断开式后置梯形转向器设计.doc 77页

'断开式后置梯形转向器设计 第1章绪论1.1课题背景FormulaSAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式（FormulaSAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（FormulaSAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。 中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、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，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIAUGANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。2010年中国将举办第一届FSAE。1.2课题主要研究内容 本课题着重于FSAE赛车转向器的设计。转向器做为转向系统中使汽车保持或改变行驶方向的最重要的组成部分。其设计的好坏直接影响到整车的操纵稳定性，安全性以及行驶性能。随着汽车技术的不断革新，汽车转向器也进行了一次次的更新换代。从刚开始用柄或横杆(即一种两端带有手柄的水平杆)进行操纵到后来的蜗杆扇形齿轮转向器以及循环球式转向器。从70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、方向轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮(前轮)等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。这种转向机构与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。　其实，齿轮齿条转向机构早在一世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时还不完善，机件加工粗糙。1905年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。后来，汽车转向器的型式被蜗杆一扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿轮一齿条转向机构。由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮一齿条转向机构的安全可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本低的优点，受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮一齿条型。针对FSAE赛事，结合该赛车的特点。如何使设计符合赛车的要求，简化转向器结构，优化设计方法，增加设计的科学性、合理性因素，强化结构实用价值，降低实际加工过程中所带来的诸多不利影响因素，从而使整车达到最好的配合，将会是本次设计的关键所在。其具体的研究内容及待解决的问题如下：1.转向器的主要功能是保证汽车按照驾驶员的意志而进行转向行驶。体现到转向器上，则主要是与整个转向系配合是角传动比和力传动比都达到做合适的数值。2.对于fase赛车而言要解决的问题是提供足够的转向灵敏度的同时方向盘手力不能过大，主要措施是增大主动小齿轮的半径，以及调整转向节臂和转向横拉杆的布置形式和尺寸来达到最合适的数值。 3.在实际制作过程中，要充分考虑各主要零部件的加工工艺和自身的实际制作水平。1.3课题研究的意义虽然中国已经是世界上的汽车产业大国，但是还不是汽车技术强国。FSAE赛事的主旨是使设计者假设自己为某汽车公司的设计人员，为该公司设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。因此，设计必须考虑到市场销售的因素。因此，必然也就必须得考虑到汽车的操控性能，外观，零部件的通用性。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。如上所诉，虽然这项赛事只是有个高校的学生参加，但是学生们会因此在走向岗位前积累大量宝贵的经验。会为中国未来培养很大一部分的技术人才。为中国汽车产业的发展做出很大的贡献。对大多数工科学生而言，单纯的专业课程讲解、演示和课题实验很难让大家对知识本身有较为深刻的认识和理解，更谈不上熟练应用知识进行能力创新的问题，是对大学生素质培养的一种严重缺失。因此，就本次课题设计的性质来说，它属于科技制作类题目，整个过程包括完整的资料收集、理论计算和设计、实际制作、加工工艺探讨以及车辆整体性能调试等诸多环节，其间涉及高等数学、计算机编程、机械加工、工艺处理等多项内容，是对在校大学生将理论构架和实际操作妥善结合、达到学以致用目的的一大挑战，从而建立了比较全面、合理、实用的教育平台，对提高大学生的实际应用能力和创新能力甚为有利 第2章FSAE赛车转向器设计2.1设计方案的选择转向器又名转向机、方向机，它是转向系中最重要的部件。其作用主要有三方面：一是增大来自方向盘的转矩，使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩；二是降低转向传动轴的转矩，并使转向摇臂转动，带动摇臂转到使其末端达到所需的位移，或是将与转向传动连接在一起的主动小齿轮转动，转换成齿条的运动而获得所需的位移；三是通过选取不同螺杆上的螺纹方向，达到使转向盘的转动方向与转动轮的转动方向协调一致的目的。2.1.1转向器类型的选择转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。如果按照助力形式，又可以分为机械式（无助力），和动力式（有助力）两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。1．齿轮齿条式转向器它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。2．蜗杆曲柄销式转向器它是以蜗杆为主动件，曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹，手指状的锥形指销用轴承支承在曲柄上，曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。这种转向器通常用于转向力较大的载货汽车上。 3．循环球式转向器循环球式：这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速，使转向盘的旋转运动变为涡轮蜗杆的旋转运动，滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合，因而滚珠螺杆的旋转运动变为直线运动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。这是一种古典的机构，现代轿车已大多不再使用，但又被最新方式的助力转向装置所应用。它的原理相当于利用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动，而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减小阻力，所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动，循环球式故而得名。4．齿轮齿条液压助力转向器齿轮齿条液压助力转向器，是相对于齿轮齿条机械转向器而言的，主要是增加了转向油泵、转向油壶、转向油管、转向阀、转向油缸等部件，以期达到改善驾驶员手感，增加转向助力的目的的转向装置。国内经过10多年来的发展，已经形成成熟的研发和制造技术的厂家有豫北光洋转向器有限公司等企业。由于本次赛事的赛车赛道选址在上海F1赛车场，赛道情况很好。对赛车的反作用力不会很大，即允许赛车转向器可以有较大的逆效率。考虑到整车成本的问题，也要求赛车转向器尽量简单，易制造。赛车本身空间很小，这就要求转向器结构要小。还有赛事中有弯道项目检测，这又要求了转向器要有足够的转向灵敏度。再者，赛车本身总重量不会超过300kg。因此方向盘切向力会很小，所以本次设计部准备采用任何助力转向装置。综上所述，结合赛车的要求以及各种类型转向器的优缺点。齿轮齿条型转向器结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小最符合本次设计的要求。因此本次设计采用齿轮齿条式转向器。2.1.2传动方案的选定根据齿轮的位置和输出特点，齿轮齿条式转向器有四种形式，即中间输入、两端输出；侧面输入、两端输出；侧面输入、中间输出；侧面输入、一端输出(见图2-1)。 图2-1齿轮齿条转向器输入输出形式a）中间输入、两端输出；b）侧面输入、两端输出；c）侧面输入、中间输出；d）侧面输入、一端输出。采用侧面输入，中间输出方案时（见图2-2），与齿条固连的左，右拉杆延伸到接近汽车纵向对称平面附近。由于拉杆长度增加，车轮上下跳动时拉杆摆角减小，有利于减少车轮上，下跳动时转向系与悬架的运动干涉。拉杆与齿条用螺栓固定连接（见图2-2），因此，两拉杆与齿条同时向左或向右移动，为此在转向器课题上开有轴向的长槽，从而降低了他的强度。 图2-2拉杆与齿条的连接采用两端输出方案时，由于转向拉杆长度收到限制，容易与悬架系统导向机构产生运动干涉。侧面输入，一段输出的的齿轮齿条的转向器常用在平头货车上。针对本次设计而言，由于赛道状况良好。不会使车轮车轮产生很大的上下跳动。而且赛车采用方向盘中置，为了使传动机构更为简单，这便首先决定了输入方式采用中间输入。再者，中间输出的转向器结构相对来说较其他类型转向器要复杂很多，不是很符合设计要求。所以本次设计决定采用中间输入两端输出的设计方案。2.2齿轮齿条转向器的设计计算根据上一小节，已经确定了使用中间输入、两端输出的齿轮齿条转向器做为本次赛车所使用的转向器。在下面部分，会首先根据赛道的弯道情况情况，确定出最小转弯半径及传动比。2.2.1最小转弯半径及传动比的确定。由于本次赛事有专门的转向赛项目，因此便根据转向赛的赛道弯道来确定最小转弯半径。赛道弯道情况如下：两个同心圆成八字形排列。两个圆心之间距离为18.25m。内圆直径为15.25m，外圆直径为21.25m。赛车出入于两圆相切的3.0m宽的赛道。两圆心的连线定义为起止点。从起止点出发绕其中一个圆一周再回到起止点，定义为一圈（见图2-3）。 图2-3FSAE赛事弯道赛示意图如上图所示，赛道要求的最小转弯半径为7m左右。为了最求更好的转向性能，本次设计暂定最小转弯半径为4m。由悬架组提供了赛车的轴距为1730mm，轮距为1220mm。由此，便可根据ackmann转向几何（见图2-4）计算出转向内外轮的最大转角。 