CN110001757A - 基于十字轴万向节的可变速比转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于十字轴万向节的可变速比转向系统，包括方向盘、一级减速机构、转向管柱、十字轴万向节传动机构、转向传动轴和转向器；所述一级减速机构为一级定速比减速器；所述一级减速机构的输入端连接所述方向盘的输出端，所述一级减速机构的输出端连接所述转向管柱的输入端；所述十字轴万向节传动机构包括一个十字轴万向节运动副；所述十字轴万向节运动副的输入端连接所述转向管柱的输出；所述十字轴万向节运动副的输出端连接所述转向传动轴的输入端；所述转向器为定速比转向器；所述转向器连接在所述转向传动轴的输出端；本发明结构简单，速比可连续光滑变化，因此本发明能够降低制造成本，提高汽车转向平顺性。

Description

基于十字轴万向节的可变速比转向系统

技术领域

本发明属于汽车转向系统领域，具体涉及基于十字轴万向节的可变速比转向系统。

背景技术

汽车转向系统的变速比功能是提高驾驶员转向体验的重要功能。汽车低速急转弯行驶时，转向阻力矩较大，故要求转向系统的速比较大，以提高转向轻便性；汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角较小，转向阻力矩也小，此时要求转向轮反应灵敏，转向系统的速比应当小些。因此转向系统的速比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线。目前广泛使用的变速比的转向器有齿轮齿条式转向器和循环球齿条齿扇式转向器。但是这些结构的制造需要改变啮合齿的结构，使得制造费时，制造成本较高，且不容易制成速比连续光滑的变化，如附图13所示。

因此，现有技术中需要一种能够克服上述问题的转向系统。

发明内容

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于十字轴万向节的可变速比转向系统，包括方向盘、一级减速机构、转向管柱、十字轴万向节传动机构、转向传动轴和转向器。

所述一级减速机构为一级定速比减速器。所述一级减速机构的输入端连接所述方向盘的输出端，所述一级减速机构的输出端连接所述转向管柱的输入端。

将所述转向管柱转动的角度记为当所述方向盘处于初始状态时，所述转向管柱转动的角度为0。当所述方向盘旋转时，所述一级减速机构通过将方向盘的旋转运动减速传递给所述转向管柱，使转向管柱转动的角度范围为

所述十字轴万向节传动机构包括一个十字轴万向节运动副。

所述十字轴万向节运动副的输入端连接所述转向管柱的输出端。所述十字轴万向节运动副的输出端连接所述转向传动轴的输入端。当所述转向管柱转动的角度为0时，所述十字轴万向节运动副的传动速比最小。当所述转向管柱转动的角度从0到时，所述十字轴万向节运动副的传动速比逐渐增大。当所述转向管柱转动的角度从0到时，所述十字轴万向节运动副的传动速比逐渐增大。

所述转向器为定速比转向器。所述转向器连接在所述转向传动轴的输出端。

所述十字轴万向节运动副的初始位置与所述方向盘的初始位置相对应。所述十字轴万向节运动副在初始位置的传动速比最小。在所述方向盘转动时，转矩经一级减速机构减速后传递至所述转向管柱，通过转向管柱传递至所述十字轴万向节传动机构，所述十字轴万向节运动副的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴后，传递至所述转向器。

本发明还包括基于十字轴万向节的可变速比转向系统，包括方向盘、一级减速机构、转向管柱、十字轴万向节传动机构、转向传动轴和转向器。

所述一级减速机构为一级定速比减速器。所述一级减速机构的输入端连接所述方向盘的输出端，所述一级减速机构的输出端连接所述转向管柱的输入端。

将所述转向管柱转动的角度记为当所述方向盘处于初始状态时，所述转向管柱转动的角度为0。当所述方向盘旋转时，所述一级减速机构通过将方向盘的旋转运动减速传递给所述转向管柱，使转向管柱转动的角度范围为

