CN101791992B - 一种汽车转向系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车转向系统，包括转向操纵机构、转向器以及左右两个转向传动机构。转向器包括一对锥齿轮和一对非圆齿轮，通过非圆齿轮的啮合，实现左右前轮转角的合理分配，使得在理想情况下汽车的转向满足阿克曼条件。转向传动机构包括一对小锥齿轮和RF+DOJ万向节总成，通过RF+DOJ万向节总成在车轮上下跳动时的自由伸缩，避免了转向传动机构与悬架导向机构的干涉。本发明在理想情况下能实现汽车的转向满足阿克曼条件，避免汽车转向时路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过快磨损；并能避免转向传动机构与悬架导向装置之间的运动干涉，使得车轮上下跳动时不会引起额外的转向轮转角补偿或方向盘转角补偿。

Description

一种汽车转向系统

技术领域

本发明涉及汽车转向系统，特别涉及汽车机械转向系，属于汽车工程领域。

背景技术

汽车转向系是指用来改变或恢复汽车行驶方向的一套专设机构。按转向能源的不同，转向系可分为机械转向系和动力转向系两大类。机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的，由转向操作机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系，是在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的。

机械转向系的转向操纵机构一般主要是由转向盘、转向轴、转向万向节和转向传动轴组成的。需要转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩，该力矩通过转向轴、转向万向节和转向传动轴输入转向器。转向器是转向系中的减速传动装置，可按其中传动副的结构形式分类，目前以臻成熟且应用甚广的有循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、齿轮齿条式和蜗杆曲柄指销式等几种。转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。转向传动机构的组成和布置因转向器位置和转向轮悬架类型而异。

为了避免在汽车转向时产生的路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过快磨损，要求转向系能保证在汽车转向时，所有车轮均作纯滚动。这只有在所有车轮的轴线都相交于一点时方能实现，该交点称为转向中心。于是，在理想条件下，内转向轮偏转角β与外转向轮偏转角α的理想关系式应为lcotα-lcotβ＝b，其中，b为左右主销轴线与地面交点之间的距离，l为轴距。汽车转向时各轮绕转向中心作纯滚动的转向条件称为阿克曼条件。但迄今为止，所有汽车的转向系统，都只能设计得在一定的车轮偏转角范围内，使两侧车轮偏转角的关系大体上接近于理想关系式，而不是严格满足该理想关系式。

由于转向轮一方面依靠悬架导向机构保证了自身与车身的相对运动关系，另一方面也通过转向传动机构约束了自身与车身的相对运动关系，而悬架导向机构与转向传动机构是两套完全独立的机构，因此，两种相对运动关系要做到完全一致几乎是不可能的，这就会在车身侧倾和垂直位移时产生相对运动干涉，其干涉量只能靠转向轮的转角或转向盘的转角来补偿。目前解决这一问题的方法是尽量使两种相对运动关系比较一致以减小干涉量，但不能消除悬架导向机构与转向传动机构的干涉现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车转向系统，以实现在理想情况下汽车的转向满足阿克曼条件，并消除转向传动机构与悬架导向装置之间的运动干涉。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种汽车转向系统，含有转向操纵机构、转向器和转向传动机构，其特征在于：所述的转向器包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、第二锥齿轮轴、第一非圆齿轮、第一非圆齿轮轴、第二非圆齿轮以及第二非圆齿轮轴；所述的第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮和第一非圆齿轮轴固联，第一非圆齿轮和第二非圆齿轮啮合；

所述的转向传动机构包括结构相同的左右两个，每个转向传动机构包括第一小锥齿轮、第二小锥齿轮、第二小锥齿轮轴、RF+DOJ万向节总成以及第一小锥齿轮轴；所述的第二非圆齿轮轴和第二小锥齿轮轴通过RF+DOJ万向节总成连接，第二小锥齿轮和第一小锥齿轮啮合，第一小锥齿轮轴与汽车左转向节上设置的实体左主销固联；所述的第一非圆齿轮轴和第二小锥齿轮轴通过RF+DOJ万向节总成连接，第二小锥齿轮和第一小锥齿轮啮合，第一小锥齿轮轴和汽车右转向节上设置的实体右主销固联；

所述的第一非圆齿轮和第二非圆齿轮的节曲线在以各自转动中心为极点、两转动中心连线为各自极轴的极坐标系下的极坐标方程均为：

$r=\frac{d}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)+2}$

其中，r为极径，θ为极角，d为两非圆齿轮的中心距，b为左右主销轴线与地面交点之间的距离，l为轴距，i′₁₂为第一小锥齿轮和第二小锥齿轮的传动比，θ＝0时两非圆齿轮的啮合对应于汽车的直线行驶。

