CN107985395A - 可全轮转向的电动车转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可全轮转向的电动车转向系统，包括车体和车轮，各车轮均配置有驱动车轮自身旋转的轮毂电机，每一车轮均固定安装于转向支架轴的正下方，各转向支架轴的转向支架外套均与车体连接；转向支架轴的位于转向支架外套外的轴段连接有转向驱动机构从而能够绕自身轴线旋转，转向支架轴的底端连接有轮轴座，轮轴座上安装有轴向为水平向且与对应的车轮装配的轮轴，车轮的中心位于对应的转向支架轴中轴线的延长线上。本发明的转向系统中转向自由只受转向驱动机构的控制，因而也就避免了因将转向主销设计成有一定内倾和后倾并有一定的转向偏置距而带来的转向阻力增加、轮胎磨损增大、转向轮占用空间增大等弊端。

Description

可全轮转向的电动车转向系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，更具体地说，是涉及一种可全轮转向的电动车转向系统。

背景技术

在现有电动车的底盘设计中，由于现有的轮式车辆的转向系统中左右转向轮之间均采用转向横拉杆机械连接以便形成所谓“转向梯形”，再加上现有的轮式车辆的悬架系统的导向机构的制约，从而在能实现常规转向行驶就不能实现各轮绕车辆中心纯滚动的原地转向，也不能各轮全部转90°实现侧向平移，也不能各轮全部转相同转向角实现斜向平移，限制了机动性。同时现有的轮式车辆都将转向主销设计成有一定内倾和后倾并有一定的转向偏置距，目的是为了获得低速及高速的自动回正能力，但同时也就带来转向阻力增加、轮胎磨损增大、转向轮占用空间增大等弊端。另外，车辆在沿各种曲线路径转弯行驶时会产生离心力，地面对各轮会产生向心力，轮胎滚动中在向心力作用下会产生侧偏角而且侧偏角的大小与轮胎刚度轮胎气压轮胎垂直负荷有关将这些因素考虑进去，则每个车轮会有一新的实际运动方向线，它与车轮平面的偏差就是轮胎侧偏角。而轮胎侧偏角的产生会使轮胎与地面产生侧向滑磨，并影响操稳性，通过修正各轮的转向角来抵消轮胎侧偏角的影响则是对转向系统的新追求。

发明内容

本发明提供一种可全轮转向的电动车转向系统，至少可解决现有技术的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种可全轮转向的电动车转向系统，包括车体和车轮，各所述车轮均配置有驱动车轮自身旋转的轮毂电机，每一所述车轮均固定安装于转向支架轴的正下方，各所述转向支架轴的转向支架外套均与所述车体连接；

所述转向支架轴的位于所述转向支架外套外的轴段连接有转向驱动机构从而能够绕自身轴线旋转，所述转向支架轴的底端连接有轮轴座，所述轮轴座上安装有轴向为水平向且与对应的车轮装配的轮轴，所述车轮的中心位于对应的所述转向支架轴中轴线的延长线上。

作为实施例之一，所述转向支架外套通过上横摆臂与下横摆臂连接所述车体，所述上横摆臂与所述下横摆臂等长，且两者的端部与所述转向支架外套以及所述车体之间均为铰接，四个铰接点形成平行四边形，且所述车体上的两个铰接点的连线与所述车体的垂线平行。

作为实施例之一，还包括减震器，所述减震器一端与所述下横摆臂铰接，所述减震器的另一端与所述车体铰接，且所述减震器与所述车体之间的铰接点靠近所述上横摆臂与所述车体之间的铰接点。

作为实施例之一，还包括作用于所述下横摆臂与所述车体之间的铰接点的纵向扭杆弹簧。

作为实施例之一，方向盘装有用于自动控制方向盘回位的回位弹簧，所述方向盘上设置了三个转向模式选择按钮，分别为“常规”、“原地旋转”以及“平移”。

作为实施例之一，所述转向支架轴下部与所述轮轴座之间安装有垂直载荷传感器。

作为实施例之一，所述转向驱动机构包括转向电机、与所述转向电机连接的转向蜗杆以及与所述转向蜗杆啮合的转向蜗轮，所述转向蜗轮与对应的所述转向支架轴同轴套接。

作为实施例之一，所述转向支架轴还连接有转向角传感器。

作为实施例之一，所述轮轴座呈L形，包括用于与所述轮轴连接的竖直段以及连接于所述竖直段顶端且朝车体外方向延伸的水平段，所述转向支架轴杆的底端与对应的所述水平段的顶端固连。

