汽車轉向梯形機構教學案例分析

李書江，靳建平

（石家莊理工職業學院，河北石家莊050228）

汽車轉向梯形機構教學案例分析

李書江，靳建平

（石家莊理工職業學院，河北石家莊050228）

汽車轉向系統是汽車底盤的重要組成之一。隨著科學技術的發展，人們對汽車使用性能的要求越來越高，特別是汽車的操縱穩定性，已成為當代汽車研究領域的一個重要方面。轉向系統的好壞直接影響到汽車的操縱穩定性、轉向輕便性以及駕駛員的工作強度和工作效率。因此，轉向系統的設計、應用、維護及保養就成為汽車安全的重要組成部分。本文從汽車構造課的課堂講解入手，對轉向系統的重要組成之一——轉向梯形機構的來龍去脈進行了詳細闡述，旨在為教師講授轉向梯形機構時提供參考和幫助。

轉向梯形；特性曲線；參數確定

1 引言

汽車在行駛過程中，經常需要變換車道和轉彎。駕駛員通過一套專門的機構——汽車轉向系，使汽車改變行駛方向。轉向系還可以修正因路面傾斜等原因引起的汽車跑偏。轉向系統不僅關系到汽車行駛的安全，還關系到延長輪胎壽命、降低燃油油耗等。轉向系的好壞直接影響到汽車的操縱穩定性、轉向輕便性以及駕駛員的工作強度和工作效率。

通過觀察目前已出版的汽車構造、汽車底盤結構與維修等高等學校（高職高專類）汽車相關專業使用的教材后，發現在講述汽車轉向系的一個關鍵技術——轉向梯形機構時，均是一帶而過。常用的描述語言大意是：為了保證汽車轉向輪順利轉向，實現兩個轉向輪的純滾動，通常由轉向梯形機構加以保障。僅此而已。

轉向梯形機構是怎樣對轉向保障的，教材大多沒提及。因此，在教學中，經常會出現學生向老師提問有關轉向梯形機構工作原理的相關問題。由于汽車構造的相關教材并未對此做仔細的解釋，經常會導致任課教師不能較準確地給出正確的答案。

2 轉向理論特性

為了滿足汽車轉向輪的純滾動條件，轉向時所有車輪必須以不同的半徑圍繞同一轉向中心滾動，各個車輪的軸線交于瞬時轉向中心“O”點。在汽車以低速轉彎行駛忽略離心力影響和輪胎側偏影響的情況下，兩軸汽車轉向軸的理想內、外輪轉角關系如圖1所示。

圖1兩軸汽車轉向示意圖

雖然兩個轉向輪偏轉的角度不同，內側車輪轉角為β，外側車輪轉角為α（顯然α＜β），但兩轉向前輪軸線的延長線（均垂直于車輪前進的方向）交于后軸的延長線上的“O”點，此點稱之為瞬時轉向中心。左右轉向輪的兩個轉角之間應滿足的幾何關系，可以用如下求證求得：

在△OCB中，cota=OC/BC

在△ODA中，cotβ=OD/AD

由于，OC-OD=L2；AD=BC=L1

因此：

cota-cotβ=L2/L1………………（1）

式中：L2為汽車左右車輪的輪距（或為兩轉向輪轉向主銷之距）；

L1為汽車（前后車輪）的軸距；

其中，式（1）常被稱為轉向理論特性。

3 實現理想的轉向輪轉角關系的途徑

早在1817年，為解決車輛順利轉彎問題，德國車輛工程師林肯斯潘杰（Lan-kensperger）提出了一種車輛沿著彎道轉彎時，保證內外兩個轉向輪做純滾動的結構設想，之后由他的英國代理商阿克曼（Rudolph-Ackermann）于1818年提出專利。

依據阿克曼轉向幾何學設計的車輛，汽車沿著彎道轉彎時，利用四連桿的相等曲柄（即，等腰梯形）機構使內側輪的轉向角比外側輪大大約2°～4°，使四個輪子轉彎半徑的圓心大致上交會于后軸的延長線上瞬時轉向中心，這樣車輛便可以順暢的轉彎。這一幾何學關系稱為阿克曼（Ackermann）轉向幾何學，阿克曼轉向幾何學中兩個轉角之間的關系基本上能滿足式（1）中的轉向理論特性。

