用于乘骑式割草机的转向组件的制作方法

文档序号:13426230
用于乘骑式割草机的转向组件的制作方法
用于乘骑式割草机的转向组件相关申请的交叉引用本申请要求2015年1月26日提交的美国临时申请No.62/107,585的权益,该临时申请的内容通过引用结合至此。技术领域本发明涉及乘骑式割草机或拖拉机,更具体地,涉及用于允许割草机或拖拉机具有小转弯半径的转向组件。

背景技术:
“转向”这一术语通常应用于允许被驱动的机器遵循期望路线的组件、连接件等的集合。传统转向装置的典型操作方式是使用者转动手动转向器,使前轮转动到期望的角度。方向盘通常与驱动小齿轮的轴连接,然后小齿轮驱动齿条。通过与齿条连接的拉杆将转向转矩提供给车轮的主销(thekingpins)。阿克曼(Ackermann)转向几何是机器转向装置中联动装置的几何布置,其设计为解决转弯的内外轮需要描绘不同半径的圆圈的问题。通过将转向枢轴点向内移动以便位于转向主销和后轴中心之间的线上,可以产生近似完美的阿克曼转向几何。在完美的阿克曼转向几何中,在任何转向角度,所有车轮所描绘的所有圆圈的中心点将位于一个共同的点(分别垂直于各个轮胎的线条相交)。完美的阿克曼转向几何允许轮胎上的磨损量最小,但实际上可能难以通过简单的拉杆来布置,特别是对于小半径转弯。

技术实现要素:
在本发明的一个方面,提供了一种用于草坪维护车辆的转向组件。草坪维护车辆包括车架。转向组件包括控制组件,该控制组件具有可操作地连接至小齿轮以产生第一旋转输出的方向盘。转向组件还包括具有扇形齿轮和一对拉杆的传动组件,其中所述扇形齿轮可操作地连接至车架并且可相对于其旋转。扇形齿轮具有弧形前缘,该弧形前缘形成与小齿轮啮合以接收第一旋转输出的齿条。凸角从前缘的每一端向后延伸。拉杆可操作地连接至每个凸角。转向组件还包括一对车轮组件,其中所述传动组件的每个拉杆可连接至所述车轮组件中的其中一个。拉杆响应于扇形齿轮的旋转的运动导致车轮组件旋转。在本发明的另一方面,提供了一种用于草坪维护车辆的转向组件。转向组件包括控制组件,该控制组件具有可操作地连接至小齿轮的方向盘。方向盘的旋转直接传递到小齿轮,以产生第一旋转输出。转向组件还包括具有扇形齿轮和一对拉杆的传动组件。扇形齿轮具有前缘,该前缘形成与小齿轮啮合以接收第一旋转输出的齿条。每个拉杆的一端连接至扇形齿轮。转向组件还包括一对车轮组件,其中每个车轮组件包括转向节、用于将转向节连接至与车架可操作地连接的枢转杆的主销、延伸所述转向节的车轴、可旋转地连接至车轴的轮辋以及安装在轮辋上的轮胎。转向节连接到其中一个拉杆的另一端。主销位于轮辋内。通过下面对本发明的实施方式的描述,本领域技术人员将更加了解本发明的优点,以举例方式对本发明的实施方式进行展示和说明。如将认识到的,本发明能够具有其他和不同的实施方式,并且其细节能够在各个方面进行修改。附图说明在下面的实施方式中,通过举例方式,借助附图对本发明的这些和其他特征,以及它们的优点进行具体描述,在这些附图中:图1是草坪维护车辆的实施方式的立体图;图2A是转向组件的实施方式的俯视图;图2B是图2A所示转向组件的前侧的立体图;图3是支撑块的实施方式的顶部立体图;图4是扇形齿轮的实施方式的顶部立体图;图5A是转向组件的另一实施方式的俯视图;图5B是图5A所示转向组件的后侧的爆炸图;图6是转向节的立体图;图7A是车轮组件的实施方式的前侧的爆炸图;图7B是图7A所示车轮组件的前立体图;和图7C是图7A所示车轮组件的前横截面图。需要注意的是,所有附图是示意性的并且不按比例绘制。为了清楚起见和绘图方便,这些附图的部分的相对尺寸和比例被夸大或缩小。相同的附图标记一般用于指代不同实施方式中对应的或类似的特征。因此,附图和描述应该理解为说明性的,而非限制性的。具体实施方式参考图1-2B,示出了草坪维护车辆10,其具有用于控制车辆的运动和方向的转向组件12。转向组件12可操作地连接到车架14,车架14包括车架纵梁和草坪维护车辆10的所有相应结构支撑件。