多輪車輛萬能轉(zhuǎn)向機械式操控機構(gòu)和助力方式及輔助方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項專利技術(shù)申請屬陸用非軌道多輪車輛車輪轉(zhuǎn)向操控技術(shù)領(lǐng)域，分類代碼為B62D5。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)絡(luò)查新得知，目前，國內(nèi)外多輪車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)中，側(cè)邊輪轉(zhuǎn)向以梯形傳動補償為主，未見有可變梯形設(shè)計；后輪轉(zhuǎn)向中，常見有梯形傳動補償，也有微電腦操控助力轉(zhuǎn)向。有一種設(shè)計可作為特例，以車體定軸為分界線，前半段車體為機械梯形傳動轉(zhuǎn)向、后半段車體采用微電腦反向模擬前半段對應(yīng)車輪轉(zhuǎn)向。在大型多輪多軸重型車輛設(shè)計中，常見為全部采用微電腦操控車輪助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，通常應(yīng)用在多軸裝甲車、導(dǎo)彈載車上，其向中低檔車輛普及過程中，較高的制造成本成為障礙。常見為固定梯形轉(zhuǎn)向，即車架轉(zhuǎn)向中心固定在后半段某一軸或相鄰兩軸，其它各軸的轉(zhuǎn)向梯形預(yù)設(shè)角度也就是固定的，一般歸零位置梯形角度線指向固定的車架轉(zhuǎn)向中心，轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)按位置比例分配方向盤轉(zhuǎn)向角渦桿傳動和助力系統(tǒng)傳遞而來的正弦值。即使四輪轉(zhuǎn)向的高檔轎車，也是按后軸固定來設(shè)計前輪轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)，后輪為無偏差轉(zhuǎn)向。部分重裝車輛的后輪轉(zhuǎn)向，采用反轉(zhuǎn)的固定梯形設(shè)計，在兩排固定軸中間設(shè)計為固定的車架轉(zhuǎn)向中心。四軸車輛上的中軸擺臂六連桿技術(shù)，每一軸中間位置設(shè)一組中軸擺臂，再用連桿將擺臂連接，完成同步轉(zhuǎn)向，其同軸兩側(cè)轉(zhuǎn)向梯形為固定塊或固定角度擺臂。側(cè)邊車輪正切值同列比例傳動的同心圓轉(zhuǎn)向原理，側(cè)邊列余切補償計算中，當(dāng)直角余弦為零時，正切值為無窮大，計算機得出失效數(shù)值，這個關(guān)口阻礙了方向盤過直角時的操控計算。在現(xiàn)有萬能轉(zhuǎn)向輪中，偏心軸懶輪成為主流。未見通體擺杠操控可變梯形補償設(shè)計和二維調(diào)長擺臂，也未見車架轉(zhuǎn)向中心可隨意移動，所查新出的技術(shù)特征都與本設(shè)計不同，且不能完全達到本設(shè)計的車輛任意轉(zhuǎn)向的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一)本項技術(shù)概述
1、本項技術(shù)主要特征:為機械式貫穿車架的擺杠(擺桿)與連桿組合、滑槽滑桿傳動為主，把方向盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正弦、余弦分別傳動操控，在各車輪轉(zhuǎn)向軸位置再由滑桿(或滑槽)將正弦、余弦二維合成產(chǎn)生垂直層疊交叉點操控轉(zhuǎn)向軸擺臂，完成對各車輪轉(zhuǎn)向軸擺臂二維坐標轉(zhuǎn)向操控，再由過橋傳動齒輪與驅(qū)動軸萬向連接將驅(qū)動和轉(zhuǎn)向組合于懸架軸套中。
[0004]2、本項技術(shù)機構(gòu)的構(gòu)成:
