具有转向轮减磨调整机构的汽车转向机构的制作方法

本发明属于商用车技术领域，具体涉及用于商用车的汽车转向机构。

背景技术：

车辆在行驶的过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓车辆转向，车辆转向系统的功用就是保证车辆能按驾驶员的意志而进行转向行驶。在进行转向系的设计时为了避免车辆转向时产生路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过速磨损，要求转向系统能保证在车辆转向时所有车轮均作纯滚动，即满足阿克曼转向原理。满足阿克曼转向特性的车辆在作纯滚动时内轮转向角应大于外轮转向角，内外轮转角应满足关系式：

式中α、β分别为外转向轮和内转向轮转角，B为两侧主销轴线与地面交点之间的距离，L为车辆轴距。

阿克曼转向定理是在假设轮胎是绝对刚体的情况下得出的结论，但由于轮胎都有侧向弹性，车辆在转向行驶过程中受到侧向惯性力作用轮胎要产生侧偏，车轮行驶方向会偏离车轮平面并与车轮平面之间有个夹角，即侧偏角。且轮胎侧偏角在车辆行驶过程中随着行驶速度的增加有较大增加，此时轮胎侧偏特性已不可忽略，阿克曼转向原理已不满足转向作纯滚动的条件。所以当考虑到轮胎侧偏角时，根据阿克曼转向定理设计的转向梯形并不能保证车辆作纯滚动转向运动，实际转向时轮胎与地面间存在滑移，轮胎的磨损会加剧、使用寿命会降低，从而造成橡胶资源的浪费。这说明，考虑侧偏角这个因素对车辆作纯滚动转向来说是很有必要的。

在一种汽车转向机构中，通过在右梯形臂上设置一个可滑动的套筒，在套筒上设置滚子，而滚子设置在一定的固定槽内，通过滚子在滑槽中受限的运动可以保证在转向时左右轮转角符合阿克曼转向特性。但在实际的转向行驶过程中由于轮胎侧偏角的影响，左右转向轮转角已不符合纯滚动条件。

现有技术主要问题是：为了保证车辆转向时作纯滚动，虽然也进行了转向角调整，但是以阿克曼原理为前提进行调整的，并未考虑轮胎侧偏角问题，所以并不能真正的保证车辆作纯滚动转向。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有转向轮减磨调整机构的汽车转向机构。

具有转向轮减磨调整机构的汽车转向机构包括左转向轮1、左转向节2、右转向轮8、右转向节9、前桥机构和后桥机构。

所述前桥机构包括前梁10、横拉杆和横拉杆调节机构5；前梁10的两端分别连接着左转向节2和右转向节9；

所述横拉杆为断开式的，包括左横拉杆4和右横拉杆6；所述横拉杆调节机构5包括调节电机，调节电机的输出轴为丝杠20，丝杠20起到减速作用，同时将调节电机转子18的转动转换为丝杠20的往复移动；

调节电机的机壳连接着左横拉杆4的一端，调节电机的输出轴的一端连接着右横拉杆6的一端；左横拉杆4的另一端通过左梯形臂3连接着左转向节2，右横拉杆6的另一端通过右梯形臂7连接着右转向节9；横拉杆调节机构位于前梁10的后部；

当车辆左转时，调节电机得电正转；丝杠20向右运动使左横拉杆4和右横拉杆6的长度之和增大，当右转向轮8的转角修正到作纯滚动的理想值时，调节电机断电，电机停转完成调节；

当车辆右转时，调节电机得电反转；此时，丝杠20向左运动使左横拉杆4和右横拉杆6的长度之和减小，当右转向轮8的转角就修正到作纯滚动的理想值时，调节电机断电，电机停转完成调节。

进一步限定的技术方案如下：

所述丝杠20的调节行程为-30mm～30mm。

所述调节电机包括电机壳体13、定子线圈16、转子18和丝杠20；所述转子18是空心的永磁转子，转子18的两端通过轴承连通着电机壳体13；转子18和丝杠20之间设有滚珠19；所述电机壳体13的两端分别固定设有左端盖12和右端盖14；所述左横拉杆4的一端连接着左端盖12。

所述电机壳体13的轴向长度大于定子线圈16的轴向长度，所述定子线圈16位于相邻右横拉杆6一侧的电机壳体13内，另一侧的电机壳体13内腔的轴向长度大于丝杠20的调节行程。

所述左端盖12的内端面上设有左定位凸环，所述右端盖14的内端面上设有右定位凸环，左定位凸环的端面和右定位凸环的端面分别与转子18两端的轴承的端面接触；所述左定位凸环的轴向长度大于丝杠20的调节行程。

所述左横拉杆4的一端通过螺纹连接着左端盖12。

所述右横拉杆6的一端通过螺纹连接着丝杠20的输出端。

所述左转向轮1的转向节主销间设有左转角传感器21、轮辋上设有左侧偏角传感器22；右转向轮8的转向节主销间设有右转角传感器22、轮辋上设有右侧偏角传感器24，所述后桥机构的桥壳中心处设有后桥侧偏角传感器26，构成转角和侧偏角传感机构。