转向组件12包括控制组件16、传动组件18以及一对车轮组件20,控制组件16可以由操作者控制,传动组件18可操作地连接至控制组件16并从控制组件16接收输出,所述车轮组件20接收来自传动组件18的输入,所述输入允许车轮组件20引导草坪维护车辆10的方向。在图2A-2B所示的示例性实施方式中,控制组件16包括方向盘22、转向轴24、小齿轮26以及支撑块28,所述转向轴24从方向盘22延伸,所述小齿轮26定位在转向轴24的与方向盘22相对的远端,支撑块28连接至车架14并配置为接收和稳定转向轴24的远端。方向盘22可以是可由操作者抓住并操纵的任何转向装置或机构,但是本领域普通技术人员应当理解,方向盘22的所示实施方式配置为向转向轴24输出旋转运动。方向盘22的旋转导致小齿轮26的相应旋转,小齿轮26的位置邻近转向轴24的与方向盘22相对的远端。图2A-2B中示出了转向轴24的示例性实施方式。转向轴24是具有相对的远端的细长的圆柱形管状轴,其中第一远端包括形成在转向轴24的圆周表面上的多个纵向凹槽或花键(splines)。这些凹槽/花键对应于形成在方向盘22上的类似凹槽/花键,从而允许方向盘22容易地并且可拆卸地连接至转向轴24的第一远端。转向轴24的相对的第二远端包括从转向轴24的端部纵向延伸的突起,其中突起由支撑块28接收。邻近第二远端还设置有从转向轴24的圆周表面径向向外延伸的肩部。该肩部与转向轴24的端部隔开。齿槽定位成紧邻肩部并且位于肩部和突起之间。花键配置成接收小齿轮26,如下面将要解释的那样,花键的肋/凹槽大体上平行于转向轴24的纵向轴线对齐。在图2A-2B所示的实施方式中,小齿轮26是大体上圆形的环形构件,其具有沿着内周面形成的花键和从外周表面径向向外延伸的齿轮齿。小齿轮26的内花键配置为与转向轴24的花键啮合,以允许小齿轮26牢固地连接至转向轴24,其中转向轴24的旋转通过啮合的花键传递到小齿轮26。小齿轮26连接或以其它方式定位在转向轴24上,使得小齿轮26抵靠转向轴24的肩部。如图2A-2B所示,从转向轴24的第二远端延伸的突起被接收在支撑块28中。在图3中示出了控制组件16的支撑块28的示例性实施方式。支撑块28是具有前端44和相对的后端46的细长部件,并且支撑块28连接至草坪维护车辆10的车架14。支撑块28包括以一定角度向后延伸的接收凸台48。接收凸台48定位在与前端44邻近的位置,并且接收凸台48形成为具有穿过纵向中心形成的止动装置或通道的管状形状,其配置为接收转向轴24的突起34。接收凸台48的角度允许转向轴24同样地以一定角度对齐,从而在支撑块28和方向盘22之间延伸。如图3所示,支撑块28的示例性实施方式还包括导向凸台50,该导向凸台50大体上位于前端44和后端46之间的中心。导向凸台50以基本垂直的方式向上延伸。导向凸台50配置为由传动组件18的扇形齿轮60接收,如下所述。导向凸台50是大致圆柱形的突起。支撑块28还包括穿过支撑块28的厚度垂直形成的孔52。孔52定位为邻近后端46并且位于导向凸台50和后端46之间。孔52配置为接收销66(图2B),扇形齿轮60绕销66旋转。控制组件16配置为通过方向盘22的旋转来接收用户输入,其中方向盘22的旋转通过小齿轮26的旋转产生控制组件16的旋转输出。旋转通过转向轴24从方向盘22传递到小齿轮26,其中小齿轮26的旋转产生来自控制组件16的输出,该输出被传递到传动组件18。在图2A-2B所示的示例性实施方式中,传动组件18包括扇形齿轮60和可操作地连接到扇形齿轮60并从扇形齿轮60延伸的一对拉杆62。在图4中示出了扇形齿轮60的示例性实施方式,其中扇形齿轮60形成为具有前缘68和相对的后缘70的大体上平坦的部件。扇形齿轮60包括位于其中心附近的中心孔64。中心孔64允许扇形齿轮60通过支撑块28可旋转地连接到车辆10的车架14。如图2B所示,中心孔64接收销66,销66可操作地将扇形齿轮60连接到支撑块28,从而提供扇形齿轮60的围绕销66的旋转轴。