所述十字轴万向节传动机构包括N个十字轴万向节运动副。其中，其中，N的范围为，2≤N≤5，且N为整数。

N个所述十字轴万向节运动副之间通过转向中间轴连接。

所述十字轴万向节传动机构的输入端连接所述转向管柱的输出端。所述十字轴万向节传动机构的输出端连接所述转向传动轴的输入端。当所述转向管柱转动的角度为0时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比最小。当所述转向管柱转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大。当所述转向管柱转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大。

所述转向器为定速比转向器。所述转向器连接在所述转向传动轴的输出端。

在所述方向盘转动时，转矩经一级减速机构减速后传递至所述转向管柱，通过转向管柱传递至所述十字轴万向节传动机构，十字轴万向节传动机构的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴后，传递至所述转向器。

进一步，所述转向器为齿轮齿条式转向器或循环球式转向器。

进一步，所述转向管柱与所述转向传动轴的轴线相交。

进一步，所述转向管柱、转向传动轴和转向中间轴的轴线处于同一平面。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明公开的基于十字轴万向节的可变速比转向系统，一级减速机构和转向器的速比都是固定的，而十字轴万向节是变速比，速比随转角逐渐变化。当方向盘处于初始状态时，具有最小的速比；当方向盘从初始状态左转至极致时，速比逐渐增大；当方向盘从初始状态右转至极致时，速比逐渐增大；即满足了汽车低速急转弯行驶时转向系统需求的较大速比，提高转向轻便性，又满足了汽车以较高车速转向行驶时转向系统需求的较小速比，是一种结构简单、速比可连续光滑变化的汽车转向系统，因此本发明能够降低制造成本，提高汽车转向平顺性。

附图说明

图1为本发明可变速比的单十字轴万向节转向系统立体图；

图2为本发明可变速比的单十字轴万向节转向系统侧视图；

图3为本发明可变速比的双十字轴万向节转向系统立体图；

图4为本发明可变速比的双十字轴万向节转向系统侧视图；

图5为本发明可变速比的N个十字轴万向节转向系统立体图；

图6为本发明可变速比的N个十字轴万向节转向系统侧视图；

图7为本发明可变速比的单十字轴万向节转向系统转向管柱与转向传动轴的运动简图；

图8为本发明可变速比的单十字轴万向节转向系统转向管柱与转向传动轴的传动比随转向管柱的转角变化曲线图；

图9为本发明可变速比的双十字轴万向节转向系统转向管柱与转向传动轴的运动简图；

图10为本发明可变速比的双十字轴万向节转向系统转向管柱与转向传动轴的传动比随转向管柱的转角变化曲线图；

图11为本发明可变速比的N个十字轴万向节转向系统转向管柱与转向传动轴的运动简图；

图12为本发明可变速比的N个十字轴万向节转向系统转向管柱与转向传动轴的传动比随转向管柱的转角变化曲线图；

图13为现有转向器角传动比变化特性曲线图。

图中：方向盘1、一级减速机构2、转向管柱3、转向传动轴4、十字轴万向节运动副5、齿轮齿条机构6、转向横拉杆7和转向中间轴8。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1和图2，本实施例公开基于十字轴万向节的可变速比转向系统，包括方向盘1、一级减速机构2、转向管柱3、十字轴万向节传动机构、转向传动轴4和转向器。

所述一级减速机构2为一级定速比减速器。所述一级减速机构2的输入端连接所述方向盘1的输出端，所述一级减速机构2的输出端连接所述转向管柱3的输入端。即一级定速比减速器的输入轴与方向盘1的输出轴连接，一级定速比减速器的输出轴与转向管柱3的输入轴连接。

将所述转向管柱3转动的角度记为当所述方向盘1处于初始状态时，即汽车处于直行状态时，所述转向管柱3转动的角度为0。当所述方向盘1旋转时，所述一级减速机构2通过将方向盘1的旋转运动减速传递给所述转向管柱3，其减速比要保证，在从汽车处于直行状态到右转或左转到极限位置的过程中，使转向管柱3转动的角度范围为一级减速机构2可采用行星齿轮机构或平行齿轮轴机构等可以实现定速比减速功能的机构。

