Design of combined steering system for college Formula Racing

Zhou Peng

Chengdu Institute of technology

Abstract: This paper takes the first generation racing car of Chengdu Institute of Technology Wing Lightyear formula team as the research object, and designs a set of combined steering system which can meet the requirements of lightweight, improve bending strength and adapt to different race road conditions. The rack rod and rack are of split type, and gears and racks with different parameters are designed to adapt to different working conditions. The rack rod can choose lighter materials, and the rack is connected with bolts, which is convenient for installation.

Key words: Formula Racing; Gear rack; Lightweight; steering system

引    言

中国大学生方程式大赛名为FSC，每个参赛队伍可以假设为一家由高校汽车相关专业的学生组成的赛车制造商，团队需要在一年时间内自主完成赛车的设计、制造、加工、装配、优化等工作，并且最终制造出的赛车要满足赛事规则。在这一年内中国FSC会对参赛学生进行全面考核，在设计、制造、成本控制、商业营销、沟通协作五个方面提升学生的综合能力^[1]。由于齿轮齿条转向器结构简单、体积小、传动效率高的优点基本上被所有车队采用。这种齿条质量大，不利于轻量化，并且齿条部分位置的横截面类似一个“D”形，齿形部分地方的抗弯强度不强，因此设计了一种组合式转向系统。

1 转向系统参数设计

1.1 组合式齿条设计

组合式齿条的设计由齿条杆与齿条两者相结合的方式。用沉头螺栓将齿条杆与齿条连接为一个整体。 

齿条的材料采用的是40Cr加工而来，它的齿形区域在齿条杆的正中间位置，有等间距分布的安装齿，其横截面为一个梯形，两端的孔为沉头螺栓孔。 

齿条杆的材料采用的是铝材加工而来，减少重量的同时节约成本、齿条杆中间的凹槽部分是用来安装齿条，其两端也有孔位，并且内置螺纹，如图。齿条杆的凹槽形状是按照齿条形状设计的以便于两者的结合。

图1 组合式齿条

1.2 齿轮齿条参数设计

齿轮齿条分度圆的直径直接决定了齿轮齿条的传动比。在设计时要考虑分度圆的直径不能过小，否则车手需要输入很大的转矩。分度圆直径也不能过大，否则会增大转向器的体积、质量增加，这对转向系统的布局空间、轻量化等要求增加了难度，民用车齿轮齿条转向器齿轮模数一般在2mm到3mm之间^[2]，由于FSC赛车整车质量轻，转向力矩小，齿轮模数选择为1.5mm，齿数选择19，压力角选择20°，齿轮螺旋角选择为0°^[3]。在齿轮齿条转向中，齿轮的分度圆与齿条的分度圆相切，根据公式计算齿条的单侧行程S为。

其中S为单侧齿条行程；为方向盘单侧最大角度；m为齿轮的模数；z为齿轮的齿数。

将齿轮齿条设计参数代入数据到上述公式中计算得出S=33mm，所以齿条总行程为66mm。

1.3 最大转向角度

当方向盘单侧达到极限位置时，转向外轮与转向瞬时中心点之间的距离称为最小转弯半径。通常FSC赛车的最小转弯半径为3到3.5m。根据高速避障、八字绕环与耐久赛多有很多弯道，发卡弯与回头弯的转弯半径较小，再对比其他车队历届的最小转弯半径，最终FSC赛车确定的最小转弯半径是3.5m。

根据魏凯的FSC赛车转向系统设计^[4]中计算最大转向角方法求本文赛车的最大转向角。

式中，为最大转向角（°）：为赛车最小转弯半径（mm）；L为赛车轴距（mm）；a为主销偏距（mm）。结合赛车相关参数并将数据带入上述公式中能够计算得出赛车最大转向角为27.3°。

1.4 角传动比选择

本文选择的转向系统角传动比为5:1。FSC赛车由于布局空间、设计成本等限制而没有转向助力系统^[5]，所以在设计角传动比时要注意以下几点：

（1）齿条行程。要尽量减小转向器的体积，可以通过减短齿条行程来达到减小转向器体积。

（2）方向盘转动范围。为了追求转弯性能并且车手在短时间内完成转向，无需改变车手握方向盘的姿势就能转动方向盘达到单侧极限位置，所以赛车方向盘单侧转动范围都不会超过180°。

