CN110550098A - 用于正三轮车辆的辅助转向装置及正三轮车辆 - Google Patents

用于正三轮车辆的辅助转向装置及正三轮车辆 Download PDF

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CN110550098A CN201910874042.0A CN201910874042A CN110550098A CN 110550098 A CN110550098 A CN 110550098A CN 201910874042 A CN201910874042 A CN 201910874042A CN 110550098 A CN110550098 A CN 110550098A
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朱木江
钟京征
唐守涛
张则顺
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赵红艳
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Abstract

本申请提供了一种用于正三轮车辆的辅助转向装置及正三轮车辆，涉及车辆技术领域，用于正三轮车辆的辅助转向装置包括：转向驱动机构，设置于正三轮车辆的前悬架；减速机构，减速机构的输入端与转向驱动机构的输出端连接，减速机构的输出端与正三轮车辆的方向柱连接；转向驱动机构能够驱动减速机构以辅助方向柱旋转。本申请提供的用于正三轮车辆的辅助转向装置，通过转向驱动机构驱动减速机构以辅助方向柱旋转，将其应用于正三轮车辆，一定程度上解决了现在技术中正三轮车辆由驾驶员手动转向，转向过程缓慢费力，影响正三轮车辆的行驶，降低了驾乘人员的舒适性的技术问题。

Description

用于正三轮车辆的辅助转向装置及正三轮车辆
技术领域
本申请涉及车辆技术领域，尤其是涉及一种用于正三轮车辆的辅助转向装置及正三轮车辆。
背景技术
现有技术中的正三轮车辆，转向过程由驾驶员控制手把进行转向，这种转向过程缓慢费力，影响正三轮车辆的行驶，降低了驾乘人员的舒适性。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种正三轮车辆，目的在于，一定程度上解决现在技术中正三轮车辆由驾驶员手动转向，转向过程缓慢费力，影响正三轮车辆的行驶，降低了驾乘人员的舒适性的技术问题。
第一方面，本申请提供一种用于正三轮车辆的辅助转向装置，所述正三轮车辆的辅助转向装置包括：
转向驱动机构，设置于正三轮车辆的前悬架；
减速机构，所述减速机构的输入端与所述转向驱动机构的输出端连接，所述减速机构的输出端与所述正三轮车辆的方向柱连接；
所述转向驱动机构能够驱动所述减速机构以辅助所述方向柱旋转。
优选地，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括设置于所述前悬架的电子控制单元，所述电子控制单元用于通过控制流经所述转向驱动机构的目标电流来控制转向驱动机构的转速。
优选地，所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
扭矩传感器，设置于所述方向柱，所述扭矩传感器用于将所述方向柱所承受的阻力扭矩传递至所述电子控制单元；
所述电子控制单元通过所述扭矩传感器传递的阻力扭矩信号确定所述方向柱所承受的阻力扭矩的大小和方向，所述电子控制单元能够根据所述阻力扭矩的方向判断所述方向柱的转向的方向。
优选地，所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
车速传感器，设置于所述正三轮车辆的前轮，所述车速传感器用于将所述正三轮车辆的前轮的转速传递至所述电子控制单元；
所述电子控制单元能够根据所述阻力扭矩的大小和所述车速传感器传递的速度信号确定所述转向驱动机构所需转速。
优选地，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括与所述电子控制单元电连接的离合器，所述离合器包括：
主动端，所述主动端与所述转向驱动机构的输出端连接；
从动端，所述从动端与所述减速机构的输入端连接；
所述主动端能够在所述电子控制单元的控制下与所述从动端分离或者紧密贴合以中断或者开启所述转向驱动机构与所述减速机构之间的动力传输；