作为实施例之一，所述轮毂电机的转子套装于所述轮轴上且与对应的所述车轮连接，定子外壳与对应的所述竖直段抵接且于其中一抵接面上设有侧向力传感器。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的转向系统，各个车轮之间没有转向横直拉杆的机械连接，也没有传动系统零部件的机械连接，因而转向自由只受转向驱动机构的控制。实际上，驾驶员通过方向盘向转向指令器发出指令直接控制车辆左前轮的转向驱动机构的旋转，从而直接控制车辆左前轮的转向角为转向指令器的转向角度，而其它各轮的转向角也均由车辆的控制系统根据左前轮转向角的值协调各轮转向电机的旋转来确定，因而可灵活实现多种转向模式，而且也不需要通过将转向主销设计成有一定内倾和后倾并有一定的转向偏置距来获得低速及高速的自动回正能力，因而也就避免了因将转向主销设计成有一定内倾和后倾并有一定的转向偏置距而带来的转向阻力增加、轮胎磨损增大、转向轮占用空间增大等弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的可全轮转向的电动车转向系统的结构示意图；

图2为应用有可全轮转向的电动车转向系统车辆的转向行驶时结构示意图；

图3为应用有可全轮转向的电动车转向系统车辆的侧向平移行驶时结构示意图；

图4为应用有可全轮转向的电动车转向系统车辆的斜向平移行驶时结构示意图；

图5为应用有可全轮转向的电动车转向系统车辆绕车辆中心原地转向行驶时结构示意图；

图6为图1的可全轮转向的电动车转向系统的方向盘的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参见图1以及图6，本实施例提供一种可全轮转向的电动车转向系统，主要应用于电动车上，包括车体1和车轮2，动力源为柴油机带发电机或者蓄电池，各车轮2均配置有驱动对应车轮2旋转的轮毂电机21，每一车轮2通过转向支架轴22与车体1连接，且各转向支架轴22的转向支架外套221均与车体1连接，当然转向支架外套221与车体1之间可相对运动；

而转向支架轴22的位于转向支架套外的轴段连接有转向驱动机构23，通过转向驱动机构23能够驱使转向支架轴22绕自身轴线旋转，转向支架轴22的底端连接有轮轴座24，而轮轴座24上安装有轮轴241，轮轴241水平设置且与对应的车轮2转配，车轮2的中心位于对应转向支架轴22的轴线的延长线上，即车轮2与转向支架轴22同轴设置。本实施例中，各个车轮2之间没有转向横直拉杆的机械连接，也没有传动系统零部件的机械连接，因而转向自由只受转向驱动机构23的控制。当然转向系统应还包括有方向盘3，而方向盘3配备有转向指令器，方向盘3直接控制其中一车轮2旋转，而一般方向盘3直接控制左前轮车轮2旋转，对此，驾驶员通过方向盘3向转向指令器发出指令直接控制车辆左前轮的转向驱动机构23的旋转，从而直接控制车辆左前轮的转向角为转向指令器的转向角度，而其它各轮的转向角也均由车辆的控制系统根据左前轮转向角的值协调各轮转向驱动机构23来确定，转向支架轴22中心线即为转向主销线，因而不需要通过将转向主销设计成有一定内倾和后倾并有一定的转向偏置距来获得低速及高速的自动回正能力，因而也就避免了因将转向主销设计成有一定内倾和后倾并有一定的转向偏置距而带来的转向阻力增加、轮胎磨损增大、转向轮占用空间增大等弊端。

在方向盘3上设置有几种转向模式选择按钮，可为三种，通过三种转向模式选择按钮可以控制转向系统的三种转向模式，分别为“常规”、“原地旋转”以及“平移”，车辆的控制系统根据驾驶员所选择的转向模式选择按钮及左前轮转向角的值来计算确定其它各轮的转向角，从而分别实现车辆“常规转向行驶”、“绕车辆中心原地任意角度旋转转向”、“侧向平移或斜向平移”三种转向模式。优选地，在方向盘3上设置有回位弹簧，当驾驶员通过方向盘3操纵转向后松开方向盘3时，方向盘3会自动回到直行位置。

