CN107989945A - 油气弹簧、车轮的转向机构、车轮及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油气弹簧、配置有该油气弹簧的车轮转向机构、配置有该油气弹簧的车轮及采用该车轮的车辆，该油气弹簧包括油缸、弹性阻尼单元和油路单元，油缸包括活塞杆和逐级嵌套的多级缸筒；每相邻两级缸筒围设形成一环形油室；活塞杆嵌装滑设于最内层缸筒中，且与该最内层缸筒内壁围设形成一环形油室；最外层缸筒的上部开设有弹性阻尼接口且与弹性阻尼单元连接，最外层缸筒的上部以及各环形油室均开设有油路接口，各油路接口均与油路单元连接。本发明提供的油气弹簧、车轮及车辆等，能根据各种行驶状况的需要调整各轮中心的位置高低、动行程的大小、弹性系数等的大小，从而满足不同行驶条件的需求，具有高通过性、高机动性等优点。

Description

油气弹簧、车轮的转向机构、车轮及车辆

技术领域

本发明属于汽车技术领域，更具体地说，是涉及一种油气弹簧、配置有该油气弹簧的车轮转向机构、配置有该油气弹簧的车轮及采用该车轮的车辆。

背景技术

在现有高通过性无人驾驶车辆的底盘设计中，一般分履带式和轮式两大类。

前者履带式车辆越野性能好，能过较宽壕沟，能爬一定台阶，但在公路上车速不高；转向靠左右履带速度差来实现，行驶中对路面破坏较大；不能侧向、斜向平移，限制了机动性。

后者轮式车辆在公路上行驶车速高，行驶中对路面没破坏。但现有轮式车辆受悬架系统和转向系统设计方案的影响而越野性能较差，由于现有的轮式车辆的车轮不能自行提起离开地面，也不能自行往下伸去接触下面的地面，故它能爬上的台阶高度一般不超过车轮的半径。对于深度超过车轮半径的壕沟的跨越宽度也就受到一定的限制。同时由于现有的轮式车辆的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，从而也就不能实现各轮绕车辆中心纯滚动的原地转向，也不能实现侧向平移和斜向平移，限制了机动性。另外，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。

车辆在良好公路上行驶时为获得良好的平顺性和操稳性，希望车辆离地间隙小一些，重心低一些，悬架系统刚度小一些、阻尼小一些，这时悬架系统的动行程也可小一些。而在越野行驶时则希望车辆离地间隙大一些，悬架系统刚度大一些、阻尼也大一些，这时悬架系统的动行程也要大一些才能在越野行驶时提高平均车速。这些要求在现有无人驾驶车辆中都较难实现。

发明内容

本发明提供一种油气弹簧、配置有该油气弹簧的车轮转向机构、配置有该油气弹簧的车轮及采用该车轮的车辆，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：提供一种油气弹簧，包括油缸、弹性阻尼单元和油路单元，所述油缸包括活塞杆和自外而内逐级嵌套的多级缸筒；每相邻两级缸筒中，内层缸筒外壁呈上宽下窄的阶梯轴结构，该内层缸筒的大直径段嵌装滑设于外层缸筒内且顶端开设有与该外层缸筒内腔导通的通油孔，该内层缸筒的小直径段穿设于外层缸筒的底端且与该外层缸筒内壁围设形成一环形油室；所述活塞杆包括活塞部和连接于所述活塞部底端的杆部，所述活塞部嵌装滑设于最内层缸筒中，所述杆部穿设于该最内层缸筒的底端且与该最内层缸筒内壁围设形成一环形油室；最外层缸筒的上部开设有弹性阻尼接口且与所述弹性阻尼单元连接，最外层缸筒的上部以及各所述环形油室均开设有油路接口，各所述油路接口均与所述油路单元连接。