(I)基本機構(gòu)包括:“工”字形(或“王”字形)中軸擺杠、中軸擺杠前后操控齒輪、中軸擺杠操控剎柄及傳動組件、補償基線滑桿(或滑槽)、平行約束“士”字隨動滑槽、方向盤、方向盤傳動軸、中軸縱向傳動平行多組四連桿組合、中軸“T”字形擺桿比例分配傳動轉(zhuǎn)換機構(gòu)組合、縱向余弦同步傳動連桿和正弦擺桿、橫向正弦同步連桿和余弦擺桿、轉(zhuǎn)向軸擺臂及其操控盤、轉(zhuǎn)向傳動過橋齒輪與動力驅(qū)動齒輪同心軸套接懸架組合。
[0005](2)輔助機構(gòu)包括:光學(xué)反光鏡組和激光校驗系統(tǒng)、直線雙組滾輪和垂直四組滾輪夾持連接、同步助力連桿的“F”或“目”字形變形應(yīng)用、與同步助力連桿配套的電力或液力助力系統(tǒng)組合(包含壓力感應(yīng)器、管道、電磁閥門、比例閥門、恒壓溢流閥、滑動電阻比例電位器、助力電機或液力泵、儲液罐、液壓缸)、二維傳動轉(zhuǎn)向微電腦模型數(shù)控系統(tǒng)、補償基線禁止位置報警限定器、行進速度感應(yīng)轉(zhuǎn)向模式安全性自動限定器、方向盤自動安全裝置。
[0006]3、轉(zhuǎn)向控制理論。
[0007]( I)通用的轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)理論
多輪車輛每一個車輪的輪轂法線都指向同一個轉(zhuǎn)彎圓心，每一個車輛都只有滾動，沒有側(cè)滑，隨著方向盤的轉(zhuǎn)動和方向機構(gòu)傳動，所有車輪對應(yīng)的同一個瞬時圓心相對于車體移動，這正是轉(zhuǎn)向操作控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。
[0008]車體中軸線距轉(zhuǎn)彎圓心的距離即轉(zhuǎn)彎半徑，是最主要的操控變量r。每一個輪的轉(zhuǎn)向角a i，其值等于所在軸位到轉(zhuǎn)彎圓心連線與垂直車體的轉(zhuǎn)彎半徑間的夾角，其正切值等于所在軸位距定軸的距離與轉(zhuǎn)彎半徑的比值。
[0009]因車體寬度與轉(zhuǎn)彎半徑的空間位置關(guān)系影響，對應(yīng)轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑總是小于外側(cè)，同軸兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角的余切值也總是相差兩軸的寬度，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度總是大于外側(cè)。設(shè)計轉(zhuǎn)向機構(gòu)時，必須考慮這種角度關(guān)系。
[0010]以最小轉(zhuǎn)彎半徑r。為控制變量，位于i位的車輪距定軸的軸距為Hi,兩側(cè)車輪距車架中心軸距離為M，方向盤在中軸位置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角α，兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角β @和β #的關(guān)系為:
tg a ^Hi/ r
tgβ i ? =Hi/ (r-M), ctga i 內(nèi)=(r~M) /Hi= r/ Hi+ M/ Hi,tg^ ^h=Hi/ (r+M), ctg a i^= (r+M) /Hi= r/ Hi+ M/ Hi,
要使外側(cè)輪操控轉(zhuǎn)向軸擺臂余弦加長，轉(zhuǎn)向角減小，同時內(nèi)側(cè)輪操控擺桿軸距縮短，轉(zhuǎn)向角加大。內(nèi)外兩側(cè)轉(zhuǎn)向角的余切值即兩側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑永遠相差兩側(cè)軸間距離，正切值按所有軸位置距車架轉(zhuǎn)向中心的距離成正比，即按比例分配。
[0011]常規(guī)梯形轉(zhuǎn)向是利用梯形角度，梯形線延伸線指向固定的車架轉(zhuǎn)向中心即固定軸中點，預(yù)設(shè)梯形角度的正切值為M / Hi0在起始位置，等量正弦引發(fā)的余弦變量是相等的，但繼續(xù)同步加大正弦位移后，在同排兩側(cè)轉(zhuǎn)向軸擺臂等量正弦位移，引發(fā)了兩側(cè)不同的余弦值和轉(zhuǎn)向角度響應(yīng)，內(nèi)側(cè)余弦值遞增性地減小時而外側(cè)余弦值遞減性地增大，β ?>α >β
