一种三轮车双摇杆式倾斜转向机构设计

钟停江　吴荣燎　查 煜　翟经纬

摘 要：针对目前三轮车不能高速转向问题，设计了一种双摇杆式倾斜转向机构。本文从转向结构、应力分析等多方面进行系统分析，与传统转向机构进行对比。结果表明，该设计能够实现三轮车的高速过弯，具有较高的稳定性、安全性和驾驶舒适性。

关键词：三轮车;倾斜转向;稳定性;舒适性

中图分类号：U463.42 文献标识码：A 文章编号：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，市面上的三轮车转向机构基本都和汽车转向一样，围绕一个汽车转弯半径进行转向，通过左右转动车把，改变前轮的方向，完成转向。当三轮车快速行驶并且强行急转弯时，一方面因为离心力的存在会让三轮车侧翻;另一方面，因为惯性与转向轮方向冲突而造成前进阻碍，车就会发生侧翻。在高速转弯时不仅会发生危险，而且过大的离心力会让驾驶员驾驶困难、驾驶不舒服。针对上述问题，本文提出了一种双摇杆式倾斜转向机构，这种转向机构在保证转弯安全性的同时，兼顾了驾驶员的驾驶舒适性。

1 转向结构对比

1.1 传统转向结构的原理

在采用偏转车轮转向的车辆中，转向杆系主要用来约束各转向轮的转角关系，使所有转向轮绕某一个瞬时转动中心行驶，保证车轮处于纯滚动状态（Ackermann，理想转向），才可避免或减小转向轮的侧滑，延长轮胎使用寿命，并保证转向轻便与操纵稳定安全。普通三轮车转弯示意图如图1所示。A、B和C所指的方块代表车轮，当前轮A发生转动，前轮就会沿着前轮轴线OA开始转动，此时B轮和C轮也沿着后轮轴线OB开始转动，于是整车车轮绕O点作纯滚动，并且完成整车绕O点做圆周运动，实现转弯。

图1 普通三轮车转弯示意图

1.2 双摇杆式倾斜转向机构原理

双摇杆式倾斜转向机构仿照摩托车和自行车高速压弯的原理[1-5]，如图2所示。其中，[G]为摩托车和人所承受的重力;[Fa]是摩托车过弯时的离心力;[FN]是地面对摩托车的支持力。地面对摩托车的支持力[FN]可分解成竖直与水平两个分力，竖直方向上的分力与重力抵消，水平方向上的力与离心力抵消，达成平衡状态，使得摩托车在过弯时不会发生倾倒现象。同时，水平分力提供摩托车做圆周运动的向心力。摩托车在过弯时，看起来似乎两个轮子都是笔直地在同一直线上，但还能完成转弯，这一方面是因为前轮稍稍向内弯倾斜了一点，另一方面是因为做圆锥形运动。

虽然人们能看到轮胎的上端形成一圆形，但可以想象到当轮胎接触压力中心时，轮胎瞬间变得扁平。轮胎压力中心不是一单纯的点，而是环绕着轮胎面的一个连续的环。同时，随着摩托车倾斜进入弯道，轮胎接触地面环，形成一圆锥形状，这类似于纸咖啡杯边缘，如图3所示。如果轻推该纸杯，因为杯底的圆周小于杯口的圆周，所以其绕一圆周滚动。

图2 摩托车压弯的受力示意图

图3 摩托车过弯的运动轨迹

2 整车结构设计

2.1 雙摇杆式倾斜转向机构结构设计

在设计期间，笔者所在的团队实验了多种转向角度、靠背连接角度、车身长度等数据，最终计算出最佳转向角，并用3D打印技术打印出1∶20的模型。当确立基础转向数据后，开始精确1∶1制图，以确定后期零配件加工方式及所需材料数量。目前，整车进入实车加工制作阶段。为了使车身达到足够的刚度，笔者所在的团队结合合作企业提供的加工技术进行CATIA有限元分析，进行强度校核、局部结构加强处理。具体模型如图4所示。

这种结构就是由两根相同长度的摇杆、后轮轴（机架）、车身（连杆）构成一组双摇杆结构，转弯全程后轮轴不动，两根摇杆一端与后轮轴进行铰连接，另一端和车身进行铰连接，当三轮车想要右转时，车身尾部在水平方向上左移，使得摇杆与后轮轴的夹角[α]增大，[β]减小，车身作为连杆有左高右低的变化，前轮和车身整体偏向右侧。当机架最长，连杆和从动摇杆成一条直线时，主动摇杆从理论上来说便无法继续转动，此时，机构到达死点位置，即三轮车能转动的最大转角。但是，经过多次实验，当该转向机构达到最大转向角时极易发生翻车的情况，于是后来在机架和摇杆处增加了限位装置，以减小转向机构的最大转角，保证三轮车正常行驶，不发生侧翻现象。

图4 双摇杆式倾斜向机结构模型

2.2 驾驶员操作机构的设计

驾驶员躺在车里仅仅依靠自身的重心移动来完全掌控整车的方向变化，这无疑对驾驶员的操控技术有非常高的要求，并且一旦驾驶员发生重心位移，必将使整车一下达到极限转角角度，增加了整车的不可操作性。为了避免上述情况，设计了一套驾驶员操作系统，能使驾驶员通过大小不一的弯道。整套操作系统如图5所示。

图5 操作系统示意图

注：1.操纵杆;2.转向盘;3.固定件;4.钢绳;5.摇杆。

操纵杆与转向盘相固定，两根钢绳的一端与转向盘相连接，穿过带有滑轮的固定件，另一端与两根摇杆相连接。当驾驶员顺时针转动操作杆时，转向盘的左侧会向前突出，拉紧钢绳，钢绳通过滑轮拽动左侧，为了让固定件与摇杆相连的钢绳变短，与车身固定的右侧滑轮会向左后轮靠近，使车身向右倾斜。钢绳实物转向如图6所示。

图6 钢绳实物转向

2.3 CATIA有限元静应力分析

为了判断所采用的材料是否能承受三轮车的强度和刚度要求，在CATIA中进行了有限元分析。有限元计算输出结果有多种，常用的有米塞斯等效应力分布图及位移图。采取静应力分析后的米塞斯等效应力分布图，如图7所示。由图可知，驾驶员的臀部位置应力最为集中，应特别注意加固这一部分。

图7 三轮车应力分析

3 双摇杆式倾斜转向三轮车行驶测试

经过以上一系列建模与软件分析，最终，笔者所在团队将自己的理念转化成了实物，并参加了比赛。比赛证明，本文所提出的双摇杆式倾斜转向机构能通过车身的偏转完成驾驶员随意的转向，在30km/h以上的速度不进行减速过弯也不会发生侧倾，同时，驾驶员的驾驶舒适感明显上升。

4 应用前景

本设计对正三轮的转向结构进行了革命性创新，运用于现在市面上的小型代步三轮车非常合适，适应了未来新能源小型代步车车辆灵活多变的转向需求，并且在保证优异的安全性能的同时兼顾了舒适性;同时，也可应用于目前的三轮躺车上，为骑友提供更佳舒适性与安全性。

5 结语

整车转向机构设计过程十分复杂，在设计时需要忽略部分因素，建立理想化模型，主要借助软件的仿真验证可行性，求最佳值。本次设计主要以CATIA软件为工具，建立三维模型，并进行应力分析和预装配，完成后检查各个零件与其他零件的位置关系是否发生干涉、配合是否合理，最终实现完整设计。整车制作完成后，通过实践证明，双摇杆式倾斜转向机构明显提高了驾驶三轮车的稳定性和舒适性。

参考文献：

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