按压端固接按压块，其中压紧装置从外向内插入安装通孔内，并与之螺接，压紧装置的按压块抵在齿条的平台处。

所述可调横拉杆的两端各螺接一个用于调节可调横拉杆长度的螺母，并且螺母的螺帽处固接一鱼眼轴承。

所述连接杆组件包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的两端分别配有底部连接件和顶部连接件，所述第一连杆的底部连接件与齿轮轴的安装部铰接，第一连杆的顶部连接件与第二连杆底部铰接，第二连杆的顶部安装方向盘总成，所述第二连杆上设有用于卡在车架上的卡件。

根据本发明所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，包括以下步骤：

(1)根据赛胎官方试验数据作拟合分析，并考量轮胎刚度、悬架刚度、空套影响、车身侧倾刚度以及比赛项目工况，获得所需特定状态后经MATLAB程序仿真优化，选取最适宜的阿克曼百分比，选取阿克曼百分比为58％；

(2)得到合理阿克曼百分比后，通过MATLAB程序进行优化，筛选出合理的转向梯形布置形式，并根据国标要求校核转向力矩，该转向梯形下的内外轮转角曲线与标准阿克曼曲线进行比较；

(3)利用adams软件，与悬架和轮边联合进行运动学分析，验证该梯形布置形式在整车仿真中，车轮跳动、转向引起的轮胎定位参数变化的合理程度并进行修正；

(4)根据修正后的参数(见表一、表二)，制造出相应的转向组件、压紧装置、可调横拉杆以及方向盘总成。

方向盘主体：采用碳纤维材料激光切割；方向盘握把：让车手握印出手型模型，通过3D扫描仪将实体模型扫描至电脑中，再通过3D打印机打印而成；其余零件都采用机加工成型。

阿克曼关系：指内外转向轮转角符合一定的规律，使车辆在转向工况下，内外转向轮的转向中心位于后轴延长线上的同一点，保证所有车轮均做纯滚动运动。

阿克曼百分比：指内外转向轮转角关系在所有转角下对于阿克曼曲线的综合的拟合程度。

阿克曼曲线：符合标准阿克曼关系的内外转向轮转角关系图。

转向机壳体，并通过分析优化达到轻量化目的。这样的转向机壳体的优点在于制造成本低，轻巧实用，定位精准，调试便捷，同时两端设有轴肩，可直接由左右支座支撑固定，实现最大程度的轻量化；

为保证齿轮轴的齿轮与齿条的齿传动时的啮合度足够好，减小间隙对转向操作的影响，齿条背面设计有平台结构，既配合压紧装置工作，又能起到限位作用。同时齿条的轴肩设计既是为了和碳纤维材料的横拉杆粘合，符合轻量化设计理念；定义齿条的轴向齿为正面，与轴向的齿相对的外壁为背面；

为了避免由于不同工况和使用时间导致齿轮齿条啮合程度下降，以及防止转向过度甚至车轮反转，设计了由尼龙压块、压紧螺柱组成的压紧装置。该压紧装置的优点在于调节方便、可靠，更换零件便捷，使用寿命长，制造成本低廉，并兼有限位作用。

为了根据实际工况改变车轮前束角来提升车辆操控稳定性，需要可调横拉杆的长度，在已有的鱼眼轴承的基础上，焊上一枚螺母，可以通过拧动螺母来实现可调横拉杆的长度调节。

考虑到车手的安全，车手操控赛车的舒适度以及制造成本，设计了方向盘快拆结构，通过使用专业的赛车快拆器，就能轻易实现方向盘在紧急情况下能快速拆下，以及在驻车过程中保证车辆安全，同时方向盘主体采用了通过手模扫描，3D打印而成的手柄和激光切割而成的碳板复合而成，最大程度上实现轻量化、舒适性和经济性。

根据本发明所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，包括以下步骤：

1)在转向机壳体横向接口通过其端部的轴肩与同侧的横向套管一端卡接，并保持两根横向套管均与横向接口同轴，横向套管的另一端通过相应的支座安装在车架的内腔前部；

2)选择合适的齿轮轴齿条传动比，然后将齿条穿入转向机壳体以及两根横向套管内，齿条的两端从同侧的横向套管内穿出，将压紧装置从限位通孔内贯穿后抵在齿条的背部的平台处，并通过调整压紧装置的压紧程度实现转向角度的限位；

3)将齿轮轴的安装部贯穿转向机壳体的纵向接口的通孔并固定，齿轮轴的齿轮与齿条啮合，齿轮轴的安装部与连接杆组件的第一连杆底部铰接，连接杆组件的第二连杆的顶部安装方向盘总成；

