CN103057589A - 一种转向机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转向机构，属于车辆工程技术领域。包括转向器、随动臂、转向摇臂、转向横拉杆、第一侧拉杆、第二侧拉杆、第一轮边摆动臂、第二轮边摆动臂、第一转向节、第二转向节。本发明通过多目标优化设计法，保证在左右车轮转角满足阿克曼函数的同时，尽量减少因悬架跳动而引起转向节的角度偏转。本发明可以在最小限度削弱车身强度的前提下，布置在狭小的车身空间内，结构简单紧凑，力的传递效率高，支座受力良好，在降低成本的同时提高可靠性。

Description

一种转向机构

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种转向机构。

背景技术

随着车辆工程技术的快速发展，人们对车辆的综合性能提出了更高的要求，特别是其弯道通过性能和高速驾驶平稳性能。转向机构是车辆转向系统的重要组成部分，其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，使得两侧车轮按照阿克曼函数关系偏转，以满足车辆的弯道通过性能；转向机构还必须尽可能减小因悬架跳动而引起的转向节偏转，以保证车辆的高速驾驶平稳性能。转向机构是保证车辆弯道通过性能和高速驾驶平稳性能的关键部件之一。

现有技术中，汽车的转向机构主要有整体式和断开式两种形式。整体式转向机构与整体式转向桥配合使用，断开式转向机构与断开式转向桥配合使用。整体式转向机构在减小因悬架跳动而引起的转向节偏转方面表现欠佳，车辆在不平路面行驶时，会引起车轮的不断偏摆，增加车轮磨损并严重影响操纵平稳性能。对于断开式转向机构而言，三一重工有限公司的申请号为CN 102501899 A的专利公开了一种断开式转向机构，包括固定于车辆前轴上的第一连接臂和第二连接臂、两端分别铰接于车架上和连接臂上的转向缸、拉杆和曲柄。该机构通过转向缸的伸缩动作推拉第一连接臂，从而带动车辆前轴及转向轮左右偏转，并通过第二连接臂、拉杆和曲柄形成的连杆机构保证左右转向轮按一定的转角关系转动，使得实际转向时车轮内外转角关系符合阿克曼转角特性，减少轮胎磨损。该断开式转向机构主要存在以下问题：

1）悬架带动转向节跳动至较大行程位置时，因转向节与拉杆和转向油缸都有连接，拉杆和转向油缸的另一端分别连接于不同位置，转向节在空间跳动会引起拉杆和转向油缸两者中至少一件两端点连线长度的改变。当转向油缸内有压力时，要想压缩转向油缸是很困难的，此时转向节会发生角度偏转以补偿转向油缸两端点连线长度的改变，造成两边车轮转角关系不协调，引起轮胎偏磨，对于使用大行程的油气悬架的车辆来说更是如此。

2）转向油缸布置在转向节与车架间狭隘的空间内，容易与车架发生干涉，车轮不能转太大角度，导致车辆转弯半径过大，影响车辆通过性。

3）左右各一个转向油缸布置起来结构不够紧凑，车轮附近布置其它零部件的难度加大。

4）使用了两个转向油缸，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种协调车辆转向轮转角关系的转向机构。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种转向机构。包括转向器、随动臂、转向摇臂、转向横拉杆、第一侧拉杆、第二侧拉杆、第一轮边摆动臂、第二轮边摆动臂、第一转向节、第二转向节；

所述转向器固定在车身上，所述随动臂与车身固定，所述转向器与所述转向摇臂一端连接，所述随动臂另一端与所述转向横拉杆体连接，所述转向摇臂另一端与所述转向横拉杆体连接，所述转向横拉杆一端与所述第一侧拉杆一端连接，所述转向横拉杆另一端与所述第二侧拉杆一端连接，所述第一侧拉杆另一端与所述第一轮边摆动臂一端连接，所述第一轮边摆动臂另一端与所述第一转向节连接；所述第二侧拉杆另一端与所述第二轮边摆动臂一端连接，所述第二轮边摆动臂另一端与所述第二转向节连接。