為了滿足阿克曼幾何學中兩個轉角之間關系（轉向理論特性），保證汽車轉向輪的純滾動條件，需要觀察研究汽車轉向時兩轉向輪（通常是前輪）各自轉角變化時，相互對應關系的實現途徑。

3.1 等腰梯形結構的布置形式

等腰梯形結構常被稱之為轉向梯形機構，到目前為止，它是用來保證汽車轉彎行駛時，汽車的車輪均能繞同一瞬時轉向中心，在不同半徑的圓周上作無滑動的純滾動，較為理想的首選結構。如圖2是所示轉向梯形示意圖。圖中，內側車輪轉角為β，外側車輪轉角為α；方向盤通過轉向機拉動橫拉桿左右移動，使轉向輪沿著轉向主銷A、B（實實在在的或虛擬的）轉動。

圖2轉向梯形示意圖

轉向梯形機構分為整體式和分段式兩種。轉向輪采用非獨立懸架系統時，轉向梯形為整體式，它是由轉向搖臂、搖桿、轉向梯形臂等組成，其優點是結構簡單，調整前束容易，制造成本低，缺點是一側轉向輪向上、下跳動時，會影響另一側轉向輪。分段式轉向梯形用于轉向輪軸為獨立懸掛的系統中，它是由轉向橫拉桿、轉向梯形臂等組成，其優點是兩轉向輪互不影響，缺點是結構復雜，制造成本較高。

整體式轉向梯形機構用于非獨立懸架的轉向輪（如圖3所示）。

圖3常見非獨立懸架轉向梯形布置圖

當轉向輪采用獨立懸架時，由于每個轉向輪都需要相對于車架（或車身）作獨立運動，所以，轉向橋必須是斷開式的。與此相應，轉向傳動機構中的轉向梯形也必須分成兩段（如圖4所示）。

與獨立懸架配用的多數是齒輪齒條式轉向器，轉向器布置在車身上，轉向橫拉桿通過球頭銷分別與齒條及轉向梯形臂相連。

圖4常見獨立懸架轉向梯形布置圖

3.2 等腰梯形滿足轉向理論特性的原理

轉向梯形四連桿機構中，固定件長度（轉向輪輪距及兩主銷中心距L2）是由車輛總體設計給出的，兩梯形臂長相等。因此只有兩個獨立變量，一個是連桿（橫拉桿）長度，另一個是兩梯形臂長度，這兩個參數還可以轉化為梯形底角γ及梯形臂長m，如圖5所示。

圖5轉向梯形機構底角與臂長示意圖

3.2.1 理想的轉向理論特性曲線

一輛汽車轉向梯形兩參數（梯形底角γ及梯形臂長m）的確定，是建立在一定的理論基礎之上的，即盡量滿足式（1）中的轉向理論特性。

為確保轉向梯形機構能滿足轉向理論特性，在實際應用（設計、調整及維護）中，需要尋找一條除卻式（1）公式之外的能夠看得見的曲線對此進行說明和驗證。這條曲線（實為直線），被稱之為理論上的轉向梯形特性曲線，如圖6所示中的EC線便是。

圖6轉向梯形特性曲線圖

圖6中L2為前輪兩轉向主銷（A、B兩點）之距，L1為前后兩軸之軸距，E點是兩主銷連線之中點，C點為過內側轉向主銷A做平行于汽車縱向軸的引線與后軸的交點，內側車輪轉角為β，外側車輪轉角為α。其中，BD∥AC∥EH，并且均平行于汽車縱軸；F為OB與EC的交點，它是EC線上的任意一點（隨前輪不同的轉角，F點在EC線上移動）；連接AF，并作FG⊥AB；O點為瞬時轉向中心。

由圖6可以看出：

△EMB～△HMO，故：∠EBM=∠α

△EGF～△EHC，故：EG/FG=HC/EH

因此，在△BGF中，有：

cota=cot∠EBM=BG/FG=(BE+EG)/FG

在△AGF中，有：

cotθ=cot∠GAF=AG/FG=(AE-EG)/FG

所以：

cota-cotθ=(BE+EG)/FG-(AE-EG)/FG

=2EG/FG

=2HC/EH

=L2/L1-----------------(2)

