鐘停江　吳榮燎　查 煜　翟經(jīng)緯

摘 要：針對目前三輪車不能高速轉(zhuǎn)向問題，設(shè)計了一種雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機構(gòu)。本文從轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析等多方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)進(jìn)行對比。結(jié)果表明，該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)三輪車的高速過彎，具有較高的穩(wěn)定性、安全性和駕駛舒適性。

關(guān)鍵詞：三輪車;傾斜轉(zhuǎn)向;穩(wěn)定性;舒適性

中圖分類號：U463.42 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)向機構(gòu)基本都和汽車轉(zhuǎn)向一樣，圍繞一個汽車轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向，通過左右轉(zhuǎn)動車把，改變前輪的方向，完成轉(zhuǎn)向。當(dāng)三輪車快速行駛并且強行急轉(zhuǎn)彎時，一方面因為離心力的存在會讓三輪車側(cè)翻;另一方面，因為慣性與轉(zhuǎn)向輪方向沖突而造成前進(jìn)阻礙，車就會發(fā)生側(cè)翻。在高速轉(zhuǎn)彎時不僅會發(fā)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(zhuǎn)向機構(gòu)，這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)在保證轉(zhuǎn)彎安全性的同時，兼顧了駕駛員的駕駛舒適性。

1 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)對比

1.1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的原理

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

圖1 普通三輪車轉(zhuǎn)彎示意圖

1.2 雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機構(gòu)原理

雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機構(gòu)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(dá)成平衡狀態(tài)，使得摩托車在過彎時不會發(fā)生傾倒現(xiàn)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(zhuǎn)彎，這一方面是因為前輪稍稍向內(nèi)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(dāng)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(huán)繞著輪胎面的一個連續(xù)的環(huán)。同時，隨著摩托車傾斜進(jìn)入彎道，輪胎接觸地面環(huán)，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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計期間，筆者所在的團隊實驗了多種轉(zhuǎn)向角度、靠背連接角度、車身長度等數(shù)據(jù)，最終計算出最佳轉(zhuǎn)向角，并用3D打印技術(shù)打印出1∶20的模型。當(dāng)確立基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)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(shù)量。目前，整車進(jìn)入實車加工制作階段。為了使車身達(dá)到足夠的剛度，筆者所在的團隊結(jié)合合作企業(yè)提供的加工技術(shù)進(jìn)行CATIA有限元分析，進(jìn)行強度校核、局部結(jié)構(gòu)加強處理。具體模型如圖4所示。

這種結(jié)構(gòu)就是由兩根相同長度的搖桿、后輪軸（機架）、車身（連桿）構(gòu)成一組雙搖桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎全程后輪軸不動，兩根搖桿一端與后輪軸進(jìn)行鉸連接，另一端和車身進(jìn)行鉸連接，當(dāng)三輪車想要右轉(zhuǎn)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(cè)。當(dāng)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(xù)轉(zhuǎn)動，此時，機構(gòu)到達(dá)死點位置，即三輪車能轉(zhuǎn)動的最大轉(zhuǎn)角。但是，經(jīng)過多次實驗，當(dāng)該轉(zhuǎn)向機構(gòu)達(dá)到最大轉(zhuǎn)向角時極易發(fā)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(zhuǎn)向機構(gòu)的最大轉(zhuǎn)角，保證三輪車正常行駛，不發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。

圖4 雙搖桿式傾斜向機結(jié)構(gòu)模型

2.2 駕駛員操作機構(gòu)的設(shè)計

駕駛員躺在車?yán)飪H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(shù)有非常高的要求，并且一旦駕駛員發(fā)生重心位移，必將使整車一下達(dá)到極限轉(zhuǎn)角角度，增加了整車的不可操作性。為了避免上述情況，設(shè)計了一套駕駛員操作系統(tǒng)，能使駕駛員通過大小不一的彎道。整套操作系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 操作系統(tǒng)示意圖

注：1.操縱桿;2.轉(zhuǎn)向盤;3.固定件;4.鋼繩;5.搖桿。

操縱桿與轉(zhuǎn)向盤相固定，兩根鋼繩的一端與轉(zhuǎn)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(dāng)駕駛員順時針轉(zhuǎn)動操作桿時，轉(zhuǎn)向盤的左側(cè)會向前突出，拉緊鋼繩，鋼繩通過滑輪拽動左側(cè)，為了讓固定件與搖桿相連的鋼繩變短，與車身固定的右側(cè)滑輪會向左后輪靠近，使車身向右傾斜。鋼繩實物轉(zhuǎn)向如圖6所示。

圖6 鋼繩實物轉(zhuǎn)向

2.3 CATIA有限元靜應(yīng)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(jìn)行了有限元分析。有限元計算輸出結(jié)果有多種，常用的有米塞斯等效應(yīng)力分布圖及位移圖。采取靜應(yīng)力分析后的米塞斯等效應(yīng)力分布圖，如圖7所示。由圖可知，駕駛員的臀部位置應(yīng)力最為集中，應(yīng)特別注意加固這一部分。

圖7 三輪車應(yīng)力分析

3 雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向三輪車行駛測試

經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向機構(gòu)能通過車身的偏轉(zhuǎn)完成駕駛員隨意的轉(zhuǎn)向，在30km/h以上的速度不進(jìn)行減速過彎也不會發(fā)生側(cè)傾，同時，駕駛員的駕駛舒適感明顯上升。

4 應(yīng)用前景

本設(shè)計對正三輪的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了革命性創(chuàng)新，運用于現(xiàn)在市面上的小型代步三輪車非常合適，適應(yīng)了未來新能源小型代步車車輛靈活多變的轉(zhuǎn)向需求，并且在保證優(yōu)異的安全性能的同時兼顧了舒適性;同時，也可應(yīng)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(jié)語

整車轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計過程十分復(fù)雜，在設(shè)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(shè)計主要以CATIA軟件為工具，建立三維模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析和預(yù)裝配，完成后檢查各個零件與其他零件的位置關(guān)系是否發(fā)生干涉、配合是否合理，最終實現(xiàn)完整設(shè)計。整車制作完成后，通過實踐證明，雙搖桿式傾斜轉(zhuǎn)向機構(gòu)明顯提高了駕駛?cè)嗆嚨姆€(wěn)定性和舒適性。

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