进一步地，还包括转向支座；

所述随动臂通过所述转向支座与车身固定，所述转向支座固定在车身上。

进一步地，还包括第一销轴、第二销轴；

所述转向横拉杆通过所述第一销轴与所述转向摇臂连接，所述转向横拉杆通过所述第二销轴与所述随动臂连接；所述第一销轴、所述第二销轴可以分别绕各自的轴线转动。

进一步地，所述转向器作为所述转向摇臂的支点，所述转向支座作为所述随动臂的支点，两支点固定在车身上，与所述转向横拉杆形成了一个平行四边形连杆机构。

进一步地，所述第一侧拉杆两端为球头销，所述第一侧拉杆两端的连接副为球铰副；所述第二侧拉杆两端为球头销，所述第二侧拉杆两端的连接副为球铰副；

所述第一侧拉杆通过球铰副分别与所述转向横拉杆一端及第一轮边摆动臂连接；

所述第二侧拉杆通过球铰副分别与所述转向横拉杆另一端及第二轮边摆动臂连接。

进一步地，所述转向器和所述转向支座的回转轴线、所述转向横拉杆第一销轴回转轴线、所述转向横拉杆第二销轴回转轴线、所述转向横拉杆两端的球铰副位置、所述第一轮边摆动臂与所述第一侧拉杆连接的球铰副位置、所述第二轮边摆动臂与所述第二侧拉杆连接的球铰副位置要保证左右车轮转角满足阿克曼函数。

进一步地，所述转向横拉杆优选中间水平、两端向上弯曲的横拉杆，所述横拉杆两端向上弯曲度相等，所述转向横拉杆两端的球头销的球心与转向横拉杆同轴线。

进一步地，所述转向器优选呈水平方向布置，所述转向器优选整体式转向器，所述转向器输入轴线方向与车辆前进方向夹角为α，所述α优选60°。

进一步地，所述随动臂固定连接在所述转向支座的所述第二销轴上，所述随动臂可以绕所述转向支座的回转轴线灵活转动。

进一步地，所述第一侧拉杆与所述第一侧拉杆两端的所述球头销夹角优选90°，所述第二侧拉杆与所述第二侧拉杆两端的所述球头销夹角优选90°，所述球头销允许摆动范围为-29°～+29°。

本发明提供的一种转向机构，在满足车辆转向轮转角关系的同时，能够有效减小其大行程悬架跳动引起的转向节角度偏转，并在最小限度削弱车身强度的前提下，布置在狭小的车身空间内。该转向系统结构简单紧凑，力的传递效率高，支座受力良好，在降低成本的同时提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种转向机构原理装置图；

图2为本发明实施例提供的一种转向机构中的球铰副的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种转向机构中的球铰副的摆动空间示意图；

其中，

1—转向器，2—转向支座，3—转向摇臂，4—随动臂，5—转向横拉杆，6.1-第一销轴，6.2-第二销轴，7.1-第一侧拉杆，7.2-第二侧拉杆，8.1-第一轮边摆动臂，8.2-第二轮边摆动臂，9.1-第一转向节，9.2-第二转向节，10.1-第一转向节主销，10.2-第二转向节主销，11-球头销,12.1-球铰座，12.2-球铰盖，12.3-球铰。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供的一种转向机构。包括转向器1、转向支座2、转向摇臂3、随动臂4、转向横拉杆5、第一销轴6.1、第二销轴6.2、第一侧拉杆7.1、第二侧拉杆7.2、第一轮边摆动臂8.1、第二轮边摆动臂8.2、第一转向节9.1、第二转向节9.2；

