一种连杆组成的纯滚动汽车转向机构设计与仿真

    汽车转向机构是控制转向轮转角的部件。它使汽车在转向时，左、右两转向轮偏转按一定的关系变化，以保证车轮与地面的相对滑动尽可能小。理想的状况是各车轮绕同一瞬时转向中心转动，车轮与地之间均做纯滚动而不产生滑移，即符合阿克曼转向特性。

    目前普通的梯形转向机构无法保证左、右前轮的转角关系完全符合阿克曼原理，从而导致汽车在转向过程中车轮与地面之间存在着一定的滑移，影响汽车转弯时的稳定性，降低车轮使用寿命。对完全符合阿克曼转向关系的研究一直是汽车设计的热点。列举的各种转向机构中采用了多杆机构、齿轮齿条机构及凸轮式误差补偿机构等，这些机构各有其特点。文中提出的机构，转向部分仅用5杆，实现了纯滚动转向。

1  工作原理

    图1中，根据阿克曼原理，两侧车轮偏转角α和β的理想关系为：

    cotα=cotβ+W/L

    式中：α——汽车前外轮转角；

          β——汽车前内轮转角；

          W——两主销中心距；

          L——汽车轴距。

    图1 转向机构

    汽车机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向机构3部分组成。文中讨论的转向机构包含图2中的5杆：转向横拉杆1，套筒2，左梯形臂7，右梯形臂5（即导杆，和右车轮为同一构件），机架6（含滑槽）。转向操纵机构、转向器等只用其余构件简单示意。

    图2 转向机构工作原理

    套筒2在机架6上的滑槽4内滑动，使得左梯形臂7（和左车轮一体）和右梯形臂5（即导杆，和右车轮一体）可以绕A，B两转动副转动，且由于滑槽4的曲线形状是根据阿克曼关系获得，所以左、右两车轮转角之间关系完全符合阿克曼原理，能实现纯滚动转向。

    图2中滑槽4的形状是根据阿克曼原理的关系式获得。为了避免求解含三角函数的非线性方程组，并且更直观，文中采用了进行三维建模，以其内嵌的、以ADAMS为内核的三维运动与动力学仿真插件COSMOSMotion进行运动仿真，获得该滑槽轨迹曲线。

    在中建模，运行COSMOSMotion仿真模块，设置运动副，添加约束，建立的三维仿真模型如图1所示。车轮右转，在左梯形臂上添加一个运动，运动方式为相对机架的前外轮转角α；右梯形臂也添加一个运动，运动方式为相对机架的前内轮转角β，且以α为自变量，由阿克曼公式得：