一种车辆前束自动调节装置及车辆前束自动调节方法

1.本发明设计汽车转向系统领域，具体涉及一种车辆前束自动调节装置、车辆前束自动调节方法、安装有所述车辆前束自动调节装置的车辆。


背景技术：

2.在定位汽车车轮时，为了防止由于车轮外倾角的存在，使车辆在行使过程中，轮胎与地面产生相对滑动，而造成轮胎的附加磨损。通常会使左右轮前端向内或向外倾斜一个相同的角度，这就称为前束。若左右轮前端向内倾，则称为正前束，如图1所示；若左右轮前端向外倾，则称为负前束，如图2所示。
3.前束与车辆在行使过程中的跑偏和轮胎磨损具有较大的关系。尤其是在车辆转弯的过程中，内、外轮所受侧向力不同，存在着载荷的转移。此时，左右轮相同的前束角对转向产生的影响无法相互抵消，会影响到整车横摆角速度和侧向加速度的变化，进而影响到整车的操纵稳定性。目前，前束的调节基本都是在车辆静止，通过调节转向横拉杆的长度来进行。但是这种传统的调节方式耗时费力、较为麻烦，而且对前束调节的准确度也不高；另一方面，前束在车辆动态驾驶中对操作稳定性的影响较大，因此最佳的前束调节方式不是静止状态下的调节，而是应为车辆根据行驶时的车速和路况等信息，在驾驶中实时调节前束的大小。
4.发明专利申请cn104290814a公布了一种转向轮前束值液压调整机构。该机构构思巧妙，设计新颖。在车辆行驶过程中，通过伺服电液缸等液压机构来调整横拉杆长度，进而实现车辆前束的调节。而且该装置中的电液伺服缸安装有mr位移传感器，能够精确控制横拉杆的长度，进而提高前束调节的准确度。但是液压机构发生故障时，不易检查和排除。尤其是发生漏油时，可能会给装置的维修和使用带来不便。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明有必要针对现有车辆在液压机构发生故障时，不易检查和排除问题所在的技术问题，提供一种车辆前束自动调节装置、车辆前束自动调节方法、安装有所述车辆前束自动调节装置的车辆。
6.本发明采用以下技术实现，一种车辆前束自动调节装置，其包括分别安装在车辆的转向器中齿条的相对两端上的两个调节机构，所述两个调节机构分别用于在车辆行驶过程中调节车辆的左、右两个横拉杆相对车辆的左、右两个车轮的相对长度，以实现车辆的前束调节，每个调节机构包括：
7.横拉杆接头，固定在相应的横拉杆上；
8.前束调节接头，包括：接头杆、从动轮、齿轮轴、深沟球轴承、推力球轴承；接头杆的一端通过推力球轴承与从动轮传动连接，接头杆的相对另一端固定在横拉杆接头上；齿轮轴的一端通过深沟球轴承与从动轮传动连接，齿轮轴的相对另一端通过螺纹连接的方式插入在转向器中齿条的相应一端的端面中，横拉杆接头、接头杆、从动轮、齿轮轴、转向器中齿
条的中心均位于同一直线上；通过从动轮的旋转在深沟球轴承的助力下改变齿轮轴裸露在转向器中齿条外的伸长量，且在推力球轴承的助力下推动或拉动横拉杆接头，实现相应的横拉杆与相应伸长量的同步调整；
9.主动轮，与从动轮啮合；
10.电机，驱动主动轮旋转；
11.位移传感器，实时检测所述伸长量，伸长量表征相应横拉杆的相对长度；
12.控制器，判定所述伸长量是否在一个预设的伸长量范围内，如果不在所述预设的伸长量范围内，则驱动电机旋转主动轮，使主动轮带动从动轮旋转，从而调节所述伸长量，使所述伸长量在所述预设的伸长量范围内，实现车辆的前束调节。
13.作为上述方案的进一步改进，每个调节机构还包括壳体一；从动轮收容在壳体一内，且从动轮的部分齿轮裸露在壳体一外，以与主动轮啮合；接头杆与齿轮轴均通过伸入壳体一内而与从动轮连接。
14.进一步地，壳体一的一侧上开设有窗口，壳体一上且分别位于窗口的相对两侧上开设有相对设置的两个通孔；接头杆的一端通过其中一个通孔与从动轮传动连接，接头杆的相对另一端固定在横拉杆接头上；齿轮轴的一端通过其中另一个通孔与从动轮传动连接，从动轮的部分齿轮通过窗口裸露在壳体一外以与主动轮啮合。
15.再进一步地，壳体一包括相互盖合在一起的盖体一与盖体二，两个通孔分别开设在盖体一与盖体二上，窗口开设在盖体一与盖体二的衔接处。
