一种变轮距车辆的转向系统及转向方法

摘要

本发明涉及一种变轮距车辆的转向系统及转向方法，包括驱动桥、交叉驱动桥、车辆主车架、转向单元和转向连杆机构；所述驱动桥以及交叉驱动桥和车辆主车架之间构成中心铰接机构，所述驱动桥和交叉驱动桥安装于车架主销轴上，所述车架主销轴是一个中空轴，转向动力臂主轴穿过车架主销轴和转向器连接，所述转向单元及转向连杆机构安装在驱动桥或交叉驱动桥上；所述转向连杆机构和转向单元配合安装；本发明利用交叉车桥的结构布置特点及其可变轮距特性，将阿克曼梯形转向机构设计为一个独立的转向单元，通过一系列连杆机构，实现车辆的转向，通过改变上述转向单元的结构参数改变其转向特性，来满足所有轮距条件下的转向要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变轮距车辆的转向系统及转向方法，特别涉及一种驱动桥 呈交叉布置形式的可调轮距的农用车辆底盘的机械式转向系统，属于车辆转向 控制技术领域。

背景技术

众所周知，车辆行驶过程中需要转向；车辆转向时，理论上要使各车轮都 只滚动不滑动，各车轮必须围绕同一个中心点O滚动，即转向轮偏转角满足阿 克曼转向原理，即外侧转向车轮的偏转角的余切值等于内侧转向车轮的偏转角 的余切值加轮距与轴距的比值(cotα＝cotβ+b/1，式中α、β分别为外、内侧车轮 偏转角；b为两侧主销延长线与地面交点之间的距离；1为轴距)。对于一般车 辆，其轮距和轴距基本上是固定不变的，所以其转向机构及转向特性是固定不 变的，使用过程中不需要调整和改变；而有些情况下，要求作业车辆的轮距经 常调整改变以满足作业要求，例如用于农作物除草、施肥以及喷药等田间管理 机械化作业的车辆，要求其车辆底盘沿农作物行距行走并随农作物行距的变化 而改变轮距，对于上述变轮距车辆，轮距的改变使得转向参数间的关系发生变 化，因此要求转向机构的参数及转向特性随之改变，以保证时刻满足阿克曼转 向原理。

目前，车辆的转向系统主要有机械式、液压式、电子液压式和电子控制式， 相比其他类型的转向系统，机械式转向系统具有造价低、效率高、路感好和可 靠性高等优点，所以国内的普通车辆、农用车辆等一般都采用基于阿克曼梯形 转向机构的机械式转向机构。由于阿克曼梯形转向机构各连杆的长度是固定不 变的，其转向特性也是不可改变的，因此，目前国内的机械式转向系统一般不 能满足变轮距车辆的转向要求。对于变轮距车辆的转向系统，目前国内外研究 及应用多集中于车轮独立转向，采用伺服控制、液压驱动转向车轮满足阿克曼 转向条件，或者直接采用伺服电机控制车轮偏转以满足阿克曼转向条件。

因此，需要一种转向系统，在满足变轮距车辆的转向要求的基础上，采用 基于阿克曼梯形转向机构转向方法的机械式转向机构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述的不足，提供一种变轮距车辆的转向系统及转 向方法，利用交叉车桥的布置特点，将阿克曼梯形转向机构设计为一个独立的 转向单元，单独设置在一个车桥上，通过一系列连杆机构，实现车辆的转向， 通过改变上述转向单元的结构参数改变其转向特性，来满足所有轮距条件下的 转向要求。

实现上述目的的技术措施：包括驱动桥和交叉驱动桥，以及用于安装驱动 桥和交叉驱动桥的车辆主车架；所述转向系统还包括转向单元及转向连杆机 构；所述驱动桥和交叉驱动桥于各自中点位置相互铰接形成OC点；所述OC 点位于车辆主车架上，驱动桥以及交叉驱动桥和车辆主车架之间构成中心铰接 机构；

所述中心铰接机构包括车架主销轴、转向动力臂主轴和转向器；

所述驱动桥和交叉驱动桥安装于车架主销轴上，所述车架主销轴是一个中 空轴，转向动力臂主轴穿过车架主销轴和转向器连接；

所述转向单元及转向连杆机构安装在驱动桥或交叉驱动桥上；

所述转向单元由转入节臂、转入梯形臂、转向横拉杆、转出梯形臂和转出 节臂构成；

所述转向连杆机构包括转向动力臂、左侧拉杆、换向摇臂、左侧驱动杆、 右侧拉杆、右侧驱动杆、后轮稳定臂、右侧稳定杆、左侧稳定杆、稳定杆、转 向节臂、转向梯形臂、左后车轮转臂、右后车轮转臂、左前车轮转臂和右前车 轮转臂；

