一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),包括驅動橋、交叉驅動橋、車輛主車架、轉向單元和轉向連桿機構;所述驅動橋以及交叉驅動橋和車輛主車架之間構成中心鉸接機構,所述驅動橋和交叉驅動橋安裝于車架主銷軸上,所述車架主銷軸是一個中空軸,轉向動力臂主軸穿過車架主銷軸和轉向器連接,所述轉向單元及轉向連桿機構安裝在驅動橋或交叉驅動橋上;所述轉向連桿機構和轉向單元配合安裝;本實用新型利用交叉車橋的結構布置特點及其可變輪距特性,將阿克曼梯形轉向機構設計為一個獨立的轉向單元,通過一系列連桿機構,實現(xiàn)車輛的轉向,通過改變上述轉向單元的結構參數(shù)改變其轉向特性,來滿足所有輪距條件下的轉向要求。
【專利說明】一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),特別涉及一種驅動橋呈交叉布置形式的可調輪距的農用車輛底盤的機械式轉向系統(tǒng),屬于車輛轉向控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]眾所周知,車輛行駛過程中需要轉向;車輛轉向時,理論上要使各車輪都只滾動不滑動,各車輪必須圍繞同一個中心點O滾動,即轉向輪偏轉角滿足阿克曼轉向原理,SP夕卜側轉向車輪的偏轉角的余切值等于內側轉向車輪的偏轉角的余切值加輪距與軸距的比值(cota =coti3+b/l,式中α、β分別為外、內側車輪偏轉角;b為兩側主銷延長線與地面交點之間的距離;1為軸距)。對于一般車輛,其輪距和軸距基本上是固定不變的,所以其轉向機構及轉向特性是固定不變的,使用過程中不需要調整和改變;而有些情況下,要求作業(yè)車輛的輪距經常調整改變以滿足作業(yè)要求,例如用于農作物除草、施肥以及噴藥等田間管理機械化作業(yè)的車輛,要求其車輛底盤沿農作物行距行走并隨農作物行距的變化而改變輪距,對于上述變輪距車輛,輪距的改變使得轉向參數(shù)間的關系發(fā)生變化,因此要求轉向機構的參數(shù)及轉向特性隨之改變,以保證時刻滿足阿克曼轉向原理。
[0003]目前,車輛的轉向系統(tǒng)主要有機械式、液壓式、電子液壓式和電子控制式,相比其他類型的轉向系統(tǒng),機械式轉向系統(tǒng)具有造價低、效率高、路感好和可靠性高等優(yōu)點,所以國內的普通車輛、農用車輛等一般都采用基于阿克曼梯形轉向機構的機械式轉向機構。由于阿克曼梯形轉向機構各連桿的長度是固定不變的,其轉向特性也是不可改變的,因此,目前國內的機械式轉向系統(tǒng)一般不能滿足變輪距車輛的轉向要求。對于變輪距車輛的轉向系統(tǒng),目前國內外研究及應用多集中于車輪獨立轉向,采用伺服控制、液壓驅動轉向車輪滿足阿克曼轉向條件,或者直接采用伺服電機控制車輪偏轉以滿足阿克曼轉向條件。
[0004]因此,需要一種轉向系統(tǒng),在滿足變輪距車輛的轉向要求的基礎上,采用基于阿克曼梯形轉向機構轉向方法的機械式轉向機構。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于克服上述的不足,提供一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),利用交叉車橋的布置特點,將阿克曼梯形轉向機構設計為一個獨立的轉向單元,單獨設置在一個車橋上,通過一系列連桿機構,實現(xiàn)車輛的轉向,通過改變上述轉向單元的結構參數(shù)改變其轉向特性,來滿足所有輪距條件下的轉向要求。