將公式（2）與公式（1）比較：

cota-cotβ=L2/L1

cota-cotθ=L2/L1

可以看出，cotβ=cotθ=cot∠GAF

所以：

∠GAF=β，△ACO～△AGF

由此即證明了直線EC便是保證內側與外側轉向輪正確關系的理論特性線。換言之，如果一輛汽車的轉向梯形四連桿機構在車輪轉向時，兩主銷A、B按照圖6上所示（左右輪有同一個瞬時轉向中心）到F點的連線的交點，始終在EC線上，則這樣的轉向梯形機構就能確保汽車轉向時，兩前轉向輪做純滾動。

3.2.2 實際的轉向特性曲線

盡管以上證明了直線EC是保證內側與外側轉向輪正確關系的理論特性線，但是，在轉向梯形機構的實際設計和應用中，若想完全實現轉向理論特性所要求的目標，仍然是難上加難。在鉸鏈四桿機構中，由于兩連桿（盡管臂長一樣）均為搖桿，梯形底角γ及梯形臂長m確定之后，汽車轉向時，左右兩個轉向輪每一個轉角所形成的若干個連接點“F”的連線并不是一條直線，而是弧線。

這可以用如圖7所示的方式加以說明：汽車左轉向輪一個轉角(a)必定形成一個右輪轉角(β)相對應，分別從A、B兩點（沿a、β角）引直線相交于F點。若干個連接點“F”的連線是弧線，因此其連線不可能與理論特性曲線EC完全重合。

圖7轉向梯形的實際特性曲線圖

汽車設計時，傳統的轉向梯形設計都采用圖解轉向梯形的方法，隨著計算機的發展，解析法得到了較好的應用。但是，無論采用怎樣的方法，若改變梯形底角γ及梯形臂長m兩參數中的任一個參數，其弧線位置都將發生變化，靠近或偏離理論上的轉向梯形特性曲線EC。因此，實際車輛中兩參數確定的轉向梯形機構構件，僅僅是在汽車常用的轉角范圍內與理論上的轉向梯形特性曲線比較接近的結構而已。

汽車是一部行駛在道路上的交通工具，轉向輪是充氣輪胎，胎壓的高低、輪胎的彈性、道路地面軟硬程度等，都會使轉向的車輪產生側向力，從而影響轉向梯形所導引的轉向輪轉向特性。大量的汽車結構數據證實，實際內外輪的轉角差值比理論值要小，一般認為，要保證汽車轉向輪在25°以內轉角所形成的實際特性曲線與理論特性曲線較為靠近便可。

4 結論

綜上所述，到目前為止，汽車轉向梯形機構仍然存在著許多問題和不完善的結構，是一項有待進一步開發的系統。盡管汽車轉向技術經歷了近兩百年的發展，但仍存在著無法回避問題。諸如，兩輪轉向汽車在轉彎時，現有各類轉向機構均不能保證全部車輪繞瞬時中心轉動，從而在技術上難以完全消除車輛行駛中的車輪側滑。以及，獨立懸架汽車中的轉向梯形斷開點難以確定，這將導致了橫拉桿與懸架導向機構之間運動不協調，使汽車在行駛中易發生擺振，從而加劇輪胎磨損，轉向性能隨車速、轉向角、路面狀態的變化而變化，車速越高，操縱穩定性越差。

隨著電子技術的不斷發展及在汽車中的應用，可以從多方面改善轉向系統的各種性能，但這種改善往往是局部的和微小的。盡管相關科技的進步帶動了汽車設計技術與汽車工業的迅速發展，但對于轉向傳動系統的研究主要集中在轉向器的型式、轉向助力方式、主動轉向和轉向執行機構的尺寸優化設計等方面，而在兩輪轉向原理以及轉向輪偏轉聯動實現方式等方面并未發現有新的突破。

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U463.218+.7

A

JL01-0229（2013）04-0048-04

2013-11-10

責任編輯：馮力平

校對：李曉霞

李書江（1962-），男，漢族，河北藁城人，汽車檢測與維修技術教研室主任，長期從事汽車相關專業的理論與實踐教學。