一種四輪可轉(zhuǎn)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)研究

曹 徐，袁登敏，陳林超

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 車輛實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)的必要性

目前，車輛大多為前輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向時(shí)前輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，帶動(dòng)車身轉(zhuǎn)彎，在路口掉頭時(shí)往往要繞很大一圈，甚至需要倒車才能將車輛掉頭。每年因?yàn)檐囕v轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的交通事故越來越多，所以，車輛擁有較小的轉(zhuǎn)彎半徑變得越來越重要。

現(xiàn)行四輪車輛還無法做到橫向行駛，在某些惡劣環(huán)境下無法做到自由移動(dòng)，如果能設(shè)計(jì)一個(gè)四輪均可轉(zhuǎn)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，則可以通過旋轉(zhuǎn)輪子到相應(yīng)角度，實(shí)現(xiàn)車輛橫向移動(dòng)，更加方便車輛移動(dòng)以及人員器械調(diào)配，例如叉車，可以橫向移動(dòng)的叉車工作效率要比不能橫向移動(dòng)的叉車高30%以上。另外，在拐角停車或搬運(yùn)時(shí)，普通車輛往往需要來回反復(fù)調(diào)節(jié)方向從而使車輛靠近邊緣，需要很高的技巧。在某些惡劣環(huán)境下，例如，探測或救援機(jī)器人需要進(jìn)入狹窄的地段探測生命跡象，車輛極有可能被卡住或者無法轉(zhuǎn)向，大大降低工作效率，浪費(fèi)救援時(shí)間。如果能夠?qū)崿F(xiàn)橫向移動(dòng)，那么將會(huì)大大降低車輛卡住或無法轉(zhuǎn)向概率，提高救援或者探測效率[1]。

2 設(shè)計(jì)方案

此方案設(shè)計(jì)的模型四輪均可轉(zhuǎn)向，比例為1∶14，前方兩個(gè)輪胎通過轉(zhuǎn)向連桿相連，可實(shí)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)向角度，后輪也通過連桿相連。連桿由車架上一根傳動(dòng)軸控制，當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲軸帶動(dòng)連桿在水平范圍移動(dòng)，連桿帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)軸被一分為二，在中間由一根聯(lián)軸器連接。

正常縱向行駛時(shí)，聯(lián)軸器斷開，此時(shí)前軸的轉(zhuǎn)向動(dòng)力不會(huì)傳到后軸，后方轉(zhuǎn)向連桿鎖定，后輪不能轉(zhuǎn)向，只能直行，此時(shí)車輛行駛等同于正常家用車輛，前輪旋轉(zhuǎn)一定角度帶動(dòng)車輛轉(zhuǎn)彎。當(dāng)車輛需要小范圍轉(zhuǎn)彎時(shí)，聯(lián)軸器聯(lián)通，此時(shí)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力會(huì)傳到后軸，前后輪旋轉(zhuǎn)相反的角度，形成一個(gè)夾角，此時(shí)給前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力同步到后軸，車輛就可以轉(zhuǎn)彎[2]。

當(dāng)前后輪旋轉(zhuǎn)到一定角度（見圖1），如果前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，車輛轉(zhuǎn)彎；如果前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，便會(huì)合成一個(gè)垂直于車身的力，實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)。此外，前后輪還可通過旋轉(zhuǎn)不同的角度實(shí)現(xiàn)斜向移動(dòng)、原地轉(zhuǎn)圈等，本文不作研究。

圖1 模型示意

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 最小轉(zhuǎn)彎直徑

通過改變小車前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度、車重等參數(shù)對車輛轉(zhuǎn)向進(jìn)行探究。主要關(guān)注車輛四輪轉(zhuǎn)向移動(dòng)時(shí)最小轉(zhuǎn)彎半徑、車身抖動(dòng)與前輪轉(zhuǎn)向的對比。

