CN110712679A - 多轴转向机构及其结构参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多轴转向机构及其结构参数确定方法，结构简单、设计容易、计算量小。本发明的多轴转向机构，用于固定在车架(5)上，驱动车轮转向，所述车架(5)包括左、中、右纵梁(51、52、53)、前后横梁(54、57)，以及至少第一中间横梁(55)和第二中间横梁(56)，还包括置于车架(5)上的中间液压杠杆机构(1)、前段转向机构(2)、中段转向机构(3)和后段转向机构(4)。本发明的多轴转向机构的结构参数确定方法，包括如下步骤：(10)液压机构杆件几何参数确定，(20)前段杆件几何参数确定，(30)中段杆件几何参数确定，(40)后段杆件几何参数确定。

Description

多轴转向机构及其结构参数确定方法

技术领域

本发明属于汽车转向机构技术领域，特别是一种多轴转向机构及其结构参数确定方法。

背景技术

汽车转向机构直接影响着驾驶员在车辆转向过程中对方向的把握，轻则影响转向精度，重则直接对车辆及驾驶员的生命安全造成一定的威胁。多轴车辆在转向是要保证左右两侧的车轮转向角度不同，还要符合阿卡曼汽车转向原理，这对转向系统的设计要求非常高，目前使用的多轴汽车多采用机电液相结合的转向系统，这类转向系统机构复杂，设计繁琐且不具备通用性。

中国专利文献号CN108583681A，公开日为2018年9月20日，公开了一种多轴线车辆的转向系统，该转向系统包括位于前方的前轮组、位于后方的后轮组、通过前连接机构与前轮组相连接的前转向缸、及通过后连接机构与后轮组相连接的后转向缸，前转向缸通过管路组件与后转向缸相连接，且管路组件与第一接口和第二接口相连通；当压缩介质通过第一接口进入管路组件后，压缩介质会经管路组件进入前转向缸和后转向缸，前转向缸会通过前连接机构带动前轮组向左转向，同时后转向缸会通过后连接机构带动后轮组向右转向；当压缩介质通过第二接口进入管路组件后，压缩介质会经管路组件进入前转向缸和后转向缸，前转向缸会通过前连接机构带动前轮组向右转向，同时后转向缸会通过后连接机构带动后轮组向左转向。

该专利在功能上基本实现了多轴汽车的多轴转向，但是其工作原理复杂，机构繁琐，需要用到多个转向缸，设计过程复杂，计算量大，没有一定的通用性，故不适用与大部分多轴转向车辆。

因此，现有技术存在的问题是：多轴转向机构结构复杂、参数确定困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴转向机构，结构简单、设计容易、计算量小。

本发明的另一目的在于提供一种多轴转向机构的结构参数确定方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种多轴转向机构，用于固定在车架5上，驱动车轮转向，所述车架5包括左、中、右纵梁51、52、53、前后横梁54、57，以及至少第一中间横梁55和第二中间横梁56，

还包括置于车架5上的中间液压杠杆机构1、前段转向机构2、中段转向机构3和后段转向机构4；

所述前段转向机构2置于第一中间横梁55与前横梁54之间，中段转向机构3置于第二中间横梁56与第一中间横梁55之间，后段转向机构4置于后横梁57与第二中间横梁56之间；

所述中间液压杠杆机构1包括顶部固定件11、左右两液压杆12和中间杠杆13，

所述顶部固定件11与中纵梁52与第二中间横梁56的交接处固定连接，中间杠杆13的中点与中纵梁52与第一中间横梁55的交接处铰接，中间杠杆13的两端与左右两液压杆12的一端铰接，所述左右两液压杆12的另一端均与顶部固定件11铰接；

所述左右两液压杆12均可沿长度方向伸缩；

所述前段转向机构2包括前段转向板21和前段连杆22，

所述前段转向板21固定在车架3上并绕固定点旋转，用于与前侧车轮固连，使其旋转角度与前车轮转角同步，所述前段连杆22一端与前段转向板21铰接，另一端与中间杠杆13的一端铰接；

