CN112829821A - 转向装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种转向装置及方法，其中，转向装置包含：一转向动力单元，根据一人机界面控制器所接收到一转向信号后启动；一转向驱动件，借由一螺杆组连接至转向动力单元；一偏心螺栓，借由一齿轮与转向动力单元连接；一转向节，与转向驱动件与偏心螺栓连接，用以控制一车轮碟盘；当转向动力单元启动后，转向驱动件推动或拉动转向节，转向节推动或拉动车轮碟盘，且驱动偏心螺栓的一偏心轮，改变车轮碟盘的外倾角度。借由本发明的转向机制，可以减少致动器数量以及轮胎磨耗，并能增加车辆过弯性能。

Description

转向装置及方法
技术领域
本发明涉及一种转向装置及方法，特别是关于可同时整合控制转向角和外倾角，以有效减少车辆转弯时所需的旋转半径，改良车辆转向性能的一种车辆转向装置及其方法。
背景技术
车辆转弯时，通常借由操纵转向角来达成，即通过转向方向盘和转向机带动毕特门臂(pitman arm)推动拉杆，使转向节改变转向角，轮胎产生侧滑角使车辆过弯。由于转向角转向不足时，可能造成车辆冲滑出道路，而转向角转向过度时，则容易造成车辆侧滑甩尾。
由于车辆的外倾角可用以增加过弯性能并减少车轮磨耗，为了弥补现有车辆转向操控上的缺点，乃有利用调控外倾角配合转向力来改善车辆转弯的技术被提出。
然而现有的转向机构或装置，使用的致动器的数量较多，每一车轮至少使用二支致动器分别控制转向角与外倾角。再者，现有转向机构或装置技术，使用规格较大的致动器，不仅占空间，且耗费成本和动力。而且，转向角与外倾角分别由各自的致动器作动的转向机构，在车辆转弯时，仍需较大的转弯半径。
有鉴于前述现有技术中，四轮车辆的转向控制机构的诸多不足之处，如何减少元件使用数量，且同时减少致动元件或转向机构所占用的空间，达到降低所需转弯半径的功效，乃成为本案积极研究改良的目标。
本发明经由持续地实验与模拟，提出了一种可同时整合转向角与外倾角控制的转向机构，其在每一车轮分别利用动力元件针对受力较小的转向元件拉动/推动使其转向，因此不需要使用规格较大的致动元件；动力元件同时可调整外倾角达到修正转向角的功能，因此可提供车辆平稳转向且减少回转半径的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转向装置及方法，使其可以改善车辆过弯性能。
为达上述的目的，本发明提供一种转向装置，包含：一转向动力单元，具有至少一扭力输出端；一传动单元，连接至扭力输出端；一上控制臂；一转向驱动件，与该传动单元连接；一偏心螺栓，装设于上控制臂，与该转向动力单元连接；一转向节，连接在一车轮碟盘，且与该转向驱动件及该上控制臂连接，用以控制该车轮碟盘。其中，该转向动力单元驱动该转向驱动件以推动或拉动该转向节，控制车辆转向角；该转向动力单元同时驱动该偏心螺栓，借由该上控制臂推动或拉动该转向节，以改变该车轮碟盘的外倾角度。
其中，本发明的转向装置借由一下控制臂和悬吊避震器装设在车辆的车架上。
其中，前述的转向动力单元电气连接于一人机界面控制器，，借由该人机界面控制器接收转向信号。
转向动力单元经由人机界面控制器接收到一转向信号后启动，转向动力单元输出扭力转速带动传动单元驱动转向驱动件推动或拉动转向节，转向节再连动车轮碟盘，改变车轮碟盘的转向角度。转向动力单元同时将扭力转速经由螺杆齿轮组带动驱动偏心螺栓转动，改变上控制臂的位置并连动转向节，改变悬吊的几何关系，用以调整外倾角。
其中，前述的转向动力单元的扭力输出端借由螺杆齿轮组将旋转运动转为直线运动。
其中，前述的转向动力单元为马达，转向驱动件为横拉杆；传动元件为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速功能。
其中，该至少一扭力输出端包含：第一扭力输出端以及第二扭力输出端。
其中，该传动单元更包含一传动元件和螺杆组，该传动元件连接于该转向动力单元的该第一扭力输出端，该螺杆组连接驱动该转向驱动件。
其中，该偏心螺栓更包含一传动件和偏心轮，该传动件为齿轮，其能将该扭力输出端的旋转运动转变为直线运动。
其中，更包含一传动螺杆，连接于该第二扭力输出端，并与该传动件连接，带动该偏心轮转动使该上控制臂连动该转向节调整外倾角。
其中，该传动单元包含一传动元件和一齿轮齿条组，该传动元件连接至该扭力输出端，该传动元件带动该齿轮齿条组，该齿轮齿条组与该转向驱动件连接。
其中，该偏心螺栓包含一传动轴和一偏心轮，该传动轴与该扭力输出端连接，带动该偏心轮转动使该上控制臂连动该转向节调整外倾角。