16.进一步地，盖体一与盖体二均呈“几”字型，盖体一与盖体二凸起的部位相对形成收容从动轮的收容空间，盖体一两端分别与盖体二的两端固定。
17.进一步地，盖体一与盖体二之间通过若干螺钉固定。
18.再进一步地，每个调节机构还包括壳体二，壳体二收容壳体一和主动轮。
19.本发明还提供一种车辆前束自动调节方法，其包括以下步骤：
20.步骤一、在车辆上安装如上述任意车辆前束自动调节装置；
21.步骤二、采集所述车辆前束自动调节装置的齿轮轴裸露在转向器中齿条外的伸长量；
22.步骤三、判定所述伸长量是否在一个预设的伸长量范围内；
23.步骤四、如果所述伸长量不在所述预设的伸长量范围内，则驱动所述车辆前束自动调节装置的电机从而调节所述伸长量，使所述伸长量在所述预设的伸长量范围内，实现车辆的前束调节。
24.本发明还提供一种车辆，其包括：
25.两个车轮；
26.辅助所述两个车轮转向的转向器中齿条；
27.安装在转向器中齿条相对两端上的两个横拉杆；
28.车辆前束自动调节装置，用于调节所述两个横拉杆相对所述两个车轮的相对长度，以实现车辆的前束调节；
29.其中：所述车辆前束自动调节装置为上述任意车辆前束自动调节装置。
30.作为上述方案的进一步改进，转向器中齿条相对两端的端面上分别开设有用于与两个齿轮轴分别螺纹连接的两个螺孔。
31.本发明具有体积较小、结构简单、成本低等特点。车辆前束自动调节装置可以通过拉动横拉杆，进而拉动车轮绕主销旋转。这也是转向系统实现车辆如赛车转向的原理之一。因此，如果该装置前束调节接头伸缩行程足够的话，其也可以单独实现赛车的转向功能，实现赛车的无人转向，另外车辆前束自动调节装置的存在不会影响到车手的驾驶，这也为大学生无人驾驶方程式赛车转向系统的设计提供了新的思路。
32.当其作为无人转向系统使用时，可以实现赛车前轴左右两轮的独立转向。对于无人驾驶车辆转向系统而言，最理想的转向效果就是：赛车过弯道时，决策机构根据路况、车速等信息，考虑到轮胎侧偏等特性，赛车阿克曼转向几何等原理，计算出最合适的内外轮转角，再由车辆的控制系统控制车辆的无人转向系统执行。而传统的整体式转向由于左右轮存在机械结构连接，可能较难使左右轮转角同时达到目标角度，而左右轮独立转向则不会存在这个问题。因此，车辆前束自动调节装置对未来车辆转向系统的设计也具有一定参考意义。
附图说明
33.图1是现有车辆由于发生左、右轮前端向内倾的情况而产生的正前束现象的示意图。
34.图2是现有车辆由于发生左、右轮前端向外倾的情况而产生的负前束现象的示意图。
35.图3是本发明的车辆前束自动调节装置的应用示意图。
36.图4是图3中车辆前束自动调节装置的调节机构揭除壳体二的一半外壳后的立体结构示意图。
37.图5是图4中车辆前束自动调节装置的调节机构揭除整个壳体二后、从另一视角的立体结构示意图。
38.图6是图5中调节机构的立体分解图。
39.图7是图5中两个主动轮的应力分析结果图。
40.图8是图5中两个主动轮的应变分析结果图。
41.图9是将图5中两个主动轮与转向器中齿条固定后的应力分析结果图。
42.图10是将图5中两个主动轮与转向器中齿条固定后的应变分析结果图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
45.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
46.请参阅图3，本实施例的车辆前束自动调节装置主要应用在车辆中，尤其是方程式赛车。车辆主要包括两个车轮(图未示，在这里指的是车辆前面的左右两个车轮)、辅助所述两个车轮转向的转向器中齿条1、安装在转向器中齿条1相对两端上的两个横拉杆(图未示)。车辆前束自动调节装置用于调节所述两个横拉杆相对所述两个车轮的相对长度，以实现车辆的前束调节。
47.请结合图4及图5，车辆前束自动调节装置包括分别安装在车辆的转向器中齿条1的相对两端上的两个调节机构，所述两个调节机构分别用于在车辆行驶过程中调节车辆的左、右两个横拉杆相对车辆的左、右两个车轮的相对长度，以实现车辆的前束调节。每个调节机构包括横拉杆接头4、前束调节接头、主动轮6、电机5、位移传感器(图未示)、控制器(图未示)、壳体一3、壳体二13。前束调节接头包括：接头杆8、从动轮9、齿轮轴2、深沟球轴承10、推力球轴承11。