所述中段转向机构3包括中段转向板31和中段连杆32，

所述中段转向板31与车架相连并绕固定点旋转，用于与中间车轮固连，使其旋转角度与中间车轮转角同步，所述中段连杆32一端与中段转向板31铰接，另一端与中间杠杆13的一端铰接；

所述后段转向机构4包括后段转向板41和后段连杆42，

所述后段转向板41与车架相连并绕固定点旋转，用于与后侧车轮固连，使其旋转角度与后车轮转角同步，所述后段连杆42一端与后段转向板41铰接，另一端与中段转向板31铰接。

实现本发明另一目的的技术方案为：

一种多轴转向机构的结构参数确定方法，包括如下步骤：

(10)液压机构杆件几何参数确定：根据液压机构各杆件之间的位置关系和已知约束条件确定各个杆件的长度及位置；

(20)前段杆件几何参数确定：根据前侧车轮转角和已知杆件的相关约束条件确定出前段机构各个杆件的长度及位置关系；

(30)中段杆件几何参数确定：根据中间车轮的转角和已知杆件的相关约束条件确定出中段机构各个杆件的长度及位置关系；

(40)后段杆件几何参数确定：根据后侧车轮的转角和已知杆件的相关约束条件确定出后段机构各个杆件的长度及位置关系.

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

1、结构简洁：本发明设计的多轴转向系统相比目前多数转向机构结构简单。分为中间液压机构，前、中、后段转向机构，均为杆件机构，结构简单。

2、设计简单：本发明设计方法简单，只要根据目标转向角度设计出每个部位的杆件长度和位置关系即可。

3、精度高：本发明设计的多轴转向机构驱动件只有中间的液压杠杆机构，且从动件均为机械杆件，机械杆件精度高误差小并且转向稳定，所以整个机构的转向精度较高。

4、可靠性强：整个多轴转向机构的全部由机械零件组成，类比于现有的大多数采用机电液相结合的多轴转向机构，性能更加可靠，稳定性更强，降低了由于局部零件的损坏导致整个机构瘫痪的风险。

5、通用性强：类比于现有的大部分只针对自身车型设计的多轴转向机构，本发明只需知道待设计车型的轴距、轮距和转向角度即可按照相应步骤设计出对应的多轴转向机构，故本发明具有很强的通用性。

附图说明

图1为本发明多轴转向机构的三维结构示意图。

图2为本发明多轴转向机构结构参数确定方法的主流程图。

图3为本发明多轴转向机构的整体设计草图。

具体实施方式

如图1所示，本发明多轴转向机构，用于固定在车架5上，驱动车轮转向，所述车架5包括左、中、右纵梁51、52、53、前后横梁54、57，以及至少第一中间横梁55和第二中间横梁56；

还包括置于车架5上的中间液压杠杆机构1、前段转向机构2、中段转向机构3和后段转向机构4；

所述前段转向机构2置于第一中间横梁55与前横梁54之间，中段转向机构3置于第二中间横梁56与第一中间横梁55之间，后段转向机构4置于后横梁57与第二中间横梁56之间；

所述中间液压杠杆机构1包括顶部固定件11、左右两液压杆12和中间杠杆13，

所述顶部固定件11与中纵梁52与第二中间横梁56的交接处固定连接，中间杠杆13的中点与中纵梁52与第一中间横梁55的交接处铰接，中间杠杆13的两端与左右两液压杆12的一端铰接，所述左右两液压杆12的另一端均与顶部固定件11铰接；

所述左右两液压杆12均可沿长度方向伸缩；

所述前段转向机构2包括前段转向板21和前段连杆22，

所述前段转向板21固定在车架3上并绕固定点旋转，用于与前侧车轮固连，使其旋转角度与前车轮转角同步，所述前段连杆22一端与前段转向板21铰接，另一端与中间杠杆13的一端铰接；