所述十字轴万向节传动机构包括一个十字轴万向节运动副5，即单十字轴万向节。

所述十字轴万向节运动副5的输入端连接所述转向管柱3的输出端，即十字轴万向节运动副5的输入轴连接所述转向管柱3的输出轴。所述十字轴万向节运动副5的输出端连接所述转向传动轴4的输入端，即十字轴万向节运动副5的输出轴连接所述转向传动轴4的输入轴。当所述转向管柱3转动的角度为0时，即汽车处于直行状态时，所述十字轴万向节运动副5的传动速比最小。当所述转向管柱3转动的角度从0到时，即汽车从直行状态到右转极限的过程中，所述十字轴万向节运动副5的传动速比逐渐增大。当所述转向管柱3转动的角度从0到时，即汽车从直行状态到左转极限的过程中，所述十字轴万向节运动副5的传动速比逐渐增大。

所述转向管柱3与所述转向传动轴4的轴线相交。

所述转向器为定速比转向器。所述转向器连接在所述转向传动轴4的输出端。所述转向器指的是将转向传动轴4的转动转换为轮胎绕主销的转动的传动机构，所述转向器为齿轮齿条式转向器或循环球式转向器，在本实施例中，采用齿轮齿条式转向器，该齿轮齿条式转向器包括齿轮齿条机构6，以及与齿轮齿条机构6连接的转向横拉杆7。

在所述方向盘1转动时，转矩首先经一级减速机构2减速后传递至所述转向管柱3，通过转向管柱3再将旋转运动传递至所述十字轴万向节传动机构，所述十字轴万向节运动副5的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴4后，转向传动轴4再通过齿轮齿条机构6将旋转运动转化为平移运动传递给转向横拉杆7，转向横拉杆7再推动左右车轮转动，从而实现汽车的转向。

在整个传动过程中，一级减速机构1和转向器的速比都是固定的，而十字轴万向节传动机构的速比是随转角逐渐变化的，这样就可以实现可变速比转向的功能。

值得说明的是，单十字轴万向节的可变速比转向系统的工作原理如下，

转向管柱3的其转角为转速为ω₁。转向传动轴4的转角为转速为ω₂，十字轴万向节输入端与输出端的夹角为α。定义在图7所示位置(汽车处于直线运动)时，

由几何关系可知：

故可知，转向管柱3与转向传动轴4的传动比i₁₂可以随转向管柱3的转角变化，如图8所示。

实施例2：

参见图3和图4，本实施例公开基于十字轴万向节的可变速比转向系统，包括方向盘1、一级减速机构2、转向管柱3、十字轴万向节传动机构、转向传动轴4和转向器。

所述一级减速机构2为一级定速比减速器。所述一级减速机构2的输入端连接所述方向盘1的输出端，所述一级减速机构2的输出端连接所述转向管柱3的输入端。即一级定速比减速器的输入轴与方向盘1的输出轴连接，一级定速比减速器的输出轴与转向管柱3的输入轴连接。

将所述转向管柱3转动的角度记为当所述方向盘1处于初始状态时，即汽车处于直行状态时，所述转向管柱3转动的角度为0。当所述方向盘1旋转时，所述一级减速机构2通过将方向盘1的旋转运动减速传递给所述转向管柱3，其减速比要保证，在从汽车处于直行状态到右转或左转到极限位置的过程中，使转向管柱3转动的角度范围为一级减速机构2可采用行星齿轮机构或平行齿轮轴机构等可以实现定速比减速功能的机构。