而当驾驶员选择各种转向模式时，转向系统的控制系统根据驾驶员所选择的转向模式选择按钮信息、方向盘转角信息、加速踏板位置信息、车辆速度信息、各轮转速的反馈信息、各轮转向角反馈信息、各轮垂直载荷信息、各轮所受侧向力信息来计算确定各轮的转速、各轮的转向角等，其中各轮转向角反馈信息、各轮垂直载荷信息以及各轮所受侧向力信息分别由设置于转向支架轴22上的转向角传感器、转向支架轴22下部与轮轴座24之间安装的垂直载荷传感器222、轮毂电机21上的侧向力传感器244来测定，进而通过各种信息反馈处理后获得比较准确的各车轮2转速以及转向角，以满足驾驶员的转向需求。上述各种信息的传输均采用CAN总线完成。

以下以四轮车为例，来进一步详细说明本发明应用于电动车上的转向系统几种实际运用情况，而多于四轮的轮毂电机21驱动的电动车情况类似。具体如下：

参见图1、图2以及图6，车辆由驾驶员在方向盘3选择转向方式按钮并操纵方向盘3选择行驶路线。当车辆在正常道路上以某一速度沿道路转弯行驶时，驾驶员在方向盘3选择“常规”转向方式按钮并操纵方向盘3控制左前轮转某一转向角，车辆控制系统就能确定车辆的瞬时运动中心，该中心到4个车轮2中心各有一连线。若不考虑轮胎的侧偏刚度会对各轮的实际运动方向角产生影响，则在控制系统的协调下4个车轮2分别转不同的转向角使每个车轮2平面和该轮中心与车辆瞬时运动中心的连线垂直，而且各轮转速也和该轮中心与车辆瞬时运动中心的距离成正比，这就能使车辆在沿各种曲线转弯行驶时，各轮在地面纯滚动无滑磨。但实际上车辆在沿各种曲线转弯行驶时，会产生离心力，地面对各轮会产生向心力，而在向心力作用下滚动中的轮胎会产生侧偏角，而且侧偏角的大小与轮胎刚度、轮胎气压、轮胎垂直负荷有关。控制系统根据各轮垂直载荷信息、车辆速度信息、方向盘转角信息、轮胎刚度、轮胎气压即可计算确定各轮轮胎侧偏角，进而将每个车轮2平面线加侧偏角为每个车轮2的实际运动方向线。在控制系统的协调下4个车轮2分别转不同的转向角使每个车轮2的实际运动方向线和该轮中心与车辆瞬时运动中心的连线垂直，而且各轮转速也和该轮中心与车辆瞬时运动中心的距离成正比，就能使车辆在以各种速度沿各种曲线转弯行驶时，各轮在地面纯滚动无滑磨而且有良好的操稳性。当某个车轮2的转向角没达到使它的实际运动方向线和该轮中心与车辆瞬时运动中心的连线垂直的要求时，就会使该轮与地面产生侧向滑磨，并影响操稳性，这时该轮产生额外的侧向力被轮轴座24中的侧向力传感器244测出反馈到控制系统与该状态的基准值比较而被检出，控制系统则调整该轮的转向角使该轮额外的侧向力消除。这一闭环控制措施将进一步减少轮胎磨损，提高操稳性。

参见图1、图3、图4以及图6，当车辆在路边或停车场驻泊时，如果前后紧挨着有其它车辆或障碍物，对于一般车辆就很难驶出。而对于本发明的车辆就很好办，驾驶员只需在方向盘3选择“平移”转向方式按钮并操纵方向盘3控制左前轮转90°角，车辆在控制系统的协调下4个车轮2分别都转相同的90°转向角，车辆就能侧向平移驶出，此时各轮转速也一致。而当车辆在狭窄街道行驶时，也可如附图4所示，驾驶员只需在方向盘3选择“平移”转向方式按钮并操纵方向盘3控制左前轮转某一角度，车辆在控制系统的协调下4个车轮2同时转某一角度进行斜向平移以便在狭窄街道避让行驶，此时各轮转速也一致。

参见图1、图5以及图6，当需要车辆绕车辆中心180度原地调头或转过某一角度再行驶时，先刹车让车停住，驾驶员只需在方向盘3选择“原地旋转”转向方式按钮，松开方向盘3。在控制系统的协调下4个车轮2分别转不同的转向角使每个车轮2平面都和该轮中心与车辆中心的连线垂直，如附图5所示，各轮转向角调整到位后指示灯亮，驾驶员松开刹车踏板踩下油门踏板，车辆开始绕车辆中心原地旋转，而且各轮转速也和该轮中心与车辆中心的距离成正比，过程中各轮都在地面纯滚动无滑磨。至于是调头还是转多少角度，取决于旋转持续的时间。当转过需要的角度时驾驶员松开油门踏板踩下刹车踏板结束原地旋转。再选择其它转向方式按钮，操纵方向盘3继续行驶。在控制系统的协调下4个车轮2按照新的转向方式调整其转向角。