所述中段转向机构3包括中段转向板31和中段连杆32，

所述中段转向板31与车架相连并绕固定点旋转，用于与中间车轮固连，使其旋转角度与中间车轮转角同步，所述中段连杆32一端与中段转向板31铰接，另一端与中间杠杆13的一端铰接；

所述后段转向机构4包括后段转向板41和后段连杆42，

所述后段转向板41与车架相连并绕固定点旋转，用于与后侧车轮固连，使其旋转角度与后车轮转角同步，所述后段连杆42一端与后段转向板41铰接，另一端与中段转向板31铰接。

所述前段转向机构2、中段转向机构3和后段转向机构4均为关于中纵梁52对称的结构。

整个转向系统中，液压杆10为整个转向系统唯一驱动件，液压杆长度变化推动中间杠杆旋转，中间杠杆带动前段转向机构和中段转向机构运动。中段机构转向板再带动后段转向机构运动，这就完成了整个转向系统的转向运动。这样的结构布置使得整个转向系统只需要一个驱动件就可以去驱动整个机构运动，结构简单，并且整个系统组成都是机械原件，连接稳定，运动可靠，不易发生故障。

如图2所示，本发明多轴转向机构的结构参数确定方法，用于确定如图1所示的多轴转向机构的结构参数。其包括如下步骤：

(10)液压机构杆件几何参数确定：根据液压机构各杆件之间的位置关系和已知约束条件确定各个杆件的长度及位置；

所述(10)液压机构杆件几何参数确定步骤包括：

(11)设定右侧液压杆12从静止平衡状态到最终状态时中间杠杆13的转角为θ、液压杆12与顶部固定件11的连接点到车架中纵轴32纵向长度为H，并设置顶部固定件11位置可以在车架中纵轴32上移动；

(12)假设液压杆12与中间杠杆13连接点到杠杆中心固定点的的长度为因变量R0，连接点的运动轨迹为半径是R0的圆弧，圆的半径作为因变量不进行约束；

(13)将设定的转角θ和H的值输入进CATIA草图模块，该草图模块会自动根据约束条件和已知尺寸求解出该机构的合适布局以及因变量R0和顶部固定件11在车架中纵轴32上对应的位置。

(20)前段杆件几何参数确定：根据前侧车轮转角和已知杆件的相关约束条件确定出前段机构各个杆件的长度及位置关系；

所述(20)前段杆件几何参数确定步骤包括：

(21)设定前段连杆(22)与中间杠杆(13)连接处距离杠杆中心固定点的长度为因变量R1，其轨迹为绕杠杆中心半径为R1的圆弧，中间杠杆(13)的转动角度依旧为固定值θ。

(22)将与车架连接的左右两前段转向板(21)的杆件化长度设为自变量L1和L1*，前段连杆(22)长度设为自变量L2和L2*，并通过约束将它们的连接点轨迹用圆弧形式表现出来。

(23)使用绘图软件对前段杆件的平衡状态和极限状态的进行约束，输入前段转向板(21)的转角、中间杠杆转角θ的值并调整自变量L1/L1*和L2/L2*的长度，最终得到因变量R1的值。

(30)中段杆件几何参数确定：根据中间车轮的转角和已知杆件的相关约束条件确定出中段机构各个杆件的长度及位置关系；

所述(30)中段杆件几何参数确定步骤包括：

(31)设定中段连杆(32)与中间杠杆(13)连接处距离杠杆中心固定点长度为因变量R2，其轨迹为绕杠杆中心半径为R2的圆弧，中心杠杆的转动角度依旧为固定值θ；

(32)将左右中段转向板(31)杆件化后的长度设为自变量L3和L3*，中段连杆(32)长度设为自变量L4和L4*，并通过约束将它们的连接点的轨迹用圆弧的形式表现出来；

(33)使用绘图软件对中段杆件的平衡状态和极限状态的进行约束，输入中段转向板(31)的转角，中间杠杆(13)转角θ的值并调整自变量L3/L3*和L4/L4*的长度，最终得到因变量R2的值。