如图4所示,扇形齿轮60的前缘68形成为大体上半圆形的弧形边缘。多个齿从前缘68径向向外延伸,从而形成齿条72,其中齿条72的齿配置为与小齿轮26的齿42啮合,以在它们之间形成齿条-小齿轮连接。虽然典型的齿条-小齿轮连接由于线性齿条而基本上是线性的,但是在所示实施方式中的齿条-小齿轮连接是弧形的齿条-齿轮连接。扇形齿轮60在其前缘68处与转向轴24啮合,这允许扇形齿轮60在紧急转弯期间越过中心旋转。齿条72的圆弧长度允许扇形齿轮60相对于扇形齿轮60的纵向中心线在每个方向(顺时针和逆时针)上旋转约90°。本领域技术人员应当理解,齿条72可以相对于支撑块28提供约10°至约220°或更大范围之间的旋转。齿条72限制扇形齿轮60沿顺时针方向和逆时针方向的允许旋转量。如图2A-2B以及图4所示,一对横向延伸的凸角(lobes)74从扇形齿轮60的前缘68的相对端延伸。每个凸角74包括孔76,孔76配置为连接至相应拉杆62的端部。扇形齿轮60还包括邻近弧形齿条72定位并与该弧形齿条72基本同心的弧形导向通道78。导向通道78配置为接收从支撑块28向上延伸的导向凸台50。导向凸台-导向通道关系确保了扇形齿轮60相对于支撑块28的适当地旋转并提供强制停止(hardstops),以防止扇形齿轮60在顺时针或逆时针方向上过度旋转。控制组件16的小齿轮26的旋转被转化为传动组件18的扇形齿轮60的类似旋转。所得到的扇形齿轮60的旋转运动被转化为施加到拉杆62上的转向力。扇形齿轮旋转时,施加到一个拉杆62上的转向力是压缩力,同时施加到另一个拉杆62上的转向力是张力,并且当相反方向转动时相反的转向力被施加到拉杆62上。如图2A-2B所示,传动组件18的每个拉杆62是在扇形齿轮60和对应的轮组件20之间延伸的细长管。拉杆62配置为通过连杆连接(alinkageconnection)将扇形齿轮60的旋转运动转换成转向节80的旋转运动。在一个实施方式中,拉杆62是基本为圆柱形的中空部件。每个拉杆62包括连接扇形齿轮60的凸角74中的一个的第一远端和连接到车轮组件20的相对的第二远端。拉杆62和扇形齿轮60之间的连接机构75在它们之间提供连续的连接。例如,连接部件75可以是球窝连接器(aball-and-socketconnector)、固定连接或任何其它类似的连接。在所示的实施方式中,拉杆62和扇形齿轮60之间的连接部件75是球窝连接器。当小齿轮26通过齿条72将旋转运动从控制组件16传递至传动组件18时,扇形齿轮60的旋转通过与车轮组件20的转向节80连接的拉杆62传递至车轮组件20。参考图5A-5B,示出了传动组件18的另一实施方式。所示的传动组件18包括扇形齿轮60a、一对连杆110以及一对拉杆62a,扇形齿轮60a与控制组件16啮合,其中每个连杆110的每个相对端与扇形齿轮60a滑动啮合,其中每个拉杆62a的端部与连杆110中的一个连接。传动组件18配置为将控制组件16的小齿轮26的旋转输出转化为隔开的拉杆62的运动,其操作或以其它方式改变车轮组件20的位置。在一个实施方式中,如图5A-5B所示,扇形齿轮60a是具有中心孔64a的基本半圆形的部件,扇形齿轮60a能够围绕中心孔64a旋转。扇形齿轮60a通过在扇形齿轮60a的中心孔64a和支撑块28a的孔52之间延伸的销66a可旋转地连接到支撑块28a。扇形齿轮60a还包括弧形前缘68a和从前缘68a的每个端部横向延伸的一对凸角74a。后缘70a在相对的凸角74a之间以大体上线性的方式延伸,但是本领域普通技术人员应当理解,后缘70a可以形成为在相对的凸角74a之间延伸的任何形状。前缘68a的至少一部分形成齿条72a,由此齿条72a包括向前延伸的多个齿。齿条72a的齿配置为与连接至转向轴24的小齿轮26啮合,由此小齿轮26的旋转通过小齿轮26和齿条72a的啮合齿传递到扇形齿轮60a。