[0006]實現(xiàn)上述目的的技術措施:包括驅動橋和交叉驅動橋,以及用于安裝驅動橋和交叉驅動橋的車輛主車架;所述轉向系統(tǒng)還包括轉向單元及轉向連桿機構;所述驅動橋和交叉驅動橋于各自中點位置相互鉸接形成OC點;所述OC點位于車輛主車架上,驅動橋以及交叉驅動橋和車輛主車架之間構成中心鉸接機構;
[0007]所述中心鉸接機構包括車架主銷軸、轉向動力臂主軸和轉向器;
[0008]所述驅動橋和交叉驅動橋安裝于車架主銷軸上,所述車架主銷軸是一個中空軸,轉向動力臂主軸穿過車架主銷軸和轉向器連接;
[0009]所述轉向單元及轉向連桿機構安裝在驅動橋或交叉驅動橋上;
[0010]所述轉向單元由轉入節(jié)臂、轉入梯形臂、轉向橫拉桿、轉出梯形臂和轉出節(jié)臂構成;
[0011 ] 所述轉向連桿機構包括轉向動力臂、左側拉桿、換向搖臂、左側驅動桿、右側拉桿、右側驅動桿、后輪穩(wěn)定臂、右側穩(wěn)定桿、左側穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿、轉向節(jié)臂、轉向梯形臂、左后車輪轉臂、右后車輪轉臂、左前車輪轉臂和右前車輪轉臂;
[0012]所述轉向動力臂一端鉸接于OC點,另一端和固定在車輛主車架上的轉向器相連,同時與左側拉桿和右側拉桿通過連桿銷軸相鉸接;
[0013]所述交叉驅動橋上焊接有轉臂銷軸,焊接點形成E點;
[0014]所述左側拉桿另一端與換向搖臂的一端鉸接;換向搖臂的中心銷軸孔穿過轉臂銷軸,與交叉驅動橋形成鉸接結構,另一端鉸接有左側驅動桿;左側驅動桿另一端與左前車輪轉臂相鉸接,左前車輪轉臂的中心軸穿過交叉車橋左前端的軸孔,形成鉸接結構,左前車輪轉臂下端裝有左前車輪,右前車輪轉臂下端裝有右前車輪,左后車輪轉臂下端裝有左后車輪,右后車輪轉臂下端裝有右后車輪。
[0015]所述右側拉桿另一端與轉向單元中的轉入節(jié)臂相鉸接,右側驅動桿一端與轉向單元中的轉出節(jié)臂相鉸接,另一端與右前車輪轉臂相鉸接。
[0016]進一步的,所述車架主銷軸是一個空心軸,固定在車輛主車架上,轉向動力臂的主軸穿過車架主銷軸,另一端和固定在車輛主車架上的轉向器相連。
[0017]進一步的,所述轉向節(jié)臂連接在轉入節(jié)臂和轉出節(jié)臂之間,轉向梯形臂連接在轉入梯形臂和轉出梯形臂之間,轉向橫拉桿連接有伺服電動缸;轉向節(jié)臂上靠近轉臂銷軸的位置裝有軸齒輪,軸齒輪與轉向梯形臂上的大齒輪嚙合;轉向節(jié)臂上部固定安裝有渦輪蝸桿步進電機,渦輪蝸桿步進電機通過聯(lián)軸器與軸齒輪連接;伺服電動缸兩端分別與轉入梯形臂和轉出梯形臂相鉸接。
[0018]進一步的,所述轉向梯形臂一端包括一個大齒輪,齒輪穿過轉臂銷軸,齒輪上焊接一個連桿,整體構成一個梯形臂。
[0019]進一步的,所述后輪穩(wěn)定臂一端鉸接于OC點,另一端同時與右側穩(wěn)定桿和左側穩(wěn)定桿相鉸接;左側穩(wěn)定桿另一端與左后車輪轉臂相鉸接;右側穩(wěn)定桿另一端與一個換向搖臂一端鉸接,所述換向搖臂的中心點鉸接于驅動橋上,鉸接點處焊裝有轉臂銷軸;所述換向搖臂另一端與穩(wěn)定桿相鉸接;穩(wěn)定桿另一端與右后車輪轉臂相鉸接。
[0020]本實用新型的有益效果在于:1、利用阿克曼梯形轉向機構原理實現(xiàn)了變輪距車輛的機械式轉向;2、通過改變轉向單元的結構參數(shù),實現(xiàn)了所有輪距條件下的前輪轉向;3、對于單個確定的輪距條件,只需利用伺服控制系統(tǒng)一次改變轉向單元的結構參數(shù),即可滿足該輪距條件下的任何轉向要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型的轉向系統(tǒng)機構原理圖;
