CN101638052B - 独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成 - Google Patents

独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成，包括车轮驱动装置、悬挂装置、转向装置及制动装置，驱动装置由车轮及轮毂电机组成，悬挂装置由上横臂、等速万向节、转向节、球头、下摆臂及减振器组成，转向装置由转向电机、可伸缩万向节，主动锥齿轮、从动锥齿轮和绝对式编码器组成，制动装置包括制动盘、浮动式制动钳和制动液压系统组成。本发明可以车辆的前轮转向或后轮转向或4轮独立转向，实现零半径原地转动以及沿任意方向的平移运动；实现了车辆的线控驱动、线控转向以及线控制动；实现了对车轮驱动、转向、制动的独立控制，可使车辆行驶在最佳模式下。

Description

独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成
技术领域
本发明涉及一种独立驱动-独立转向-独立悬挂的机器人化微型电动车辆的车轮总成，属于移动机器人车轮技术领域。
背景技术
近几年，地面轮式高速高机动移动平台的研究有了新的变化。军用机器人化车辆方面，轮式有人驾驶和无人驾驶车辆要求其运动平台要有尽可能高的机动性和动力性，以满足野外和城市小巷狭小区域作战的要求。Daimler-Chrysler公司在2005年2月已发布了一款四轮独立驱动/独立转向(4WID/4WIS，4 Wheels Independent Driving & Steering)吉普车功能样车。民用机器人化车辆方面，下一代具有多方向运动能力的混合动力和电动车辆的研发拉开了序幕。
中国专利文献CN2710999公开了一种《万向节传动双横臂独立转向装置》，包括上横臂、下横臂等，其中转向电机通过减速器与A万向节的一端连接，A万向节另一端通过花键传动轴与B万向节的一端连接，B万向节另一端设有传动带和主动圆锥齿轮，传动带的另一端与转向角位移传感器相连，转向主销支承架的上端经虎克铰链与上横臂的一端连接，上横臂的另一端与固定转动绞连接；转向主销支承架的下端通过球铰与下横臂的一端连接，下横臂另一端与下固定转动绞连接，转向主销支承架的另一侧设有转向主销，转向主销上设有从动圆锥齿轮和轮毂电机轴，轮毂电机轴的另一端设有制动盘和外转子轮毂电机，并位于车轮内部，主动、从动圆锥齿轮相啮合。该装置实现了独立驱动、独立转向，但结构较复杂，增加了动力学计算的难度，转向从动锥齿轮不易完全密封。
发明内容
本发明针对现有机器人化微型电动车辆的车轮转向装置存在的问题，提供一种结构简单紧凑，具有独立驱动装置、独立转向装置、独立悬挂装置、独立制动装置的独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成。
本发明的独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成采用以下技术方案：
该一体化车轮总成包括车轮驱动装置、悬挂装置、转向装置及制动装置：
驱动装置由车轮及轮毂电机组成，车轮的轮辋与轮毂电机的外转子固定一起，轮毂电机的固定轴(定子)与悬挂装置中的转向节相连；
悬挂装置由上横臂、等速万向节、转向节、球头、下摆臂及减振器组成，转向节上端与等速万向节内套刚性相连，等速万向节外套通过轴承与上摆臂相连，转向节相对上摆臂可以向任意方向摆动并与等速万向节一起相对上摆臂进行转动，转向节下端通过球头与下摆臂连接，减振器的一端与下摆臂连接；下摆臂通过减振器安装在车身上，车身上的所有负载通过减振器、下摆臂、转向节、轮毂电机及车轮传到地面上；
转向装置由转向电机、可伸缩万向节，主动锥齿轮、从动锥齿轮和绝对式编码器组成，转向电机通过可伸缩万向节与主动锥齿轮连接，转向电机的后部连接有电磁制动器，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，从动锥齿轮固定安装在悬挂装置中等速万向节的外套一端，绝对式编码器安装在等速万向节的外套上，将车轮的绝对转角反馈给驾驶者或无人驾驶车辆的控制系统，实现对车轮转角的闭环控制；
制动装置包括制动盘、浮动式制动钳和制动液压系统组成，制动盘固定在驱动装置中轮毂电机的外转子内侧，浮动式制动钳固定在悬挂装置中的转向节上，浮动式制动钳与制动液压系统连接，使制动钳与制动盘间产生制动力矩，制动力矩的大小由电液比例压力阀控制。
制动液压系统由微型液压站、压力开关、压力变送器、电液比例压力阀和蓄能器组成，压力开关与微型液压站连接，蓄能器、压力变送器、电液比例压力阀和微型液压站通过液压油路串联。
本发明的工作过程如下：
