CN106739909A - 电动车轮毂转向悬架系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例适用于电动车技术领域，提供了一种电动汽车轮毂转向悬架系统。该系统包括执行机构和控制执行机构工作的控制系统，执行机构包括电动轮部件、悬挂装置、转向装置以及安装于车架上的连接部件。悬挂装置包括减震器，悬挂装置的下端与电动轮部件的一侧连接，减震器安装于悬挂装置上，转向装置安装在悬挂装置的上端，并位于电动轮部件的上方，连接部件与转向装置固定连接，转向装置驱动悬挂装置和电动轮部件一起转向。本发明能够实现中心转向悬架在电动轮上的应用，可极大的简化基于阿克曼转向模型的控制算法；同时，转向装置位于电动轮部件上方，可使电动轮部件可以进行大幅度转向，从而实现全方位运动的机动性能。

Description

电动车轮毂转向悬架系统

技术领域

本发明属于电动车技术领域，尤其涉及电动车轮毂转向悬架系统。

背景技术

传统燃油车对生态和环境带来诸多负面影响，因此，清洁高效可持续的电能被寄予厚望。在此热潮下，提升车辆电气化水平，降低对传统驱动技术的依赖成为汽车工业的共识，其中轮毂电机便成为实现该愿景提供了一个极具潜力途径。轮毂电机技术一改传统汽车发动机集中驱动的模式为分布式驱动，通过在车轮中加装轮毂电机，来实现车轮独立驱动及转向，省略了庞大且复杂的发动机及传动系统，在结构上有极大的简化，可实现驱动、制动、转向的协调控制，从而拥有更好的操控性能。然而，电机的横向尺寸较大，轮内安装会严重压缩悬架及转向节的布置空间，致使难以获得理想的悬架定位参数，从而引发悬架与电动轮的适配问题，其中主要是因为主销偏距过大导致的；同时电机致簧下质量过沉，轮胎在地面的附着效果也会变差。如果沿用传统车辆的悬架结构，必然会导致整车操纵稳定性和行驶平顺性的严重恶化，甚至引起底盘结构的运动学干涉，产生行车安全问题。因此，针对轮毂电机特点的悬架设计和开发就显的紧迫和必要。

理想的汽车转向控制是基于阿克曼转向模型的，即汽车所有车轮同时围绕着某一旋转中心做纯滚动，这样就可以避免轮胎与地面之间的滑动磨耗，其事实也表明轮胎的磨损绝大部分是转向时的滑动摩擦引起；同时使所有车轮同时绕一旋转中心做纯滚动，可以有效避免车辆的侧翻、甩出道路等事故，从而提升操控稳定性和安全性。理想的阿克曼转向模型要求四轮能独立大幅度转向，且若轮胎接地印迹中心之间的轮距时刻保持不变，则可以避免引入补偿运算。中心转向悬架可以确保轮胎接地印迹中心轮距为定值，但其主销布置却受制到轮内空间的限制，尤其在电动轮上电机横向尺寸较大，通过主销内置实现中心转向代价过大且不现实，因此其应用受到较大限制；消除横拉杆和转向梯形虽然可以使车轮独立大幅度偏转，但由于车轮与车身之间缺乏可靠的机械硬连接，汽车转向控制要面临较大挑战。

目前，四轮独立转向轮毂电动用转向悬架装置，较具有代表性的是米其林“主动轮胎”技术，其将轮毂电机、减震器、阻尼、转向装置、制动设备全部安装在电动轮的轮毂内，轮胎主销与地面保持垂直且经过车轮中性面，这样就保证轮胎接地印迹中心轮距保持不变。该装置看似非常紧凑，但有限空间却给轮毂内的各种设备的布置安装、散热降温、防尘防水等带来了较大的挑战；诸多构件轮内部布置对零部件的制造和安装精度要求非常高，成本上不经济。“主动轮胎”技术将减震器安装在轮毂内，有一个非常明显的缺陷就是减震弹簧动容量不足，为了避免因为弹簧的运动行程有限带来的频繁碰撞问题，弹簧刚度将被设计的很大，于是生硬的悬架就降低乘坐舒适性；为了改善平顺性，轮内避震一般采用主动减震技术，利用液压根据外界路况主动改变自身刚度。由于主动悬架技术尚不成熟，控制实现复杂，可靠性和安全性也存在较多问题；且在轮胎内部安装复杂的液压系统，耐噪、寿命等技术问题较为突出。与此同时，大量的器件安放在轮内，簧下质量过于集中，也会引发行车平顺性问题。该装置开发难度较高，目前仍处于试验研发状态。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种电动车轮毂转向悬架系统，旨在解决中心转向悬架在电动轮上的应用问题，用于简化基于阿克曼转向模型的控制算法，以及现有技术中轮毂转向悬架装置的结构所存在的安装精度要求高造成的成本高以及减震弹簧动容量不足所带来的频繁碰撞问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电动车轮毂转向悬架系统，包括执行机构和控制所述执行机构工作的控制系统，所述执行机构包括电动轮部件、悬挂装置、转向装置以及安装于车架上的连接部件；所述悬挂装置包括减震器，所述悬挂装置的下端与所述电动轮部件的一侧连接，所述减震器安装于所述悬挂装置上，所述转向装置安装在所述悬挂装置的上端，并位于所述电动轮部件的上方，所述连接部件与转向装置固定连接，所述转向装置驱动所述悬挂装置和电动轮部件一起转向。