作为实施例之一，所述弹性阻尼单元包括高阻尼管路、低阻尼管路及弹性气囊结构，所述高阻尼管路与所述低阻尼管路并联且均与所述弹性阻尼接口及所述弹性气囊结构连接，所述高阻尼管路与所述低阻尼管路上均设有阻尼器和第一控制阀，且所述高阻尼管路上的阻尼器的阻尼值高于所述低阻尼管路上的阻尼器的阻尼值。

作为实施例之一，所述弹性气囊结构包括并联设置的大气囊室和小气囊室，且两个气囊室所在支路上均设有第二控制阀。

作为实施例之一，所述杆部为中空结构；所述油气弹簧还包括花键轴，所述花键轴与各所述缸筒同轴设置，所述花键轴的顶端位于最外层缸筒上方且底端伸至所述杆部的内腔中，所述活塞部与所述花键轴花键连接。

作为实施例之一，所述花键轴上自内而外依次套设有至少一个花键套，各所述花键套的顶部和底部均设有限位件，所述活塞部与最外层的所述花键套花键连接。

另外提供一种车轮的转向结构，包括如上所述的油气弹簧，所述花键轴的顶端连接有驱动其绕自身轴线旋转的驱动单元。

作为实施例之一，所述驱动单元包括驱动电机、转向蜗轮和转向蜗杆，所述转向蜗轮与所述花键轴同轴套接，所述转向蜗杆与所述转向蜗轮啮合且与所述驱动电机连接。

作为实施例之一，所述花键轴还连接有转向角传感器。

本发明还提供一种车轮，包括车轮体、车轮轴和轮轴座，所述车轮轴安装于所述轮轴座上且与所述车轮体连接，还包括如上所述的油气弹簧；所述轮轴座呈L形，包括用于与所述车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，所述杆部的底端与所述水平段的顶端固连。

作为实施例之一，该车轮还包括轮毂电机，所述轮毂电机的转子套装于所述车轮轴上且与所述车轮体连接，定子外壳与所述竖直段抵接。

作为实施例之一，于所述竖直段上设有侧向力传感器，所述侧向力传感器位于所述竖直段的与所述定子外壳抵靠的抵靠面上。

作为实施例之一，于所述杆部的底端设有垂直载荷传感器。

本发明还提供一种车辆，包括车体和多个车轮，各所述车轮均采用如上所述的车轮。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的油气弹簧，采用多级缸筒与活塞杆逐级嵌套的结构，能根据各种行驶状况的需要调整各轮中心的位置高低、动行程的大小、弹性系数等的大小，从而满足不同行驶条件的需求，具有高通过性、高机动性等优点。

本发明提供的车轮的转向结构，在悬架系统全行程跳动中花键套均能可靠地带动活塞杆旋转而不影响悬架系统跳动，该转向结构可以控制车轮的任意角度旋转转向，从而保证车辆能根据各种行驶工况的需要实现绕车辆中心原地任意角度旋转转向、侧向平移、斜向平移、公路各种速度转向行驶等功能。

本发明提供的车轮，车轮中心是在上述油气弹簧各缸筒中轴线/活塞杆中轴线的延长线上，车轮所受地面各方向的力均由活塞杆传给各级缸筒再传给车体，稳定性较好，而且，该油气弹簧可以根据各种行驶工况的需要调整车轮中心相对车体的位置高低、动行程的大小、弹性系数、阻尼系数的大小，还能根据车辆所通过的地形的需要提起车轮离开地面以便越障，因而具有较好的操控性。各个车轮之间没有转向横直拉杆的机械连接，也没有传动系统的机械连接，因而各轮可根据需要转成各种转向角实现不同的转向模式而大大提高机动性。

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车轮的转向结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的车轮的结构图；