所述转向动力臂一端铰接于OC点，另一端和固定在车辆主车架上的转向 器相连，同时与左侧拉杆和右侧拉杆通过连杆销轴相铰接；

所述交叉驱动桥上焊接有转臂销轴，焊接点形成E点；

所述左侧拉杆另一端与换向摇臂的一端铰接；换向摇臂的中心销轴孔穿过 转臂销轴，与交叉驱动桥形成铰接结构，另一端铰接有左侧驱动杆；左侧驱动 杆另一端与左前车轮转臂相铰接，左前车轮转臂的中心轴穿过交叉车桥左前端 的轴孔，形成铰接结构，左前车轮转臂下端装有左前车轮，右前车轮转臂下端 装有右前车轮，左后车轮转臂下端装有左后车轮，右后车轮转臂下端装有右后 车轮。

所述右侧拉杆另一端与转向单元中的转入节臂相铰接，右侧驱动杆一端与 转向单元中的转出节臂相铰接，另一端与右前车轮转臂相铰接。

进一步的，所述车架主销轴是一个空心轴，固定在车辆主车架上，转向动 力臂的主轴穿过车架主销轴，另一端和固定在车辆主车架上的转向器相连。

进一步的，所述转向节臂连接在转入节臂和转出节臂之间，转向梯形臂连 接在转入梯形臂和转出梯形臂之间，转向横拉杆连接有伺服电动缸；转向节臂 上靠近转臂销轴的位置装有轴齿轮，轴齿轮与转向梯形臂上的大齿轮啮合；转 向节臂上部固定安装有涡轮蜗杆步进电机，涡轮蜗杆步进电机通过联轴器与轴 齿轮连接；伺服电动缸两端分别与转入梯形臂和转出梯形臂相铰接。

进一步的，所述转向梯形臂一端包括一个大齿轮，齿轮穿过转臂销轴，齿 轮上焊接一个连杆，整体构成一个梯形臂。

进一步的，所述后轮稳定臂一端铰接于OC点，另一端同时与右侧稳定杆 和左侧稳定杆相铰接；左侧稳定杆另一端与左后车轮转臂相铰接；右侧稳定杆 另一端与一个换向摇臂一端铰接，所述换向摇臂的中心点铰接于驱动桥上，铰 接点处焊装有转臂销轴；所述换向摇臂另一端与稳定杆相铰接；稳定杆另一端 与右后车轮转臂相铰接。

一种变轮距车辆的转向方法，包括如下特征：

(1)驾驶员转动方向盘，方向盘带动转向器工作，同时带动转向动力臂 转动，从而带动整个转向系统工作；

(2)当车辆底盘轮距改变后，驱动桥和交叉驱动桥之间的夹角θ发生改 变，转向控制系统根据夹角θ的值，计算出最优的梯形底角γ和转向横拉杆的 长度n值，进而得出转入节臂和转入梯形臂之间的夹角δ，以及转出节臂和转 出梯形臂之间的夹角λ，同时通过伺服系统控制两个涡轮蜗杆步进电机以及伺 服电动缸工作，使转向单元达到预期的结构参数，实现符合该轮距条件的转向 特性。

本发明的有益效果在于：1、利用阿克曼梯形转向机构原理实现了变轮距 车辆的机械式转向；2、通过改变转向单元的结构参数，实现了所有轮距条件 下的前轮转向；3、对于单个确定的轮距条件，只需利用伺服控制系统一次改 变转向单元的结构参数，即可满足该轮距条件下的任何转向要求。

附图说明

图1为本发明的转向系统机构原理图；

图2为本发明的转向单元机构原理图；

图3为本发明的转向系统结构示意图；

图4为本发明的中心铰接机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的优选实施例进行详细阐述，以使发明的优点和特征 能更易于被本领域技术人员理解，从而对发明的保护范围做出更为清楚明确的 界定。

本发明所述变轮距转向系统主要由一个可变参数的转向单元10和一系列 连杆机构组成，转向单元10遵循阿克曼梯形转向机构几何原理，其他一系列 连杆机构遵循平行四边形连杆机构几何原理。

如图1所示为本发明的转向系统机构原理图，驱动桥1和交叉驱动桥2与 各自中点位置相互铰接于OC点，OC点位于车辆主车架25上。根据几何原理， 改变所述两个驱动桥之间的夹角θ，轮距b、轴距l都会改变，即增大夹角θ， 轮距b增大、轴距l减小；反之，减小夹角θ、轮距b减小、轴距l增大，这 样实现了车辆底盘的变轮距特性。