所述十字轴万向节传动机构包括N个十字轴万向节运动副5。其中，N的范围为，2≤N≤5，且N为整数，在本实施例中，采用两个十字轴万向节运动副5，即双十字轴万向节。

两个十字轴万向节运动副5之间通过转向中间轴8连接。

所述十字轴万向节传动机构的输入端连接所述转向管柱3的输出端，即第一个十字轴万向节运动副5的输入轴连接所述转向管柱3的输出轴。所述十字轴万向节传动机构的输出端连接所述转向传动轴4的输入端，即第二个十字轴万向节运动副5的输出轴连接所述转向传动轴4的输入轴。当所述转向管柱3转动的角度为0时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比最小，即汽车处于直行状态时，两个十字轴万向节运动副5的传动速比最小。当所述转向管柱3转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大，即汽车从直行状态到右转极限的过程中，两个十字轴万向节运动副5的传动速比逐渐增大。当所述转向管柱3转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大，即汽车从直行状态到左转极限的过程中，两个十字轴万向节运动副5的传动速比逐渐增大。

所述转向管柱3、转向传动轴4和转向中间轴8的轴线处于同一平面。

所述转向器为定速比转向器。所述转向器连接在所述转向传动轴4的输出端。所述转向器指的是将转向传动轴4的转动转换为轮胎绕主销的转动的传动机构，所述转向器为齿轮齿条式转向器或循环球式转向器，在本实施例中，采用齿轮齿条式转向器，该齿轮齿条式转向器包括齿轮齿条机构6，以及与齿轮齿条机构6连接的转向横拉杆7。

在所述方向盘1转动时，转矩首先经一级减速机构2减速后传递至所述转向管柱3，通过转向管柱3再将旋转运动传递至所述十字轴万向节传动机构，经过十字轴万向节传动机构的第一个十字轴万向节运动副5传递至第二个十字轴万向节运动副5，每一个十字轴万向节运动副5的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴4，转向传动轴4再通过齿轮齿条机构6将旋转运动转化为平移运动传递给转向横拉杆7，转向横拉杆7再推动左右车轮转动，从而实现汽车的转向。

在整个传动过程中，一级减速机构1和转向器的速比都是固定的，而十字轴万向节传动机构的速比是随转角逐渐变化的，这样就可以实现可变速比转向的功能。

值得说明的是，双十字轴万向节的可变速比转向系统的工作原理如下，

转向管柱3，转角为转速为ω₁。转向中间轴8，转角为转速为ω₂。转向传动轴4，转角为转速为ω₃。第一个十字轴万向节输入端与输出端的夹角为α，第二个十字轴万向节输入端与输出端的夹角为β，定义在如图9所示位置(汽车处于直线运动)时，

由几何关系可知：

故可知，转向管柱3与转向传动轴4的传动比i₁₃可以随转向管柱3的转角变化，如图10所示。与实施例1中的单十字轴万向节转向系统相比，在万向节输入端与输出端之间的夹角相同时，双十字轴万向节转向系统具有更大的传动比变化幅值，而在转向管柱3与转向传动轴4的夹角相同时，双十字轴万向节转向系统可以减小每一个万向节输入端与输出端之间的夹角，从而减小对万向节的磨损。

实施例3：

参见图5和图6，本实施例公开基于十字轴万向节的可变速比转向系统，包括方向盘1、一级减速机构2、转向管柱3、十字轴万向节传动机构、转向传动轴4和转向器。

所述一级减速机构2为一级定速比减速器。所述一级减速机构2的输入端连接所述方向盘1的输出端，所述一级减速机构2的输出端连接所述转向管柱3的输入端。即一级定速比减速器的输入轴与方向盘1的输出轴连接，一级定速比减速器的输出轴与转向管柱3的输入轴连接。

将所述转向管柱3转动的角度记为当所述方向盘1处于初始状态时，即汽车处于直行状态时，所述转向管柱3转动的角度为0。当所述方向盘1旋转时，所述一级减速机构2通过将方向盘1的旋转运动减速传递给所述转向管柱3，其减速比要保证，在从汽车处于直行状态到右转或左转到极限位置的过程中，使转向管柱3转动的角度范围为一级减速机构2可采用行星齿轮机构或平行齿轮轴机构等可以实现定速比减速功能的机构。

