曹烈

摘 要：該文從四輪拖車的梯形結(jié)構(gòu)構(gòu)造入手，以阿克曼原理為研究基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析，并對(duì)其原理誤差存在的原因進(jìn)行了探討。通過研究，該文認(rèn)為若要有效消除傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)原理帶來的誤差，就應(yīng)該探索建立一種帶有誤差補(bǔ)償機(jī)制或者相應(yīng)功能的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)四輪拖車轉(zhuǎn)彎時(shí)的純滾動(dòng)，以提高運(yùn)輸?shù)男省?/p>

關(guān)鍵詞：四輪拖車 誤差補(bǔ)償 純滾動(dòng) 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（a）-0109-02

該文的研究，試圖提高在運(yùn)輸過程中的效率上，對(duì)四輪拖車的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出進(jìn)一步完善該機(jī)構(gòu)的方法。具體來說，梯形機(jī)構(gòu)作為地面托車包括四輪拖車轉(zhuǎn)向系的主要的機(jī)構(gòu)之一，它的作用原理是合理匹配拖車在行進(jìn)過程中左、右輪之間的偏轉(zhuǎn)角關(guān)系，進(jìn)而使兩輪能夠按照相同的弧度向中心方向旋轉(zhuǎn)，即使輪子按照不同的圓周規(guī)律作純滾動(dòng)，以有效減少或者避免輪子在轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)滑，這主要考慮到延長(zhǎng)輪子的使用壽命及工作的效率。關(guān)于梯形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的分析優(yōu)化在學(xué)術(shù)界已經(jīng)有很多理論成果，但是很多都忽視了機(jī)構(gòu)原理誤差對(duì)設(shè)計(jì)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(chǔ)找到克服這一誤差的方法，真正使四輪拖車的梯形機(jī)構(gòu)發(fā)揮在運(yùn)輸過程中的意義。

1 四輪拖車轉(zhuǎn)向理論的若干分析

1.1 以阿克曼原理為基本參考點(diǎn)

一般來說，四輪拖車在運(yùn)動(dòng)行駛（直線或者轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)行駛）的過程中，它的每一個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)軌跡都需要嚴(yán)格按照實(shí)際發(fā)生的輪子運(yùn)動(dòng)的軌跡，具體來說，就是要求每一個(gè)車輪對(duì)應(yīng)的軸線都需要有一個(gè)平衡點(diǎn)，即所謂的轉(zhuǎn)向中心，以此保證輪子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中與地面始終處于自然的碰觸而作純滾動(dòng)的移動(dòng)。

在該文看來，阿克曼理論的關(guān)鍵在于其注重把車前輪的定位角設(shè)計(jì)為零度，同時(shí)行走系統(tǒng)處于剛性狀態(tài)，以及輪子在向前滾動(dòng)過程中不受側(cè)向力影響。在此基礎(chǔ)上，它存在如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）四輪拖車（以該文的研究為例）在作直線運(yùn)動(dòng)行駛的過程中，四個(gè)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(tài)。

（2）四輪拖車在作轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)行駛的過程中，所有的四個(gè)輪子應(yīng)當(dāng)循著同一個(gè)瞬時(shí)中心點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)其前邊的內(nèi)輪和外輪的轉(zhuǎn)角要符合一定的條件，以保證每一個(gè)車輪在滾動(dòng)的過程中作純滾動(dòng)，這樣就很好地避免了四輪拖車因?yàn)檗D(zhuǎn)向時(shí)與地面之間突然增大的阻力導(dǎo)致的車輪的磨損加速。

1.2 梯形機(jī)構(gòu)滑移存在的可能原因

所謂梯形機(jī)構(gòu)，是指為了滿足阿克曼理論關(guān)于轉(zhuǎn)向特性的四連桿的類似機(jī)構(gòu)，這在建構(gòu)模型中呈現(xiàn)為等腰梯形的平面結(jié)構(gòu)。

一般來說，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)因?yàn)樵谵D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在問題，因此其不具有阿克曼理論轉(zhuǎn)向的特性，因此在車輪行駛過程中都會(huì)發(fā)生實(shí)際內(nèi)、外轉(zhuǎn)角關(guān)系與阿克曼理論存在偏離。具體來說，梯形機(jī)構(gòu)按照一定的原理作相應(yīng)角度范圍的運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)四輪車的兩個(gè)輪子發(fā)生角度的變化，因而進(jìn)入運(yùn)動(dòng)行駛狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)前兩輪盤軸心線與后軸線不能總匯交在一點(diǎn)，即不能按照阿克曼原理給出的相應(yīng)預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)，這樣就致使前輪梯形轉(zhuǎn)向四桿機(jī)構(gòu)在四輪拖車在運(yùn)動(dòng)行駛中的轉(zhuǎn)向，會(huì)出現(xiàn)前面輪子中的任意一輪與地面之間的橫向滑移，進(jìn)而出現(xiàn)輪子與地面之間的摩擦效應(yīng)。

