ES2584103B1

ES2584103B1 - Vehicle steering quadrilateral with variable length coupling bar

Info

Publication number: ES2584103B1
Application number: ES201500239A
Authority: ES
Inventors: Antonio Díaz González
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2017-07-10
Anticipated expiration: 2035-03-23
Also published as: ES2584103A1

Abstract

Cuadrilátero de dirección de vehículos con barra de acoplamiento de longitud variable.#Sistema de dirección de vehículos mediante cuadrilátero o trapecio de Ackermann, también conocido como de Jeantaud, en el que la barra de acoplamiento de dicho cuadrilátero es modificable en su longitud, mediante el mecanismo adecuado, de tal modo que adapta esa longitud a la medida necesaria para garantizar la convergencia de los ejes de giro de las ruedas en el punto que sea necesario, precisando que la innovación consiste en la incorporación de un mecanismo de extensión y retracción de la barra de acoplamiento del mecanismo de cambio de dirección de vehículos basado en el cuadrilátero de Ackermann que permita llevar a cabo ese cambio de forma controlada, cualquiera que sea el medio mecánico para lograr que la citada barra de acoplamiento sea extensible.Vehicle steering quadrilateral with variable length coupling rod. # Vehicle steering system by means of quadrilateral or Ackermann trapezoid, also known as Jeantaud, in which the coupling rod of said quadrilateral is modifiable in its length, by means of the suitable mechanism, in such a way that it adapts that length to the necessary measure to guarantee the convergence of the axles of rotation of the wheels at the point that is necessary, specifying that the innovation consists in the incorporation of a mechanism of extension and retraction of the coupling bar of the mechanism of change of steering of vehicles based on the quadrilateral of Ackermann that allows to carry out that change in a controlled way, whatever the mechanical means to achieve that said coupling bar is extensible.

Description

CUADRILÁTERO DE DIRECCIÓN DE VEHÍCULOS CON BARRA DE ACOPLAMIENTO DE LONGITUD VARIABLE VEHICLE ADDRESS QUADRILATER WITH VARIABLE LENGTH COUPLING BAR

5 5: La presente invención se encuadra dentro del sector de los mecanismos de guía y direccionado de vehículos, y más concretamente en los que contienen varios ejes de ruedas, y que precisan de sistemas coordinados de giro de los ejes de las ruedas para modificar la dirección del vehículo con el objeto de mantener la convergencia de los ejes de rotación de las ruedas y asegurar que todas las ruedas tienen un movimiento de rotación sin deslizamiento durante el cambio de The present invention falls within the sector of guidance and steering mechanisms of vehicles, and more specifically in those containing several wheel axles, and which require coordinated rotation systems of the wheel axles to modify the direction of the vehicle. in order to maintain the convergence of the axes of rotation of the wheels and ensure that all wheels have a rotation movement without sliding during the change of

\O \OR: dirección del vehículo. vehicle address

15 fifteen: En la actualidad, la dirección de los vehículos de cuatro o más ruedas se resuelve, en la mayor parte de los casos, mediante un dispositivo en forma de cuadrilátero, conocido como cuadrilátero o trapecio de Ackermann, al que también se conoce como de Jeantaud (figura 1). Este diseño se caracteriza porque tiene forma de trapecio cuando la dirección del vehículo es recta, y logra que cada una de las ruedas gire distinto ángulo cuando se gira la dirección del vehículo. At present, the direction of the vehicles with four or more wheels is resolved, in most cases, by a quadrilateral shaped device, known as Ackermann's quadrilateral or trapezoid, which is also known as Jeantaud ( Figure 1). This design is characterized in that it has a trapezoid shape when the direction of the vehicle is straight, and makes each of the wheels rotate a different angle when the direction of the vehicle is turned.