当给轮毂电机一定的驱动电流时，其外转子带动车轮运动。转向时，转向电机通过可伸缩万向节带动主动锥齿轮，驱动从动锥齿轮，等速万向节与从动锥齿轮一起转动，带动转向节及车轮进行转向。绝对式编码器将车轮的绝对转角反馈给驾驶者或无人驾驶车辆的控制系统，实现对车轮转角的闭环控制。车身上下振动时，可伸缩万向节的轴向长度可自由改变。制动时，通过制动液压系统提供的高压制动液推动浮动式制动钳的两个活塞压紧制动盘产生制动力矩，制动力矩的大小由电液比例压力阀控制。如果忽略制动钳与制动盘之间摩擦系数的变化，制动力矩与电液比例压力阀的输入电压成比例关系。
本发明可以车辆的前轮转向或后轮转向或4轮独立转向，实现零半径原地转动以及沿任意方向的平移运动；实现了车辆的线控驱动、线控转向以及线控制动；实现了对车轮驱动、转向、制动的独立控制，可使车辆行驶在最佳模式下。适用于空间狭窄，要求转向灵活的有人驾驶或无人驾驶电动车辆或全方位移动机器人平台。
附图说明
图1是本发明一体化车轮总成的结构示意图。
图2是本发明中制动装置的制动液压系统原理图。
图3是本发明前轮(或后轮)转向的运动模式状态图。
图4是本发明四轮转向的运动模式状态图。
图5是本发明原地转向的运动模式状态图。
图6是本发明斜行的运动模式状态图。
图中：1、车身，2、下摆臂，3、减振器，4、球铰，5、转向节，6、轮辋，7、轮毂电机，8、制动盘，9、浮动式制动钳，10、等速万向节，11、轮胎，12、从动锥齿轮，13、绝对式编码器，14、主动锥齿轮，15、上摆臂，16、可伸缩万向节，17、转向电机直流减速电机，18、电磁制动器，19、微型液压泵站，20、压力开关，21、压力变送器，22、电液比例压力阀，23、蓄能器。
具体实施方式
本发明的一体化车轮总成如图1所示，包括车轮驱动装置、悬挂装置、转向装置及制动装置四部分，各个部分的具体结构如下所述。
驱动装置由轮辋6、轮胎11以及轮毂电机7组成。轮胎11安装在轮辋6上，一起形成车轮。车辋6与轮毂电机7的外转子固定在一起，轮毂电机7的固定轴(定子)与悬挂装置中的转向节5刚性连接。当给轮毂电机7一定的驱动电流时，电机外转子驱动整个车轮运动。
悬挂装置由上摆臂15、等速万向节10、转向节5、球头4、下摆臂2和减振器3组成。转向节5的上端与等速万向节10的内套刚性连接，等速万向节10的外套通过轴承与上摆臂15的左端连接，上摆臂15的右端通过转动副与车身1连接。转向节5的下端通过球铰4与下摆臂2左端连接，下摆臂2的右端通过转动副与车身1连接。转向节5相对于上摆臂15和下摆臂2可以在一定限度内自由摆动和转动。下摆臂2通过减振器3连接在车身1上，减振器3的下端通过转动副与下摆臂2靠近左端的部分连接，减振器3上端通过转动副与车身1连接。车身、负载以及由路面不平引起的冲击力通过减振器3传递到下摆臂2、转向节5以及轮毂电机7，最后由轮胎11传递到路面上，并由减振器3中的阻尼装置吸收冲击能量，使车身1迅速恢复平稳。
转向装置由转向电机17、电磁制动器18、可伸缩万向节16，主动锥齿轮14、从动锥齿轮12和绝对式编码器13组成。转向电机17固定安装在车身1上，采用直流减速电机，其后部连接有电磁制动器18，电磁制动器18根据需要可用来锁住转向电机17，即锁定车轮于某一转向角。可伸缩万向节16的右端与转向电机17的输出轴刚性连接，可伸缩万向节16的左端安装有主动锥齿轮14，从动锥齿轮12与主动锥齿轮14无间隙啮合，从动锥齿轮12刚性连接在等速万向节10的外套上。等速万向节10的外套上还装有绝对式编码器13，用来测量转向节5的绝对转角，并反馈给车载计算机控制系统，实现对车轮转向角的闭环控制。可伸缩万向节16的长度可自由变化，使车轮的转向运动不受车身1上下跳动的影响。
制动装置由制动盘8、浮动式制动钳9及制动液压系统组成，制动盘8刚性连接在轮毂电机7的外转子上，浮动式制动钳9连接在转向节5上。制动液压系统的结构原理如图2所示，由微型液压站19、压力开关20、压力变送器21、电液比例压力阀22和蓄能器23组成，压力开关20与微型液压站19连接，蓄能器23、压力变送器21、电液比例压力阀22和微型液压站1通过液压油路串联。车辆正常行驶时，电液比例压力阀22没有制动液输出，制动盘8与浮动式制动钳9的摩擦片之间有微小间隙：制动时，驾驶员或车载计算机控制系统向电液比例压力阀22发出电压指令信号，电液比例压力阀22输出与指令信号电压成比例的高压制动液，推动浮动式制动钳9的摩擦片夹紧制动盘8，产生与指令信号电压成比例的制动力矩。压力开关20用来控制微型液压泵站19的启动与停止，当蓄能器中制动液压力低于5Mpa(可调节)时，压力开关20启动微型液压泵站19向电液比例压力阀22提供高压制动液，多余的高压制动液充向蓄能器23，直到蓄能器中制动液压力达到10Mpa(可调节)，压力开关20停止微型液压泵站19。压力变送器21用来测量制动时浮动式制动钳9中制动液的压力，并反馈给车载计算机控制系统，可用来实现对制动力矩的闭环控制(忽略浮动式制动钳9的摩擦片与制动盘8之间摩擦系数的变化)。
本发明可以实现车辆的前轮转向、后轮转向、4轮独立转向、原地转向和斜行的运动模式。图3给出了前轮(或后轮)转向的运动模式。图4给出了四轮转向的运动模式。图5给出了原地转向的运动模式。图6给出了斜行的运动模式。

