CN107235073A - 基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构 - Google Patents

Abstract

一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构是在车辆质心位置增设有转向机构控制器，其一端通过电路与车辆电源连接导出控制信号；另一端通过电路与转向电动机相连传递控制信号；在车辆后桥壳上增设有调速机构托板，并设置有转向电动机和转向调速机构，且转向调速机构的蜗轮花键轴输出动力；在车辆的两后轮立柱上铰接有转向连杆机构，其一端通过蜗轮花键轴驱动；另一端输出动力于后轮立柱，带动后路边转动。本发明采用曲柄连杆结构，运动响应迅速，体积小重量轻能耗低，有效地减小了车辆的转弯半径，增强了车辆的高速稳定性，提升了车辆的安全稳定系数，特别是具有后轮转向的车辆降低了车辆因高速爆胎以及类似事件造成的不平稳状况，减小了意外损失。

Description

基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构

技术领域

本发明涉及一种机动车辆后轮主动转向机构，尤其是用于车辆后轮在不受自身方向机的控制下，自行偏转的一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构。

背景技术

现有关于四轮转向技术近年没有专利和学术文章可供参考，一些汽车生产厂家正在进行大胆的尝试。

现有越野车，大脚车等专业赛车，这类车辆后轮转向系统靠专业车手控制，

通过专用操作杆控制液压系统，进而控制后轮实现转向。

采用电动机来主动驱动后轮转动的BMW 7系车型

对于大型豪华车来说，不断加长的轴距为车内带来了良好舒适的乘坐空间，但是这也对车辆的操控性带来了一定的负面影响，无论是低速时的转弯半径，还是高速行驶时的稳定性都会显得不足，通过加入后轮转向系统可以弥补轴距增加后对车辆行驶特性造成的影响，同时让一款豪华车同样具有很好的驾驶性能。

BMW 7系车型采用的主动式后轮转向结构也并不复杂，就是一套丝杠螺母机构，电机驱动螺母带动丝杠产生轴向移动，这种轴向移动会带动后轮产生小幅度的转向，当车速在60km/h以上时，后轮与前轮同向偏转，提升高速过弯的稳定性，在60km/h以下时则反向偏转，增加车辆的灵活性。

富康的橡胶软垫

富康虽然没有采用什么超前的技术，但是这款车却可以在高速上轻易跑到170km/h而仍然很平稳，不飘不偏，这是雪铁龙富康这款车出色的底盘特性和它的后轮随动转向技术在起作用。

这套后轮转向系统，并不是在后轮布置了一套完整的转向机构，而仅仅是在后轮与悬挂，悬挂与车身之间布置了一些橡胶软垫，通过橡胶垫把悬挂与车身柔性连接，由于橡胶存在一定弹性，而在弹性限度内又有相当高的强度，所以在汽车转弯时，后悬挂连接点的橡胶软垫在横向力的作用下能发生一定程度的弹性形变。从而带动车轮做一定角度的变化，使用了后轮随动转向技术的车型在转弯时可以比其他车型以更高的速度、更稳定地完成转向，而且，这项技术的实现极为简单。

保时捷911GT3

这款保时捷与常见后轮主动转向系统不同的是，它由内部的两套电机单独控制两个后轮，由此实现了左右两个后轮的独立控制，使它具有更高的操控极限，无疑这对控制系统的要求相对高些。

特种工程车

特种工程车因为工作情况复杂，车辆长度比较长，为增加它的灵活性，往往加入后轮转向技术，以增加它的灵活性，更好地适应各种工作环境。

现有技术存在的问题：

越野车及专业赛车

这类车的后轮转向机构多为液压驱动机构，能输出较大推力，适用于恶劣路况驱动后轮转向。但驱动液压系统结构笨重，机构整体质量大，响应速度慢，安装及维修困难，并不适用当今中、小型车。

电力驱动的宝马后轮转向机构

电力驱动响应速度快，重量轻。但是它的后轮转向角度只有3°，在一些特殊狭窄路面依然存在灵活度不足的问题。并且宝马公司在传动装置上采用了丝杠螺母结构，长时间使用会产生较大间隙，影响使用精度。

富康后轮随动转向技术

富康采用的后轮随动转向技术，结构简单、成本低。它是一个非常简单的物理结构，既在后悬挂与车身的连接处加入一些橡胶软垫，当车辆转弯对某一侧进行挤压时，橡胶软垫会受到挤压变形而导致后轮产生一定角度的变化，角度的变化依赖于橡胶软垫的厚度和软硬程度，一般来说角度的变化都在3°下，这种效果在低速时并不明显，仅在高速情况下效果比较明显。

