可倾斜式车辆转向机构的设计

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Design of Steering Mechanism for Tiltable VehicleWANG Ling，HE Tao，SUN Ce，YU Cong-he，ZHANG Yu(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Be ng Jiaotong f，) e 秒，Be ng 100044，China)Abstract：In the premise of ensuring driving safety，a new type of vehicle steering mechanism is proposed in this article whichcan be tilted and make the vehicle tih along the body axis direction，the vehicle S cornering speed is improved.According tothe Ackerman principle，mathematical model of the steering mechanism is established.With the software of Matlab and VisualC，the feasibility and the optimal size of the mechanism are ascertained.Finally，the method is applied for the competitioncar for Honda China Energy Conservation Games，and，the three-dimensional model of the tihable vehicle steering mechanismis established with the software of SolidWorks。

Key words：tiltable vehicle steering mechanism；the curve of steering characteristics；mathematical model；modeling withSolidWorks1 前 言传统转向机构的车辆在转弯过程中往往存在因过弯速度较高而造成的转向不足，甚至造成车辆侧翻的安全隐患。为避免该现象的发生，需在过弯前采取制动，但这样势必会造成油耗的增加。从环壁能的角度出发，现代车辆急需-种新型转向机构。

2 可倾斜式车辆转向机构的提出笔者提出了-种可以提高车辆过弯速度并保证安全性的新型可倾斜式车辆转向机构，其原理如图1、2所示。

图 1 直行状态 图2 转向状态图 1为车辆直行时转向机构的状态。车辆进行转向时，在这种新型可倾斜转向机构的作用下，车轮会带动车身向弯道内侧倾斜-定角度，如图2所示。

此时车身重力和地面给予车轮的支持力的合力便会提供除地面与轮胎的摩擦力之外的向心力，从而令车辆可在保证安全性的前提下，以更高的速度过弯，从而避免了入弯前的减速或者制动。

3 可倾斜式车辆转向机构的功能要求以上阐述了可倾斜转向机构工作的基本原理。

为在车辆进行水平偏转时实现车身向弯道内侧的倾斜，可倾斜转向机构还应同时实现车辆的水平偏转和沿车身轴线方向的倾斜。针对这两大功能的要求，给出初步实现方法。

3.1 水平偏转采用传统的梯形转向机构实现车辆水平偏转。

梯形转向机构由车架前端、横拉杆、梯形臂、控制杆组成。通过方向盘的转动带动控制杆，控制杆末端位移输入到转向梯形的-顶点，从而实现梯形形状的变化，最终使车辆前轮做符合条件的偏转。

3.2 沿车身轴线方向的横滚倾斜三角支架、锥齿轮、T形杆组成了实现车身沿轴线方向的横滚倾斜。由方向盘两侧的前后推拉带动- 组锥齿轮运动，传递给T形杆，T形杆再带动2个三角支架上下移动，从而实现车辆的倾斜。

由图3可知，车辆的前转向轮是通过同时完成水收稿日期：2013-05-21作者简介：王 凌(1991-)，女，甘肃平凉人，研究方向：热能及动力工程。

· 98·· 机械研究与应用 ·2013年第3期(第26卷，总第125期) 设计与制造平面的转动和竖直面的上下平动来达到可倾斜转向的目地。但转向机构是通过对左、右转向轮不同转向角之间的合理匹配来保证汽车按理想的轨鉴行运动的机构。为避免转向时路面对汽车的附加阻力和轮胎的过快磨损，转向机构必须保证所有车轮均做纯滚动。这对转向机构各部分的尺寸提出了精确要求。

图3 转向机构机构简图4 可倾斜式车辆转向机构的数学模型从上文提出的转向机构结构简图可知，因车轮总与地面接触，故所有车轮的轴线总是同时交于-条直线～这种三维隋况投影到二维平面可以发现，可倾斜式车辆转向机构依然满足阿克曼转向原理中对于所有车轮的轴线必须相交于-点的要求。故得出结论，仍可根据阿克曼转向原理进行可倾斜式转向机构的结构设计。下面将从数学角度，建立可倾斜式车辆转向机构的数学模型。