轉(zhuǎn)彎半徑：R=L/2sinφ

可知，最小轉(zhuǎn)彎半徑與車長、車輛轉(zhuǎn)彎最大轉(zhuǎn)角有關(guān)，但是在實(shí)際應(yīng)用中車長不會(huì)改變，而轉(zhuǎn)彎最大轉(zhuǎn)角卻是可變的[3]。故本項(xiàng)目仿真研究了以下兩個(gè)因素：

（1）輪胎轉(zhuǎn)過角度。四輪轉(zhuǎn)向輪胎轉(zhuǎn)過角度與最小轉(zhuǎn)彎直徑關(guān)系如表1所示。

表1 四輪轉(zhuǎn)向不同角度的最小轉(zhuǎn)彎直徑

分別采集并測試了5組4個(gè)輪胎在旋轉(zhuǎn)15°，22.5°，30°，37.5°，45°時(shí)的數(shù)據(jù)，表1中最小轉(zhuǎn)彎直徑為5組數(shù)據(jù)的平均值，可知，隨著轉(zhuǎn)向角度增大，轉(zhuǎn)彎半徑也隨之減小。

前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎轉(zhuǎn)過角度與最小轉(zhuǎn)彎直徑關(guān)系如表2所示。

表2 前輪轉(zhuǎn)向時(shí)最小轉(zhuǎn)彎直徑

可以發(fā)現(xiàn)，四輪轉(zhuǎn)向相比于前輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑大大減小，在面對各種狹窄、崎嶇地形時(shí)具有更好的靈活性。

（2）探究車重、車速、車輪對地面摩擦系數(shù)這3個(gè)影響因素對轉(zhuǎn)彎直徑的影響，結(jié)果顯示在正常車重范圍內(nèi)，車速、輪胎對地面摩擦系數(shù)三者對最小轉(zhuǎn)彎半徑影響不大。

3.2 車身抖動(dòng)

在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)彎時(shí)的車身抖動(dòng)很大程度上影響著駕駛體驗(yàn)。由于四輪轉(zhuǎn)向時(shí)主要依靠摩擦力作為動(dòng)力，特地針對車身Z向抖動(dòng)做了模擬，前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向時(shí)，車身的抖動(dòng)情況如圖3—4所示。

可以看到，二者車身抖動(dòng)差別不大。但是在剛啟動(dòng)時(shí)四輪轉(zhuǎn)向抖動(dòng)較小。

3.3 橫向移動(dòng)

當(dāng)前后輪胎按照相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，并且前后輪胎轉(zhuǎn)向相反時(shí)，根據(jù)力的合成可知，縱向分力會(huì)抵消，最終合成一個(gè)橫向的力，此時(shí)車輛會(huì)向兩側(cè)橫向移動(dòng)。對此，筆者也進(jìn)行了仿真，仿真條件為車輪轉(zhuǎn)速2 r/s，地面對輪胎靜摩擦力0.3，動(dòng)摩擦力0.1，前后輪胎轉(zhuǎn)向45°，得到車身Z向抖動(dòng)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖2 前輪轉(zhuǎn)向汽車Z向抖動(dòng)

圖3 四輪轉(zhuǎn)向時(shí)汽車Z向抖動(dòng)

圖4 汽車橫向移動(dòng)時(shí)車輛Z向抖動(dòng)

相比于前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向，在橫向移動(dòng)的時(shí)候，車身抖動(dòng)明顯加劇，這也在意料之中，因?yàn)檐囕v主要靠摩擦力向兩側(cè)移動(dòng)，故有較大的車身抖動(dòng)。

4 結(jié)語

通過模型仿真可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)向時(shí)四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相對于目前主流的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有著相當(dāng)大的優(yōu)勢，同等速度和輪胎轉(zhuǎn)過角度下，最小轉(zhuǎn)彎直徑僅為前輪轉(zhuǎn)向的30%左右，在面對惡劣地形時(shí)更為靈活。另外，四輪轉(zhuǎn)向還可以通過調(diào)節(jié)輪胎角度實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，雖然相對于正常轉(zhuǎn)向抖動(dòng)更大，但是也在可接受范圍內(nèi)。但是相應(yīng)地，四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在橫向移動(dòng)過程中會(huì)加劇輪胎的損耗。