本发明所述的汽车转向系统，其特征在于：所述的第一非圆齿轮和第二非圆齿轮都为非完整齿轮。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提供的转向系统，能在理想状况下使得汽车的转向满足阿克曼条件，避免汽车转向时路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过快磨损；并能避免转向传动机构与悬架导向装置之间的运动干涉，使得车轮上下跳动时不会引起额外的转向轮转角补偿或方向盘转角补偿。

附图说明

图1是本发明提供的汽车转向系统的总体结构图。

图2是本发明提供的汽车转向系统的转向操纵机构的结构示意图。

图3是本发明提供的汽车转向系统的转向器的结构示意图。

图4是本发明提供的汽车转向系统的转向传动机构的结构示意图。

图5是本发明提供的汽车转向系统的非圆齿轮对的结构示意图。

图中：1-转向盘；2-双十字轴万向节；3-第一锥齿轮；4-第二锥齿轮轴；5-第二锥齿轮；6-第一非圆齿轮轴；7-第一非圆齿轮；8-第二非圆齿轮；9-第二非圆齿轮轴；10-第一小锥齿轮；11-第二小锥齿轮；12-第二小锥齿轮轴；13-RF+DOJ万向节总成；14-第一小锥齿轮轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理及具体实施方式作进一步的说明。

图1是本发明提供的汽车转向系统的结构框图。该汽车转向系包括转向操纵机构、转向器和左右两个结构相同的转向传动机构。图2是本发明提供的汽车转向系统的转向操纵机构的结构示意图，包括转向盘1和双十字轴万向节2；所述的转向盘的转动通过双十字轴万向节传递到转向器。图3是本发明提供的汽车转向系统的转向器的结构示意图，包括第一锥齿轮3、第二锥齿轮5、第二锥齿轮轴4、第一非圆齿轮7、第一非圆齿轮轴6、第二非圆齿轮8以及第二非圆齿轮轴9；所述的第二锥齿轮轴通过双十字轴万向节与转向盘上的转轴连接，第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮和第一非圆齿轮轴固联，第一非圆齿轮和第二非圆齿轮啮合。图4是本发明提供的汽车转向系统的转向传动机构的结构示意图，包括第一小锥齿轮10、第二小锥齿轮11、第二小锥齿轮轴12、RF+DOJ万向节总成13以及第一小锥齿轮轴14；所述的第二非圆齿轮轴和第二小锥齿轮轴通过RF+DOJ万向节总成连接，第二小锥齿轮和第一小锥齿轮啮合，第一小锥齿轮轴与汽车左转向节上设置的实体左主销固联；所述的第一非圆齿轮轴和第二小锥齿轮轴通过RF+DOJ万向节总成连接，第二小锥齿轮和第一小锥齿轮啮合，第一小锥齿轮轴和汽车右转向节上设置的实体右主销固联。图5是本发明提供的汽车转向系统的非圆齿轮对的结构示意图，所述的第一非圆齿轮和第二非圆齿轮均为非完整齿轮。

通过设计第一非圆齿轮和第二非圆齿轮的传动比，可实现汽车转向时左右前轮转角的合理分配，从而使在车轮为绝对刚体的假设条件下汽车的转向满足阿克曼原理。记汽车左轮的转角为θ_L，右轮的转角为θ_R，左右主销轴线与地面交点之间的距离为b，轴距为l，则它们应满足：

lcotθ_R-lcotθ_L＝b    (8)

其中，汽车左转时车轮转角记为正，汽车右转时车轮转角记为负，汽车直行时车轮转角记为0.