[0022]圖2為本實用新型的轉向單元機構原理圖;
[0023]圖3為本實用新型的轉向系統(tǒng)結構示意圖;
[0024]圖4為本實用新型的中心鉸接機構結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對實用新型的優(yōu)選實施例進行詳細闡述,以使實用新型的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解,從而對實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0026]本實用新型所述變輪距轉向系統(tǒng)主要由一個可變參數(shù)的轉向單元10和一系列連桿機構組成,轉向單元10遵循阿克曼梯形轉向機構幾何原理,其他一系列連桿機構遵循平行四邊形連桿機構幾何原理。
[0027]如圖1所示為本實用新型的轉向系統(tǒng)機構原理圖,驅動橋I和交叉驅動橋2與各自中點位置相互鉸接于OC點,OC點位于車輛主車架25上。根據(jù)幾何原理,改變所述兩個驅動橋之間的夾角Θ,輪距b、軸距I都會改變,即增大夾角Θ,輪距b增大、軸距I減??;反之,減小夾角Θ、輪距b減小、軸距I增大,這樣實現(xiàn)了車輛底盤的變輪距特性。
[0028]如圖1、圖2、圖3和圖4所示,轉向動力臂5 —端鉸接于OC點,可以相對于車輛主車架25繞車架主銷軸251自由旋轉,車架主銷軸251是一個空心軸,固定在車輛主車架25上,轉向動力臂5的主軸501穿過車架主銷軸251,另一端和固定在車輛主車架25上的轉向器502相連,汽車方向盤轉動帶動轉向器502轉動,進而帶動轉向動力臂5轉動;轉向動力臂5另一端同時與左側拉桿6和右側拉桿9通過連桿銷軸24相鉸接。
[0029]左側拉桿6另一端與換向搖臂7的一端鉸接;交叉驅動橋2上E點焊裝有轉臂銷軸26,換向搖臂7的中心銷軸孔穿過轉臂銷軸26,與交叉驅動橋形成鉸接結構,另一端與左側驅動桿8 —端相鉸接;左側驅動桿8另一端與左前車輪轉臂301相鉸接,左前車輪轉臂301的中心軸穿過交叉車橋2左前端的軸孔,與形成鉸接結構,左前車輪轉臂301下端裝有左前車輪3,即左前車輪轉臂301轉動可直接帶動左前車輪3偏轉,實現(xiàn)車輪轉向,同理,右前車輪轉臂401帶動右前車輪4轉向,左后車輪轉臂161帶動左后車輪16轉向,右后車輪轉臂171帶動右后車輪17轉向。根據(jù)幾何原理,轉向動力臂5繞OC點轉動時帶動左側拉桿6平動,經換向搖臂7在杠桿原理作用下拉動左側驅動桿8平動,從而帶動左前車輪轉臂301轉動,實現(xiàn)左前車輪3轉向。根據(jù)幾何關系,設置各轉動力臂長度相等,即可實現(xiàn)轉向動力臂5和左前車輪3的同相位、同角度轉向,即兩者轉角相等,轉向相同。
[0030]如圖2所示,右側拉桿9另一端與轉向單元10中的轉入節(jié)臂101相鉸接,右側驅動桿11 一端與轉向單元10中的轉出節(jié)臂105相鉸接,另一端與右前車輪轉臂401相鉸接。根據(jù)幾何原理,轉向動力臂5繞OC點轉動時帶動右側拉桿9平動,從而帶動轉向單元10中的轉入節(jié)臂101轉動,將轉向和轉角以同相位、同角度方式傳入轉向單元10,經轉向單元10根據(jù)阿克曼梯形轉向機構幾何原理變換角度后,將合適的轉角由轉向單元10中的轉出節(jié)臂105傳出,帶動右側驅動桿11平動,從而帶動右前車輪轉臂401轉動,實現(xiàn)右前輪4的轉向。由于轉向單元10的傳入角度和傳出角度是遵循阿克曼轉向原理的,所以左前車輪3和右前車輪4的偏轉角度是符合車輛轉向條件的,繼而完成了車輛的前輪轉向。
