一種三輪車雙搖桿式傾斜轉向機構設計

鐘停江　吳榮燎　查 煜　翟經緯

摘 要：針對目前三輪車不能高速轉向問題，設計了一種雙搖桿式傾斜轉向機構。本文從轉向結構、應力分析等多方面進行系統分析，與傳統轉向機構進行對比。結果表明，該設計能夠實現三輪車的高速過彎，具有較高的穩定性、安全性和駕駛舒適性。

關鍵詞：三輪車;傾斜轉向;穩定性;舒適性

中圖分類號：U463.42 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0131-03

Design of a Tricycle Double rocker Tilt Steering Mechanism

ZHONG Tingjiang WU Rongliao ZHA Yu ZHAI Jingwei

（School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation， Nanhang Jincheng College，Nanjing Jiangsu 210000）

Abstract： in order to solve the problem that tricycles cannot turn at high speed， a double-rocker tilting steering mechanism was proposed.This paper analyzed the steering structure and stress analysis in many aspects， and compared it with traditional steering mechanisms.. The results show that the design can realize the high speed overturning of the tricycle， with high stability， safety and driving comfort.

Keywords： tricycle; Inclined turn; Stability; comfort

目前，市面上的三輪車轉向機構基本都和汽車轉向一樣，圍繞一個汽車轉彎半徑進行轉向，通過左右轉動車把，改變前輪的方向，完成轉向。當三輪車快速行駛并且強行急轉彎時，一方面因為離心力的存在會讓三輪車側翻;另一方面，因為慣性與轉向輪方向沖突而造成前進阻礙，車就會發生側翻。在高速轉彎時不僅會發生危險，而且過大的離心力會讓駕駛員駕駛困難、駕駛不舒服。針對上述問題，本文提出了一種雙搖桿式傾斜轉向機構，這種轉向機構在保證轉彎安全性的同時，兼顧了駕駛員的駕駛舒適性。

1 轉向結構對比

1.1 傳統轉向結構的原理

在采用偏轉車輪轉向的車輛中，轉向桿系主要用來約束各轉向輪的轉角關系，使所有轉向輪繞某一個瞬時轉動中心行駛，保證車輪處于純滾動狀態（Ackermann，理想轉向），才可避免或減小轉向輪的側滑，延長輪胎使用壽命，并保證轉向輕便與操縱穩定安全。普通三輪車轉彎示意圖如圖1所示。A、B和C所指的方塊代表車輪，當前輪A發生轉動，前輪就會沿著前輪軸線OA開始轉動，此時B輪和C輪也沿著后輪軸線OB開始轉動，于是整車車輪繞O點作純滾動，并且完成整車繞O點做圓周運動，實現轉彎。

圖1 普通三輪車轉彎示意圖

1.2 雙搖桿式傾斜轉向機構原理

雙搖桿式傾斜轉向機構仿照摩托車和自行車高速壓彎的原理[1-5]，如圖2所示。其中，[G]為摩托車和人所承受的重力;[Fa]是摩托車過彎時的離心力;[FN]是地面對摩托車的支持力。地面對摩托車的支持力[FN]可分解成豎直與水平兩個分力，豎直方向上的分力與重力抵消，水平方向上的力與離心力抵消，達成平衡狀態，使得摩托車在過彎時不會發生傾倒現象。同時，水平分力提供摩托車做圓周運動的向心力。摩托車在過彎時，看起來似乎兩個輪子都是筆直地在同一直線上，但還能完成轉彎，這一方面是因為前輪稍稍向內彎傾斜了一點，另一方面是因為做圓錐形運動。

雖然人們能看到輪胎的上端形成一圓形，但可以想象到當輪胎接觸壓力中心時，輪胎瞬間變得扁平。輪胎壓力中心不是一單純的點，而是環繞著輪胎面的一個連續的環。同時，隨著摩托車傾斜進入彎道，輪胎接觸地面環，形成一圓錐形狀，這類似于紙咖啡杯邊緣，如圖3所示。如果輕推該紙杯，因為杯底的圓周小于杯口的圓周，所以其繞一圓周滾動。

圖2 摩托車壓彎的受力示意圖

圖3 摩托車過彎的運動軌跡

2 整車結構設計

2.1 雙搖桿式傾斜轉向機構結構設計

在設計期間，筆者所在的團隊實驗了多種轉向角度、靠背連接角度、車身長度等數據，最終計算出最佳轉向角，并用3D打印技術打印出1∶20的模型。當確立基礎轉向數據后，開始精確1∶1制圖，以確定后期零配件加工方式及所需材料數量。目前，整車進入實車加工制作階段。為了使車身達到足夠的剛度，筆者所在的團隊結合合作企業提供的加工技術進行CATIA有限元分析，進行強度校核、局部結構加強處理。具體模型如圖4所示。