图3和图4为本发明实施例提供的车辆上、下台阶的示意图；

图5为本发明实施例提供的车辆转向行驶的示意图；

图6为本发明实施例提供的车辆在侧坡路上行驶的示意图；

图7为本发明实施例提供的车辆在扭曲路上行驶的示意图；

图8为本发明实施例提供的车辆斜向平移的示意图；

图9为本发明实施例提供的车辆转弯行驶的示意图；

图10为本发明实施例提供的车辆侧向平移的示意图；

图11为本发明实施例提供的车辆原地掉头的示意图。

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

如图1和图2，本发明实施例提供一种油气弹簧，包括油缸、弹性阻尼单元和油路单元，所述油缸包括活塞杆3和自外而内逐级嵌套的多级缸筒；每相邻两级缸筒中，内层缸筒2外壁呈上宽下窄的阶梯轴结构，该内层缸筒2的大直径段201嵌装滑设于外层缸筒1内且顶端开设有与该外层缸筒1内腔导通的通油孔，该内层缸筒2的小直径段202穿设于外层缸筒1的底端且与该外层缸筒1内壁围设形成一环形油室7；所述活塞杆3包括活塞部301和连接于所述活塞部301底端的杆部302，所述活塞部301嵌装滑设于最内层缸筒2中，所述杆部302穿设于该最内层缸筒2的底端且与该最内层缸筒2内壁围设形成一环形油室8；最外层缸筒1的上部开设有弹性阻尼接口且与所述弹性阻尼单元连接，最外层缸筒1的上部以及各所述环形油室均开设有油路接口，各所述油路接口均与所述油路单元连接。

一般地，上述的各缸筒均是圆柱形缸筒，缸筒内腔均是圆柱形内腔；每相邻两级缸筒中，外层缸筒1的底端开设有穿设孔，该穿设孔的孔径与内层缸筒2的小直径段202的外径基本相同，从而该内层缸筒2的小直径段202可以紧密滑设在该穿设孔上，该内层缸筒2的大直径段201嵌装滑设在该外层缸筒1的内腔中，从而构成该外层缸筒1的活塞。同样地，最内层的缸筒的底端也开设有供上述杆部302紧密滑设的穿设孔，上述活塞部301嵌装滑设在最内层缸筒2中从而构成该最内层缸筒2的活塞。

本实施例提供的油气弹簧，采用多级缸筒与活塞杆逐级嵌套的结构，能根据各种行驶状况的需要调整各轮中心的位置高低、动行程的大小、弹性系数等的大小，从而满足不同行驶条件的需求，具有高通过性、高机动性等优点。

进一步地，如图1和图2，在各缸筒的底端穿设孔的孔壁上嵌设有低摩擦系数高耐磨的下承压套10，该下承压套10套装在对应穿设的小直径段202缸筒外壁上或上述杆部302的外壁上；除最外层缸筒1外，在各缸筒的大直径段201的外周面上嵌装有低摩擦系数高耐磨的上承压套9，该上承压套9抵紧在对应滑设的外层缸筒1的内壁上；在上述活塞部301的外周面上嵌装有低摩擦系数高耐磨的上承压套9，该上承压套9抵紧在对应滑设的最内层缸筒2的内壁上。在车轮受到地面传来的纵向力和侧向力时，上述的各上承压套9及各下承压套10均承受径向力，保证设备的使用寿命及工作可靠性。

进一步地，如图1和图2，各缸筒的底端穿设孔的孔壁上、除最外层缸筒1外的各缸筒的大直径段201的外周面上以及活塞部301的外圆周面上均设有油封，以防止压力油泄漏，各油封优选为对应的/相邻的承压套的下方，进一步优选为紧邻该承压套设置。另外，各缸筒的底端穿设孔的孔壁上还设有防尘套，用以防止油缸外部泥水灰尘进入缸内，该防尘套优选为设置于对应的油封的下方。