48.横拉杆接头4固定在相应的横拉杆上，横拉杆接头4可呈槽形结构，这样横拉杆的一端可伸入在槽形结构内，然后通过紧固件进行固定，紧固件可以是螺钉、螺栓等，只要能将横拉杆与横拉杆接头4相互固定即可。
49.请结合图6，接头杆8的一端与横拉杆接头4固定，接头杆8的相对另一端通过推力球轴承11与从动轮9传动连接。推力球轴承11的设计，使得从动轮9旋转的时候，不会驱动接头杆8旋转，只会因为从动轮9轴向移动时，拉动或者推动接头杆8相应移动。
50.齿轮轴2的一端通过深沟球轴承10与从动轮9传动连接，深沟球轴承10 的设计，使得从动轮9旋转的时候能够驱动齿轮轴2旋转。齿轮轴2的相对另一端通过螺纹连接的方式插入在转向器中齿条1的相应一端的端面中。由于齿轮轴2是螺接于转向器中齿条1中，因此是可以通过旋转从动轮9，使得齿轮轴2旋入或者旋出转向器中齿条1，从而改变齿轮轴2裸露在转向器中齿条1 外的伸长量。可在转向器中齿条1的端面中提前开与齿轮轴2螺接配合用的螺纹孔。为了使车辆前束自动调节装置稳定运行，并且是达到高性能的调节性能，横拉杆接头4、接头杆8、从动轮9、齿轮轴2、转向器中齿条1的中心均要位于同一直线上。深沟球轴承10还能减少齿轮轴2的转动摩擦力，并防止下文介绍的盖体一33与盖体二34随齿轮轴2同步转动。
51.本发明通过从动轮9的旋转在深沟球轴承10的助力下改变齿轮轴2裸露在转向器中齿条1外的伸长量，且在推力球轴承11的助力下推动或拉动横拉杆接头4，实现相应的横拉杆与相应伸长量的同步调整。本发明能够在结构简单、易维修、易维护的前提下，做到车辆的左、右两个横拉杆相对车辆的左、右两个车轮的相对长度的调节，与齿轮轴2裸露在转向器中齿条1外的伸长量的调节实时同步，这是本发明的其中一个重要设计点，
52.主动轮6与从动轮9啮合，电机5驱动主动轮6旋转。这样电机5启动时，即可旋转主动轮6，通过主动轮6带动从动轮9旋转，从动轮9的旋转在拉动或者推动横拉杆的同时，实时减少或者增加齿轮轴2裸露在转向器中齿条1外的伸长量。
53.位移传感器实时检测所述伸长量，伸长量表征相应横拉杆的相对长度。位移传感器可以采用激光位移传感器，激光位移传感器则会监测齿轮轴伸长量，便于控制器对前束
调节进行精准控制。
54.控制器判定所述伸长量是否在一个预设的伸长量范围内，如果不在所述预设的伸长量范围内，则驱动电机5旋转主动轮6，使主动轮6带动从动轮9旋转，从而调节所述伸长量，使所述伸长量在所述预设的伸长量范围内，实现车辆的前束调节。本发明通过设计数据采集(由位移传感器实现)，数据处理和决策下达(由控制器实现)，决策执行(由电机5实现)，实现前束调节的自适应自动控制，因而实现智能化，体现科技化。
55.壳体一3可以提高从动轮9的安全性能。从动轮9收容在壳体一3内，且从动轮9的部分齿轮裸露在壳体一3外，以与主动轮6啮合。接头杆8与齿轮轴2均通过伸入壳体一3内而与从动轮9连接。在其他实施例中，壳体一3可以不设置。
56.在本实施例中，壳体一3的一侧上开设有窗口31，壳体一3上且分别位于窗口31的相对两侧上开设有相对设置的两个通孔32。接头杆8的一端通过其中一个通孔32与从动轮9传动连接，接头杆8的相对另一端固定在横拉杆接头4上。齿轮轴2的一端通过其中另一个通孔32与从动轮9传动连接，从动轮9 的部分齿轮通过窗口31裸露在壳体一3外以与主动轮6啮合。在壳体一3的设计上，壳体一3可包括相互盖合在一起的盖体一33与盖体二34，两个通孔32 分别开设在盖体一33与盖体二34上，窗口31开设在盖体一33与盖体二34 的衔接处。盖体一33与盖体二34可均呈“几”字型，盖体一33与盖体二34凸起的部位相对形成收容从动轮9的收容空间，盖体一33两端分别与盖体二34 的两端固定。盖体一33与盖体二34之间可通过若干螺钉12固定。
57.壳体二13可提高主动轮6和从动轮9的安全性能，壳体二13收容壳体一3和主动轮6。壳体二13将主动轮6和前束调节接头包裹起来，并且前束调节接头在壳体二13中有移动空间，壳体二13固定在赛车底盘部位，以限制前束调节范围，横拉杆接头安装有位移传感器，便于对前束进行精确地调节。