4)调整可调横拉杆的长度，在齿条的两端分别与相应的可调横拉杆相铰接，可调横拉杆的另一端与车前轮安装轴相连，此时转向系统安装完毕。

本发明的有益效果是：针对齿条齿轮转向系统经常存在的间隙松动问题和难以实现轻量化问题，我们加入了自己的创新想法，使其大大延长了使用寿命和实现轻量化，并能配合后轮电子差速运算，提高车辆操控性和经济性。

附图说明

图1是本发明的立体结构图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的转向机壳结构图；

图6是本发明的齿轮轴结构图；

图7是本发明的齿条结构图；

图8是本发明的齿轮轴齿条啮合图；

图9是本发明的可调横拉杆结构图之一；

图10是本发明的可调横拉杆结构图之二；

图11是本发明的可调横拉杆的鱼眼轴承结构图；

图12是本发明的方向盘总成结构图；

图13是本发明的安装使用图；

图14是本发明的安装使用图的主视图；

图15是本发明的安装使用图的左侧视图；

图16是本发明的安装使用图的仰视图；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种大学生方程式赛车转向系统，包括用于实现方向盘转向的转向组件1、用于限制方向盘转动角度的压紧装置2、用于与车架相连的可调横拉杆3以及用于转向的方向盘总成4，所述转向组件1包括转向机壳体11、横向套管12、齿轮轴13和齿条14，所述转向机壳体11包括两个同轴的横向接口111和一个带有内螺纹的纵向接口112，并且两个横向接口111的外端均设有用于安装横向套管的轴肩，两个横向接口111之间设有用于插入压紧装置的安装通孔113，其中所述安装通孔113与纵向接口112内腔连通；所述转向机壳体11的轴肩各安装一根横向套筒12；所述横向套筒12通过支座121安装在车架5内腔前部；所述齿条14的背面设有用于与压紧装置配合的平台141，所述齿条14同轴插入所述横向套筒12内，并且齿条14的两端从相应的横向套筒12内伸出后与所述可调横拉杆3铰接；所述可调横拉杆3的另一端与车前轮安装轴相连；所述齿轮轴13的安装部插入所述纵向接口112内，并且所述齿条14与所述齿轮轴13啮合；所述方向盘总成4通过连接杆组件41与所述转向机壳体11相连，其中连接杆组件41的底部与所述齿轮轴13的安装部铰接，所述连接杆组件41的顶部与方向盘总成4螺接。

所述齿条14的外壁沿其轴向设有能与齿轮轴13啮合的齿，并且与齿相对的齿条外壁设有平台141，所述齿条的齿数为14，所述齿轮轴的齿数为19，模数为1.5，齿宽为18mm，压力角为20°，齿条14的两端各设有用于限定横向套管轴向移动的齿条轴肩142。

所述压紧装置2包括带凸肩的压紧螺柱21和按压块22，所述压紧螺柱21的按压端固接按压块22，其中压紧装置从外向内插入安装通孔113内，并与之螺接，压紧装置2的按压块22抵在齿条14的平台处。

所述可调横拉杆3的两端各螺接一个用于调节可调横拉杆长度的螺母31，并且螺母31的螺帽处固接一鱼眼轴承32。

所述连接杆组件41包括第一连杆411和第二连杆412，所述第一连杆411的两端分别配有底部连接件和顶部连接件，所述第一连杆411的底部连接件与齿轮轴13的安装部铰接，第一连杆411的顶部连接件与第二连杆412底部铰接，第二连杆412的顶部安装方向盘总成4，所述第二连杆412上设有用于卡在车架上的卡件4121。

实施例2根据实施例1所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，包括以下步骤：

(1)根据赛胎官方试验数据作拟合分析，并考量轮胎刚度、悬架刚度、空套影响、车身侧倾刚度以及比赛项目工况，获得所需特定状态后经MATLAB程序仿真优化，选取最适宜的阿克曼百分比；

(2)得到合理阿克曼百分比后，通过MATLAB程序进行优化，筛选出合理的转向梯形布置形式，并校核转向力矩和拟合阿克曼曲线进行比较分析；

(3)利用adams软件，与悬架和轮边联合进行运动学分析，验证该梯形布置形式在整车仿真中，车轮跳动、转向引起的轮胎定位参数变化的合理程度并进行修正；

(4)根据修正后的参数(见表一、表二)，制造出相应的转向组件、压紧装置、可调横拉杆以及方向盘总成。

表一转向系统参数表

表二转向系统参数表

实施例3根据实施例1本发明所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，包括以下步骤：

1)在转向机壳体横向接口通过其端部的轴肩与同侧的横向套管一端卡接，并保持两根横向套管均与横向接口同轴，横向套管的另一端通过相应的支座安装在车架的内腔前部；

2)选择合适的齿轮轴齿条传动比，然后将齿条穿入转向机壳体以及两根横向套管内，齿条的两端从同侧的横向套管内穿出，将压紧装置从限位通孔内贯穿后抵在齿条的背部的平台处，并通过调整压紧装置的压紧程度实现转向角度的限位；

