CN106427555B - 一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置及可全方位转向的电动汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，包括：车轴，其穿过轮毂电机的中心并且和轮毂电机的定子固定，车轮相对于所述车轴自由旋转；转向支架，其固定连接所述的车轴或其和车轴形成为一体；所述转向支架具有两个平行外伸脚；电机基座，其设置在所述转向支架的两个外伸脚之间，并且具有容纳空间；减振液压缸，其固定设置在所述电机基座和所述转向支架的所述外伸脚之间；减振液压活塞杆，其穿过所述电机基座和所述减振液压缸，并且固定在所述转向支架的两个外伸脚之间；转向电机，其设置在所述容纳空间内，能够驱动所述减振液压活塞杆旋转。本发明还公开了一种可全方位转向的电动汽车。
Description
技术领域
本发明涉及交通工具领域，具体涉及一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置及可全方位转向的电动汽车。
背景技术
随着现代社会经济的高速发展，汽车在日常生活中已经不仅仅是一种交通工具，更是人们的一种生活方式。近些年以来，世界各地汽车保有量大幅增加，随之而来的便是能源的短缺、环境的污染等等一系列问题，这些都是全球汽车和能源产业需要面对的挑战。混合动力、纯电动、太阳能等新能源汽车已成为世界各个国家汽车厂商未来的发展方向，这其中电动汽车作为未来发展的主要方向之一，受到越来越多的重视和研究，而这其中轮毂电机驱动技术由于具有布局灵活使车体结构更简单、能量利用率高、可实现多种复杂驱动方式等优点被认为是最有潜力一项电动汽车技术。
目前，大部分传统汽车采用的是两轮转向，其驱动轮与车架之间都是通过悬架装置连接的，动力通过万向传动装置传递给驱动轮。当转向轮也负责驱动时，受万向传动装置结构限制，会限制车轮转动角度，使得传统汽车的泊车以及转向调头都需要较大的空间，这降低了空间的利用率，导致汽车在一些狭窄路段无法完成驾驶员预想的运动，同时容易造成交通的堵塞，不利于城市的交通。同时，虽然两轮转向容易控制，但在高速行驶中转弯时的稳定性差。也有少部分车采用四轮转向，其能够克服两轮转向的缺陷，但控制系统结构复杂且成本高，因此主要用于高档轿车。
此外，对于四轮转向并可以完成横向行驶的汽车，虽然已有公司制造出试验车，如EO 2，但其在如横向行驶时必须先制动，完成车轮位置转换再重新起步，这样将使得行驶效率降低，同时并不能从根本上实现对复杂行驶路线的要求。
发明内容
本发明设计开发了一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，本发明的发明目的之一是解决现有电动汽车车轮中的转向电机影响车轮减震效果以及减震弹簧压缩长度的问题。
本发明的发明目的之二是解决现有技术中车轮转动角度受限制以及完成车轮位置转换时汽车需要完全制动的问题。
本发明设计开发了一种可全方位转向的电动汽车，本发明的发明目的是提供一种无需制动就能够完成车轮全方位偏转以及原地转向掉头并且对车轮减震无影响的电动汽车。
本发明提供的技术方案为：
一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，包括：
车轴，其穿过轮毂电机的中心并且和轮毂电机的定子固定，车轮相对于所述车轴自由旋转；
转向机架，其固定连接所述车轴或其和所述车轴形成为一体；所述转向机架具有两个平行外伸脚；
电机基座，其设置在所述转向机架的两个外伸脚之间，并且具有容纳空间；
减振液压缸，其固定设置在所述电机基座和所述转向机架的所述外伸脚之间；
减振液压活塞杆，其穿过所述电机基座和所述减振液压缸，并且固定在所述转向机架的两个外伸脚之间；
转向电机，其设置在所述容纳空间内，能够驱动所述减振液压活塞杆旋转。
优选的是，所述减振液压活塞杆的径向周缘形成活塞，其上设置节流孔。
优选的是，所述电机基座，其一端通过法兰与车轮固定轴连接，另一端与所述转向机架相连。
优选的是，所述转向机架以及所述电机基座之间设置弹簧。
优选的是，所述减振液压活塞杆外端与所述转向机架相连，内端穿过所述电机基座与花键套相连。
优选的是，所述转向电机的输出端与所述花键套通过减速齿轮相啮合进行传动，进而带动所述减振液压活塞杆，再驱动所述转向机架完成转动。
