CN102717696A - 独立驱动、转向和悬架系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种独立驱动、转向和悬架系统，其包括：轮内电机，其用于驱动车轮旋转；轮毂单元，其用于支撑车轮和所述轮内电机旋转；第一转向节，其用于支撑所述轮毂单元，并可绕由第一主销形成的第一主销轴线转动；弹簧减震器，其用于支撑车轮上下跳动；下横臂，其用于车轮上下跳动时导向；第二转向节，其用于支撑所述第一主销，并可绕由弹簧减震器上支点和下横臂球铰形成的第二主销轴线转动；第一转向执行器，其用于驱动所述第一转向节转动；以及第二转向执行器，其用于驱动所述第二转向节转动。

Description

独立驱动、转向和悬架系统

技术领域

本发明涉及车辆底盘技术领域，特别涉及一种独立驱动、转向和悬架系统，尤其涉及一种具有大转向角特性的独立驱动、转向和悬架系统。

背景技术

现有车辆的转向角多在±35°之间，某些特殊用途车辆的转向角可达到±45°。转向角主要受到几个方面的限制。首先是传动轴，其角度过大后传动效率低，也存在着与相邻零部件的干涉。其次是转向器，特别是转向横拉杆的行程有限，也存在着与其它零部件干涉的问题。再者是悬架，特别是下摆臂，可能与车轮发生干涉。

为了满足大转向角特性的设计需求，必须对车辆的底盘系统进行全新的设计。首先，必须取消传动轴，一个自然的想法是在车轮上安装液压马达或者驱动电机，以便实现不需要传动轴的独立驱动。其次，对于车辆的转向和悬架系统，必须考虑采用具有或者适应大转向角特性的机构并进行布置，以实现相应的要求。

美国专利US5154437提出了一种具有大转向角的车轮独立转向装置，其包括带减速器的轮边电机，在电机壳体近车身侧的上部近乎垂直安装有弹簧和导向支柱，其中可上下跳动的导向支柱通过花键布置在导向套筒内，导向套筒通过轴承可旋转地支撑在车身上，导向套筒上部设置有齿轮与具有多对齿轮传动的转向机构相连，在导向支柱的下部和导向套筒之间设置了导向杆件。

美国专利US5180180提出了一种具有大转向角的车轮支撑装置，其包括带减速器的轮边电机，在轮边电机壳体近车身侧的上部设置有一凸柱，通过轴承可旋转地支撑在布置在轮边电机后部上方的转向节，转向节一端通过球铰与转向横拉杆相连，另一端通过球铰和悬架下摆臂相连，转向节还固接到弹簧减震器支柱的中下部位，弹簧减震器支柱的上部固连到车身，悬架下摆臂的另一端通过球铰和车身相连。

美国专利申请US2008/0073138 A1提出了一种车轮可变换位置的电动车辆，其车轮的轮距和轴距均可以根据要求变化。内部安装了轮内电机的四个车轮安装在四个可以相对车身转动的长摆臂上，摆臂的转动带动车轮位置的变化。车轮的上下跳动带动导向支柱在导向套筒内运动，导向套筒和具有多对齿轮传动的转向机构相连，导向支柱的上端通过球铰和一摆臂相连，摆臂的另一端和固定在长摆臂上的弹簧减震器相连。

美国专利US6102419提出一种电动汽车用的悬架系统，其车轮转向角可以达到90°，因此易于在狭小空间内泊车。具有轮内电机的车轮通过转向节可转动地连接在布置在车轮上方的上摆臂，并通过连接在转向节上部的转向摆臂进行大转角转向，布置在车轮后侧的弹簧减震器通过连杆和上摆臂相连接。

上述公开的技术方案存在不少问题：车轮转向角在±35°之间的正常行驶工况下，悬架动力学特性不够优良，为了兼顾大转向角的要求不可避免地降低了正常行驶时的悬架动力学特性；转向节或轮内电机壳体等零件的受力条件差；转向机构需要提供较大的作用力并消耗较大的功率。

因此，还存在着提出一种在正常行驶工况下具有优良的悬架动力学特性、受力条件好、转向作用力小且具有大转向角特性的独立驱动、转向和悬架系统的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺点，提供一种具有大转向角特性的独立驱动、转向和悬架系统。

