曹 徐，袁登敏，陳林超

（江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 車輛實現(xiàn)橫向移動的必要性

目前，車輛大多為前輪驅(qū)動，轉(zhuǎn)向時前輪旋轉(zhuǎn)一個角度，帶動車身轉(zhuǎn)彎，在路口掉頭時往往要繞很大一圈，甚至需要倒車才能將車輛掉頭。每年因為車輛轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的交通事故越來越多，所以，車輛擁有較小的轉(zhuǎn)彎半徑變得越來越重要。

現(xiàn)行四輪車輛還無法做到橫向行駛，在某些惡劣環(huán)境下無法做到自由移動，如果能設(shè)計一個四輪均可轉(zhuǎn)向移動機構(gòu)，則可以通過旋轉(zhuǎn)輪子到相應(yīng)角度，實現(xiàn)車輛橫向移動，更加方便車輛移動以及人員器械調(diào)配，例如叉車，可以橫向移動的叉車工作效率要比不能橫向移動的叉車高30%以上。另外，在拐角停車或搬運時，普通車輛往往需要來回反復(fù)調(diào)節(jié)方向從而使車輛靠近邊緣，需要很高的技巧。在某些惡劣環(huán)境下，例如，探測或救援機器人需要進入狹窄的地段探測生命跡象，車輛極有可能被卡住或者無法轉(zhuǎn)向，大大降低工作效率，浪費救援時間。如果能夠?qū)崿F(xiàn)橫向移動，那么將會大大降低車輛卡住或無法轉(zhuǎn)向概率，提高救援或者探測效率[1]。

2 設(shè)計方案

此方案設(shè)計的模型四輪均可轉(zhuǎn)向，比例為1∶14，前方兩個輪胎通過轉(zhuǎn)向連桿相連，可實現(xiàn)相同轉(zhuǎn)向角度，后輪也通過連桿相連。連桿由車架上一根傳動軸控制，當傳動軸轉(zhuǎn)動時，曲軸帶動連桿在水平范圍移動，連桿帶動車輪轉(zhuǎn)動一定角度，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。傳動軸被一分為二，在中間由一根聯(lián)軸器連接。

正常縱向行駛時，聯(lián)軸器斷開，此時前軸的轉(zhuǎn)向動力不會傳到后軸，后方轉(zhuǎn)向連桿鎖定，后輪不能轉(zhuǎn)向，只能直行，此時車輛行駛等同于正常家用車輛，前輪旋轉(zhuǎn)一定角度帶動車輛轉(zhuǎn)彎。當車輛需要小范圍轉(zhuǎn)彎時，聯(lián)軸器聯(lián)通，此時前輪轉(zhuǎn)向動力會傳到后軸，前后輪旋轉(zhuǎn)相反的角度，形成一個夾角，此時給前輪轉(zhuǎn)向動力同步到后軸，車輛就可以轉(zhuǎn)彎[2]。

當前后輪旋轉(zhuǎn)到一定角度（見圖1），如果前后輪轉(zhuǎn)動方向相同，車輛轉(zhuǎn)彎；如果前后輪轉(zhuǎn)動方向不同，便會合成一個垂直于車身的力，實現(xiàn)橫向移動。此外，前后輪還可通過旋轉(zhuǎn)不同的角度實現(xiàn)斜向移動、原地轉(zhuǎn)圈等，本文不作研究。

圖1 模型示意

3 實驗數(shù)據(jù)

3.1 最小轉(zhuǎn)彎直徑

通過改變小車前后輪轉(zhuǎn)動角度、車重等參數(shù)對車輛轉(zhuǎn)向進行探究。主要關(guān)注車輛四輪轉(zhuǎn)向移動時最小轉(zhuǎn)彎半徑、車身抖動與前輪轉(zhuǎn)向的對比。

轉(zhuǎn)彎半徑：R=L/2sinφ

可知，最小轉(zhuǎn)彎半徑與車長、車輛轉(zhuǎn)彎最大轉(zhuǎn)角有關(guān)，但是在實際應(yīng)用中車長不會改變，而轉(zhuǎn)彎最大轉(zhuǎn)角卻是可變的[3]。故本項目仿真研究了以下兩個因素：

（1）輪胎轉(zhuǎn)過角度。四輪轉(zhuǎn)向輪胎轉(zhuǎn)過角度與最小轉(zhuǎn)彎直徑關(guān)系如表1所示。

表1 四輪轉(zhuǎn)向不同角度的最小轉(zhuǎn)彎直徑

分別采集并測試了5組4個輪胎在旋轉(zhuǎn)15°，22.5°，30°，37.5°，45°時的數(shù)據(jù)，表1中最小轉(zhuǎn)彎直徑為5組數(shù)據(jù)的平均值，可知，隨著轉(zhuǎn)向角度增大，轉(zhuǎn)彎半徑也隨之減小。

前輪轉(zhuǎn)向時，輪胎轉(zhuǎn)過角度與最小轉(zhuǎn)彎直徑關(guān)系如表2所示。

表2 前輪轉(zhuǎn)向時最小轉(zhuǎn)彎直徑

可以發(fā)現(xiàn)，四輪轉(zhuǎn)向相比于前輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑大大減小，在面對各種狹窄、崎嶇地形時具有更好的靈活性。

（2）探究車重、車速、車輪對地面摩擦系數(shù)這3個影響因素對轉(zhuǎn)彎直徑的影響，結(jié)果顯示在正常車重范圍內(nèi)，車速、輪胎對地面摩擦系數(shù)三者對最小轉(zhuǎn)彎半徑影響不大。

3.2 車身抖動

在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)彎時的車身抖動很大程度上影響著駕駛體驗。由于四輪轉(zhuǎn)向時主要依靠摩擦力作為動力，特地針對車身Z向抖動做了模擬，前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向時，車身的抖動情況如圖3—4所示。

可以看到，二者車身抖動差別不大。但是在剛啟動時四輪轉(zhuǎn)向抖動較小。

3.3 橫向移動

當前后輪胎按照相反的方向轉(zhuǎn)動相同的角度，并且前后輪胎轉(zhuǎn)向相反時，根據(jù)力的合成可知，縱向分力會抵消，最終合成一個橫向的力，此時車輛會向兩側(cè)橫向移動。對此，筆者也進行了仿真，仿真條件為車輪轉(zhuǎn)速2 r/s，地面對輪胎靜摩擦力0.3，動摩擦力0.1，前后輪胎轉(zhuǎn)向45°，得到車身Z向抖動數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖2 前輪轉(zhuǎn)向汽車Z向抖動

圖3 四輪轉(zhuǎn)向時汽車Z向抖動

圖4 汽車橫向移動時車輛Z向抖動

相比于前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向，在橫向移動的時候，車身抖動明顯加劇，這也在意料之中，因為車輛主要靠摩擦力向兩側(cè)移動，故有較大的車身抖動。

4 結(jié)語

通過模型仿真可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)向時四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)相對于目前主流的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)有著相當大的優(yōu)勢，同等速度和輪胎轉(zhuǎn)過角度下，最小轉(zhuǎn)彎直徑僅為前輪轉(zhuǎn)向的30%左右，在面對惡劣地形時更為靈活。另外，四輪轉(zhuǎn)向還可以通過調(diào)節(jié)輪胎角度實現(xiàn)橫向移動，雖然相對于正常轉(zhuǎn)向抖動更大，但是也在可接受范圍內(nèi)。但是相應(yīng)地，四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)在橫向移動過程中會加劇輪胎的損耗。