3)将齿轮轴的安装部贯穿转向机壳体的纵向接口的通孔并固定，齿轮轴的齿轮与齿条啮合，齿轮轴的安装部与连接杆组件的第一连杆底部铰接，连接杆组件的第二连杆的顶部安装方向盘总成；

4)调整可调横拉杆的长度，在齿条的两端分别与相应的可调横拉杆相铰接，可调横拉杆的另一端与车前轮安装轴相连，此时转向系统安装完毕。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据赛胎官方试验数据作拟合分析，并考量轮胎刚度、悬架刚度、空套影响、车身侧倾刚度以及比赛项目工况，获得所需特定状态后经MATLAB程序仿真优化，选取最适宜的阿克曼百分比；

（2）得到合理阿克曼百分比后，通过MATLAB程序进行优化，筛选出合理的转向梯形布置形式，并校核转向力矩和拟合阿克曼曲线进行比较分析；

（3）利用adams软件，对悬架和轮边联合进行运动学分析，验证该转向梯形布置形式在整车仿真中，车轮跳动、转向引起的轮胎定位参数变化的合理程度并进行修正；

（4）根据修正后的参数，制造出相应的转向组件、压紧装置、可调横拉杆以及方向盘总成；

其中，所述转向系统包括用于实现方向盘转向的转向组件、用于限制方向盘转动角度的压紧装置、用于与车架相连的可调横拉杆以及用于转向的方向盘总成，所述转向组件包括转向机壳体、横向套管、齿轮轴和齿条，所述转向机壳体包括两个同轴的横向接口和一个带有内螺纹的纵向接口，并且两个横向接口的外端均设有用于安装横向套管的轴肩，两个横向接口之间设有用于插入压紧装置的安装通孔，其中所述安装通孔与纵向接口内腔连通；所述转向机壳体的轴肩各安装一根横向套管；所述横向套管通过支座安装在车架内腔前部；所述齿条的背面设有用于与压紧装置配合的平台，所述齿条同轴插入所述横向套管内，并且齿条的两端从相应的横向套管内伸出后与所述可调横拉杆铰接；所述可调横拉杆的另一端与车前轮安装轴相连；所述齿轮轴的安装部插入所述纵向接口内，并且所述齿条与所述齿轮轴啮合；所述方向盘总成通过连接杆组件与所述转向机壳体相连，其中连接杆组件的底部与所述齿轮轴的安装部铰接，所述连接杆组件的顶部与方向盘总成螺接。

2.如权利要求1所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，其特征在于：所述齿条的外壁沿其轴向设有能与齿轮轴啮合的齿，并且与齿相对的齿条外壁设有平台，所述齿条的齿数为14，所述齿轮轴的齿数为19，模数为1.5，齿宽为18mm，压力角为20°，齿条的两端各设有用于限定横向套管轴向移动的齿条轴肩。

3.如权利要求1所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，其特征在于：所述压紧装置包括带凸肩的压紧螺柱和按压块，所述压紧螺柱的按压端固接按压块，其中压紧装置从外向内插入安装通孔内，并与之螺接，压紧装置的按压块抵在齿条的平台处。

4.如权利要求1所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，其特征在于：所述可调横拉杆的两端各螺接一个用于调节可调横拉杆长度 的螺母，并且螺母的螺帽处固接一鱼眼轴承。

5.如权利要求1所述的一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法，其特征在于：所述连接杆组件包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的两端分别配有底部连接件和顶部连接件，所述第一连杆的底部连接件与齿轮轴的安装部铰接，第一连杆的顶部连接件与第二连杆底部铰接，第二连杆的顶部安装方向盘总成，所述第二连杆上设有用于卡在车架上的卡件。

6.利用权利要求5所述一种大学生方程式赛车转向系统的制造方法制造的转向系统的安装方法，包括以下步骤：

1） 在转向机壳体横向接口通过其端部的轴肩与同侧的横向套管一端卡接，并保持两根横向套管均与横向接口同轴，横向套管的另一端通过相应的支座安装在车架的内腔前部；

2） 选择合适的齿轮轴齿条传动比，然后将齿条穿入转向机壳体以及两根横向套管内，齿条的两端从同侧的横向套管内穿出，将压紧装置从安装通孔内贯穿后抵在齿条的背部的平台处，并通过调整压紧装置的压紧程度实现转向角度的限位；

3）将齿轮轴的安装部贯穿转向机壳体的纵向接口的通孔并固定，齿轮轴的齿轮与齿条啮合，齿轮轴的安装部与连接杆组件的第一连杆底部铰接，连接杆组件的第二连杆的顶部安装方向盘总成；

4）调整可调横拉杆的长度，在齿条的两端分别与相应的可调横拉杆相铰接，可调横拉杆的另一端与车前轮安装轴相连，此时转向系统安装完毕。