当通过方向盘22旋转转向轴24时,小齿轮26的齿啮合并驱动扇形齿轮60a的齿条72a,从而使得扇形齿轮60a围绕在扇形齿轮60a的中心孔64a和支撑块28a的孔52之间延伸的销66a旋转。如图5A-5B所示,扇形齿轮60a还包括一对相对的狭槽112,其中每个狭槽112形成为相对的凸角74a中的一个。在一个实施方式中,狭槽112形成为穿过扇形齿轮60a的线性孔。狭槽112配置为提供用于与其可操作地连接的车轮组件20的旋转的物理止动件,以防止过度旋转。狭槽112相对于彼此成一定角度定向。扇形齿轮60a还包括位于狭槽112和齿条72a之间的弧形狭槽114。如下所述,每个狭槽112和弧形狭槽114配置为连接到连杆110的端部。如图5A-5B所示,传动组件18的每个连杆110基本上为线性部件,该线性部件在两个相对的远端具有穿过其形成的孔。两个连杆110的第一远端通过固定销116可旋转地连接到支撑块28上,固定销116穿过每个连杆110的第一远端处的孔延伸。固定销116将每个连杆110的第一远端连接到支撑块28上,防止连杆110的第一远端的平移运动,同时允许连杆110的第一远端相对于支撑块28a围绕固定销116的轴线旋转。每个固定销116延伸通过连杆110中的一个的第一远端,通过扇形齿轮60的弧形狭槽114,然后被接收在形成于支撑块28a中的相应凹入孔内。弧形狭槽114配置为允许固定销116在转弯事件期间保持静止,其中当扇形齿轮60a相对于固定销116旋转时,固定销116沿弧形狭槽114滑动。如图5A-5B所示,每个连杆110的第二远端连接到拉杆62a的一端以及扇形齿轮60a的对应狭槽112。拉杆62a的端部通过连接机构75a连接到连杆110的第二远端,连接机构75a形成为包括细长杆的球窝连接器,但是本领域普通技术人员应当理解,可以使用任何其它机械连接机构来将拉杆62与连杆110中的一个连接。连接机构75a的细长杆从连杆110的底部向下延伸并且接收在其中一个狭槽112中。连接机构75a的细长杆配置为在转弯期间沿着狭槽112滑动,即使响应于扇形齿轮60a的旋转也是如此。连接机构-狭槽连接减少或消除了与转向组件12中的制造公差相关的问题。在操作中,当扇形齿轮60a围绕销66a旋转时,每个连接机构75a的细长杆沿相应狭槽112滑动,同时将扇形齿轮60a的旋转运动传递至对应的拉杆62a,其中每个拉杆62a连接至相应的车轮组件20。如图5A-5B所示,传动组件18的每个拉杆62a包括第一远端和第二远端,其中拉杆62a的第一远端可操作地连接至连杆110,并且拉杆62a的第二远端连接至车轮组件20。拉杆62a配置为将扇形齿轮60a的旋转运动传递至车轮组件20。在所示的示例性实施方式中,如图2B和6所示,每个车轮组件20包括转向节80、轮辋82、被连接的轮胎84以及主销(akingpin)99。转向节80可旋转地连接至枢转杆86,枢转杆86是水平定向的梁,该梁基本上垂直于车架14的纵向定位。每个转向节80通过主销99可操作地连接至枢转杆86,其中主销99基本上垂直定向。枢转杆86可旋转地附接至车架14,以允许相对的车轮组件20相对于彼此相对垂直运动。每个转向节80配置为从拉杆62接收转向力,该转向力导致相应的轮胎84转弯。图6所示的转向节80由连接在一起的多个部件形成,例如能够连接到拉杆62并由枢转杆86接收的J型杆、连接到J型杆的U形支架以及连接至轮辋82和轮胎84的安装销。接收在枢转杆86中的J型杆的部分形成车轮组件20的主销。图6示出了转向节80的另一实施方式,其中转向节80由铸造主体(acastbody)88和可操作地连接至主体88的车轴90形成。车轴90配置为由轮辋82接收,并且轮胎84安装在轮辋82上。车轴90是细长的圆柱形部件,该细长的圆柱形部件能够围绕其纵向轴线并且相对于主体88旋转,从而允许轮胎84相对于转向节80的主体88旋转。主体88包括水平对齐的上部平台92,上部平台92具有穿过其形成的孔94。拉杆62连接到上部平台92,并且孔94配置为接收用于将拉杆62连接到转向节80的连接机构,如图7B所示。