优选的是，所述减速齿轮与所述花键套的外齿均为直齿；以及
所述减振液压活塞杆具有外花键，其与所述花键套的内花键槽相配合。
优选的是，所述轮毂电机的转子与车轮轮辋相连接，并且在所述轮毂电机的转子外侧设置刹车盘。
一种可全方位转向的电动汽车，包括所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：本发明克服了现有汽车转弯半径大，空间利用率低，高速转弯时稳定性差等不足，实现汽车可以在交通资源有限的地方更加灵活的行驶，并且可以在不需要制动的情况下完成全方位转向行驶，同时运用轮毂电机驱动技术，具有稳定性高、经济、安全、实用等优点。
附图说明
图1为本发明车体侧视图。
图2为本发明汽车前后行驶车轮结构示意图。
图3为本发明汽车低速逆相位转向车轮结构示意图。
图4为本发明汽车中速正常转向车轮结构示意图。
图5为本发明汽车高速同相位转向车轮结构示意图。
图6为本发明横向行驶车轮结构示意图。
图7为本发明原地转向车轮结构示意图。
图8为本发明集成式车轮侧视结构剖视图。
图9为本发明集成式车轮正视图。
图10为本发明集成式悬架及转向模块图示。
图11为本发明所述的半主动式悬架局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1～图7所示，本发明提供了一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其主体为对称布置在车体前、后、左、右的四个集成式驱动及转向车轮110，保证前后轴距与左右轮距近似相等，车轮110与底盘100上的对应位置固定的车轮固定轴130通过螺栓进行连接，在车轮中转向电机163的驱动下，由于其空间结构的设计，车轮110可完成最大90°的偏转，四个车轮110完全相同且独立，通过控制可以使汽车在狭小空间进行全方向转向行驶；车轮110上集成有轮毂电机140作为驱动装置、转向电机163、盘式制动器152、半主动式悬架162等，每个集成式车轮110与车体底盘100对应位置上的法兰盘170相连接，汽车整体采用轮毂电机140驱动，外观与普通汽车完全相同，但四个车轮由于其特殊结构均可单独控制并实现最大90°的偏转，使汽车可完成原地转向、斜线及横向行驶等运动。
如图8、图9所示，集成式驱动及转向车轮110，四组集成式车轮110完全相同且独立，从轮辐一侧向外依次集成有轮毂电机140、盘式制动器152、半主动式悬架162、转向电机163；其中，车轮采用外转子式轮毂电机140驱动，使用的是低速外转子电机，无减速装置，电机定子143与车轴131相固定，外转子与车轮轮辋121相连接，永磁体144固定在外转子上，电机控制器142对轮毂电机进行控制，对电磁绕组141通电，当轮毂电机140转动时，动力直接输出到车轮110，驱动车轮110旋转，有效的提高了能量的利用率，车轴131另一端与转向机架161固定。在轮毂电机140外侧刹车盘151与电机外转子相连，负责汽车制动的问题。
如图8～图11所示，集成式半主动悬架及转向模块，这里将汽车悬架系统和转向系统集成一个模块，由转向机架161、半主动式悬架系统、转向电机基座160、转向系统组成，采用半主动式悬架系统以及线控转向系统；
其中，在转向电机基座160上下对称布置有两个半主动式悬架162，对称安装在转向电机基座160及转向机架161之间，可以通过电子控制单元ECU控制，改变悬架的阻尼系数，分别由弹性元件、减震器、导向机构等组成，在半主动式悬架162的液压缸内部活塞上布置有节流孔162a，在转向机架161与电机基座160之间还设置螺旋弹簧162c；在现有技术中，阀门162b移动可改变节流孔162a通道的节面积，在受到信号控制时，从而改变整个悬架系统的阻尼；其中，液压减震器活塞杆166两端均穿过液压缸，外端与转向机架161利用花键167连接，内端同样通过花键与花键套165相连接，这样通过花键套165传递过来的转动，可以通过活塞杆166传递到转向机架161，转向机架161与车轴131相连，当转向电机基座160与车体200固定连接后，汽车行驶车轮受到震动冲击时，车轮先将所受震动传递到转向机架161，再经过半主动悬架系统缓冲和衰减受到的震动，以使汽车具有良好的舒适性，因此由于悬架系统中弹性元件及减震器的缓冲、减震作用，当车轮受到冲击震动时，可以有效的缓冲及衰减冲击，减小车身200震动。