接续上述的油气弹簧的结构，上述的油路单元包括储油室15、高压油泵17和高压油室16，具体地，每一油路接口连接有一进油管路和一排油管路，进油管路与排油管路并联设置且均与该储油室15连通，上述高压油泵17和高压油室16均布置于进油管路上，于进油管路上设有进油控制阀，于排油管路上设有排油控制阀，各进油控制阀及各排油控制阀均优选为采用电磁阀。上述高压油泵17优选为布置于高压油室16与储油室15之间，上述进油控制阀优选为布置于高压油室16与对应的油路接口之间。进一步优选地，各油路接口共用一个高压油室16，即高压油室16通过高压油泵17与储油室15连通，且该高压油室16的出口端通过多个分支油管与分别与各油路接口连通，每一分支油管上对应设置一个上述的进油控制阀。

接续上述的油气弹簧的结构，如图2，所述弹性阻尼单元包括高阻尼管路、低阻尼管路及弹性气囊结构，所述高阻尼管路与所述低阻尼管路并联且均与所述弹性阻尼接口及所述弹性气囊结构连接，所述高阻尼管路与所述低阻尼管路上均设有阻尼器和第一控制阀，且所述高阻尼管路上的阻尼器的阻尼值高于所述低阻尼管路上的阻尼器的阻尼值。上述的阻尼器是本领域常规技术，其具体结构此处不再赘述，高阻尼管路上的阻尼器为高阻尼器26，低阻尼管路上的阻尼器为低阻尼器24。上述的各第一控制阀均优选为采用电磁阀。进一步地，如图2，所述弹性气囊结构包括并联设置的大气囊室30和小气囊室31，且两个气囊室所在支路上均设有第二控制阀，两第二控制阀均优选为采用电磁阀。本实施例采用的弹性阻尼单元的具体实施效果将在后续的实施例中进一步说明，此处暂略。

作为本实施例提供的油气弹簧的优选实施方式，如图1和图2，所述杆部302为中空结构；所述油气弹簧还包括花键轴4，所述花键轴4与各所述缸筒同轴设置，所述花键轴4的顶端位于最外层缸筒1上方且底端伸至所述杆部302的内腔中，所述活塞部301与所述花键轴4花键连接，也即在该活塞部301上设有花键轴过孔，以容许上述花键轴4穿过，该花键轴4依次穿过各缸筒的过油孔以及上述的花键轴过孔并伸入至杆部302的内腔中，在该活塞部301上安装有花键套5并通过该花键套5与花键轴4花键连接，从而该花键轴4可以带动活塞部301以及杆部302转动，同时不会影响上述活塞杆3及各缸筒的竖向滑移运动，在该杆部302的底端连接车轮即可带动车轮转动从而实现车轮的转向；该花键轴4穿出最外层缸筒1的顶端，因而可以连接驱动单元以驱动其绕自身轴线旋转。本实施例中，通过设置该花键轴4，在保证本油气弹簧的基本功能的情况下，还可实现车轮的转向，从而有效地提高车辆的可操作性；另外，上述的花键轴4还可对活塞杆3及各缸筒的竖向滑移运动进行导向，保证车轮的工作稳定性。进一步优选地，如图1和图2，所述花键轴4上自内而外依次套设有至少一个花键套5，各所述花键套5的顶部和底部均设有限位件501，所述活塞部301与最外层的所述花键套5花键连接，可以适应车辆悬架大行程需求。上述限位件501可以是卡设于花键套5上的轴用弹性挡圈等。

在本实施例中，如图1和图2，采用两级所述的缸筒，可满足车辆离地间隙调整、悬架动行程匹配等需求。

实施例二

本实施例提供一种车轮的转向结构，其包括上述实施例一所提供的油气弹簧，其中，该油气弹簧是设置有花键轴4的弹簧，该花键轴4的顶端连接有驱动其绕自身轴线旋转的驱动单元。本实施例中，如图1和图2，所述驱动单元优选为包括驱动电机12、转向蜗轮14和转向蜗杆13，所述转向蜗轮14与所述花键轴4同轴套接，所述转向蜗杆13与所述转向蜗轮14啮合且与所述驱动电机12连接。由于驱动电机12是通过转向蜗杆13和转向蜗轮14来控制车轮转向，而因为蜗杆对蜗轮有一定自锁作用，故能抵消地面对车轮的转向干扰。