本发明针对转向梯形驱动的转向桥仅有一个自由度的情况下，保持左侧转向轮转角不变，主动控制横拉杆长度改变右侧转向轮转角，从而实现车辆纯滚动转向，减小轮胎磨损。

本发明通过调节横拉杆的长度主动改变右转向轮的转角的计算方法如下：

步骤(1)：以某二轴商用车为例，车辆转向时，如图13所示，当考虑到轮胎的侧偏特性以后，车辆在转向行驶时转动瞬心已不在阿克曼原理确定的O点，而是变化到O'点，此时转向轮的转角已不满足作纯滚动条件。当考虑到轮胎侧偏角时，理想状态下，要使所有车轮都绕转向中心O'转动，应满足式(1)关系：

式中K为车辆两侧主销轴线与地面交点之间的距离，L为车辆轴距，L'为车辆两侧主销轴线与地面交点之间的连线与瞬时转动中心之间的距离，θ_o为车辆外转向轮转角，α_o为车辆外转向轮侧偏角，θ_i为车辆内转向轮转角，α_i为车辆内转向轮侧偏角，α为车辆后轴中心处侧偏角。

步骤(2)：ECU根据左轮转向角和侧偏角、右转向轮侧偏角、后轴中心处侧偏角，利用(1)式计算出作纯滚动时右转向轮的理想转角。

步骤(3)：根据转向梯形的参数ECU计算出横拉杆的修正值，转向梯形如图14所示。图14中m为梯形臂长度，为转向梯形底角，l为横拉杆初始长度，l'为调节后的横拉杆长度。调节后横拉杆长度为：

所需的横拉杆修正值为Δl＝l'-l。若修正值Δl为正值，则调节机构中的电机正转，使横拉杆长度增加；若修正值Δl为负值，则调节机构中的电机反转，使横拉杆长度减小。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明考虑了轮胎的侧偏特性，通过主动调整横拉杆长度调整右转向轮转角保证车辆转向时作纯滚动，避免了轮胎与地面间的滑移，从而可以减小轮胎磨损提高轮胎使用寿命，提高橡胶资源的利用率。

2.本发明采用空心电机驱动滚珠丝杠来调节横拉杆的长度，调节装置中的循环滚珠能将滑动摩擦转变为滚动摩擦，传动效率高,工作平稳可靠。

3.本发明调整装置不仅适用于具有整体式转向梯形的单转向桥的车辆，同样适用于具有整体式转向梯形的多转向桥多轴车辆。

附图说明

图1为具有横拉杆调节机构的前桥结构示意图。

图2为横拉杆调节机构三维示意图。

图3为横拉杆调节机构初始状态剖面图。

图4为横拉杆调节机构爆炸图。

图5为左转向轮连接关系示意图。

图6为右转向轮连接关系示意图。

图7为车辆左转时整车状态示意图。

图8为车辆左转时横拉杆调节机构的状态剖面图；

图9为车辆右转时整车状态示意图；

图10为车辆右转时横拉杆调节机构的状态剖面图；

图11为横拉杆调节机构在多轴汽车上的安装示意图；

图12为考虑侧偏时多轴车辆作转向纯滚动时转向角与侧偏角之间的关系示意图；

图13为考虑侧偏时两轴车辆作转向纯滚动时转向角与侧偏角之间的关系示意图；

图14为整体式转向梯形示意图；

图15为样车考虑侧偏时在不同的左轮转向角时所需的横拉杆长度修正值。

上图中序号：左转向轮1、左转向节2、左梯形臂3、左横拉杆4、横拉杆调节机构5、右横拉杆6、右梯形臂7、右转向轮8、右转向节9、前梁10、转向节臂11、左端盖12、电机壳体13、右端盖14、左端轴承15、定子线圈16、右端轴承17、转子18、滚珠19、丝杠20、左转角传感器21、左侧偏角传感器22、右转角传感器23、右侧偏角传感器24、后桥25、后桥侧偏角传感器26。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

参见图7和图9，该车具有一个转向前桥机构和一个后桥机构。

参见图1，该车转向机构包括左转向轮1、左转向节2、右转向轮8、右转向节9、前桥机构和后桥机构。

前桥机构包括前梁10、横拉杆和横拉杆调节机构5；前梁10的两端分别连接着左转向节2和右转向节9。

横拉杆为断开式的，包括左横拉杆4和右横拉杆6。横拉杆调节机构5包括调节电机，调节电机的输出轴为丝杠20，丝杠20的输出端通过螺纹连接着右横拉杆6的一端；丝杠20的调节行程为-30mm～30mm，丝杠20起到减速作用，同时将调节电机转子18的转动转换为丝杠20的往复移动。

