CN110497957A - 转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种转向装置，包括：转向机；第一横拉杆，连接于转向机的左右两端；第一转向臂，与第一横拉杆连接；车轮转向角可变机构，包括车轮转向电机和车轮转向角叠加机构；车轮转向角叠加机构安设于悬架中，具有第一输入轴、第二输入轴和输出轴，第一输入轴与第一转向臂连接，车轮转向电机驱动第二输入轴，第一输入轴与第二输入轴的转角输入合成为输出轴的转角输出,输出轴带动车轮转向。在每个车轮附近的悬架中安设的车轮转向角叠加机构，其输出轴带动车轮转向，车轮转向电机驱动车轮可实现高达90°的转向角，简化了泊车过程；其还与转向机连接，正常行驶时车轮转向电机与转向机的转角输入叠加后驱动车轮转向，降低了对转向控制系统的要求。

Description

转向装置
技术领域
本发明涉及一种用于使车轮绕着主销轴线转向的转向装置，尤其涉及车轮的转向角高达90度的转向装置的改良方案。
背景技术
ROMO(Schaub,A.；Brembeck,J.；HO,L.M.；Sattzger,C.；Tobolar,J.；Bals,J.；Hirzinger:ROMO–The Robotic Electric Vehicle.In:22nd IAVSD InternationalSymposium on Dynamics of Vehicle on Roads and Tracks,2011)是一种4WID/4WIS(即四轮独立驱动/四轮独立转向)车辆，其采用四个轮内马达独立驱动由双横臂悬架支撑的车轮，安设在上横臂上方的四个转向电机独立驱动转向节，从而使车轮的最大转向角达到90°，因此可以实现原位转向、定点转向和横向行驶，显著提高了车辆机动性。
然而，基于线控转向技术的四轮独立转向系统具有以下缺点：线控转向技术并未成熟，其可靠性还有待验证，尚未达到可以放心在车辆上大规模推广应用的程度；独立转向装置除了显见的高可靠性要求外，两侧车轮的运动学和动力学协调控制也要求极高，而这却是车辆正常行驶所必须保证的，而低速转向只是车辆使用中极短暂的一个过程，即为了实现更高的但并不常用的低速转向性能却显著提高了转向系统的技术难度，虽然已公开的技术方案表现出了引人入胜的独特性能，但其技术难度之高却也是显著的，因此难以在近期或未来一段时期内投入实际使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺点，提供一种转向装置，在可以实现车轮的转向角高达90度的前提下，显著降低对转向控制系统的要求。
本发明的转向装置，包括：转向机；第一横拉杆，连接于所述转向机的左右两端；转向臂，与所述第一横拉杆连接；车轮转向角可变机构，包括车轮转向电机和车轮转向角叠加机构，所述车轮转向角叠加机构安设于悬架中，具有第一输入轴、第二输入轴和输出轴，所述第一输入轴与所述第一转向臂连接，所述车轮转向电机驱动所述第二输入轴，所述第一输入轴与所述第二输入轴的转角输入合成为所述输出轴的转角输出，所述输出轴带动车轮转向。
根据本发明所述的转向装置，所述悬架包括转向节、万向节和横摆臂，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述横摆臂固接，主销轴线过所述万向节的中心。
根据本发明所述的转向装置，所述悬架包括转向节、万向节和横摆臂，所述车轮转向角叠加机构固设于所述横摆臂上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述转向节固接，主销轴线过所述万向节的中心。
根据本发明所述的转向装置，所述悬架包括转向节、万向节和转向节托架，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述转向节托架固接，主销轴线过所述万向节的中心。
根据本发明所述的转向装置，所述悬架包括转向节、万向节和转向节托架，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节托架上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述转向节固接，主销轴线过所述万向节的中心。
根据本发明所述的转向装置，所述悬架包括转向节、销轴和横摆臂，所述销轴与所述横摆臂铰接，所述转向节的下端通过轴承支撑在所述销轴上，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节上，所述输出轴与所述销轴固接，主销轴线与所述销轴的轴线重合。
