一种全方向转向机构的制作方法

本实用新型涉及车轮转向技术领域，具体为一种全方向转向机构。

背景技术：

自1886年德国人卡尔·本兹的三轮带煤气发动机车开始，人类进入了非生物动力轮式车辆发展的新纪元。在随后至今的一百多年间，汽车工业飞速发展。轮式车辆的应用从交通运输，扩展到军事、农业、工业等各个领域。轮式车辆从外观，到驱动方式都发生了巨大的改变。相对的，轮式车辆在转向方式上，并没有太多的变化。受制于设计及制造成本等原因，轮式车辆通常采用连杆系统的转向方式。连杆系统限制了偏转轮的偏转角度，也就造成了轮式车辆转向过程中必须有一定的转向半径。

在农业方面，以轮式拖拉机、高地隙植保车辆为代表的农机车辆，基本上延续了普通轮式车辆的转向方式。少部分采用铰接式转向。大部分场合下，农机车辆都是在广阔的田地环境下工作。在这种环境下有足够的空间，容纳较大的转弯半径。但是作为作业车辆，弧线的转弯半径既不利于作业机构对农作物的覆盖，也会造成大量轧苗的情况。而能够平移的作业车辆，恰恰能够很好的规避这些问题。在一些特殊场合，比如果园、大棚，密集低矮的作物限制了作业车辆的移动。与停车场类似的，农林业狭小的作业环境也迫切的需求能够灵活转向的车辆。

在工业、建筑业领域，轮式车辆也是生产装备的重要一环。以叉车为例，作为典型的后轮转向车辆，叉车拥有比较小的转向半径和比较大的转向角度。但即使这样，叉车在一些场合下仍然不能满足生产的需求。特别是叉车的作业机构位于车辆前段，在满载情况下经常会阻碍驾驶员的视线。所以也就经常出现，叉车装满货物后，驾驶员倒着开的景象。如果叉车可以做到平移、斜移，完全可以解决以上问题。建筑业中，比如常用的翻斗车，如果能够均匀倾倒混凝土，可以大大节省瓦工的工作强度。一般来说这个比较考验翻斗车驾驶员的经验水平，但是使用平移机构，可以减少对驾驶员的要求。

要实现车辆具有直行、蟹行、斜行、前轮转向、后轮转向、零半径转向等功能，最直接的办法是汽车具有四轮独立驱动-独立转向。四轮转向汽车的前后四个车轮都具有转向功能，并且根据前后车轮不同的摆角和相位，能够减小或增大汽车的转弯半径，从而提高车辆的灵活性或稳定性。因此，四轮转向汽车相比传统前轮转向汽车有两个优点：在低速时，后轮偏转方向与前轮相反，使得转弯半径减小，能够实现更灵活的转向；在高速时，后轮偏转方向与前轮相同，使得转弯半径增大，可以提升车辆的稳定性。

鉴于全方向转向机构的应用前景非常广阔，国内众多高校、企业也投入了大量精力进行研究，全向轮受制于其工作原理，各轮系之间需要正交排列，无法像传统轮系那样对称排列，所以应用范围比较小，一般使用在小型轮系机器人。

根据研究总结，比较完美的全方向转向机构应该能实现以下转向方式：正常偏转、斜行、平移、零半径回转，经过归纳，以下三种全方向转向结构是常见的结构形式，这些结构可以实现或者部分实现全方向转向的功能，但都有各自无法克服的缺点。