进一步地，所述电动轮部件包括轮胎、电机壳、轮毂、轮毂电机、电磁制动器、霍尔传感器码盘、电磁制动片以及霍尔传感器；

所述轮胎安装在所述轮毂上，所述电机壳固定在所述轮毂内，所述轮毂电机安装在所述电机壳内，所述轮毂电机的转子与所述电机壳固定在一起相对于所述轮毂电机的定子做旋转运动，所述电机壳安装在所述轮毂内，所述轮毂电机的输出轴固定安装在所述悬挂装置下端，所述电磁制动器及电磁制动片固定在所述轮毂电机的输出轴上，所述霍尔传感器码盘穿过所述轮毂电机的输出轴安装在所述电机壳上，所述霍尔传感器安放于所述悬挂装置底部。

进一步地，所述悬挂装置还包括两个阻尼、悬架臂以及连接盘，所述的两个阻尼和减震器的上端均固定安装在所述悬架臂的一端，所述悬架臂的另一端与所述转向装置固定连接，所述的两个阻尼和减震器的下端均固定安装在所述连接盘上，所述连接盘与所述轮毂电机的输出轴通过轴孔配合相互固定。

进一步地，所述转向装置包括凸台轴、圆锥滚子轴承、推力轴承、齿轮减速器、步进电机以及圆台；

所述步进电机的输出轴与所述齿轮减速器传动连接，所述圆台与齿轮减速器固定连接，所述凸台轴插置于所述圆台内，并且其上端与所述齿轮减速器的输出轴传动连接，所述凸台轴的下端与所述悬架臂固定连接，所述圆锥滚子轴承和推力轴承的外圈均与所述圆台过盈配合，所述圆锥滚子轴承和推力轴承的内圈均与所述凸台轴过盈配合，所述圆台固定安装于所述连接部件上，所述凸台轴的中心轴线穿过所述轮胎中性面。

进一步地，所述连接部件包括基座和螺栓，所述圆台通过所述螺栓紧固于所述基座一端，所述基座的另一端固定于车架上。

进一步地，所述控制系统包括光电编码器、驱动器、控制器、路感电机、转角传感器、扭矩传感器、方向盘、电子加速踏板以及电子制动踏板；

所述转向装置通过所述光电编码器连接所述控制器，所述控制器通过所述驱动器连接所述转向装置，所述转角传感器与扭矩传感器均同轴置于所述方向盘转向柱上，并与所述控制器连接，所述路感电机通过所述驱动器连接所述控制器，所述电动轮部件通过所述驱动器连接所述控制器，所述电子加速踏板与电子制动踏板均与所述控制器连接。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明将减震器安装于电动轮部件之外，空间充裕，便于布置，避免电动轮部件的结构过于紧凑而造成安装精度要求高，导致成本高以及减震弹簧动容量不足导致频繁碰撞的问题，另外，转向装置位于电动轮部件上方，可使电动轮部件可以进行大幅度转向，电动车辆可以实现全方位运动，提升车辆的机动性能；通过转向装置外置实现中心转向悬架在电动轮上的应用，可时刻保持两侧轮胎接地印迹保持不变，对简化四轮转向控制算法贡献较大，同时可极大减轻车轮滑移造成的轮胎磨损。