本实施例提供的车轮的转向结构，在悬架系统全行程跳动中花键套5均能可靠地带动活塞杆3旋转而不影响悬架系统跳动，该转向结构可以控制车轮的任意角度旋转转向，从而保证车辆能根据各种行驶工况的需要实现绕车辆中心原地任意角度旋转转向、侧向平移、斜向平移、公路各种速度转向行驶等功能。

进一步优选地，所述花键轴4还连接有转向角传感器11，该转向角传感器11可向车辆控制系统反馈车轮的转向角信息，在控制系统的协调下，转向系统将使车轮根据适时的运动方向角和轮胎的侧偏特性确定该车轮的转向角，从而获得优异的操稳性，可最大限度减小轮胎的磨损。

如图1和图2，上述驱动电机12及转向角传感器11优选为设置于最外层缸筒1的顶端，结构较为简单。

实施例三

如图2，本实施例提供一种车轮，包括车轮体34、车轮轴35和轮轴座33，所述车轮轴35安装于所述轮轴座33上且与所述车轮体34连接，还包括上述实施例一所提供的油气弹簧；所述轮轴座33包括用于与所述车轮轴35连接的竖直段332以及连接于所述竖直段332顶端且朝车体外方向延伸的水平段331，所述杆部302的底端与所述水平段331的顶端固连。上述竖直段332和水平段331均优选为采用圆盘状结构。

进一步优选的方案是，该油气弹簧为设置有花键轴4的弹簧，且该花键轴4的顶端连接有驱动其绕自身轴线旋转的驱动单元。此方案可参考上述实施例二中所提供的车轮的转向结构的具体实施方案，此处不再详述。

在上述轮轴座33的结构中，易于理解地，其竖直段332是设置于车轮体34的靠近底盘的一侧/远离车体外的一侧，或者说，是与轮辋相对地分别设置在轮胎的两侧。

本实施例提供的车轮，车轮中心是在上述油气弹簧各缸筒中轴线/活塞杆3中轴线的延长线上，车轮所受地面各方向的力均由活塞杆3传给各级缸筒再传给车体，稳定性较好，而且，该油气弹簧可以根据各种行驶工况的需要调整车轮中心相对车体的位置高低、动行程的大小、弹性系数、阻尼系数的大小，还能根据车辆所通过的地形的需要提起车轮离开地面以便越障，因而具有较好的操控性与越野性。

进一步优选地，如图2，该车轮还包括轮毂电机36，所述轮毂电机36的转子362套装于所述车轮轴35上且与所述车轮体34连接，定子外壳361与所述竖直段332抵接。本实施例通过轮毂电机36对车轮进行独立驱动，能够更好地匹配上述的油气弹簧及配置有该油气弹簧的转向结构所具有的优异操控性能，实时满足各种路况下的车轮转速需求，车轮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36与车辆控制系统电性连接。

进一步优选地，如图2，于所述竖直段332上设有侧向力传感器37，所述侧向力传感器37位于所述竖直段332的与所述定子外壳361抵靠的抵靠面上；该侧向力传感器37与车辆控制系统电性连接，通过该侧向力传感器37可以实时检测车轮所受侧向力，以提高车轮/车辆的操稳性。例如：当车轮的转向角不合适，导致该轮中心与车辆瞬时运动中心的连线与该车轮的实际运动方向线不垂直，而使得该车轮与地面产生侧向滑磨，并影响操稳性；这时该车轮产生额外的侧向力被上述轮轴座33的竖直段332中的侧向力传感器37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的转向角使该车轮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。

进一步优选地，如图2，于所述杆部302的底端设有垂直载荷传感器32，该垂直载荷传感器32与车辆控制系统电性连接，通过该垂直载荷传感器32可以实时检测车轮所受竖向载荷，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。

