CN113859356B - 一种车辆转向系统的前桥总成及车辆转向系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种车辆转向系统的前桥总成及车辆转向系统，其包括前桥、第一安装座、第二安装座、左转向轮下节臂和右转向轮下节臂，所述第一安装座组设于所述前桥的桥壳上，所述第一安装座被配置为：当电液转向机安装固定在所述第一安装座上时，所述电液转向机的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为第一锐角α；所述第二安装座组设于所述前桥的桥壳上，并用于连接助力缸的一端；所述左转向轮下节臂转动连接在所述前桥上，并用于通过直拉杆连接所述电液转向机的转向垂臂；所述右转向轮下节臂转动连接在所述前桥上，并用于连接助力缸的另一端。本申请前桥通过电液转向机和助力缸联合助力，能够实现大载荷下的转向。

Description

一种车辆转向系统的前桥总成及车辆转向系统

技术领域

本申请涉及车辆前桥技术领域，特别涉及一种车辆转向系统的前桥总成及车辆转向系统。

背景技术

目前无人驾驶车辆的应用越来越广泛，在工业园区、港口、码头应用的无人驾驶车辆，通常是吨位大、不带驾驶室的平板车。在这类无人驾驶平板车中，车架以上的空间通常用来装载货物或者上装，为了尽量降低装载货物后的整车高度，通常要求底盘及车架的高度尽量小，并且底盘的所有零部件均不得超过车架上平面，因此，这类底盘通常不带方向盘，而且要求能够承载一个标准集装箱的重量，通常在80吨以上。

一些相关技术中提供的前桥总成，应用于无人驾驶车线控底盘，该前桥总成将线控转向机和机械转向机通过联轴器连接在一起，然后将三者共同固定在车桥上，由线控转向机通过联轴器带动机械转向机来实现转向。

然而，上述前桥总成仅限用在吨位较小的轻型车上，对于吨位较大的商用车或者港口车辆，此类型的前桥总成不能提供足够的转向力矩，因此无法应用于以上大吨位的无人驾驶平板车底盘中。

发明内容

本申请实施例提供一种车辆转向系统的前桥总成及车辆转向系统，前桥通过电液转向机和助力缸联合助力，能够实现大载荷下的转向。

第一方面，提供了一种车辆转向系统的前桥总成，其包括：

前桥；

第一安装座，所述第一安装座组设于所述前桥的桥壳上，所述第一安装座被配置为：当电液转向机安装固定在所述第一安装座上时，所述电液转向机的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为第一锐角α；