58.本实施例的车辆前束自动调节装置在使用时，其车辆前束自动调节方法包括以下步骤：
59.步骤一、在车辆上安装车辆前束自动调节装置；
60.步骤二、采集所述车辆前束自动调节装置的齿轮轴2裸露在转向器中齿条 1外的伸长量；
61.步骤三、判定所述伸长量是否在一个预设的伸长量范围内；
62.步骤四、如果所述伸长量不在所述预设的伸长量范围内，则驱动电机5从而调节所述伸长量，使所述伸长量在所述预设的伸长量范围内，实现车辆的前束调节。
63.由上述介绍可知，车辆前束自动调节装置采用螺纹传动机构来实现前束调节接头的伸缩，进而使横拉杆接头同步伸缩并拉动横拉杆，带动车轮绕主销旋转，实现前束调节。而螺纹传动机构可以以很小的转动扭矩传递出较大的轴向力。因此，车辆前束自动调节装置中选用电机所需转矩不需要太大，电机体积也就不会太大，因此车辆前束自动调节装置具有体积较小、结构简单、运用成本低等优点。
64.对此，在本实施例中给出详细的数据分析。车辆前束自动调节装置在工作时，需要克服的主要是车辆如赛车的转向阻力矩。而赛车在原地静止转向时，阻力矩最大。故赛车原地静止启动该装置，装置所受工作载荷最大。
65.(1)转向系计算载荷
66.根据赛车的原地转向阻力矩的计算公式：
67.g＝mgi
ꢀꢀꢀ
(1)
[0068][0069]
其中：g为赛车的转向轮的垂直载荷；m为赛车总重；g为重力加速度， 9.8m/s2；i为赛车前轮载荷比；m为赛车原地转向阻力矩；f为轮胎与地面之间的滑动摩擦系数，取值一般为0.7；p为轮胎充气气压。
[0070]
(2)赛车的转向器输出力
[0071]
根据赛车转向工作原理，赛车转向时，转向器输出力对主销的力矩要大于轮胎的原地转向阻力矩，其公式为
[6]
：
[0072][0073]
其中：f为转向器输出力大小；l为梯形臂长度；θ为主销内倾角；η为转向梯形机构的正效率。
[0074]
某方程式赛车部分整车参数如下表1：
[0075]
表1
[0076][0077]
原地转向力矩：
[0078]
g=300
×
0.98
×
0.47＝1381.8n
[0079][0080]
转向器输出力：
[0081][0082]
(3)电机5的输出转矩计算
[0083]
装置要想改变车轮前束。电机5输出转矩经输出轴处齿轮(即主动轮6) 传动和齿轮轴轴部位(即从动轮9)的螺纹传动后，对横拉杆接头产生的力至少要大于上文中计算所得的转向器输出力。
[0084]
螺纹传动中最主要克服的就是螺纹的摩擦力矩。根据文献
[7]
中螺纹传动的计算公式，螺纹摩擦力矩：
[0085][0086]
ρ＝arctanf
ꢀꢀꢀ
(5)
[0087][0088]
其中：λ为螺旋线升角；n为螺纹线数；p为螺距；；d2为螺纹中径；f为摩擦因数，通常为0.09；ρ为当量摩擦角。该装置中设计的传动螺纹部分参数为如下表2：
[0089]
表2
[0090][0091]
计算得：
[0092][0093]
ρ＝arctan0.09＝0.0898
°
[0094][0095]
考虑到实际工作中，螺纹传动可能还存在着其它的阻力，所以将目标力矩定为0.5n.m。装置中电机输出轴处齿轮齿数z1为23，齿轮轴处齿轮齿数z2为 17。
[0096]
则小电机所需转矩为：
[0097][0098]
根据计算结果，该装置只需要选用额定转矩为0.75n
·
m的小电机即可。一般而言，在不加减速器的情况下。电机额定转矩与其尺寸大小成正比。因此，该电机的尺寸应该比较小，该装置总体积也不会太大，不会过分占用赛车前舱空间，影响车手腿部的放置和驾驶。
[0099]
为了保证该装置中重要零部件的安全性，根据上文计算中所求得的极限工况下装置所承受工作载荷，将装置中装配好的齿轮传动部分和螺纹传动部分部件转换成“stp”格式，再导入到ansys workbench中进行静力学分析[8]。
[0100]
首先是齿轮传动静力学分析。选定齿轮和齿轮轴的材料，一般为45钢。其密度为7890kg/m3，弹性形变为2.09
×
10
11
