一种四轮可转向移动机构研究

1 车辆实现横向移动的必要性

目前，车辆大多为前轮驱动，转向时前轮旋转一个角度，带动车身转弯，在路口掉头时往往要绕很大一圈，甚至需要倒车才能将车辆掉头。每年因为车辆转弯产生的交通事故越来越多，所以，车辆拥有较小的转弯半径变得越来越重要。

现行四轮车辆还无法做到横向行驶，在某些恶劣环境下无法做到自由移动，如果能设计一个四轮均可转向移动机构，则可以通过旋转轮子到相应角度，实现车辆横向移动，更加方便车辆移动以及人员器械调配，例如叉车，可以横向移动的叉车工作效率要比不能横向移动的叉车高30%以上。另外，在拐角停车或搬运时，普通车辆往往需要来回反复调节方向从而使车辆靠近边缘，需要很高的技巧。在某些恶劣环境下，例如，探测或救援机器人需要进入狭窄的地段探测生命迹象，车辆极有可能被卡住或者无法转向，大大降低工作效率，浪费救援时间。如果能够实现横向移动，那么将会大大降低车辆卡住或无法转向概率，提高救援或者探测效率[1]。

2 设计方案

此方案设计的模型四轮均可转向，比例为1∶14，前方两个轮胎通过转向连杆相连，可实现相同转向角度，后轮也通过连杆相连。连杆由车架上一根传动轴控制，当传动轴转动时，曲轴带动连杆在水平范围移动，连杆带动车轮转动一定角度，从而实现转向。传动轴被一分为二，在中间由一根联轴器连接。

正常纵向行驶时，联轴器断开，此时前轴的转向动力不会传到后轴，后方转向连杆锁定，后轮不能转向，只能直行，此时车辆行驶等同于正常家用车辆，前轮旋转一定角度带动车辆转弯。当车辆需要小范围转弯时，联轴器联通，此时前轮转向动力会传到后轴，前后轮旋转相反的角度，形成一个夹角，此时给前轮转向动力同步到后轴，车辆就可以转弯[2]。

当前后轮旋转到一定角度（见图1），如果前后轮转动方向相同，车辆转弯；如果前后轮转动方向不同，便会合成一个垂直于车身的力，实现横向移动。此外，前后轮还可通过旋转不同的角度实现斜向移动、原地转圈等，本文不作研究。

图1 模型示意

3 实验数据

3.1 最小转弯直径

通过改变小车前后轮转动角度、车重等参数对车辆转向进行探究。主要关注车辆四轮转向移动时最小转弯半径、车身抖动与前轮转向的对比。

转弯半径：R=L/2sinφ

可知，最小转弯半径与车长、车辆转弯最大转角有关，但是在实际应用中车长不会改变，而转弯最大转角却是可变的[3]。故本项目仿真研究了以下两个因素：

（1）轮胎转过角度。四轮转向轮胎转过角度与最小转弯直径关系如表1所示。

表1 四轮转向不同角度的最小转弯直径?

分别采集并测试了5组4个轮胎在旋转15°，22.5°，30°，37.5°，45°时的数据，表1中最小转弯直径为5组数据的平均值，可知，随着转向角度增大，转弯半径也随之减小。

前轮转向时，轮胎转过角度与最小转弯直径关系如表2所示。

表2 前轮转向时最小转弯直径?

可以发现，四轮转向相比于前轮转向的转弯半径大大减小，在面对各种狭窄、崎岖地形时具有更好的灵活性。

（2）探究车重、车速、车轮对地面摩擦系数这3个影响因素对转弯直径的影响，结果显示在正常车重范围内，车速、轮胎对地面摩擦系数三者对最小转弯半径影响不大。

3.2 车身抖动

在实际应用中，转弯时的车身抖动很大程度上影响着驾驶体验。由于四轮转向时主要依靠摩擦力作为动力，特地针对车身Z向抖动做了模拟，前轮转向和四轮转向时，车身的抖动情况如图3—4所示。

可以看到，二者车身抖动差别不大。但是在刚启动时四轮转向抖动较小。

3.3 横向移动

当前后轮胎按照相反的方向转动相同的角度，并且前后轮胎转向相反时，根据力的合成可知，纵向分力会抵消，最终合成一个横向的力，此时车辆会向两侧横向移动。对此，笔者也进行了仿真，仿真条件为车轮转速2 r/s，地面对轮胎静摩擦力0.3，动摩擦力0.1，前后轮胎转向45°，得到车身Z向抖动数据如图4所示。

图2 前轮转向汽车Z向抖动

图3 四轮转向时汽车Z向抖动

图4 汽车横向移动时车辆Z向抖动

相比于前轮转向和四轮转向，在横向移动的时候，车身抖动明显加剧，这也在意料之中，因为车辆主要靠摩擦力向两侧移动，故有较大的车身抖动。

文章来源：《机械传动》 网址: http://www.jxcdzz.cn/qikandaodu/2021/0421/421.html