问题是橡胶垫需要定期保养，费时费力。

保时捷公司的后轮转向技术

保时捷的后轮转向技术可谓是大胆的创新，但在高极限的同时，也带来了更加困难的控制技术，伴随着更大的失控风险。

工程车辆的多轮转向技术

工程车的多轮转向技术，必须能够承受大负荷，高可靠耐用性，一般采用液压系统驱动，将这种机构直接用在中、小型车上几乎是不可能的。

后轮转向技术对提升车辆的操控性、稳定性、灵活性的作用毋庸置疑，在一些高档车型，比如：宝马、保时捷、凯迪拉克车纷纷在后轮转向技术上下功夫，在创新出实现后轮转向机构的同时，如何让后轮转向技术不再是车中贵族，是本发明的宗旨。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，采用曲柄连杆机构方便快捷地实现后轮转向，使普通民用车型载有后轮转向功能，重要的是减小车辆在不稳定状态下的损失，有效地提高车辆的安全系数，并提供一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，包括转向机构控制器、调速机构托板、转向调速机构、转向连杆机构及转向电动机；其特征在于：在车辆质心位置增设有所述转向机构控制器，其一端通过电路与车辆电源连接，导出控制信号；另一端通过电路与转向电动机相连，传递控制信号；在车辆后桥壳上增设有所述调速机构托板，并设置有转向电动机和转向调速机构，且转向调速机构的蜗轮花键轴输出动力；在车辆的两后轮立柱上铰接有转向连杆机构，其一端通过蜗轮花键轴驱动；另一端输出动力于后轮立柱，带动后路边转动。

在上述技术方案中，所述转向调速机构是蜗轮蜗杆机构；所述转向连杆机构是在后轮立柱上增设有耳柱并连接有转向拉杆；在转向连杆机构中，转向曲柄接收蜗轮花键套传递转动，曲柄球头连接转向曲柄和转向连杆，转向连杆在转向曲柄的带动下横向运动；连杆球头的球头部分与转向连杆相连，连杆球头的圆柱部分连接转向拉杆和后轮立柱，连杆球头将转向拉杆的运动传递给所连接的后轮立柱，带动后轮转动；连接在连杆球头上的转向拉杆的另一端，通过拉杆铰钉和另一车轮的车轮立柱相连接，推动车轮一并转动；所述转向调速机构的传动比是1∶24；所述车辆的后轮转角是3-10度。

在上述技术方案中，本发明采用曲柄连杆结构，运动响应迅速，结构中零件多采用杆件，体积小、中，重量轻，安装方便，能耗低，可普遍安装于普通车辆。安装了后轮转向系统的车辆，能够有效地减小车辆的转弯半径，降低因车辆转弯半径限制而造成的堵车现象；同时后轮转向系统能够增强车辆的高速稳定性，提升车辆的安全稳定系数；更值得一提的是，具有后轮转向的车辆，能够降低车辆因高速爆胎以及类似事件造成的不平稳状况，减小意外损失。