所述十字轴万向节传动机构包括N个十字轴万向节运动副5。其中，N的范围为，2≤N≤5，且N为整数。本实施中,N的取值为2＜N≤5。

N个十字轴万向节运动副5之间通过转向中间轴8连接。

所述十字轴万向节传动机构的输入端连接所述转向管柱3的输出端，即第一个十字轴万向节运动副5的输入轴连接所述转向管柱3的输出轴。所述十字轴万向节传动机构的输出端连接所述转向传动轴4的输入端，即最后一个十字轴万向节运动副5的输出轴连接所述转向传动轴4的输入轴。当所述转向管柱3转动的角度为0时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比最小，即汽车处于直行状态时，N个十字轴万向节运动副5的传动速比最小，即每个万向节运动副5的输入轴的节叉在竖直平面内。当所述转向管柱3转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大，即汽车从直行状态到右转极限的过程中，N个十字轴万向节运动副5的传动速比逐渐增大。当所述转向管柱3转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大，即汽车从直行状态到左转极限的过程中，N个十字轴万向节运动副5的传动速比逐渐增大。

所述转向管柱3、转向传动轴4和转向中间轴8的轴线处于同一平面。

所述转向器为定速比转向器。所述转向器连接在所述转向传动轴4的输出端。所述转向器指的是将转向传动轴4的转动转换为轮胎绕主销的转动的传动机构，所述转向器为齿轮齿条式转向器或循环球式转向器，在本实施例中，采用齿轮齿条式转向器，该齿轮齿条式转向器包括齿轮齿条机构6，以及与齿轮齿条机构6连接的转向横拉杆7。

在所述方向盘1转动时，转矩首先经一级减速机构2减速后传递至所述转向管柱3，通过转向管柱3再将旋转运动传递至所述十字轴万向节传动机构，经过十字轴万向节传动机构的第一个十字轴万向节运动副5依次传递至最后一个十字轴万向节运动副5，每一个十字轴万向节运动副5的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴4，转向传动轴4再通过齿轮齿条机构6将旋转运动转化为平移运动传递给转向横拉杆7，转向横拉杆7再推动左右车轮转动，从而实现汽车的转向。

在整个传动过程中，一级减速机构1和转向器的速比都是固定的，而十字轴万向节传动机构的速比是随转角逐渐变化的，这样就可以实现可变速比转向的功能。

值得说明的是，N个十字轴万向节的可变速比转向系统的工作原理如下，

转向管柱3，转角为转速为ω₁。第一根转向中间轴8，转角为转速为ω₂。最后一根转向中间轴8，转角为转速为ω_N。转向传动轴4，转角为转速为ω_N+1。第一个十字轴万向节输入端与输出端的夹角为α₁，第二个十字轴万向节输入端与输出端的夹角为α₂，第N个十字轴万向节输入端与输出端的夹角为α_N，定义在如图11所示位置(汽车处于直线运动)时，

由几何关系可知：

故可知，转向管柱3与转向传动轴4的传动比i_1(N+1)可以随转向管柱3的转角变化，如图12所示。与实施例2中的双十字轴万向节转向系统相比，在实际生产中，不考虑系统复杂性的情况下，在万向节输入端与输出端之间的夹角相同时，N个十字轴万向节转向系统具有更大的传动比变化幅值，而在转向管柱3与转向传动轴4的夹角相同时，N越大，每一个万向节输入轴与输出轴之间的夹角就会越小，万向节运动副的磨损就会进一步减小。

值得说明的是，随着N的增加，整个系统的重量会增加，机械效率会降低，对十字轴万向节的减磨作用也会下降，故N的取值应在合理的范围内，不超过5为宜。

Claims (5)