转向器1、转向支座2固定在车身上，转向摇臂3作为主动臂通过花键与转向器1的输出轴固定连接，转向器1的输出轴可以绕其轴线转动，并且输出很大的扭矩；转向摇臂3另一端通过第一销轴6.1与转向横拉杆5体连接，随动臂4一端与转向支座2连接，随动臂4另一端通过第二销轴6.2与转向横拉杆5体连接，随动臂4可以绕转向支座2的回转轴线灵活转动，转向器1作为转向摇臂3的支点，转向支座2作为随动臂4的支点，两支点固定在车身上，与转向横拉杆5形成了一个平行四边形连杆机构，转向器1作为动力源，使转向摇臂3摆动，转向横拉杆5作为平行四边形机构的运动边，在水平方向平动，第一销轴6.1、第二销轴6.2可以分别绕各自的轴线转动；转向横拉杆5一端与第一侧拉杆7.1一端连接，转向横拉杆5另一端与第二侧拉杆7.2一端连接，第一侧拉杆7.1另一端与第一轮边摆动臂8.1一端连接，第一轮边摆动臂8.1另一端与第一转向节9.1连接，第一转向节9.1可以绕第一转向节主销10.1在水平面内转动；第二侧拉杆7.2另一端与第二轮边摆动臂8.2一端连接，第二轮边摆动臂8.2另一端与第二转向节9.2连接，第二转向节9.2可以绕第二转向节主销10.2在水平面内转动。

为了适应较大的空间摆动角度，第一侧拉杆7.1通过两端的球头销11与转向横拉杆5及第一轮边摆动臂8.1连接，第一侧拉杆7.1两端的连接副为与球头销11匹配的球铰副；第二侧拉杆7.2通过两端的球头销11与转向横拉杆5及第二轮边摆动臂8.2连接，第二侧拉杆7.2两端的连接副为与球头销11匹配的球铰副。

转向器1和转向支座2的回转轴线、转向横拉杆5第一销轴6.1的回转轴线、转向横拉杆5第二销轴6.2的回转轴线、转向横拉杆5两端的球铰副位置、第一轮边摆动臂8.1与第一侧拉杆7.1连接的球铰副位置、第二轮边摆动臂8.2与第二侧拉杆7.2连接的球铰副位置要保证左右车轮转角满足阿克曼函数。

为了节省助力缸的布置空间，减少零部件的数量，转向器1输入轴线方向与车辆前进方向夹角为α，以适应方向盘的安装位置，本实施例中，转向器1在水平方向上布置，转向器1优选整体式转向器，α优选60°。

为了避免转向横拉杆5两端球头销11受转向力时对转向横拉杆5产生一附加力矩而使转向横拉杆5绕第一销轴6.1和第二销轴6.2处的球心转动，造成球销11的球心位置发生改变，从而影响左右轮的转向角协调效果，造成轮胎早期磨损，转向横拉杆5优选中间水平、两端向上弯曲的横拉杆，横拉杆两端向上弯曲度相等，转向横拉杆5两端的球头销11的球心与转向横拉杆5同轴线；对于车身空间紧凑的车辆而言，转向横拉杆5平动最大的优点就是其运动扫过的空间范围小，车身上为转向横拉杆5开孔也就最小，避免过多的削弱车身的强度，同时转向横拉杆5尽可能少的与其它系统干涉。

第一轮边摆动臂8.1处球头销11和第二轮边摆动臂8.2处球头销11的轴线在三维空间内有特定的角度。为了充分利用球铰副转动时转角的不对称性，对球头销11的安装角度进行优化，以使目前的球铰副工作空间同时满足转向机构转向和悬架大行程升降对球铰副的转角要求。

在转向机构中第一侧拉杆7.1、第二侧拉杆7.2的两端是用球铰副连接的，由于底盘悬架行程很大，而球铰副的摆角是有一定范围的，因此需要优化第一轮边摆动臂8.1与第一侧拉杆7.1连接端的球头销11的安装角度、第二轮边摆动臂8.2与第二侧拉杆7.2连接端的球头销11的安装角度以使球铰副的工作空间在球铰副的摆角范围内。

第一轮边摆动臂8.1处球头销11安装角度、第二轮边摆动臂8.2处球头销11的安装角度、第一轮边摆动臂8.1与第一侧拉杆7.1连接端的球头销11的安装角度以及第二轮边摆动臂8.2与第二侧拉杆7.2连接端的球头销11的安装角度分析如下：