当所述阻力扭矩信号和所述速度信号中的一者或两者出现异常时，所述电子控制单元能够控制所述离合器中断所述转向驱动机构与所述减速机构之间的动力传输。
优选地，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
故障检测处理模块，与所述电子控制单元电连接，在所述电子控制单元启动后或者当所述阻力扭矩信号和所述速度信号中的一者或两者出现异常时，所述故障检测处理模块能够判断故障类型并提示处理故障。
优选地，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
电流传感器，与所述电子控制单元电连接并设置于所述转向驱动机构，所述电流传感器用于监测所述转向驱动机构的实际工作电流；
所述电流传感器能够将实际工作电流信号传递至所述电子控制单元，所述电子控制单元能够计算所述实际工作电流与所述目标电流的偏差来修正所述实际工作电流。
优选地，所述转向驱动机构为电机。
优选地，所述减速机构为蜗轮蜗杆减速机构，所述减速机构的输入端为蜗杆，所述减速机构的输出端为蜗轮，所述蜗轮套设于所述方向柱。
第二方面，本申请还提供一种正三轮车辆，所述正三轮车辆包括如上所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置。
本申请提供的用于正三轮车辆的辅助转向装置，通过转向驱动机构驱动减速机构以辅助所述方向柱旋转，将其应用于正三轮车辆，一定程度上解决了现在技术中正三轮车辆由驾驶员手动转向，转向过程缓慢费力，影响正三轮车辆的行驶，降低了驾乘人员的舒适性的技术问题。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了正三轮车辆的前轮部分的示意图；
图2示出了电子控制单元的控制流程图的示意图；
图3示出了电子控制单元的控制逻辑图的示意图；
图4示出了减速机构及其连接关系的示意图；
图5示出了转向驱动机构的示意图；
图6示出了图5中A-A方向的剖视图的示意图；
图7示出了对转向驱动机构的实际工作电流的PID控制逻辑图的示意图；
图8示出了离合器结构的示意图；
图9示出了扭矩传感器的示意图；
图10示出了扭矩传感器输出的电压信号与方向柱转向和转动幅度的关系的示意图；
图11示出了车速传感器的示意图；
图12示出了图11中B-B方向的剖视图的示意图；
图13示出了车速传感器的传感器电路的示意图；
图14示出了用于正三轮车辆的辅助转向装置提供的转向扭矩与阻力扭矩之间的关系的示意图。
附图标记：
1-转向驱动机构；11-转子；12-定子；2-减速机构；21-蜗轮；22-蜗杆；3-电子控制单元；4-扭矩传感器；41-感应线圈；42-磁性齿环；5-车速传感器；51-传感器软轴；52-磁体；53-传感器电路；6-离合器；61-主动端；611-滑环；612-磁化线圈；62-从动端；7-故障检测处理模块；8-方向柱；81-输入轴；82-输出轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
图1示出了正三轮车辆的前轮部分的示意图；图2示出了电子控制单元的控制流程图的示意图；图3示出了电子控制单元的控制逻辑图的示意图；图4示出了减速机构及其连接关系的示意图；图5示出了转向驱动机构的示意图；图6示出了图5中A-A方向的剖视图的示意图；图7示出了对转向驱动机构的实际工作电流的PID控制逻辑图的示意图；图8示出了离合器结构的示意图；图9示出了扭矩传感器的示意图；图10示出了扭矩传感器输出的电压信号与方向柱转向和转动幅度的关系的示意图；图11示出了车速传感器的示意图；图12示出了图11中B-B方向的剖视图的示意图；图13示出了车速传感器的传感器电路的示意图；图14示出了用于正三轮车辆的辅助转向装置提供的转向扭矩与阻力扭矩之间的关系的示意图。
参见图1至图14，本实施例提供的用于正三轮车辆的辅助转向装置包括：转向驱动机构、电流传感器(图中未示出)、减速机构、电子控制单元、扭矩传感器、车速传感器、离合器和故障检测处理模块，以下将具体描述上述部件的连接关系和工作原理。
本实施例中，转向驱动机构1可以设置于正三轮车辆的前悬架，其输出端可以与减速机构2的输入端相连接，减速机构2的输出端则可以与正三轮车辆的方向柱8连接，基于这种安装方式，当方向柱8旋转时，转向驱动机构1能够驱动减速机构2以辅助方向柱8旋转。
