Selection, Modification And Analysis of Steering Mechanism For An All Terrain Vehicle
Chetan Dhuri, Aditya Masur, Aniket Warang amp; Aditya sudhir
Guided by Aqleem Siddiqui amp; Nitin Gurav
Department Of Mechanical Engineering,
Fr. C. Rodrigues Institute Of Technology, Vashi
Abstract – This project aims at studying the designing of the steering system of an ATV (All Terrain Vehicle). The steering system is the most vital element in any automobile. It helps the driver in obtaining complete control on the manoeuvring of the vehicle. Since the steering system is directly operated by the driver it is essential to take human comfort into consideration while designing the steering. The effort required by the driver in handling the steering is an important factor. The steering system is in direct contact with the tyres hence it is subjected to extensive forces. Hence it is imperative that the design is tested for failure under such conditions. In this project we have modified the steering system implemented in Maruti Suzuki Esteem to meet our design requirements. We have successfully tested our steering mechanism in the ATV (All Terrain Vehicle) fabricated in the workshop by obtaining values from the various calculations we performed..
I. INTRODUCTION
Mechanical Engineering is one of the broadest disciplines in engineering which overlaps many other disciplines. It provides a choice of innumerable field of interest and development for a student. Automobile Design was a common interest of the members of the project team.
Our interest led us to become members of the automotive society, SAEINDIA Collegiate Club of our college, through which we were introduced to the event BAJA SAEINDIA.
BAJA SAEINDIA is a competition involving teams from all over the country wherein each team has a goal to design and build a rugged single seat, off-road recreational four-wheel vehicle intended for sale to a non-professional, weekend off-road enthusiast.
The design analysis and fabrication of the various systems in the All Terrain Vehicle (ATV) was divided amongst the 4 groups consisting of 4 members each. Our project is the Steering System of an All Terrain Vehicle (ATV).
II. AIM AND OBJECTIVE
Study and analysis of a modified steering system according to the constraints provided by the RULEBOOK OF BAJA SAEINDIA 2013 to be used in single seat All-Terrain Vehicle.
III. PROBLEM DEFINITION
After considering all the advantages and disadvantages of the types of steering systems it was found that the rack and pinion steering system is suited to be implemented in an all-terrain vehicle. However manufacturing of the entire system would have been very costly and difficult.
Therefore it was decided that a standard steering system available in the market would be modified to meet the required constraints.
Since all standard steering systems available are right hand drive the actual problem definition of our project is to convert the standard right hand drive steering system into centrally aligned steering system. The standard steering system chosen was Maruti Suzuki Esteem.
Following are the specifications.
Right hand drive.
Dimensions –
o Tie rod – 10 inches
o Rack arm - 25.5 inches
o Steering ratio – 2.5
IV. SCOPE
In this project the conditions satisfying true rolling will be calculated from Ackermann steering law. Then the calculated values would be used to design the rack rod. The modified rack would be tested on software (Inventor/Ansys) for various modes of failure. Changes in the design would be made according to the test results. The rack housing would be modified accordingly. The length of the steering column will be varied according to the roll-cage dimensions. Mounting points for steering system on the roll-cage would be designed.
Finally the steering system would be mounted on to the vehicle.
V. DESIGN METHODOLOGY
There are two ways in which the right hand drive could be converted into a central drive either by modifying the length of the steering column or by modifying the length of the rack rod as showing in Fig. 1.
An average man can turn a simple steering wheel with an average force of 300N with an average 18 rpm. Therefore,
Now, if we increase the length of connecting rod, we will have to simultaneously increase the diameter or the modulus of rigidity to keep the angular deflection zero.
But it is not possible to vary either of the two parameters as the connecting rod is a critical member in the geometric assembly of the system.
So we prefer to modify the rack arm, which is fairly simple.
5.1 ACKERMANN‟S LAW OF CORRECT STEERING
The law states that to achieve true rolling for a four wheeled vehicle moving on a curved path, the lines drawn perpendicular to the four wheels must be concurrent.
However in Ackermann steering mechanism this condition is not achieved for all angular positions of the wheel. This condition is met only for a single angle of turn. The length of the teeth on the rack = 6.5 inch Initially, when the steering position is neutral the pinion is in the center of the rack teeth. That means it can move 3.25 inch on either side.
5.2 CONVERSION TO ADJUSTABLE STEERING
To make the steering system easy to handle the inclination of the steering column should be made adjustable.