Claims (2)

1.一种独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成，包括车轮驱动装置、悬挂装置、转向装置及制动装置，其特征在于：
驱动装置由车轮及轮毂电机组成，车轮的轮辋与轮毂电机的外转子固定一起，轮毂电机的固定轴与悬挂装置中的转向节相连；
悬挂装置由上摆臂、等速万向节、转向节、球头、下摆臂及减振器组成，转向节上端与等速万向节内套刚性相连，等速万向节外套通过轴承与上摆臂相连，转向节相对上摆臂能够向任意方向摆动并与等速万向节一起相对上摆臂进行转动，转向节下端通过球头与下摆臂连接，减振器的一端与下摆臂连接；
转向装置由转向电机、可伸缩万向节，主动锥齿轮、从动锥齿轮和绝对式编码器组成，转向电机通过可伸缩万向节与主动锥齿轮连接，转向电机的后部连接有电磁制动器，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，从动锥齿轮固定安装在悬挂装置中等速万向节的外套一端，绝对式编码器安装在等速万向节的外套上；
制动装置由制动盘、浮动式制动钳和制动液压系统组成，制动盘固定在驱动装置中轮毂电机的外转子内侧，浮动式制动钳固定在悬挂装置中的转向节上，浮动式制动钳与制动液压系统连接。
2.根据权利要求1所述的独立驱动、转向、悬挂和制动的一体化车轮总成，其特征在于：所述制动液压系统由微型液压站、压力开关、压力变送器、电液比例压力阀和蓄能器组成，压力开关与微型液压站连接，蓄能器、压力变送器、电液比例压力阀和微型液压站通过液压油路串联。
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