20 twenty: Este cuadrilátero, o trapecio, de Ackermann o de Jeantaud, está compuesto por tres brazos: uno es el brazo principal, también Bamado barra de acoplamiento; y los otros dos, iguales, uno en cada rueda, Bamados brazos de giro, que son los que transmiten a la rueda el giro de su eje, a través del movimiento que les fuerza la barra de acoplamiento al desplazarse (figura 2). This quadrilateral, or trapeze, of Ackermann or Jeantaud, is composed of three arms: one is the main arm, also Bamado coupling rod; and the other two, equal, one in each wheel, Bamados turn arms, which are the ones that transmit to the wheel the rotation of its axis, through the movement that forces the coupling bar when moving (figure 2).

25 25: Tratando de simplificar la redacción de esta solicitud, para unificar las denominaciones de los distintos elementos, utilizaremos en este Trying to simplify the wording of this application, to unify the denominations of the different elements, we will use in this

documento preferentemente las denominaciones barra de acoplamiento para el brazo principal o barra de acoplamiento del cuadrilátero de Ackermann, y brazos de giro para los dos brazos que hacen girar el eje de giro de las ruedas, que son los que van tmidos solidariamente al cubo de la rueda y que le transmiten el giro de la dirección. Y para el cuadrilátero o trapecio de Ackermann, también llamado de Jeantaud, nos referiremos a él preferentemente como cuadrilátero de Ackermann. document preferably the designations coupling rod for the main arm or coupling rod of the Ackermann quadrilateral, and turning arms for the two arms that rotate the axis of rotation of the wheels, which are the ones that are joined in solidarity with the hub of the wheel and that transmit the steering turn. And for Ackermann's quadrilateral or trapeze, also called Jeantaud, we will refer to it preferably as Ackermann's quadrilateral.

También se hace notar que en esta solicitud de patente de emplearán denominaciones muy parecidas para conceptos muy distintos, debiendo establecerse claramente la diferencia entre eje de giro, que es el eje de rotación respecto al que gira un elemento, normalmente una rueda, y eje de ruedas, que es el conjunto de ruedas cuyos ejes de giro se superponen cuando la trayectoria del vehículo es rectilínea, tales como son el eje trasero y el delantero de los vehículos de cuatro ruedas, o los ejes intermedios en vehículos de tres o más ejes. It is also noted that in this patent application they will use very similar denominations for very different concepts, the difference between the axis of rotation, which is the axis of rotation with respect to which an element rotates, usually a wheel, and the axis of rotation must be clearly established. wheels, which is the set of wheels whose axles of rotation overlap when the vehicle's trajectory is rectilinear, such as the rear and front axles of four-wheel vehicles, or intermediate axles in vehicles with three or more axles.

La presente invención se refiere a un nuevo diseño de este cuadrilátero de Ackermann en el que la barra de acoplamiento es modificable en su longitud, mediante el mecanismo adecuado, de tal modo que adapta esa longitud a la medida necesaria para garantizar la convergencia del eje de giro de las ruedas en el punto que se precise. La innovación para la que se solicita la patente consiste por tanto en la incorporación de un mecanismo de alargamiento y acortamiento de la barra de acoplamiento del mecanismo de cambio de dirección de vehículos conocido como cuadrilátero de Ackermann. The present invention relates to a new design of this Ackermann quadrilateral in which the coupling bar is modifiable in its length, by means of the appropriate mechanism, such that it adapts that length to the extent necessary to guarantee the convergence of the axis of wheel rotation at the point required. The innovation for which the patent is requested is therefore the incorporation of a mechanism for lengthening and shortening the coupling bar of the vehicle steering change mechanism known as Ackermann quadrilateral.