一、差速偏转方式存在的问题

缺点：

(1)转向过程滑移现象严重，对轮系磨损较大；

(2)不能实现平移、斜移，适用范围比较小；

(3)对行驶路面平整度要求高。

(4)转向指向性差，高速过程精准转向困难。

二、轮边驱动方式存在的问题

缺点：

(1)机构复杂，零部件过多，可靠性低；

(2)控制系统复杂，进一步降低可靠性；

(3)不能适用传统内燃机动力，其发展受限于新能源汽车技术的发展；

(4)轮毂电机相对普通车轮较重，增大簧下重量，恶化车辆稳定性；

(5)轮毂电机工作环境差，受较大的冲击，可靠性低。

三、特殊轮系方式存在的问题

缺点：

(1)轮系复杂，加工精度高，价格昂贵；

(2)行驶速度慢，转向不够精确；

(3)控制系统复杂，操作难度大；

(4)轮系移动中与地面产生滑移而形成侧向力矩，所以磨损严重；

(5)轮胎易磨损，且磨损后转向精度下降；

(6)对行驶路面要求非常严苛，只适用于特殊场合的特种车辆。

综上，可以看到现在无论哪种全方向转向结构都有着各自无法克服的缺点。特别是以上结构无法在满足经济性的前提下，适用到传统内燃机驱动的车辆上。这导致了全方向转向车辆只能在特殊作业场合出现，未能在更大范围内应用起来，因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种全方向转向机构，拟研发一种结构相对简单，能够在单一动力源情况下(比如单台内燃发动机)，做到平移、斜移、零半径回转的全方向转向机构，为全方向转向车辆的研发奠定基础，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种全方向转向机构，包括上端传动箱、转向步进电机组、转向座、下端传动箱、传动纵轴、动力输入轴、输出轴套、轮胎、动力输出轴及转向架，所述上端传动箱上表面与转向步进电机组下表面相连，所述上端传动箱下表面与转向座上表面相连，所述转向座下表面与下端传动箱相连，所述上端传动箱与下端传动箱结构相同，所述传动纵轴活动设置于上端传动箱、转向座及下端传动箱内，所述动力输入轴一端设置于上端传动箱内并与传动纵轴顶端相连，所述输出轴套一端与下端传动箱相连，所述动力输出轴设置于输出轴套内，所述动力输出轴一端设置于下端传动箱内并与传动纵轴底端相连，所述动力输出轴另一端与轮胎中心位置相连，所述输出轴套上表面与转向架底端相连，所述转向架顶端与转向步进电机组上表面相连。

优选的，所述上端传动箱包括箱体、法兰、连接口及支座，所述箱体下表面设置有固定法兰，所述箱体一侧固定设置有连接口，所述箱体位于连接口两侧分别设置有支座。

优选的，所述转向座包括上套筒、下套筒、推力调心轴承、深沟球轴承A及深沟球轴承B，所述上套筒与下套筒相连，所述上套筒内部顶端设置有推力调心轴承，所述上套筒内部底端设置有深沟球轴承A，所述下套筒内部底端设置有深沟球轴承B，所述传动纵轴穿过上套筒设置于下套筒内部中心位置。

优选的，所述传动纵轴包括纵轴、轴套、传动锥齿轮、平键、凸起及端部支撑轴承，所述纵轴两端分别设置有传动锥齿轮及轴套，所述轴套外侧与端部支撑轴承相连，所述纵轴两端分别开有平键，所述纵轴一端设置为凸起，所述凸起设置于下套筒下端。

优选的，所述动力输入轴通过锥齿轮与位于纵轴上端的传动锥齿轮相连，所述动力输出轴通过锥齿轮与位于纵轴下端的传动锥齿轮相连。

优选的，所述转向架包括转向架主体、连接件、加强筋及轴零件，所述转向架主体为“L”形，所述转向架主体拐角处设置有加强筋，所述转向架主体底端通过连接件与输出轴套上表面相连，所述转向架主体顶端一侧固定设置有轴零件，所述轴零件开有长圆孔。

优选的，所述转向步进电机组包括伺服电机及电机轴，所述伺服电机一端内部设置有电机轴，所述电机轴顶端为矩形，所述电机轴顶端设置于长圆孔内。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)无论从经济性、结构简单可靠性、易操作性都有巨大对的优势。

(2)能够在单一动力源情况下(比如单台内燃发动机)，做到平移、斜移、零半径回转，这就可以降低该机构的推广成本，并且能够为全方向转向车辆的研发奠定基础。

附图说明

图1为本实用新型透视结构示意图。

图2为本实用新型立体结构示意图。

图3为本实用新型侧视结构示意图。

图4为本实用新型俯视结构示意图。

图5为上端传动箱结构示意图。

图6为转向座结构示意图。

图7为传动纵轴结构示意图。

图8为转向架结构示意图。

图9为转向步进电机组结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：一种全方向转向机构，包括上端传动箱1、转向步进电机组2、转向座3、下端传动箱4、传动纵轴5、动力输入轴6、输出轴套7、轮胎8、动力输出轴9及转向架10，上端传动箱1上表面与转向步进电机组2下表面相连，上端传动箱1下表面与转向座3上表面相连，转向座3下表面与下端传动箱4相连，上端传动箱1与下端传动箱4结构相同，传动纵轴5活动设置于上端传动箱1、转向座3及下端传动箱4内，动力输入轴6一端设置于上端传动箱1内并与传动纵轴5顶端相连，输出轴套7一端与下端传动箱4相连，动力输出轴9设置于输出轴套7内，动力输出轴9一端设置于下端传动箱4内并与传动纵轴5底端相连，动力输出轴9另一端与轮胎8中心位置相连，输出轴套7上表面与转向架10底端相连，转向架10顶端与转向步进电机组2上表面相连。

动力输入轴6通过锥齿轮61与位于纵轴51上端的传动锥齿轮53相连，动力输出轴9通过锥齿轮61与位于纵轴51下端的传动锥齿轮53相连。

如图5所示，上端传动箱1包括箱体11、法兰12、连接口13及支座14，箱体11下表面设置有固定法兰12，箱体11一侧固定设置有连接口13，箱体11位于连接口13两侧分别设置有支座14。