4.1 理论曲线数学模型方程建立如图4所示的平面转向模型，忽略转向横拉杆 CD，车轮的转动直接带动转向梯形臂的转动。以此研究转向梯形臂延长线的交点 O在任意转角位置时的变化曲线，该曲线即为平面理论转向特性曲线。

， 厶 P lB I fq j， l0、 -L0 i图4 理论转向模型梯形底角 的确定：在A0 AP中：arctan[2(L-d)/b] (1)式中： 为汽车轴距；b为汽车论据；d为汽车直线行驶时梯形臂延长线交点 0的位移。

阿克曼原理的纯滚动要求：厶cot otcot卢÷ (2)1Ot和 分别为左右两轮转向角。

梯形臂的参数方程矩阵为：Rt AAMOl中：( b )tan( )L-yRt ABMO1中：( b- )tan(y-卢) -可得矩阵：[t ㈨ ]因为：c。t c。t卢 b (4)故： arc。t(c。t卢 b) (5)- 2 tan#黔 等 ㈤ - ( -卢)tan( y)yL-6 菩 ㈩前轮转向角为 时梯形的位置。

、P IB I鹾 /o(x，lo t f0 l 1冉l图5 实际转向模型[-t· 99·设计与制造 2013年第3期(第26卷，总第125期)·机械研究与应用 ·. /6 -2bmcos( - ) (10)由正弦定理可得：- - ： - 里 (11)sin /ClBA sin A.BAC1 -故： BAc csin (12)求解/C1ADl：b由余弦定理可得：K2m。ACl - 2mACI COS C1AD1 (13)故：l-ClADlarcos( ) )解得：tan( -tan arcsin s( m2AC2]-2mAC )] . /Jtan( -/3)tan arcsi. ! aI'ccos m- ，A， ～C-K2在实际过程中，内侧轮有最大转向角 ： 5.2 Matlab分析理论曲线与实际曲线卢 -arcos -兰 ( 7)根据上述通过建模和计算得到的理论和实际的转向特性曲线计算方程，需进-步利用 Matlab原件和 c语言进行编程绘制出理论和实际的转向特性曲线，从而更加直观的指导新型可倾斜式车辆转向机构的结构设计。

5 数学模型的计算和编绘利用 MatIab软件和 C语言程序对建立的数学模型进行计算和编绘，将转向梯形机构的研究简化成转向三角形顶点轨迹的研究，通过理想曲线和实际曲线的对比，验证提出的可倾斜式转向机构满足阿克曼原理，同时通过控制变量法得出理论曲线与实际曲线的相似度和梯形臂长度 m和梯形底角 的关系。

5.1 Matlab验证可倾斜式转向机构从图6、7中实线为实际转向特性曲线，虚线为理论转向曲线，可以看出在转向角度 ≤ -arccos1 二 时，即图6，实际曲线与 L Db- 2mcos 1，m)J理论曲线非常相近，但当转向角度 超过 时，即图7，实际曲线将不再符合理论曲线，所以得出，在转向角度 的情况下，可倾斜式转向机构满足阿克曼原理。

· l00·图 6 理论曲线和实际曲线对比(mO.1b， 0.6， 0.7)(15)(16)由图8可知，在控制梯形臂 m不变，最大转向角度小于JB的情况下，通过改变梯形底角 的值用Matlab画出图8图像，从图中可以发现随着梯形底角的不断增大，实际曲线与理论曲线差异越来越大，所以得出结论，梯形底角 越小，理论曲线与实际曲线越接近。

图7 理论曲线和实际曲线对比(m0.1b，口0.9，yo.7)图8 理论曲线与实际曲线的相似度(mO.b，/30.4， 0.1：0.1：0.9)在控制梯形底角 不变，最大转向角度小于 的情况下，可通过改变梯形臂 m的长度，用 Matlab画出图9图像，从图9中可以看出，随着梯形臂的增大，实际曲线越偏离理论曲线，所以梯形臂 m越小实际曲线越与理论曲线吻合。

通过对参数梯形臂 m与梯形底角 的比较，得出如下结论：在满足最大转向角的情况下，梯形臂 m攀