Este diseño de Ackermann no alcanza la solución al problema de la convergencia de la dirección de todas las ruedas del vehículo, que sólo This Ackermann design does not reach the solution to the problem of the convergence of the steering of all the wheels of the vehicle, which only

Es habitual que uno de los ejes de ruedas del vehículo tenga los ejes de giro de sus ruedas fijos, y que las ruedas que componen este eje de ruedas giren respecto al mismo eje, tal como ocurre con el eje trasero de los automóviles con dirección en el eje delantero, y tal como se ha representado en las figuras incluidas en esta solicitud. Cuando se precisa cambiar la dirección del vehículo, las demás ruedas del vehículo han de cambiar su orientación girando sus ejes de rotación, pero este giro debe ser tal que los ejes de giro de todas las ruedas se corten en un mismo punto. Las ruedas que tienen su eje de giro fijo definen la línea en la que deben converger los demás ejes de giro, y para que la dirección converja adecuadamente, todos los ejes han de coincidir en el mismo punto (figura 3). It is usual that one of the vehicle's wheel axles has the axes of rotation of its fixed wheels, and that the wheels that make up this wheel axle rotate with respect to the same axle, as is the case with the rear axle of cars with steering in the front axle, and as represented in the figures included in this application. When it is necessary to change the direction of the vehicle, the other wheels of the vehicle must change their orientation by rotating their rotation axes, but this rotation must be such that the axes of rotation of all the wheels are cut at the same point. Wheels that have their fixed axis of rotation define the line in which the other axes of rotation must converge, and for the direction to converge properly, all axes must coincide at the same point (figure 3).

La solución que se consigue con el cuadrilátero de Ackermann no logra esta convergencia totalmente (figura 4), aunque consigue una aproximación suficiente gracias a un diseño de los cuatro lados del cuadrilátero con el que hay poca diferencia entre los ángulos girados reales y los ideales para la convergencia de los ejes de giro, y tal que esta diferencia s6lo es significativa en posiciones poco habituales, corno cuando la dirección tiene un ángulo de giro grande. Sin embargo, no consigue una convergencia correcta de los ejes de las cuatro ruedas para todos los ángulos de giro, y por ello, siempre habrá al menos una rueda que tendrá cierto deslizamiento. The solution that is achieved with the Ackermann quadrilateral does not achieve this convergence completely (Figure 4), although it achieves a sufficient approximation thanks to a design of the four sides of the quadrilateral with which there is little difference between the real rotated angles and the ideal ones for the convergence of the axes of rotation, and such that this difference is only significant in unusual positions, as when the direction has a large angle of rotation. However, it does not achieve a correct convergence of the four-wheel axles for all angles of rotation, and therefore, there will always be at least one wheel that will have some slippage.

Con el estado actual de las técnicas mecánica, electrónica y de los sistemas de posicionado, de regulación y de medición, es posible desarrollar diferentes diseños que solucionen este inconveniente, siendo el objeto de esta solicitud de patente el registro de la solución caracterizada por disponer en la barra de acoplamiento del cuadrilátero, un mecanismo que la haga extensible, es decir, capaz de aumentar y disminuir su longitud, y esto con independencia del diseño preciso empleado para lograrlo. Como se mostrará más adelante, existen una multitud de opciones posibles para que esta barra de acoplamiento pueda modificar su longitud, y ésta es la razón por la que la presente solicitud pretende incluir todas las posibles, considerando que la novedad que se pretende patentar es la incorporación de la posibilidad de modificar la longitud de la barra de acoplamiento para lograr la convergencia de los ejes de giro, y no un modo concreto de realizarlo. With the current state of mechanical, electronic techniques and positioning, regulation and measurement systems, it is possible to develop different designs that solve this problem, being the object of this patent application the registration of the solution characterized by having in the coupling bar of the quadrilateral, a mechanism that makes it extensible, that is, capable of increasing and decreasing its length, and this regardless of the precise design used to achieve it. As will be shown below, there are a multitude of possible options for this coupling bar to modify its length, and this is the reason why the present application intends to include all possible ones, considering that the novelty that is intended to be patented is the incorporation of the possibility of modifying the length of the coupling bar to achieve the convergence of the axes of rotation, and not a concrete way of doing it.

