CN101631711B - 独立悬挂转向系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于使车轮转向的独立悬挂转向系统，该独立悬挂转向系统包括转轴、轮架、上控制臂和下控制臂、以及被安装至轮架的轮毂电机。上控制臂的第一端和下控制臂的第一端在一对第一连接件处分别被连接至转轴的上端和下端，上控制臂的第二端和下控制臂的第二端在一对第二连接件处分别被连接至轮架。所述一对第一连接件限定转向轴线，所述一对第二连接件限定主销中心线。主销中心线与转向轴线分离并且被配置为限定车轮的运动轨迹。转轴绕着转向轴线转动以驱使上控制臂、下控制臂和轮架转动，从而驱动轮毂电机使车轮转向，以使车轮沿着运动轨迹运动。该独立悬挂转向系统可实现-90°至+90°的大转向角，而车轮与控制臂之间不存在任何阻碍。

Description

独立悬挂转向系统
技术领域
本发明涉及一种转向系统，更具体地，涉及一种在具有轮毂电机的全向车辆中使用的独立悬挂转向系统。
背景技术
大部分商用车辆的转向角通常在±35°之间。由于转向角的限制，这类车辆不容易在小空间内停车或转向。
第6,561,307号美国专利披露了如图1所示的用于独立悬挂系统的线控转向系统10。转向系统10包括上控制臂14和下控制臂16。中间悬挂构件20通过臂14和16上下运动，但是不能前后运动。构件20在连接件26和26’处支撑转向节24，连接件26和26’限定了主销中心线A。转向节24包括支撑车轮30的芯轴28。转向节24绕着主销中心线A转动期望的转向角将使车轮30相应地转动。此外，转向电机32被安装在构件20上以使转向节24相对于构件20转动。
然而，由于转向电机32通常被置于如图1所示的臂14与臂16之间的有限空间内，因此簧下质量很大并且难以得到使车轮转向的最佳方案。此外，主销中心线A还用作转向轴线以使车轮30转动，因为有必要考虑控制臂与车轮的定位参数(例如，车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角和前束等)之间的关系，因此不容易得到高达+90°的大转向角。也就是说，由于车轮与控制臂之间的相对位置，不容易得到高达+90°的大转向角而在车轮与控制臂之间不出现任何阻碍。
发明内容
根据常规的独立悬挂转向系统的缺点，本发明提出了一种独立悬挂转向系统，该独立悬挂转向系统实现-90°至+90°的大转向角而在车轮与控制臂之间不存在任何阻碍，从而具有所述转向系统的车辆可以容易地在小空间内停车或转向。
根据本发明的一方面，提出了一种用于使车轮转向的独立悬挂转向系统，包括转轴、轮架、上控制臂、下控制臂、以及被安装至所述轮架轮毂电机。所述上控制臂的第一端和下控制臂的第一端在一对第一连接件处分别被连接至所述转轴的上端和下端，所述上控制臂的第二端和所述下控制臂的第二端在一对第二连接件处分别被连接至所述轮架。所述一对第一连接件限定转向轴线，所述一对第二连接件限定主销中心线。所述主销中心线与所述转向轴线分离并且被配置为限定所述车轮的运动轨迹，所述转轴绕所述转向轴线转动以驱使所述上控制臂、所述下控制臂和所述轮架转动，从而驱动所述轮毂电机使所述车轮转向，以使所述车轮沿着所述运动轨迹运动。
在本发明中提出的所述独立悬挂转向系统可实现-90°至+90°的大转向角，并且车轮与控制臂之间不存在任何阻碍。
附图说明
通过参照附图详细描述优选的实施方式，本发明的上述优点和其它优点变得更加显而易见，其中：
图1示意性地示出了已知的独立悬挂转向系统；
图2示意性地示出了根据本发明的独立悬挂转向系统的机械轮廓；
图3A-3Q分别示意性地示出了装配有根据本发明的独立悬挂转向系统的全向车辆的不同的运动模式；以及
图4A-4H示出了具有根据本发明的独立悬挂转向系统的车辆的不同的转向角。
具体实施方式
图2示出了在全向车辆中使用的、本发明的独立悬挂转向系统100。独立悬挂转向系统100包括轮架99，上控制臂50和下控制臂60分别在一对连接件21和21’处连接至轮架99。第二连接件21和21’限定主销中心线102，主销中心线102限定车轮111的运动轨迹。上控制臂50和下控制臂60上远离轮架99的端部分别在一对连接件20和20’处连接于转轴90的上端和下端。连接件20和20’限定了转向轴线101，转轴90绕着转向轴线101转动。根据本发明，转向轴线101和主销中心线102相互分离，从而控制臂的长度和车轮的定位参数可被独立地考虑。
