CN106585305A - 一种基于双曲柄机构的线控独立转向‑驱动一体化双横臂悬架系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双曲柄机构的线控独立转向‑驱动一体化双横臂悬架系统，包括车轮转角传感器、蜗轮蜗杆减速器、伺服电机、支架、上摆臂、原动杆、原动杆球头、连杆、下摆臂、下摆臂球头销、轮毂、从动杆球头、转向节、从动杆、上摆臂球头销以及PID控制器与CAN总线系统；本发明的优点在于：在实现线控四轮独立转向时，转向机构不额外占用空间，同时最大限度降低转向误差，能够有效衰减车辆在复杂路面上行驶时车轮跳动对减速装置工作状态的不利影响，且有效避免逆向输入带来的前束干涉。包含转向轮信号反馈，可实现系统的闭环控制，能够实现精准转向，可以很好地提升车辆转向性能。上述优越功效对于其自身在车辆行业的推广大有裨益。

Description

一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬 架系统

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统。

背景技术

以电动汽车为主的新能源汽车的崛起为解决石油危机以及环境污染问题提供了新的思路。近年来轮毂电机以及线控转向技术的发展得到了人们的极大关注，其中线控转向系统与上一代电动助力转向系统相比，其具有更好的操作稳定性。由于其转向盘和转向轮之间不必采用机械机构连接，故一方面摆脱了转向系统自身的一些安装和定位限制，另一方面也摆脱了转向系统与其他系统之间的运动干涉，此外也降低了整车整备质量。此项进步实现了汽车的精准转向，也提高了汽车的驾驶方便性。这类采用线控方式独立转向装置的车辆，可以实现前后车轮正负180度转向，因此可以实现包括原地掉头、横向运动、斜向行走等多种转向与行走工况，提升了其在狭小空间的机动性。

目前所见大多数线控独立转向系统虽然集成在悬架上，但是具体实现时其结构均与悬架分离而占用额外的空间。其具体的结构布置形式可以分为垂向和轴向两种。

中国专利CN103072627A示出的一种四轮独立转向电动底盘，提出了一种独立转向控制方式。将电机置于车架上，将转矩通过蜗轮蜗杆减速机构传递到与焊接在车架上的转向轴套配合的转向轴上从而实现转向。但其车轮的跳动限制在竖直上下的唯一状态，而实际行车中很少出现此种工况。故实际使用中易发生卡死，可靠性以及安全性均存在很大问题。中国专利CN103079932A为一种线控转向式转向装置，为节省空间其主要策略是尽量将转向装置收纳在车轮罩内。但其存在明显的问题，比如悬架系统零件较多，成本较高，同时布置也有一定难度。中国专利CN101716954A示出的一种转向方式为电机直接与竖向安装在悬架系统上的主销杆相连，带动与主销杆垂直连接的车轮轴转动从而实现转向。此种未经减速增扭的装置能否正常运转仍存在很大问题。CN101638052B中，电机通过万向节将转矩传到啮合的一对锥齿轮上，从而带动转向节转动完成转向。此设计很好地解决了车轮跳动时的转向问题，但其结构复杂，需要对转向节进行改造。转向传动过程中因为机构自身特性导致的传动误差不能有效控制，不能有效避免逆向输入带来的不良后果，且不能很好减小车轮跳动对减速装置直接造成的不利影响。CN102431586A中，采用花键传动，可实现在传递转向力矩的同时保证上下滑柱之间能够相对滑转。但是花键之间既要传递转矩又要保证传递转向运动，若足够精确的话就需要尽量减少花键之间的结合间隙，同时内花键和外花键要能够相对滑动，这就需要花键之间的间隙不能太小，同时随着内外花键之间滑动的磨损，花键之间的间隙会不断的增大，由于花键位置处于车轮转向轴线的中心附近，花键配合之间的单位误差传递到车轮时转角误差会被放大，由于这种矛盾的存在，这就对花键的加工和材质提出了更高的要求，使得悬架的加工成本急剧上升。

轴向布置的情况可参见CN102085878A，其转向装置与悬架分开，轴向放置。单边拉杆推拉车轮，转向平稳性较差，采用带传动之后导致其寿命变短，需要经常更换维护，于安全性不利。针对上述问题，CN203854715U采用了双边拉杆，且将带传动改为滚珠丝杠传动。再比如CN103112493A所示拉索传动独立悬架线控转向机构系统，轴向布置拉索传动机构，虽使得转角范围变大且工作可靠，但结构复杂，难以布置。电动汽车底盘中主要放置电池，当考虑舒适性以及操纵稳定性降低底盘高度时，轴向空间显得弥足珍贵。上述多项专利涉及到的转向机构，均占用了大量宝贵的轴向空间，导致其难以布置。