第二安装座，所述第二安装座组设于所述前桥的桥壳上，并用于连接助力缸的一端；

左转向轮下节臂，所述左转向轮下节臂转动连接在所述前桥上，并用于通过直拉杆连接所述电液转向机的转向垂臂；

右转向轮下节臂，所述右转向轮下节臂转动连接在所述前桥上，并用于连接助力缸的另一端。

一些实施例中，所述第一锐角α的取值范围为10°～20°。

一些实施例中，所述第一锐角α的取值为14°。

一些实施例中，所述右转向轮下节臂通过第一主销连接在所述前桥上，所述右转向轮下节臂上设有第一安装孔，所述第一安装孔用于通过第一球头销连接助力缸；

所述第一主销在所述前桥轴向上的垂足为A点，所述第一安装孔的圆心与A点所形成的直线，朝远离第一安装座的方向偏，且该直线与车辆长度方向所夹持的角度为第二锐角β。

一些实施例中，所述第二锐角β的取值范围为1°～5°。

一些实施例中，所述第二锐角β的取值为2°。

一些实施例中，所述左转向轮下节臂通过第二主销连接在所述前桥上，所述左转向轮下节臂上设有第二安装孔，所述第二安装孔用于通过第二球头销连接直拉杆；

所述第二主销在所述前桥轴向上的垂足为B点，所述第二安装孔的圆心与B点所形成的直线，朝远离第一安装座的方向偏，且该直线与车辆长度方向所夹持的角度为第三锐角。

一些实施例中，所述第三锐角的取值范围为1°～5°。

一些实施例中，所述第三锐角的取值为2°。

第二方面，提供了一种车辆转向系统，其包括：

如上任一所述的车辆转向系统的前桥总成；以及，

电液转向机，所述电液转向机安装固定在第一安装座上，所述电液转向机的转向垂臂通过直拉杆连接在左转向轮下节臂上；

助力缸，所述助力缸一端安装在第二安装座上，另一端安装在右转向轮下节臂上。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请提供的车辆转向系统的前桥总成，使用时，将电液转向机和助力缸装配到前桥上，助力缸与右转向轮下节臂转动连接，电液转向机的转向垂臂通过直拉杆与左转向轮下节臂转动连接，当需要转向时，电液转向机接收控制器的控制信号，使转向器输出轴带动转向垂臂摆动，转向垂臂通过直拉杆带动前桥的左转向节绕其对应的主销旋转，同时，电液转向机控制助力缸油路的通断，使助力缸推动右转向节绕其对应的主销旋转，从而在电液转向机和助力缸的共同液压助力作用下，实现车辆转向。

本申请实施例可以将电液转向机和助力缸安装在前桥总成上，形成转向系统，由电液转向机带动转向垂臂摆动来驱动转向节转动，另外在右转向节上增加一只助力缸，采用电液转向机和助力缸联合助力，可以轻松实现大载荷下的转向。

本申请使用时，将电液转向机固定在桥壳上，并和前桥一并跳动，保证了电液转向机和车轮的相对位置不会随着不平路面引起的车轮跳动或者车辆不同承载重量引起车架高度变化而变化，避免引起车轮的额外偏转，保证了无人驾驶系统对底盘控制的一致性，降低了控制难度，提高了控制精度，从而提高了无人驾驶车辆整车的行驶稳定性和安全性。电液转向机和助力缸固定在前桥上，直接驱动前桥的转向节转向，没有过渡环节，使得转向系统扭矩传递效率极高、转向动作更可靠、更稳定。

在本申请中，第一安装座被配置为：当电液转向机安装固定在第一安装座上时，电液转向机的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为锐角，记为第一锐角α，而非电液转向机的轴向与车辆高度方向同向，这么做的好处是：使转向垂臂在左转极限和右转极限时夹角相等，保证电液转向机6左转和右转的圈数基本相等，这样符合驾驶员的一般操纵习惯，提高了人机工程水平，便于无人驾驶系统的控制。

在本申请中，通过设置第二锐角β，使得转至左极限、右极限时，助力缸的伸长、压缩的行程大致相等，电液转向机与助力缸作为转向桥的动力元件达到了较好的协调，电液转向机与助力缸可以同时作用到极限位置，有利于精准控制转向桥转向的速度，在无人驾驶车辆中，精准控制整车转向的速度可以大大提高自动驾驶的安全性能，降低车速较高时发生甩尾，翻车等风险。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例提供的车辆转向系统的前桥总成；

图2为本申请实施例提供的车辆转向系统立体图；

图3为本申请实施例提供的电液转向机的轴向与车辆高度方向同向时得到的转向垂臂夹角曲线图；

图4为本申请实施例提供的电液转向机的轴向与车辆高度方向夹持第一锐角α＝14°时得到的转向垂臂夹角曲线图；

图5为本申请实施例提供的车辆转向系统仰视图；

图6为本申请实施例提供的第一主销与垂足A的关系图。

图中：1、前桥；2、第一安装座；3、第二安装座；30、第三安装孔；31、第三球头销；4、左转向轮下节臂；40、第二安装孔；41、第二球头销；5、右转向轮下节臂；50、第一主销；51、第一安装孔；52、第一球头销；6、电液转向机；60、转向垂臂；7、助力缸；8、直拉杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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的一部分实施例，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的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。

本申请实施例提供了一种车辆转向系统的前桥总成，前桥通过电液转向机和助力缸联合助力，能够实现大载荷下的转向。

参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种车辆转向系统的前桥总成，该前桥总成包括前桥1、第一安装座2、第二安装座3、左转向轮下节臂4和右转向轮下节臂5。