实施例四

本实施例提供一种车辆，其包括多个（优选为8个或8个以上）上述实施例三所提供的车轮，优选为是采用轮毂电机36驱动的车轮。

在其中一个实施例中，包括8个上述的车轮，该车辆的行走系统是四车桥8×8，整车重心在2桥与3桥之间；8个车轮的旋转转速、扭矩等根据行驶方式、行驶速度、转向方式等由车辆控制系统确定。

上述车辆的动力源可以是柴油机，由柴油机带动发电机发电给蓄电池充电，蓄电池为全车各电机、电器等供电。当然，采用汽油等能源作为动力源都适用于本实施例中。

本实施例提供的车辆优选为是无人驾驶车辆，车辆控制系统通过雷达或超声波扫描探测地形路况及周围人车动态，通过GPS或北斗信号确定位置，根据内置编程或遥控指令确定行驶方式、行驶路线、行驶速度等参数，并适时确定各车轮的转速、各车轮的转向角、各车轮中心的位置高低、悬架系统弹性系数的大小等。

以下列举多个实施例对本发明提供的无人驾驶车辆的驾驶过程进行说明：

实施例五

车载雷达或超声波扫描探测到车辆要在良好公路上行驶时，这时希望车辆离地间隙减小、重心降低、悬架系统处于刚度较小、阻尼也较小的弹性状态以便获得良好的平顺性，悬架系统所需的动行程也较小。

此处以包括8个车轮、每个车轮配置如图1所示的采用两级缸筒的油气弹簧的车辆为例：

定义外层缸筒1与内层缸筒2之间的环形油室为第一环形油室7，内层缸筒2与活塞杆3之间的环形油室为第二环形油室8；定义外层缸筒1上部所设置的油路接口为第一油路接口，第一环形油室7上设置的油路接口为第二油路接口，第二环形油室8上设置的油路接口为第三油路接口。

定义外层缸筒1上部所连接的进油管路上的电磁阀为第一电磁阀18，所连接的排油管路上的电磁阀为第二电磁阀19；所述第一环形油室7所连接的进油管路和排油管路上的电磁阀分别为第三电磁阀20和第四电磁阀21；所述第二环形油室8所连接的进油管路和排油管路上的电磁阀分别为第五电磁阀22和第六电磁阀23；定义低阻尼管路上的电磁阀为第七电磁阀25，高阻尼管路上的电磁阀为第八电磁阀27；定义小气囊室31所在弹性气囊支路上的电磁阀为第九电磁阀28，定义大气囊室30所在弹性气囊支路上的电磁阀为第十电磁阀29。

在车辆控制系统的协调下，打开第七电磁阀25、第九电磁阀28、第十电磁阀29、第二电磁阀19及第三电磁阀20，关闭第八电磁阀27、第一电磁阀18及第四电磁阀21。各油气弹簧通过第八电磁阀27关闭高阻尼器26，通过第七电磁阀25打开低阻尼器24，使各油气弹簧处于低阻尼工况。外层缸筒1内位于内层缸筒2大直径段201上方空间以及内层缸筒2内位于活塞杆3上方空间内的油可通过第七电磁阀25、低阻尼器24、第十电磁阀29与大气囊室30连通，还可通过第七电磁阀25、低阻尼器24、第九电磁阀28与小气囊室31连通，使各油气弹簧处于刚度较小、阻尼也较小的弹性状态。

通过第一电磁阀18关闭油气弹簧的第一油路接口与高压油室16的连接，通过第二电磁阀19打开油气弹簧的第一油路接口与储油室15的连接，使外层缸筒1内位于内层缸筒2大直径段201上方空间以及内层缸筒2内位于活塞杆3上方空间内的压力油的油压下降，油可被挤流向储油室15。