附图说明

图1是本发明后轮转向系统的整体结构布置图。

图2是本发明后轮转向连杆机构的主视结构图。

图3 是本发明后轮转向连杆机构的俯视结构图。

图4 是本发明转向曲柄处的左视结构图。

图5 是本发明转向曲柄与过载保护套结构图。

图6 是本发明后轮转向调速机构与现有技术后桥壳主视结构图。

图7 是本发明后轮转向调速机构与现有技术后桥壳俯视结构图。

图8 是本发明调速托盘与电动机的结构图。

图9 是本发明后轮转向调速机构的左视结构图。

图10 是本发明调速托盘俯视结构图。

图11 是本发明后桥壳主视图。图中：后桥壳是现有技术，本发明仅在后桥壳上加有三个立柱。

图12 是本发明后桥壳俯视结构图。

图13 是本发明后桥壳与现有技术车轮连接的主视结构图。

图14 是本发明后桥壳与现有技术车轮连接的俯视结构图。

图15 是本发明左立柱主视结构图。图中：立柱是现有技术，本发明仅在后段加一耳片，用于连接转向连杆8。

图16 是本发明右立柱主视结构图。

图17 是本发明左立柱和右立柱的外端形状结构视图。

图18 是本发明左立柱俯视结构图。

图19 是本发明右立柱俯视结构图。

图20 是本发明转向曲柄主视结构图。

图21 是本发明转向曲柄左视结构图。

图22 是本发明曲柄球头主视结构图。

图23 是本发明曲柄球头左视结构图。

图24 是本发明转向连杆主视结构图。

图25 是本发明转向连杆俯视结构图。

图26 是本发明连杆球头主视结构图。

图27 是本发明连杆球头左视结构图。

图28 是本发明转向拉杆主视结构图。

图29 是本发明转向拉杆移出断面结构图。

图30 是本发明转向拉杆俯视结构图。

图中：1：转向机构控制器；2：转向调速机构；3：转向连杆机构；4：过载保护套；5：曲柄螺钉；6：转向曲柄；7：曲柄球头；8：转向连杆；9：连杆球头；10：转向拉杆；11：拉杆铰钉；12：左后轮立柱；13：右后轮立柱；14：后轮半轴；15：后轮差速器；16：后桥壳；17：调速机构托板；18：电动机托架；19：蜗轮蜗杆调速器；20：蜗杆联轴器；21：蜗轮花键轴；22：蜗轮花键套；23：转向电动机。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出说明。

实施本发明上述所提供的一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，包括转向机构控制器1、调速机构托板17、转向调速机构2、转向连杆机构3及转向电动机23；其中：

在车辆质心位置处增设有所述转向机构控制器1，其转向机构控制器1一端通过电路与车辆电源连接，导出控制信号；另一端通过电路与转向电动机22相连接，传递控制信号。

在车辆的后桥壳16上增设有所述调速机构托板17，并设置有转向电动机23和转向调速机构2，且转向调速机构2的蜗轮花键轴21输出动力。

在车辆的左后轮立柱12和右后轮立柱13上铰接有转向连杆机构3，其一端通过蜗轮花键轴21驱动；另一端输出动力于右后轮立柱13，带动后路边转动。

在上述实施方案中，转向调速机构2是蜗轮蜗杆机构，其传动比是1∶24；车辆的后轮最大转角是3-10度。

在上述实施方案中，转向连杆机构3是在左后轮立柱12上增设有耳柱并连接有转向拉杆10；在转向连杆机构3中，转向曲柄6接收蜗轮花键套22传递转动，曲柄球头7连接转向曲柄6和转向连杆8，转向连杆8在转向曲柄6的带动下横向运动；连杆球头9的球头部分与转向连杆相连，连杆球头9的圆柱部分连接转向拉杆10和左后轮立柱12，连杆球头9将转向拉杆10的运动传递给所连接的左后轮立柱12，带动后轮转动；连接在连杆球头9上的转向拉杆10的另一端，通过拉杆铰钉11和另一车轮的右后轮立柱13相连接，推动车轮一并转动。

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，包括后轮转向系统和后轮转向机构；其中，后轮转向机构是指该系统的后轮转向不受车辆自身转向系统的控制，包括转向机构控制器1、转向电动机22、转向调速机构2和转向连杆机构3四个部分构成。

如附图1所示，转向机构控制器1放置在车辆的质心处，它可以感知车辆自身质心的偏移，获得车辆的运行姿态信息，还可以测出车辆的行驶速度和行驶轨迹，得到车辆的运行状态信号，按需求作出正确判断，发出指令，控制转向电动机22转动，带动转向调速机构2，经转向调速机构2的调速，得到适当的扭矩和转速，输出给转向连杆机构3运动，将运动传递给后轮立柱12，实现后轮旋转。

本发明的主要内容在于接收信号后的机械运动部分，即转向调速机构2和转向连杆机构3。

后轮转向机构是本发明的核心部分，采用曲柄连杆机构。驱动后轮转动的是后轮转向连杆机构3，布置在车辆后桥后面的空当处，与后轮立柱12连接，如附图1、附图2及附图3所示，本发明的设计不影响车辆后轮的正常工作，只是做了两处变动：

1）将车辆后桥中的后轮差速器14壳和后桥壳做成一体构成了新后桥壳15，如附图7和附图8所示，以方便调速托盘16的布置，如附图5和附图6所示；

2）在后轮立柱12上加个耳柱，如附图8的前端，用来连接转向拉杆10，如附图3和附图2所示。

在转向连杆机构3中，如附图2、附图3和附图4所示，转向曲柄6接收蜗轮花键套21传递的转动而转动，如附图4和附图3所示。曲柄球头7连接转向曲柄6和转向连杆8，转向连杆8在转向曲柄6的带动下横向运动。连杆球头9的球头部分与转向连杆相连，连杆球头9的圆柱部分连接转向拉杆10和后轮立柱12，连杆球头9将转向拉杆10的运动传递给所连接的后轮立柱12，带动后轮转动，如附图2和附图3所示。连接在连杆球头9上的转向拉杆10的另一端，通过拉杆铰钉11和另一车轮的车轮立柱12相连接，推动这个车轮也随着一起转动，使得两个车轮同步转动。