第一安装座2组设于前桥1的桥壳上，具体地，第一安装座2固定地安装在桥壳的正前方，第一安装座2用来供电液转向机6的安装，第一安装座2采用倾斜方式进行布置，这样使得第一安装座2被配置为：当电液转向机6安装固定在第一安装座2上时，电液转向机6的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为锐角，记为第一锐角α。

第二安装座3组设于前桥1的桥壳上，第二安装座3位于第一安装座2的下方，第二安装座3上设有第三安装孔30，第三安装孔30用来安装第三球头销31，第三球头销31连接助力缸7的一端，助力缸7可以采用液压助力缸，此外，也不排除使用其他形式的助力缸。

左转向轮下节臂4转动连接在前桥1上，并且朝车辆车头一侧延伸，左转向轮下节臂4用于通过直拉杆8连接电液转向机6的转向垂臂60；右转向轮下节臂5转动连接在前桥1上，并且朝车辆车头一侧延伸，右转向轮下节臂5用于连接助力缸7的另一端。

本实施例提供的车辆转向系统的前桥总成，使用时，将电液转向机6和助力缸7装配到前桥1上，助力缸7与右转向轮下节臂5转动连接，电液转向机6的转向垂臂60通过直拉杆8与左转向轮下节臂4转动连接，当需要转向时，电液转向机6接收控制器的控制信号，使转向器输出轴带动转向垂臂60摆动，转向垂臂60通过直拉杆8带动前桥1的左转向节绕其对应的主销旋转，同时，电液转向机6控制助力缸7油路的通断，使助力缸7推动右转向节绕其对应的主销旋转，从而在电液转向机6和助力缸7的共同液压助力作用下，实现车辆转向。

本申请实施例可以将电液转向机6和助力缸7安装在前桥总成上，形成转向系统，由电液转向机6带动转向垂臂60摆动来驱动转向节转动，另外在右转向节上增加一只助力缸7，采用电液转向机和助力缸7联合助力，可以轻松实现大载荷下的转向。

本申请使用时，将电液转向机6固定在桥壳上，并和前桥1一并跳动，保证了电液转向机6和车轮的相对位置不会随着不平路面引起的车轮跳动或者车辆不同承载重量引起车架高度变化而变化，避免引起车轮的额外偏转，保证了无人驾驶系统对底盘控制的一致性，降低了控制难度，提高了控制精度，从而提高了无人驾驶车辆整车的行驶稳定性和安全性。电液转向机6和助力缸7固定在前桥1上，直接驱动前桥1的转向节转向，没有过渡环节，使得转向系统扭矩传递效率极高、转向动作更可靠、更稳定。

在本申请中，第一安装座2被配置为：当电液转向机6安装固定在第一安装座2上时，电液转向机6的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为锐角，记为第一锐角α，而非电液转向机6的轴向与车辆高度方向同向，这么做的好处是：使转向垂臂60在左转极限和右转极限时夹角相等，保证电液转向机6左转和右转的圈数基本相等，这样符合驾驶员的一般操纵习惯，提高了人机工程水平，便于无人驾驶系统的控制。

其中，由于电液转向机6的传动比不同，因此，第一锐角α较优的取值范围为10°～20°，更加优选地，第一锐角α的取值为14°。

当第一锐角α＝14°时，参见图3和图4所示，图3是电液转向机6的轴向与车辆高度方向同向时得到的转向垂臂60夹角曲线图，图3中转向垂臂60在左转极限时的夹角为41.31°，转向垂臂60在右转极限时的夹角为35.24°，二者相差6.07°，电液转向机6传动比为23，6.07°×23/360°＝0.4圈，也就是说，此时因为左转极限时的夹角与右转极限时的夹角相差6.07°，导致向左旋转和向右旋转相差0.4圈。

图4是电液转向机6的轴向与车辆高度方向夹持第一锐角α＝14°时得到的转向垂臂60夹角曲线图，图4中转向垂臂60在左转极限时的夹角为36.24°，转向垂臂60在右转极限时的夹角为36.49°，二者基本相等，此时向左旋转和向右旋转的圈数基本一致，从而使得电液转向机6在相同的转动速度下，转至左极限和右极限的时间大致相同，符合驾驶员的一般操纵习惯，提高了人机工程水平，便于无人驾驶系统的控制。