上端传动箱1和下端传动箱4最主要作用是通过轴承的安装，固定传动纵轴5位置，常规传动箱采用铸造加机加工的方式，考虑到单台样机加工的经济性，本设计采用焊接加工方式，壳体原材料依然采用无缝钢管，为了美观，选用规格与上套筒31采用的管径相同。

将轴承安装位置放在安装端盖内，从工艺性和装配性两方面考虑，首先工艺性上，无缝钢管做的箱体结构内部空间没有余量可以加工，无法安装轴承，另一方面，端盖部件较小，易于机加工，其次在装配性上，轴承安装在端盖上易于拆卸和安装，当然，这样设计的缺点也是有的，那就是装配后精度相对较差、强度减弱，这个可以在加工精度和材料选用上进行弥补。

上端传动箱1和下端传动箱4之间用转向座3连接采用法兰连接，传动箱内部空间的大小要能容纳传动锥齿轮53和锥齿轮61。

如图6所示，转向座3包括上套筒31、下套筒32、推力调心轴承33、深沟球轴承A34及深沟球轴承B35，上套筒31与下套筒32相连，上套筒31内部顶端设置有推力调心轴承33，上套筒31内部底端设置有深沟球轴承A34，下套筒32内部底端设置有深沟球轴承B35，传动纵轴5穿过上套筒31设置于下套筒32内部中心位置。

转向结构中，上端传动箱1和下端传动箱4之间连接的部位是传动箱体设计的关键，为达到转向功能，该连接首先是转向副，转向机构作为轮边机构，还要承载来自车身的重量，并且考虑到车辆行驶的路况，该连接需要承载一定的冲击。

由以上思路，可以确定该连接采用套筒结构，为减少外部水汽对结构的侵蚀，宜采用外套筒在上，内套筒在下的结构，上套筒31、下套筒32采用推力调心轴承33和两个深沟球轴承配装，首先通过推力调心轴承33的最大外径尺寸确定上套筒内径，再由推力调心轴承33的内径尺寸确定下套筒32的外径，考虑到后续制造工艺性，套筒结构宜选用无缝钢管作为原材料，这里上套筒,3采用的无缝钢管，下套筒32采用的无缝钢管，其壁厚均留下足够的加工余量，套筒与传动箱采用法兰式连接，将上下传动箱与套筒形成塔式层叠结构，这样连接方式虽然增加了紧固件的数量，但是好处是便于安装和拆卸。

转向座3的下套筒32的内部空间可以容纳传动纵轴5，因为采用推力调心轴,33，该结构可以承受较大的轴向压力，为了满足承受一定轴向拉力的要求，选用的深沟球轴承采用过盈配合，同时可以考虑将转向座整体结构固定封闭成一个整体，以增强抗拉能力。

如图7所示，传动纵轴5包括纵轴51、轴套52、传动锥齿轮53、平键54、凸起55及端部支撑轴承56，纵轴51两端分别设置有传动锥齿轮53及轴套52，轴套52外侧与端部支撑轴承56相连，纵轴51两端分别开有平键54，纵轴51一端设置为凸起55，凸起55设置于下套筒32下端。

纵轴51的材质为45钢调质处理，另外纵轴51受两端和中部的圆周约束和轴向约束，位置在支撑轴承处，约束的受力面积，在两端为套筒与轴的接触面，在中部位轴承与轴的接触面。

如图8所示，转向架10包括转向架主体101、连接件102、加强筋103及轴零件104，转向架主体101为“L”形，转向架主体101拐角处设置有加强筋103，转向架主体101底端通过连接件102与输出轴套7上表面相连，转向架主体101顶端一侧固定设置有轴零件104，轴零件104开有长圆孔。

转向架10是将转向伺服电机21扭矩传递到轮边的结构，根据现有结构，转向架10需要设计成“L”型结构，并且需要保证在转向角度内不与其他结构干涉。

转向架10可采用型材焊接，设计为框架结构，型材上综合考虑结构大小及强度，暂定选用方管，理论上，转向架10的转向圆心，应该与整个转向机的转向圆心重合，但是因为制造精度、装配误差、使用后的变形都会造成圆心不完全重合的情况，所以必须采用可偏转圆心的设计来避免这种情况，这里在与转向扭矩轴连接方式上，采用可滑移的长圆孔设计，这样可以让转向架10的旋转由定圆心变为自适应圆心，从而解决圆心不重合的问题。

如图9所示，转向步进电机组2包括伺服电机21及电机轴22，伺服电机21一端内部设置有电机轴22，电机轴22顶端为矩形，电机轴22顶端设置于长圆孔内。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。