pa，泊松比为0.269，屈服强度为 355mpa。根据这些参数信息在ansys workbench添加该材料，并在导入零部件时选用该材料。
[0101]
齿轮传动部分在刚开始工作时，齿轮轴看作是静止固定状态，齿轮向齿轮轴传递
转矩。因此，将齿轮轴固定，向齿轮施加转矩。转矩值按上文的计算结果，设为676n
·
m。网格划分选三角形，大小设置为默认，模型共分为160686 个节点，61681个单元。分析结果如图7和图8。
[0102]
根据图示结果可知，在极限工作状态下齿轮传动中等效应力最大值为 66.105mpa，位移最大值为3.309
×
10
‑4mm。按照前文提到的该材料力学性能参数，可知齿轮传动时，所受最大应力在安全许用应力之下。
[0103]
其次是对螺纹传动连接处的分析。齿条的材料依旧选择45钢。螺纹传动部分在刚开始工作时，齿条看作是静止固定状态。齿轮轴受到转向阻力和齿轮传递的扭矩这两个作用影响。不过，在设置受力情况之前，我们要先将齿轮轴和齿条之间的连接关系设为螺纹连接，螺纹的参数与前文相同。
[0104]
然后将齿条固定，根据上文的计算果，对齿轮轴施加大小为670n的力和大小为500n
·
m的阻力矩。网格划分选三角形，网格大小设置为2mm，模型共分为128244个节点，76664个单元。分析结果如图9和图10。根据图示结果可知，在极限工作状态下螺纹传动中等效应力最大值为55.494mpa，位移最大值为2.995
×
10
‑4mm。根据前文提到的该材料力学性能参数，可知螺纹传动时，所受最大应力在安全许用应力之下。
[0105]
以上对该装置的极限工况下的受力情况进行了计算。还根据计算结果在 ansys workbench的应力分析模块对该装置的所力进行了分析，为装置的安全性提供了依据和保障。
[0106][0107][0108]
表中为前束角，v为车速，δ为前轮转角。
[0109]
通过表3理想v/δ关系表可得到不同车速v与前轮转角δ情况下对应的前束角结合实际前束角得到前束角的偏差值采用pid进行反馈控制，pid控制器的表达形式如下:设置k
i
为1.2， k
p
为5，k
d
为0.6。输入当前车速v与前轮转角δ经pid控制器计算后输出前束角调节信号。
[0110]
当接收到前束调节信号时，齿条两端前束调节装置中的电机同时按反方向同速率转动，进而带动输出轴处的齿轮旋转，齿轮与齿轮轴相啮合，故齿轮轴也会发生转动。齿轮轴轴部分有螺纹并旋入到齿条末端内部中，因此，齿轮轴将相对于齿条伸缩移动。同时推动或拉动推力球轴承、左接头壳体和右接头壳体移动，而深沟球轴承可以减少齿轮轴的转动阻力。前束调节接头的移动将会带动横拉杆接头的移动，从而带动横拉杆拉动车轮绕主销转动，进行前束的调节。而横拉杆接头处的位移传感器可以监测横拉杆接头的位移量，再通过转向机构的几何关系，计算出车轮前束调节值，实现对前束的精确调整。
[0111]
车辆前束自动调节装置可以通过拉动横拉杆，进而拉动车轮绕主销旋转。这也是
转向系统实现赛车转向的原理之一。因此，如果该装置前束调节接头伸缩行程足够的话，其也可以单独实现赛车的转向功能，实现赛车的无人转向，另外车辆前束自动调节装置的存在不会影响到车手的驾驶，这也为大学生无人驾驶方程式赛车转向系统的设计提供了新的思路。
[0112]
当其作为无人转向系统使用时，可以实现赛车前轴左右两轮的独立转向。对于无人驾驶车辆转向系统而言，最理想的转向效果就是：赛车过弯道时，决策机构根据路况、车速等信息，考虑到轮胎侧偏等特性，赛车阿克曼转向几何等原理，计算出最合适的内外轮转角，再由车辆的控制系统控制车辆的无人转向系统执行。而传统的整体式转向由于左右轮存在机械结构连接，可能较难使左右轮转角同时达到目标角度，而左右轮独立转向则不会存在这个问题。因此，车辆前束自动调节装置对未来车辆转向系统的设计也具有一定参考意义。
[0113]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0114]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。