在一个实施方式中,形成为球窝连接器的连接机构75用于将拉杆62连接到转向节80的上部平台92,但是本领域普通技术人员应当理解,可以使用任何其他紧固机构。形成为球窝连接器的连接机构75允许拉杆62在转弯事件期间,以及当车轮组件20在车辆10行驶在不平坦地形上的情况下随着枢转杆86升高或降低时保持与转向节80连接。上部平台92相对于车轴90的垂直高度应具有足够的高度,以确保当车轮组件20处于全转时,拉杆62和轮胎84保持空隙,使得拉杆62不会接触轮胎84。在全转或锁定位置期间,拉杆62在转弯方向上超过相应轮胎84的顶部延伸。如图6和7A-7C所示,转向节80还包括中心平台96,该中心平台96具有穿过其形成的孔98。转向节80还包括下部平台95,下部平台95具有穿过其形成的相应的孔97,其位于主体88的后部。中心平台96的孔98和下部平台95中的孔97对齐并配置为接收主销99,主销99穿过两个孔以及枢转杆86的相应凸台100延伸。转向节80可围绕主销99旋转,由此主销99提供旋转轴,在转弯期间整个车轮组件20相对于枢轴杆86围绕所述旋转轴旋转。来自拉杆62的转向力通过拉杆62和转向节80的上部平台92之间的连接传递到车轮组件20。当施加在拉杆62上的转向力导致压缩时,转向节80被向前“推动”,其中相应的轮辋82和轮胎84远离车架14向外转动。类似地,当施加在拉杆62上的转向力导致张紧时,转向节80被向后“拉动”,其中相应的轮辋82和轮胎84朝向框架14向内旋转。如图7C所示,摩擦半径RS是轮胎CT的垂直中心线与主销轴CK与地面相交的位置之间的距离。随着摩擦半径RS变大,转动方向盘22变得更加困难,因为增加的磨擦半径RS导致轮胎围绕转弯而拖动。低磨擦半径RS保持转向力低,使得转向力在车辆10的整个转向半径中都大体一致。这样,如图7B-7C所示,车轮组件20通过配置转向节80提供了减小的磨擦半径RS,以使主销99位于轮胎84的轮辋82内并且通过减小主销轴CK的垂直角(在横向方向上)。枢转杆86的凸台100基本上垂直(在相对于车辆10的纵轴的横向上)定向,使得主销轴CK也基本上垂直定向,从而减小了主销轴CK的垂直角度。低主销角度和低磨擦半径RS的组合使转弯更容易,特别是在轮组件全转或转至锁定位置的急转弯中。通过基本上垂直排列的轮内主销99和减小的摩擦半径RS,减少或消除了枢转杆86在转弯操作期间的移动。消除这种运动导致草的切割质量得到改善,并且减少转弯期间转向所需的努力。由于悬臂载荷减少,这还减少了拉杆62和转向节80中的应力。在图7C所示的实施方式中,摩擦半径在约0.0英寸(0.0”)和1.5英寸(1.5”)之间。在其他实施方式中,摩擦半径大于0.0英寸(>0.0”)或至少为0.0英寸(≥0.0”)。当主销位于轮胎的轮辋的外侧时,在急转弯期间,外侧轮胎上的较大的正曲率(alargerpositivecamber)被用于产生较低的摩擦半径,从而减少了转向力。这是轮胎和地面之间最佳抓握所需的相反效果。大的正曲率还使得位于轮胎的轮辋外侧的主销旋转足够大的量,使得草坪维护车辆10的前轴在外侧轮胎上升高(并且在内侧轮胎上降低),从而导致割草机甲板同样升高和降低,从而降低了草的切割质量。通过将主销99定位在轮胎84的轮辋82内,如上所述并且如图7B-7C所示,正曲率减小或消除,这反过来在急转弯期间又消除了与外轮胎84相关的轮胎滚动和摩擦。此外,由于消除了正曲率,所以在急转弯期间,外轮胎84不会滚动,这导致轮胎84的更多胎面与地面接触。因此,在急转弯期间,地面压实度较低,草皮损坏减少。尽管描述了本发明的优选实施方式,但是本领域技术人员应该理解,本发明不限于这些优选实施方式,在不偏离本发明的情况下可以做出修改。本发明的范围由所附权利要求限定,字面上或等价落入权利要求的含义中的所有设备、过程和方法都应理解为包含在其中。...
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