[0031]根據(jù)車輛轉向原理,無論是車輛直行還是前輪轉向時,兩個后輪相對車架主體都不會發(fā)生偏轉,即后輪的滾動方向始終與車輛的前進方向相平行。本例中,前輪轉向的情況下也需要保證任何輪距條件下兩個后輪的滾動方向始終與車輛的前進方向相平行,即兩個后輪不發(fā)生任何偏轉。
[0032]如圖1所示,后輪穩(wěn)定臂12 —端鉸接于OC點,另一端同時與右側穩(wěn)定桿13和左側穩(wěn)定桿14相鉸接;左側穩(wěn)定桿14另一端與左后車輪轉臂161相鉸接;右側穩(wěn)定桿13另一端與一個換向搖臂7 —端鉸接,所述換向搖臂7的中心點鉸接于驅動橋I上F點,驅動橋I上F點處焊裝有轉臂銷軸;所述換向搖臂7另一端與穩(wěn)定桿15相鉸接;穩(wěn)定桿15另一端與右后車輪轉臂171相鉸接。這里控制后輪穩(wěn)定臂12的指向方向,通過機械限位等方式將其與車輛主車架25固定,即控制其指向方向始終與車輛長度方向垂直,根據(jù)機械原理可知,兩個后輪的繞其與驅動橋鉸接點的轉動自由度完全由后輪穩(wěn)定臂12限制,即無論輪距怎樣變化,兩個后輪均始終不會發(fā)生偏轉,時刻滿足直行和轉向要求。
[0033]如圖3所示,轉向系統(tǒng)實施例結構中,后輪穩(wěn)定臂12的實施方法是直接在車輛主車架25上確定的位置焊裝后輪穩(wěn)定器121,所述后輪穩(wěn)定器121頂端焊裝有連桿銷軸,負責連接右側穩(wěn)定桿13和左側穩(wěn)定桿14。
[0034]轉向單元10是本轉向系統(tǒng)的核心部件,它遵循阿克曼梯形轉向機構幾何原理,可以通過改變其部分結構參數(shù)改變轉向特性,以滿足多種情況下的轉向要求。
[0035]如圖2所示,轉入節(jié)臂101和轉入梯形臂102同時鉸接于驅動橋I上的C點,轉出梯形臂104和轉出節(jié)臂105同時鉸接于驅動橋I上的D點,驅動橋I上C點和D點處均焊裝有轉臂銷軸,C點與D點之間的直線距離記為k ;轉入梯形臂102和轉出梯形臂104的長度相等,記為m;本設計中,為最大程度上簡化結構,k和m設置為經過優(yōu)化的常數(shù)值;轉向橫拉桿103兩端分別與轉入梯形臂102和轉出梯形臂104的空余端鉸接,本設計中,轉向橫拉桿103是一個長度可變的元件,可以是液壓缸、電動缸等可變長度的機械元件,它的特點是長度η可通過伺服系統(tǒng)控制,同時具有自鎖特性和足夠的剛度;轉入節(jié)臂101和轉入梯形臂102之間的夾角記為δ,轉出節(jié)臂105和轉出梯形臂104之間的夾角記為λ,這兩個夾角是可變的,即可以通過附加機械機構,如蝸輪蝸桿機構或齒輪機構,通過伺服系統(tǒng)定量改變上述兩個夾角值,并且在達到預期值之后鎖定機構,保證轉向過程中夾角值不發(fā)生變化,進而保證轉向系統(tǒng)的轉向精度。根據(jù)阿克曼梯形轉向機構幾何原理,梯形臂的長度m和梯形底角Y決定了轉向機構的轉向特性,因此,對于確定的輪距條件和轉向方式(前輪轉向或四輪轉向),梯形臂的長度m和梯形底角Y的最優(yōu)值是確定的。