同时通过第四电磁阀21关闭油气弹簧的第二油路接口与储油室15的连接，通过第三电磁阀20打开油气弹簧的第二油路接口与高压油室16的连接，这时高压油室16的高压油经第二油路接口流入第一环形油室7。活塞杆3上行时固定在活塞杆3头部的活塞杆花键套6在花键套5的外花键上滑动，当滑动到花键套5的顶部碰上花键套5上挡圈时则带动花键套5在花键轴4上向上滑动，从而避免了花键套5与活塞杆3底部相碰。在车轮相对车体上下全行程运动中，活塞杆3底部都不会与花键轴4、花键套5相碰。而且8个转向电机均能在控制系统的协调下，可靠地驱动转向蜗杆13、转向蜗轮14、花键轴4、花键套5、活塞杆花键套6、活塞杆3、轮轴座33旋转，进而带动8个车轮的转向。车轮相对车体上行，则离地间隙减小、重心降低。车轮相对车体上行距离取决于内层缸筒2上行距离，可根据需要确定，但所调整的距离正是悬架系统动行程的减小量。内层缸筒2可一直调整上行到外层缸筒1的顶部，若所调整的距离还不够，可用类似方法动用活塞杆3的上动行程用于调整；也就是再通过第六电磁阀23关闭油气弹簧的第三油路接口与储油室15的连接，通过第五电磁阀22打开该轮油气弹簧的第三油路接口与高压油室16的连接，高压油室16的高压油经第三油路接口流入第二环形油室8室，高压油对该第二环形油室8的上表面产生推力推着活塞杆3上行，活塞杆3则带动轮轴座33和整个车轮上行；当然必须留足行驶所需的动行程。一般在良好公路上行驶时所需的动行程较小，而希望离地间隙减小、重心降低。在车轮中心位置调整完成后第一电磁阀18仍然关闭各轮油气弹簧的第一油路接口与高压油室16的连接，再通过第二电磁阀19也关闭各轮油气弹簧的第一油路接口与储油室15连接，也即第一油路接口完全关闭，使各轮外层缸筒1上部空间里的总油量保持不变，只能经弹性阻尼接口、第七电磁阀25、低阻尼器24、第九电磁阀28与小气囊室31中流通，还能经弹性阻尼接口、第七电磁阀25、低阻尼器24、第十电磁阀29与大气囊室30中流通，这时各轮中心的平衡位置已定。而活塞杆3上方空间的油压又使大气囊室30和小气囊室31中氮气体积压缩，温度不变时大小气囊的体积与油压成反比。在车轮中心位置调整完成后还要通过第三电磁阀20关闭油气弹簧的第二油路接口与高压油室16的连接，通过第四电磁阀21关闭油气弹簧的第二油路接口与储油室15的连接，使油气弹簧的第二油路接口完全封闭，这时内层缸筒2在外层缸筒1中的位置完全相对固定，外层缸筒1只起调节调整各轮中心的位置高低的作用而没有动行程作用。而是通过第五电磁阀22关闭第三油路接口与高压油室16的连接，通过第六电磁阀23打开油气弹簧的第三油路接口与储油室15的连接；当车轮遇到路面凸起而升高时，带动活塞杆3上行推动压力油经弹性阻尼接口、第七电磁阀25、低阻尼器24、第九电磁阀28向小气囊室31中流动，经弹性阻尼接口、第七电磁阀25、低阻尼器24、第十电磁阀29向大气囊室30中流动，此时油压升高，大小气囊中氮气体积被压缩。当车轮遇到路面凹坑而下伸时，带动活塞杆3下行吸引压力油经弹性阻尼接口、第七电磁阀25、低阻尼器24、第九电磁阀28从小气囊室31中流出，经弹性阻尼接口、第七电磁阀25、低阻尼器24、第十电磁阀29从大气囊室30中流出；此时油压下降，大小气囊中氮气体积膨胀。在这过程中各轮所受地面反力与活塞杆3上方空间油压和活塞杆3头部面积之乘积平衡。