（3）方向盘手力。角传动比、方向盘直径等能直接影响转向时要施加在方向盘上的手力大小。需要手力过大，在耐力测试与高速避障比赛中会对车手体力与手力要求很高。

2主销与轮胎定位参数

图2 主销与轮胎定位参数

2.1主销后倾角

从侧面上来看，就是主销后垂直地面这个垂线两者之间的角度，主销后倾角γ为正则是主销后倾。如果主销后倾角为负，则是主销前倾。如果主销后倾角为零，则主销垂直地面。一般在赛车上取值为0°到4°^[6]。

最后在Matlab中进行主销后倾角的优化，根据整车参数计算，得到FSC赛车的主销后倾角为5°，最后在实车测试中不断的调试找到最适合赛车的主销定位参数。

2.2主销拖距

当汽车行进中左转时，地面提供一个向心力，图中b点为轮胎与地面的交点中心，a点主销与地面的交点，这样就形成了一个把车轮往回推的力矩。这就是为什么当驾驶员松掉方向盘，车轮会自动回正^[7]。这个受力点与转向点的距离就是主销拖距。综合各种因素的考虑最终确定赛车主销拖距为20.44mm。

2.3转向轮束角

在方向盘回正的前提下，在四个车轮都是朝前的基础上，给两个转向轮一定的角度，让转向轮形成内八字，与车轮正前方向的夹角就为束角。车轮向内八则为正前束，向外八则为负前束。三种不用的束角设定，有不同的轮胎磨损、操作性与稳定性。

零前束的情况，车轮磨损最小，但操作性与稳定性也一般。车轮正前束的情况，车轮外侧就会出现偏磨，车轮负前束的情况下，转向时则是内侧轮比外侧轮转的更多，转向就会非常的灵敏，缺点就是高速时稳定性不好，而且车轮的内侧会出现偏磨。在设计车轮前束的时候要与车轮后倾角一起匹配设计。如果前束设计不对称，则会出现跑偏的情况^[8]。

综合各种情况的考虑，最终赛车的束角为-0.3°。

2.4 车轮外倾角

车轮中心平面与地面垂线两者之间的夹角就为外倾角，从前面看，车辆空载时，车轮如果是外八则是正外倾角，车轮如果是内八则是负外倾角。当车轮设计为正外倾角时，当车辆载货或者载人之后，车轮就会由于载重而受到压力，就会有往负外倾变化的趋势，让车轮尽量锤子地面，从而增大地面的接触面积，使得车辆有更好的抓地力，轮胎磨损更加均匀。

综合各种因素的考虑最终赛车的外倾角设计为-2°。同样为了提高赛车的转向性能，后期赛车性能调校可以通过在立柱上增加垫片的方式来调节外倾角的大小。

纵观赛车调校，轮胎定位参数只不过是在诸多工况中选取的一个平衡点。优秀的车队会根据赛道特性将前束、外倾等悬架参数设定在比较平衡的点，从而使得赛车的性能、操控和轮胎管理都得到最优化。

3结论

以大学生方程式赛车为研究对象设计出了组合式转向系统，采用螺栓连接提高了抗弯强度。齿条杆选择铝材降低了重量，达到了轻量化。不同的齿轮齿条参数可以适应不同比赛赛道。转向系统设计具有安全可靠性、稳定性、轻便性功能。

参 考 文 献

[1]李晔,刘易霖,大学生方程式赛车缓冲结构设计和测试[J]. 中国科技投资, 2013(A32):2.

[2]王望予. 汽车设计(第4版)[M]. 机械工业出版社, 2004.

[3]厉鑫波,张京京,黄秉豪等, 一种大学生方程式赛车转向系统,制造及其安装方法:, CN107685763A[P]. 2018.

[4]魏凯, 李刚, 宫彦乔,等. FSC赛车转向系统设计[M].

[5]邓立伟. FSEC赛车转向系统设计[M].

[6]王建等编著 大学生方程式赛车设计[M] 北京理工大学出版社, 2016.8

[7]谢琰,祝恒佳,张云清等, 车辆转向回正性能分析[C]// 第九届全国多体系统动力学暨第四届全国航天动力学与控制学术会议论文摘要集. 2015.

[8]行知. 为何会发生转向不足和转向过度[J]. 汽车与驾驶维修：汽车版, 1996(3):1.