对称梯形滑槽式转向机构设计与仿真

    0 引言

    汽车转向机构是整车中的核心系统之一，驾驶员通过该机构控制车辆的行驶路线。转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统，本文探讨的是机械转向系统，主要包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分。汽车转向时，为减少其行驶附加阻力及轮胎磨损，转向机构应满足Ackerman转向运动原理，即通过汽车转向轮的转角按一定的关系变化，使各个车轮转动时的瞬时转动中心重合，达到汽车所有车轮与地之间均做纯滚动。目前，普通的梯形汽车转向机构无法完全满足Ackerman原理，对完全符合Ackerman转向关系的转向机构的设计研究一直是汽车设计的热点。

    文献列举了多种各有特点的汽车纯滚动转向设计方案，但多数并没有进行仿真验证。笔者提出一种对称梯形滑槽式纯滚动转向机构，并对其进行了仿真验证。

    1 汽车转向Ackerman原理

    汽车转向示意图，如图1所示，图1中的形为两主销中心距。驾驶员通过操纵方向盘将转矩输入，并传到转向器，经过转向器放大后由转向传动机构将力和运动传到转向桥的转向轮，使两侧转向轮的偏转角按照一定的关系变化，从而实现汽车的转向。为了实现车轮与接触地面之间的纯滚动运动，两转向轮偏转角的理想变化关系为Ackerman关系式式(1)：

    式中：α为汽车前转向轮外轮偏转角；β为汽车前转向轮内轮偏转角；W'为两主销中心轴线与地面交点的间距；L为汽车轴距。

    图1 汽车转向示意图

    2 新机构工作原理

    笔者提出的对称梯形滑槽式纯滚动转向机构的结构简图，如图2所示，它在图l所示的整体式梯形转向机构的基础上，增加了1个固定于车架上的滑槽3，用于约束横拉杆总成10的运动。而且该机构的横拉杆长度可以改变，横拉杆总成，如图3所示，总成由套杆、滑杆及滚子组成，套杆强迫滑杆在其中滑动以实现横拉杆长度的变化。

    图2中，转矩由驾驶员通过转向操纵机构1输入，经过转向器2放大后由转向传动机构传递到转向节，转向节带动两侧转向轮偏转，从而实现汽车的转向。其中，转向传动机构是输出力和运动的关键部件，它使汽车的两转向轮偏转角按照某种关系变化，其设计直接影响着汽车的转向性能。本转向机构中，在相关铰链及车架上关键滑槽3的约束下，转向传动机构中的可变杆长横拉杆总成10按照确定的轨迹运动，从而使转向轮6、转向轮13按一定的关系转动，即两转向轮的偏转角按一定关系变化。因为滑槽3的曲线形状是根据Ackerman关系获得的，所以两转向轮偏转角之间的关系完全符合Ackerman原理，故新转向机构能实现汽车转向时的纯滚动运动，而且对称梯形机构具有受力均衡、便于加工制造和美观稳重等优点。