因而，控制臂50和60以及轮架99可作为整体转动。转轴90可绕转向轴线101转动，但不能沿车辆高度方向向上和向下运动。轮架99被安装至轮毂电机40的轴线，即，轮毂电机40的定子被安装至轮架99，从而允许轮毂电机40绕其轴线转动，但不能沿着其轴线方向运动。
再次参照图2，转向电机11通过由转向电机11驱动的变速箱10(例如，涡轮变速箱)连接至转轴90。特别地，变速箱10通过销(未示出)连接至转轴90，从而变速箱10的输出轴和转轴90同心。
根据本发明，为了使车轮111转向，首先激活转向电机11以驱使变速箱10的输出轴转动，从而使轴90绕转向轴线101转动。通过上控制臂50和下控制臂60将轴90的转动传递至轮架99，以驱使轮毂电机40运动，从而使车轮111转动期望的转向角。当车辆转向时，轮毂电机40、轮架99和控制臂50和60作为整体转动。这样就不会在车轮与控制臂之间引入任何阻碍。在下文中，参照图4A-4H示出了轮毂电机40、轮架99和控制臂50和60如何作为整体转动的实施例。
参照附图4A和4B，分别示出了从初始方向顺时针转动45度角的左前轮的顶视图和ISO视图(等距视图)。在从控制器15接收到顺时针转动45度角的转向命令之后，具有编码器(未示出)的转向电机11被激活，以启动变速箱10。变速箱10驱使转轴90绕转向轴101顺时针转动。轴90的转动驱使臂50和60运动，壁50和60则驱使轮架99运动。然后，轮架99驱动轮毂电机40以根据编码器的转动角度与车轮111的转动角度之间的线性关系使车轮111顺时针转动45度角，如图4A和4B所示。在该实施方式中，所述线性关系在编码器中被限定为450∶1。
此外，图4C-4H也分别示出了具有根据本发明的独立悬挂转向系统100的车辆的不同转向角。具体地，图4C-4D示出了车轮111的转向角可为0度，图4E-4F示出了车轮111顺时针转动90度角，以及图4G-4H示出了车轮111的转向角是逆时针45度角。图4C-4H所表示的转动与图4A-4B所示的转动类似。因此省略对图4C-4H中的转动的描述。
不同于现有技术，转向电机11被安装在变速箱10的外壳上，而不是安装在上控制臂与下控制臂之间的有限空间内。簧下质量不会增加，从而可容易地实现车轮的全向转动。同时，由于独立悬挂转向系统100允许控制臂50和60、轮毂电机40和轮架99作为整体转动，每个车轮可独立地实现大角度转动，因此采用该独立悬挂转向系统的车辆能够容易地实现全向转动。
再次参照图2，减震器70的一端、转轴90的上端、上控制臂50的右端(远离轮架99的一端)在连接件20处连接，而减震器70的另一端、下控制臂50的左端(邻近轮架99的一端)和轮架99在连接件21’处连接。转轴90和车身的车身骨架12通过轴承(未示出)安装，以允许转轴90在车体内转动。另外，类似于现有技术，制动装置31被安装至轮架99。制动盘通过螺丝被安装至电机40的转动部分。
图2仅示意性地示出了一个车轮111。本领域的技术人员应该理解，转向系统100还包括分别用于其它车轮222、333和444的其它独立悬挂转向系统，并且这些独立悬挂转向系统与用于车轮111的独立悬挂转向系统具有相同的转向机制。
控制器15被连接至车轮111、222、333和444中的每一个的电机。类似于现有技术，传感器16从转向装置17检测到的转向角被输入到控制器15中。对应于转向信号的命令信号将被传送至每个电机以按照上文所述的方式使车轮111、222、333和444中的每一个转向。
由于每个车轮由它们对应的独立电机转向，因此所有四个车轮均可被独立地转向，但受到阿克曼角的限制，即，如图3E-3Q所示，所有四个车轮的轴线方向应该指向车轮所在的2-D平面上的一个点ICR(瞬时转动中心)以允许车轮运动。