La corrección de la dirección del eje de giro de las ruedas mediante la modificación de la longitud de la barra de acoplamiento (figura 5), es un medio sencillo y eficaz, ya que resuelve la falta de convergencia mediante una pequeña variación de esta longitud, que es además susceptible de ser calculada previamente en función del ángulo girado por la dirección y de los parámetros geométricos del vehículo, es decir, de la posición relativa de las distintas ruedas. The correction of the direction of the axis of rotation of the wheels by modifying the length of the coupling bar (Figure 5), is a simple and effective means, since it solves the lack of convergence by a small variation of this length, which is also capable of being previously calculated based on the angle turned by the steering and the geometric parameters of the vehicle, that is, the relative position of the different wheels.

Conseguir una convergencia real de todos los ejes de giro supondrá un avance que pennitirá aumentar el intervalo de radios de giro posibles y asegurar que no se producirá el deslizamiento de ninguna de las ruedas, incluso en el caso de vehículos de más de dos ejes. También pennitirá diseños de vehículos con todos sus ejes direccionales y que sean capaces de lograr la convergencia de todos los ejes de giro de sus ruedas en un único punto, evitando así que ninguna de las ruedas tenga Achieving a real convergence of all axes of rotation will mean an advance that will increase the range of possible radii of rotation and ensure that no slippage of any of the wheels will occur, even in the case of vehicles with more than two axles. It will also penetrate vehicle designs with all its directional axles and that are capable of achieving the convergence of all the axles of rotation of its wheels at a single point, thus avoiding that none of the wheels have

El diseño del cuadrilátero de Ackennann empleado hasta la fecha puede ser suficiente para algunas situaciones, pero la mejora propuesta en la presente solicitud de patente pennitirá el diseño de vehículos con mayores posibilidades de giro y mayor número de ejes direccionales, incorporando nuevas posibilidades y adaptándose a situaciones que los diseftos existentes hasta la fecha no han pennitido. The design of the Ackennann quadrilateral used to date may be sufficient for some situations, but the improvement proposed in the present patent application will mean the design of vehicles with greater turning possibilities and a greater number of directional axes, incorporating new possibilities and adapting to situations that the existing designs to date have not affected.

Para ello, la característica principal no es tanto el tipo de sistema mecánico para la extensión y retracción de la barra de acoplamiento, sino el conjunto del sistema mecánico más los medios para el cálculo de la longitud necesaria, junto con los sistemas de medición, de regulación y de posicionado. Todo este conjunto es el que posibilita modificar a conveniencia el centro de giro común para las dos ruedas de un eje, lo que pennite llevarlo al lugar que más interese en cada situación. For this, the main characteristic is not so much the type of mechanical system for the extension and retraction of the coupling bar, but the whole of the mechanical system plus the means for calculating the necessary length, together with the measuring systems, of regulation and positioning. This whole set is the one that makes it possible to modify the common center of rotation for the two wheels of a axle conveniently, which may take you to the place that most interests you in each situation.

La modificación de la longitud de la barra de acoplamiento pennite escoger a voluntad el punto de intersección de los dos ejes de giro de las ruedas, O lo que es lo mismo, el centro instantáneo de rotación y desplazamiento del vehículo. Esto quiere decir que, si se conoce el punto en el que se va a situar este centro instantáneo de rotación y desplazamiento, se puede calcular la longitud necesaria de esta barra de acoplamiento en función únicamente de los parámetros geométricos del vehículo y del ángulo de giro de la dirección. Modificando esta longitud al mismo tiempo que se gira la dirección, se logrará la convergencia de los ejes de giro de las ruedas en el punto deseado. The modification of the length of the pennite coupling bar will at will choose the point of intersection of the two axes of rotation of the wheels, or what is the same, the instantaneous center of rotation and displacement of the vehicle. This means that, if the point at which this instantaneous center of rotation and displacement is to be located is known, the necessary length of this coupling bar can be calculated based solely on the geometric parameters of the vehicle and the angle of rotation of the address. By modifying this length at the same time that the direction is turned, the convergence of the axes of rotation of the wheels at the desired point will be achieved.