在本申请中，在前桥1的下方左、右两侧各增加一根下节臂，即左转向轮下节臂4和右转向轮下节臂5，前桥1左侧通过直拉杆8将转向垂臂60和左转向轮下节臂4连接，前桥1右侧通过助力缸7与右转向轮下节臂5相连，实现液压助力转向功能。然而，由于同一车桥上的左轮转角和右轮转角在转向时要符合阿克曼函数关系，这便导致前桥1的转向节朝左转动的极限角度与朝右转动的极限角度不相等。

为了解决这一问题，本申请对右转向轮下节臂5做了进一步的改进。

具体地，参见图1、图2、图5和图6所示，右转向轮下节臂5通过第一主销50连接在前桥1上，右转向轮下节臂5上设有第一安装孔51，第一安装孔51用于安装第一球头销52，通过第一球头销52连接助力缸7；参见图6所示，由于主销是倾斜布置的，而非竖直布置，故将第一主销50在前桥1轴向上的垂足记为A点(图5和图6中已经标出)，第一安装孔51的圆心与A点所形成的直线，朝远离第一安装座2的方向偏，且该直线与车辆长度方向所夹持的角度为锐角，且记为第二锐角β，第二锐角β较优的取值范围为1°～5°，更加优选地，第二锐角β的取值为2°。

通过设置第二锐角β，可以解决上述问题，以使得转至左极限、右极限时，助力缸的伸长、压缩的行程大致相等。

以下通过第二锐角β的取值为2°的例子来进行阐述。

转向节左转向，且到极限时，左转极限角度为γ，且γ＝36°，转向节右转向，且到极限时，右转极限角度为θ，且θ＝39°。

通过将第一安装孔51的圆心与A点所形成的直线，与车辆长度方向所夹持的角度β设计成2°的夹角，使得助力缸7的初始长度L为772mm，也即未做转向时助力缸7的长度为772mm，转向节左转向，且到极限时，助力缸7的长度压缩至最短L_左极限为618mm，此时助力缸7的行程为772-618＝154mm；转向节右转向，且到极限时，助力缸7的长度伸长至最长L_右极限为925mm，此时助力缸7的行程为925-772＝153mm，二者基本相等；由此可知，通过合理设计下节臂的初始角度，可以使得转至左、右极限时，助力缸7的伸长、压缩的行程大致相等。

再结合图4，电液转向机6带动转向垂臂60左摆36.24°，助力缸7压缩154mm；电液转向机6带动转向垂臂60右摆36.49°，助力缸7伸长153mm，电液转向机6与助力缸7作为转向桥的动力元件达到了较好的协调，电液转向机6与助力缸7可以同时作用到极限位置，有利于精准控制转向桥转向的速度，在无人驾驶车辆中，精准控制整车转向的速度可以大大提高自动驾驶的安全性能，降低车速较高时发生甩尾，翻车等风险。

基于上述相同的原理，本申请对左转向轮下节臂4做了进一步的改进。

具体地，参见图1和图2所示，左转向轮下节臂4通过第二主销连接在前桥1上，左转向轮下节臂4上设有第二安装孔40，第二安装孔40用于通过第二球头销41连接直拉杆8；第二主销在前桥1轴向上的垂足为B点(图中未示出)，第二安装孔40的圆心与B点所形成的直线，朝远离第一安装座2的方向偏，且该直线与车辆长度方向所夹持的角度为第三锐角，第三锐角较优的的取值范围为1°～5°，更加优选地，第三锐角的取值为2°。

参见图2所示，本申请还提供了一种车辆转向系统，该车辆转向系统包括上述任一实施例提供的车辆转向系统的前桥总成，以及电液转向机6和助力缸7，电液转向机6安装固定在第一安装座2上，电液转向机6的转向垂臂60连接直拉杆8，直拉杆8的另一端通过第二球头销41转动地连接在左转向轮下节臂4上；助力缸7一端通过第三球头销31转动地安装在第二安装座3上，另一端通过第一球头销52转动地安装在右转向轮下节臂5上。