本发明提供一种独立驱动、转向和悬架系统，其包括：轮内电机，其用于驱动车轮旋转；轮毂单元，其用于支撑车轮和所述轮内电机旋转；第一转向节，其用于支撑所述轮毂单元，并可绕由第一主销形成的第一主销轴线转动；弹簧减震器，其用于支撑车轮上下跳动；下横臂，其用于车轮上下跳动时导向；第二转向节，其用于支撑所述第一主销，并可绕由弹簧减震器上支点和下横臂球铰形成的第二主销轴线转动；第一转向执行器，其用于驱动所述第一转向节转动；以及第二转向执行器，其用于驱动所述第二转向节转动。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述第一主销安设在所述第一转向节中。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述第一转向节的前部和所述轮毂单元相固接，所述第一转向节的后部通过所述第一主销和所述第二转向节相连接；以及所述第二转向节的上部和所述弹簧减震器的下部相固接，所述第二转向节的下部通过下横臂球铰和所述下横臂相连接。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述第一转向执行器支撑在所述第二转向节上；以及所述第二转向执行器支撑在车身上。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述第一转向执行器的输出轴与所述第一主销同轴相连接；以及所述第二转向执行器通过转向摆臂球铰与固接在所述弹簧减震器中部的转向摆臂相连接。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述第一转向执行器为角度执行器；以及    所述第二转向执行器为线性执行器。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述第一转向执行器可单独实现的车轮转向角范围为±35°；以及所述第二转向执行器可单独实现的车轮转向角范围为-10°～+60°。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，在车辆正常行驶时，所述第二转向节被所述第二转向执行器锁止在对应车轮转向角为0°的零位，所述第一转向执行器驱动所述第一转向节带动车轮转向；以及在车辆进行大转向角转向时，所述第一转向节被所述第一转向执行器锁止在对应车轮转向角为+35°的位置，所述第二转向执行器驱动所述第二转向节带动车轮转向。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述下横臂布置在车轮转动和上下跳动所形成的包络体外。

根据本发明的独立驱动、转向和悬架系统，所述独立驱动、转向和悬架系统还包括横向稳定杆，其布置在车轮转动和上下跳动所形成的包络体外。

根据本发明，可以得到一种在正常行驶工况下具有优良的悬架动力学特性、受力条件好、转向作用力小且具有大转向角特性的独立驱动、转向和悬架系统。

附图说明

图1是本发明的一具体实施例的前视示意图。

图中：1 轮内电机；2 车轮；3 轮毂单元；4 第一转向节；41第一主销；A 第一主销轴线；5 转向摆臂；51 转向摆臂球铰；6弹簧减震器；7 下横臂；71 下横臂球铰；8 第二转向节；B 第二主销轴线；9 第一转向执行器；10 第二转向执行器；11 车身；WZ 车轮接地垂线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。应理解，实施例仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。

图1是本发明一具体实施例的前视示意图。应该指出，为了简化并更清楚地示意本发明，图上并未示出车轮定位参数。参考图1，独立驱动、转向和悬架系统包括：轮内电机1，其用于驱动车轮2旋转；轮毂单元3，其用于支撑车轮2和轮内电机1旋转；第一转向节4，其用于支撑轮毂单元3，并可绕由第一主销41形成的第一主销轴线A转动；弹簧减震器6，其用于支撑车轮2上下跳动；下横臂7，其用于车轮2上下跳动时导向；第二转向节8，其用于支撑第一主销41，并可绕由弹簧减震器上支点61和下横臂球铰71形成的第二主销轴线B转动；第一转向执行器9，其用于驱动第一转向节4转动；以及第二转向执行器10，其用于驱动第二转向节8转动。

第一主销41安设在第一转向节4中。第一转向节4的前部和轮毂单元3相固接，第一转向节4的后部通过第一主销41和第二转向节8相连接。第二转向节8的上部和弹簧减震器6的下部相固接，第二转向节8的下部通过下横臂球铰71和下横臂7相连接。

参考图1，第一主销轴线A明显地更靠近车轮接地垂线WZ，因此，可以消除转矩转向，即因为左右车轮驱动转矩的不同而带来的车辆转向，而这能够显著地提高采用轮内电机1的分布式驱动系统的失效容错能力。例如，在一侧轮内电机1出现故障导致其输出转矩减小的情况下，仍可保持车辆的直线行驶稳定性。显然，第一主销轴线A主要用于保证车辆正常行驶时所需的悬架系统动力学特性，第二主销轴线B主要用于保证大转向角时所需的悬架系统运动学特性，即可以将车轮2转到所需的高达90°的转向角。

第一转向执行器9支撑在第二转向节8上，第二转向执行器10支撑在车身11上。第一转向执行器9的输出轴与第一主销41同轴相连接，第二转向执行器10通过转向摆臂球铰51与固接在弹簧减震器6中部的转向摆臂5相连接。第一转向执行器9为角度执行器，第二转向执行器10为线性执行器。

第一转向执行器9采用角度执行器是因为其布置在轮内的狭小空间内，缺少足够的力臂来实现大的转向作用力矩。此外，由于第一主销轴线A接近车轮接地垂线WZ，所需的转向作用力矩也较小，因此，只要采用角度执行器即可满足转向力矩的要求。

