多轮车辆万能转向机械式操控机构和助力方式及辅助方法
【技术领域】
[0001]本项专利技术申请属陆用非轨道多轮车辆车轮转向操控技术领域，分类代码为B62D5。
【背景技术】
[0002]经过国家知识产权局网络查新得知，目前，国内外多轮车辆转向技术中，侧边轮转向以梯形传动补偿为主，未见有可变梯形设计；后轮转向中，常见有梯形传动补偿，也有微电脑操控助力转向。有一种设计可作为特例，以车体定轴为分界线，前半段车体为机械梯形传动转向、后半段车体采用微电脑反向模拟前半段对应车轮转向。在大型多轮多轴重型车辆设计中，常见为全部采用微电脑操控车轮助力转向技术，通常应用在多轴装甲车、导弹载车上，其向中低档车辆普及过程中，较高的制造成本成为障碍。常见为固定梯形转向，即车架转向中心固定在后半段某一轴或相邻两轴，其它各轴的转向梯形预设角度也就是固定的，一般归零位置梯形角度线指向固定的车架转向中心，转向传动系统按位置比例分配方向盘转向角涡杆传动和助力系统传递而来的正弦值。即使四轮转向的高档轿车，也是按后轴固定来设计前轮转向梯形参数，后轮为无偏差转向。部分重装车辆的后轮转向，采用反转的固定梯形设计，在两排固定轴中间设计为固定的车架转向中心。四轴车辆上的中轴摆臂六连杆技术，每一轴中间位置设一组中轴摆臂，再用连杆将摆臂连接，完成同步转向，其同轴两侧转向梯形为固定块或固定角度摆臂。侧边车轮正切值同列比例传动的同心圆转向原理，侧边列余切补偿计算中，当直角余弦为零时，正切值为无穷大，计算机得出失效数值，这个关口阻碍了方向盘过直角时的操控计算。在现有万能转向轮中，偏心轴懒轮成为主流。未见通体摆杠操控可变梯形补偿设计和二维调长摆臂，也未见车架转向中心可随意移动，所查新出的技术特征都与本设计不同，且不能完全达到本设计的车辆任意转向的效果。
【发明内容】
[0003](一)本项技术概述
1、本项技术主要特征:为机械式贯穿车架的摆杠(摆杆)与连杆组合、滑槽滑杆传动为主，把方向盘旋转产生的正弦、余弦分别传动操控，在各车轮转向轴位置再由滑杆(或滑槽)将正弦、余弦二维合成产生垂直层叠交叉点操控转向轴摆臂，完成对各车轮转向轴摆臂二维坐标转向操控，再由过桥传动齿轮与驱动轴万向连接将驱动和转向组合于悬架轴套中。
[0004]2、本项技术机构的构成:
(I)基本机构包括:“工”字形(或“王”字形)中轴摆杠、中轴摆杠前后操控齿轮、中轴摆杠操控刹柄及传动组件、补偿基线滑杆(或滑槽)、平行约束“士”字随动滑槽、方向盘、方向盘传动轴、中轴纵向传动平行多组四连杆组合、中轴“T”字形摆杆比例分配传动转换机构组合、纵向余弦同步传动连杆和正弦摆杆、横向正弦同步连杆和余弦摆杆、转向轴摆臂及其操控盘、转向传动过桥齿轮与动力驱动齿轮同心轴套接悬架组合。
[0005](2)辅助机构包括:光学反光镜组和激光校验系统、直线双组滚轮和垂直四组滚轮夹持连接、同步助力连杆的“F”或“目”字形变形应用、与同步助力连杆配套的电力或液力助力系统组合(包含压力感应器、管道、电磁阀门、比例阀门、恒压溢流阀、滑动电阻比例电位器、助力电机或液力泵、储液罐、液压缸)、二维传动转向微电脑模型数控系统、补偿基线禁止位置报警限定器、行进速度感应转向模式安全性自动限定器、方向盘自动安全装置。
[0006]3、转向控制理论。
[0007]( I)通用的转向基础理论
多轮车辆每一个车轮的轮毂法线都指向同一个转弯圆心，每一个车辆都只有滚动，没有侧滑，随着方向盘的转动和方向机构传动，所有车轮对应的同一个瞬时圆心相对于车体移动，这正是转向操作控制系统的关键要求。
