汽车转向梯形机构设计中的参数定义

汽车转向梯形机构设计中的参数定义

1.汽车转向梯形机构的几何关系

在汽车以低速转弯行驶忽略离心力影响和轮胎侧偏影响的情况下，两轴汽车转向轴的理想内、外轮转角关系如图1所示。此时各车轮绕同一瞬时中心进行转弯行驶，两转向前轮轴线的延长线交于后轴的延长线上，这一几何学关系称为阿克曼几何学，可用公式（1）表示。图2所示为整体式后置转向梯形示意图。

2.汽车转向梯形机构参数定义分析

对于公式（1）和图1，图2中各参数符号的意义，在《汽车工程手册》和吉林工业大学所编的《汽车设计》两本书中是如下定义的：

O为瞬时转向中心；θ0为转向轮外轮转角；θi为转向轮内轮转角；K为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离；L为汽车轴距；α为车轮转臂（在《汽车设计》第4版中，α为主销偏移距）；D为转弯直径；γ为梯形底角；m为梯形臂。

本人认为两本书对参数符号“K”和“α”的定义是不准确或错误的。说它不准确是因为这样的定义唯一只适用于主销内倾角和后倾角为零时，也就是主销垂直于地面时的状态，对于汽车的转向梯形机构来说这只是一种理想化的状态。说它是错误的，因为现有汽车的转向节主销都是有内倾角的（多数汽车还有后倾角），转向梯形机构也并不一定处于水平面和只在一个平面内运动。所以，实际上图1和图2反映的都只是转向梯形机构中各个构件在地面的投影。

在这种情况下，只要车轮转过一个角度，两本书对参数符号“K”和“α”的定义就有问题了。

首先对车轮的转向过程进行简单的运动分析。在这个过程中车轮一边绕其自身的轴线旋转，一边绕主销轴线作公转，而车轮轴线与主销轴线始终都相交于一点，这个交点且称为“转向节中心”或“主销中心”。在转向过程中，“转向节中

心”在车轴上的位置及其与车轮的相对位置是不会改变的。因此，可以说在图1和图2中转向轮的回转中心只能是“转向节中心”在地面的投影而不可能是主销中心线延长线到地面的交点。

图3所表示的是在有主销内倾角的转向梯形机构中车轮转过一定角度后的情况。图中：f为转向轮轴线；g为转向节中心；h为转向轮绕i点转动时的车轮轴线；i 为主销中心线延长线到地面的交点；j为转向轮接地点（转向轮印迹中心）。从前面的运动分析及图3可以看出，在水平面的投影上，转向轮并不能围绕“主销中心线延长线到地面的交点”即i点转动，因为要是那样的话，如图3中细实线所示，转向轮轴线h是不能与主销轴线相交于转向节中心g点的。

此外，图3还表明，梯形机构中的车轮的转角与“主销中心线延长线”是没有关系的。如果两本书的定义成立，那么"K"值就成了车轮半径的函数，因为当主销内倾角一定时，“K”值就会随着车轮半径的变化而变化。但事实上内外转向轮的转角关系是不会随着车轮半径的改变而改变的，这也是在同一辆车上可以安装不同规格车轮的原因。

3.结论

经过上面的分析后，我认为：

a.“K”反映的应该是“两转向节中心的距离”，而非“两主销中心线延长线到地面交点之间的距离”。

b.转向轮及梯形臂投影到地面的转动中心应该是“转向节中心”而非“主销中心线延长线到地面的交点”。

c.在计算转弯直径时，“车轮转臂”反映的应该是“转向节中心”至转向

轮接地点在水平面的投影距离。

d.“主销偏移距”是指汽车处于直线行驶的状态时，从转向轮接地点至主销中心线延长到地面交点之间的距离。由于在车轮的转向过程中这个距离是不断变化的，所以它和“车轮转臂”完全是两个不同的慨念，显然不能把“a”定义为“主销偏移距”。

另外，经过在三维设计模型上所作的运动分析也证明：在有不同的主销内倾角、主销后倾角及车轮外倾角的情况下，按“K”值取“两转向节中心距”来设计汽车转向梯形机构时，其左右转向轮转角关系完全能满足汽车转向的要求。而按上述两本书对“K”的定义来设计汽车转向梯形机构时就与理想的状态相差很大。因此，在进行汽车转向梯形机构设计时，必须正确地理解各个参数的定义并确定其数值。

参考文献

[1」吉林工业大学汽车教研室。汽车设计[M]。北京：机械工业出版社，1981.7。

[2」王望予汽车设计〔M］。北京：机械工业出版社，2004.9。

[3］《汽车工程手册》编委会。汽车工程手册[M]。北京：人民交通出版社2001.5。