如图2所示，球铰副是由球铰座12.1、球铰盖12.2及球铰12.3构成，球铰盖12.2与球铰座12.1构成一个球腔，球铰12.3嵌在球腔内，球铰盖12.2约束球铰12.3防止其脱出。

如图3所示，球铰副的摆动空间是以球铰12.3中心为顶点的圆锥体，在整个摆动空间内以球铰12.3中立位置时的中心线为对称中心线。球铰副的摆动空间取决于转角θ_max的大小，转角θ_max越大，则摆动空间越大，转角θ_max的极限值是由球铰副的结构参数决定的。

有两种方案可以增大球铰12.3的极限转角：

a.从球铰12.3的结构参数上考虑，减小球铰盖12.2厚度和球销颈部直径或增大球铰头的球径。但是球铰盖12.2变薄，意味着它包容球铰12.3的部分减少，其抗拉强度则降低。球销颈部直径减小后，会直接导致转向机构刚性降低，承载能力下降。而增大球铰12.3直径则会使球铰12.3体积增大，结构不紧凑。

b.充分利用球铰12.3转动时转角的不对称性，对球铰12.3的中心反向及安装角度进行优化，以使目前的球铰副工作空间满足底盘转向系统球铰副的转角要求。

经过分析可知：第一侧拉杆7.1与第一侧拉杆7.1两端的球头销11夹角为90°时处于最佳角度，第二侧拉杆7.2与第二侧拉杆7.2两端的球头销11夹角为90°时处于最佳角度，球头销11允许摆动范围为-29°～+29°，则第一侧拉杆7.1与第一侧拉杆7.1两端的球头销11的允许夹角应该在61°～119°范围内，第二侧拉杆7.2与第二侧拉杆7.2两端的球头销11的允许夹角应该在61°～119°范围内。

本发明工作原理：当车辆左转时，转向器1带动转向摇臂3向左边摆动，在平行四边形机构的作用下，转向横拉杆5向左边作平动，转向横拉杆5通过其左侧球头销11处的球铰副推动第一侧拉杆7.1向左侧运动，第一侧拉杆7.1通过球头销11处的球铰副推动第一轮边摆动臂8.1和第一转向节9.1绕着第一转向节主销10.1作旋转运动，从而实现左车轮的转向。同时，转向横拉杆5通过其右侧球头销11处的球铰副推动第二侧拉杆7.2向左侧运动，第二侧拉杆7.2通过球头销11处的球铰副推动第二轮边摆动臂8.2和第二转向节9.2绕着第二转向节主销10.2作旋转运动，从而实现右车轮的转向。

当车辆右转时，转向器1带动转向摇臂3向右边摆动，在平行四边形机构的作用下，转向横拉杆5向右边作平动，转向横拉杆5通过其右侧球头销11处的球铰副推动第二侧拉杆7.2向右侧运动，第二侧拉杆7.2通过球头销11处的球铰副推动第二轮边摆动臂8.2和第二转向节9.2绕着第二转向节主销10.2作旋转运动，从而实现右车轮的转向。同时，转向横拉杆5通过其左侧球头销11处的球铰副推动第一侧拉杆7.1向右侧运动，第一侧拉杆7.1通过球头销11处的球铰副推动第一轮边摆动臂8.1和第一转向节9.1绕着第一转向节主销10.1作旋转运动，从而实现左车轮的转向。

当悬架跳动时，第一轮边摆动臂8.1随着与之固定连接的第一转向节9.1一起跳动，球头销11的位置发生发生改变。球头销11的运动轨迹与悬架系统旋转点有关，通过优化可以找到合适的转向横拉杆5两端点的位置，即球头销11的位置，使得第一侧拉杆7.1两端球头销11之间的长度及第二侧拉杆7.2两端球头销11之间的长度在悬架的跳动过程中基本保存不变，从而有效减小大行程悬架跳动引起的转向节角度偏转，避免行车过程中车轮摆动。