根据本发明所述的转向装置，所述悬架包括转向节和横摆臂，所述车轮转向角叠加机构与所述横摆臂铰接，所述输出轴与所述转向节的下端固接，主销轴线与所述输出轴的轴线重合。
根据本发明所述的转向装置，所述转向机通过转向柱与方向盘连接。
根据本发明所述的转向装置，所述转向机与转向机伺服马达连接。
根据本发明所述的转向装置，所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接；所述车轮转向电机安设于所述悬架中，且直接驱动所述第二输入轴转动。
根据本发明所述的转向装置，所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接；中间齿轮和输出齿轮，所述行星架与所述中间齿轮固接，与所述中间齿轮啮合的输出齿轮与所述输出轴固接，所述中间齿轮与所述输出齿轮的齿数比为1；所述车轮转向电机安设于所述悬架中，且直接驱动所述第二输入轴转动。
根据本发明所述的转向装置，所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括第二转向臂、第二横拉杆和旋转-直线转换机构，所述第二转向臂与所述第二输入轴固接，所述车轮转向电机通过所述旋转-直线转换机构后拉动所述第二横拉杆使所述第二输入轴转动；所述旋转-直线转换机构带有锁止机构。
根据本发明所述的转向装置，所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；中间齿轮和输出齿轮，所述行星架与所述中间齿轮固接，与所述中间齿轮啮合的输出齿轮与所述输出轴固接，所述中间齿轮与所述输出齿轮之间的齿数比为1；所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括第二转向臂、第二横拉杆和旋转-直线转换机构，所述第二转向臂与所述第二输入轴固接，所述车轮转向电机通过所述旋转-直线转换机构后拉动所述第二横拉杆使所述第二输入轴转动；所述旋转-直线转换机构带有锁止机构。
根据本发明所述的转向装置，所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接；所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括转向传动轴，所述转向传动轴与所述蜗杆连接，所述车轮转向电机通过所述转向传动轴驱动所述第二输入轴转动。
根据本发明所述的转向装置，所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接；中间齿轮和输出齿轮，所述行星架与所述中间齿轮固接，与所述中间齿轮啮合的输出齿轮与所述输出轴固接，所述中间齿轮与所述输出齿轮的齿数比为1；所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括转向传动轴，所述转向传动轴与所述蜗杆连接，所述车轮转向电机通过所述转向传动轴驱动所述第二输入轴转动。
本发明的转向装置，在每个车轮附近的悬架中安设了一个车轮转向角叠加机构，其输出轴带动车轮转向，车轮转向电机驱动车轮可实现高达90°的转向角，简化了泊车过程；其还与转向机连接，正常行驶时车轮转向电机与转向机的转角输入叠加后驱动车轮转向，因此降低了对转向控制系统的要求。
附图说明
图1是本发明一具体实施例所涉及的转向装置的结构示意图；
图2是安设图1所示转向装置的车辆的车轮转向角的构成示意图；
图3是安设图1所示转向装置的车辆可实现的多种转向模式示意图；
图4是本发明另一具体实施例所涉及的转向装置与悬架集成的结构示意图；
图5是本发明又一具体实施例所涉及的转向装置与悬架集成的结构示意图；
图6是本发明又一具体实施例所涉及的转向装置与悬架集成的结构示意图；
图7是本发明又一具体实施例所涉及的转向装置与悬架集成的结构示意图；
图8是本发明又一具体实施例所涉及的转向装置与车辆集成的结构示意图；
图9是本发明又一具体实施例所涉及的转向装置与车辆集成的结构示意图；
图10是本发明又一具体实施例所涉及的车轮转向角可变机构的结构示意图；
图11是本发明又一具体实施例所涉及的车轮转向角可变机构的结构示意图；
图12是本发明又一具体实施例所涉及的车轮转向角可变机构的结构示意图；