发明内容

本发明提出了一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统，即利用双曲柄机构原动件和从动件都是整转运动的特点实现线控独立转向，与传统拉杆转向相比具有大转角转向优点，另外通过转向伺服电机补偿控制能够有效避免逆向输入带来的前束干涉等不良后果。此外可以精确控制车轮转角，很大程度上提升转向轮转向性能。

一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统，包括车轮转角传感器、蜗轮蜗杆减速器、伺服电机、支架、上摆臂、原动杆、原动杆球头、连杆、下摆臂、下摆臂球头销、轮毂（11）、从动杆球头、转向节、从动杆、上摆臂球头销以及PID控制器与CAN总线系统；

车轮转角传感器与涡轮蜗杆减速器输出轴另一端连接，可随蜗轮蜗杆减速器输出轴同步转动；蜗轮蜗杆减速器输入轴与伺服电机连接，蜗轮蜗杆减速器和伺服电机通过支架固定在车架上；L型原动杆一端与蜗轮蜗杆减速器输出轴连接，随之同步转动，另一端与原动杆球头固连；从动杆与转向节和从动杆球头固连；连杆两端分别与原动杆球头和从动杆球头通过球铰副连接；

实现车轮转向运动的机构为双曲柄机构，是由原动杆、原动杆球头、连杆、从动杆球头、从动杆组成的原动杆由伺服电机驱动，由从动杆带动转向节转动实现转向功能；当车轮跳动时，原动杆和从动杆之间的相对位置可发生变动，同时满足双曲柄机构的杆长条件，不影响运动传递，可实现车轮跳动时转向。

本发明的第一个目的，实现车轮线控独立大转角转向同时转向系统集成到双横臂悬架上，不额外占用空间且最大限度降低转向误差是通过下述技术方案来实现的：在普通双横臂悬架上进行改进，去掉转向节上的转向节臂，在转向节上纵向平面方向拉伸出一个悬臂作为双曲柄机构的从动杆；原动杆为L型，一端与蜗轮蜗杆减速器输出轴固连，蜗轮蜗杆减速器输入轴和伺服电机连接；伺服电机和涡轮蜗杆减速器固定在车架上；双曲柄的连杆与原动杆和从动杆均用球铰副连接；机架为原动杆和从动杆端点之间的连杆；各连杆的长度满足双曲柄的杆长条件：1、最长杆和最短杆之和小于等于另外两杆之和；2、机架为最短杆。这样通过伺服电机便能驱动原动杆转动，原动杆带动双曲柄机构将运动传递给从动杆，从动杆使转向节转动从而实现车轮转向。同时在蜗轮蜗杆输出轴上装有转角传感器，可实时检测车轮转过的角度。

通过上述机构的设计，将悬架和转向装置集成起来，从而使其更为紧凑，不额外占用空间。将伺服电机和蜗轮蜗杆减速器安装在车架上大大减小了簧下质量。通过双曲柄机构实现转矩传递，与转角传感器配合，使得转向相对误差大大减小。

本发明的第二个目的，即有效衰减车辆在复杂路面上行驶时车轮跳动对减速装置工作状态的不利影响，以及有效避免逆向输入带来的前束干涉的影响。通过下述技术方案实现：在原动杆和连杆以及连杆和从动杆之间均用球铰副，提高了双曲柄机构的自由度，使其能在空间内运动，保证了车轮在跳动时双曲柄机构仍能发生作用。利用伺服电机自身的特点，当车轮跳动引起前束干涉时，伺服电机可产生相应的补偿转矩来保持车轮稳定，此外程序中设定的短暂断电措施也可以作为一种参考的保护手段。

本发明的第三个目的，即实现车轮转角的精确控制并在很大程度上提升转向轮转向性能是基于如下技术方案：系统包括基于MotoHawk的PID控制器与CAN总线系统以及车轮转角传感器，车轮转角传感器与蜗轮蜗杆减速机输出轴的另一端相连，车轮转角传感器可检测车轮转角来实现基于系统的闭环控制，系统的动作更为精确，转向轮实际转角能够很好地跟随目标转角输入，从而精准转向。

本发明的优越功效在于：

本发明一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统高度集成，在实现线控四轮独立转向时，转向机构不额外占用空间，同时最大限度降低转向误差，此外能够有效衰减车辆在复杂路面上行驶时车轮跳动对减速装置工作状态的不利影响，且可以有效避免逆向输入带来的前束干涉。包含转向轮信号反馈，可实现系统的闭环控制，能够实现精准转向，可以很好地提升车辆转向性能。上述优越功效对于其自身在车辆行业的推广大有裨益。