如图5和图6所示，上述转向驱动机构1可以为电机，包括定子12和转子11，本实施例中，电机可以采用永磁无刷电机，作为直流电机，可以通过对其通不同方向的电流改变其输出端的旋转方向，以适应上述方向柱8的不同转向方向，在方向柱8进行顺时针和逆时针转向时，均能提供辅助转向的动力。
本实施例中，由于电机提供的扭矩有限，因此需要减速机构2通过降低电机的提供的转速来改变电机提供转矩，以克服不同场合下阻碍方向柱8转向的不同的阻力扭矩进行辅助转向。
上述减速机构2可以为蜗轮蜗杆减速机构，蜗轮蜗杆减速机构具有良好的传动精度，有利于保证传动的可靠性。根据以上描述中提及的设置，本实施例中，在进行辅助转向时，以蜗杆22驱动蜗轮21来获得较大传动比，蜗轮21和蜗杆22的设置方式将在以下描述中具体提及。
本实施例中，转向驱动机构1和减速机构2之间还设置有离合器6。离合器6包括主动端61和从动端62，通过控制离合器6的主动端61与从动端62的分离或者紧密贴合以中断或者开启转向驱动机构1与减速机股之间的动力传输。
根据以上描述中提及的特征，电机、蜗轮蜗杆减速机构和离合器6的具体设置方式为：电机的输出端与离合器6的主动端61相连接，离合器6的从动端62与蜗杆22相连接。本实施例中，电机的输出端与离合器6的主动端61、离合器6的从动端62与蜗杆22的均可以通过花键连接的方式进行连接，蜗轮21作为减速机构2的输出端，则套设于方向柱8的外侧部。此外，离合器6的主动端61和离合器6的从动端62之间还设置有支撑电机的输出端旋转的轴承，以保证电机的输出端安装的对中性，从而保证其转动过程中的稳定性。
本实施例中的离合器6为电磁离合器，离合器6的主动端61的面向电机的一侧可以设置有滑环611，同时这一侧还可以设置有与滑环611电连接的磁化线圈612，滑环611还与通过电磁继电器的被控制端与电源连接，当电磁继电器的控制电路接通，被控制端被吸合时，滑环611与电源之间的电路连通，在滑环611被离合器6的主动端61带动旋转的过程中，电流经由滑环611流经磁化线圈612，磁化线圈612使由磁性材料(例如钢)形成的主动端61磁化，此时主动端61将同为磁性材料(例如钢)形成的从动端62上的压盘(压盘与从动端62的主体通过弹性件连接)吸合至主动端61，从而实现动力的传递。
本实施例中，当电磁继电器切断滑环611与电源的电路连接后，主动端61失去磁性，压盘复位，断开上述动力传递。
本实施例中，离合器6的主要作用在于，保证用于正三轮车辆的辅助转向装置在预定的车速范围内起作用，当车速超过预定车速或者用于正三轮车辆的辅助转向装置出现故障时，断开离合器6以断开动力传递，这时转向仅通过驾驶员手动操作，以确保整套装置在使用过程中安全可靠。
本实施例中，上述机构和部件的控制是通过电子控制单元3(即ECU，ElectronicControl Unit)和一系列传感器和电路实现的，以下将具体描述。如图1所示，电子控制单元3与扭矩传感器4、车速传感器5、电流传感器(图中未示出)、离合器6、电磁继电器、电机和故障检测处理模块7均为电连接。
如图2所示，图2示出了电子控制单元3的控制流程图。本实施例中，电子控制单元3可以采用8位或者16位单片机，单片机也由电源供电，当正三轮车辆经由点火开关启动时，单片机与电源之间的电路也经由点火开关启动，单片机初始化后，首先对装置整体进行故障自检，若出现故障，则电子控制单元3控制故障检测处理模块7启动，进行故障显示，例如输出预定的故障代码，并发出报警信号(例如亮起指示灯)提醒驾驶员进行维修，直至故障被排除。
此外，本实施例中的报警信号电路也可以由电磁继电器控制，即电磁继电器未吸合的状态下，其被控制端使报警指示灯电路与电源之间导通，当继电器吸合时，报警指示灯电路断开，离合器6开始传递动力。
上述故障被排除后或者上述故障自检确认无故障后，电子控制单元3进一步处理车速传感器5和扭矩传感器4传递来的信号，如果判断速度信号和阻力扭矩信号的一者或两者有异常，则电子控制单元3控制故障检测处理模块7启动，进行上述故障显示和故障排除显示等过程，直至故障被排除后，所采集的速度信号和阻力扭矩信号这二者都正常。
此时电子控制单元3进一步通过阻力扭矩信号判断方向柱8是否处于转向过程，若方向柱8处于转向过程，则电子控制单元3通过电磁继电器控制离合器6吸合，开启电机与减速机构2之间的动力传递。电子控制单元3再通过阻力扭矩信号和速度信号，通过查表确定目标电流，通过转换电路以脉宽调制(即PWM，Pulse Width Modulation)这种快速响应的方式将脉宽调制信号输入电机的驱动以及时对电机输出目标电流，使电机获得动力并驱动减速装置对方向柱8进行辅助转向。