第二转向执行器10采用线性执行器，而且支撑在车身11上，可占用的空间较大，可以采用较大的执行器来提供所需的转向作用力，或者采用较长的转向摆臂10来满足转向力矩的要求。第二主销轴线B离车轮接地垂线WZ稍远，需要的转向作用力较大，但车辆进行大转向角转向的工况不多，因此，第二转向执行器10消耗的功率也较少。

第一转向执行器9可单独实现的车轮转向角范围为±35°，第二转向执行器10可单独实现的车轮转向角范围为-10°～+60°。在车辆正常行驶时，第二转向节8被第二转向执行器10锁止在对应车轮转向角为0°的零位，第一转向执行器9驱动第一转向节4带动车轮2转向。在车辆进行大转向角转向时，第一转向节4被第一转向执行器9锁止在对应车轮转向角为+35°的位置，第二转向执行器10驱动第二转向节8带动车轮2转向。因此，第一转向节4和第二转向节8的转动叠加后可以实现的车轮转向角范围-35°～+95°。

在本发明中，高达90°的大转向角是依靠第一转向节4和第二转向节8的转动叠加来实现的，在正常行驶时并不需要大转向角，只依靠第一转向节4的转动来实现转向，因此，简化了悬架系统的设计，确保了车辆正常行驶时悬架系统的动力学特性。

与现有悬架系统相比，本发明的悬架系统是福特公司发明的RevoKnuckle悬架系统和MacPherson悬架系统的综合，不同的是不必考虑传动轴的布置，此外转向机构也根本不同。显而易见的是，所述系统的受力条件不会比现有悬架系统的差，弹簧减震器6的布置也可以直接参考现有悬架系统的。此外，车轮2的定位参数也可以直接参考相关悬架系统的。

下横臂7布置在车轮2转动和上下跳动所形成的包络体外。这是显然的，特别是下横臂7的前部，应避免与转向角达到90°的车轮内侧干涉。目前，MacPherson悬架的下横臂7的设计趋势符合这一要求，当然也可以具有其它的类似三角形的形状。

通常，悬架系统还包括横向稳定杆，其布置也与下横臂7的要求一样，即布置在车轮2转动和上下跳动所形成的包络体外，避免与车轮发生干涉。由于横向稳定杆的布置非常灵活，可以轻松满足此要求，因此，在本发明中不再赘述。

因此，根据本发明，可以得到一种在正常行驶工况下具有优良的悬架动力学特性、受力条件好、转向作用力小且具有大转向角特性的独立驱动、转向和悬架系统。

本发明并不局限于上述实施例，而是覆盖在不脱离本发明的精神和范围的情况下所进行的所有改变和修改。这些改变和修改不应被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且所有诸如对于本领域技术人员来说显而易见的修改均应被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，包括：

轮内电机，其用于驱动车轮旋转；

轮毂单元，其用于支撑车轮和所述轮内电机旋转；

第一转向节，其用于支撑所述轮毂单元，并可绕由第一主销形成的第一主销轴线转动；

弹簧减震器，其用于支撑车轮上下跳动；

下横臂，其用于车轮上下跳动时导向；

第二转向节，其用于支撑所述第一主销，并可绕由弹簧减震器上支点和下横臂球铰形成的第二主销轴线转动；

第一转向执行器，其用于驱动所述第一转向节转动；以及

第二转向执行器，其用于驱动所述第二转向节转动。

2.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述第一主销安设在所述第一转向节中。

3.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述第一转向节的前部和所述轮毂单元相固接，所述第一转向节的后部通过所述第一主销和所述第二转向节相连接；以及

所述第二转向节的上部和所述弹簧减震器的下部相固接，所述第二转向节的下部通过下横臂球铰和所述下横臂相连接。

4.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述第一转向执行器支撑在所述第二转向节上；以及

所述第二转向执行器支撑在车身上。

5.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述第一转向执行器的输出轴与所述第一主销同轴相连接；以及

所述第二转向执行器通过转向摆臂球铰与固接在所述弹簧减震器中部的转向摆臂相连接。

6.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述第一转向执行器为角度执行器；以及

所述第二转向执行器为线性执行器。

7.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述第一转向执行器可单独实现的车轮转向角范围为±35°；以及

所述第二转向执行器可单独实现的车轮转向角范围为-10°～+60°。

8.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

在车辆正常行驶时，所述第二转向节被所述第二转向执行器锁止在对应车轮转向角为0°的零位，所述第一转向执行器驱动所述第一转向节带动车轮转向；以及

在车辆进行大转向角转向时，所述第一转向节被所述第一转向执行器锁止在对应车轮转向角为+35°的位置，所述第二转向执行器驱动所述第二转向节带动车轮转向。

9.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述下横臂布置在车轮转动和上下跳动所形成的包络体外。

10.根据权利要求1所述的独立驱动、转向和悬架系统，其特征在于，

所述独立驱动、转向和悬架系统还包括横向稳定杆，其布置在车轮转动和上下跳动所形成的包络体外。

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