上述运动过程可以简化如下：

转向曲柄6→曲柄球头7→转向连杆8→连杆球头9→后轮立柱一12 →车轮一→转向拉杆10→拉杆铰钉11→后轮立柱12二→车轮二。

在蜗轮花键套21和转向曲柄6之间，加装了过载保护套4，用来防止后轮过渡转动引起的逆向作用，保护转向电动机22和转向调速机构3，如附图4所示。

转向调速机构2的作用是将转向电动机22的转速，经联轴器传递给调速器，使其按一定速比调整到合适的速度，传递输出轴。本发明采用了蜗轮蜗杆调速器18，其输入轴为蜗杆轴，此处使用了蜗杆联轴器19，输出轴为蜗轮轴，设计采用了蜗轮花键轴20、蜗轮花键套21将足够的扭矩、合适的转速输入给转向曲柄6。

由于车轮一般不需要很大的转动角度，转向调速机构2需要实现较大的传动比，而且能够确保车轮的运动不会反向传递给转向电动机22，也就是要有一定的自锁性。条件允许的情况下，最好采用蜗轮蜗杆调速器18，如附图5和附图6所示，本发明采用了传动比较大的蜗轮蜗杆机构，自锁性能比较好，而且在蜗轮花键套21和转向曲柄6之间增加了过载保护套4，有效阻止了传动机构逆向带动转向电动机22转动的情况发生，因此可以省去传动机构失控保护装置，从而减轻整体机构的重量。转向调速机构2和转向电动机22一起布置在调速托板16上，调速托板16布置在后桥壳15上，如附图5和附图6所示，在差速器壳上增加了三个立柱，用来支撑固定调速托板16。

本发明采用曲柄连杆机构，结构简便，布置在后车轮的立柱上，可以方便快捷地实现后轮转向，目标是使得普通民用车型载有后轮转向功能，不再是一种奢望。实现后轮转向，不仅为普通车型提高高速稳定性和低速灵活性提供可能，更重要的是，可以减小车辆遇到特殊不稳定情况时的损失，比如遇到爆胎时，后轮同向偏转，车辆稳定更容易实现，有效地提高车辆的安全系数。

Claims (4)

1.一种基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，包括转向机构控制器、调速机构托板、转向调速机构、转向连杆机构及转向电动机；其特征在于：

在车辆质心位置增设有所述转向机构控制器（1），其一端通过电路与车辆电源连接，导出控制信号；另一端通过电路与转向电动机（22）相连，传递控制信号；

在车辆后桥壳（16）上增设有所述调速机构托板（17），并设置有转向电动机（23）和转向调速机构（2），且转向调速机构（2）的蜗轮花键轴（21）输出动力；

在车辆的左后轮立柱（12）和右后轮立柱（13）上铰接有转向连杆机构（3），其一端通过蜗轮花键轴（21）驱动；另一端输出动力于右后轮立柱（13），带动后路边转动。

2.如权利要求1所述的基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，所述转向调速机构（2）是蜗轮蜗杆机构，其传动比是1∶24。

3.如权利要求1所述的基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，所述转向连杆机构（3）是在左后轮立柱（12）上增设有耳柱并连接有转向拉杆（10）；在转向连杆机构（3）中，转向曲柄（6）接收蜗轮花键套（22）传递转动，曲柄球头（7）连接转向曲柄（6）和转向连杆（8），转向连杆（8）在转向曲柄（6）的带动下横向运动；连杆球头（9）的球头部分与转向连杆相连，连杆球头（9）的圆柱部分连接转向拉杆（10）和左后轮立柱（12），连杆球头（9）将转向拉杆（10）的运动传递给所连接的左后轮立柱（12），带动后轮转动；连接在连杆球头（9）上的转向拉杆（10）的另一端，通过拉杆铰钉（11）和另一车轮的右后轮立柱（13）相连接，推动车轮一并转动。

4.如权利要求1所述的基于曲柄连杆机构的主动后轮转向机构，所述车辆的后轮最大转角是3-10度。