实施例二

参见图1，本发明实施例还提供一种优选的转向系统，转向支架外套221通过上横摆臂11与下横摆臂12连接车体1，上横摆臂11与下横摆臂12等长，且两者的端部与转向支架外套221以及车体1之间均为铰接，上横摆臂11的两个端部均通过铰接销套与车体1以及转向支架外套221铰接，下横摆臂12的两个端部也均通过铰接销套与车体1以及转向支架外套221铰接，且铰接销套安装于转向支架外套221或者车体1上。本实施例中，转向系统的悬架系统为等长双横摆臂独立悬架，且车体1上下两个铰接点之间的距离与转向支架外套221上下两个铰接点之间的距离相等，上横摆臂11、下横摆臂12、转向支架外套221以及车体1之间的四个铰接点围合形成平行四边形，车体1上的两个铰接点之间的连线垂直于地面，进而约束转向支架轴22垂直于地面。针对这种悬架系统，还包括有纵向扭杆弹簧13，该纵向扭杆弹簧13作用于下横摆臂12在车体1上的铰接点，具体是，纵向扭杆弹簧13与车体1对应下横摆臂12的铰接销套连接，进而起到弹性缓冲的作用，而另一方面，下横摆臂12还铰接有一根减震器14，其一端与下横摆臂12铰接，另一端与车体1铰接，该减震器14与下横摆臂12之间具有夹角，且减震器14与车体1之间的铰接点靠近上横摆臂11与车体1之间的铰接点，车轮上下跳动时减震器14长度发生变化产生阻尼作用，，减震器14可以作为悬架系统的阻尼元件，能够起到减震的作用。

实施例三

本发明实施例还提供一种转向驱动机构23，其包括转向电机231、转向蜗杆232以及转向蜗轮233，转向蜗轮233与转向支架轴22同轴套接，转向蜗杆232与转向蜗轮233啮合且与驱动电机连接。由于驱动电机是通过转向蜗杆232和转向蜗轮233来控制车轮2转向，而因为蜗杆对蜗轮有一定自锁作用，故能抵消地面对车轮2的转向干扰，而转向支架轴22与转向支架外套221之间有转向支架上径向轴承和转向支架下径向轴承承受径向力。一般，驾驶员通过转向指令器发出指令信息直接控制车辆左前轮转向电机231的旋转，从而直接控制车辆左前轮的转向角使左前轮转向角始终保持与转向指令器的转向角一致。由于转向系统采用转向电机231来控制各个车轮2的转向角，取消了传统的转向横直拉杆，同时悬架系统也没有传统的导向机构的妨碍，也没有传动系统零部件的机械连接，故各轮的转向角不受限制，只受转向电机231的控制，因而可灵活实现各种型式的行驶。例如，可让各个车轮2同时转90度后进行侧向平移以便泊车或避让，也可各个车轮2同时转某一角度进行斜向平移以便在狭窄街道避让行驶。这两种行驶状态各个车轮2不仅转向角一致，而且车轮2转速也一致。又例如，当需要车辆绕车辆中心180度原地调头或某一角度转向时。在控制系统的协调下各个车轮2分别转不同的转向角使每个车轮2平面都和该轮中心与车辆中心的连线垂直，而且各轮转速也和该轮中心与车辆中心的距离成正比，这就能使车辆绕车辆中心180度原地调头或某一角度转向时，各轮仍在地面纯滚动无滑磨。

实施例四

再次参见图1，本发明还提供一种车轮2，包括车轮体25、车轮轴251和轮轴座24，所述车轮轴251安装于所述轮轴座24上且与所述车轮体25连接。

轮轴座24呈L形，包括用于与车轮轴251连接的竖直段242以及连接于所述竖直段242顶端且朝车体1外方向延伸的水平段243，转向支架轴22的底端与水平段243的顶端固连。优选地，上述竖直段242及水平段243均采用圆盘状结构；在上述的设置有转向支架轴22下座的实施例中，该转向支架轴22下座与该水平段243固连，如通过螺栓等连接。进一步优选为在所述转向支架轴22的底端设有垂直载荷传感器222，该垂直载荷传感器222与车辆控制系统电性连接，通过该垂直载荷传感器222可以实时检测车轮2所受竖向载荷，其功能之一是将该竖向载荷信息提供给车辆控制系统，用以解算轮胎侧偏角，从而更精确地提高车辆的操稳性。

