基于理想轉(zhuǎn)向梯形的純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 偉，張 君，屈 翔，廖林清

(1.a.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;b.車輛工程學(xué)院，重慶 400054;

2.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

基于理想轉(zhuǎn)向梯形的純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 偉1a，張 君1a，屈 翔1b，廖林清2

(1.a.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;b.車輛工程學(xué)院，重慶 400054;

2.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

對現(xiàn)行汽車斷開式梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，提出了理想轉(zhuǎn)向梯形的概念。建立了理想轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出了齒條拉桿的長度誤差公式。設(shè)計(jì)出一種新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)的純滾動(dòng)。

汽車;理想轉(zhuǎn)向梯形;純滾動(dòng);轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是基于阿克曼轉(zhuǎn)向理論發(fā)展起來的，但是該理論僅針對車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的理想狀態(tài)。現(xiàn)有的技術(shù)通過調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)向梯形的幾何參數(shù)，只能近似滿足阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系，無法保證轉(zhuǎn)向輪繞轉(zhuǎn)向匯交中心做純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。這種由轉(zhuǎn)向梯形帶來的誤差會(huì)加劇轉(zhuǎn)向輪的磨損，增加轉(zhuǎn)向阻力，同時(shí)還會(huì)造成車輛的側(cè)滑，對行車穩(wěn)定性、駕駛舒適性都有影響。設(shè)計(jì)完全符合阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一直是汽車設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。

1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

在如圖1所示的汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)平面模型中，以斷開式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，已知主銷間距AB為b，梯形臂AD、BC長為r，橫拉桿DE、CF長為 c，齒輪齒條拉桿EF長度為a，齒條軸線相對前軸線偏距為h。不考慮各桿件之間的空間夾角及運(yùn)動(dòng)副間隙，車輪的偏轉(zhuǎn)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)向梯形臂AD和BC轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 斷開式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型

當(dāng)汽車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)右輪的桿系運(yùn)動(dòng)如圖1所示。假設(shè)齒條拉桿EF向右移動(dòng)至E″F'位置，行程EE″=FF'=s，通過右拉桿推動(dòng)右梯形臂，使右輪轉(zhuǎn)過角度α，則齒條拉桿行程s與右側(cè)車輛轉(zhuǎn)角α的關(guān)系為

內(nèi)側(cè)左輪的齒條拉桿EF向右同樣移動(dòng)了行程s，通過左拉桿推動(dòng)左梯形臂，使左輪轉(zhuǎn)過角度β，那么齒條拉桿行程s與左側(cè)車輛轉(zhuǎn)角β的關(guān)系為可得

式(3)中橫拉桿CF、DE長度為

2 理想轉(zhuǎn)向梯形的定義

將圖1中的點(diǎn)C與D連接起來，使齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡化，則成如圖2所示的等腰梯形ABCD。若兩轉(zhuǎn)向輪滿足阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向，那么稱按照阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系變化后的轉(zhuǎn)向梯形ABC'D'稱為理想轉(zhuǎn)向梯形。理想轉(zhuǎn)向梯形構(gòu)件名稱和符號見表1。

圖2 理想轉(zhuǎn)向梯形簡化模型

表1 理想轉(zhuǎn)向梯形構(gòu)件名稱和符號

在實(shí)際轉(zhuǎn)向梯形?ABCD中易得CD即橫拉桿m的值：m=b-2rcosθ。在此用σ來表示理想橫拉桿與實(shí)際橫拉桿之間的偏差，可得σ=n-m，即

在外輪轉(zhuǎn)角都為α的情況下，將理想轉(zhuǎn)向梯形放到圖1中的斷開式汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)平面模型中，會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)左車輛實(shí)際轉(zhuǎn)角β與理想內(nèi)側(cè)左車輛實(shí)際轉(zhuǎn)角β'存在一定差值。同樣，齒條拉桿EF的實(shí)際位移為s，理想齒條拉桿位移為s'，其位移之差為σs。

3 實(shí)例分析

已知某微型車的相關(guān)參數(shù)：主銷間距 b=1 274.24 mm，軸距l(xiāng)=2 340 mm，梯形臂長r=111 mm，齒輪齒條拉桿長度a=624 mm，齒條軸線相對前軸線偏距h=85 mm，梯形底角θ=60°，最大外輪轉(zhuǎn)角αmax=24°。

從圖3、4可以看出：隨著內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β的增大，理想橫拉桿與實(shí)際橫拉桿之間的偏差σ增大，齒條拉桿位移差 σs也增大;在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角很小(＜5.8°)時(shí)，橫拉桿偏差與齒條拉桿長度誤差比較小(＜0.1 mm)，接近滿足阿克曼定理;最大內(nèi)輪轉(zhuǎn)角時(shí)，σmax=4.17 mm，σsmax=5.28 mm。當(dāng)汽車右轉(zhuǎn)彎時(shí)，橫拉桿偏差σ、齒條拉桿位移差σs隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β增大的變化規(guī)律相同。