Keeping in mind the comfort of the driver a mechanism has been devised to rotate the steering column for a range of angular position in the longitudinal plane with respect to entire vehicle. Fig. 4 – layout of steering column [4] The above figure depicts the steering column. To make the steering column adjustable the bottom end of the steering c
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全地形车辆转向机构的选择，修改与分析
摘要 - 该项目旨在研究ATV（全地形车）转向系统的设计。 转向系统是任何汽车中最重要的元素。 它有助于驾驶员。 由于转向系统由驾驶员直接操作，因此在设计转向装置时要着重考虑到人体的舒适性。 驾驶员在处理转向时所需的力气是令一个重要因素。 由于转向系统与轮胎直接接触会受到很大的作用力，因此设计在这种情况下进行失效测试是非常必要的。 在这个项目中，我们修改了Maruti Suzuki Esteem所采用的转向系统，以满足我们的设计要求。 我们通过从执行各种计算中获取的值，成功测试了车间制造的ATV（全地形车）中的转向机构。
一、导言
机械工程是工程学中最广泛的学科之一，与许多其他学科重叠。它为学生们提供了无数的兴趣和发展领域。汽车设计是项目团队成员的共同兴趣。
对汽车浓厚兴趣使我们成为车辆工程专业的学员，通过我们学院的SAEINDIA俱乐部，我们了解到了BAJA SAEINDIA的活动。
BAJA SAEINDIA是来自全国各地的团队参加的比赛，其中每个团队都有一个目标，即设计和制造一款坚固的单座，越野休闲四轮车，以供销售给非专业的周末越野爱好者。
全地形车（ATV）中各种系统的设计分析和制造分为四组，每组由四名成员组成。我们的项目是全地形车（ATV）的转向系统。
二、目的和目标
根据BAJA SAEINDIA 2013的RULEBOOK提供的约束条件，研究和分析改装后的用于单座全地形车的转向系统，。
三、问题定义
在考虑了所有类型的转向系统的优点和缺点之后，我们发现齿条齿轮转向系统适用于全地形车辆。但整个系统的制造是非常昂贵和困难的。
因此，决定修改市场上的标准转向系统以满足所需的限制条件。
由于所有可用的标准转向系统都是右侧驱动，因此我们项目的实际问题定义是将标准右侧驱动转向系统转换为集中对齐的转向系统。选择的标准转向系统来自Maruti Suzuki Esteem车型。
设计时遵循以下参数：
bull;右舵驾驶。
bull;尺寸 -
o转向拉杆 - 10英寸
o机架臂 - 25.5英寸
o转向率 - 2.5
四、研究范围
在这个项目中，将根据阿克曼转向定律计算得出满足真实运动条件的情况。然后计算出的值将用于设计齿条杆。修改后的机架将在软件（Inventor / Ansys）上进行各种故障模式的测试。根据测试结果进行设计变更。机架外壳将作相应修改。转向柱的长度将根据防滚架的尺寸而变化。设计转向系统安装在防滚架上的位置。
最后，转向系统将安装在车辆上。
五、设计路线
有两种方式可以通过修改转向柱的长度或通过修改齿条杆的长度将右侧驱动器转换为中央驱动器，如图1所示。
普通人可以转动一个平均力为300N，平均转速为18rpm的简单方向盘。
现在，如果我们增加连杆的长度，我们将不得不同时增加直径或刚度模数以保持角偏转为零。
但是不可能改变这两个参数中的任何一个，因为连杆是系统的几何组装中的关键部件。
所以我们更愿意修改机架臂，这相对简单一点。
5.1 阿克曼的“基本转向定律”
法律规定，为了实现四轮车辆在转弯时必须没有滑移地转动，四个车轮的法线必须是平行的。
然而，在阿克曼转向机构中，对于车轮的所有角度位置都不能达到该条件。这种情况只适用于单个转弯角度。齿条上的齿的长度初始值为6.5英寸，当转向位置为中立时，小齿轮位于齿条齿的中心。这意味着它可以在任何一边移动3.25英寸。
5.2转向可调转向