如图1、图2、图3和图4所示，转向动力臂5一端铰接于OC点，可以 相对于车辆主车架25绕车架主销轴251自由旋转，车架主销轴251是一个空 心轴，固定在车辆主车架25上，转向动力臂5的主轴501穿过车架主销轴251， 另一端和固定在车辆主车架25上的转向器502相连，汽车方向盘转动带动转 向器502转动，进而带动转向动力臂5转动；转向动力臂5另一端同时与左侧 拉杆6和右侧拉杆9通过连杆销轴24相铰接。

左侧拉杆6另一端与换向摇臂7的一端铰接；交叉驱动桥2上E点焊装有 转臂销轴26，换向摇臂7的中心销轴孔穿过转臂销轴26，与交叉驱动桥形成 铰接结构，另一端与左侧驱动杆8一端相铰接；左侧驱动杆8另一端与左前车 轮转臂301相铰接，左前车轮转臂301的中心轴穿过交叉车桥2左前端的轴孔， 与形成铰接结构，左前车轮转臂301下端装有左前车轮3，即左前车轮转臂301 转动可直接带动左前车轮3偏转，实现车轮转向，同理，右前车轮转臂401带 动右前车轮4转向，左后车轮转臂161带动左后车轮16转向，右后车轮转臂 171带动右后车轮17转向。根据几何原理，转向动力臂5绕OC点转动时带动 左侧拉杆6平动，经换向摇臂7在杠杆原理作用下拉动左侧驱动杆8平动，从 而带动左前车轮转臂301转动，实现左前车轮3转向。根据几何关系，设置各 转动力臂长度相等，即可实现转向动力臂5和左前车轮3的同相位、同角度转 向，即两者转角相等，转向相同。

如图2所示，右侧拉杆9另一端与转向单元10中的转入节臂101相铰接， 右侧驱动杆11一端与转向单元10中的转出节臂105相铰接，另一端与右前车 轮转臂401相铰接。根据几何原理，转向动力臂5绕OC点转动时带动右侧拉 杆9平动，从而带动转向单元10中的转入节臂101转动，将转向和转角以同 相位、同角度方式传入转向单元10，经转向单元10根据阿克曼梯形转向机构 几何原理变换角度后，将合适的转角由转向单元10中的转出节臂105传出， 带动右侧驱动杆11平动，从而带动右前车轮转臂401转动，实现右前轮4的 转向。由于转向单元10的传入角度和传出角度是遵循阿克曼转向原理的，所 以左前车轮3和右前车轮4的偏转角度是符合车辆转向条件的，继而完成了车 辆的前轮转向。

根据车辆转向原理，无论是车辆直行还是前轮转向时，两个后轮相对车架 主体都不会发生偏转，即后轮的滚动方向始终与车辆的前进方向相平行。本例 中，前轮转向的情况下也需要保证任何轮距条件下两个后轮的滚动方向始终与 车辆的前进方向相平行，即两个后轮不发生任何偏转。

如图1所示，后轮稳定臂12一端铰接于OC点，另一端同时与右侧稳定 杆13和左侧稳定杆14相铰接；左侧稳定杆14另一端与左后车轮转臂161相 铰接；右侧稳定杆13另一端与一个换向摇臂7一端铰接，所述换向摇臂7的 中心点铰接于驱动桥1上F点，驱动桥1上F点处焊装有转臂销轴；所述换向 摇臂7另一端与稳定杆15相铰接；稳定杆15另一端与右后车轮转臂171相铰 接。这里控制后轮稳定臂12的指向方向，通过机械限位等方式将其与车辆主 车架25固定，即控制其指向方向始终与车辆长度方向垂直，根据机械原理可 知，两个后轮的绕其与驱动桥铰接点的转动自由度完全由后轮稳定臂12限制， 即无论轮距怎样变化，两个后轮均始终不会发生偏转，时刻满足直行和转向要 求。

如图3所示，转向系统实施例结构中，后轮稳定臂12的实施方法是直接 在车辆主车架25上确定的位置焊装后轮稳定器121，所述后轮稳定器121顶端 焊装有连杆销轴，负责连接右侧稳定杆13和左侧稳定杆14。