圖3 橫拉桿偏差σ隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β的變化情況

圖4 齒條拉桿位移差σs隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β的變化情況

4 純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合以上分析可知：通過改變轉(zhuǎn)向橫拉桿CD或者齒條拉桿EF的長度，能使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)滿足阿克曼原理，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的純滾動(dòng)。

以圖1所示的斷開式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，設(shè)計(jì)出一種確保汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的偏轉(zhuǎn)滿足阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系的新型機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

該新型純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是將汽車的斷開式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)改造成機(jī)電控制，通過安裝在轉(zhuǎn)向左節(jié)臂處的角度傳感器1和2發(fā)送信息，ECU接收信息，依照圖4所示規(guī)律控制帶自鎖功能的伺服電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)3驅(qū)動(dòng)滾軸絲桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)螺母副使齒條拉桿EF的長度時(shí)時(shí)處于理想狀態(tài)，ECU同時(shí)控制助力電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)汽車的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。

本機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)3帶動(dòng)的齒輪上還安裝有電磁式鎖止閥。當(dāng)伺服電機(jī)3出現(xiàn)故障時(shí)，電磁式鎖止閥鎖住齒輪，齒條拉桿EF的長度補(bǔ)償功能失效。當(dāng)汽車處于小角度轉(zhuǎn)向時(shí)，可以近似認(rèn)為做純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向，此時(shí)ECU控制伺服電機(jī)3自鎖，只由助力電機(jī)提供助力轉(zhuǎn)向作用。

分析圖4可以看出齒條拉桿長度誤差呈非線性變化，齒條拉桿理想長度ai=a+σs。為使車輪在不同轉(zhuǎn)角狀態(tài)下都能較好地近似滿足前輪前束和阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系，同時(shí)簡化ECU的控制策略，提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作效率，考慮滾軸絲桿與控制電機(jī)參數(shù)等因素，得到齒條拉桿控制長度a'與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β的關(guān)系如圖6所示。

圖6 齒條拉桿控制長度a'與理想長度ai

對比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)齒條拉桿位移誤差，新型純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的齒條拉桿位移誤差得到了明顯的改善，如圖7所示。此時(shí)汽車可以近似認(rèn)為做純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。

從圖7可看出：新型純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的齒條拉桿位移還存在一定的誤差，這是由于齒條拉桿控制長度誤差造成的。圖8為齒條拉桿控制長度a'與理想長度ai的誤差。

圖7 機(jī)構(gòu)齒條拉桿位移誤差對比

圖8 齒條拉桿控制長度a'與理想長度ai的誤差

在圖8中：內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β在0～25°時(shí)，齒條拉桿長度誤差在0.1 mm內(nèi);當(dāng)β處于大轉(zhuǎn)角時(shí)，誤差也不超過0.2 mm，其誤差主要來自簡化的ECU控制、伺服電機(jī)、滾軸絲桿等。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對現(xiàn)有斷開式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)理想轉(zhuǎn)向梯形的原理誤差，推導(dǎo)出齒條拉桿的長度誤差，并設(shè)計(jì)了一種新型純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)，車輪不會(huì)發(fā)生橫向滑動(dòng)，減小了輪胎磨損，提高了行車穩(wěn)定性和駕駛舒適性。

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Design of a Complete Rolling Automobile Steering Mechanism Based on Ideal Steering Trapezium

WANG Wei1a，ZHANG Jun1a，QU Xiang1b，LIAO Lin-qing2
(1.a.School of Mechanical Engineering;b.School of Automobile Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;
2.Key Lab.of manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China)

In this paper，the kinematics property of the automobile break-off steering mechanism was analyzed.It defined the concept of the ideal steering trapezium and establishes the mathematical model of the ideal steering trapezium.We developed rack-lever error equations of line length，and designed a new automobile steering mechanism，which allowed a complete rolling of wheel turning.

automobile;ideal steering trapezium;complete rolling;steering mechanism

U463.4

A

1674-8425(2014)04-0029-04

2013-10-28

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ120813，KJ120818)

王偉(1981—)，男，湖南常德人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事車輛動(dòng)力及控制研究。

王偉，張君，屈翔，等.基于理想轉(zhuǎn)向梯形的純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(4)：29-32.

format：WANG Wei，ZHANG Jun，QU Xiang，et al.Design of a Complete Rolling Automobile Steering Mechanism Based on Ideal Steering Trapezium［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：29-32.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.04.006

(責(zé)任編輯 劉 舸)