(40)后段杆件几何参数确定：根据后侧车轮的转角和已知杆件的相关约束条件确定出后段机构各个杆件的长度及位置关系；

所述(40)后段杆件几何参数确定步骤包括：

(41)将与中段转向板(31)铰接的后段连杆(42)设为因变量L5和L5*，其铰接点轨迹为绕中段转向板(31)与车架(5)连接点半径为L5的圆弧，其摆动角度即为中段车轮的转角；

(42)将与车架(5)连接的左右两后段转向板(41)杆件化的长度设为自变量L6和L6*，后段连杆(42)设为L7和L7*，并通过约束将它们的连接点轨迹用圆弧的形式表现出来；

(43)使用绘图软件对中段杆件的平衡状态和极限状态进行约束，输入后侧车轮转角、中间车轮转角，并通过调整自变量L6/L6*和L7/L7*的长度最终得到因变量L5/L5*的值。

结合附图，以下列实例对本发明进一步说明。

实例1

本实施是一种多轴转向机构及其参数确定方法，该多轴转向机构参数确定分为液压机构杆件几何参数确定、前段杆件几何参数确定、中段杆件几何参数确定和后段杆件几何参数确定。是采用以下步骤实现的：

步骤一：根据阿卡曼原理以及已知车辆的轴距1500mm和轮距1650mm计算出各个车轮的极限转角α1(右前轮)50.43°、α2(右中轮)43.156°、α3(右后轮)33.63°、β1(左前轮)42.95°、β2(左中轮)35.81°、β3(左后轮)27.1°。

步骤二：将杆件化机构的液压机构部分单独画出一半，设定液压机构的左侧部分从静止平衡状态到最终状态时中间杠杆的转角为30°、液压杆与顶部固定架的连接点到车架纵向长度为H为100mm，并设定顶部固定件位置可以在水平线上移动。

步骤三：假设液压杆与中间杠杆连接处到杠杆中心的长度为因变量R0，杠杆连接处的运动轨迹为半径是R0的圆弧，圆的半径作为因变量不进行约束。

步骤四：将设定的转角θ和H的值输入进CATIA草图模块，该草图模块会自动根据约束条件和已知尺寸求解出该机构的合适布局以及因变量R0为318.783mm和液压杆安装位置距离杠杆中心的横向距离为1165.43mm。至此，液压机构杆件几何参数确定完成。

步骤五：将转向机构前段杆件部分的平衡状态和极限状态画在同一张草图中，设定前段连杆与中间杠杆连接处距离杠杆中心的长度为因变量R1，其轨迹为绕杠杆中心半径为R1的圆弧，中间杠杆的转动角度依旧为固定值θ。

步骤六：将与车架连接的左右两前段转向板的杆件化的长度自变量L1和L1*设为425mm，前段转向板与中间杠杆连接的左右两中段连杆自变量L2和L2*设为700mm，并通过约束将它们的连接点轨迹用圆弧形式表现出来。

步骤七：使用绘图软件对前段杆件的平衡状态和极限状态的进行约束，确定初始状态和结束状态前段左右摆杆的转角，这里的转角差就是前段左右车轮对应的转角，固定中间杠杆转角θ的值以及自变量L1/L1*和L2/L2*的长度，最终得到因变量R1的值为625.44mm，至此，转向机构前段杆件部分几何参数确定完成。

步骤八：将转向机构中段杆件部分的平衡状态和极限位置画于同一张草图中，设定中段连杆与中间杠杆连接处距离杠杆中心长度为因变量R2，其轨迹为绕杠杆中心半径为R2的圆弧，中心杠杆的转动角度依旧为固定值θ。

步骤九：将左右中段转向板杆件化后的长度自变量L3和L3*设为350mm，中段转向板与中间杠杆连接的两中段连杆自变量L4和L4*设为700mm，并通过约束将它们的连接点的轨迹用圆弧的形式表现出来。

步骤十：使用绘图软件对中段杆件的平衡状态和极限状态的进行约束，确定初始状态和结束状态中段左右转向板的转角，这里的转角就是中段左右车轮对应的转角，固定中间杠杆转角θ的值以及自变量L3/L3*和L4/L4*的长度，最终得到因变量R2的值为423.827mm，至此，转向机构中段杆件部分几何参数确定完成。