图2-4ackmann转向几何(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)由于传动比的定义为方向盘转角与同侧转向轮转角之比。则Өf=35.94°为转向轮的最大转角。赛车驾驶舱的空间很小，驾驶员并不能很方便的是方向盘转过很大的角度。因此，初定方向盘最大转角不能超过180°当初选传动比i=4时，方向盘转角(2-5)符合要求。2.2.2主动小齿轮的设计 齿轮是一只切有齿形的轴。它安装在转向器壳体上并使其齿与齿条上的齿相啮合。齿轮齿条上的齿可以是直齿也可以是斜齿。齿轮轴上端与转向柱内的转向轴相连。因此，转向盘的旋转使齿条横向移动以操纵前轮。齿轮轴由安装在转向器壳体上的球轴承支承。转向器齿条与转向横拉杆及转向节臂的连接可以看做是一个曲柄滑块机构（见图2-5）。根据三心定理找出齿条与转向节臂的等速点，及瞬心。便可推导出传动比的计算公式。图2-5转向器与传动机构的运动见图如上图所示，P12即为齿条与转向节臂的等速点。假设主销处的角速度为ω，主动小齿轮半径为R,齿条的速度为v，瞬心距主销的距离为L.已知转向节臂L1=90mm，转向横拉杆L2=260mm。 (2-6)式（2-6）的传动比是每个瞬时的传动比，其实齿轮齿条转向器的传动比在每个瞬时都是变化的。在后置梯形中，传动比的变化曲线大致如图2-7所示。从转向轮的中间位置到转向轮的最大转角，传动比是逐步变小的。此曲线也符合在中间位置时要求传动比不宜过大，最大转角位置时传动比不宜过小的要求。图2-6传动比变化曲线为了使总传动比趋近于i=4，则取在转向轮转到中间位置（Өf=17.97°）即时的瞬时传动比为4。在CATIA软件中可测量到此时的L=67.58㎜。带入公式（2-6）得㎜ 如果齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击大，工作噪声增大。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此因与总体布置不适应而淘汰。采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器，重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角容易满足总体布置的要求。所以本次设计采用斜齿啮合取。齿轮螺旋角一般在9°~15°之间，模数m=2~3㎜，压力角α=12°~35°。本次设计采用斜齿啮合取螺旋角β=15°m=2㎜α=20°(2-7)圆整取z=16㎜d——主动小齿轮分度圆直径，单位为㎜。接下来检验设计的主动小齿轮是否能满足总传动比趋近于四的要求。（2-8）——转向轮转过最大转角时，齿条所走过的行程。由CATIA软件测量可得=41.08mm（见图2-7）图2-7齿条最大行程的测量带入式（2-8）得： 与预定的i=4非常接近，符合设计要求2.2.3齿条的设计计算齿条是在金属壳体内来回滑动的，加工有齿形的金属条。转向器壳体是安装在前横梁或前围板的固定位置上的。齿条代替梯形转向杆系的摇杆和转向摇臂，并保证转向横拉杆在适当的高度以使他们与悬架下摆臂平行。齿条可以比作是梯形转向杆系的转向直拉杆。导向座将齿条支持在转向器壳体上。齿条的横向运动拉动或推动转向横拉杆，使前轮转向(见图2-8）。图2-8齿条示意简图由于轴承选择对称布置的角接触轴承，则齿宽系数：㎜（2-9）圆整取㎜取㎜b1——主动小齿轮的齿宽，单位为㎜；b2——齿条的齿宽，单位为㎜。 齿条的断面有圆形、V型和Y型三种。圆形断面齿条的制作工艺比较简单。V型和Y型断面齿条与圆形断面相比，消耗的材料较少，约节省20%，故质量较小；位于齿条下面的两斜面与齿条座接触，可用来防止齿条绕轴线转动；Y型断面齿条的齿宽可以做的宽些，因而强度得到提高。在齿条与托座间通常装有减磨材料做的垫片，以减少摩擦。当车轮跳动，转向或转向器工作时，如在齿条上作用有能使齿条旋转的力矩是，应选用V型和Y型断面齿条，用来防止一齿条旋转而破坏齿轮，齿条的齿不能正确啮合的情况出现。结合赛车的具体情况，齿条本身就很短，重量本身就很轻。而且工作时不会产生使齿条旋转的力矩。且方向盘施加给的力矩不大，不需要增大齿宽来提高齿的强度。因此本次设计选用制作工艺较为简单的圆形齿条。根据三心定理及于悬架的配合求断开点的位置，求出齿条的长度L=410㎜齿条两端用螺纹与转向横拉杆连接。齿条的尺寸设计参数如表2-1所示表2-1齿条的齿轮设计参数序号项目符号尺寸参数()1总长4102直径253齿数164法向模数22.2.4壳体及其他传动件的设计计算1．壳体齿轮齿条式转向器的壳体一般由铝合金或镁合金压铸而成，他作为齿轮齿条的一个支撑机构，也是两者能稳定的啮合在一起进行工作。同时与前横梁或或者发动机后部的前围板相固连。橡胶隔震套包在转向器外，并固定在横梁上火前围板上。由于壳体的内部结构较为复杂，所以将壳体分为中间壳体和旁边壳体可铸造，以保证加工的成功率和质量。2．转向横拉杆及其端部 转向很拉杆梯形转向横拉杆相似。球头销通过螺纹与齿条连接。当这些球头销依照制造厂的规范拧紧是，在球头销商就作用了一个预载荷。防尘套夹在转向器两侧的壳体和转向器横拉杆上，这些防尘套阻止杂物进入球销及齿条中。转向横拉杆端部与外端用螺纹连接。这些端部与梯形转向杆系相似。侧面螺母将横拉杆外端与横拉杆锁紧。（见图2-9）注：转向反馈是由前轮遇到不平路面而引起的转向盘的运动。图2-9转向横拉杆外接头1-横拉杆2-锁紧螺母3-外接头壳体4-球头销5-六角开槽螺母6-球碗7-端盖8-梯形臂9-开口销关于螺纹的选择：螺纹按用途分为传动螺纹和联接螺纹．对于同一公称直径的普通螺纹，根据螺距不同分粗牙和细牙．粗牙一般用在联接．细牙螺纹的小径较大，螺杆强度高，但螺纹牙的强度低于粗牙．细牙螺纹的螺距小，螺纹深度浅，导程和升角小，自锁性好，因此适合用在薄壁零件以及微调装置上．如管螺纹为英制细牙三角形螺纹，常用于有紧密性要求的管件联接，其牙型角为５５度．所以本次设计选用细牙螺纹。转向横拉杆与接头的设计参数如表2-2所示 表2-2转向横拉杆及接头的尺寸设计参数序号项目符号尺寸参数()1横拉杆总长2602横拉杆直径203螺纹长度204外接头总长605球头销总长316球头销螺纹公称直径M8×17外接头螺纹公称直径M10×1.58内接头总长329内接头螺纹公称直径M12×1.53．齿条的调整在一般的转向其中，由于齿条具有一定的长度及自重。加上配合误差，会使齿条与齿轮不能正确啮合。因此，转向器壳体中一般都安有压紧装置。一个齿条的导向座安装在齿条光滑的一面。齿条导向座1和与壳体螺纹连接的调节螺塞3之间连有一个弹簧2。此调节螺塞又锁紧螺母固定4。齿条导向座的调节使齿轮，齿条之间有一定的预紧力，此预紧力会影响转向冲击、噪声及反馈（见图2-10）图2-10齿条间隙调整装置 由于所设计的齿条尺寸很小，不会产生很大的饶动。而且壳体相比较来说也更为紧凑，相应的装配误差也会减小很多。而且为了制造简单，本次设计不准备采用压紧装置。2.2.5齿轮轴结构设计主动齿轮轴通常采用16MnCr5或15CrNi6材料制造。末端通过键连接与传动轴相连。通过轴承及轴承盖固定在壳体中。之前已经算出主动小齿轮的分度圆直径为d=32.99㎜则齿根圆直径为㎜（2-10）式中ha*——齿顶高系数，为标准值，取1；c*——齿根高系数，为标准值，取0.25。根据机械设计手册的规定，当轴径变化仅是为了转配方便或区别加工表面，不受轴向力也不固定轴上零件时，则相邻的直径变化较小，稍有差别甚至公差即可。其直径变化量可取1~3㎜。当直径变化处的端面（即轴肩是为了固定轴上零件或承受轴向力时，则直径的变化要大些，对于直径范围在20~60㎜的轴，一般可取直径差大于或等于3~8㎜，承受轴向力的轴肩。则轴肩直径选为:d1=25㎜与轴承配合的轴颈直径为:d2=20㎜为了结构的简单，易于加工。与操作机构相连接的轴头才用削平一部分（类似半圆键）的设计与操作机构相连。2.2.6转向器的轮滑方式及密封类型的选择。润滑剂是以油或脂的形式加在相接触的两运动部件之间，使其能够减少摩擦，散发热量等作用。密封圈一般使用具有较大弹性的非金属材料制成，主要作用是防止杂物进如壳体。 由于本次设计的载荷不大，产生的热量不多，磨屑少，污染物少，速度不快（式2-11），要求的使用寿命较长。所以选用滚珠脂润滑（人工定期润滑）。(2-11)在确定使用脂润滑，及已知轴的转速很低的情况下。选用毡封油圈进行密封（JB/ZQ4606--1986)。2.3本章小结本章的主要内容是进行了转向器的部件的计算。首先根据赛道确定最小转弯半径，然后根据驾驶舱空间和最小转弯半径初定传动比。依照初定的传动比进行主动小齿轮及与之相啮合的齿条的设计计算。最后进行齿轮轴，壳体，润滑方式的设计计算。第3章 各部件的校核与计算3.1转向系计算载荷的确定为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。精确地计算出这些力是困难的。为此用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR(N·mm)，见式（3-1）。（3-1）式中f——轮胎和路面间的滑动摩擦因数,根据赛道情况，取其为0.8；G1——转向轴负荷，整车质量为300kg。假设前后轴载荷均匀分布，取1500N；P——轮胎气压，取0.179MPa。作用在转向盘上的手力Fh为（式3-2）：(3-2)式中L1——转向摇臂长,单位为mm；MR——原地转向阻力矩,单位为N·mm；L2——转向节臂长,单位为mm；DSW——为转向盘直径,单位为mm；Iw——转向器角传动比；η+——转向器正效率。 因齿轮齿条式转向传动机构无转向摇臂和转向节臂，故、不代入数值。对给定的汽车，用上式计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。转向横拉杆直径的确定：式中a=L2[σ]=216MPa取dmin=10㎜3.2齿轮齿面接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度校核3.2.1选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力(1)选择材料及热处理方式小齿轮16MnCr5渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC齿条45钢表面淬火，齿面硬度56-56HRC(2)确定许用应力（3-4）（（3-5）式中[σH]——许用齿面接触应力；[σF]——许用齿根弯曲应力；ZN——齿面接触寿命系数；YN——齿根弯曲寿命系数；N——应力循环次数； YST——应力修正系数；SHmin——齿面疲劳强度安全系数；SFmin——齿根弯曲强度安全系数。a)确定σHlim和σFlim根据机械设计手册查表可得σHlim1=1500MPaσHlim2=1300MPaσFlim1=425MPaσFlim2=375MPab)计算应力循环次数N，确定寿命系数ZN、YN。