根據(jù)實際情況,本設計中轉向單元的梯形臂的長度是確定不變的,也就是m值是經過優(yōu)化計算的確定值,轉向單元10的轉向特性由梯形底角Y和轉向橫拉桿103的長度η控制,即改變轉向橫拉桿103的長度η,梯形底角Y隨之改變,使得轉向單元10的轉向特性發(fā)生改變,以適應轉向要求。根據(jù)行走要求,車輛直行時,各車輪應該是相對車輛主車架不發(fā)生偏轉的,即車輪始終朝向前進方向,根據(jù)幾何關系,這里設置如下角度關系:S = 3π/2-θ/2-γ , λ = π/2-Θ/2+y ;可以看出,轉入節(jié)臂101和轉入梯形臂102之間的夾角δ,以及轉出節(jié)臂104和轉出梯形臂105之間的夾角λ,均由驅動橋之間的夾角Θ和梯形底角Υ控制,而確定的輪距條件和轉向方式下,Θ和γ的數(shù)值也是確定的,因此,輪距b和轉向方式決定了整個轉向單元的系統(tǒng)參數(shù)。
[0036]如圖3所示的轉向系統(tǒng)實施例結構中,轉入節(jié)臂101和轉出節(jié)臂105由轉向節(jié)臂18實現(xiàn),轉入梯形臂102和轉出梯形臂104由轉向梯形臂19實現(xiàn),轉向橫拉桿103由伺服電動缸20實現(xiàn);轉向梯形臂19 一端是一個大齒輪,齒輪穿過轉臂銷軸,齒輪上焊接一個連桿,整體構成一個梯形臂;轉向節(jié)臂18上靠近轉臂銷軸的位置裝有軸齒輪23,軸齒輪23與轉向梯形臂19上的大齒輪嚙合,齒輪軸23的轉動帶動轉向梯形臂19轉動,從而改變了轉向節(jié)臂18和轉向梯形臂19之間夾角的大??;轉向節(jié)臂上部固定安裝有渦輪蝸桿步進電機21,渦輪蝸桿步進電機21通過聯(lián)軸器22與軸齒輪23聯(lián)接,帶動軸齒輪23轉動;伺服電動缸20兩端分別與轉入梯形臂和轉出梯形臂相鉸接,利用伺服程序可以控制伺服電動缸的伸縮,從而改變其長度值。
[0037]整個轉向系統(tǒng)的控制方法如下:當車輛底盤輪距改變后,兩個驅動橋之間的夾角Θ發(fā)生改變,對于確定的輪距條件,這個夾角Θ的數(shù)值是確定的,轉向控制系統(tǒng)根據(jù)這個夾角Θ值,計算出最優(yōu)的梯形底角Y和轉向橫拉桿103的長度η值,進而得出轉入節(jié)臂101和轉入梯形臂102之間的夾角δ,以及轉出節(jié)臂104和轉出梯形臂105之間的夾角λ,通過伺服系統(tǒng)控制兩個渦輪蝸桿步進電機21以及伺服電動缸20工作,使轉向單元10達到預期的結構參數(shù),實現(xiàn)符合該輪距條件的轉向特性;因為渦輪蝸桿步進電機和伺服電動缸均具有良好的自鎖特性,因此在輪距不變的情況下,轉向單元10的結構參數(shù)幾乎是不發(fā)生變化的,且維持這些結構參數(shù)是不需要控制系統(tǒng)干預的,從而保證了轉向系統(tǒng)的轉向精度和可靠性。當車輛需要轉向時,駕駛員轉動方向盤,方向盤帶動轉向器502工作,帶動轉向動力臂5轉動,從而帶動整個轉向系統(tǒng)工作,完成車輛轉向。
[0038]以上實施例,只是實用新型較優(yōu)選的【具體實施方式】之一,本領域的技術人員在實用新型的方案范圍內的通常變化和替換都應包含在實用新型的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),包括驅動橋和交叉驅動橋,以及用于安裝驅動橋和交叉驅動橋的車輛主車架,所述轉向系統(tǒng)還包括轉向單元及轉向連桿機構;其特征在于:所述驅動橋和交叉驅動橋于各自中點位置相互鉸接形成OC點;所述OC點位于車輛主車架上,驅動橋以及交叉驅動橋和車輛主車架之間構成中心鉸接機構; 