某微型車四輪集中轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計及驗證

王 勇，楊燕紅*,3，韋龍星

某微型車四輪集中轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計及驗證

王 勇1,2，楊燕紅*1,2,3，韋龍星1,2

（1.西華大學汽車測控與安全重點實驗室，四川 成都 610039；2.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；3.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039）

在一些特定的場合，如汽車在站臺、碼頭等地方作業(yè)時，由于空間狹小，需要使用到轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活的微型車。針對此種需求，論文設計出了一種新型的微型車四輪集中轉(zhuǎn)向機構(gòu)，通過CATIA軟件DMU運動機構(gòu)模塊對該轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行了運動學仿真分析。結(jié)果表明，設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)滿足微型車的轉(zhuǎn)向要求；將該轉(zhuǎn)向機構(gòu)應用于實車上進行試驗驗證，試驗表明該機構(gòu)能很好地完成轉(zhuǎn)向功能。

微型車；轉(zhuǎn)向設計；運動仿真

前言

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，在如車站、碼頭等特定場合，微型車正成為倉庫貨物搬運的首選。車輛轉(zhuǎn)向方式有兩輪轉(zhuǎn)向、四輪低速轉(zhuǎn)向、四輪高速轉(zhuǎn)向三種[1-3]，傳統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復雜不適用于微型物流車，并且多數(shù)采用阿克曼轉(zhuǎn)向，但實際應用的時候，轉(zhuǎn)彎半徑大、機動性能差、工作效率低。針對此類微型物流車，本文設計出新型的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，該機構(gòu)是基于左前車輪和右后車輪對角驅(qū)動底盤而設計的，具有機動性能強、轉(zhuǎn)向靈敏、轉(zhuǎn)彎半徑小的特點。由于CATIA軟件中的DMU仿真模塊操作簡單，相比于其他運動仿真軟件，產(chǎn)生的誤差在可接受范圍內(nèi)，常使用該模塊完成轉(zhuǎn)向機構(gòu)的運動仿真[4]，結(jié)合該仿真軟件，對設計出的轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行運動仿真，最后再進行試驗驗證，驗證機構(gòu)的合理性。

1 底盤驅(qū)動及轉(zhuǎn)向設計

1.1 底盤驅(qū)動布置形式

底盤主要包括：驅(qū)動、電氣、車架、懸架系統(tǒng)。使用電池作為能源供給，直流無刷電機作為動力輸出，懸架系統(tǒng)采用Ｕ型和Ａ型支臂、減震器和轉(zhuǎn)向羊角作為整車支撐。兩個直流無刷電機分別與左前、右后車輪相連，使兩輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，如圖1所示。

圖1 底盤布置形式

1.2 驅(qū)動力矩分析

直流電機輸出的轉(zhuǎn)矩作用在傳動軸上時，分解為沿軸和沿軸兩個方向的力矩M和M，如圖2所示。M使驅(qū)動輪繞軸偏轉(zhuǎn)，M使驅(qū)動輪繞軸轉(zhuǎn)動。

底盤前進時，需要保證左前、右后驅(qū)動輪逆時針旋轉(zhuǎn)，并且兩輪輸出的轉(zhuǎn)矩相同，左前、右后驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩分別分解為繞軸的M和繞軸的M。根據(jù)力學知識，左前驅(qū)動輪往右偏轉(zhuǎn)，右后驅(qū)動輪往左偏轉(zhuǎn)，左前、右后驅(qū)動輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M可以通過設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)相互抵消，保證兩個驅(qū)動輪相對底盤都不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。根據(jù)轉(zhuǎn)矩M方向，左前驅(qū)動輪和右后驅(qū)動輪都逆時針轉(zhuǎn)動時，底盤實現(xiàn)直線行駛。底盤前進和后退需滿足兩輪輸出的驅(qū)動力矩和旋轉(zhuǎn)方向相同。

圖2 直流電機輸出扭矩分解圖

圖3 底盤直行

1.3 轉(zhuǎn)向力矩分析

圖4 底盤左轉(zhuǎn)

底盤左轉(zhuǎn)向時，左前驅(qū)動輪順時針轉(zhuǎn)動,右后驅(qū)動輪逆時針轉(zhuǎn)動，已知轉(zhuǎn)矩M方向，左前、右后驅(qū)動輪都往左偏轉(zhuǎn)，此時設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)會帶動另外兩個從動輪向左偏轉(zhuǎn)。已知轉(zhuǎn)矩M方向，左前驅(qū)動輪順時針旋轉(zhuǎn)，右后驅(qū)動輪逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。兩個驅(qū)動輪產(chǎn)生的驅(qū)動力矩相同時，會受到等值且反向不共線的一對力F，從而形成力偶M，實現(xiàn)四個車輪同時向左偏轉(zhuǎn)。同理，底盤右轉(zhuǎn)向時，左前驅(qū)動輪逆時針轉(zhuǎn)動，右后驅(qū)動輪順時針轉(zhuǎn)動，已知轉(zhuǎn)矩M方向，左前、右后驅(qū)動輪都往右偏轉(zhuǎn)。已知轉(zhuǎn)矩M方向，左前驅(qū)動輪逆時針旋轉(zhuǎn)，右后驅(qū)動輪順時針旋轉(zhuǎn)，當兩個驅(qū)動輪產(chǎn)生的驅(qū)動力矩相同時，會受到等值且反向不共線的一對力F，從而形成力偶M，實現(xiàn)四個車輪同時向右偏轉(zhuǎn)，如圖5所示。

圖5 底盤右轉(zhuǎn)