但当正三轮车辆的工作环境较为恶劣时，受外界环境的影响，电机的实际工作电流常常与目标电路之间存在误差，需要引入电机的实际工作电流进行反馈控制，如图7所示，利用PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential)控制)控制算法对实际工作电流进行计算，再通过转换电路继续输出脉宽调制信号至电机的驱动电路，从而重新确定目标电流，实现对辅助转向的转向扭矩的修正。
在上述引入电机的实际工作电流进行反馈控制的过程中，实际工作电流是通过电流传感器(图中未示出)实现的，即电流传感器将电机的实际工作电流采集后输入电子控制单元3进行计算。本实施例中，电流传感器的电流采集方法可以为成本较低的电阻采样法，也可以是电流互感采样法、直流电流互感器法和霍尔电流传感器法等方式，也就是说，只要能及时准确地采集电机的实际工作电流，并不具体限定电流传感器的电流采集方式。
如图3所示，图3示出了电子控制单元3的控制逻辑图，图3中所示出的控制关系，在上述描述中均有提及，未提及部分将具体说明。图3中A/D转换(模数转换)和D/A转换(数模转换)分别模数转换器和数模转换器(即进行模拟信号和数字信号的之间的相互转换)，二者设置的目的在于对控制过程中的信号进行转换以分别适配电路的计算处理部分和执行部分，例如对于上述输入电机驱动电路的脉宽调制信号，属于模拟信号，电流的数字信号进入驱动电路之前就需要经由数模转换器的转换。
图3中示出的ROM(只读存储器)为内存，电子控制单元3可以调用其内部存储的数据，例如上述故障提示时显示的故障代码，以及根据不同的速度信号和阻力扭矩信号确定目标电流的数据表。此外，对于扭矩传感器4和车速传感器5的原理，以下将具体描述。
本实施例中的扭矩传感器4所采集的是方向柱8转向时的阻力扭矩的大小及方向，以电磁感应的方式进行工作。如图9和图10所示，方向柱8包括输入轴81和输出轴82，输入轴81和输出轴82之间设置有连接二者的扭杆(图中未示出)，同时输入轴上设置有花键(图中未示出)，输出轴上设置有与花键相匹配的键槽(图中未示出)，输入轴81和输出轴82二者的外侧部均套设有磁性齿环42，磁性齿环42的外侧部套设有感应线圈41，在本实施例中，感应线圈41套设于磁性齿环42外侧部的套筒上，也就是说，感应线圈41不随输入轴81、输出轴82和磁性齿环42的扭转而发生位置变化。
本实施例中，当驾驶员左右(本实施例中左代表逆时针方向，右代表顺时针方向)旋转方向柱8时，扭杆将发生变形，其相对于未扭转状态下的自身产生了转角差Δθ，根据材料力学，转角差Δθ为扭杆所承受的力矩与扭杆的刚度的比值，因此，本实施例中，实际上是通过确定转角差Δθ来确定扭杆所受的力矩。显然，花键与键槽的相对位移变量和扭杆的转角差Δθ成正比，当花键与键槽的相对位移变量发生变化时，磁性齿环42随着输入轴81和输出轴82的扭转而与感应线圈41的相对位置发生变化，从而引起感应线圈41中的磁通量发生变化，这将在感应线圈41中产生交变的电压信号，经过外围电路(图中未示出)处理后可输出稳定的电压信号，方向柱8在中间位置时输出2.5V，向左旋转产生0.9V至2.5V的电压信号，向右旋转产生2.5V至4.7V电压信号，ECU可根据该信号确定方向柱8的转向方向并计算扭矩大小。
需要说明的是，方向柱8位于中间位置时，感应线圈41的中的电压近似于0，但上述扭矩传感器4输出的电压信号实质上是经过外围电路输出的，也就是说，感应线圈41内的交变电压输入外围电路，经过外围电路之后再传递至电子控制单元3。此外，上述蜗轮21套设于方向柱8的输出轴82。
如图11至图13所示，本实施例中的车速传感器5通过采集前轮的转速来确定整车行驶的车速大小，在本实施例中，车速传感器5可以为霍尔元件车速传感器5，包括：传感器电路53、磁体52和传感器软轴51。传感器电路53通过传感器软轴51与电子控制单元3电连接，并靠近车轮的轮辐外周缘均匀分布的磁体52(本实施例中，在车轮轮辐的外周缘等分圆周地设置了四个磁体52)，当前轮转动时，车轮的轮辐上的磁体52同步转动，传感器电路53周围的磁场发生间歇变化，传感器电路53中的开关霍尔元件接地，当磁场靠近电子线路模块时，输出端输出低电平信号，当磁场远离电子线路模块时，通过模块中上拉电阻将电平拉高至5V，输出5V脉冲电压信号，电子控制单元3通过这一脉冲电压信号的大小对车速进行判断，以获得实时的整车行驶速度。