车轮110中集成的转向驱动装置，转向电机163固定在转向电机基座160内，汽车整体采用线控转向系统，当方向盘转动一定角度后，信号会传递至主控制器ECU，之后再传递到转向电机163，通过转向电机163的驱动使车轮110完成一定角度的偏转。转向电机163输出端通过一组减速齿轮164将动力传递至花键套165，与花键套165相配合的是上下两个液压减震器活塞杆166的一端，活塞杆166的另一端通过花键167与转向机架161相连，花键套165上的转动运动便传递至转向机架161，从而带动车轮110实现偏转。转向电机基座160外端设置有法兰盘170，与汽车底盘100对应位置上车轮固定轴130的法兰盘通过螺栓相固定。
转向系统包括转向电机163、传动齿轮164、花键套165以及活塞杆166，转向电机163固定在电机基座160内部，输出端与花键套165通过一组减速齿轮164相啮合进行传动；驾驶员操控汽车转向时，转向电机163会接收主控制器ECU的信号进行转动，并通过一对减速齿轮164传动至花键套165，花键套165带动与其啮合的活塞杆166，再驱动转向机架161完成转动，转向机架161与车轮110相连，便可带动车轮110完成偏转，转向机架161旋转不与电机基座160干涉。在转向电机163的驱动下，可使车轮110最大完成90°的偏转。在转向电机基座160外侧设置有法兰盘170，可与汽车底盘100上车轮固定轴130的法兰盘通过螺栓相连接，以固定车轮110位置；通过将转向电机163固定在电机基座160内部的设计，减少了转向系统对半主动悬架162的影响，从而有效的减少了转向电机163影响车轮减震效果以及影响减震弹簧162c压缩长度的问题。
在本实施例中，半主动式悬架162、转向电机163、传动齿轮164、花键套165以及活塞杆166组成部分在车辆行驶过程中分为减振部分以及转向部分；
其中，转向电机基座160通过法兰盘170固定在车体上，转向电机163固定在电机基座160的内部空间中，转向电机163的输出轴上固定设置有齿轮164，齿轮164始终和花键套165的外齿啮合，齿轮164和花键套165的外齿均为直齿，且其传动比大于1，为减速传动。两个活塞杆166沿着轴向同轴固定在一起形成一体，活塞杆166具有外花键与花键套165的内花键槽相配合。由于活塞杆166端部的外花键长度有限，当活塞杆166上下运动时，花键套165也会随之一起上下运动。
当车轮受到的震动通过车轴130传递到转向机架161时，转向机架161的震动带动与其固定的活塞杆166上下运动，从而带动液压缸中的固定在活塞杆上的活塞进行运动，活塞杆166的径向周缘形成活塞，活塞上设置节流孔162a，通过液压缸中液压油流过节流孔162a，形成阻尼力，吸收震动的能量。压缩或者拉伸分别设置在电机基座160和转向机架161之间的两个弹簧162c，由于电机基座160是固定不动的，所以实际半主动式悬架162总是一端压缩一端伸长，当转向机架161向下运动时，上方半主动式悬架162的弹簧162c被压缩，活塞杆166被向下推，下方半主动式悬架162的弹簧162c被向下拉伸，活塞杆166以及花键套165也向下运动，花键套165和与其外齿啮合的齿轮164产生相对滑动，此时转向电机163、齿轮164与电机基座160由于与车体相连保持固定不动。
转向电机163驱动齿轮164旋转，通过齿轮164啮合花键套165外齿使花键套165转动，花键套165通过花键配合驱动活塞杆166旋转，活塞杆166的外端与转向机架161固定连接，从而带动转向机架161旋转进而带动车轴偏转。即使在花键套165相对于齿轮164轴向运动时，其之间的传动关系并不会改变，齿轮164仍然能够带动活塞套165的旋转。
如图1～7所示，本发明还提供一种可全方位转向的电动汽车，包括本发明中提供的转换装置，从而克服了现有汽车转弯半径大，空间利用率低，高速转弯时稳定性差等不足，实现汽车可以在交通资源有限的地方更加灵活的行驶，可实现四轮独立驱动、转向，并且可以在不需要制动的情况下完成直线、斜向、横向行驶等的自由切换的全方位转向行驶，以及原地转向掉头，便于汽车在狭小空间等特殊情况行驶，并且运用轮毂电机驱动技术，具有稳定性高、经济、安全、实用等优点，提高了传动效率及汽车行驶稳定性，大大减少了对环境的污染。
如图2所示，汽车前后直线行驶时，四个车轮中轮毂电机140进行工作，以驱动车轮110旋转，转向电机163不工作，各个车轮110方向保持与车身200方向平行，图中右前轮虚线圆弧表示车轮在旋转过程中的最大旋转半径，其并不与车体其他部位发生干涉。