其中，该转向动力单元的该扭力输出端以皮带传动该偏心螺栓。
其中，该传动元件为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速的功能。
其中，该转向动力单元为马达，该转向驱动件为横拉杆。
本发明提供一种转向方法，利用上述的转向装置，其转向方法包含以下步骤：步骤S1：借由一转向动力单元接收一人机界面控制器所发出的一转向信号；步骤S2：转向动力单元接收转向信号后启动；步骤S3：转向动力单元输出一扭力转速驱动一传动单元再带动一转向驱动件；步骤S4：转向驱动件作动一转向节，控制一车轮碟盘，并连接于一上控制臂与该转向驱动件；借由该转向驱动件控制该车轮碟盘，改变车轮转向角；步骤S5：转向动力单元同时输出该扭力转速驱动一偏心螺栓转动，该偏心螺栓连接于该上控制臂，借由该偏心螺栓连动该转向节，改变调整该车轮碟盘的外倾角。
其中，步骤S5的该偏心螺栓与步骤S3所述的该转向驱动件为同时致动，当该偏心螺栓致动至一阈值时，启动该转向驱动件以推动或拉动该转向节，该偏心螺栓与该转向驱动件两者之间具有相依比例关系。
其中，步骤S1所述的该人机界面控制器电气连接于该转向动力单元。
其中，该转向动力单元为马达。
其中，步骤S3所述的该传动单元更包含一传动元件和螺杆组，借由该螺杆组与该转向驱动件连接驱动；，该转向驱动件为横拉杆。
其中，该传动元件为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速的功能。
其中，步骤S4所述的该转向节连接在该车轮碟盘，并连接于该上控制臂与该转向驱动件。
综上所述，本发明的转向装置和转向方法，经由接收转向信号后，同时整合控制车辆转向角和外倾角，在减少侧滑角的情况下维持过弯转向力即可过弯，确实可以达到改善车辆过弯性能、降低元件使用数量、减小轮胎侧滑角以及降低轮胎磨耗的目的和功效。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的转向装置一实施例的立体结构示意图。
图2为本发明的转向装置另一实施例的立体结构示意图。
图3为外倾角提升转向力的实验数据图。
图4为本发明的转向力与侧滑角的关系示意图。
图5为本发明转向方法的控制流程示意图。
其中，附图标记：
1、2 转向装置
10、20 转向动力单元
11 第一扭力输出端
12 第二扭力输出端
13、23 传动单元
131、231 传动元件
132、232 螺杆组、齿轮齿条组
14、24 转向驱动件
151、251 上控制臂
152、252 下控制臂
16、26 转向节
17、27 车轮碟盘
18、28 偏心螺栓
181、281 传动件、传动轴
182、282 偏心轮
19 传动螺杆
21 扭力输出端
100、200 悬吊避震器
O 转向起始点
A 前后轮转向加外倾角调整
B 前后轮转向
γ 外倾角
S1～S6 步骤
具体实施方式
以下借由适当的具体实施例说明本发明的实施态样，所属技术领域中具有通常知识者可经由本说明书所揭示的内容，轻易地了解本发明的技术内容，并可据以实现。
请参阅图1，为本发明的一实施例，如图所示，转向装置1的结构包含：一转向动力单元10，二端具有第一扭力输出端11、第二扭力输出端12；一传动单元13，包含一传动元件131和螺杆组132，传动元件131连接至第一扭力输出端11，传动元件131带动螺杆组132；转向驱动件14，与螺杆组132连接；一上控制臂151；一转向节16，连接于一车轮碟盘17，并连接上控制臂151与转向驱动件14，用以控制车轮碟盘17的转向角度；一偏心螺栓18，装设于上控制臂151，具有一传动件181与一偏心轮182；一传动螺杆19，连接于第二扭力输出端12，并与传动件181连接，带动偏心轮182转动使上控制臂151连动转向节16调整外倾角。
本实施例中，转向装置1借由悬吊避震器100和下控制臂152装设在车辆的车架(图中未示)。
本实施例中，转向动力单元10电气连接于一人机界面控制器(图中未示)，经由人机界面控制器接收到一转向信号后启动，转向动力单元10的第一扭力输出端11提供扭力转速带动传动单元13驱动转向驱动件14推动或拉动转向节16，转向节16再连动车轮碟盘17，改变车轮碟盘17的转向角。
转向动力单元10同时将扭力转速经由第二扭力输出端12带动驱动偏心螺栓18转动，改变上控制臂151的位置并连动转向节16，改变悬吊的几何关系，用以调整外倾角。
由于转向驱动件14与偏心螺栓18为同时致动，当偏心螺栓18致动至一阈值时，转向驱动件14即会推动或拉动转向节16，偏心螺栓18与转向驱动件14两者间具有相依比例关系。