1.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計

使用繪圖軟件完成底盤和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的三維建模，左前、右后驅(qū)動輪為底盤提供驅(qū)動力，右前、左后車輪為從動輪，起支撐底盤的作用。根據(jù)相關參數(shù)及驅(qū)動、從動輪的偏轉(zhuǎn)關系，設計出針對該類型底盤的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。此類轉(zhuǎn)向機構(gòu)使用T型桿、轉(zhuǎn)向球頭、拉桿、固定底座等部件，T型桿利用轉(zhuǎn)向球頭與驅(qū)動、從動輪的轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連。驅(qū)動輪偏轉(zhuǎn)時，同時帶動T型桿繞固定底座上的轉(zhuǎn)向鉸鏈發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，T型桿帶動同軸的從動輪偏轉(zhuǎn)，從而保證四個車輪同時同向偏轉(zhuǎn)。

2 運動仿真分析

運動仿真分析可以讓轉(zhuǎn)向機構(gòu)的工作情況更加直觀，能檢測系統(tǒng)在運動過程中是否發(fā)生干涉，設計是否合理等。CATIA軟件因可靠性能高，運動仿真結(jié)果清晰明了，能較好地反映機構(gòu)或者系統(tǒng)的運動結(jié)果，在轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動仿真中經(jīng)常使用[5-6]。為了提高軟件在仿真過程中的運行速度，在仿真開始之前，選定主要運動部件，對仿真過程無影響的零部件進行隱藏，在仿真時，運動部件主要包括：設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)、轉(zhuǎn)向羊角、輪輞。仿真結(jié)果顯示，設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)在運動過程中，沒有發(fā)生任何干涉，并且球頭的轉(zhuǎn)動滿足轉(zhuǎn)向要求，四輪集中轉(zhuǎn)向機構(gòu)直行、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向效果如圖6所示。在T型桿處使用球頭連接，這是因為使用CATIA的DMU模塊分析此處時，如果使用鋼化部件，則轉(zhuǎn)向機構(gòu)不能進行運動仿真。

3 試驗驗證

搭建轉(zhuǎn)向機構(gòu)，通過CAN總線向兩個驅(qū)動電機發(fā)送指令，試驗結(jié)果如圖7所示。左轉(zhuǎn)向時，車輪偏轉(zhuǎn)角度為：左前輪37.6°，右前輪31.5°，左后輪36.4°，右后輪30.3°。右轉(zhuǎn)時，車輪偏轉(zhuǎn)角度為：左前輪30.7°，右前輪36.9°，左后輪31.2°，右后輪35.8°。

圖7 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對某微型物流車設計了一種四輪集中轉(zhuǎn)向機構(gòu)，底盤采用對角驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要利用對角驅(qū)動輪在旋轉(zhuǎn)時自動偏轉(zhuǎn)這一原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。在CATIA軟件運動仿真模塊中對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行了運動學仿真，結(jié)果表明，設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)合理，運行時沒有發(fā)生任何干涉。最后進行了試驗驗證，結(jié)果表明，設計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)直行、轉(zhuǎn)向等功能，穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)彎半徑比同尺寸采用阿克曼轉(zhuǎn)向原理的微型車小很多。

[1] 趙萬忠,張寒,鄒松春,等.線控轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制技術綜述[J].汽車安全與節(jié)能學報,2021,12(01):18-34.

[2] 戴金財,陳小開,黃超,等.某手動轉(zhuǎn)向踏板式搬運車轉(zhuǎn)向機構(gòu)改進設計[J].機械設計與研究,2020,36(02):196-198.

[3] 鄭竹安,李彤,熊新,等.大學生電動方程式賽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2020,58(02):22-25.

[4] 關亮亮,范旭,張恭礬,等.叉車轉(zhuǎn)向機構(gòu)建模及運動仿真[J].汽車實用技術,2019(11):31-32+35.

[5] 陳世平,馬駒,彭景,等.基于CATIA的轉(zhuǎn)向運動學仿真分析[J].中國汽車,2020(10):38-42.

[6] 喬曉亮,趙煒華,張永輝.客車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的DMU運動仿真分析[J].汽車實用技術,2018(17):127-128.

Design and Verification of Four-wheel Centralized Steering Mechanism for a Micro Automobile

WANG Yong1,2, YANG Yanhong*1,2,3, WEI Longxing1,2

( 1.Key Laboratory of Automobile Measurement and Control & Safety, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039;2.School of Automobile and Transportation, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039;3.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039 )

In some specific occasions, such as platform, wharf and other operations, due to the narrow space, need to use to turn radius small, flexible steering micro automobile. Aiming at this type of vehicle, a new type of micro four-wheel concentrated steering mechanism is designed. The kinematics simulation analysis of the steering mechanism is carried out by DMU motion mechanism module of CATIA software. The simulation results show that the designed steering mechanism meets the steering requirements of the micro automobile. The steering mechanism was applied to a real vehicle for experimental verification, and the test results show that the steering mechanism can complete the steering function well.

Micro automobile;Design of pipeline turning;Motion simulation

U463.4

A

1671-7988(2022)02-33-04

U463.4

A

1671-7988(2022)02-33-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.008

王勇，碩士，就讀于西華大學汽車與交通學院，研究方向為汽車性能測試與仿真。

楊燕紅（1970—），女，碩士，高級工程師，碩士研究生導師，就職于西華大學汽車與交通學院，主要研究方向為新能源汽車、汽車電控技術、自動化技術。

四川省重大科技專項項目：2019ZDZX0002；成都市科技局項目：2019-YF08-00003-GX。