图13是本发明又一具体实施例所涉及的车轮转向角可变机构的结构示意图。
图中：100-转向装置；110-转向机；120-第一横拉杆；130-第一转向臂；140-车轮转向角可变机构；141-车轮转向电机；142-车轮转向角叠加机构；1421-第一输入轴；1422-第二输入轴；1423-输出轴；1424-行星齿轮机构；1425-太阳轮；1426-行星架；1427-齿圈；1428-内行星轮；1429-外行星轮；1430-蜗轮；1431-蜗杆；1432-中间齿轮；1433-输出齿轮；143-第二转向臂；144-第二横拉杆；145-旋转-直线转换机构；146-转向传动轴；150-转向柱；160-方向盘；170-转向机伺服电机；200-悬架；210-转向节；220-万向节；230-销轴；240-横摆臂；250-转向节托架；260-轴承；300-车体；400-车轮；500-轮内电机。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。应理解，实施例仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。
[基本原理]
如图1所示，转向装置100包括：转向机110；第一横拉杆120，连接于转向机110的左右两端；第一转向臂130，与第一横拉杆120连接；车轮转向角可变机构140，包括车轮转向电机141和车轮转向角叠加机构142，车轮转向角叠加机构142设于悬架200中，具有第一输入轴1421、第二输入轴1422和输出轴1423，第一输入轴1421与第一转向臂130连接，车轮转向电机141驱动第二输入轴1422，第一输入轴1421与第二输入轴1422的转角输入合成为输出轴1423的转角输出，输出轴1423带动车轮400转向。
如图2所示，车轮400的转向角由式(1)确定：
δi＝αi+βi i＝1，2，…n (1)
式中，δi是车轮400的转向角，αi是转向机110产生的车轮转向角，βi是车轮转向电机141产生的车轮转向角，n是车轮的个数，δi、αi和βi的符号可为正，也可为负。
由式(1)可知，车轮400的转向角δi由两部分构成，一是转向机110产生的车轮转向角αi，一是车轮转向电机141产生的车轮转向角βi，即每个车轮400的转向角是转向机110和转向电机141共同作用的结果，因此带来了如下的有益效果：由于左右两车轮之间通过转向机110有机械联系，并不是完全基于线控转向技术的独立转向装置，因此降低了对左右两侧车轮的运动学和动力学协调控制的要求；转向机110单独实现的车轮400的转向角αi，虽然转向梯形根据阿克曼几何条件进行优化设计，但αi仍然是近似的阿克曼转向角，当车轮转向电机141也产生车轮转向角βi，则可以在αi的基础上根据阿克曼几何条件单独调整，从而实现精确的阿克曼转向角，降低轮胎磨损等；在正常行驶过程中，借助于车轮转向角可变机构140，低速时βi与αi同向使转向轻盈灵敏，高速时βi与αi反向使转向稳健厚重；在泊车等需要大的车轮转向角时，转向机110可以设置αi＝0，由车轮转向电机141通过车轮转向角叠加机构142根据阿克曼几何条件设置每个车轮400的转向角βi，由输出轴1423带动车轮400实现高达90度的车轮转向角δi，从而进行侧向行驶、原位中心转向和定点转向；当车轮转向电机141出现故障时，车轮400的转向角由转向机110设置，因此显著降低了对于转向控制系统的可靠性要求。
如图3所示，安装有转向装置100的车辆可以实现多种转向模式，其中，图3a是前轮转向模式；图3b是四轮转向模式；图3c是斜向行驶模式；图3d是横向行驶模式；图3e原位转向模式；图3f是定点转向模式。
[悬架集成]
车轮转向角叠加机构142安设于悬架200中，悬架200包括转向节210，车轮400通过轮毂单元可旋转地安设于转向节210上，输出轴1423连接并带动转向节210转动，从而使车轮400转向。
现有的车辆悬架可分成两类，一类是转向节通过球铰链与悬架的非转动构件连接，另一类是转向节通过销轴与悬架的非转动构件连接。
对于上述第一类悬架，车轮转向角叠加机构142可以安设在转向节210上或悬架200的非转动构件上。由于要将车轮转向角叠加机构142的输出传递到悬架200的非转动构件或转向节210上，因此可以采用万向节220来替代球铰链，并保证主销轴线经过万向节220的中心。
万向节220，可以是十字轴万向节，其一端与转向节210或者悬架200的非转动构件上，另一端与输出轴1423连接。万向节220还可以是球笼式万向节，也可以是其他类型的万向节。