(3-6)式中a——齿轮每转一圈统一齿面啮合的齿数；n1——齿轮的转速，单位为（r/min）t——齿轮的工作寿命查表可得ZN1=1.32YN1=1=YN2c)计算许用应力取应力安全系数SHmin=1SFmin=1.4代入式（3-4）得则许用齿面接触强度为[σH]=[σH2]=1716MPa取应力修正系数YST=2 代入式（3-5）得则许用齿根弯曲强度为[σF]=[σF2]=535.7MPa3.2.2齿轮齿条几何参数计算端面重合度（3-7）纵向重合度（3-8）总重合度（3-9）当量齿数(3-10)3.2.3齿面接触疲劳强度校核在预定的使用期限内，齿面不发生疲劳点蚀的条件为（3-11）式中K——载荷系数；T1——齿轮所受到的力矩，单位为N·㎜Ψd——齿宽系数；U——齿数比；ZE——弹性系数ZH——节点区域系数Zε——重合度系数式中“＋”用于外啮合，“-”号用于内啮合。参数计算 载荷系数K：（2-12）式中KA——使用系数Kv——动载系数Kα——齿间载荷分配系数Kβ——齿向载荷分布系数使用系数KA用于考虑动力机和工作机的运转特性、联轴器的缓冲性能等外部因素引起的动力载荷而引入的系数。按表查得KA=1动载系数Kv用以考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差（基节误差，齿形误差，轮齿变形等）而引起的内部附加动载荷的系数。(2-13)查图可得Kv=1齿轮传动的端面重合度一般都大于1。工作时，单齿对啮合和双齿对啮合交替进行，前者作用力由一对齿承担，后者作用力由两对齿分担。齿间载荷分配系数就是考虑同时啮合的各对齿轮间的载荷分配不均匀的系数。根据εr查表得Kα=1.3传动工作时，由于轴的弯曲变形和扭转变形、轴承的弹性位移以及传动装置的制造和安装误差等原因，将导致齿轮副相互倾斜及轮齿扭曲，使齿轮延接触线产生载荷分布不均匀现象，其影响用系数Kβ修正。根据齿宽系数Ψd查表得Kβ=1.06代入式（2-12）得扭矩T1：（2-14） 式中Fh——作用在方向盘上的切向力，单位为N；R——方向盘的半径，单位为㎜。弹性系数ZE：材料弹性模量E和泊松比u对接触应力的影响用弹性系数ZE修正。根据齿轮副的材料，查表得：ZE=189.8节点区域系数ZH：节点区域系数用于考虑节点处齿廓曲率相对接触应力的影响，查表得：ZH=2.45重合度系数Zε:重合度系数用以考虑重合度对单位齿宽的影响，（3-12）螺旋角系数Zβ:（3-13）将以上系数代入式（3-11）得已求出d1=32.99㎜,大于20.16㎜。齿面接触强度复合要求。3.2.4齿根弯曲强度校核挟持圆柱齿轮传动的接触线是倾斜的，股齿轮往是局部折断。。齿根弯曲应力关系比较复杂，很难精确计算，通常安斜齿轮的当量法面当量直齿轮进行，分析的剖面应为法向剖面，模数应为法向模数mn ，宽度的最小接触线长度Lmin。考虑到接触线倾斜对弯曲强度的有利影响，在引入螺旋角细说Yβ，于是斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式为：(3-14)式中YF——齿形系数，当量齿数ZV=Z/cosβ；YSa——应力修正系数，安当量齿数ZV插图；Yε——重合度系数；Yβ——螺旋角系数；Ft——齿轮所收的圆周切向力，单位为N·㎜。参数计算：齿形系数YFa：由于l和s均与模数成正比，故YFa只取决与齿轮的形状（随齿数z和变位系数x而定），而与模数大小无关。查图得：YFa=3.0应力修正系数YSa：应力修正系数用于综合考虑齿根过度曲线处的应力集中和处弯曲应力外其余应力对齿根应力的影响系数。查图得：YSa=1.52重合度系数Yε：(3-25)螺旋角系数Yβ:（3-26）将以上系数代入式（3-14）得：σF<[σF]齿根弯曲强度复合要求。3.3齿轮轴强度校核 轴的强度计算主要有三种方式：许用切应力计算；许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。许用切应力计算只需知道转矩的大小，方法简单，但计算精度低。他主要用于下列情况；1传递以转矩为主的传动轴；2初步估算轴颈以便进行结构设计；3不重要的轴。弯矩等的影响，可在计算中适当降低许用切应力。许用弯曲应力计算必须已知作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数。为此，常先按转矩估算轴径并进行轴的结构设计后，即可绘出轴的弯扭合成图，然后计算危险剖面的最大弯曲应力。它主要用于计算一般重要的、扭弯复合的轴，计算精度中等。安全系数校核计算也要在结构设计后进行，不仅要定出轴的各段直径，而且要定出过渡圆角、过盈配合、表面粗糙度等细节。它主要用于重要的传动轴或工作轴，计算精度较高，但计算较复杂，且常要有足够的资料才能进行。安全系数校核计算能判断各危险截面的安全程度。从而改变各薄弱环节，有利于提高轴的疲劳强度。以上三种方法各单独使用或逐个使用。一般转轴安许用弯曲应力计算机足够可靠，不一定在用安全系数法校核。需要用安全系数法校核的轴，不一定需要再用许用弯曲应力进行计算。强度计算不能满足要求是，应修改结构设计，两者唱想和配合，交叉运行。为了保证所设计转向器的可靠性。本次设计采用按许用弯曲应力计算法与许用安全系数相结合的方法校核。3.3.1齿轮齿条传动受力分析若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F，分力F又可分解为圆周力Ft和轴向力Fa。Ft=66.92N(3-27)(2-28)3.3.2齿轮轴的强度校核 选用安全系数校核中的疲劳安全强度校核。疲劳强度的校核即计入应力集中、表面尺寸和尺寸影响以后的精确校核。绘出轴的弯矩M图和转矩T图以后选择轴上的危险截面进行校核。根据截面上受到的弯矩和扭矩可求出弯曲应力和切应力，这两项循环应力可分解成平均应力可分解成平均应力σm和гm和应力幅σa和гa。然后分别求出弯矩作用下的安全系数Sσ和转矩作用下的安全系数Sг。(3-29)(3-30)式中kσ和kг——弯矩和转矩作用的有效应力集中系数；β——表面状态系数；εσ和εr——影响弯曲应力和扭转应力的尺寸系数；Ψσ和Ψг——材料对循环载荷的敏感性系数；kN——寿命系数；No——循环基数。材料不同，No值夜不同。钢的硬度、强度越高，No值越大。指数m对于钢：拉应力、弯曲应力和切应力是，m=9；接触应力，m=6。对于青铜：弯曲应力，m=9；接触应力时：m=8。最后可求出综合安全系数并应满足下列条件：当材料质地均匀、载荷与应力计算较精确，可取[S]≧1.3-1.5；材料不够均匀、计算不够精确是，可取[S]≧1.5-1.8；材料均匀性和计算精确度都很低，或尺寸很大转轴（d≧200㎜），则取[S]≧1.8-2.5。重要的轴，破坏后悔引起重大事故，应适当增大[S]值。1.轴的受力分析(1)画轴的结构简图(2)画轴的受力简图在垂直面上 (3-32)(3-33)在水平面上(3-34)(3)画弯矩图在水平面上，a-a剖面左侧、右侧(3-35)在垂直面上，a-a剖面左侧(3-36)a-a剖面右侧(3-37)合成弯矩，a-a剖面左侧(3-38)(4)画转矩图转矩(3-40)2.判断危险截面显然，a-a剖面左侧合成弯矩最大、扭矩为T,该截面左侧可能是危险截面。3.轴的弯扭合成强度校核由《机械设计》查得：[σ]=[σ-1]b=60MPa[σ]b=100MPaα=[σ-1]b/[σ]b=0.6a-a剖面左侧(3-41)4.轴的疲劳强度安全系数校核 查得σB=650MPaσ-1=300MPaг-1=155MPaΨσ=0.2Ψг=0.1a-a剖面左侧(3-43)查得kσ=2.10Kг=1.72由表查得绝对尺寸系数：εσ=0.91εr=0.89轴经磨削加工，查得质量系数β=1.0则：弯曲应力应力幅σa=σb=54.3MPa平均应力σm=0切应力将以上系数代入式（3-29）、（3-30）得：将以上两数代入式（3-31）得：查得许用安全系数[S]=1.3-1.5,显然S>[S],故a-a剖面安全。 图3-1弯矩、扭矩图 3.4轴承的校核3.4.1滚动轴承的失效形式及计算准则滚动轴承的失效形式主要分为疲劳剥落，过量永久变形和磨损。1.疲劳剥落滚动轴承受载后，滚动体和套圈减产生变化的接触应力，工作循环达到一定次数后，个元件接触表面可能发生疲劳剥落。如果安装不当，轴承局部受载较大，会促使剥落早期发生。2.过量永久变形当载荷很大火受冲击载荷时，滚动体或套圈滚道上将出现不均匀的在塑性变形凹坑，是轴承在运转中差生剧烈的震动和噪声。3.磨损由于密封盒轮滑不良，使维护不当等，滚动体育套圈可能产生磨损，磨损使轴承游隙、噪声及震动增大，降低运动精度。此外，还有元件破裂、胶合、电蚀、锈蚀等失效形式。在正常使用情况下，这些失效是应该避免的，因此称为非正常失效。疲劳剥落可根据使用寿命，由基本额定动载荷限定载荷能力；过量永久变形可由基本额定静载荷限定载荷能力；磨损尚无统一的计算方法。3.4.2轴承校核计算校核7024C角接触轴承，轴承间距54mm,轴承转速n=15r/min,预期寿命L′h=12000h初步计算当量动负荷：X=0.56,暂选一近似中间值Y=1.5。另查表得fp=1.2（3-44）计算轴承应有的基本额定动负荷C′r：查表得：ft=1ε=1 初选轴承型号：查《机械工程及自动化简明设计手册》,选择7024C轴承,Cr=10.5KN，其基本额定静负荷Cor=6.08KN4验算并确定轴承型号：1)FA/Cor=9/600=0.0015,e为0.4,轴向载荷系数Y应为1.25。2)计算当量动载荷（3-45）3)验算6204轴承的寿命选用的轴承即高于预定寿命，能满足设计要求。3.5本章小结本章的主要内容是对齿轮齿条转向器的各部件进行校核。包括主动小齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲强度校核、齿轮轴的强度校核及轴承的校核。为了保证转向器运行时的的可靠性和稳定性。以上的校核是非常必要的，必须非常认真的进行。 第3章应用CATIA进行三维图以及二维图的绘制4.1CATIA相关内容简介CATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写。是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。在70年代DassaultAviation成为了第一个用户，CATIA也应运而生。从1982年到1988年，CATIA相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA软件分为V4版本和V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX平台，V5版本应用于UNIX和Windows两种平台。V5版本的开发开始于1994年。为了使软件能够易学易用，DassaultSystem于94年开始重新开发全新的CATIAV5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM软件的一种全新风格。