如图3～图6所示，当驾驶员希望车辆向左或向右转向时，驾驶员转动方向盘，方向盘的转角信号以及车轮轮速信号将由传感器传输到主控制器ECU中进行处理分析，并根据结果分别控制四个对应车轮110中的转向电机163，以控制车轮110的偏转。当车速较低时，采用逆相位转向，在车轮110中转向电机163的驱动下，两前轮转动方向与方向盘转动方向相同，与两后轮转动方向相反，减小了车辆的转弯半径，增加其在狭小空间的机动性；当汽车处于中速行驶时，采用最普遍的两轮转向模式，两后轮转向电机163不工作，两前轮转向电机163根据信号进行相应的偏转；当汽车处于高速行驶时，采用同相位转向，即四个车轮110的偏转方向与方向盘转动方向均相同，此时车身200与行驶方向的偏转角减小，减少了汽车调整行驶转向时的旋转和侧滑，提高汽车整体操纵稳定性；此外，在行驶过程中，也可以人为选择同相位转向模式，使四个车轮110偏转方向始终与方向盘转动方向相同，当汽车转弯时，车轮110偏转但车身200的方向不发生改变，在此情况下，可完成斜向行驶，若将方向盘转至转向最大处，即四个车轮110将处于最大偏转位置，如图6所示，此时汽车可以完成横向行驶，在狭窄的地点轻松泊车。
在一些情况下需要原地转向时，可以通过分别控制四个车轮110中的转向电机163，使右前轮和左后轮逆时针旋转45°，右后轮和左前轮顺时针旋转45°，如图7所示，踩下油门踏板，右前轮和右后轮中轮毂电机140驱动车轮向前运动，左前轮和左后轮中轮毂电机140驱动车轮向后运动，此时车体便可逆时针原地转向。需要注意的是，本例中所设计的电动汽车，前后轴距与左右轮距近似相等，保证四个车轮偏转后可以使车身200绕同一旋转中心进行旋转，此外在对车轮偏转进行控制时须保证两前轮之间或者两后轮之间，车轮中转向电机驱动的偏转角度在数值上必须相等。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，包括：
车轴，其穿过轮毂电机的中心并且和轮毂电机的定子固定，车轮相对于所述车轴自由旋转，永磁体固定在转子上；
转向机架，其固定连接所述车轴或其和所述车轴形成为一体；所述转向机架具有两个平行外伸脚；
电机基座，其设置在所述转向机架的两个外伸脚之间，并且具有容纳空间；
减振液压缸，其固定设置在所述电机基座和所述转向机架的所述外伸脚之间；
减振液压活塞杆，其穿过所述电机基座和所述减振液压缸，并且固定在所述转向机架的两个外伸脚之间；
转向电机，其设置在所述容纳空间内，能够驱动所述减振液压活塞杆旋转；
所述减振液压活塞杆外端与所述转向机架相连，内端穿过所述电机基座与花键套相连。
2.如权利要求1所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，所述减振液压活塞杆的径向周缘形成活塞，其上设置节流孔。
3.如权利要求2所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，所述电机基座，其一端通过法兰与车轮固定轴连接，另一端与所述转向机架相连。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，所述转向机架以及所述电机基座之间设置弹簧。
5.如权利要求4所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，所述转向电机的输出端与所述花键套通过减速齿轮相啮合进行传动，进而带动所述减振液压活塞杆，再驱动所述转向机架完成转动。
6.如权利要求5所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，所述减速齿轮与所述花键套的外齿均为直齿；以及
所述减振液压活塞杆具有外花键，其与所述花键套的内花键槽相配合。
7.如权利要求6所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置，其特征在于，所述轮毂电机的转子与车轮轮辋相连接，并且在所述轮毂电机的转子外侧设置刹车盘。
8.一种可全方位转向的电动汽车，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的用于电动汽车车轮全方位转向的转换装置。
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