车轮转向角叠加机构142可以固设在转向节210上，输出轴1423与万向节220一端连接，万向节220另一端固定在悬架200的非转动构件上，万向节220的中心与其他球铰链或者支撑形成主销轴线。当第一输入轴1421和/或第二输入轴1422有输入时，由于输出轴1423被固定在悬架200的非转动构件上，因此转向节210和车轮转向角叠加机构142一起绕主销轴线转动，从而带动车轮400转向。
车轮转向角叠加机构142也可以固设在悬架200的非转动构件上，输出轴1423与万向节220一端连接，万向节220的另一端与转向节210固接，万向节220的中心与其他球铰链或者支撑形成主销轴线。当第一输入轴1421和/或第二输入轴1422有输入时，输出轴1423通过万向节220带动转向节210绕主销轴线转动，从而使车轮400转向。
车轮转向角叠加机构142固设在转向节210上的方式，由于车轮转向角叠加机构142也随车轮400一起转向，因此转动惯量比车轮转向角叠加机构142固设在悬架200的非转动构件上的方式的略大，但前者基本不用再考虑车轮转向角叠加机构142在车轮400转动时与附近构件干涉的问题，布置更加灵活。
对于上述第二类悬架，车轮转向角叠加机构142可以固设在转向节210上，输出轴1423与销轴230连接，销轴230固定在悬架200的非转动构件上，销轴230的轴线形成主销轴线。当第一输入轴1421和/或第二输入轴1422有输入时，由于输出轴1423因与固定的销轴230连接而被固定，因此转向节210和车轮转向角叠加机构142均绕主销轴线转动，从而带动车轮400转向。
车轮转向角叠加机构142也可以固设在悬架200的非转动构件上，输出轴1423与销轴230连接，销轴230可转动地安设在悬架200的非转动构件上，销轴230的轴线形成主销轴线，销轴230与转向节210固接。当第一输入轴1421和/或第二输入轴1422有输入时，输出轴1423带动销轴230和转向节210绕主销轴线转动，从而使车轮400转向。
与第一类悬架类似，车轮转向角叠加机构142固设在转向节210上或悬架200的非转动构件上的两种方式，也具有相同的优点或缺点。
如图4所示，悬架200包括转向节210、万向节220和横摆臂240，车轮转向角叠加机构142固设于横摆臂240上，输出轴1423与万向节220的一端固接，万向节220的另一端与转向节210固接，主销轴线过万向节220的中心。
悬架200可以在麦克弗逊悬架的基础上修改而成。现有的麦克弗逊悬架还包括弹簧支柱，弹簧支柱的上支撑可转动地与车体连接，其下端固接转向节，转向节的下端通过球铰链与横摆臂连接，球铰链的中心与上支撑形成了主销轴线。悬架200以万向节220取代了球铰链，其不仅承担了原有球铰链的功能，而且还能够在转向节210与横摆臂240之间传递车轮转向角叠加机构142的输出。
悬架200也可以在双横臂悬架的基础上修改而成。现有的双横臂悬架还包括另一个横摆臂，转向节通过两个球铰链分别与两个横摆臂连接，两球铰链的中心形成了主销轴线。任意选择其中一个摆臂和对应的球铰链进行修改后即可得到悬架200。
其他类型的悬架，只要是转向节通过球铰链与横摆臂连接，则可以进行相应的修改，从而得到安设了车轮转向角叠加机构142的悬架200。
车轮转向角叠加机构142也可固设于转向节21上，输出轴1423与万向节22的一端固接，万向节22的另一端与横摆臂24固接，主销轴线过万向节22的中心。悬架200也可以在麦克弗逊悬架、双横臂悬架或者转向节通过球铰链与横摆臂连接的悬架的基础上进行相应的修改而得。
如图5所示，悬架200包括转向节210、万向节220和转向节托架250，车轮转向角叠加机构142固设于转向节210上，输出轴1423与万向节220的一端固接，万向节22的另一端与转向节托架250固接，主销轴线过万向节220的中心。
悬架200可以在RevoKnuckle悬架的基础上修改而成。现有的RevoKnuckle悬架还包括弹簧支柱，弹簧支柱的上支撑不可转动地与车体连接，其下端固接转向节托架的上端，转向节托架的下端通过铰链与横摆臂连接，转向节通过两个球铰链可转动地支撑在转向节托架上，两个球铰链的中心形成主销轴线。悬架200以万向节220取代了其中一个球铰链，其不仅承担了原有球铰链的功能，而且还能够在转向节210与转向节托架250之间传递车轮转向角叠加机构142的输出。
