CN104527781A - 二自由度四轮转向机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二自由度四轮转向机构，包括转向杆、分速器，固定连接在一起的转向盘和转向杆以两个自由度的驱动输入传递给分速器，再由分速器将这两个驱动输入合成后输出两个线性无关的另外两个驱动，并分别传递给分别控制着汽车前后轮转向的前转向传动杆和后传动转向杆，从而驱动汽车前后轮的转向。并且汽车的前轮和后轮的转向角之间同样线性无关。驾驶员可以通过转动和摆动固定连接在一起的转向盘和转向杆，使汽车的前轮和后轮实现同向等角度转向、同向不等角度转向、异向等角度转向和异向不等角度转向等功能，从而提高汽车低速转弯的灵活性和高速转弯、变换车道的稳定性。

Description

二自由度四轮转向机构
技术领域
本发明涉及一种车辆工程技术领域转向机构，尤其涉及一种二自由度四轮转向机构。
背景技术
四轮机动车辆的转向方式主要包括前轮主动转向，后轮主动转向和四轮转向。目前大部分家用汽车的转向方式是前轮主动转向。前轮主动转向的汽车在高速转弯时容易发生车身旋转和侧滑的危险，并且前轮主动转向的汽车的最小转弯半径较大。四轮转向汽车以其低速情况下相对较小的转弯半径和高速情况下更加稳定的转弯、变换车道性能，使得四轮转向汽车更加适应当今社会对汽车高速、灵活的需求。上世纪90年代，一些汽车生产商推出了机械式四轮转向汽车，但其前后两转向轮的两转向角之间线性相关，限制了前后轮各自转向的自由，从而使其没能彻底发挥四轮转向的正真优势。进入21世纪后，随着电子、测试和控制技术的发展，汽车的四轮转向系统开始向由电子控制后轮转向的方向发展，但这种四轮转向系统因成本高和可靠性较低的缺点使之难以普及应用。目前，对于汽车的转向系统，需要我们解决的问题在于：如何实现一种由机械方式控制的汽车的前后两转向轮的转向角度之间线性无关的四轮转向功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种前后两转向轮转向角度之间无线性关系的二自由度四轮转向机构，成本较低、可靠性高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种二自由度四轮转向机构，包括转向杆、分速器，其特征是：转向杆的一端连接分速器，分速器固定连接车架，分速器的两个输出端分别连接前转向传动杆和后传动转向杆，前转向传动杆和后传动转向杆分别连接前轮与后轮，转向杆与转向盘固定连接在一起。
根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述分速器由行星轮增速机构、行星轮减速机构、从动伞齿轮、主动伞齿轮组成，转向杆固定连接主动伞齿轮，主动伞齿轮两侧分别啮合连接从动伞齿轮，两个从动伞齿轮外侧分别连接行星轮减速机构，两个行星轮减速机构外侧分别连接行星轮增速机构，两个行星轮增速机构的输出端分别连接前转向传动杆和后传动转向杆。
根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车高速状态下向右转弯时，汽车的前轮和后轮同时向右偏转，前轮转向角α始终大于后轮转向角β。
根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车高速状态下变换到右侧车道时，汽车的前轮和后轮同时向右偏转，前轮转向角α与后轮转向角β大小相等。
根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车低速状态下向左侧转弯时，汽车的前轮和后轮发生异向偏转，前轮转向角α与后轮转向角β大小相等。
本发明的优点效果在于：前后两转向轮转向角度之间无线性关系的二自由度四轮转向机构，成本较低、可靠性高 ，驾驶员可以通过转动和摆动固定连接在一起的转向盘和转向杆，使汽车的前轮和后轮实现同向等角度转向、同向不等角度转向、异向等角度转向和异向不等角度转向等功能，从而提高汽车低速转弯的灵活性和高速转弯、变换车道的稳定性。
附图说明
图1为二自由度四轮转向机构汽车的结构示意图。
图2为二自由度四轮转向机构汽车高速前行时向右转弯的示意图。
图3为二自由度四轮转向机构汽车高速前行时向右偏移的示意图。
图4为二自由度四轮转向机构汽车低速行驶时向左转弯的示意图。
图5为二自由度四轮转向机构的结构示意图。
图6为分速器的结构示意图。
图7为分速器的机构原理图。
附图中：1、转向盘； 2、转向杆； 3、分速器；4、前转向传动杆；5、后传动转向杆； 6、行星轮增速机构；7、行星轮减速机构；8、从动伞齿轮；9、主动伞齿轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明如图1-6所示，一种二自由度四轮转向机构，包括转向杆2、分速器3，其特征是：转向杆2的一端连接分速器3，分速器3固定连接车架，分速器3的两个输出端分别连接前转向传动杆4和后传动转向杆5，前转向传动杆4和后传动转向杆5分别连接前轮与后轮，转向杆2与转向盘1固定连接在一起。根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述分速器3由行星轮增速机构6、行星轮减速机构7、从动伞齿轮8、主动伞齿轮9组成，转向杆2固定连接主动伞齿轮9，主动伞齿轮9两侧分别啮合连接从动伞齿轮8，两个从动伞齿轮8外侧分别连接行星轮减速机构7，两个行星轮减速机构7外侧分别连接行星轮增速机构6，两个行星轮增速机构6的输出端分别连接前转向传动杆4和后传动转向杆5。根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车高速状态下向右转弯时，汽车的前轮和后轮同时向右偏转，前轮转向角α始终大于后轮转向角β。根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车高速状态下变换到右侧车道时，汽车的前轮和后轮同时向右偏转，前轮转向角α与后轮转向角β大小几乎相等。根据所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车低速状态下向左侧转弯时，汽车的前轮和后轮发生异向偏转，前轮转向角α与后轮转向角β大小几乎相等。