法国DassaultAviation是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA的产品开发商DassaultSystem成立于1981年。而如今其在CAD/CAE/CAM以及PDM领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。雇员人数由20人发展到2000多人。CATIA是法国DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了 CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。CATIAV5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIAV5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。CATIAV5版本具有：1.重新构造的新一代体系结构为确保CATIA产品系列的发展，CATIAV5新的体系结构突破传统的设计技术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户具有更大的竞争优势。2.支持不同应用层次的可扩充性CATIAV5对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。3.与NT和UNIX硬件平台的独立性CATIAV5是在WindowsNT平台和UNIX平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIAV5在Windows平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共享数据；而UNIX平台上NT风格的用户界面，可使用户在UNIX平台上高效地处理复杂的工作。4.专用知识的捕捉和重复使用CATIAV5结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。5.给现存客户平稳升级。CATIAV4和V5具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的CATIAV4用户，V5年引领他们迈向NT世界。对于新的CATIAV5客户，可充分利用CATIAV4成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境。CATIA拥有远远强于其竞争对手的曲面设计模块，在此有必要介绍一下：1.GenericShapeDesign,GSD ，创成式造型，非常完整的曲线操作工具和最基础的曲面构造工具，除了可以完成所以曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到G2，生成封闭片体Volume，完全达到普通三维CAD软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作。2.FreeStyleSurface,FSS,自由风格造型，几乎完全非参。除了包括GSD中的所有功能以外，还可完成诸如曲面控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到汽车A面标准的曲面桥接、倒角、光顺等功能，所有命令都可以非常轻松的达到G2。凭借GSD和FSS，CATIA曲面功能已经超越了所有CAD软件，甚至同为汽车行业竞争对手的UGNX。3.AutomotiveClassA,ACA，汽车A级曲面，完全非参，此模块提供了强大的曲线曲面编辑功能，和无比强大的一键曲面光顺功能。几乎所有命令可达到G3，而且不破坏原有光顺外形。可实现多曲面甚至整个产品外形的同步曲面操作（控制点拖动，光顺，倒角等）。对于丰田等对A级曲面要求近乎疯狂（全G3连续等）的要求，可应付自如。目前只有纯造型软件，比如Alias,Rinho可以达到这个高度，却达不到CATIA的高精度。4.FreeStyleSketchTracer，FST，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。DigitizedShapeEditor，DSE，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的mesh小三角片体。完全非参。5.DigitizedShapeEditor，DSE，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的mesh小三角片体。完全非参。6.QuickSurfaceReconstruction,快速曲面重构，根据输入的点云数据或者mesh以后的小三角片体，提供各种方式生成曲线，以供曲面造型，完全非参。7.ShapeSculpter,小三角片体外形编辑，可以对小三角片体进行各种操作，功能几乎强大到与CATIA曲面操作相同，完全非参。 8.AutomotiveBIWFastening，汽车白车身紧固，设计汽车白车身各钣金件之间的焊接方式和焊接几何尺寸。9.Image&Shape，可以像捏橡皮泥一样拖动，拉伸，扭转产品外形、增加“橡皮泥块”等方式以达到理想的设计外形。可以极其快速的完成产品外形概念设计。10.HealingAssistant，一个极其强大的曲面缝补工具，可以将各种破面缺陷自动找出并缝补。4.2设计所用到模块简介本次设计主要涉及到CATIA的草图绘制、三维零件设计、装配件设计及二维图绘制。简介如下：4.2.1草绘CATIAV5草绘（SKETCHER）功能为设计者提供了快捷精确的二维图形设计手段。使用草绘（SKETCHER）在构造二维图形的同时对这些几何图形产生约束，一旦需要可随时对其进行编辑，以获得任何所需的二维图形。4.2.2三维零件设计复杂的产品设计都是以简单的零件建模为基础，而零件建模的基本组成单元则是特征。三维零件都是有一系列的特征组合而成的。4.2.3装配件设计一个产品往往是由多个零件组合（装配）而成的，在CATIAV5中零件的组合是在装配模块中完成的。装配模块用来建立零件间的相对位置关系，从而形成复杂的装配体。零件间位置关系的确定主要通过添加约束实现。4.2.4二维图 在产品的研发、设计及制造过程中，各类技术人员需要经常进行交流和沟通。工程图则是经常使用的沟通工具。尽管随着时代的进步，3D设计技术有了很大的发展与进步，但是三维模型并不能是所有的设计要求表达清楚，有些设计要求比如加工要求的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度等，仍需借助二维的工程图将其表达清楚。因此工程图的创建时产品设计中较为重要的环节，也是设计人员最基本的能力要求。4.3CATIA二维图国标的设置方法安装CATIA后，在制图时能够符合国标需进行的相关设置。制图标准参照Q/SQR.04.333—2006。一、计算机设置设置方法如下：1.我的电脑－工具－文件夹选项－查看－勾选在地址栏中显示全部路径。2.设置CATIA图标属性，以进入Administrator状态，但先不启动CATIA。方法如下：桌面上CATIA图标右键－属性－快捷方式－目标做一下更改：引号内部分如："E:DassaultSystemesB15intel_acodebinCATSTART.exe"-run"CNEXT.exe"envldhdirenv"C:DocumentsandSettingsAdministratorApplicationDataDassaultSystemesCATEnv"-nowindow改为："E:DassaultSystemesB15intel_acodebinCATSTART.exe" -run"CNEXT.exeadmin"envldhdirenv"C:DocumentsandSettingsAdministratorApplicationDataDassaultSystemesCATEnv"-nowindow启动CATIAV5Administrator模式，设定共享的设定环境的步骤1.C:DocumentsandSettingsAllUsersApplicationDataDassaultSystemes目录下建立ReferenceSettingPath数据夹C:DocumentsandSettingsAllUsersApplicationDataDassaultSystemes路径下建立CollectionStandard数据夹2.C:DocumentsandSettingsAllUsersApplicationDataDassaultSystemesReferenceSettingPath目录下建立B14的数据夹，此数据夹是用来储存CATIAV5管理者的共享设定，一般User无法更改这些设定值 3.开启C:DocumentsandSettingsAllUsersApplicationDataDassaultSystemesCATEnvCATIA_P3.V5R10.B14.txt4.CATUserSettingPath=CSIDL_APPDATADassaultSystemesCATSet为CATUserSettingPath=CSIDL_APPDATADassaultSystemesCATSettingsB14，如果同时安装多个版本的CATIA这个动作是必要的，避免设定混乱，确时的路径为C:DocumentsandSettings登入名称ApplicationDataDassaultSystemesCATSettingsB145.增加CATReferenceSettingPath=的路径C:DocumentsandSettingsAllUsersApplicationDataDassaultSystemesReferenceSettingPathB14，此设定即指定管理者模式时CATIAV5的设定文件储存的路径，CATIAV5会先读取此处的设定才会读取CATUserSettingPath路径中的设定6.加入CATCollectionStandard=的路径为C:DocumentsandSettingsAllUsersApplicationDataDassaultSystemesCollectionStandard7.存档二、CATIA标准设置进入CATIA管理模式后修改CATIA制图标准为国标工具－标准更改类别为drafting直接修改文件ISO.Xml4.4绘制的三维零件图及装配图 图4-1转向器总成图4.5本章小结本章的主要内容是绘制所设计零件的三维图、二维工程图的绘制。以及进行三维零件的装配。主要的难点是二维工程图的国标设置。由于CATIA没有国标，所以进行了自己的设置。 结论本次设计的题目为后置梯形转向器设计。由于是针对实际参赛进行的前期设计，故在充分考虑比赛需求的前提下，去掉了很大一部分常规转向器中不必要的设计。