所述中心鉸接機構包括車架主銷軸、轉向動力臂主軸和轉向器; 所述驅動橋和交叉驅動橋安裝于車架主銷軸上,所述車架主銷軸是一個中空軸,轉向動力臂主軸穿過車架主銷軸和轉向器連接; 所述轉向單元及轉向連桿機構安裝在驅動橋或交叉驅動橋上; 所述轉向單元由轉入節(jié)臂、轉入梯形臂、轉向橫拉桿、轉出梯形臂和轉出節(jié)臂構成;所述轉向連桿機構包括轉向動力臂、左側拉桿、換向搖臂、左側驅動桿、右側拉桿、右側驅動桿、后輪穩(wěn)定臂、右側穩(wěn)定桿、左側穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿、轉向節(jié)臂、轉向梯形臂、左后車輪轉臂、右后車輪轉臂、左前車輪轉臂和右前車輪轉臂; 所述轉向動力臂一端鉸接于OC點,另一端和固定在車輛主車架上的轉向器相連,同時與左側拉桿和右側拉桿通過連桿銷軸相鉸接; 所述交叉驅動橋上焊接有轉臂銷軸,焊接點形成E點; 所述左側拉桿另一端與換向搖臂的一端鉸接;換向搖臂的中心銷軸孔穿過轉臂銷軸,與交叉驅動橋形成鉸接結構,另一端鉸接有左側驅動桿;左側驅動桿另一端與左前車輪轉臂相鉸接,左前車輪轉臂的中心軸穿過交叉車橋左前端的軸孔,形成鉸接結構,左前車輪轉臂下端裝有左前車輪,右前車輪轉臂下端裝有右前車輪,左后車輪轉臂下端裝有左后車輪,右后車輪轉臂下端裝有右后車輪; 所述右側拉桿另一端與轉向單元中的轉入節(jié)臂相鉸接,右側驅動桿一端與轉向單元中的轉出節(jié)臂相鉸接,另一端與右前車輪轉臂相鉸接。
2.如權利要求1所述的一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),其特征在于:所述車架主銷軸是一個空心軸,固定在車輛主車架上,轉向動力臂的主軸穿過車架主銷軸,另一端和固定在車輛主車架上的轉向器相連。
3.如權利要求1所述的一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),其特征在于:所述轉向節(jié)臂連接在轉入節(jié)臂和轉出節(jié)臂之間,轉向梯形臂連接在轉入梯形臂和轉出梯形臂之間,轉向橫拉桿連接有伺服電動缸;轉向節(jié)臂上靠近轉臂銷軸的位置裝有軸齒輪,軸齒輪與轉向梯形臂上的大齒輪嚙合;轉向節(jié)臂上部固定安裝有渦輪蝸桿步進電機,渦輪蝸桿步進電機通過聯(lián)軸器與軸齒輪連接;伺服電動缸兩端分別與轉入梯形臂和轉出梯形臂相鉸接。
4.如權利要求1所述的一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),其特征在于:所述轉向梯形臂一端包括一個大齒輪,齒輪穿過轉臂銷軸,齒輪上焊接一個連桿,整體構成一個梯形臂。
5.如權利要求1所述的一種變輪距車輛的轉向系統(tǒng),其特征在于:所述后輪穩(wěn)定臂一端絞接于OC點,另一端同時與右側穩(wěn)定桿和左側穩(wěn)定桿相絞接;左側穩(wěn)定桿另一端與左后車輪轉臂相鉸接;右側穩(wěn)定桿另一端與一個換向搖臂一端鉸接,所述換向搖臂的中心點鉸接于驅動橋上,鉸接點處焊裝有轉臂銷軸;所述換向搖臂另一端與穩(wěn)定桿相鉸接;穩(wěn)定桿另一端與右后車輪轉臂相鉸接。
【文檔編號】B62D7/18GK204055962SQ201420474070
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】孟廣耀, 黃居鑫, 孟昭渝溪, 陳曉維, 王龍, 李雪萊, 韓國旭, 李華廷 申請人:青島理工大學