此外，如图14所示，图14示出了用于正三轮车辆的辅助转向装置提供的转向扭矩与阻力扭矩之间的关系的示意图，图中纵轴为转向扭矩，图中横轴为阻力扭矩，图中示出的曲线的斜率可以为1，这种情况下，曲线的意义在于，当转向扭矩的大小在数值上等于阻力扭矩时，用于正三轮车辆的辅助转向装置起到辅助转向的作用。本实施例中，图中V1和V2分别代表整车行驶的两个速度，且V1＜V2，图中V1时转向扭矩数值上等于M3，V2时转向扭矩数值上等于M2，也就是说，在一定车速范围内，当车速增大时，阻力扭矩的数值将降低。
本实施例还提供一种正三轮车辆，包括如上所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，正三轮车辆的有益效果包括上述用于正三轮车辆的辅助转向装置的有益效果，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述正三轮车辆的辅助转向装置包括：
转向驱动机构，设置于正三轮车辆的前悬架；
减速机构，所述减速机构的输入端与所述转向驱动机构的输出端连接，所述减速机构的输出端与所述正三轮车辆的方向柱连接；
所述转向驱动机构能够驱动所述减速机构以辅助所述方向柱旋转。
2.根据权利要求1所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括设置于所述前悬架的电子控制单元，所述电子控制单元用于通过控制流经所述转向驱动机构的目标电流来控制转向驱动机构的转速。
3.根据权利要求2所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
扭矩传感器，设置于所述方向柱，所述扭矩传感器用于将所述方向柱所承受的阻力扭矩传递至所述电子控制单元；
所述电子控制单元通过所述扭矩传感器传递的阻力扭矩信号确定所述方向柱所承受的阻力扭矩的大小和方向，所述电子控制单元能够根据所述阻力扭矩的方向判断所述方向柱的转向的方向。
4.根据权利要求3所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
车速传感器，设置于所述正三轮车辆的前轮，所述车速传感器用于将所述正三轮车辆的前轮的转速传递至所述电子控制单元；
所述电子控制单元能够根据所述阻力扭矩的大小和所述车速传感器传递的速度信号确定所述转向驱动机构所需转速。
5.根据权利要求4所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括与所述电子控制单元电连接的离合器，所述离合器包括：
主动端，所述主动端与所述转向驱动机构的输出端连接；
从动端，所述从动端与所述减速机构的输入端连接；
所述主动端能够在所述电子控制单元的控制下与所述从动端分离或者紧密贴合以中断或者开启所述转向驱动机构与所述减速机构之间的动力传输；
当所述阻力扭矩信号和所述速度信号中的一者或两者出现异常时，所述电子控制单元能够控制所述离合器中断所述转向驱动机构与所述减速机构之间的动力传输。
6.根据权利要求5所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
故障检测处理模块，与所述电子控制单元电连接，在所述电子控制单元启动后或者当所述阻力扭矩信号和所述速度信号中的一者或两者出现异常时，所述故障检测处理模块能够判断故障类型并提示处理故障。
7.根据权利要求2所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述用于正三轮车辆的辅助转向装置还包括：
电流传感器，与所述电子控制单元电连接并设置于所述转向驱动机构，所述电流传感器用于监测所述转向驱动机构的实际工作电流；
所述电流传感器能够将实际工作电流信号传递至所述电子控制单元，所述电子控制单元能够计算所述实际工作电流与所述目标电流的偏差来修正所述实际工作电流。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述转向驱动机构为电机。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置，其特征在于，所述减速机构为蜗轮蜗杆减速机构，所述减速机构的输入端为蜗杆，所述减速机构的输出端为蜗轮，所述蜗轮套设于所述方向柱。
10.一种正三轮车辆，其特征在于，所述正三轮车辆包括权利要求1至9中任一项所述的用于正三轮车辆的辅助转向装置。
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