2 四輪拖車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角的誤差如何計(jì)算

從實(shí)際使用中的四輪拖車來看，很多轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都只能大致地符合阿克曼原理的要求，也即無法真正實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)的效果。那么，就造成了工作過程中工人牽引的費(fèi)力和可能造成的不必要的磨損，進(jìn)而失去輪子的平衡，不利于輪子的穩(wěn)定性。在這一前提下，如果承載物體不是很沉，且車身長(zhǎng)度不是很大的前提下，可以對(duì)輪子做一修改，以便于用萬向輪的方式給予規(guī)制，但總的來說不利于控制拖車的前進(jìn)方向。

總而言之，可以從這一機(jī)構(gòu)分析中得到如下啟示：若要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，一方面可以改變轉(zhuǎn)向的橫桿；另一方面也可以改變梯形臂的長(zhǎng)度。通過這樣一種誤差補(bǔ)償機(jī)制的介入，我們可以彌補(bǔ)在滿足阿克曼原理上的不足。

3 純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角誤差如何實(shí)現(xiàn)有效的補(bǔ)償

3.1 技術(shù)方案的制定

在筆者看來，如果在機(jī)構(gòu)的頂層設(shè)計(jì)上采用五桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)四桿梯形結(jié)構(gòu)就可以圓滿地解決現(xiàn)實(shí)車輪設(shè)計(jì)上存在的缺陷。

一般來說，我們可以通過理論計(jì)算的方式對(duì)凸輪的升程進(jìn)行測(cè)算，現(xiàn)在比較普遍的則利用計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)達(dá)到這一目標(biāo)。那么如何設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)的形狀呢？有上述阿克曼原理提供的關(guān)系我們顯然可以得到一個(gè)圓滿的方案。為了避免求解含三角函數(shù)的非線性方程組，并且更直觀更有效地呈現(xiàn)這一過程，可以利用CatiaV5進(jìn)行三維建模，并且在其草圖工具的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的軌跡曲線。

在實(shí)際的操作過程中，如果出現(xiàn)左右前輪偏轉(zhuǎn)角發(fā)生大范圍的偏轉(zhuǎn)，凸輪的升程可能會(huì)產(chǎn)生較大的變化，這就勢(shì)必是凸輪的尺寸在短時(shí)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(yīng)該在四連桿的基礎(chǔ)上增加兩滑塊，使之以六連桿的機(jī)構(gòu)來補(bǔ)償這一角度的過大問題。同時(shí)，我們看到滑塊循著阿克曼原理提示的相應(yīng)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(cè)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(yùn)動(dòng)，連桿在帶動(dòng)滑塊循阿克曼軌跡運(yùn)動(dòng)，，滑塊帶動(dòng)連架桿旋轉(zhuǎn)以及輪子固定在連桿上得以實(shí)現(xiàn)彌補(bǔ)偏轉(zhuǎn)角不在范圍內(nèi)的缺陷。以凸輪改變成機(jī)架移向滑槽，同時(shí)變單側(cè)五桿凸輪機(jī)構(gòu)為雙側(cè)六桿滑槽機(jī)構(gòu)，這就在現(xiàn)實(shí)的行駛過程中很好地實(shí)現(xiàn)了左右前輪較大的偏轉(zhuǎn)角的實(shí)現(xiàn)，另外，還便于車身的方便設(shè)計(jì)，不受尺寸的約束。

3.2 具體的設(shè)計(jì)及其實(shí)施方式

車身部分可以采用桁架結(jié)構(gòu)，在機(jī)架轉(zhuǎn)向滑槽以使其螺接在車身，同時(shí)注意用圓柱銷給其進(jìn)行有效定位，這樣就十分便于在組裝時(shí)不受相應(yīng)的約束即調(diào)整和修理時(shí)的重復(fù)性定位。在牽引桿上的兩個(gè)鉸鏈我們分別對(duì)其進(jìn)行說明：其中一個(gè)與固定桿進(jìn)行鉸接；另一個(gè)則與連桿進(jìn)行鉸接，與此同時(shí)，我們要在連桿鏈接的牽引桿的轉(zhuǎn)向支臂上做好長(zhǎng)圓孔的開口，便于從不同角度進(jìn)行對(duì)鉸鏈的位移變化時(shí)做出調(diào)整。兩前輪主要是為了固定輪能夠有效連接在六連桿機(jī)構(gòu)上。

參考文獻(xiàn)

[1] 孔艷平，段淑敏.圓輪在固定面純滾動(dòng)的加速度瞬心的軌跡分析[J].大學(xué)物理，2015（10）：12-14.

[2] 王偉，張君，屈翔，等.基于理想轉(zhuǎn)向梯形的純滾動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（4）：29-32.

[3] 王修坤，李勇，曾志新，等.純滾動(dòng)式繞彎工藝分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（5）：141-143.