步骤十一：由于后段杆件是依附于中段杆件的，在结构上是分不开的，所以将后段杆件和中段转向板连接的车架画于同一张草图中，设与中段转向板连接点到中段转向板固定旋转中心的距离设为因变量L5和L5*，其轨迹为绕中段转向板连接点半径为L5的圆弧，其摆动角度即为中段车轮的转角。

步骤十二：将与车架连接的左右两后段转向板杆件化的长度自变量L6和L6*设为326mm，后段转向板与中段转向板连接的后段连杆自变量L7和L7*设为1450mm，并通过约束将它们的连接点轨迹用圆弧的形式表现出来。

步骤十三：使用绘图软件对中段杆件的平衡状态和极限状态进行约束，确定初始状态和结束后段左右转向板的转角，这里的转角就是后段左右车轮对应的转角，确定摆杆L5的转角，因为L5是与中段摆杆固连的，所以摆杆L5的转角就是摆杆L3的转角，并通过输入自变量L6/L6*和L7/L7*的长度最终得到因变量L5/L5*的值为250.166mm，至此，转向机构后段部分几何参数确定完成。

步骤十四：将设计完成转向机构前、中、后段和中间液压杠杆机构结合在同一张图中，就可以获得完整的转向机构结构参数设计图，如图3所示。

步骤十五：在CATIA中建立转向机构的三维模型，并使用DMU模块进行运动学分析，进一步分析其可靠性。

Claims (7)

1.一种多轴转向机构，用于固定在车架(5)上，驱动车轮转向，所述车架(5)包括左、中、右纵梁(51、52、53)、前后横梁(54、57)，以及至少第一中间横梁(55)和第二中间横梁(56)，其特征在于：

还包括置于车架(5)上的中间液压杠杆机构(1)、前段转向机构(2)、中段转向机构(3)和后段转向机构(4)；

所述前段转向机构(2)置于第一中间横梁(55)与前横梁(54)之间，中段转向机构(3)置于第二中间横梁(56)与第一中间横梁(55)之间，后段转向机构(4)置于后横梁(57)与第二中间横梁(56)之间；

所述中间液压杠杆机构(1)包括顶部固定件(11)、左右两液压杆(12)和中间杠杆(13)，

所述顶部固定件(11)与中纵梁(52)与第二中间横梁(56)的交接处固定连接，中间杠杆(13)的中点与中纵梁(52)与第一中间横梁(55)的交接处铰接，中间杠杆(13)的两端与左右两液压杆(12)的一端铰接，所述左右两液压杆(12)的另一端均与顶部固定件(11)铰接；

所述左右两液压杆(12)均可沿长度方向伸缩；

所述前段转向机构(2)包括前段转向板(21)和前段连杆(22)，

所述前段转向板(21)固定在车架(3)上并绕固定点旋转，用于与前侧车轮固连，使其旋转角度与前车轮转角同步，所述前段连杆(22)一端与前段转向板(21)铰接，另一端与中间杠杆(13)的一端铰接；

所述中段转向机构(3)包括中段转向板(31)和中段连杆(32)，

所述中段转向板(31)与车架相连并绕固定点旋转，用于与中间车轮固连，使其旋转角度与中间车轮转角同步，所述中段连杆(32)一端与中段转向板(31)铰接，另一端与中间杠杆(13)的一端铰接；

所述后段转向机构(4)包括后段转向板(41)和后段连杆(42)，

所述后段转向板(41)与车架相连并绕固定点旋转，用于与后侧车轮固连，使其旋转角度与后车轮转角同步，所述后段连杆(42)一端与后段转向板(41)铰接，另一端与中段转向板(31)铰接。

2.根据权利要求1所述的多轴转向机构，其特征在于：

所述前段转向机构(2)、中段转向机构(3)和后段转向机构(4)均为关于中纵梁(52)对称的结构。

3.一种如权利要求1或2所述的多轴转向机构的结构参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)液压机构杆件几何参数确定：根据液压机构各杆件之间的位置关系和已知约束条件确定各个杆件的长度及位置；