本实施例中的的传动件181为齿轮，传动件181将第二扭力输出端12输出到传动螺杆19的旋转运动转变为直线运动。
本实施例中的转向动力单元10为马达，转向驱动件14为横拉杆。
本实施例中的传动元件131为链条、皮带或齿轮齿条，并且有调速功能。
请再参阅图2，其为本发明的另一实施例，如图所示，转向装置2包含：一转向动力单元20，具有一扭力输出端21；一传动单元23，包含一传动元件231和齿轮齿条组232，传动元件231连接至动力输出端21，传动元件231带动齿轮齿条组232；转向驱动件24，与齿轮齿条组232连接；一上控制臂251；一转向节26，连接在一车轮碟盘27内，连接上控制臂251与转向驱动件24，用以控制车轮碟盘27的转向角度；一偏心螺栓28，装设于上控制臂251，具有一传动轴281和一偏心轮282，传动轴281与转向动力单元20的扭力输出端21连接，带动偏心轮282转动使上控制臂251连动转向节26调整外倾角。
本发明的转向装置2借由悬吊避震器200和下控制臂252装设在车辆的车架(图中未示)。
本实施例中，转向动力单元20电气连接于一人机界面控制器(图中未示)，经由人机界面控制器接收到一转向信号后启动，转向动力单元20的扭力输出端21提供扭力转速带动传动单元23驱动转向驱动件24推动或拉动转向节26，转向节26再连动车轮碟盘27，改变车轮碟盘27的转向角。
本实施例中，当转向动力单元20经由人机界面控制器接收到一转向信号后启动，转向动力单元20驱动转向驱动件24推动或拉动转向节26，转向节26再连动车轮碟盘27，改变车轮碟盘27的转向角度。
转向动力单元20同时驱动偏心螺栓28上的偏心轮282带动上控制臂251连动转向节26，改变车轮碟盘27的外倾角度。
由于转向驱动件24与偏心螺栓28为同时致动，当偏心螺栓28致动至一阈值时，转向驱动件24即会推动或拉动转向节26，偏心螺栓28与转向驱动件24两者之间具有相依比例关系。所述阈值与所选用的轮胎形式有关，不同的轮胎形式将对应不同的阈值。
本实施例中的转向动力单元20与偏心螺栓23连接的动力输出端为皮带传动。
本实施例中的转向动力单元20为马达，转向驱动件24为横拉杆。
本实施例中的传动元件231为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速的功能。
请参阅图3所示，其为根据本发明的结构配置所做的车辆转弯实验，其中参数条件为车重2200公斤、轴距3000mm、车宽1900mm以及车轮规格为205/55R16所得到的步阶转向的模拟结果图。
图中O点为转向起始点，箭头为行车方向，在转向起始点开始施予四轮10度转向角，后轮5度同侧外倾角，曲线A为前后轮转向辅以后轮外倾角调整的状态下，在车辆转弯时所需的回转半径小于曲线B仅有前后轮转向的控制机制。
图4为有关本发明转向机制比较(转向角/外倾角)实验数据，为本发明转向角与外倾角整合控制制定的依据。图中横轴表示侧滑角，緃轴表示转弯力，γ为外倾角角度，其中该侧滑角的正负值与方向有关。由图中的曲线可知，在不同的外倾角外，转弯力的特性随着侧滑角而增加，直到最大的转弯力。当在低侧滑角(小于2度)的情况下，由实验得知外倾角的作用并不显著，但在侧滑角超过2度以上时，外倾角即开始有逐渐明显的影响，但侧滑角在10度左右以后，就无法有效提供更多的转向力。
再由图4的相依曲线可知，在低侧滑角度时，应使用低辅助外倾角，以维护乘坐者的舒适度，而在高侧滑角度时，应使用高辅助外倾角，在相同侧滑角度时提供更大的转向力。
请参阅图5所示，为有关本发明整合转向角和外倾角的转向方法的控制流程示意图，包含以下步骤：步骤S1：借由一转向动力单元接收一人机界面控制器所发出的一转向信号；步骤S2：转向动力单元接收一转向信号后启动；步骤S3：转向动力单元输出一扭力转速驱动一传动单元再带动一转向驱动件；步骤S4：转向驱动件作动一转向节，控制一车轮碟盘，改变车轮转向角；步骤S5：转向动力单元同时输出一扭力转速驱动一与一上控制臂连接的偏心螺栓转动，改变上控制臂的位置并连动转向节，改变悬吊的几何关系，用以调整改变车轮碟盘的外倾角。
前述步骤S1的人机界面控制器电气连接于转向动力单元，转向动力单元为马达。
步骤S3中的传动单元更包含一传动元件和螺杆组，借由螺杆组与转向驱动件连接驱动。传动元件为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速的功能。转向驱动件为横拉杆。
步骤S4中的转向节连接在车轮碟盘，并连接于上控制臂与转向驱动件。