[0008]车体中轴线距转弯圆心的距离即转弯半径，是最主要的操控变量r。每一个轮的转向角a i，其值等于所在轴位到转弯圆心连线与垂直车体的转弯半径间的夹角，其正切值等于所在轴位距定轴的距离与转弯半径的比值。
[0009]因车体宽度与转弯半径的空间位置关系影响，对应转弯内侧车轮的转弯半径总是小于外侧，同轴两侧车轮转向角的余切值也总是相差两轴的宽度，内侧车轮转向角度总是大于外侧。设计转向机构时，必须考虑这种角度关系。
[0010]以最小转弯半径r。为控制变量，位于i位的车轮距定轴的轴距为Hi,两侧车轮距车架中心轴距离为M，方向盘在中轴位置产生的转向角α，两侧车轮转向角β @和β #的关系为:
tg a ^Hi/ r
tgβ i ? =Hi/ (r-M), ctga i 内=(r~M) /Hi= r/ Hi+ M/ Hi,tg^ ^h=Hi/ (r+M), ctg a i^= (r+M) /Hi= r/ Hi+ M/ Hi,
要使外侧轮操控转向轴摆臂余弦加长，转向角减小，同时内侧轮操控摆杆轴距缩短，转向角加大。内外两侧转向角的余切值即两侧转弯半径永远相差两侧轴间距离，正切值按所有轴位置距车架转向中心的距离成正比，即按比例分配。
[0011]常规梯形转向是利用梯形角度，梯形线延伸线指向固定的车架转向中心即固定轴中点，预设梯形角度的正切值为M / Hi0在起始位置，等量正弦引发的余弦变量是相等的，但继续同步加大正弦位移后，在同排两侧转向轴摆臂等量正弦位移，引发了两侧不同的余弦值和转向角度响应，内侧余弦值递增性地减小时而外侧余弦值递减性地增大，β ?>α >β
但当内侧转向轴梯形角度线与传动杆趋近于直线时，转向机失效，转向角达到极限，即转向角不可能大于直角减去梯形角度的差值。
[0012]在微电脑模拟时，直角正弦为无穷大，无法按比例分配，这是转向过直角操控计算的障碍。
[0013](2)本项技术的转向操控理论
本项技术在通用转向基础理论上进行了改进，保留了正弦比例分配和连杆传动，增设余弦同步传动操控机构、中轴摆杠偏转调控摆杆偏转机构、摆杆偏转余弦补偿机构和全轮全动层叠式过桥传动机构，并要求悬架系统尽量减少对360度转向的限制。本项技术因刹柄对中轴摆杠的调控，使车架转向中心是可纵向移动的。方向盘的旋转角度从零增大到直角的过程中，所有车轮轮毂法线聚集点即转向圆心将从车无穷远端开始沿着车架转向中心位置车体中轴的垂直延伸线向车体趋近，直到与车架转向中心重合；再继续旋转方向盘，转向圆心将继续沿着这条直线向另一侧远端而去。这是针对整车转向圆心的二维坐标可操控特性。本项技术将正弦与余弦分解后传动，中轴余弦可以随方向盘余弦由同步多组四连杆机构操控纵向移动，甚至是整个转向框架都同步移动，从而在正弦值达到极限值操控失效之前，余弦传动早已替代成为转向操控动力源，转向轴摆臂360度全圆全控。纵向连杆、摆杆和横向连杆、摆杆组成余弦、正弦二维传动网格，纵横网格可以结合实际情况相互替代，只有保证向每个作用于转向轴摆臂的关键操控点传动而来的正弦值、余弦值都是正确的即可。这是转向传动操控机构的二维坐标操控特性。
[0014]对某个转向轴摆臂操控，可以用横向连杆与横向偏转摆杆组合，它们与中轴摆杆共同构成最为实用的转向机构，是各种双列转向轴车辆的首选；也可以纵向连杆与纵向偏转摆杆组合，这种组合机构适用于中轴位置有其它设计障碍的转向传动机构，如装甲车、抱轮飞机索引车；用两个相互垂直的连杆组合，最适用于多排多列车轮增强型助力方式；也可以用两个相互垂直的摆杆组合，因摆杆弹性和挠性误差和承载力限制，这种组合不常用，但将它们组成垂直网格框架后，用连杆助力操控网格框架还是不错的，可以增强助力操控的转向精度。