悬架200也可以在HiPer Strut悬架的基础上修改而成。与RevoKnuckle悬架相比，HiPer Strut悬架的转向节通过一个球铰链和一个销轴可转动地支撑在转向节托架上，球铰链的中心过销轴轴线，销轴的轴线形成了主销轴线。将球铰链换成万向节220，万向节220的中心过销轴轴线，可以得到悬架200。
其他类型的悬架，只要是转向节通过球铰链与转向节托架连接，则可以进行相应的修改，从而得到安设了车轮转向角叠加机构142的悬架200。
车轮转向角叠加机构142也可以固设于转向节托架250上，输出轴1423与万向节220的一端固接，万向节220的另一端与转向节210固接，主销轴线过万向节220的中心。悬架200也可以在RevoKnucke悬架、HiPer Strut悬架或者转向节通过球铰链支撑在转向节托架上的悬架的基础上进行相应的修改而得。
如图6所示，悬架200包括转向节210、销轴230和横摆臂240，销轴230与横摆臂240铰接，转向节210的下端通过轴承260支撑在销轴230上，车轮转向角叠加机构142固设于转向节210上，输出轴1423与销轴230固接，主销轴线与销轴230的轴线重合。
悬架200可以在麦克弗逊悬架的基础上修改而成。现有的麦克弗逊悬架的转向节的下端通过球铰链与横摆臂连接。该球铰链的功能可以等效为一个铰接在横摆臂端部的销轴，该销轴的轴线过弹簧支柱的上支撑，从而构成主销轴线。悬架200以具有如此功能的销轴230取代了球铰链，其不仅承担了原有球铰链的功能，而且还能够在转向节210与横摆臂240之间传递车轮转向角叠加机构142的输出。也可以取消销轴230和轴承260，输出轴1423还承担销轴230的功能，输出轴1423的轴承还承担轴承260的功能。
如图7所示，悬架200包括转向节210和横摆臂240，车轮转向角叠加机构142与横摆臂240铰接，输出轴1423与转向节210的下端固接，主销轴线与输出轴1423的轴线重合。车轮转向角叠加机构142的壳体可以设计成合适的形状，从而铰接在横摆臂240的端部，输出轴1423带动转向节210转动，从而使车轮400转向。
对于其他类型的包含销轴且销轴相对于其支撑构件没有摆动的悬架，例如刚性桥或拖曳臂悬架，转向节210与销轴230固接并通过轴承可转动地支撑在桥身或者拖曳臂的端部，车轮转向角叠加机构142可以安设在桥身或拖曳臂上，输出轴1423驱动销轴230和转向节210转动，从而带动车轮400转向；销轴230也可以固接在桥身或者拖曳臂的端部，转向节210可转动地支撑在销轴230上，车轮转向角叠加机构142安设在转向节210上，输出轴1423与销轴230固接，因输出轴1423被固定，车轮转向角叠加机构142就带着转向节210一起转动，从而带动车轮400进行转向。
[车辆集成]
如图8所示，转向机110是齿轮-齿条式转向机。转向机110还可以是循环球式转向机，也可以其他类型的转向机。
转向机110可以安设在较低的位置，例如副车架上，也可以安设在较高的位置，例如高于车轮的车身处，还可以安设在其他位置。
车轮400由安设在车轮400内的轮内电机500驱动。轮内电机500，可以是直接驱动车轮400的低速电机，也可以是经过轮内减速器后驱动车轮400的高速电机。
转向机110通过转向柱150与方向盘160连接。对于有人驾驶的车辆，驾驶员操纵方向盘160使车辆转向。方向盘160可以是常规的方向盘，也可以是操纵杆，还可以是其他类型的方向操纵输入装置。
如图9所示，转向机110与转向机伺服电机170连接。对于无人驾驶车辆，转向机110接收来自于转向机伺服电机170的输入，从而带动车轮400转向。而对于有人驾驶的四轮转向车辆，安设于后桥的转向机110在转向机伺服电机170的驱动下带动后轮转向。安设于后桥的转向机110也可以通过连杆或拉索与方向盘160连接，并不以此为限制。对于多轴转向车辆，可以通过连杆或拉索与方向盘160连接，也可以对每个转向机110安设一转向机伺服电机170，从而设置转向机110的输入。
[具体结构]
车轮转向电机141可以安设于悬架200中，也可以安设于车体300上。当车轮转向电机141安设于悬架200中，其与车轮转向角叠加机构142可以直接连接，因此传动方式简单；而当车轮转向电机141安设于车体300上时，由于不随车轮400一起上下跳动，因此非悬挂质量较小。