为了使转向系统容易处理，应该设计可调节角度的转向机构。
考虑到驾驶员的舒适性，我们设计了一种机构来使转向柱在纵向平面内相对于整个车辆的一系列角度位置旋转。图4 - 转向柱的布局[4]上图显示了转向柱。为了使转向柱可调，转向柱的下端将铰接在防滚架上。
调整闩将按照要求安装在仪表板上。具有顺序排列孔的板将焊接到转向柱上。
A.连接到转向齿条
B.万向节（铰点）
C.调整锁定。
VI、 ATV转向系统的试验分析与制造
6.1关键组件分析
所有转向齿条力均由前轮计算得出。由于悬架几何形状的原因，汽车在转弯过程中总是希望“不转向”。这被称为恢复时刻，它直接作用于前轮胎。恢复时刻会在整个转向系统中产生压力，并最终决定驾驶员所需的输入力。在实验中分析稳态转动条件。
为了简化计算，已经做了几个假设，并应用了适当的安全系数。
假设：
bull;所有力均匀分布：在稳定的车削条件下，正常和侧向载荷均匀分布在前后轮之间。
bull;阿克曼效应可以忽略不计：由于前轮轮胎在转弯过程中遵循不同的半径，因此内轮必须转得更远。
6.2材料选择
转向系统中使用的材料针对精确的操作和重量轻的部件。首先要完成高精度和低重量的目标，同时也应考虑成本，可制造性和可靠性。
转向系统的精度依靠高制造公差和最小偏转量来保证。
任何部件的缺陷都会导致转向顺从性，导致转向系统无法正常工作。
购买了小齿轮，齿条杆和转向柱总成。选用低碳钢作为制造部件的材料。
6.3有限元分析
有限元分析在改进的转向系统中的许多关键部件上进行。此分析是基于Solidworks 2011软件执行的。这个软件包是一个非常基本的求解器，可以自动将3D四面体网格应用到零件上。除了网格外，软件只需要很少的参数作为分析的输入。材料属性在www.matweb.com上可以找到。在最大预期负载条件下分析每个部件的偏转特性。下面显示了对不同组件的分析。
系统的设计和制造按照要求完成，目前正在测试中。
我们，为“所有地形车的转向机构的选择，修改和分析”工作组成员，谨借此机会感谢所有真诚和全心全意支持并贡献于我们项目的人。我们感谢我们的教授在准备这个项目过程中提供宝贵及时的指导和鼎力合作。
我们也非常感谢我们的项目指导Nitin Gurav先生（机械工程系助理教授）和Aqleem Siddiqui先生（机械工程系助理教授），他们鼓舞人心的指导和对我们项目的有益建议，无论何时我们接近他们。
我们非常感谢机械工程系的工作人员，感谢SMKhot教授（机械工程系主任）和Rollin Fernandes博士为我们提供了宝贵意见。。最后，我们要感谢所有直接或间接参与我们项目的人。
2014款英菲尼迪Q50轿车线控转向系统解读
英菲尼迪正在尽全力与世界顶级豪华汽车制造商的竞争
这一意义深远的战略中有争议的一部分包括将其每一款产品重新命名为一bl闪光。2014年是英菲尼迪代号为“Q”的一年，诸如Q，G，M和EX等熟悉的车系已经更新名称。该公司最重要的产品之一是全新的Q50运动型轿车，这是非常成功的G系列轿车的继任者。
在最近突显汽车技术的活动中，英菲尼迪美国公司的产品规划总监Keith St. Clair称Q50为“技术展示”和“Infiniti品牌DNA的精髓”。履行这些承诺后，它配备了一份长长的清单有趣的技术，但毫无疑问，Q50的签名功能是所谓的直接适应性转向（DAS）。
直接适应性转向
实际上，工程师使用该系统已经实现了前轮和方向盘之间的虚拟链接。简言之，它是线控的。
数十年来类似的技术已被用于商业客机，更不用说其他应用。美国宇航局于20世纪70年代率先推出了该技术，但英菲尼迪是第一个将其应用于汽车上的厂商。
英菲尼迪工程师YuWun Chai在系统上工作，并表示“我们认为这是转向的未来”，如果其他“线控”技术的历史是任何指导，他是对的。
更多的备案
在正常情况下，驾驶员和前轮之间没有物理连接。所有转向均由电动机处理。但是，正如Chai指出的那样，“安全始终是第一位的”，这就是为什么DAS中有多个冗余级别的原因。
该系统由三个独立的ECU控制，Chai表示“它们之间可以互相协调和监督”。如果任何一台计算机之间存在差异，车辆将进入备用模式。事实上方向机是可以实现齿轮齿条的硬链接的，但在正常情况下，它通过离合器断开;这是什么使电控转向。
如果其中的离合器存在问题，就像道路上的其他任何车辆一样，驾驶员可以直接进行物理转向。