本申请实施例可以将电液转向机6和助力缸7集成在前桥总成上，形成转向系统，由电液转向机6带动转向垂臂60摆动来驱动转向节转动，另外在右转向节上增加一只助力缸7，采用电液转向机和助力缸7联合助力，可以轻松实现大载荷下的转向。

本申请实施例将电液转向机固定在桥壳上，并和前桥一并跳动，保证了电液转向机和车轮的相对位置不会随着不平路面引起的车轮跳动或者车辆不同承载重量引起车架高度变化而变化，避免引起车轮的额外偏转，保证了无人驾驶系统对底盘控制的一致性，降低了控制难度，提高了控制精度，从而提高了无人驾驶车辆整车的行驶稳定性和安全性。电液转向机和助力缸固定在前桥上，直接驱动前桥的转向节转向，没有过渡环节，使得转向系统扭矩传递效率极高、转向动作更可靠、更稳定。

在本实施例中，第一安装座2被配置为：当电液转向机6安装固定在第一安装座2上时，电液转向机6的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为锐角，记为第一锐角α，而非电液转向机6的轴向与车辆高度方向同向，这么做的好处是：使转向垂臂60在左转极限和右转极限时夹角相等，保证电液转向机6左转和右转的圈数基本相等，这样符合驾驶员的一般操纵习惯，提高了人机工程水平，便于无人驾驶系统的控制。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种车辆转向系统的前桥总成，其特征在于，其包括：

前桥（1）；

第一安装座（2），所述第一安装座（2）设于所述前桥（1）的桥壳上，所述第一安装座（2）被配置为：当电液转向机（6）安装固定在所述第一安装座（2）上时，所述电液转向机（6）的轴向与车辆高度方向所夹持的角度为第一锐角α，以使所述电液转向机（6）的转向垂臂（60）在左转极限和右转极限时转动的夹角相等；

第二安装座（3），所述第二安装座（3）设于所述前桥（1）的桥壳上，并用于连接助力缸（7）的一端；

左转向轮下节臂（4），所述左转向轮下节臂（4）转动连接在所述前桥（1）上，并用于通过直拉杆（8）连接所述电液转向机（6）的转向垂臂（60）；

右转向轮下节臂（5），所述右转向轮下节臂（5）转动连接在所述前桥（1）上，并用于连接助力缸（7）的另一端。

2.如权利要求1所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述第一锐角α的取值范围为10°~20°。

3.如权利要求2所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述第一锐角α的取值为14°。

4.如权利要求1所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述右转向轮下节臂（5）通过第一主销（50）连接在所述前桥（1）上，所述右转向轮下节臂（5）上设有第一安装孔（51），所述第一安装孔（51）用于通过第一球头销（52）连接助力缸（7）；

所述第一主销（50）在所述前桥（1）轴向上的垂足为A点，所述第一安装孔（51）的圆心与A点所形成的直线，朝远离第一安装座（2）的方向偏，且该直线与车辆长度方向所夹持的角度为第二锐角β。

5.如权利要求4所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述第二锐角β的取值范围为1°~5°。

6.如权利要求5所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述第二锐角β的取值为2°。

7.如权利要求1所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述左转向轮下节臂（4）通过第二主销连接在所述前桥（1）上，所述左转向轮下节臂（4）上设有第二安装孔（40），所述第二安装孔（40）用于通过第二球头销（41）连接直拉杆（8）；

所述第二主销在所述前桥（1）轴向上的垂足为B点，所述第二安装孔（40）的圆心与B点所形成的直线，朝远离第一安装座（2）的方向偏，且该直线与车辆长度方向所夹持的角度为第三锐角。

8.如权利要求7所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述第三锐角的取值范围为1°~5°。

9.如权利要求8所述的车辆转向系统的前桥总成，其特征在于：

所述第三锐角的取值为2°。

10.一种车辆转向系统，其特征在于，其包括：

如权利要求1至9任一所述的车辆转向系统的前桥总成；以及，

电液转向机（6），所述电液转向机（6）安装固定在第一安装座（2）上，所述电液转向机（6）的转向垂臂（60）通过直拉杆（8）连接在左转向轮下节臂（4）上；

助力缸（7），所述助力缸（7）一端安装在第二安装座（3）上，另一端安装在右转向轮下节臂（5）上。

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