這種結構就是由兩根相同長度的搖桿、后輪軸（機架）、車身（連桿）構成一組雙搖桿結構，轉彎全程后輪軸不動，兩根搖桿一端與后輪軸進行鉸連接，另一端和車身進行鉸連接，當三輪車想要右轉時，車身尾部在水平方向上左移，使得搖桿與后輪軸的夾角[α]增大，[β]減小，車身作為連桿有左高右低的變化，前輪和車身整體偏向右側。當機架最長，連桿和從動搖桿成一條直線時，主動搖桿從理論上來說便無法繼續轉動，此時，機構到達死點位置，即三輪車能轉動的最大轉角。但是，經過多次實驗，當該轉向機構達到最大轉向角時極易發生翻車的情況，于是后來在機架和搖桿處增加了限位裝置，以減小轉向機構的最大轉角，保證三輪車正常行駛，不發生側翻現象。

圖4 雙搖桿式傾斜向機結構模型

2.2 駕駛員操作機構的設計

駕駛員躺在車里僅僅依靠自身的重心移動來完全掌控整車的方向變化，這無疑對駕駛員的操控技術有非常高的要求，并且一旦駕駛員發生重心位移，必將使整車一下達到極限轉角角度，增加了整車的不可操作性。為了避免上述情況，設計了一套駕駛員操作系統，能使駕駛員通過大小不一的彎道。整套操作系統如圖5所示。

圖5 操作系統示意圖

注：1.操縱桿;2.轉向盤;3.固定件;4.鋼繩;5.搖桿。

操縱桿與轉向盤相固定，兩根鋼繩的一端與轉向盤相連接，穿過帶有滑輪的固定件，另一端與兩根搖桿相連接。當駕駛員順時針轉動操作桿時，轉向盤的左側會向前突出，拉緊鋼繩，鋼繩通過滑輪拽動左側，為了讓固定件與搖桿相連的鋼繩變短，與車身固定的右側滑輪會向左后輪靠近，使車身向右傾斜。鋼繩實物轉向如圖6所示。

圖6 鋼繩實物轉向

2.3 CATIA有限元靜應力分析

為了判斷所采用的材料是否能承受三輪車的強度和剛度要求，在CATIA中進行了有限元分析。有限元計算輸出結果有多種，常用的有米塞斯等效應力分布圖及位移圖。采取靜應力分析后的米塞斯等效應力分布圖，如圖7所示。由圖可知，駕駛員的臀部位置應力最為集中，應特別注意加固這一部分。

圖7 三輪車應力分析

3 雙搖桿式傾斜轉向三輪車行駛測試

經過以上一系列建模與軟件分析，最終，筆者所在團隊將自己的理念轉化成了實物，并參加了比賽。比賽證明，本文所提出的雙搖桿式傾斜轉向機構能通過車身的偏轉完成駕駛員隨意的轉向，在30km/h以上的速度不進行減速過彎也不會發生側傾，同時，駕駛員的駕駛舒適感明顯上升。

4 應用前景

本設計對正三輪的轉向結構進行了革命性創新，運用于現在市面上的小型代步三輪車非常合適，適應了未來新能源小型代步車車輛靈活多變的轉向需求，并且在保證優異的安全性能的同時兼顧了舒適性;同時，也可應用于目前的三輪躺車上，為騎友提供更佳舒適性與安全性。

5 結語

整車轉向機構設計過程十分復雜，在設計時需要忽略部分因素，建立理想化模型，主要借助軟件的仿真驗證可行性，求最佳值。本次設計主要以CATIA軟件為工具，建立三維模型，并進行應力分析和預裝配，完成后檢查各個零件與其他零件的位置關系是否發生干涉、配合是否合理，最終實現完整設計。整車制作完成后，通過實踐證明，雙搖桿式傾斜轉向機構明顯提高了駕駛三輪車的穩定性和舒適性。

參考文獻：

[1]王成志，王云超.雙前軸轉向機構的運動分析及優化設計[J].汽車安全與節能學報，2019（3）：300-307.

[2]賈紹華，趙濱華.摩托車彎道行駛的原理[J].摩托車，2008（12）：58-60.

[3]楊世明，馬慶國.雙搖桿機構運動分析及設計研究[J].機械設計與研究，2018（2）：71-75.

[4]張純，許勇軍，包瑞，等.基于CATIA的氣盾壩壩板參數化建模與靜力分析[J].農業裝備技術，2019（5）：52-55.

[5]史明月，任峰，李龍海.大學生賽車轉向機構設計[J].時代汽車，2019（11）：68-69.