通过上述的配置，从实验中观察到，车辆的左前车轮和右后车轮可具有-45度至+90度角的转向范围，右前车轮和左后车轮可具有-90度至+45度角的转向范围。车辆可取2维运动平面上的任一点作为ICR。
具体地，图3A-3Q示例性地示出了装配有根据本发明的独立悬挂转向系统的全向车辆的17种运动模式。每个车轮上的箭头表示该车轮的方向。
具体地，图3A-3D分别示出了四种纯平移，包括向前方向、横向向右方向、右前方和左前方。在这四种运动模式中，每个车轮均具有相同的转向角和相同的速度。可容易地理解，通过将每个车轮的方向反向，可实现向后、横向向左、左后方和右后方的纯粹的平移。
在图3E-3F中，分别示出了ICR指向车辆左侧和右侧的小半径转向。两个后轮转向与两前轮相反的方向。在图3G-3H中，分别图示了ICR位于车辆的前方和后方的两个转动。在图3I中，图示了关于位于车体内的ICR的零半径转向。在图3J-3M中，图示了ICR分别位于四个车轮中的每个车轮的四个转动。在最后四个图3N-3Q中，图示了ICR分别位于前轮之间、后轮之间、左轮之间和右轮之间的线段上的四个转动。
尽管仅示出了与ICR相关联的逆时针转动，但是可理解，通过将每个车轮的速度反向，还可允许顺时针运动。
可理解，通过本发明的独立悬挂转向系统的配置，车辆可绕任一ICR在其运动平面上转动。此外，由于能进行图3A-3Q所示的所有运动，因此安装有本独立悬挂转向系统的车辆是全向的。
以上以示例性的方式描述了本发明，可以理解，所使用的术语是描述性的而不是限制性的。显然，根据上述教导，可对本发明进行大量的修改和等效变形。因此应该理解，除了以上明确描述的内容以外，可在所附的权利要求的范围内实现本发明。

Claims (12)

1.一种用于使车轮转向的独立悬挂转向系统，包括：
转轴；
轮架；
上控制臂和下控制臂，所述上控制臂的第一端和下控制臂的第一端在一对第一连接件处分别被连接至所述转轴的上端和下端，所述上控制臂的第二端和所述下控制臂的第二端在一对第二连接件处分别被连接至所述轮架；以及
轮毂电机，被安装至所述轮架；
其中，所述一对第一连接件限定转向轴线，所述一对第二连接件限定主销中心线；以及
其中，所述主销中心线与所述转向轴线分离并且被配置为限定所述车轮的运动轨迹，所述转轴绕所述转向轴线转动以驱使所述上控制臂、所述下控制臂和所述轮架转动，从而驱动所述轮毂电机使所述车轮转向，以使所述车轮沿着所述运动轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的独立悬挂转向系统，其中，所述转轴不能沿着车辆高度方向向上和向下运动。
3.根据权利要求1所述的独立悬挂转向系统，其中，所述轮毂电机的定子被安装于所述轮架，以使所述轮毂电机能够绕其轴线转动但不能沿所述轴线的方向运动。
4.根据权利要求1所述的独立悬挂转向系统，进一步包括通过变速箱连接至所述转轴的转向电机。
5.根据权利要求4所述的独立悬挂转向系统，所述转向电机被连接至所述变速箱的外壳。
6.根据权利要求4所述的独立悬挂转向系统，其中，所述变速箱是涡轮变速箱。
7.根据权利要求4所述的独立悬挂转向系统，其中，所述变速箱被连接至所述转轴，以使所述变速箱的输出轴和所述转轴同心。
8.根据权利要求4所述的独立悬挂转向系统，进一步包括控制器，所述控制器被电连接至所述转向电机，以向所述转向电机发送转向命令从而驱动所述转轴。
9.根据权利要求1所述的独立悬挂转向系统，其中，所述轮毂电机根据线性关系使所述车轮转向以沿着所述运动轨迹运动。
10.根据权利要求9所述的独立悬挂转向系统，进一步包括通过变速箱连接至所述转轴的转向电机，其中，所述转向电机包括编码器，所述线性关系由所述编码器限定。
11.根据权利要求10所述的独立悬挂转向系统，其中，所述线性关系被所述编码器限定为450:1。
12.根据权利要求1所述的独立悬挂转向系统，进一步包括减震器，所述减震器的上端、所述转轴的上端和所述上控制臂的第一端在所述一对第一连接件中的上连接件处相连，所述减震器的第二端、所述下控制臂的第二端和所述轮架在所述一对第二连接件中的下连接件处连接。
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