记第一非圆齿轮的转角为θ₁，第二非圆齿轮的转角为θ₂，第一小锥齿轮与第二小锥齿轮的传动比为i′₁₂，以车轮右转时所对应θ₁的转向为两非圆齿轮转动的正方向，则有θ_R＝-i′₁₂θ₁，θ_L＝i′₁₂θ₂，于是式(8)转化为：

-i′₁₂lcotθ₁-i′₁₂lcotθ₂＝b    (9)

所以有：

${\mathrm{\θ}}_1=-\mathrm{arccot}(\cot {\mathrm{\θ}}_2+\frac{b}{i_{12}^{\′}l})---\left(10\right)$

可得非圆齿轮一和非圆齿轮二的传动比i₁₂为：

$i_{12}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}=\frac{\frac{d{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{dt}}}{\frac{d{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{dt}}}=\frac{d{\mathrm{\θ}}_1}{d{\mathrm{\θ}}_2}=-\frac{1}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)+1}---\left(11\right)$

由于两齿轮啮合相当于节曲线做纯滚动，所以i₁₂也可表示为：

$i_{12}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}=-\frac{r_2}{r_1}---\left(12\right)$

其中，r₁和r₂分别为第一非圆齿轮和第二非圆齿轮各自节曲线在切点处的极径，第一非圆齿轮的极坐标原点位于第一非圆齿轮的转动中心，第二非圆齿轮的极坐标原点位于第二非圆齿轮的转动中心。将式(12)变形为

r₂＝-i₁₂r₁            (13)

假设两非圆齿轮的中心距为d，则：

r₁+r₂＝d              (14)

式(13)、式(14)联立求解可得：

$\left.\begin{array}{c}{r}_1=\frac{1}{1-i_{12}}d\\ r_2=\frac{-i_{12}}{1-i_{12}}d\end{array}\right\}---\left(15\right)$

式(11)、式(15)联立可得第二非圆齿轮的极径r₂和其相对于两非圆齿轮转动中心连线的转角θ₂之间的关系：

$r_2=\frac{d}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)+2}---\left(16\right)$

以两非圆齿轮转动中心连线为极轴，记第二非圆齿轮的极坐标极角为θ′₂，则其与θ₂恰互为相反数，即θ₂＝-θ′₂，所以第二非圆齿轮的极坐标方程为：

$r_2=\frac{d}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2^{\′}-\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2^{\′}\right)+2}---\left(17\right)$

同理可得第一非圆齿轮的极坐标方程为：

$r_1=\frac{d}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1^{\′}-\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1^{\′}\right)+2}---\left(18\right)$

其中，极坐标原点位于第一非圆齿轮的转动中心，极轴为两非圆齿轮转动中心的连线，θ′₁为第一非圆齿轮的极坐标极角。

由式(17)和式(18)可见，所述的第一非圆齿轮和第二非圆齿轮的节曲线在以各自转动中心为极点、两转动中心连线为各自极轴的极坐标系下的极坐标方程相同，可统一表示为：

$r=\frac{d}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)+2}---\left(19\right)$

在得出两非圆齿轮的节曲线方程后，即可根据非圆齿轮齿廓设计的解析法得到两非圆齿轮各齿的齿廓。

由于转向传动机构采用的RF+DOJ万向节总成能够在车轮的上下跳动时自由伸缩，因而可以避免转向传动机构与悬架导向机构的干涉。

Claims (2)

1.一种汽车转向系统，该汽车转向系统包括转向操纵机构、转向器以及转向传动机构，其特征在于：所述的转向器包括第一锥齿轮(3)、第二锥齿轮(5)、第二锥齿轮轴(4)、第一非圆齿轮(7)、第一非圆齿轮轴(6)、第二非圆齿轮(8)以及第二非圆齿轮轴(9)；所述的第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮和第一非圆齿轮轴固联，第一非圆齿轮和第二非圆齿轮啮合；

所述的转向传动机构包括结构相同的左右两个，每个转向传动机构包括第一小锥齿轮(10)、第二小锥齿轮(11)、第二小锥齿轮轴(12)、RF+DOJ万向节总成(13)以及第一小锥齿轮轴(14)；所述的第二非圆齿轮轴和第二小锥齿轮轴通过RF+DOJ万向节总成连接，第二小锥齿轮和第一小锥齿轮啮合，第一小锥齿轮轴与汽车转向节上设置的实体主销固联；

所述的第一非圆齿轮和第二非圆齿轮的节曲线在以其转动中心为极点、两转轴连线为各自极轴的极坐标系下的极坐标方程均为：

$r=\frac{d}{{\left(\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-\frac{b}{i_{12}^{\′}l}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)+2}$

其中，d为两非圆齿轮的中心距，b为左右主销轴线与地面交点之间的距离，l为轴距，i′₁₂为第一小锥齿轮和第二小锥齿轮的传动比，θ＝0时两非圆齿轮的啮合对应于汽车的直线行驶。

2.按照权利要求1所述的汽车转向系统，其特征在于：所述的第一非圆齿轮(6)和第二非圆齿轮(7)都为非完整齿轮。

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