Los mecanismos para lograr esta variación de la longitud de la barra de acoplamiento son múltiples, como se muestra a continuación citando varios ejemplos, los cuales no pretenden ser limitativos del alcance de la patente: la inserción de un husillo giratorio en la barra de acoplamiento, sea este sencillo (figura 6) o doble (figura 7); la articulación de esta barra de acoplamiento (figura 8); la incorporación de un cilindro hidráulico en dicha barra de acoplamiento (figura 9); etc. Cada solución mecánica tendrá sus propias características particulares que habrá que adaptar para que la variación de longitud lograda sea estable, se pueda modificar a voluntad y medir con precisión. The mechanisms to achieve this variation in the length of the coupling bar are multiple, as shown below citing several examples, which are not intended to be limiting the scope of the patent: the insertion of a rotating spindle in the coupling bar, be this single (figure 6) or double (figure 7); the articulation of this coupling bar (figure 8); the incorporation of a hydraulic cylinder in said coupling bar (figure 9); etc. Each mechanical solution will have its own particular characteristics that will have to be adapted so that the length variation achieved is stable, can be modified at will and measured accurately.

El estado de la técnica actual permite la medición precisa del giro de la dirección, y también existen medios para calcular la modificación de longitud necesaria con rapidez y seguridad mediante medios electrónicos y automatismos adecuados. Para cada uno de los medios mecánicos que se puedan prever para modificar esta longitud, se deberá aplicar el sistema de medición que se considere más adecuado para garantizar que se alcanzará el valor calculado, dentro de los tiempos de reacción convenientes, y con la tolerancia necesaria. The current state of the art allows precise measurement of steering rotation, and there are also means to calculate the necessary length modification quickly and safely by appropriate electronic means and automatisms. For each of the mechanical means that can be foreseen to modify this length, the measurement system that is considered most appropriate should be applied to guarantee that the calculated value will be reached, within the appropriate reaction times, and with the necessary tolerance .

Las figuras que se acompaftan a esta solicitud muestran el mecanismo de la dirección de un vehículo de un modo muy simplificado, del mismo modo que el vehículo representado es el más sencillo que se pueda considerar, con sólo dos ejes de ruedas y sólo uno de ellos direccional. En beneficio de la mejor comprensión tampoco se representa ni el vehículo, ni los mecanismos de soporte, ni los de tracción. Otros mecanismos necesarios de la dirección, como la caja de dirección, la columna de la dirección y el volante o manubrio, tampoco The figures that accompany this application show the steering mechanism of a vehicle in a very simplified way, in the same way that the vehicle represented is the simplest that can be considered, with only two wheel axles and only one of them directional. For the best understanding, neither the vehicle, the support mechanisms, nor the traction mechanisms are represented. Other necessary steering mechanisms, such as the steering box, the steering column and the steering wheel or handlebar, either

explanations

La figura 1 muestra, en planta (vista vertical), las cuatro ruedas (1), emparejadas de dos en dos, formando dos de ellas un eje direccional y las otras dos un eje no direccional, diferenciándose el direccional por estar sus ruedas unidas al mecanismo de la dirección, en el que se puede observar la barra de acoplamiento (2) del cuadrilátero de Ackermann, y los dos brazos de giro (3). Figure 1 shows, in plan (vertical view), the four wheels (1), paired two by two, two of them forming a directional axis and the other two a non-directional axis, the directional being differentiated by being their wheels attached to the steering mechanism, in which the coupling bar (2) of the Ackermann quadrilateral can be observed, and the two turning arms (3).

La figura 2 muestra los mismos elementos de la figura 1, pero con la dirección girada, en la que se pueden observar los ángulos girados por cada una de las dos ruedas, (1) y (2), que por efecto de la unión a través de la barra de acoplamiento son diferentes. Figure 2 shows the same elements of Figure 1, but with the direction turned, in which you can see the angles turned by each of the two wheels, (1) and (2), which by effect of the union to Through the tie bar are different.