附图说明

图1 本发明一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统的三维结构示意图

图中标号说明：

1—车轮转角传感器；2—蜗轮蜗杆减速器；3—伺服电机；4—支架；5—上摆臂；6—原动杆；7—原动杆球头；8—连杆；9—下摆臂；10—下摆臂球头销；11—轮毂；12—从动杆球头；13—转向节；14—从动杆；15—上摆臂球头销。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。

如图1所示，本发明一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统，包括车轮转角传感器1、蜗轮蜗杆减速器2、伺服电机3、支架4、上摆臂5、原动杆6、原动杆球头7、连杆8、下摆臂9、下摆臂球头销10、轮毂11、从动杆球头12、转向节13、从动杆14、上摆臂球头销15以及PID控制器与CAN总线系统（图中未示出）。

车轮转角传感器1与涡轮蜗杆减速器2输出轴另一端连接，可随蜗轮蜗杆减速器2输出轴同步转动。蜗轮蜗杆减速器2输入轴与伺服电机3连接，蜗轮蜗杆减速器2和伺服电机3通过支架4固定在车架上。双横臂悬架的上摆臂5和下摆臂9分别通过上摆臂球头销10和上摆臂球头销15与转向节13连接，另外一端分别通过两个带橡胶村套的转动副与车架连接。L型原动杆6一端与蜗轮蜗杆减速器2输出轴连接，随之同步转动，另一端与原动杆球头7固连。从动杆14与转向节13和从动杆球头12固连。连杆8两端分别与原动杆球头7和从动杆球头12通过球铰副连接。当伺服电机3收到转向指令后驱动蜗轮蜗杆减速器2带动原动杆6转动，原动杆6经过原动杆球头7、连杆8、从动杆球头12、从动杆14带动转向节13、轮毂11转动，实现转向。车轮转角传感器1可检测车轮转角来实现系统的闭环控制。

一体化悬架系统将悬架和转向装置集成在一起。模块化的蜗轮蜗杆减速机2与伺服电机3一起固定在支架4上，支架4与车架固连在一起，从而减小了簧下质量。车轮逆输入造成的前束干涉问题可通过伺服电机3的转矩补偿克服。双曲柄机构的急回特性造成的原、从动杆之间的转角差可通过伺服电机的转角补偿克服。

本发明的工作流程：

当单片机通过CAN总线接收到转向盘转角传感器发送来的信号时，根据设定的对应关系经CAN总线输出控制信号。伺服电机开始工作，经过蜗轮蜗杆减速机减速增扭后将横向的转矩传递到原动杆，原动杆经过原动杆球头、连杆、从动杆球头、从动杆带动转向节、轮毂转动，实现转向。当车轮发生跳动时，如前所述原、从动杆之间的位置发生变化，但并不影响运动的传递，故仍能转向。伺服电机能够精确输出角位移从而实现精确转向。

因此，该线控四轮转向-驱动一体化悬架系统是对目前四轮独立转向系统的突破和完善，在实现独立转向的同时最大限度地节省了空间，为电动汽车底盘上电池组的布置提供了便利，并可应用于其他一些要求独立转向并且有空间限制的领域，比如车间物料车、月球车等。

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 (1)

1.一种基于双曲柄机构的线控独立转向-驱动一体化双横臂悬架系统，包括车轮转角传感器（1）、蜗轮蜗杆减速器（2）、伺服电机（3）、支架（4）、上摆臂（5）、原动杆（6）、原动杆球头（7）、连杆（8）、下摆臂（9）、下摆臂球头销（10）、轮毂（11）、从动杆球头（12）、转向节（13）、从动杆（14）、上摆臂球头销（15）以及PID控制器与CAN总线系统；

车轮转角传感器（1）与涡轮蜗杆减速器（2）输出轴另一端连接，可随蜗轮蜗杆减速器（2）输出轴同步转动；蜗轮蜗杆减速器（2）输入轴与伺服电机（3）连接，蜗轮蜗杆减速器（2）和伺服电机（3）通过支架（4）固定在车架上；L型原动杆（6）一端与蜗轮蜗杆减速器（2）输出轴连接，随之同步转动，另一端与原动杆球头（7）固连；从动杆（14）与转向节（13）和从动杆球头（12）固连；连杆（8）两端分别与原动杆球头（7）和从动杆球头（12）通过球铰副连接；

实现车轮转向运动的机构为双曲柄机构，是由原动杆（6）、原动杆球头（7）、连杆（8）、从动杆球头（12）、从动杆（14）组成的；原动杆（6）由伺服电机（3）驱动，由从动杆（14）带动转向节（13）转动实现转向功能；当车轮跳动时，原动杆（6）和从动杆（14）之间的相对位置可发生变动，同时满足双曲柄机构的杆长条件，不影响运动传递，可实现车轮跳动时转向。