基于理想轉向梯形的純滾動汽車轉向機構設計

王 偉，張 君，屈 翔，廖林清

(1.a.重慶理工大學機械工程學院;b.車輛工程學院，重慶 400054;

2.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

基于理想轉向梯形的純滾動汽車轉向機構設計

王 偉1a，張 君1a，屈 翔1b，廖林清2

(1.a.重慶理工大學機械工程學院;b.車輛工程學院，重慶 400054;

2.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

對現行汽車斷開式梯形轉向機構進行運動學分析，提出了理想轉向梯形的概念。建立了理想轉向梯形的數學模型，導出了齒條拉桿的長度誤差公式。設計出一種新型轉向機構，實現了車輪在轉向時的純滾動。

汽車;理想轉向梯形;純滾動;轉向機構

傳統的轉向機構是基于阿克曼轉向理論發展起來的，但是該理論僅針對車輛轉向時的理想狀態?，F有的技術通過調整轉向機構中轉向梯形的幾何參數，只能近似滿足阿克曼轉角關系，無法保證轉向輪繞轉向匯交中心做純滾動轉向。這種由轉向梯形帶來的誤差會加劇轉向輪的磨損，增加轉向阻力，同時還會造成車輛的側滑，對行車穩定性、駕駛舒適性都有影響。設計完全符合阿克曼轉向關系的轉向機構一直是汽車設計的研究熱點。

1 現有轉向機構的運動分析

在如圖1所示的汽車轉向機構平面模型中，以斷開式轉向機構為基礎，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動副間隙，車輪的偏轉直接帶動轉向梯形臂AD和BC轉動。

圖1 斷開式轉向機構模型

當汽車左轉彎時，外側右輪的桿系運動如圖1所示。假設齒條拉桿EF向右移動至E″F'位置，行程EE″=FF'=s，通過右拉桿推動右梯形臂，使右輪轉過角度α，則齒條拉桿行程s與右側車輛轉角α的關系為

內側左輪的齒條拉桿EF向右同樣移動了行程s，通過左拉桿推動左梯形臂，使左輪轉過角度β，那么齒條拉桿行程s與左側車輛轉角β的關系為可得

式(3)中橫拉桿CF、DE長度為

2 理想轉向梯形的定義

將圖1中的點C與D連接起來，使齒輪轉向機構簡化，則成如圖2所示的等腰梯形ABCD。若兩轉向輪滿足阿克曼轉角關系實現純滾動轉向，那么稱按照阿克曼轉角關系變化后的轉向梯形ABC'D'稱為理想轉向梯形。理想轉向梯形構件名稱和符號見表1。

圖2 理想轉向梯形簡化模型

表1 理想轉向梯形構件名稱和符號

在實際轉向梯形?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際橫拉桿之間的偏差，可得σ=n-m，即

在外輪轉角都為α的情況下，將理想轉向梯形放到圖1中的斷開式汽車轉向機構平面模型中，會發現內側左車輛實際轉角β與理想內側左車輛實際轉角β'存在一定差值。同樣，齒條拉桿EF的實際位移為s，理想齒條拉桿位移為s'，其位移之差為σs。

3 實例分析

已知某微型車的相關參數：主銷間距 b=1 274.24 mm，軸距l=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°，最大外輪轉角αmax=24°。

從圖3、4可以看出：隨著內輪轉角β的增大，理想橫拉桿與實際橫拉桿之間的偏差σ增大，齒條拉桿位移差 σs也增大;在轉向輪轉角很小(＜5.8°)時，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;最大內輪轉角時，σmax=4.17 mm，σsmax=5.28 mm。當汽車右轉彎時，橫拉桿偏差σ、齒條拉桿位移差σs隨內輪轉角β增大的變化規律相同。

圖3 橫拉桿偏差σ隨內輪轉角β的變化情況

圖4 齒條拉桿位移差σs隨內輪轉角β的變化情況

4 純滾動轉向機構設計

綜合以上分析可知：通過改變轉向橫拉桿CD或者齒條拉桿EF的長度，能使轉向機構滿足阿克曼原理，實現汽車轉向時車輪的純滾動。

以圖1所示的斷開式轉向機構為基礎，針對現有技術存在的不足，設計出一種確保汽車在轉向時車輪的偏轉滿足阿克曼轉角關系的新型機構，其結構如圖5所示。

圖5 新型純滾動轉向機構結構

該新型純滾動汽車轉向機構是將汽車的斷開式轉向梯形結構改造成機電控制，通過安裝在轉向左節臂處的角度傳感器1和2發送信息，ECU接收信息，依照圖4所示規律控制帶自鎖功能的伺服電機3轉動，伺服電機3驅動滾軸絲桿4轉動，推動螺母副使齒條拉桿EF的長度時時處于理想狀態，ECU同時控制助力電機的輸出轉矩，以實現汽車的純滾動轉向。

本機構伺服電機3帶動的齒輪上還安裝有電磁式鎖止閥。當伺服電機3出現故障時，電磁式鎖止閥鎖住齒輪，齒條拉桿EF的長度補償功能失效。當汽車處于小角度轉向時，可以近似認為做純滾動轉向，此時ECU控制伺服電機3自鎖，只由助力電機提供助力轉向作用。

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。為使車輪在不同轉角狀態下都能較好地近似滿足前輪前束和阿克曼轉角關系，同時簡化ECU的控制策略，提高轉向機構的工作效率，考慮滾軸絲桿與控制電機參數等因素，得到齒條拉桿控制長度a'與內輪轉角β的關系如圖6所示。

圖6 齒條拉桿控制長度a'與理想長度ai

對比傳統轉向機構齒條拉桿位移誤差，新型純滾動汽車轉向機構的齒條拉桿位移誤差得到了明顯的改善，如圖7所示。此時汽車可以近似認為做純滾動轉向。

從圖7可看出：新型純滾動汽車轉向機構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 機構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：內輪轉角β在0～25°時，齒條拉桿長度誤差在0.1 mm內;當β處于大轉角時，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、滾軸絲桿等。

5 結束語

經過對現有斷開式轉向機構的運動分析，根據理想轉向梯形的原理誤差，推導出齒條拉桿的長度誤差，并設計了一種新型純滾動汽車轉向機構，使轉向輪處于純滾動狀態，車輪不會發生橫向滑動，減小了輪胎磨損，提高了行車穩定性和駕駛舒適性。

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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

重慶市教委科學技術研究項目(KJ120813，KJ120818)

王偉(1981—)，男，湖南常德人，實驗師，主要從事車輛動力及控制研究。

王偉，張君，屈翔，等.基于理想轉向梯形的純滾動汽車轉向機構設計［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，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

(責任編輯 劉 舸)