[0015]在两侧车轮转向角补偿设计方面，本项技术将转向轴摆臂设计为与轮轴垂直且半径可变的滑动杆或滑槽。同排车轴两侧转向轴的正弦同步恒等，设计专门的余弦补偿机构对两侧余弦值进行补偿，且补偿差值为sina d M/Hi,补偿后的余弦值为cos3 it)
[0016]内侧转向角余弦值cos β fcos a i (Uanai* MZHi)= Cosa1-Sinai* M/Hj 外侧转向角余弦值 cos β fcos a i (l+tana# MZHi)= Cosafsinai* M/Hj sin β i=sin a i
sin a j / Hi =sin a ^E1
设计中，选定横坐标为sin@ fsina fsina # Hi /H1,对应的纵坐标为cos β严Cosai土 sina 3 Μ/Η的交叉点为第i排车轴两侧转向轴摆臂关键操控点G，关键操控点划出的轨迹是短轴指向车架转向中心的椭园形，转向轴摆臂长度是变化的，这是本项技术的特征之
O
[0017]中轴位置的余弦值是补偿起始位置，一般是随动的，这由纵向滑动的余弦同步连杆传动框架操控，可以完成360度全能转向操控；如果设为固定值不动，设余弦值固定为1，则余弦变为余切，正弦变为正切，这符合通用转向理论，将成为本项技术向通用转向过渡的简化版本，它可适用于某些降低成本的简化转向机构车辆，它将不再完成360度转向操控，但仍能调控车架转向中心纵向无限移动。
[0018]多排多列车轮转向轴构成的网格化转向角间关系是余弦值同列相等，正弦值同排相等，各自数值差异值按空间位置比例进行分配。正弦值按距离车架转向中心的距离按比例分配，这是通用转向理论都确认的概念。为此设计了将中轴摆杠和方向盘两种操控动作进行传动转换的中轴“T”字形比例分配传动转换机构组合。也可以直接用微电脑模拟和液压比例阀助力组合进行部分替代。余弦同列相等，不同列按距离车架中轴的距离进行分配，这是从公式中推算出来，公式中第i列分配所的补偿差值纵向是相等的，同列各排按sin a j=sin a ^HiZH1分配所得中轴正弦值sin a j与M/Hj乘积的结果都等于sin a # MZH1,补偿差值和起始位置间距离都相等，所以，同列余弦值相等，这可以用余弦同步连杆进行等距离约束传动。
[0019]那么按空间位置等比例分配所得的各点，是什么关系呢？这些点是直线关系。本项技术中用直线摆杆进行约束传动，横向是余弦比例传动摆杆，纵向是正弦比例传动摆杆，它们与连杆组成构成完成的二维转向操控网格，这些网格可以简化或相互替代，但必须保证每个关键操控点是由正确的正弦、余弦值两组滑杆(或槽)交叉获得。
[0020]相比较而言，由摆杆传动而来的数值，其弹性(或挠性)误差较大，所以，优先采用连杆助力方式。在摆杆设计时，也优选其设计形状。
[0021]深入研究这个关键操控点G划出的轨迹，它划出一个椭圆，长轴与补偿基线平行，短轴指向车架转向中心。
[0022]比例摆杠应对扭力矩为零的状态时，相邻车轮正反方向差别最大，主要操控力矩由同列纵向同步连杆控制，COS^值由正转负，脱离零力矩后，再调控转移出转向中心。此时，内侧车轮为垂直方向，围绕车架内侧框架边定轴位置为中心原地转圈，我们称这种状态为操控零力矩“陷”。相比于其它纵列车轮，内侧车轮提前达到垂直方向，转向角的余弦偏差是由补偿滑槽线坡度决定，也就是由两组对称中轴摆杠确定的圆心位置决定。再增转向角为90度，tan a i= OO，位移为零。补偿槽重叠，车辆转弯圆心与车架中心重叠，车辆整体原地定点转向。
[0023]当调控车架头、尾摆杠齿轮旋转量为逆向不等量时，车辆头、尾中轴摆杠交叉点向前或向后偏离车架中心时，头、尾车轮的补偿滑槽线坡度随之变化，但其过轴圆弧切线的垂直