在整个转向系统基本参数初定的情况下进行设计。设计的重点是使转向器能够达到预定的传动比，使转向足够灵敏、轻便。这回直接关系到赛车的操纵性和行驶性，进而直接关系到比赛的成绩。为了寻求较适合本次赛车的设计，本次设计的思路与常规转向器的设计有一定程度上的不同。首先通过与悬架的配合定出齿条长度的初值、通过轮辋直径定出转向节臂长度的初值。根据程序优化结果，定出转向横拉杆的初值、转向节臂的初始长度及齿条与主销轴线的相对位置。在这些基本参数已确定的情况下，在进行转向器的设计。首先通过比赛时弯道的转弯半径来确定所需要的最小转弯半径，进而求出转向轮所需的最大转角。然后根据驾驶空间的设计和以往比赛的数据初定传动比。根据齿轮齿条转向器变传动比的性质，定出在中间位置时的瞬时传动比为初定的值。据此，即可设计计算处主动小齿轮的尺寸参数。与齿轮相啮合的齿条的尺寸技术参数也可据此计算出。最后进行壳体的设计及轴承的选用。 参考文献1百度百科，http://baike.baidu.com/view/1293496.htm?fr=ala0_12赵燕，周斌，张仲甫.汽车转向系统的发展趋势，汽车研究与开发，2003（2）：22-243陈家瑞.汽车构造第二版.机械工业出版社,2005.01，244-2814王望予.汽车设计第四版.机械工业出版社,2004.08，219-2565许立忠，龚景安.机械设计.机械工业出版社,2003.01,45-646安子军.机械原理教程.机械工业出版社,2003年8月，122~1607SY110型齿轮齿条式转向器.汽配成果，姜堰汽配网.http://210.73.128.41/jycw/result_detail.asp?num=6598汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册基础篇.2001年6月，246-2559汽车工程手册编辑委员会。汽车工程手册设计篇，2001年6月，574-66210刘惟信主编.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001，649-65711蔡兴旺.汽车概论.机械工业出版社，2006，133-13412WilliamF.MillikenandDouglasL.Milliken。Racecarvehicledynamic，SAE，665~70413CarrollSmith.Tunetowin.Aeropublishers.Inc，1978，60~6414SanketAmberkar,FarhadBolourchi,JonDemerlyandSccotMillsap.Acntrolsystemmethodologyorsteerbywiresystem[D].SAEtechnicalpaperseries.2004-02-1106.15FrancisBHoogterp,WilliamRMeldrum,Jr.DiffrentialTorqueSteeringforFutureCombatVehicles[C].SAEPaper1999-01-3740 致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师夏怀成。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是夏怀成老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩夏怀成老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢和我一起作毕业设计的陈华同学，他在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难来完成此次毕业设计，并承担了大部分的工作量。如果没有他的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢燕山大学四年来对我的大力栽培。 附录1燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：断开式后置梯形转向器设计学院（系）：燕山大学车辆与能源学院年级专业：06级车辆工程学生姓名：林剑超指导教师：夏怀成完成日期：2010年4月1日  一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目[1]。汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车操纵稳定性和安全性。在汽车转向行驶时，还要保证各转向轮之间有协调的角度关系[3-4，8-9]。以往转向器的生产厂商主要在质量、价格、舒适性及其他因素之间寻找平衡点，而且将改进汽车的舒适性、易操作性和安全性作为转向器的发展方向[2]。齿轮齿条转向器主要由主动小齿轮、齿条、壳体、压紧装置等组成[3]。齿轮齿条转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和雨转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条转向器最主要的优点是：结构简单，紧凑：壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因摩擦出现间隙后，利用装在齿条背部，靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节弹簧，能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生的冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。而且特别适合于烛式与麦弗逊是悬架。因此它在轿车和微型，轻型货车上得到广泛的应用[4、10]。 齿轮齿条转向器的主要缺点是：因逆效率高（60%~70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员紧张，并难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动会造成打手，同时对驾驶员造成伤害[4]。同时，对于fase赛事而言，道路情况很好，不会对驾驶员造成很大的反冲；赛车本身使用独立悬架且车重体积都很小。结合齿轮齿条式转向器的本身特点，选用齿轮齿条式转向器是目前最适合该项赛事赛车的转向器。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：作为fase赛车的一个部分，转向器的主要功能是保证汽车按照驾驶员的意志而进行转向行驶。体现到转向器上，则主要是与整个转向系配合是角传动比和力传动比都达到做合适的数值。因此，作为转向器所要解决的基本内容有最佳的角传动比和最佳的力传动比。对于fase赛车而言要解决的问题是提供足够的转向灵敏度的同时方向盘手力不能过大，主要措施是增大主动小齿轮的半径，以及调整转向节臂和转向横拉杆的布置形式和尺寸来达到最合适的数值。最佳的角传动比和力传动比通过与整车配合的实际道路实验获得。三、研究步骤、方法及措施：通过对面临的主要问题的讨论和分析，制定出研究的步骤、方法和措施如下：1、了解齿轮齿条转向器的主要结构。2、收集现有齿轮齿条转向器的资料，研究分析。3、fase赛车转向器的功能分析。4、fase赛车转向器的设计与制作。5、设计确定与整车配合的道路实验方法。6、道路实验，收集各种路况下数据。四、研究工作进度： 根据研究的步骤、方法及措施规划制定工作进度如下：3月份完成普通汽车齿轮齿条转向器的主要结构，参数。并运用到fase赛车上。4月份完成fase赛车转向器设计与制作。5月份完成道路实验方法的设计和制定并收集相关数据。6月份完成fase赛车转向器的整体设计和毕业设计论文的撰写并准备答辩。五、主要参考文献：1百度百科,FSAE赛事简介，http://baike.baidu.com/view/1293496.htm?fr=ala0_12赵燕，周斌，张仲甫.汽车转向系统的发展趋势，汽车研究与开发，2003（2）：22-243陈家瑞.汽车构造第二版.机械工业出版社,2005.01，244-2814王望予.汽车设计第四版.机械工业出版社,2004.08，219-2565许立忠，龚景安.机械设计.机械工业出版社,2003.01,45-646安子军.机械原理教程.机械工业出版社,2003年8月，122~1607SY110型齿轮齿条式转向器.汽配成果，姜堰汽配网.http://210.73.128.41/jycw/result_detail.asp?num=6598汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册基础篇.2001年6月，246-2559汽车工程手册编辑委员会。汽车工程手册设计篇，2001年6月，574-66210刘惟信主编.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001，649-65711蔡兴旺.汽车概论.机械工业出版社，2006，133-13412WilliamF.MillikenandDouglasL.Milliken。Racecarvehicledynamic，SAE，665~70413CarrollSmith.Tunetowin.Aeropublishers.Inc，1978，60~6414SanketAmberkar,FarhadBolourchi,JonDemerlyandSccotMillsap.Acntrolsystemmethodologyorsteerbywiresystem[D].SAEtechnicalpaperseries.2004-02-1106.15FrancisBHoogterp,WilliamRMeldrum,Jr.DiffrentialTorqueSteeringforFutureCombatVehicles[C].SAEPaper1999-01-3740 六、导师意见：指导教师（签字）年月日七、审核意见：审查结果：1、通过；2、完善后通过；3、未通过负责人（签字）：年月日 附录2燕 山 大 学本科毕业设计（论文）文献综述课题名称：断开式后置梯形转向器设计学院（系）：燕山大学车辆与能源学院年级专业：06级车辆工程学生姓名：林剑超指导教师：夏怀成完成日期：2010年4月1日  一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目[1]。汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车操纵稳定性和安全性。在汽车转向行驶时，还要保证各转向轮之间有协调的角度关系[3-4，8-9]。以往转向器的生产厂商主要在质量、价格、舒适性及其他因素之间寻找平衡点，而且将改进汽车的舒适性、易操作性和安全性作为转向器的发展方向[2]。