附图说明

图1是本发明提供的电动车轮毂转向悬架系统一较佳实施例示意图；

图2是图1中的执行机构侧视结构示意图；

图3是图1中的A区域放大示意图；

图4是图1中的B区域放大剖视示意图；

图5是图1中的悬挂装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明实施例的一种电动车轮毂转向悬架系统，该转向悬架系统包括执行机构和控制执行机构工作的控制系统。其中，执行机构包括电动轮部件1、悬挂装置2、转向装置3以及安装于车架(图中未示出)上的连接部件4。悬挂装置2包括减震器21，悬挂装置2的下端与电动轮部件1的一侧连接，减震器21安装于悬挂装置2上，转向装置3安装在悬挂装置2的上端一侧，并位于电动轮部件1的正上方。连接部件4与转向装置3固定连接，转向装置3驱动悬挂装置2和电动轮部件1一起转向，其中悬挂装置2绕转向装置3做圆弧运动，电动轮部件1绕自身的中心轴线旋转。控制系统5包括光电编码器51、驱动器52、控制器53、路感电机54、转角传感器55、扭矩传感器56、方向盘57、电子加速踏板58以及电子制动踏板59。转向装置3通过光电编码器51连接控制器53，光电编码器51用于检测反馈车轮实际转角。控制器53通过驱动器52连接转向装置3，转角传感器55与扭矩传感器56均同轴置于方向盘57转向柱上，并与控制器53连接，路感电机54通过驱动器52连接控制器53，电动轮部件1通过驱动器52连接控制器53，转向装置3利用转角传感器55与扭矩传感器56实现转向信息输入，并通过控制器53对驾驶意图进行研判，再通过转向装置3输出转向操作，最后利用光电编码器51反馈车轮的转向角，从而完成转向的闭环精准修正。电子加速踏板58与电子制动踏板59均与控制器53连接，实现对加速和制动信号的采集，实现整车轮速的闭环控制。

请一同参阅图3所示，本发明实施例的电动轮部件1包括轮胎11、电机壳12、电机壳盖13、轮毂14、轮毂电机15、霍尔传感器码盘16、电磁制动器17、电磁制动片18以及霍尔传感器19。其中，轮胎11安装在轮毂14上，电机壳12通过螺栓固定安装在轮毂14上，轮毂电机15安装在电机壳12内，电机壳12安装在轮毂14内，轮毂电机15的输出轴固定安装在悬挂装置2下端，轮毂电机15的转子与电机壳12固定在一起相对于轮毂电机15的定子做旋转运动，轮毂电机15的定子与悬挂装置2保持相对静止。电机壳盖13通过螺钉安装在电机壳12上，为轮毂电机15提供密闭和清洁的工作环境。电磁制动器17及电磁制动片19固定在轮毂电机15的输出轴上，电磁制动器17与电磁制动片18同轴设置，用电制动取代传统液压刹车，减轻了簧下质量集中现象。霍尔传感器码盘16穿过轮毂电机15的输出轴安装在电机壳12上，霍尔传感器19安放于悬挂装置2底部，通过磁脉冲编码技术实现轮速的实时反馈。

请一同参阅图5所示，本发明实施例的悬挂装置2还包括两个阻尼22、悬架臂23以及连接盘24。两个阻尼22和减震器21的上端均固定安装在悬架臂23的一端，本实施例中的减震器21为绞牙减震器。悬架臂23的另一端与转向装置3固定连接，两个阻尼22和减震器21的下端均固定安装在连接盘24上，连接盘24与轮毂电机15的输出轴通过轴孔配合相互固定。

请一同参阅图4所示，本发明实施例的转向装置3包括凸台轴31、圆锥滚子轴承32、推力轴承33、齿轮减速器34、步进电机36以及圆台37。步进电机36的输出轴与齿轮减速器34传动连接，以降低步进电机36的旋转速度。圆台37与齿轮减速器34固定连接，凸台轴31插置于圆台37内，并且其上端与齿轮减速器34的输出轴传动连接，凸台轴31的下端与悬架臂23固定连接。圆锥滚子轴承32和推力轴承33的外圈均与圆台37过盈配合，圆锥滚子轴承32和推力轴承33的内圈均与凸台轴31过盈配合，圆台37固定安装于连接部件4上，凸台轴31的中心轴线穿过轮胎11中性面。这样，步进电机36驱动齿轮减速器34工作，齿轮减速器34驱动凸台轴31带动悬架臂23绕凸台轴31的中心轴线旋转，从而使轮胎11绕凸台轴31的中心轴线(转向中心线)进行转向。上述的转向悬架系统的转向装置3通过悬挂装置2安装于电动轮部件1的正上方，形成一个虚拟主销，同时该虚拟主销穿过轮胎11中性面而垂直于地面，从而使转向中心线穿过轮胎11接地印迹中心，构成中心转向悬架系统，实现中心转向的功能。

请一同参阅图2所示，本发明实施例的连接部件4包括基座41和螺栓42，圆台37通过螺栓紧固于基座41一端，基座41的另一端固定于车架上，使车架、圆台37与基座41保持相对静止，保证执行机构连接的稳定性。