1.基于十字轴万向节的可变速比转向系统，其特征在于：包括所述方向盘(1)、一级减速机构(2)、转向管柱(3)、十字轴万向节传动机构、转向传动轴(4)和转向器；

所述一级减速机构(2)为一级定速比减速器；所述一级减速机构(2)的输入端连接所述方向盘(1)的输出端，所述一级减速机构(2)的输出端连接所述转向管柱(3)的输入端；

将所述转向管柱(3)转动的角度记为当所述方向盘(1)处于初始状态时，所述转向管柱(3)转动的角度为0；当所述方向盘(1)旋转时，所述一级减速机构(2)通过将方向盘(1)的旋转运动减速传递给所述转向管柱(3)，使转向管柱(3)转动的角度范围为

所述十字轴万向节传动机构包括一个十字轴万向节运动副(5)；

所述十字轴万向节运动副(5)的输入端连接所述转向管柱(3)的输出端；所述十字轴万向节运动副(5)的输出端连接所述转向传动轴(4)的输入端；当所述转向管柱(3)转动的角度为0时，所述十字轴万向节运动副(5)的传动速比最小；当所述转向管柱(3)转动的角度从0到时，所述十字轴万向节运动副(5)的传动速比逐渐增大；当所述转向管柱(3)转动的角度从0到时，所述十字轴万向节运动副(5)的传动速比逐渐增大；

所述转向器为定速比转向器；所述转向器连接在所述转向传动轴(4)的输出端。

在所述方向盘(1)转动时，转矩经一级减速机构(2)减速后传递至所述转向管柱(3)，通过转向管柱(3)传递至所述十字轴万向节传动机构，所述十字轴万向节运动副(5)的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴(4)后，传递至所述转向器。

2.基于十字轴万向节的可变速比转向系统，其特征在于：包括方向盘(1)、一级减速机构(2)、转向管柱(3)、十字轴万向节传动机构、转向传动轴(4)和转向器；

所述一级减速机构(2)为一级定速比减速器；所述一级减速机构(2)的输入端连接所述方向盘(1)的输出端，所述一级减速机构(2)的输出端连接所述转向管柱(3)的输入端；

将所述转向管柱(3)转动的角度记为当所述方向盘(1)处于初始状态时，所述转向管柱(3)转动的角度为0；当所述方向盘(1)旋转时，所述一级减速机构(2)通过将方向盘(1)的旋转运动减速传递给所述转向管柱(3)，使转向管柱(3)转动的角度范围为

所述十字轴万向节传动机构包括N个十字轴万向节运动副(5)；其中，N的范围为，2≤N≤5，且N为整数；

N个所述十字轴万向节运动副(5)之间通过转向中间轴(8)连接；

所述十字轴万向节传动机构的输入端连接所述转向管柱(3)的输出端；所述十字轴万向节传动机构的输出端连接所述转向传动轴(4)的输入端；当所述转向管柱(3)转动的角度为0时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比最小；当所述转向管柱(3)转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大；当所述转向管柱(3)转动的角度从0到时，所述十字轴万向节传动机构的传动速比逐渐增大；

所述转向器为定速比转向器；所述转向器连接在所述转向传动轴(4)的输出端；

在所述方向盘(1)转动时，转矩经一级减速机构(2)减速后传递至所述转向管柱(3)，通过转向管柱(3)传递至所述十字轴万向节传动机构，十字轴万向节传动机构的传动速比随转角逐渐变化，将转矩变速比的传递至所述转向传动轴(4)后，传递至所述转向器。

3.根据权利要求1或2所述的基于十字轴万向节的可变速比转向系统，其特征在于：所述转向器为齿轮齿条式转向器或循环球式转向器。

4.根据权利要求1所述的基于十字轴万向节的可变速比转向系统，其特征在于：所述转向管柱(3)与所述转向传动轴(4)的轴线相交。

5.根据权利要求2所述的基于十字轴万向节的可变速比转向系统，其特征在于：所述转向管柱(3)、转向传动轴(4)和转向中间轴(8)的轴线处于同一平面。