齿轮齿条转向器主要由主动小齿轮、齿条、壳体、压紧装置等组成[3]。齿轮齿条转向器由与转向轴做成一体的转向齿轮和雨转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其他形式的转向器比较，齿轮齿条转向器最主要的优点是：结构简单，紧凑：壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因摩擦出现间隙后，利用装在齿条背部，靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节弹簧，能自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生的冲击和噪声；转向器占用体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。而且特别适合于烛式与麦弗逊是悬架。因此它在轿车和微型，轻型货车上得到广泛的应用[4、10]。 齿轮齿条转向器的主要缺点是：因逆效率高（60%~70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间冲击力的大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员紧张，并难以准确控制汽车的行驶方向，转向盘突然转动会造成打手，同时对驾驶员造成伤害[4]。同时，对于fase赛事而言，道路情况很好，不会对驾驶员造成很大的反冲；赛车本身使用独立悬架且车重体积都很小。结合齿轮齿条式转向器的本身特点，选用齿轮齿条式转向器是目前最适合该项赛事赛车的转向器。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：作为fase赛车的一个部分，转向器的主要功能是保证汽车按照驾驶员的意志而进行转向行驶。体现到转向器上，则主要是与整个转向系配合是角传动比和力传动比都达到做合适的数值。因此，作为转向器所要解决的基本内容有最佳的角传动比和最佳的力传动比。对于fase赛车而言要解决的问题是提供足够的转向灵敏度的同时方向盘手力不能过大，主要措施是增大主动小齿轮的半径，以及调整转向节臂和转向横拉杆的布置形式和尺寸来达到最合适的数值。最佳的角传动比和力传动比通过与整车配合的实际道路实验获得。三、研究步骤、方法及措施：通过对面临的主要问题的讨论和分析，制定出研究的步骤、方法和措施如下：1、了解齿轮齿条转向器的主要结构。2、收集现有齿轮齿条转向器的资料，研究分析。3、fase赛车转向器的功能分析。4、fase赛车转向器的设计与制作。5、设计确定与整车配合的道路实验方法。6、道路实验，收集各种路况下数据。四、研究工作进度： 根据研究的步骤、方法及措施规划制定工作进度如下：3月份完成普通汽车齿轮齿条转向器的主要结构，参数。并运用到fase赛车上。4月份完成fase赛车转向器设计与制作。5月份完成道路实验方法的设计和制定并收集相关数据。6月份完成fase赛车转向器的整体设计和毕业设计论文的撰写并准备答辩。五、主要参考文献：1百度百科,FSAE赛事简介，http://baike.baidu.com/view/1293496.htm?fr=ala0_12赵燕，周斌，张仲甫.汽车转向系统的发展趋势，汽车研究与开发，2003（2）：22-243陈家瑞.汽车构造第二版.机械工业出版社,2005.01，244-2814王望予.汽车设计第四版.机械工业出版社,2004.08，219-2565许立忠，龚景安.机械设计.机械工业出版社,2003.01,45-646安子军.机械原理教程.机械工业出版社,2003年8月，122~1607SY110型齿轮齿条式转向器.汽配成果，姜堰汽配网.http://210.73.128.41/jycw/result_detail.asp?num=6598汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册基础篇.2001年6月，246-2559汽车工程手册编辑委员会。汽车工程手册设计篇，2001年6月，574-66210刘惟信主编.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001，649-65711蔡兴旺.汽车概论.机械工业出版社，2006，133-13412WilliamF.MillikenandDouglasL.Milliken。Racecarvehicledynamic，SAE，665~70413CarrollSmith.Tunetowin.Aeropublishers.Inc，1978，60~6414SanketAmberkar,FarhadBolourchi,JonDemerlyandSccotMillsap.Acntrolsystemmethodologyorsteerbywiresystem[D].SAEtechnicalpaperseries.2004-02-1106.15FrancisBHoogterp,WilliamRMeldrum,Jr.DiffrentialTorqueSteeringforFutureCombatVehicles[C].SAEPaper1999-01-3740 六、导师意见：指导教师（签字）年月日七、审核意见：审查结果：1、通过；2、完善后通过；3、未通过负责人（签字）：年月日 附录3燕 山 大 学本科毕业设计（论文）外文翻译课题名称：四轮转向车型的控制系统学院（系）：燕山大学车辆与能源学院年级专业：06级车辆工程学生姓名：林剑超指导教师：夏怀成完成日期：2010年4月1日  四轮转向(4WS)车型的控制系统帕维尔，米罗斯拉夫，罗伯特摘要：四轮转向-后轮控制。停车和低速操作，后轮转向相反的方向的前轮，使很多急转弯。在更高的速度，其余的车轮引导在同一方向的前轮。其结果是更稳定和减少机构精益在快车道变化和结果，因为前轮没有拖动非转向后轮上的路径。关键词：四轮转向，4WS，后轮控制。1.前言主要是在航空和航运业的规模模式属于多年来常用的方法实验执行。例如，在空气动力学的航空结构，这架飞机规模的部分或全部飞机已被用于实验的空气动力特性的测定及其优化。带有的帮助下，相似原理，用这种方法，有可能获得相对准确的实验结果与低费用。还可以执行实验，否则是完全行不通的，验证功能甚至小规模的变化和修改的结构;所有可以做到这一点很短的时间内。也是一个风险最小经验是必不可少的，这自然会陪伴在其他实验可行的。这些优势，以及发展商业套规模的模式已导致使用率这种方法即使在发展领域的新决议，学科的车辆设计和智能运输系统的设计。如果在汽车行业，最近的技术已经允许超越本;因此，除了空气动力学，这是主要集中在车身形状和气流沿车身体好，这是可能的，通过准确的微型结构部分的车辆，使车辆，这是非常类似真正的汽车，包括体重的比例和动态特性。2.四轮转向系统当代前后轴允许巧合指导通过的影响，变化elastokinematic指导;后轮旋转，由于影响的变异竖向荷载车轮（倾斜） ，在同一方向作为前轮。然而，这样一个转变后轮非常小和司机将独立。字母a缺点是这个所谓的被动转向系统是它的驾驶操作，即使在直道方向当单个车轮车轴访问表面不规则（恶化的方向稳定性）。新一代的主动转向系统的区别，需要转向的后轮的原因方向稳定性的需要指导的后轮的原因转弯时速度缓慢。因此，积极系统意味着后轮有可能被拒绝任何偶然或非偶然。所增加的机动性车辆停车时是通过手段disconcordant指导，同时，增加了驾驶的稳定性更高的速度是通过一致的指导。图1：方法指导后轮：一）disconcordant指导（反相）;二）常规指导;三）和谐指导（同相）图2：比较与避撞机动车辆2WS（常规督导）和四轮转向（来源：马自达）视野中的技术手段，积极系统（确定为4-4个车轮指导）相当昂贵。后轮必须turnable座位，以便他们可以打开，并把它们，部队需要，必须确保（使用指导中或使用额外的液压转向系统）。有源系统必须还通知在什么速度的车辆正在为在更高的速度（大约在速度为40公里/小时），该noncoincidental指导，是不可取的（亏损的行驶稳定性）。从技术角度来看，控制后轮是确保： 力学机理（例如本田四轮转向）电液伺服机制（如马自达626-四轮转向）电动机制（如本田电子四轮转向系统，德尔福Quadrasteer）3.试验可控与稳定的模型汽车如上所述，实施实验规模的车辆使用。最类似的实验中世界利用两套德国模式制造商胶Modellsport，这是设计明智非常类似真正的车辆和能够满足基本要求的能力，获得的数据传输实验变为现实。模型已经主要是嗜好性，但最近的嗜好领域已经处于一种半专业水平。世界赛车锦标赛已建立了配备内燃机和最快规模型号达到最大速度超过100公里/小时。图3：样本车型制备车型建设，所有车轮的是指导，是正在进行中的技术大学利贝雷茨。建立了我们的车型是基于该公司的一套胶Modellsport。这是semiproduct配备了梯形车轴是全面调整，此外，车辆配备更换和可调悬挂单位。后轮驱动桥配有差速器齿轮股。设计原来的后轴将要取而代之的是一个可控的。实验正确，该模型将装备与速度传感器的车轮旋转传感器以及车辆加速。输入控制参数是速度和角度的方向盘角度之交的前部和后部的车轮。该模型将有助于评估不同的算法指导的车辆，以提供更高的驾驶稳定（即在更高的速度-和谐指导），包括各种调整的底盘。 图4：安排的模型：1-内燃机，2-前轴，3-后轴，4-伺服驱动器与传感器的前轴，5-伺服驱动器与传感器的后轴，6-伺服驱动器与传感器的转折点发动机皮瓣，7控制计算机，8-传感器的旋转的车轮，9-传感器的yawing速度，10-传感器的横向加速度，11-电池。 图5：数字化数据的车型的样本修改后轴4.基本思想的积极系统的指导后轮为了满足这些相互矛盾的要求，有必要找到这种技术解决方案，可提供无论是一致或disconcordant指导后轮，这取决于打算驾驶余地。从技术角度来看，这是相当困难的，提供指导后轮：车轮暂停必须允许其指导，设计必须包括驱动因素，将提供准确调整，但除此之外，有必要采用控制系统，将问题的必要指示的驱动因素。四轮转向系统的基础之上的条例时，转向角度的后轮取决于输入参数（如的角度方向盘，速度的车辆），以及输出参数（如yawing速度）的车辆。控制系统必须确保通过的指示后，启动内容准确，他们通过迅速。电子系统可以评估之后参数较快，而且可以指定一个值数量的控制，将控制的力量的因素。该图的安排中显示图.4 。控制单元将决定信息指导的前轮，但是，其结果将予以纠正对瞬时速度的驱动器，价值yawing速度和横向加速度的车辆。指导的后轮将传感器检查其立场充当反馈控制电路为了解决这个steerability和优化算法的指导和车辆的稳定，甚至可以用来模拟。有利于利用一个单一的轨道平面动态车型按图。6。当这个模式是比较双轨模式，可以看出，侧向力的前轴警司=一+S2和对后轴深圳=三+四;周力惠普=H1基因+氢气，惠州=蛋白H3+H4灯口。滚动阻力和自我调整时刻车轮忽视。