一種三輪車(chē)雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐘停江　吳榮燎　查 煜　翟經(jīng)緯

摘 要：針對(duì)目前三輪車(chē)不能高速轉(zhuǎn)向問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。本文從轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析等多方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)三輪車(chē)的高速過(guò)彎，具有較高的穩(wěn)定性、安全性和駕駛舒適性。

關(guān)鍵詞：三輪車(chē);傾斜轉(zhuǎn)向;穩(wěn)定性;舒適性

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）35-0131-03

Design of a Tricycle Double rocker Tilt Steering Mechanism

ZHONG Tingjiang WU Rongliao ZHA Yu ZHAI Jingwei

（School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation， Nanhang Jincheng College，Nanjing Jiangsu 210000）

Abstract： in order to solve the problem that tricycles cannot turn at high speed， a double-rocker tilting steering mechanism was proposed.This paper analyzed the steering structure and stress analysis in many aspects， and compared it with traditional steering mechanisms.. The results show that the design can realize the high speed overturning of the tricycle， with high stability， safety and driving comfort.

Keywords： tricycle; Inclined turn; Stability; comfort

目前，市面上的三輪車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基本都和汽車(chē)轉(zhuǎn)向一樣，圍繞一個(gè)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向，通過(guò)左右轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)把，改變前輪的方向，完成轉(zhuǎn)向。當(dāng)三輪車(chē)快速行駛并且強(qiáng)行急轉(zhuǎn)彎時(shí)，一方面因?yàn)殡x心力的存在會(huì)讓三輪車(chē)側(cè)翻;另一方面，因?yàn)閼T性與轉(zhuǎn)向輪方向沖突而造成前進(jìn)阻礙，車(chē)就會(huì)發(fā)生側(cè)翻。在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)不僅會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，而且過(guò)大的離心力會(huì)讓駕駛員駕駛困難、駕駛不舒服。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在保證轉(zhuǎn)彎安全性的同時(shí)，兼顧了駕駛員的駕駛舒適性。

1 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的原理

在采用偏轉(zhuǎn)車(chē)輪轉(zhuǎn)向的車(chē)輛中，轉(zhuǎn)向桿系主要用來(lái)約束各轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，使所有轉(zhuǎn)向輪繞某一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心行駛，保證車(chē)輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)（Ackermann，理想轉(zhuǎn)向），才可避免或減小轉(zhuǎn)向輪的側(cè)滑，延長(zhǎng)輪胎使用壽命，并保證轉(zhuǎn)向輕便與操縱穩(wěn)定安全。普通三輪車(chē)轉(zhuǎn)彎示意圖如圖1所示。A、B和C所指的方塊代表車(chē)輪，當(dāng)前輪A發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪就會(huì)沿著前輪軸線OA開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)B輪和C輪也沿著后輪軸線OB開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，于是整車(chē)車(chē)輪繞O點(diǎn)作純滾動(dòng)，并且完成整車(chē)?yán)@O點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

圖1 普通三輪車(chē)轉(zhuǎn)彎示意圖

1.2 雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理

雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿照摩托車(chē)和自行車(chē)高速壓彎的原理[1-5]，如圖2所示。其中，[G]為摩托車(chē)和人所承受的重力;[Fa]是摩托車(chē)過(guò)彎時(shí)的離心力;[FN]是地面對(duì)摩托車(chē)的支持力。地面對(duì)摩托車(chē)的支持力[FN]可分解成豎直與水平兩個(gè)分力，豎直方向上的分力與重力抵消，水平方向上的力與離心力抵消，達(dá)成平衡狀態(tài)，使得摩托車(chē)在過(guò)彎時(shí)不會(huì)發(fā)生傾倒現(xiàn)象。同時(shí)，水平分力提供摩托車(chē)做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。摩托車(chē)在過(guò)彎時(shí)，看起來(lái)似乎兩個(gè)輪子都是筆直地在同一直線上，但還能完成轉(zhuǎn)彎，這一方面是因?yàn)榍拜喩陨韵騼?nèi)彎傾斜了一點(diǎn)，另一方面是因?yàn)樽鰣A錐形運(yùn)動(dòng)。

雖然人們能看到輪胎的上端形成一圓形，但可以想象到當(dāng)輪胎接觸壓力中心時(shí)，輪胎瞬間變得扁平。輪胎壓力中心不是一單純的點(diǎn)，而是環(huán)繞著輪胎面的一個(gè)連續(xù)的環(huán)。同時(shí)，隨著摩托車(chē)傾斜進(jìn)入彎道，輪胎接觸地面環(huán)，形成一圓錐形狀，這類(lèi)似于紙咖啡杯邊緣，如圖3所示。如果輕推該紙杯，因?yàn)楸椎膱A周小于杯口的圓周，所以其繞一圓周滾動(dòng)。

圖2 摩托車(chē)壓彎的受力示意圖

圖3 摩托車(chē)過(guò)彎的運(yùn)動(dòng)軌跡

2 整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)期間，筆者所在的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了多種轉(zhuǎn)向角度、靠背連接角度、車(chē)身長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)向角，并用3D打印技術(shù)打印出1∶20的模型。當(dāng)確立基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)后，開(kāi)始精確1∶1制圖，以確定后期零配件加工方式及所需材料數(shù)量。目前，整車(chē)進(jìn)入實(shí)車(chē)加工制作階段。為了使車(chē)身達(dá)到足夠的剛度，筆者所在的團(tuán)隊(duì)結(jié)合合作企業(yè)提供的加工技術(shù)進(jìn)行CATIA有限元分析，進(jìn)行強(qiáng)度校核、局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。具體模型如圖4所示。