综上所述，本发明实施例的电动车轮毂转向悬架系统具有如下优点：

(1)悬挂装置2上的减震器21和阻尼22均设置在轮毂14外，空间充裕，便于布置，同时对器件的散热防污没有特殊要求，耐燥性好；并且减震器21的减震弹簧有较长的伸缩空间，相同的动容量下，减震弹簧的刚度可以较小，可较好地提升乘坐舒适性，避免了因采用尚不成熟的主动避震技术而带来结构复杂化和机构可靠性问题。

(2)转向装置3与连接部件4位于轮胎上方，有效避免了转向时部件之间产生相互干涉，实现轮胎大幅度转向，使车辆具备蟹行移动等全方位机动性能。

(3)转向装置3的凸台轴31的旋转中心线穿过轮胎11中性面，即转向中心线与车轮虚拟主销始终重合，理论上主销偏距为零，从而构成中心式转向悬架系统，能较大程度减轻轮胎11的磨损和简化车辆基于阿克曼转向模型的控制算法，避免引入复杂的补偿运算。

(4)电动轮部件1、悬挂装置2、转向装置3及连接部件4采用模块化设计，降低各大装置的耦合影响，减少部件设计的约束，可实现整车前后悬架系统的通用化，减少整车关键零部件数量，降低设计制造的难度和成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动汽车轮毂转向悬架系统，包括执行机构和控制所述执行机构工作的控制系统，所述执行机构包括电动轮部件、悬挂装置、转向装置以及安装于车架上的连接部件；其特征在于，所述悬挂装置包括减震器，所述悬挂装置的下端与所述电动轮部件的一侧连接，所述减震器安装于所述悬挂装置上，所述转向装置安装在所述悬挂装置的上端，并位于所述电动轮部件的上方，所述连接部件与转向装置固定连接，所述转向装置驱动所述悬挂装置和电动轮部件一起转向。

2.如权利要求1所述的电动车轮毂转向悬架系统，其特征在于，所述电动轮部件包括轮胎、电机壳、轮毂、轮毂电机、霍尔传感器码盘、电磁制动器、电磁制动片以及霍尔传感器；

所述轮胎安装在所述轮毂上，所述电机壳固定在所述轮毂内，所述轮毂电机安装在所述电机壳内，所述轮毂电机的转子与所述电机壳固定在一起相对于所述轮毂电机的定子做旋转运动，所述轮毂电机的输出轴固定安装在所述悬挂装置下端，所述电磁制动器及电磁制动片固定在所述轮毂电机的输出轴上，所述霍尔传感器码盘穿过所述轮毂电机的输出轴安装在所述电机壳上，所述霍尔传感器安放于所述悬挂装置底部。

3.如权利要求2所述的电动车轮毂转向悬架系统，其特征在于，所述悬挂装置还包括两个阻尼、悬架臂以及连接盘，所述的两个阻尼和减震器的上端均固定安装在所述悬架臂的一端，所述悬架臂的另一端与所述转向装置固定连接，所述的两个阻尼和减震器的下端均固定安装在所述连接盘上，所述连接盘与所述轮毂电机的输出轴相互固定。

4.如权利要求3所述的电动车轮毂转向悬架系统，其特征在于，所述转向装置包括凸台轴、圆锥滚子轴承、推力轴承、齿轮减速器、步进电机以及圆台；

所述步进电机的输出轴与所述齿轮减速器传动连接，所述圆台与齿轮减速器固定连接，所述凸台轴插置于所述圆台内，并且其上端与所述齿轮减速器的输出轴传动连接，所述凸台轴的下端与所述悬架臂固定连接，所述圆锥滚子轴承和推力轴承的外圈均与所述圆台过盈配合，所述圆锥滚子轴承和推力轴承的内圈均与所述凸台轴过盈配合，所述圆台固定安装于所述连接部件上，所述凸台轴的中心轴线穿过所述轮胎中性面。

5.如权利要求4所述的电动车轮毂转向悬架系统，其特征在于，所述连接部件包括基座和螺栓，所述圆台通过所述螺栓紧固于所述基座一端，所述基座的另一端固定于车架上。

6.如权利要求1所述的电动车轮毂转向悬架系统，其特征在于，所述控制系统包括光电编码器、驱动器、控制器、路感电机、转角传感器、扭矩传感器、方向盘、电子加速踏板以及电子制动踏板；

所述转向装置通过所述光电编码器连接所述控制器，所述控制器通过所述驱动器连接所述转向装置，所述转角传感器与扭矩传感器均同轴置于所述方向盘转向柱上，并与所述控制器连接，所述路感电机通过所述驱动器连接所述控制器，所述电动轮部件通过所述驱动器连接所述控制器，所述电子加速踏板与电子制动踏板均与所述控制器连接。