所有这些高端工程的结果都是具有非常独特的驾驶动态的汽车。 DAS可以提供轻便舒适转向体验，或者像专用跑车那样紧凑而沉重的转向体验。但是最好的每个驾驶者都可以自定义它的感觉。
十年磨一剑
Chai说：“和其他突破性技术一样，必须有人先作尝试。”这一个已经发展了整整十年。他表示，工程师们花了六七年的时间来对该系统作调试和标定，甚至一个F1方程式的冠军车手塞巴斯蒂安维特尔也提供了帮助。
关于DAS ，Vettel说：“我试着给出一点反馈意见。”他说 “起初它不像我们希望的那么直接......现在是非常直接的。”他还帮助调整了诸如翻滚响应，座位位置和制动踏板脚感等细小的设定，但是这些属性会直接导致车辆的驾驶特性好坏——到底是人开车还是车“开”人。
驾驶体验
正如你所料，DAS需要一些习惯。在运动模式下，它非常锐利直接，而且转向的阻尼感是很弱的，所以行驶时就要经常反复地纠正方向。起初整体感觉很奇怪。
但几英里之后，它会在你感觉到它时开始走到一起;可调整的设置非常顺滑，整体DAS的效果比您预期的要好。但它仍然觉得缺少某些东西。并不是说它完全像电子游戏一样合成，它比这更好，但是你似乎错过了通过传统转向系统进行道路情况的感知。这种平淡的感觉给你更多关于前轮胎在做什么的信息。
这一观察与英菲尼迪的DAS技术有关。因为方向机和车轮之间没有直接的联系，所以当你遇到颠簸和坑洼时不会有任何回馈。我们有机会在模拟颠簸和搓衣板表面的特殊“粗糙路面”课程中体验这一点。
驾驶车辆通过一些颠簸时，驾驶者并不能通过方向机感知前轮动作，即使它们接触了一些足以引发车身横摆的大型沟坎。
在未配备DAS的Q50中尝试执行相同的任务时，显示出两个系统之间存在微小但可察觉的差异。搭载DAS的汽车绝对没有方向机回馈感，但在没有DAS的普通型号上是可以感觉一点回馈的。幸运的是，基本的转向装置设计得非常好，几乎没有任何粗糙的震动可以传递到驾驶员的手中。
对于普通人来说，DAS是一款非常出色的运动型轿车。它使他们几乎完全掌握了转向感觉。然而，在周末追踪Q50的全能爱好者可能不会喜欢它，但他们绝对是少数司机。事实上，这些人可能不喜欢DAS的想法，而不是实际的技术本身。但是，当您考虑其允许的其他好处时，该转向系统变得更加有趣。
但等等，还有更多
DAS有助于实现多种先进的驾驶辅助系统，例如盲点干预和智能巡航控制。如果将Q50的自适应转向技术与其他传感器结合在一起，可以发生一些整洁的事情。
很多人都熟悉车道偏离预警系统。配备此特定功能的车辆“阅读”道路上的线路，并知道您是否过于靠近或穿越一条线路。他们可以通过声音警告提醒驾驶员，并帮助将车辆推回车道中央。许多这些系统使用差速制动来实现这一点，尽管它们通常可能非常突兀。
但用DAS电动机控制转向齿条。它可以平稳地调整汽车的前进方向，轻轻一点，你甚至不会注意到。英菲尼迪称这种主动车道控制。搭载DAS的Q50将是一款非常出色的道路旅行机器。通过自适应巡航控制监控前进速度以及主动车道控制，保持一切指向正确的方向，汽车几乎可以驾驶自己。自治不能遥远。
还请参见：旅行之路——2014款英菲尼迪Q50的起源
公司代表声称，DAS还有更多好处，例如更好的转向响应，更高的精度和更低的驾驶疲劳度，更不用说更低的成本和更轻的重量，不过因为有了物理备份和特殊离合器，我们不禁质疑，最后两点能实现吗？
直接适应性转向是包括S型号在内的某些Q50修整水平的标准设备。
驾驶杆
用于轿车底盘的滚动轴承和部件
客车底盘领域的进一步发展和优化的目标主要是：
■通过手段提高驾驶舒适性
- 低振动水平，
- 更直接地处理与操作相关的组件
- 改善转向舒适性
■提高主动安全性，以尽量减少紧急情况的影响
■通过减少事故结果等措施提高被动安全性
- 安全转向柱，可折叠和吸收能量的方向盘。
通过对轴运动和悬架进行微调来实现了相当大的进步，例如，多连杆悬挂和车桥集成系统。未来属于“智能底盘”，显然会自动适应相关驾驶条件。底盘的调整不仅限于单个悬挂和阻尼部件，还包括以下相关领域：
■驱动和制动
■驾驶舒适性和驾驶安全性
■操纵稳定性和道路控制。
ABS（防抱死系统）和ASR或ETC（牵引力控制系统）等目前的底盘调节系统大大提高了驾驶的舒适性和安全性。进一步的发展将会增加电子元件的使用，而液压元件将逐渐被取代。
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