某微型車四輪集中轉向機構設計及驗證

王 勇，楊燕紅*,3，韋龍星

某微型車四輪集中轉向機構設計及驗證

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、碼頭等地方作業時，由于空間狹小，需要使用到轉彎半徑小、轉向靈活的微型車。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向機構，通過CATIA軟件DMU運動機構模塊對該轉向機構進行了運動學仿真分析。結果表明，設計的轉向機構滿足微型車的轉向要求；將該轉向機構應用于實車上進行試驗驗證，試驗表明該機構能很好地完成轉向功能。

微型車；轉向設計；運動仿真

前言

隨著物流行業的快速發展，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。車輛轉向方式有兩輪轉向、四輪低速轉向、四輪高速轉向三種[1-3]，傳統的四輪轉向機構由于結構復雜不適用于微型物流車，并且多數采用阿克曼轉向，但實際應用的時候，轉彎半徑大、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向機構，該機構是基于左前車輪和右后車輪對角驅動底盤而設計的，具有機動性能強、轉向靈敏、轉彎半徑小的特點。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，產生的誤差在可接受范圍內，常使用該模塊完成轉向機構的運動仿真[4]，結合該仿真軟件，對設計出的轉向機構進行運動仿真，最后再進行試驗驗證，驗證機構的合理性。

1 底盤驅動及轉向設計

1.1 底盤驅動布置形式

底盤主要包括：驅動、電氣、車架、懸架系統。使用電池作為能源供給，直流無刷電機作為動力輸出，懸架系統采用Ｕ型和Ａ型支臂、減震器和轉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，使兩輪產生驅動力矩，如圖1所示。

圖1 底盤布置形式

1.2 驅動力矩分析

直流電機輸出的轉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使驅動輪繞軸偏轉，M使驅動輪繞軸轉動。

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

圖2 直流電機輸出扭矩分解圖

圖3 底盤直行

1.3 轉向力矩分析

圖4 底盤左轉

底盤左轉向時，左前驅動輪順時針轉動,右后驅動輪逆時針轉動，已知轉矩M方向，左前、右后驅動輪都往左偏轉，此時設計的轉向機構會帶動另外兩個從動輪向左偏轉。已知轉矩M方向，左前驅動輪順時針旋轉，右后驅動輪逆時針旋轉，如圖4所示。兩個驅動輪產生的驅動力矩相同時，會受到等值且反向不共線的一對力F，從而形成力偶M，實現四個車輪同時向左偏轉。同理，底盤右轉向時，左前驅動輪逆時針轉動，右后驅動輪順時針轉動，已知轉矩M方向，左前、右后驅動輪都往右偏轉。已知轉矩M方向，左前驅動輪逆時針旋轉，右后驅動輪順時針旋轉，當兩個驅動輪產生的驅動力矩相同時，會受到等值且反向不共線的一對力F，從而形成力偶M，實現四個車輪同時向右偏轉，如圖5所示。

圖5 底盤右轉

1.4 轉向機構設計

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

2 運動仿真分析

運動仿真分析可以讓轉向機構的工作情況更加直觀，能檢測系統在運動過程中是否發生干涉，設計是否合理等。CATIA軟件因可靠性能高，運動仿真結果清晰明了，能較好地反映機構或者系統的運動結果，在轉向機構運動仿真中經常使用[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：設計的轉向機構、轉向羊角、輪輞。仿真結果顯示，設計的轉向機構在運動過程中，沒有發生任何干涉，并且球頭的轉動滿足轉向要求，四輪集中轉向機構直行、左轉向、右轉向效果如圖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，則轉向機構不能進行運動仿真。

3 試驗驗證

搭建轉向機構，通過CAN總線向兩個驅動電機發送指令，試驗結果如圖7所示。左轉向時，車輪偏轉角度為：左前輪37.6°，右前輪31.5°，左后輪36.4°，右后輪30.3°。右轉時，車輪偏轉角度為：左前輪30.7°，右前輪36.9°，左后輪31.2°，右后輪35.8°。

圖7 試驗結果

4 結論

本文針對某微型物流車設計了一種四輪集中轉向機構，底盤采用對角驅動方式，轉向機構主要利用對角驅動輪在旋轉時自動偏轉這一原理實現轉向功能。在CATIA軟件運動仿真模塊中對轉向機構進行了運動學仿真，結果表明，設計的轉向機構合理，運行時沒有發生任何干涉。最后進行了試驗驗證，結果表明，設計的轉向機構能夠實現直行、轉向等功能，穩定可靠，轉彎半徑比同尺寸采用阿克曼轉向原理的微型車小很多。

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

[2] 戴金財,陳小開,黃超,等.某手動轉向踏板式搬運車轉向機構改進設計[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向機構研究[J].農業裝備與車輛工程,2020,58(02):22-25.

[4] 關亮亮,范旭,張恭礬,等.叉車轉向機構建模及運動仿真[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.客車轉向機構的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。