四輪拖車轉向梯形機構分析

曹烈

摘 要：該文從四輪拖車的梯形結構構造入手，以阿克曼原理為研究基礎，對傳統轉向梯形機構的傳動機制進行了分析，并對其原理誤差存在的原因進行了探討。通過研究，該文認為若要有效消除傳統轉向梯形機構原理帶來的誤差，就應該探索建立一種帶有誤差補償機制或者相應功能的轉向梯形機構，從而實現四輪拖車轉彎時的純滾動，以提高運輸的效率。

關鍵詞：四輪拖車 誤差補償 純滾動 傳統轉向梯形機構

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0109-02

該文的研究，試圖提高在運輸過程中的效率上，對四輪拖車的傳統設計機構原理進行分析，并在此基礎上提出進一步完善該機構的方法。具體來說，梯形機構作為地面托車包括四輪拖車轉向系的主要的機構之一，它的作用原理是合理匹配拖車在行進過程中左、右輪之間的偏轉角關系，進而使兩輪能夠按照相同的弧度向中心方向旋轉，即使輪子按照不同的圓周規律作純滾動，以有效減少或者避免輪子在轉向過程中的側滑，這主要考慮到延長輪子的使用壽命及工作的效率。關于梯形機構轉角的分析優化在學術界已經有很多理論成果，但是很多都忽視了機構原理誤差對設計的影響，因此總是存在一定的瑕疵，為了更好地解決這一問題，該論文的研究試圖阿克曼原理為研究基礎找到克服這一誤差的方法，真正使四輪拖車的梯形機構發揮在運輸過程中的意義。

1 四輪拖車轉向理論的若干分析

1.1 以阿克曼原理為基本參考點

一般來說，四輪拖車在運動行駛（直線或者轉彎運動行駛）的過程中，它的每一個輪子的運動軌跡都需要嚴格按照實際發生的輪子運動的軌跡，具體來說，就是要求每一個車輪對應的軸線都需要有一個平衡點，即所謂的轉向中心，以此保證輪子在轉動的過程中與地面始終處于自然的碰觸而作純滾動的移動。

在該文看來，阿克曼理論的關鍵在于其注重把車前輪的定位角設計為零度，同時行走系統處于剛性狀態，以及輪子在向前滾動過程中不受側向力影響。在此基礎上，它存在如下幾點優勢：

（1）四輪拖車（以該文的研究為例）在作直線運動行駛的過程中，四個車輪子處于相互平行的軸線之中，并且與汽車的縱向中心面處于垂直的狀態。

（2）四輪拖車在作轉彎運動行駛的過程中，所有的四個輪子應當循著同一個瞬時中心點作圓周運動，同時其前邊的內輪和外輪的轉角要符合一定的條件，以保證每一個車輪在滾動的過程中作純滾動，這樣就很好地避免了四輪拖車因為轉向時與地面之間突然增大的阻力導致的車輪的磨損加速。

1.2 梯形機構滑移存在的可能原因

所謂梯形機構，是指為了滿足阿克曼理論關于轉向特性的四連桿的類似機構，這在建構模型中呈現為等腰梯形的平面結構。

一般來說，傳統轉向梯形機構因為在轉向機構的結構設計上存在問題，因此其不具有阿克曼理論轉向的特性，因此在車輪行駛過程中都會發生實際內、外轉角關系與阿克曼理論存在偏離。具體來說，梯形機構按照一定的原理作相應角度范圍的運動時，當四輪車的兩個輪子發生角度的變化，因而進入運動行駛狀態。這個時候，我們發現前兩輪盤軸心線與后軸線不能總匯交在一點，即不能按照阿克曼原理給出的相應預設運動，這樣就致使前輪梯形轉向四桿機構在四輪拖車在運動行駛中的轉向，會出現前面輪子中的任意一輪與地面之間的橫向滑移，進而出現輪子與地面之間的摩擦效應。

2 四輪拖車前輪轉向機構偏轉角的誤差如何計算

從實際使用中的四輪拖車來看，很多轉向機構的設計都只能大致地符合阿克曼原理的要求，也即無法真正實現純滾動的效果。那么，就造成了工作過程中工人牽引的費力和可能造成的不必要的磨損，進而失去輪子的平衡，不利于輪子的穩定性。在這一前提下，如果承載物體不是很沉，且車身長度不是很大的前提下，可以對輪子做一修改，以便于用萬向輪的方式給予規制，但總的來說不利于控制拖車的前進方向。

總而言之，可以從這一機構分析中得到如下啟示：若要準確實現純滾動，一方面可以改變轉向的橫桿；另一方面也可以改變梯形臂的長度。通過這樣一種誤差補償機制的介入，我們可以彌補在滿足阿克曼原理上的不足。

3 純滾動轉向偏轉角誤差如何實現有效的補償

3.1 技術方案的制定

在筆者看來，如果在機構的頂層設計上采用五桿機構的結構取代傳統四桿梯形結構就可以圓滿地解決現實車輪設計上存在的缺陷。

一般來說，我們可以通過理論計算的方式對凸輪的升程進行測算，現在比較普遍的則利用計算機仿真的技術達到這一目標。那么如何設計該機構的形狀呢？有上述阿克曼原理提供的關系我們顯然可以得到一個圓滿的方案。為了避免求解含三角函數的非線性方程組，并且更直觀更有效地呈現這一過程，可以利用CatiaV5進行三維建模，并且在其草圖工具的基礎上提出相應的軌跡曲線。

在實際的操作過程中，如果出現左右前輪偏轉角發生大范圍的偏轉，凸輪的升程可能會產生較大的變化，這就勢必是凸輪的尺寸在短時間變大，這就在一定程度上限制了拖車的尺寸。那么如何有效地解決這一問題呢？在筆者看來，應該在四連桿的基礎上增加兩滑塊，使之以六連桿的機構來補償這一角度的過大問題。同時，我們看到滑塊循著阿克曼原理提示的相應軌跡向前行走，在確定兩主銷中心距和前后輪輪距后通過CatiaV5草圖工具描繪出阿克曼軌跡雙側圖示。在這一過程中，可以采用牽引桿牽引連桿圍繞固定桿運動，連桿在帶動滑塊循阿克曼軌跡運動，，滑塊帶動連架桿旋轉以及輪子固定在連桿上得以實現彌補偏轉角不在范圍內的缺陷。以凸輪改變成機架移向滑槽，同時變單側五桿凸輪機構為雙側六桿滑槽機構，這就在現實的行駛過程中很好地實現了左右前輪較大的偏轉角的實現，另外，還便于車身的方便設計，不受尺寸的約束。

3.2 具體的設計及其實施方式

車身部分可以采用桁架結構，在機架轉向滑槽以使其螺接在車身，同時注意用圓柱銷給其進行有效定位，這樣就十分便于在組裝時不受相應的約束即調整和修理時的重復性定位。在牽引桿上的兩個鉸鏈我們分別對其進行說明：其中一個與固定桿進行鉸接；另一個則與連桿進行鉸接，與此同時，我們要在連桿鏈接的牽引桿的轉向支臂上做好長圓孔的開口，便于從不同角度進行對鉸鏈的位移變化時做出調整。兩前輪主要是為了固定輪能夠有效連接在六連桿機構上。

參考文獻

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