一种四轮可转向移动机构研究

曹 徐，袁登敏，陈林超

（江苏大学，江苏 镇江 212013）

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。

4 结语

通过模型仿真可以发现，在转向时四轮转向机构相对于目前主流的前轮转向机构有着相当大的优势，同等速度和轮胎转过角度下，最小转弯直径仅为前轮转向的30%左右，在面对恶劣地形时更为灵活。另外，四轮转向还可以通过调节轮胎角度实现横向移动，虽然相对于正常转向抖动更大，但是也在可接受范围内。但是相应地，四轮转向机构在横向移动过程中会加剧轮胎的损耗。