在上述轮轴座24的结构中，易于理解地，其竖直段242是设置于车轮体25的靠近底盘的一侧/远离车体1外的一侧，或者说，是与轮辋252相对地分别设置在轮胎的两侧。

进一步优选地，该车轮2还包括轮毂电机21，轮毂电机21的转子211套装于车轮轴251上且与车轮体25连接，定子外壳212与竖直段242抵接。本实施例通过轮毂电机21对车轮2进行独立驱动，能够更好地匹配上述的转向机构所具有的优异操控性能，实时满足各种路况下的车轮2转速需求，车轮2在地面纯滚动无滑磨而且有良好的操稳性，保证车辆具有优异的协调性、稳定性及操控性能。易于理解地，该轮毂电机218与车辆控制系统电性连接。

进一步优选地，于所述竖直段242上设有侧向力传感器244，侧向力传感器244位于竖直段242的与所述定子外壳212抵靠的抵靠面上；该侧向力传感器244与车辆控制系统电性连接，通过该侧向力传感器244可以实时检测车轮2所受侧向力，以提高车轮2/车辆的操稳性。例如：当车轮2的转向角不合适，导致该轮中心与车辆瞬时运动中心的连线与该车轮2的实际运动方向线不垂直，而使得该车轮2与地面产生侧向滑磨，并影响操稳性；这时该车轮2产生额外的侧向力被上述轮轴座24的竖直段242中的侧向力传感器244检测到并反馈至车辆控制系统，车辆控制系统则调整该车轮2的转向角使该车轮2所受额外的侧向力消除；这一闭环控制措施将进一步减少轮胎磨损，提高操稳性。

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 (10)

1.一种可全轮转向的电动车转向系统，包括车体和车轮，其特征在于：

各所述车轮均配置有驱动车轮自身旋转的轮毂电机，每一所述车轮均固定安装于转向支架轴的正下方，各所述转向支架轴的转向支架外套均与所述车体连接；

所述转向支架轴的位于所述转向支架外套外的轴段连接有转向驱动机构从而能够绕自身轴线旋转，所述转向支架轴的底端连接有轮轴座，所述轮轴座上安装有轴向为水平向且与对应的车轮装配的轮轴，所述车轮的中心位于对应的所述转向支架轴中轴线的延长线上。

2.如权利要求1所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：所述转向支架外套通过上横摆臂与下横摆臂连接所述车体，所述上横摆臂与所述下横摆臂等长，且两者的端部与所述转向支架外套以及所述车体之间均为铰接，四个铰接点形成平行四边形，且所述车体上的两个铰接点的连线与所述车体的垂线平行。

3.如权利要求2所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：还包括减震器，所述减震器一端与所述下横摆臂铰接，所述减震器的另一端与所述车体铰接，且所述减震器与所述车体之间的铰接点靠近所述上横摆臂与所述车体之间的铰接点。

4.如权利要求2所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：还包括作用于所述下横摆臂与所述车体之间的铰接点的纵向扭杆弹簧。

5.如权利要求1所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：方向盘装有用于自动控制方向盘回位的回位弹簧，所述方向盘上设置了三个转向模式选择按钮，分别为“常规”、“原地旋转”以及“平移”。

6.如权利要求1所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：所述转向支架轴下部与所述轮轴座之间安装有垂直载荷传感器。

7.如权利要求1所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：所述转向驱动机构包括转向电机、与所述转向电机连接的转向蜗杆以及与所述转向蜗杆啮合的转向蜗轮，所述转向蜗轮与对应的所述转向支架轴同轴套接。

8.如权利要求1所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：所述转向支架轴还连接有转向角传感器。

9.如权利要求1所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：所述轮轴座呈L形，包括用于与所述轮轴连接的竖直段以及连接于所述竖直段顶端且朝车体外方向延伸的水平段，所述转向支架轴杆的底端与对应的所述水平段的顶端固连。

10.如权利要求9所述的可全轮转向的电动车转向系统，其特征在于：所述轮毂电机的转子套装于所述轮轴上且与对应的所述车轮连接，定子外壳与对应的所述竖直段抵接且于其中一抵接面上设有侧向力传感器。