(20)前段杆件几何参数确定：根据前侧车轮转角和已知杆件的相关约束条件确定出前段机构各个杆件的长度及位置关系；

(30)中段杆件几何参数确定：根据中间车轮的转角和已知杆件的相关约束条件确定出中段机构各个杆件的长度及位置关系；

(40)后段杆件几何参数确定：根据后侧车轮的转角和已知杆件的相关约束条件确定出后段机构各个杆件的长度及位置关系。

4.根据权利要求3所述的结构参数确定方法，其特征在于，所述(10)液压机构杆件几何参数确定步骤包括：

(11)设定右侧液压杆(12)从静止平衡状态到最终状态时中间杠杆(13)的转角为θ、液压杆(12)与顶部固定件(11)的连接点到车架中纵轴(32)纵向长度为H，并设置顶部固定件(11)位置可以在车架中纵轴(32)上移动；

(12)假设液压杆(12)与中间杠杆(13)连接点到杠杆中心固定点的的长度为因变量R0，连接点的运动轨迹为半径是R0的圆弧，圆的半径作为因变量不进行约束；

(13)将设定的转角θ和H的值输入进CATIA草图模块，该草图模块会自动根据约束条件和已知尺寸求解出该机构的合适布局以及因变量R0和顶部固定件(11)在车架中纵轴(32)上对应的位置。

5.根据权利要求3所述的结构参数确定方法，其特征在于，所述(20)前段杆件几何参数确定步骤包括：

(21)设定前段连杆(22)与中间杠杆(13)连接处距离杠杆中心固定点的长度为因变量R1，其轨迹为绕杠杆中心半径为R1的圆弧，中间杠杆(13)的转动角度依旧为固定值θ。

(22)将与车架连接的左右两前段转向板(21)的杆件化长度设为自变量L1和L1*，前段连杆(22)长度设为自变量L2和L2*，并通过约束将它们的连接点轨迹用圆弧形式表现出来。

(23)使用绘图软件对前段杆件的平衡状态和极限状态的进行约束，输入前段转向板(21)的转角、中间杠杆转角θ的值并调整自变量L1/L1*和L2/L2*的长度，最终得到因变量R1的值。

6.根据权利要求3所述的结构参数确定方法，其特征在于，所述(30)中段杆件几何参数确定步骤包括：

(31)设定中段连杆(32)与中间杠杆(13)连接处距离杠杆中心固定点长度为因变量R2，其轨迹为绕杠杆中心半径为R2的圆弧，中心杠杆的转动角度依旧为固定值θ；

(32)将左右中段转向板(31)杆件化后的长度设为自变量L3和L3*，中段连杆(32)长度设为自变量L4和L4*，并通过约束将它们的连接点的轨迹用圆弧的形式表现出来；

(33)使用绘图软件对中段杆件的平衡状态和极限状态的进行约束，输入中段转向板(31)的转角，中间杠杆(13)转角θ的值并调整自变量L3/L3*和L4/L4*的长度，最终得到因变量R2的值。

7.根据权利要求3所述的结构参数确定方法，其特征在于，所述(40)后段杆件几何参数确定步骤包括：

(41)将与中段转向板(31)铰接的后段连杆(42)设为因变量L5和L5*，其铰接点轨迹为绕中段转向板(31)与车架(5)连接点半径为L5的圆弧，其摆动角度即为中段车轮的转角；

(42)将与车架(5)连接的左右两后段转向板(41)杆件化的长度设为自变量L6和L6*，后段连杆(42)设为L7和L7*，并通过约束将它们的连接点轨迹用圆弧的形式表现出来；

(43)使用绘图软件对中段杆件的平衡状态和极限状态进行约束，输入后侧车轮转角、中间车轮转角，并通过调整自变量L6/L6*和L7/L7*的长度最终得到因变量L5/L5*的值。

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