如图10所示，车轮转向角叠加机构142包括：行星齿轮机构1424，其包括太阳轮1425、行星架1426、齿圈1427及安设在行星架1426上的内行星轮1428和外行星轮1429，内行星轮1428与外行星轮1429啮合，外行星轮1429与齿圈1427啮合，内行星轮1428与太阳轮1425啮合，太阳轮1425与第一输入轴1421固接，行星架1426与输出轴1423固接，行星齿轮机构1424的结构特征参数k为2；具有自锁性的蜗轮1430与蜗杆1431，齿圈1427与蜗轮1430固接，蜗杆1431与第二输入轴1422固接；车轮转向电机141安设于悬架200中，且直接驱动第二输入轴1422转动。
根据运动学方程可得到行星齿轮机构1424的转角方程如式(2)所示，其中，θt、θq、θj分别是太阳轮1425的转角、齿圈1427的转角、行星架1426的转角,k是行星齿轮机构1424的结构特征参数，定义为齿圈1427与太阳轮1425的齿数比，即k＝Zq/Zt，Zq和Zt分别是齿圈1427的齿数、太阳轮1425的齿数：
θt-kθq+(k-1)θj＝0 (2)
当k＝2时，由式(2)可得式(3)：
θt+θj＝2θq (3)
当车轮转向电机141出现故障时，蜗轮1430与蜗杆1431自锁，则θq＝0。由式(3)可知，当θq＝0，θt与θj大小相等且方向相反，即由转向机110通过第一横拉杆120使车轮转向的方向与车轮的实际转向方向相反，这可以通过将转向机110的输出反向来获得合适的第一横拉杆120的运动方向。对于齿轮-齿条式转向机，只要将齿轮和齿条的上下位置颠倒，即可得到所需的第一横拉杆120的运动方向。
行星齿轮机构1424为双星内外啮合的单行星排，其结构简单，零件数量少，体积紧凑，而且由于相互啮合的齿轮数量少，因此齿隙也更易于控制，可以实现更精确的车轮转向角。
行星齿轮机构1424也可以是谐波齿轮机构，还可以是锥齿轮差速器，或者其他类型的差动行星齿轮机构。
蜗轮1430与蜗杆1431不仅对车轮转向电机141进行减速增扭，而且在车轮转向电机141出现故障时锁止第二输入轴1422，即还具有锁止机构的功能。其他类型的可以起到减速和/或锁止功能的传动机构也是可以的。
转向角叠加机构142的输出轴1423的轴线与第一输入轴1421的轴线可以同轴，也可以不同轴，以满足不同的布置要求。
如图11所示，行星架1426与中间齿轮1432固接，中间齿轮1432与输出齿轮1433啮合，输出齿轮1433与输出轴1423固接，中间齿轮1432与输出齿轮1433的齿数比为1。
输出轴1423的轴线可以与第一输入轴1421轴线平行，也可以不平行，即中间齿轮1432和输出齿轮1433可以是轴线平行的一对齿轮，也可以是轴线空间交错的一对齿轮。
由于增加了中间齿轮1432与输出齿轮1433，输出轴1423的转动方向与第一输入轴1421的相同，可以获得合适的第一横拉杆120的运动方向，对于齿轮-齿条式转向机也就不再需要齿轮和齿条的上下位置颠倒。
当车轮转向电机141安设于车体300上时，其与安设于悬架200中的车轮转向角叠加机构142之间需要通过一种传动方式进行连接，从而把车轮转向电机141的输出传递到车轮转向角叠加机构142。有两种方式可以完成这一功能，一种是把车轮转向电机141的旋转输出转换成直线输出，推动或拉动第二输入轴1422，类似于常规转向机通过横拉杆拉动转向节臂；另一种是通过传动轴将车轮转向电机141的旋转输出直接或者减速后传递到车轮转向角叠加机构142附近，经过齿轮传动机构后驱动第二输入轴1422转动，从而带动车轮400转向。
如图12所示，在图10所示的车轮转向角叠加机构142的基础上，去掉具有自锁性的蜗轮1430与蜗杆1431，车轮转向角可变机构140还包括第二转向臂143、第二横拉杆144和旋转-直线转换机构145，第二转向臂143与第二输入轴1422固接，车轮转向电机141通过旋转-直线转换机构145后拉动第二横拉杆144，从而拉动第二转向臂143转动。
旋转-直线转换机构145可以是带有锁止机构的滚珠-丝杠机构，也可以是带有锁止机构的齿轮-齿条机构，还可以是其他类型的旋转-直线转换机构。
锁止机构，用于在车轮转向电机141出现故障时锁止第二输入轴1422，其可以是类似于具有自锁性的蜗轮蜗杆的机械式锁止机构，也可以是由棘轮、棘爪及其回位弹簧和电磁阀组成的电磁式锁止机构，还可以是其他类型的锁止机构。
对于输出轴1423的轴线不与第一输入轴1421轴线平行的情况，也可以增加中间齿轮1432和输出齿轮1433。