图6：单轨道平面动态车辆模型现在，根据图6，三个运动方程可以写下来：用线性和修改给予方程，我们可以得到方程为车辆横向分离。横向分离取决于价值的角度α（和相应的角速度）。亚乌奥的车辆是由角ε（由角速度和角加速度） 。该系统是令人兴奋的激发作用（变化方向盘角度谈谈）βV=βV（吨），这反过来又影响角的前后车轮通过齿轮比转向箱。被处决的仿真使用MATLAB的Simulink的v.5.3计划。 图7：模拟图飞机模型的车辆所有车轮转向图8：演示模拟避免机动车辆2WS和四轮转向的指导后轮和赔偿的侧滑角。5.结论其目的是四轮转向系统是一个更好的稳定超车演习期间，减少车辆振动围绕其垂直轴，减少感性横向风，中立行为在转弯等，即改善ofactive安全。该模型的车辆规模1:5将使我们能够遵循的行为四轮转向汽车远更低的成本和规模较小而不是一个真正的汽车。通过控制计算机模型，wewill能够评估几种算法指导后轮。这些优化算法将根据规模和课程的横向加速度和yawing速度。6.参考文献[1]楼Vlk：Dynamikamotorovýchvozidel，Nakladatelství1zasilatelstvíVLK，布尔诺，2001致谢这份出版物是建立在项目的研究和发展LN00B073支持下，教育部的捷克共和国。附录4 燕 山 大 学本科毕业设计（论文）外文资料课题名称：CONTROLSSYSTEM OFVEHICLEMODELWITHFOURWHEELSTEERING(4WS)学院（系）：燕山大学车辆与能源学院年级专业：06车辆工程学生姓名：林剑超指导教师：夏怀成完成日期：2010年4月1日  CONTROLSSYSTEMOFVEHICLEMODELWITHFOURWHEELSTEERING(4WS)Abstract:Four-WheelSteering–RearWheelsControl.Forparkingandlow-speedmaneuvers,therearWheelsteerintheoppositedirectionofthefrontwheels,allowingmuchsharperturns.Athigherspeeds,therestwheelssteerinthesamedirectionasthefrontwheels.Theresultismorestabilityandlessbodyleanduringfastlanechangesandturnsbecausethefrontwheelsdon’thavetodragnon-steeringrearwheelsontothepath.Keyword：Four-WheelSteering,4WS,RearWheelsControl1.INTRODUCTIONMainlyinaviationandshippingindustry,thescalemodelsbelongformanyyearstocommonmethodsofexperimentimplementation.Forexample,inaerodynamicsofaviationstructures,theaircrafts’scalepartsorentireaircraftshavebeenusedforexperimentaldeterminationofaerodynamiccharacteristicsandtheiroptimisation.Withthehelpofsimilaritytheory,usingthismethod,itispossibletoobtainrelativelyaccurateexperimentalresultswithlowcostsincurred.Itisalsopossibletoexecuteexperiments,whichwouldotherwisebeentirelyinfeasible,verifyfunctionofevensmall-scalevariationsandmodificationsofthestructure;allthiscanbedonewithinashorttime.Alsoaminimumriskexperiencedisessential,whichwouldnaturallyaccompanyexperimentsthatareotherwisefeasible.Theseadvantagesaswellasdevelopmentofcommercialsetsofscalemodelshaveledtoutilisationofthismethodeveninthefieldofdevelopmentofnewresolutionsindisciplinesofvehicledesignandintelligenttransportsystemsdesign.Incaseofautomotiveindustry,recenttechnologieshaveallowedgoingbeyondthis;thus,inadditiontoaerodynamics,whichisfocusedmainlyontheshapeofvehiclebodyandtheairflowalongcarbodyaswell,itispossible,throughaccurateminiaturesofstructuralpartsofvehicles,tomakea vehiclethatisverysimilartorealcar,includingweightproportionsanddynamiccharacteristics.2.SYSTEM4WSContemporaryrearaxlesallowsforcoincidentalsteeringthroughtheinfluenceofvariationofelastokinematicsteering;rearwheelsrotate,duetoaninfluenceofvariationofverticalloadofwheels(tilting),inthesamedirectionasfrontwheels.Nevertheless,suchaturnofrearwheelsisverysmallanddriver’swill-independent.Adisadvantageofthisso-calledpassivesteeringsystemisthatitoperatesevenwhendrivinginstraightdirectionwhensinglewheelofanaxlehitssurfaceirregularity(deteriorationofdirectionalstability).Newgenerationofactivesteeringsystemsdistinguishesaneedofsteeringofrearwheelsforthereasonofdirectionalstabilityfromaneedofsteeringofrearwheelsforthereasonofcorneringatslowspeed.Therefore,theactivesystemmeansthatrearwheelsarepossibletobeturnedeithercoincidentlyornon-coincidently.Theincreaseofthemanoeuvrabilitywhenparkingthevehicleisachievedbymeansofdisconcordantsteering,meanwhiletheincreaseofthedrivingstabilityathigherspeedsisachievedthroughconcordantsteering. Figure1:Waysofsteeringtherearwheels:a)disconcordantsteering(reversephase);b)conventionalsteering;c)concordantsteering(samephase)Figure2:Comparisonoftheavoidancemanoeuvrewithavehiclewith2WS(conventionalsteering)and4WS(Source:Mazda)Fromtheviewoftechnicalmeans,activesystems(identifiedas4WS–4WheelsSteering)areconsiderablycostly.Rearwheelsmustbeturnableseatedsoastheycanbeturned,andtoturnthem,forcesrequiredmustbeensured(usingthesteeringboxorusingadditionalhydraulicsteeringsystem).Activesystemmustbealsoinformedatwhatspeedthevehicleismovingasathigherspeed(roughlyatthespeedof40km/h),thenon-coincidentalsteeringisundesirable(lossofdrivingstability). Fromatechnicalpointofview,controlofrearwheelsisensuredby:Mechanicalmechanism(e.g.Honda4WS)Electro-hydraulicmechanism(e.g.Mazda626–4WS)Electricmechanism(e.g.HondaE-4WS,DelphiQuadrasteer)3.TESTINGOFCONTROLLABILITYANDSTABILITYONAMODELOFTHEAUTOMOBILEAsalreadystatedabove,experimentsareimplementedusingscaledvehicles.MostofsimilarexperimentsintheworldutilisesetsofGermanmodelmanufacturerFGModellsport,whicharedesign-wiseverysimilartorealvehiclesandareabletomeetbasicrequirementofabilitytotransferthedatagainedexperimentallyintoreality.Modelshavebeenprimarilyofahobbynature,buthobbysphereisrecentlyalreadyatasemi-professionallevel.Theworldracetrackchampionshiphasbeenputoutformodelsequippedwithcombustionenginesandfastestscalemodelsreachmaximumspeedsofmorethan100km/h.Figure3:SampleofvehiclemodelPreparationofvehiclemodelbuilding,allwheelsofwhicharesteered,isinprogressintheTechnicalUniversityofLiberec.Thebuildingupofourvehicle