La figura 3 muestra la condición que debería cumplirse para que las cuatro ruedas giren sin deslizamiento, convergiendo todos los ejes de giro en un único punto (1), mientras que en la figura 4 se puede ver la situación real que ocurre en todo cuadrilátero de Ackermann, en el que, la mayor parte de las veces, no hay una convergencia completa de los ejes de giro. Figure 3 shows the condition that should be met so that the four wheels rotate without sliding, converging all the axes of rotation in a single point (1), while in figure 4 you can see the real situation that occurs in every quadrilateral of Ackermann, in which, most of the time, there is no complete convergence of the axes of rotation.

La figura 5 muestra el incremento de longitud (1) que sería necesario darle a la barra de acoplamiento para lograr la convergencia de los ejes de giro, donde es fácil observar que ese incremento de longitud es relativamente pequeño, lo que facilita que existan muchos medios para poder lograrlo, tal como se muestra en las siguientes figuras, en las que se muestran ejemplos, que no limitan el alcance de la patente, sino que muestran la multitud de opciones que se pueden disponer para lograr un barra de acoplamiento extensible. Figure 5 shows the increase in length (1) that would be necessary to give the coupling bar to achieve the convergence of the pivot axes, where it is easy to observe that this increase in length is relatively small, which facilitates the existence of many means in order to achieve this, as shown in the following figures, in which examples are shown, which do not limit the scope of the patent, but show the multitude of options that can be arranged to achieve an extensible coupling bar.

En concreto, la figura 6 muestra un mecanismo en el que hay una pieza giratoria con un extremo roscado, que al girar sobre la rosca en una de las piezas del brazo de acoplamiento, modifica la longitud de este brazo, logrando así la variación de esta longitud mediante la Specifically, Figure 6 shows a mechanism in which there is a rotating part with a threaded end, which when rotating on the thread in one of the parts of the coupling arm, modifies the length of this arm, thus achieving the variation of this length by

5 inserción de un husillo giratorio sencillo en la barra de acoplamiento. La figura 7 muestra cómo este incremento de longitud también se puede lograr mediante una pieza giratoria con dos extremos roscados, con roscas de sentido contrario, en un mecanismo similar a los tensores empleados para cables habitualmente, es decir, mediante inserción en la 10 barra de acoplamiento de un husillo giratorio doble. La figura 8 muestra otro ejemplo de medios para modificar la longitud de la barra de acoplamiento, mediante una articulación, cuyos ángulos de articulado se gobiernan, también en este caso, mediante un mecanismo de husillo y rosca. 15 Por último, la figura 9 muestra un ejemplo más para conseguir una barra de acoplamiento de longitud variable a través de un cilindro hidráulico insertado en ella. 5 insertion of a single rotating spindle in the coupling bar. Figure 7 shows how this increase in length can also be achieved by means of a rotating part with two threaded ends, with threads in the opposite direction, in a mechanism similar to the tensioners commonly used for cables, that is, by insertion into the bar of coupling of a double rotating spindle. Figure 8 shows another example of means for modifying the length of the coupling bar, by means of a joint, whose articulation angles are governed, also in this case, by a spindle and thread mechanism. 15 Finally, Figure 9 shows a further example to achieve a coupling rod of variable length through a hydraulic cylinder inserted therein.

Claims

1. Vehicle steering system by means of articulated arms quadrilateral, corresponding to the design known as Ackerrnann, or Jeantaud, characterized by having a bar of

5 coupling of modifiable length, this coupling bar being the main arm of the quadrilateral or trapezoid of Ackerrnann, or of Jeantaud, which joins the steering arms that change the direction of the axis of rotation of the directional wheels of the vehicle.

2. Vehicle steering system according to claim 1, wherein a spindle and rotating thread system is arranged for modifying the length of the coupling bar.

3. Vehicle steering system according to claim 1, in

which has been arranged a double spindle system and rotating thread for the modification of the length of the coupling bar.

4. Vehicle steering system according to claim 1, wherein an articulation system for modifying the length of the coupling bar is arranged.

5. Vehicle steering system according to claim 1, in

20 that a hydraulic cylinder has been arranged for the modification of the length of the coupling rod.