但當(dāng)內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向軸梯形角度線與傳動桿趨近于直線時，轉(zhuǎn)向機失效，轉(zhuǎn)向角達到極限，即轉(zhuǎn)向角不可能大于直角減去梯形角度的差值。
[0012]在微電腦模擬時，直角正弦為無窮大，無法按比例分配，這是轉(zhuǎn)向過直角操控計算的障礙。
[0013](2)本項技術(shù)的轉(zhuǎn)向操控理論
本項技術(shù)在通用轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)理論上進行了改進，保留了正弦比例分配和連桿傳動，增設(shè)余弦同步傳動操控機構(gòu)、中軸擺杠偏轉(zhuǎn)調(diào)控擺桿偏轉(zhuǎn)機構(gòu)、擺桿偏轉(zhuǎn)余弦補償機構(gòu)和全輪全動層疊式過橋傳動機構(gòu)，并要求懸架系統(tǒng)盡量減少對360度轉(zhuǎn)向的限制。本項技術(shù)因剎柄對中軸擺杠的調(diào)控，使車架轉(zhuǎn)向中心是可縱向移動的。方向盤的旋轉(zhuǎn)角度從零增大到直角的過程中，所有車輪輪轂法線聚集點即轉(zhuǎn)向圓心將從車無窮遠端開始沿著車架轉(zhuǎn)向中心位置車體中軸的垂直延伸線向車體趨近，直到與車架轉(zhuǎn)向中心重合；再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)方向盤，轉(zhuǎn)向圓心將繼續(xù)沿著這條直線向另一側(cè)遠端而去。這是針對整車轉(zhuǎn)向圓心的二維坐標可操控特性。本項技術(shù)將正弦與余弦分解后傳動，中軸余弦可以隨方向盤余弦由同步多組四連桿機構(gòu)操控縱向移動，甚至是整個轉(zhuǎn)向框架都同步移動，從而在正弦值達到極限值操控失效之前，余弦傳動早已替代成為轉(zhuǎn)向操控動力源，轉(zhuǎn)向軸擺臂360度全圓全控?？v向連桿、擺桿和橫向連桿、擺桿組成余弦、正弦二維傳動網(wǎng)格，縱橫網(wǎng)格可以結(jié)合實際情況相互替代，只有保證向每個作用于轉(zhuǎn)向軸擺臂的關(guān)鍵操控點傳動而來的正弦值、余弦值都是正確的即可。這是轉(zhuǎn)向傳動操控機構(gòu)的二維坐標操控特性。
[0014]對某個轉(zhuǎn)向軸擺臂操控，可以用橫向連桿與橫向偏轉(zhuǎn)擺桿組合，它們與中軸擺桿共同構(gòu)成最為實用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，是各種雙列轉(zhuǎn)向軸車輛的首選；也可以縱向連桿與縱向偏轉(zhuǎn)擺桿組合，這種組合機構(gòu)適用于中軸位置有其它設(shè)計障礙的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，如裝甲車、抱輪飛機索引車；用兩個相互垂直的連桿組合，最適用于多排多列車輪增強型助力方式；也可以用兩個相互垂直的擺桿組合，因擺桿彈性和撓性誤差和承載力限制，這種組合不常用，但將它們組成垂直網(wǎng)格框架后，用連桿助力操控網(wǎng)格框架還是不錯的，可以增強助力操控的轉(zhuǎn)向精度。
[0015]在兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角補償設(shè)計方面，本項技術(shù)將轉(zhuǎn)向軸擺臂設(shè)計為與輪軸垂直且半徑可變的滑動桿或滑槽。同排車軸兩側(cè)轉(zhuǎn)向軸的正弦同步恒等，設(shè)計專門的余弦補償機構(gòu)對兩側(cè)余弦值進行補償，且補償差值為sina d M/Hi,補償后的余弦值為cos3 it)
