一種四輪可轉向移動機構研究

曹 徐，袁登敏，陳林超

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

1 車輛實現橫向移動的必要性

目前，車輛大多為前輪驅動，轉向時前輪旋轉一個角度，帶動車身轉彎，在路口掉頭時往往要繞很大一圈，甚至需要倒車才能將車輛掉頭。每年因為車輛轉彎產生的交通事故越來越多，所以，車輛擁有較小的轉彎半徑變得越來越重要。

現行四輪車輛還無法做到橫向行駛，在某些惡劣環境下無法做到自由移動，如果能設計一個四輪均可轉向移動機構，則可以通過旋轉輪子到相應角度，實現車輛橫向移動，更加方便車輛移動以及人員器械調配，例如叉車，可以橫向移動的叉車工作效率要比不能橫向移動的叉車高30%以上。另外，在拐角停車或搬運時，普通車輛往往需要來回反復調節方向從而使車輛靠近邊緣，需要很高的技巧。在某些惡劣環境下，例如，探測或救援機器人需要進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向，大大降低工作效率，浪費救援時間。如果能夠實現橫向移動，那么將會大大降低車輛卡住或無法轉向概率，提高救援或者探測效率[1]。

2 設計方案

此方案設計的模型四輪均可轉向，比例為1∶14，前方兩個輪胎通過轉向連桿相連，可實現相同轉向角度，后輪也通過連桿相連。連桿由車架上一根傳動軸控制，當傳動軸轉動時，曲軸帶動連桿在水平范圍移動，連桿帶動車輪轉動一定角度，從而實現轉向。傳動軸被一分為二，在中間由一根聯軸器連接。

正?？v向行駛時，聯軸器斷開，此時前軸的轉向動力不會傳到后軸，后方轉向連桿鎖定，后輪不能轉向，只能直行，此時車輛行駛等同于正常家用車輛，前輪旋轉一定角度帶動車輛轉彎。當車輛需要小范圍轉彎時，聯軸器聯通，此時前輪轉向動力會傳到后軸，前后輪旋轉相反的角度，形成一個夾角，此時給前輪轉向動力同步到后軸，車輛就可以轉彎[2]。

當前后輪旋轉到一定角度（見圖1），如果前后輪轉動方向相同，車輛轉彎；如果前后輪轉動方向不同，便會合成一個垂直于車身的力，實現橫向移動。此外，前后輪還可通過旋轉不同的角度實現斜向移動、原地轉圈等，本文不作研究。

圖1 模型示意

3 實驗數據

3.1 最小轉彎直徑

通過改變小車前后輪轉動角度、車重等參數對車輛轉向進行探究。主要關注車輛四輪轉向移動時最小轉彎半徑、車身抖動與前輪轉向的對比。

轉彎半徑：R=L/2sinφ

可知，最小轉彎半徑與車長、車輛轉彎最大轉角有關，但是在實際應用中車長不會改變，而轉彎最大轉角卻是可變的[3]。故本項目仿真研究了以下兩個因素：

（1）輪胎轉過角度。四輪轉向輪胎轉過角度與最小轉彎直徑關系如表1所示。

表1 四輪轉向不同角度的最小轉彎直徑

分別采集并測試了5組4個輪胎在旋轉15°，22.5°，30°，37.5°，45°時的數據，表1中最小轉彎直徑為5組數據的平均值，可知，隨著轉向角度增大，轉彎半徑也隨之減小。

前輪轉向時，輪胎轉過角度與最小轉彎直徑關系如表2所示。

表2 前輪轉向時最小轉彎直徑

可以發現，四輪轉向相比于前輪轉向的轉彎半徑大大減小，在面對各種狹窄、崎嶇地形時具有更好的靈活性。

（2）探究車重、車速、車輪對地面摩擦系數這3個影響因素對轉彎直徑的影響，結果顯示在正常車重范圍內，車速、輪胎對地面摩擦系數三者對最小轉彎半徑影響不大。

3.2 車身抖動

在實際應用中，轉彎時的車身抖動很大程度上影響著駕駛體驗。由于四輪轉向時主要依靠摩擦力作為動力，特地針對車身Z向抖動做了模擬，前輪轉向和四輪轉向時，車身的抖動情況如圖3—4所示。

可以看到，二者車身抖動差別不大。但是在剛啟動時四輪轉向抖動較小。

3.3 橫向移動

當前后輪胎按照相反的方向轉動相同的角度，并且前后輪胎轉向相反時，根據力的合成可知，縱向分力會抵消，最終合成一個橫向的力，此時車輛會向兩側橫向移動。對此，筆者也進行了仿真，仿真條件為車輪轉速2 r/s，地面對輪胎靜摩擦力0.3，動摩擦力0.1，前后輪胎轉向45°，得到車身Z向抖動數據如圖4所示。

圖2 前輪轉向汽車Z向抖動

圖3 四輪轉向時汽車Z向抖動

圖4 汽車橫向移動時車輛Z向抖動

相比于前輪轉向和四輪轉向，在橫向移動的時候，車身抖動明顯加劇，這也在意料之中，因為車輛主要靠摩擦力向兩側移動，故有較大的車身抖動。

4 結語

通過模型仿真可以發現，在轉向時四輪轉向機構相對于目前主流的前輪轉向機構有著相當大的優勢，同等速度和輪胎轉過角度下，最小轉彎直徑僅為前輪轉向的30%左右，在面對惡劣地形時更為靈活。另外，四輪轉向還可以通過調節輪胎角度實現橫向移動，雖然相對于正常轉向抖動更大，但是也在可接受范圍內。但是相應地，四輪轉向機構在橫向移動過程中會加劇輪胎的損耗。