本发明的工作原理及具体实施使用情况如下所述：如图1所示，将转向盘1和转向杆2固定连接在一起，并将转向杆2的另一端和分速器3连接。把分速器3和车架固定连接，并把分速器的一端输出连接前转向传动杆4，另一端输出连接后转向传动杆5。前转向传动杆4和后传动转向杆5分别控制汽车的前后轮的转向。如图6所示，在分速器3中，转向杆2与主动伞齿轮9固定连接，主动伞齿轮9分别和从动伞齿轮8啮合，从动伞齿轮8再分别连接一套行星轮减速机构7和一套行星轮增速机构6。将两套行星轮增速机构6的输出作为分速器的两个输出分别连接前转向传动杆4和后转向传动杆5。如图2所示，当汽车在高速情况下向右转弯时，驾驶员顺时针转动转向盘1，同时向右侧摆动转向盘1和转向杆2，此时，汽车的前轮和后轮会同时向右偏转，前轮转向角α始终大于后轮转向角β，从而把汽车的旋转中心移至车身的右后侧，减小了车身的自转，抑制了汽车的旋转和侧滑。如图3所示，当汽车在高速情况下变换到右侧车道时，驾驶员向右侧摆动转向盘1和转向杆2，此时，汽车的前轮和后轮会同时向右偏转，并且前轮转向角α与后轮转向角β几乎相等，从而使汽车在不发生任何转动的情况下平行偏移至右侧车道，增强了汽车在变换车道、躲避障碍物时的稳定性。如图4所示，当汽车在低速情况下向左侧转弯时，驾驶员向逆时针转动转向盘1，此时，汽车的前轮和后轮会发生异向偏转，并且前轮转向角α与后轮转向角β大小几乎相等，从而把汽车的旋转中心移至车身的左侧中间部位，减小了车身最小转弯半径，增强了汽车转弯的灵活性。
所述二自由度四轮转向机构包括转向盘、转向杆、分速器、前转向传动杆和后转向传动杆，固定连接在一起的转向盘和转向杆以“绕转向杆轴线的转动”和“绕分速器轴线的摆动”两个自由度的驱动输入传递给分速器，再由分速器将这两个驱动输入合成后输出两个线性无关的另外两个驱动，并分别传递给分别控制着汽车前后轮转向的前转向传动杆和后传动转向杆，从而驱动汽车前后轮的转向。并且汽车的前轮和后轮的转向角之间同样线性无关。驾驶员可以通过转动和摆动固定连接在一起的转向盘和转向杆，使汽车的前轮和后轮实现同向等角度转向、同向不等角度转向、异向等角度转向和异向不等角度转向等功能，从而提高汽车低速转弯的灵活性和高速转弯、变换车道的稳定性。所述分速器为一种二自由度传动机构。
在装有二自由度四轮转向机构的汽车中，输入与输出之间的关系可以由以下方程组表示：                                               
 其矩阵形式为：
在（1）、（2）式中：φ是指转向盘绕转向杆轴线转动的角度，ω是指转向杆绕分速器轴线摆动的角度，α是指前轮的转向角度，β是指后轮的转向角度，a、b、c、d是由机械结构所决定的传动常数。
由（2）式可知，前轮的转向角度α与后轮的转向角度β之间线性无关。。
前后两转向轮转向角度之间无线性关系的二自由度四轮转向机构，成本较低、可靠性高，驾驶员可以通过转动和摆动固定连接在一起的转向盘和转向杆，使汽车的前轮和后轮实现同向等角度转向、同向不等角度转向、异向等角度转向和异向不等角度转向等功能，从而提高汽车低速转弯的灵活性和高速转弯、变换车道的稳定性。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种二自由度四轮转向机构，包括转向杆（2）、分速器（3），其特征是：转向杆（2）的一端连接分速器（3），分速器（3）固定连接车架，分速器（3）的两个输出端分别连接前转向传动杆（4）和后传动转向杆（5），前转向传动杆（4）和后传动转向杆（5）分别连接前轮与后轮，转向杆（2）与转向盘（1）固定连接在一起。
2.根据权利要求1所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述分速器（3）由行星轮增速机构（6）、行星轮减速机构（7）、从动伞齿轮（8）、主动伞齿轮（9）组成，转向杆（2）固定连接主动伞齿轮（9），主动伞齿轮（9）两侧分别啮合连接从动伞齿轮（8），两个从动伞齿轮（8）外侧分别连接行星轮减速机构（7），两个行星轮减速机构（7）外侧分别连接行星轮增速机构（6），两个行星轮增速机构（6）的输出端分别连接前转向传动杆（4）和后传动转向杆（5）。
3.根据权利要求1或2所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车高速状态下向右转弯时，汽车的前轮和后轮同时向右偏转，前轮转向角α始终大于后轮转向角β。
4.根据权利要求1或2所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车高速状态下变换到右侧车道时，汽车的前轮和后轮同时向右偏转，前轮转向角α与后轮转向角β大小相等。
5.根据权利要求1或2所述的二自由度四轮转向机构，其特征在于：所述二自由度四轮转向机构的汽车低速状态下向左侧转弯时，汽车的前轮和后轮发生异向偏转，前轮转向角α与后轮转向角β大小相等。
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