[0016]內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向角余弦值cos β fcos a i (Uanai* MZHi)= Cosa1-Sinai* M/Hj 外側(cè)轉(zhuǎn)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
設(shè)計中，選定橫坐標為sin@ fsina fsina # Hi /H1,對應(yīng)的縱坐標為cos β嚴Cosai土 sina 3 Μ/Η的交叉點為第i排車軸兩側(cè)轉(zhuǎn)向軸擺臂關(guān)鍵操控點G，關(guān)鍵操控點劃出的軌跡是短軸指向車架轉(zhuǎn)向中心的橢園形，轉(zhuǎn)向軸擺臂長度是變化的，這是本項技術(shù)的特征之
O
[0017]中軸位置的余弦值是補償起始位置，一般是隨動的，這由縱向滑動的余弦同步連桿傳動框架操控，可以完成360度全能轉(zhuǎn)向操控；如果設(shè)為固定值不動，設(shè)余弦值固定為1，則余弦變?yōu)橛嗲?，正弦變?yōu)檎校@符合通用轉(zhuǎn)向理論，將成為本項技術(shù)向通用轉(zhuǎn)向過渡的簡化版本，它可適用于某些降低成本的簡化轉(zhuǎn)向機構(gòu)車輛，它將不再完成360度轉(zhuǎn)向操控，但仍能調(diào)控車架轉(zhuǎn)向中心縱向無限移動。
[0018]多排多列車輪轉(zhuǎn)向軸構(gòu)成的網(wǎng)格化轉(zhuǎn)向角間關(guān)系是余弦值同列相等，正弦值同排相等，各自數(shù)值差異值按空間位置比例進行分配。正弦值按距離車架轉(zhuǎn)向中心的距離按比例分配，這是通用轉(zhuǎn)向理論都確認的概念。為此設(shè)計了將中軸擺杠和方向盤兩種操控動作進行傳動轉(zhuǎn)換的中軸“T”字形比例分配傳動轉(zhuǎn)換機構(gòu)組合。也可以直接用微電腦模擬和液壓比例閥助力組合進行部分替代。余弦同列相等，不同列按距離車架中軸的距離進行分配，這是從公式中推算出來，公式中第i列分配所的補償差值縱向是相等的，同列各排按sin a j=sin a ^HiZH1分配所得中軸正弦值sin a j與M/Hj乘積的結(jié)果都等于sin a # MZH1,補償差值和起始位置間距離都相等，所以，同列余弦值相等，這可以用余弦同步連桿進行等距離約束傳動。
[0019]那么按空間位置等比例分配所得的各點，是什么關(guān)系呢？這些點是直線關(guān)系。本項技術(shù)中用直線擺桿進行約束傳動，橫向是余弦比例傳動擺桿，縱向是正弦比例傳動擺桿，它們與連桿組成構(gòu)成完成的二維轉(zhuǎn)向操控網(wǎng)格，這些網(wǎng)格可以簡化或相互替代，但必須保證每個關(guān)鍵操控點是由正確的正弦、余弦值兩組滑桿(或槽)交叉獲得。
[0020]相比較而言，由擺桿傳動而來的數(shù)值，其彈性(或撓性)誤差較大，所以，優(yōu)先采用連桿助力方式。在擺桿設(shè)計時，也優(yōu)選其設(shè)計形狀。
[0021]深入研究這個關(guān)鍵操控點G劃出的軌跡，它劃出一個橢圓，長軸與補償基線平行，短軸指向車架轉(zhuǎn)向中心。
[0022]比例擺杠應(yīng)對扭力矩為零的狀態(tài)時，相鄰車輪正反方向差別最大，主要操控力矩由同列縱向同步連桿控制，COS^值由正轉(zhuǎn)負，脫離零力矩后，再調(diào)控轉(zhuǎn)移出轉(zhuǎn)向中心。此時，內(nèi)側(cè)車輪為垂直方向，圍繞車架內(nèi)側(cè)框架邊定軸位置為中心原地轉(zhuǎn)圈，我們稱這種狀態(tài)為操控零力矩“陷”。相比于其它縱列車輪，內(nèi)側(cè)車輪提前達到垂直方向，轉(zhuǎn)向角的余弦偏差是由補償滑槽線坡度決定，也就是由兩組對稱中軸擺杠確定的圓心位置決定。再增轉(zhuǎn)向角為90度，tan a i= OO，位移為零。補償槽重疊，車輛轉(zhuǎn)彎圓心與車架中心重疊，車輛整體原地定點轉(zhuǎn)向。
[0023]當(dāng)調(diào)控車架頭、尾擺杠齒輪旋轉(zhuǎn)量為逆向不等量時，車輛頭、尾中軸擺杠交叉點向前或向后偏離車架中心時，頭、尾車輪的補償滑槽線坡度隨之變化，但其過軸圓弧切線的垂直