参见图2、图3和图4，调节电机包括电机壳体13、定子线圈16、转子18和丝杠20。转子18是空心的永磁转子，转子18的两端通过轴承连通着电机壳体13；转子18和丝杠20之间安装有滚珠19。电机壳体13的两端分别固定安装有左端盖12和右端盖14；左横拉杆4的一端通过螺纹连接着左端盖12。电机壳体13的轴向长度大于定子线圈16的轴向长度，所述定子线圈16位于相邻右横拉杆6一侧的电机壳体13内，另一侧的电机壳体13内腔的轴向长度大于丝杠20的调节行程。左端盖12的内端面上设有左定位凸环，右端盖14的内端面上设有右定位凸环，左定位凸环的端面和右定位凸环的端面分别与转子18两端的轴承的端面接触；左定位凸环的轴向长度大于丝杠20的调节行程。

参见图5，左横拉杆4的另一端通过左梯形臂3连接着左转向节2；参见图6，右横拉杆6的另一端通过右梯形臂7连接着右转向节9；横拉杆调节机构位于前梁10的后部。

参见图1，当车辆转向时，转向器通过带动转向节臂11使左转向轮1产生转角，同时右前轮8在转向梯形的驱动下也产生转角。本发明在实施的过程中保持左转向轮1的转角保持不变，通过横拉杆调节机构5改变横拉杆长度从而改变右转向轮8的转角。

参见图7和图8，当车辆左转时，考虑到轮胎的侧偏角时，车辆并不是作纯滚动。由前面的分析计算可知，要保证此时车辆作纯滚动必须增加横拉杆的长度。此时调节电机得电正转，驱动转子19带动丝杠20向右运动。由于横拉杆是断开的，左横拉杆4连接在横拉杆调节机构5的左端盖12上，右横拉杆6连接在丝杠20的右端，这样丝杠20向右运动时横拉杆的总长度之和就在增大。当横拉杆长度修正值满足条件时，右转向轮的转角就修正到作纯滚动的理想值，调节电机断电，电机停转完成调节。

参见图9和图10，当车辆右转时，考虑到轮胎的侧偏角时，由前面的分析计算可知，要保证此时车辆作纯滚动必须减小横拉杆的长度。此时调节电机得电反转，驱动转子19带动丝杠20向左运动。丝杠20向左运动时横拉杆的总长度就在减小，当横拉杆长度修正值满足条件时，右转向轮的转角就修正到作纯滚动的理想值，调节电机断电，电机停转完成调节。

以某型二轴车辆为例，计算考虑侧偏时右转向轮所需的转角修正值以及横拉杆所需的长度修正值。假设车辆向左转向，此时左转向轮转角为θ_i，右转向轮转角为θ_o。车辆的两侧主销轴线与地面交点之间的距离K＝1436mm，轴距L＝3308mm，转向梯形的梯形臂长度为m＝164mm，梯形底角取几组不同的左转向轮转角以及侧偏角，其计算结果如下表所示。

表1.不同的左轮转角及侧偏角下所需的右轮转角和横拉杆长度修正值

从表1中数据可以看出，当不考虑轮胎的侧偏角时，右转向轮的实际转角θ_o1和和不考虑侧偏角时作纯滚动的理想转角θ_o2并不相等有一定的误差；当考虑到轮胎的侧偏时，右转向轮的实际转角θ_o1和和作纯滚动的理想转角θ_o3之间的差值进一步的增大，车辆此时已不能作纯滚动。按本专利实施的方法主动调整横拉杆长度Δl后，能保证该车辆各种转向角工况下前后桥车轮作同瞬心纯滚动，实现转向减磨目标。由图15可知，随着左转向轮转角增大所需横拉杆长度修正值也在增大，且横拉杆长度修正值Δl并不大，调节装置能够快速进行响应调节。

实施例2

参见图11和图12，本发明同样适用于具有多转向桥的多轴车辆。如图12所示，要使多轴车辆转向行驶时以O点作纯滚动，其第m转向桥的转向角和侧偏角应满足如下公式：

式中K为车辆两侧主销轴线与地面交点之间的距离，L_m是第m转向桥到滚动中心之间的水平距离，θ_mo是第m转向桥外转向轮转角，θ_mi是第m转向桥内转向轮转角，α_mo是第m转向桥外转向轮侧偏角，α_mi是第m转向桥内转向轮侧偏角。利用上式，在保持左转向轮转角不变时可以计算出作纯滚动时右转向轮转角理想值。

参见图11，对于多轴车辆具体的做法就是将每一转向桥的转向横拉杆断开，中间加上前面所述的横拉杆调节机构，主动调节右转向轮转角。若车辆转向行驶时某转向桥的转向角和侧偏角不满足上式，类似前面阐述的二轴车辆调节方法，该转向桥上的调节电机运转进行横拉杆长度调节，当右转向轮转角修正到作纯滚动的理想值时调节电机断电，电机停转完成调节。

本实施例中横拉杆长度调节机构采用的是滚珠丝杠，但不限于此种形式，也可以采用液压调节式等。