如图13所示，在图10所示的车轮转向角叠加机构142的基础上，将车轮转向电机141移动安设于车体300上，车轮转向角可变机构140还包括转向传动轴146，车轮转向电机141通过转向传动轴146驱动第二输入轴1422转动。对于输出轴1423的轴线不与第一输入轴1421轴线平行的情况，也可以增加中间齿轮1432和输出齿轮1433。
车轮转向电机141安设于车体300上，车体300可以是副车架，也可以是车身的某一部位，并不以此为限制。例如，车轮转向电机141可以立式安设在车轮400上方的车身上，转向传动轴146可以基本竖直布置，向下连接车轮转向角叠加机构142。
当转向机110向转向角叠加机构142的输入为零时，即第一输入轴1421的转角为零，则行星齿轮机构1424以第二输入轴1422为唯一输入时的传动比不大于0.5，即输出轴1423的转角至少应为第二输入轴1422的转角的两倍，当采用拉杆方式来拉动第二输入轴1422，第二转向臂143具有合适的方位以保证其可以向一侧至少转动45°，从而使车轮400向一侧的转向角达到90°。对于通过旋转方式来驱动第二输入轴1422，则没有传动比的限制，只要转向传动轴146具有合适的方位且能够弥补车轮400上下跳动和转向时带来的长度变化即可。
本发明具体实施例的转向装置，包括：转向机110；第一横拉杆120，连接于转向机110的左右两端；第一转向臂130，与第一横拉杆120连接；车轮转向角可变机构140，包括车轮转向电机141和车轮转向角叠加机构142，车轮转向角叠加机构142设于悬架200中，具有第一输入轴1421、第二输入轴1422和输出轴1423，第一输入轴1421与第一转向臂130连接，车轮转向电机141驱动第二输入轴1422，输出轴1423带动车轮400转向。由于在每个车轮400附近的悬架200中安设了一个车轮转向角叠加机构142，其输出轴1423带动车轮400转向，车轮转向电机141驱动车轮400可实现高达90°的转向角，简化了泊车过程；其还与转向机110连接，正常行驶时车轮转向电机141与转向机110的转角输入叠加后驱动车轮400转向，因此降低了对转向控制系统的要求。
本发明并不局限于上述实施例，而是覆盖在不脱离本发明的精神和范围的情况下所进行的所有改变和修改。这些改变和修改不应被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且所有诸如对于本领域技术人员来说显而易见的修改均应被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种转向装置，其特征在于，包括：
转向机；第一横拉杆，连接于所述转向机的左右两端；第一转向臂，与所述第一横拉杆连接；车轮转向角可变机构，包括车轮转向电机和车轮转向角叠加机构；所述车轮转向角叠加机构安设于悬架中，包括第一输入轴、第二输入轴和输出轴，所述第一输入轴与所述第一转向臂连接，所述车轮转向电机驱动所述第二输入轴，所述第一输入轴与所述第二输入轴的转角输入合成为所述输出轴的转角输出，所述输出轴带动车轮转向。
2.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述悬架包括：转向节、万向节和横摆臂，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述横摆臂固接，主销轴线过所述万向节的中心。
3.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述悬架包括：转向节、万向节和横摆臂，所述车轮转向角叠加机构固设于所述横摆臂上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述转向节固接，主销轴线过所述万向节的中心。
4.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述悬架包括：转向节、万向节和转向节托架，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述转向节托架固接，主销轴线过所述万向节的中心。
5.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述悬架包括：转向节、万向节和转向节托架，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节托架上，所述输出轴与所述万向节的一端固接，所述万向节的另一端与所述转向节固接，主销轴线过所述万向节的中心。