本发明提供的一种转向机构，运用多目标优化设计法，优化转向器1和转向支座2的回转轴线位置、转向横拉杆5第一销轴6.1回转轴线位置、转向横拉杆5第二销轴6.2回转轴线位置、转向横拉杆5两端的球铰副位置、第一轮边摆动臂8.1与第一侧拉杆7.1连接的球铰副位置、第二轮边摆动臂8.2与第二侧拉杆7.2连接的球铰副位置，就可以在保证在左右车轮转角满足阿克曼函数的同时，能够有效减小其大行程悬架跳动引起的转向节角度偏转，并在最小限度削弱车身强度的前提下，布置在狭小的车身空间内。该转向机构结构简单紧凑，力的传递效率高，转向支座2受力良好，在降低成本的同时提高了可靠性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种转向机构，其特征在于，包括转向器、随动臂、转向摇臂、转向横拉杆、第一侧拉杆、第二侧拉杆、第一轮边摆动臂、第二轮边摆动臂、第一转向节、第二转向节；

所述转向器固定在车身上，所述随动臂与车身固定，所述转向器与所述转向摇臂一端连接，所述随动臂另一端与所述转向横拉杆体连接，所述转向摇臂另一端与所述转向横拉杆体连接，所述转向横拉杆一端与所述第一侧拉杆一端连接，所述转向横拉杆另一端与所述第二侧拉杆一端连接，所述第一侧拉杆另一端与所述第一轮边摆动臂一端连接，所述第一轮边摆动臂另一端与所述第一转向节连接；所述第二侧拉杆另一端与所述第二轮边摆动臂一端连接，所述第二轮边摆动臂另一端与所述第二转向节连接。

2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，还包括转向支座；

所述随动臂通过所述转向支座与车身固定，所述转向支座固定在车身上。

3.如权利要求2所述的机构，其特征在于，还包括第一销轴、第二销轴；

所述转向横拉杆通过所述第一销轴与所述转向摇臂连接，所述转向横拉杆通过所述第二销轴与所述随动臂连接；所述第一销轴、所述第二销轴可以分别绕各自的轴线转动。

4.如权利要求2所述的机构，其特征在于，所述转向器作为所述转向摇臂的支点，所述转向支座作为所述随动臂的支点，两支点固定在车身上，与所述转向横拉杆形成了一个平行四边形连杆机构。

5.如权利要求3所述的机构，其特征在于，所述第一侧拉杆两端为球头销，所述第一侧拉杆两端的连接副为球铰副；所述第二侧拉杆两端为球头销，所述第二侧拉杆两端的连接副为球铰副；

所述第一侧拉杆通过球铰副分别与所述转向横拉杆一端及第一轮边摆动臂连接；

所述第二侧拉杆通过球铰副分别与所述转向横拉杆另一端及第二轮边摆动臂连接。

6.如权利要求3所述的机构，其特征在于，所述转向器和所述转向支座的回转轴线、所述转向横拉杆第一销轴回转轴线、所述转向横拉杆第二销轴回转轴线、所述转向横拉杆两端的球铰副位置、所述第一轮边摆动臂与所述第一侧拉杆连接的球铰副位置、所述第二轮边摆动臂与所述第二侧拉杆连接的球铰副位置要保证左右车轮转角满足阿克曼函数。

7.如权利要求4所述的机构，其特征在于，所述转向横拉杆为中间水平、两端向上弯曲的横拉杆，所述横拉杆两端向上弯曲度相等，所述转向横拉杆两端的球头销的球心与转向横拉杆同轴线。

8.如权利要求4所述的机构，其特征在于，所述转向器呈水平方向布置，所述转向器为整体式转向器，所述转向器输入轴线方向与车辆前进方向夹角为α，所述α为60°。

9.如权利要求4所述的机构，其特征在于，所述随动臂固定连接在所述转向支座的所述第二销轴上，所述随动臂可以绕所述转向支座的回转轴线灵活转动。

10.如权利要求4所述的机构，其特征在于，所述第一侧拉杆与所述第一侧拉杆两端的所述球头销夹角为90°，所述第二侧拉杆与所述第二侧拉杆两端的所述球头销夹角为90°，所述球头销允许摆动范围为-29°～+29°。

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