這種結(jié)構(gòu)就是由兩根相同長(zhǎng)度的搖桿、后輪軸（機(jī)架）、車(chē)身（連桿）構(gòu)成一組雙搖桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎全程后輪軸不動(dòng)，兩根搖桿一端與后輪軸進(jìn)行鉸連接，另一端和車(chē)身進(jìn)行鉸連接，當(dāng)三輪車(chē)想要右轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)身尾部在水平方向上左移，使得搖桿與后輪軸的夾角[α]增大，[β]減小，車(chē)身作為連桿有左高右低的變化，前輪和車(chē)身整體偏向右側(cè)。當(dāng)機(jī)架最長(zhǎng)，連桿和從動(dòng)搖桿成一條直線時(shí)，主動(dòng)搖桿從理論上來(lái)說(shuō)便無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，機(jī)構(gòu)到達(dá)死點(diǎn)位置，即三輪車(chē)能轉(zhuǎn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)角。但是，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)達(dá)到最大轉(zhuǎn)向角時(shí)極易發(fā)生翻車(chē)的情況，于是后來(lái)在機(jī)架和搖桿處增加了限位裝置，以減小轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)角，保證三輪車(chē)正常行駛，不發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。

圖4 雙搖桿式傾斜向機(jī)結(jié)構(gòu)模型

2.2 駕駛員操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

駕駛員躺在車(chē)?yán)飪H僅依靠自身的重心移動(dòng)來(lái)完全掌控整車(chē)的方向變化，這無(wú)疑對(duì)駕駛員的操控技術(shù)有非常高的要求，并且一旦駕駛員發(fā)生重心位移，必將使整車(chē)一下達(dá)到極限轉(zhuǎn)角角度，增加了整車(chē)的不可操作性。為了避免上述情況，設(shè)計(jì)了一套駕駛員操作系統(tǒng)，能使駕駛員通過(guò)大小不一的彎道。整套操作系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 操作系統(tǒng)示意圖

注：1.操縱桿;2.轉(zhuǎn)向盤(pán);3.固定件;4.鋼繩;5.搖桿。

操縱桿與轉(zhuǎn)向盤(pán)相固定，兩根鋼繩的一端與轉(zhuǎn)向盤(pán)相連接，穿過(guò)帶有滑輪的固定件，另一端與兩根搖桿相連接。當(dāng)駕駛員順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)操作桿時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的左側(cè)會(huì)向前突出，拉緊鋼繩，鋼繩通過(guò)滑輪拽動(dòng)左側(cè)，為了讓固定件與搖桿相連的鋼繩變短，與車(chē)身固定的右側(cè)滑輪會(huì)向左后輪靠近，使車(chē)身向右傾斜。鋼繩實(shí)物轉(zhuǎn)向如圖6所示。

圖6 鋼繩實(shí)物轉(zhuǎn)向

2.3 CATIA有限元靜應(yīng)力分析

為了判斷所采用的材料是否能承受三輪車(chē)的強(qiáng)度和剛度要求，在CATIA中進(jìn)行了有限元分析。有限元計(jì)算輸出結(jié)果有多種，常用的有米塞斯等效應(yīng)力分布圖及位移圖。采取靜應(yīng)力分析后的米塞斯等效應(yīng)力分布圖，如圖7所示。由圖可知，駕駛員的臀部位置應(yīng)力最為集中，應(yīng)特別注意加固這一部分。

圖7 三輪車(chē)應(yīng)力分析

3 雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向三輪車(chē)行駛測(cè)試

經(jīng)過(guò)以上一系列建模與軟件分析，最終，筆者所在團(tuán)隊(duì)將自己的理念轉(zhuǎn)化成了實(shí)物，并參加了比賽。比賽證明，本文所提出的雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能通過(guò)車(chē)身的偏轉(zhuǎn)完成駕駛員隨意的轉(zhuǎn)向，在30km/h以上的速度不進(jìn)行減速過(guò)彎也不會(huì)發(fā)生側(cè)傾，同時(shí)，駕駛員的駕駛舒適感明顯上升。

4 應(yīng)用前景

本設(shè)計(jì)對(duì)正三輪的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了革命性創(chuàng)新，運(yùn)用于現(xiàn)在市面上的小型代步三輪車(chē)非常合適，適應(yīng)了未來(lái)新能源小型代步車(chē)車(chē)輛靈活多變的轉(zhuǎn)向需求，并且在保證優(yōu)異的安全性能的同時(shí)兼顧了舒適性;同時(shí)，也可應(yīng)用于目前的三輪躺車(chē)上，為騎友提供更佳舒適性與安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

整車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)需要忽略部分因素，建立理想化模型，主要借助軟件的仿真驗(yàn)證可行性，求最佳值。本次設(shè)計(jì)主要以CATIA軟件為工具，建立三維模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析和預(yù)裝配，完成后檢查各個(gè)零件與其他零件的位置關(guān)系是否發(fā)生干涉、配合是否合理，最終實(shí)現(xiàn)完整設(shè)計(jì)。整車(chē)制作完成后，通過(guò)實(shí)踐證明，雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)明顯提高了駕駛?cè)嗆?chē)的穩(wěn)定性和舒適性。

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