modelisbasedonthesetofthefirmFGModellsport.Thissemiproductisequippedwithtrapezoidalaxleswhicharecomprehensivelyadjustable;inaddition,thevehicleisequippedwithreplaceableandadjustablesuspensionunits.Thereardriveaxleisequippedwithadifferentialgearunit.Designoforiginalrearaxlewillhavetobereplacedbyasteerableone.Forexperimentsproper,themodelwillbeequippedwithspeedsensorsofwheelrotationaswellassensorofvehicleacceleration.Inputcontrolparametersarethevelocityandtheangleofwheelangularturnoffrontandrearwheels.Thismodelwillservetoassessvariousalgorithmsofthesteeringofthevehicletoprovideforahigherdrivingstability(i.e.athigherspeeds–concordantsteering)includingvariousadjustmentsofthechassis.Figure4:Arrangementofthemodel:1–combustionengine,2–frontaxle,3–rearaxle,4–servodrivewiththesensorforthefrontaxle,5-servodrivewiththesensorfortherearaxle,6–servodrivewithsensorfortheturningoftheengineflap,7–controlcomputer,8–sensoroftherotationofthewheels,9–sensoroftheyawingvelocity,10–sensorofthelateralacceleration,11–battery. Figure5:Digitaldataofvehiclemodelwithasampleofmodifiedrearaxle３．THEBASICPHILOSOPHYOFTHEACTIVESYSTEMSFORSTEERINGTHEREARWHEELSInordertomeetthesecontradictoryrequirements,ithasbeennecessarytofindsuchatechnicalsolutionthatmayprovideeitherforconcordantordisconcordantsteeringoftherearwheels,dependingupontheintendeddrivingmanoeuvre.Fromthetechnicalpointofview,itisratherdifficulttoprovideforsteeringtherearwheels:thewheelsuspensionmustallowforitssteering,thedesignmustincludeactuatingelementsthatwillprovideforpreciseadjustment, butinaddition,itisnecessarytoemployacontrolsystemthatwillissuethenecessaryinstructionstotheactuatingelements.Thesystems4WSarebasedupontheregulationwhenthesteeringangleoftherearwheelsdependsupontheinputparameters(e.g.theangleofthesteeringwheel,thespeedofthevehicle)aswellastheoutputparameters(e.g.theyawingvelocity)ofthevehicle.Thecontrolsystemmustensurethattheinstructionspassedupontheactuatingelementsarepreciseandthattheyarepassedonquickly.Theelectronicsystemscanevaluatethefollowedparametersratherfast,andtheycanassignavaluetothecontrolquantitythatwillcontrolthepowerelement.Thediagramofthearrangementisshowninthefig.4.Thecontrolunitwilldecideupontheinformationofthesteeringoffrontwheels,however,theresultwillbecorrectedwithrespecttotheinstantaneousvelocityofthedrive,thevalueoftheyawingvelocityandthelateralaccelerationofthevehicle.Thesteeringoftherearwheelswillbecheckedbythesensoroftheirpositionwhichservesasthefeedbacktothecontrolcircuit.Toresolvethesteerability,andforoptimisationofsteeringalgorithmandvehiclestability,evenasimulationcanbeused.Itisadvantageoustoutiliseasingle-trackplanedynamicvehiclemodelasperFig.6.Whenthismodeliscomparedwithatwin-trackmodel,itcanbeseenthatlateralforceonfrontaxleSP=S1+S2andonrearaxleSZ=S3+S4;thecircumferentialforceHP=H1+H2,HZ=H3+H4.Rollingresistancesandself-aligningmomentsofwheelsareneglected. Figure6:Single-trackplanedynamicvehiclemodelNow,basedonFigure6,threeequationofmotioncanbewrittendownBymeansoflinearizationandmodificationofgivenequationswecanobtainequationsintendedforvehiclelateralbreakaway.Lateralbreakawayisdeterminedbyvaluesofangleá(andbycorrespondingangularvelocity).Yawofthevehicleisdeterminedbyangleå(byangularvelocityandangularacceleration).Thesystemisexcitedbytheexcitingfunction(variationofsteeringwheelangularturn)âV=âV(t),whichinfluencesangularturnofbothfrontandrearwheelsthroughgearratiosofsteeringboxes. ThesimulationwasexecutedusingtheprogramMATLABSimulinkv.5.3. Figure7:Simulationdiagramofplanemodelofthevehiclehavingallwheelssteerable Figure8:Demonstrationofthesimulationoftheavoidancemanoeuvrewithvehicles2WSand4WSwiththesteeringofrearwheelsandcompensationofthesideslipangle.5.CONCLUSIONSTheaimof4WSsystemisabetterstabilityduringovertakingmanoeuvres,reductionofvehicleoscillationarounditsverticalaxis,reducedsensibilitytolateralwind,neutralbehaviourduringcornering,etc.,i.e.improvementofactivesafety.Themodelofthevehicleinthescale1:5willallowustofollowthebehaviourofthe4WSautomobileatamuchlowercost,andonasmallerscalethanwitharealautomobile.Bymeansofthecontrolcomputerinthemodel,wewillbeabletoassessseveraltypesofthealgorithmsforsteeringtherearwheels.Thesealgorithmswillbeoptimisedaccordingtothesizeandcourseofthelateralaccelerationandtheyawingvelocity.6.REFERENCES[1]F.Vlk:Dynamikamotorovýchvozidel,NakladatelstvíazasilatelstvíVLK,Brno,2001Acknowledgements ThispublicationwascreatedwithintheprojectofresearchanddevelopmentLN00B073,supportedbytheMinistryofEducationofCzechRepublic.'