转向单元10是本转向系统的核心部件，它遵循阿克曼梯形转向机构几何 原理，可以通过改变其部分结构参数改变转向特性，以满足多种情况下的转向 要求。

如图2所示，转入节臂101和转入梯形臂102同时铰接于驱动桥1上的C 点，转出梯形臂104和转出节臂105同时铰接于驱动桥1上的D点，驱动桥1 上C点和D点处均焊装有转臂销轴，C点与D点之间的直线距离记为k；转 入梯形臂102和转出梯形臂104的长度相等，记为m；本设计中，为最大程度 上简化结构，k和m设置为经过优化的常数值；转向横拉杆103两端分别与转 入梯形臂102和转出梯形臂104的空余端铰接，本设计中，转向横拉杆103是 一个长度可变的元件，可以是液压缸、电动缸等可变长度的机械元件，它的特 点是长度n可通过伺服系统控制，同时具有自锁特性和足够的刚度；转入节臂 101和转入梯形臂102之间的夹角记为δ，转出节臂105和转出梯形臂104之 间的夹角记为λ，这两个夹角是可变的，即可以通过附加机械机构，如蜗轮蜗 杆机构或齿轮机构，通过伺服系统定量改变上述两个夹角值，并且在达到预期 值之后锁定机构，保证转向过程中夹角值不发生变化，进而保证转向系统的转 向精度。根据阿克曼梯形转向机构几何原理，梯形臂的长度m和梯形底角γ 决定了转向机构的转向特性，因此，对于确定的轮距条件和转向方式(前轮转 向或四轮转向)，梯形臂的长度m和梯形底角γ的最优值是确定的。根据实际 情况，本设计中转向单元的梯形臂的长度是确定不变的，也就是m值是经过 优化计算的确定值，转向单元10的转向特性由梯形底角γ和转向横拉杆103 的长度n控制，即改变转向横拉杆103的长度n，梯形底角γ随之改变，使得 转向单元10的转向特性发生改变，以适应转向要求。根据行走要求，车辆直 行时，各车轮应该是相对车辆主车架25不发生偏转的，即车轮始终朝向前进 方向，根据几何关系，这里设置如下角度关系：δ＝3π/2-θ/2-γ，λ＝π/2-θ/2+ γ；可以看出，转入节臂101和转入梯形臂102之间的夹角δ，以及转出节臂 104和转出梯形臂105之间的夹角λ，均由驱动桥之间的夹角θ和梯形底角γ 控制，而确定的轮距条件和转向方式下，θ和γ的数值也是确定的，因此，轮 距b和转向方式决定了整个转向单元的系统参数。

如图3所示的转向系统实施例结构中，转入节臂101和转出节臂105由转 向节臂18实现，转入梯形臂102和转出梯形臂104由转向梯形臂19实现，转 向横拉杆103由伺服电动缸20实现；转向梯形臂19一端是一个犬齿轮，齿轮 穿过转臂销轴，齿轮上焊接一个连杆，整体构成一个梯形臂；转向节臂18上 靠近转臂销轴的位置装有轴齿轮23，轴齿轮23与转向梯形臂19上的犬齿轮啮 合，齿轮轴23的转动带动转向梯形臂19转动，从而改变了转向节臂18和转 向梯形臂19之间夹角的大小；转向节臂上部固定安装有涡轮蜗杆步进电机21， 涡轮蜗杆步进电机21通过联轴器22与轴齿轮23联接，带动轴齿轮23转动； 伺服电动缸20两端分别与转入梯形臂和转出梯形臂相铰接，利用伺服程序可 以控制伺服电动缸的伸缩，从而改变其长度值。

变轮距车辆的转向方法：当车辆底盘轮距改变后，两个驱动桥之间的夹角 θ发生改变，对于确定的轮距条件，这个夹角θ的数值是确定的，转向控制系 统根据这个夹角θ值，计算出最优的梯形底角γ和转向横拉杆103的长度n值， 进而得出转入节臂101和转入梯形臂102之间的夹角δ，以及转出节臂104和 转出梯形臂105之间的夹角λ，通过伺服系统控制两个涡轮蜗杆步进电机21 以及伺服电动缸20工作，使转向单元10达到预期的结构参数，实现符合该轮 距条件的转向特性；因为涡轮蜗杆步进电机和伺服电动缸均具有良好的自锁特 性，因此在轮距不变的情况下，转向单元10的结构参数几乎是不发生变化的， 且维持这些结构参数是不需要控制系统干预的，从而保证了转向系统的转向精 度和可靠性。当车辆需要转向时，驾驶员转动方向盘，方向盘带动转向器502 工作，带动转向动力臂5转动，从而带动整个转向系统工作，完成车辆转向。

以上实施例，只是发明较优选的具体实施方式之一，本领域的技术人员在 发明的方案范围内的通常变化和替换都应包含在发明的保护范围内。