6.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述悬架包括：转向节、销轴和横摆臂，所述销轴与所述横摆臂铰接，所述转向节的下端通过轴承支撑在所述销轴上，所述车轮转向角叠加机构固设于所述转向节上，所述输出轴与所述销轴固接，主销轴线与所述销轴的轴线重合。
7.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述悬架包括：转向节和横摆臂，所述车轮转向角叠加机构与所述横摆臂铰接，所述输出轴与所述转向节的下端固接，主销轴线与所述输出轴的轴线重合。
8.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述转向机通过转向柱与方向盘连接。
9.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，
所述转向机与转向机伺服马达连接。
10.根据权利要求1至9任一项所述的转向装置，其特征在于，
所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接；所述车轮转向电机安设于所述悬架中，且直接驱动所述第二输入轴转动。
11.根据权利要求1至9任一项所述的转向装置，其特征在于，
所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接；中间齿轮和输出齿轮，所述行星架与所述中间齿轮固接，与所述中间齿轮啮合的输出齿轮与所述输出轴固接，所述中间齿轮与所述输出齿轮的齿数比为1；所述车轮转向电机安设于所述悬架中，且直接驱动所述第二输入轴转动。
12.根据权利要求1至9任一项所述的转向装置，其特征在于，
所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；
所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括第二转向臂、第二横拉杆和旋转-直线转换机构，所述第二转向臂与所述第二输入轴固接，所述车轮转向电机通过所述旋转-直线转换机构后拉动所述第二横拉杆使所述第二输入轴转动；所述旋转-直线转换机构带有锁止机构。
13.根据权利要求1至9任一项所述的转向装置，其特征在于，
所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；中间齿轮和输出齿轮，所述行星架与所述中间齿轮固接，与所述中间齿轮啮合的输出齿轮与所述输出轴固接，所述中间齿轮与所述输出齿轮的齿数比为1；
所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括第二转向臂、第二横拉杆和旋转-直线转换机构，所述第二转向臂与所述第二输入轴固接，所述车轮转向电机通过所述旋转-直线转换机构后拉动所述第二横拉杆使所述第二输入轴转动；所述旋转-直线转换机构带有锁止机构。
14.根据权利要求1至9任一项所述的转向装置，其特征在于，
所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接，所述行星架与所述输出轴固接；
所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括转向传动轴，所述转向传动轴与所述蜗杆连接，所述车轮转向电机通过所述转向传动轴驱动所述第二输入轴转动。
15.根据权利要求1至9任一项所述的转向装置，其特征在于，
所述车轮转向角叠加机构包括：行星齿轮机构，其包括太阳轮、行星架、齿圈及安设在所述行星架上的内行星轮和外行星轮，所述内行星轮与所述外行星轮啮合，所述外行星轮与所述齿圈啮合，所述内行星轮与所述太阳轮啮合，所述太阳轮与所述第一输入轴固接，所述齿圈与所述太阳轮的齿数比为2；具有自锁性的蜗轮与蜗杆，所述齿圈与所述蜗轮固接，所述蜗杆与所述第二输入轴固接；中间齿轮和输出齿轮，所述行星架与所述中间齿轮固接，与所述中间齿轮啮合的输出齿轮与所述输出轴固接，所述中间齿轮与所述输出齿轮的齿数比为1；
所述车轮转向电机安设于车体上；所述车轮转向角可变机构还包括转向传动轴，所述转向传动轴与所述蜗杆连接，所述车轮转向电机通过所述转向传动轴驱动所述第二输入轴转动。
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