一種全新的娛樂卡丁車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李葉松，梁風(fēng)勇

（深圳市怡安機(jī)械科技有限公司，廣東深圳 518115）

1 娛樂卡丁車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與布置及不足

娛樂卡丁車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是布置在前后軸之間，靠近前軸位置。鑒于空間與人機(jī)工程考慮，轉(zhuǎn)向柱夾持在駕駛者兩腿中間，轉(zhuǎn)向拉桿小心安置在駕駛者小腿下方，車架被迫往前延伸，以布置剎車與油門踏板（圖1）。

圖1 娛樂卡丁車整車布置數(shù)模圖

從此種布置以及通過分析卡丁車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（圖2），可以直觀地看出存在以下3 個問題。

圖2 娛樂卡丁車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置

（1）駕駛者整個被“井田制”地架置于狹小的空間之間，坐姿基本被固定，毫無彈性空間可言，上下車也極不方便且存在安全隱患。這是因為受制于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向柱必須位于兩腿之間，轉(zhuǎn)向拉桿必須位于駕駛員小腿屈膝下方。

（2）轉(zhuǎn)向柱俯仰角度的調(diào)整量很小，輕微的調(diào)整就容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)向拉桿與駕駛員小腿或者車架底板形成干涉，無法迎合不同身高駕駛者的需求。

（3）這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使得卡丁車需要往前延伸車架來布置剎車和油門踏板，因此在軸距一定的情況下，車身長度會加長。

鑒于娛樂卡丁車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及布置方式存在的上述問題，本文提出了一個全新的替代方案——前梯交叉臂幾字勾轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

2 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案及優(yōu)點

本文提出的新方案具體結(jié)構(gòu)及其布置形式如圖3 所示：整套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（除方向盤和轉(zhuǎn)向柱外）布置在車架前端，且位于駕駛前艙外。

圖3 新型卡丁車整車布置數(shù)模圖

全新轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相較于娛樂卡丁車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而言，具有以下3 個優(yōu)點。

（1）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)移出駕駛前艙，騰出了更多的前艙空間，給予了駕駛者更為舒適自由的駕駛感，同時使上下車動作變得更便捷起來。

（2）轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向柱的端部相連接，調(diào)整轉(zhuǎn)向柱俯仰角度時，轉(zhuǎn)向搖臂的上下擺動幅度較傳統(tǒng)卡丁車布置方案小很多（圖4）。轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向拉桿前移之后，擁有足夠的上下活動空間，所以在調(diào)整方向柱角度的過程中并不存在干涉問題。這樣，方向柱俯仰角度調(diào)節(jié)范圍變大，不同身高的駕駛者坐姿的可調(diào)性增強(qiáng)。

圖4 新型卡丁車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置

（3）由于新方案的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（除了方向盤和轉(zhuǎn)向柱）被抬高布置在車頭前端，大大縮減了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所占的空間。因此，在軸距一定的情況下，此方案能有效縮短車身長度。

3 方案介紹

為了使本方案的機(jī)構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)布置更加清楚呈現(xiàn)，下面結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 動作原理

如圖5 所示，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時，駕駛員通過操縱方向盤，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向柱，在所施加的轉(zhuǎn)向力矩的作用下帶動幾字勾轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)動，使左轉(zhuǎn)向橫拉桿、右轉(zhuǎn)向橫拉桿一個受壓、一個受拉，并隨之移動，左轉(zhuǎn)向拉桿、右轉(zhuǎn)向拉桿的外端通過彎桿球頭分別帶動左轉(zhuǎn)向節(jié)臂、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖5 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的三維數(shù)模圖

3.2 布置描述

通過獨特的幾字形轉(zhuǎn)向搖臂設(shè)計，兩根轉(zhuǎn)向拉桿（左轉(zhuǎn)向橫拉桿和右轉(zhuǎn)向橫拉桿）交叉布置（圖6），使得在轉(zhuǎn)向搖臂可以做得更小巧，方便布置。同時，在保證強(qiáng)度的情況下，適當(dāng)騰讓出兩個彎桿球頭的運動空間，避免干涉。而在幾字勾轉(zhuǎn)向搖臂上還設(shè)計了一種限位結(jié)構(gòu)，即所述轉(zhuǎn)向搖臂的下方連接有一根限位桿，以及兩個相對設(shè)置且固定連接于車架的限位擋塊。限位桿的端部位于兩個限位擋塊之間，通過此結(jié)構(gòu)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)的角度，不使車輪轉(zhuǎn)向角度過大。

圖6 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的局部數(shù)模圖

4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力學(xué)驗證

4.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力學(xué)驗證的目的

之所以要進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向運動的動力學(xué)驗證，是為了確保轉(zhuǎn)向過程中兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)角偏差（阿克曼角）接近理論數(shù)值。從而實現(xiàn)車輛在轉(zhuǎn)向過程中的流暢、平順，以及減少輪胎的磨損。

4.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型建立（圖7）

圖7 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型

首先在CAD 軟件中采集硬點，然后把硬點導(dǎo)入到ADAMS/View 中。導(dǎo)入完成后，分別創(chuàng)建車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向柱等部件，接著建立合理的運動副對各部件進(jìn)行約束，最后驗證模型是否有錯誤。

4.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的仿真分析

首先在轉(zhuǎn)向柱上添加一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動然后開始仿真，仿真完成后建立兩個測量函數(shù)分別檢測左右兩個車輪的轉(zhuǎn)動角度，最后查看結(jié)果圖表（圖8、圖9）。

接下來進(jìn)行仿真結(jié)果和理論數(shù)值的對比分析，理論轉(zhuǎn)向阿克曼角可以結(jié)合車輛輪距軸距等參數(shù)計算得出，也可以通過繪制轉(zhuǎn)角偏差示意圖的方法得出（圖10）。

圖8 左側(cè)車輪轉(zhuǎn)角動力學(xué)仿真圖

圖9 右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角動力學(xué)仿真圖

圖10 轉(zhuǎn)角理論偏差示意

通過對比可以看出，仿真結(jié)果與理論數(shù)值相差不大，最大轉(zhuǎn)角下的阿克曼角僅相差0.62°，滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)束語

通過新方案的結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)分析得到如下結(jié)論：

（1）新的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及布置方案取代娛樂卡丁車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和布置方案完全可行。

（2）新型卡丁車擁有更舒適，寬闊的前艙空間。而且由于其坐姿調(diào)整空間大，在軸距一定的情況下，能有效縮短車長，使得其適應(yīng)的人群更為廣闊，同時也拓寬了市場。

（3）通過仿真模型計算并驗證了車輛的轉(zhuǎn)向動力學(xué)性能，確保了轉(zhuǎn)向過程中兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)角偏差（阿克曼角）接近理論數(shù)值。

目前該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在某司定型卡丁車中已批量應(yīng)用與生產(chǎn)，充分驗證了該機(jī)構(gòu)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)已申請發(fā)明專利，發(fā)明專利號為ZL201720068051.7。

在研究的過程中還發(fā)現(xiàn)，此方案僅適用于娛樂卡丁車，并不適用于競速卡丁車；其布置形式雖然使得前艙空間變得更為寬敞舒適，但卻犧牲了腿部的包裹性，因此對于完善該方案還有待探討。