步骤S5中的转向动力单元和偏心螺栓之间，借由一螺杆齿轮组或皮带输出扭力转速以驱动偏心螺栓。
以上所述的转向方法，转向驱动件与偏心螺栓同时致动，当偏心螺栓致动至一阈值时，启动转向驱动件以推动或拉动转向节，两者之间具有相依比例关系，如图4和前述说明，兹不赘述。
以上所举实施例仅为用以说明本发明技术的具体实施方式，非用于限制本发明。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种转向装置，其特征在于，包含：
一转向动力单元，具有至少一扭力输出端；
一传动单元，连接至该扭力输出端；
一上控制臂；
一转向驱动件，与该传动单元连接；
一偏心螺栓，装设于该上控制臂，与该转向动力单元连接；
一转向节，连接在一车轮碟盘，且与该转向驱动件及该上控制臂连接，用以控制该车轮碟盘；其中，
该转向动力单元驱动该转向驱动件以推动或拉动该转向节，控制车辆转向角；该转向动力单元同时驱动该偏心螺栓，借由该上控制臂推动或拉动该转向节，以改变该车轮碟盘的外倾角度。
2.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，该转向动力单元电气连接于一人机界面控制器，借由该人机界面控制器接收转向信号。
3.根据权利要求2所述的转向装置，其特征在于，该至少一扭力输出端包含：第一扭力输出端以及第二扭力输出端。
4.根据权利要求3所述的转向装置，其特征在于，该传动单元更包含一传动元件和螺杆组，该传动元件连接于该转向动力单元的该第一扭力输出端，该螺杆组连接驱动该转向驱动件。
5.根据权利要求4所述的转向装置，其特征在于，该偏心螺栓更包含一传动件和偏心轮，该传动件为齿轮，其能将该扭力输出端的旋转运动转变为直线运动。
6.根据权利要求5所述的转向装置，其特征在于，更包含一传动螺杆，连接于该第二扭力输出端，并与该传动件连接，带动该偏心轮转动使该上控制臂连动该转向节调整外倾角。
7.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，该传动单元包含一传动元件和一齿轮齿条组，该传动元件连接至该扭力输出端，该传动元件带动该齿轮齿条组，该齿轮齿条组与该转向驱动件连接。
8.根据权利要求7所述的转向装置，其特征在于，该偏心螺栓包含一传动轴和一偏心轮，该传动轴与该扭力输出端连接，带动该偏心轮转动使该上控制臂连动该转向节调整外倾角。
9.根据权利要求8所述的转向装置，其特征在于，该转向动力单元的该扭力输出端以皮带传动该偏心螺栓。
10.根据权利要求4或7所述的转向装置，其特征在于，该传动元件为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速的功能。
11.根据权利要求1所述的转向装置，其特征在于，该转向动力单元为马达，该转向驱动件为横拉杆。
12.一种转向方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：借由一转向动力单元接收一人机界面控制器所发出的一转向信号；
步骤S2：该转向动力单元接收该转向信号后启动；
步骤S3：该转向动力单元输出一扭力转速驱动一传动单元再带动一转向驱动件；
步骤S4：该转向驱动件作动一转向节，该转向节连接在一车轮碟盘，并连接于一上控制臂与该转向驱动件；借由该转向驱动件控制该车轮碟盘，改变车轮转向角；
步骤S5：该转向动力单元同时输出该扭力转速驱动一偏心螺栓转动，该偏心螺栓连接于该上控制臂，借由该偏心螺栓连动该转向节，改变调整该车轮碟盘的外倾角。
13.根据权利要求12所述的转向方法，其特征在于，步骤S5的该偏心螺栓与步骤S3所述的该转向驱动件为同时致动，当该偏心螺栓致动至一阈值时，启动该转向驱动件以推动或拉动该转向节，该偏心螺栓与该转向驱动件两者之间具有相依比例关系。
14.根据权利要求13所述的转向方法，其特征在于，步骤S1所述的该人机界面控制器电气连接于该转向动力单元。
15.根据权利要求13所述的转向方法，其特征在于，该转向动力单元为马达。
16.根据权利要求13所述的转向方法，其特征在于，步骤S3所述的该传动单元更包含一传动元件和螺杆组，借由该螺杆组与该转向驱动件连接驱动；，该转向驱动件为横拉杆。
17.根据权利要求16所述的转向方法，其特征在于，该传动元件为链条、皮带或齿轮齿条，并且具有调速的功能。
18.根据权利要求13所述的转向方法，其特征在于，步骤S4所述的该转向节连接在该车轮碟盘，并连接于该上控制臂与该转向驱动件。
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