车辆车载雷达或超声波扫描探测到要在越野路上行驶时，希望车辆离地间隙增大、重心升高，悬架系统处于刚度较大、阻尼也较大的弹性状态，悬架系统所需的动行程也较大。

此时在控制系统的协调下，打开第八电磁阀27、第十电磁阀29、第一电磁阀18及第四电磁阀21，关闭第七电磁阀25、第九电磁阀28、第二电磁阀19及第三电磁阀20。各油气弹簧通过第八电磁阀27打开高阻尼器26，通过第七电磁阀25关闭低阻尼器24，使各油气弹簧处于高阻尼工况。外层缸筒1内位于内层缸筒2大直径段201上方空间以及内层缸筒2内位于活塞杆3上方空间内的油可通过弹性阻尼接口、第八电磁阀27、高阻尼器26、第十电磁阀29向大气囊室30中流动，使各油气弹簧处于弹性状态。比之上述在良好公路上行驶时的情况，第九电磁阀28没打开，小气囊室31中的氮气没参加弹性作用，因而悬架系统的刚度随之增大一些；如果还嫌刚度不够，可再通过打开第九电磁阀28关闭第十电磁阀29，将参加弹性作用的大气囊室30改成小气囊室31，悬架系统的刚度随之又增大，车轮抓地力增大、操控性提高。

通过第一电磁阀18打开了油气弹簧的第一油路接口与高压油室16的连接，再通过第二电磁阀19关闭油气弹簧的第一油路接口与储油室15的连接，使高压油室16的油流向外层缸筒1的上部空间里推动内层缸筒2与活塞杆3向下运动。高压油泵17与第一电磁阀18联动，高压油泵17把油从储油室15泵入高压油室16随时进行补充。各轮内层缸筒2大直径段201上方空间内以及活塞部301上方空间内的压力油的油压为P，该内层缸筒2大直径段201上端面与活塞部301上端面面积之和为S，P与S的乘积与对应车轮所受地面反力平衡。通过第四电磁阀21打开油气弹簧的第二油路接口与储油室15的连接，通过第三电磁阀20关闭油气弹簧的第二油路接口与高压油室16的连接，这时第一环形油室7的油通过第四电磁阀21、油气弹簧的第二油路接口被挤出流入储油室15，随着内层缸筒2与活塞杆3向下运动带动活塞杆3、轮轴座33和整个车轮下行，车轮相对车体下行，则离地间隙增加、重心升高；车轮相对车体下行距离取决于内层缸筒2下行距离，而且它所调整的距离正是内层缸筒2上动行程的增加量。内层缸筒2可一直下行到外层缸筒1的中部，内层缸筒2上动行程与下动行程相等。临时先关闭第四电磁阀21，再通过第六电磁阀23打开油气弹簧的第三油路接口与储油室15的连接，通过第五电磁阀22关闭油气弹簧的第三油路接口与高压油室16的连接，在活塞杆3向下运动时第二环形油室8室的油被挤出流入储油室15，在活塞杆3向下运动、离地间隙升高到希望的状态后车轮中心位置调整完成。此后打开第四电磁阀21，关闭第六电磁阀23，第一电磁阀18、第二电磁阀19、第三电磁阀20和第五电磁阀22仍然关闭，此时各轮油气弹簧的第一油路接口及第三油路接口完全关闭，油气弹簧的第二油路接口与储油室15连接，这样一来，第二环形油室8被封闭，内层缸筒2与活塞杆3之间的位置相对固定成为一体，而内层缸筒2与外层缸筒1之间可以相对运动。在车轮遇到路面不平而颠簸时内层缸筒2与外层缸筒1之间发生相对运动，内层缸筒2与活塞杆3上部空间的压力油可通过弹性阻尼接口、第八电磁阀27、高阻尼器26、第十电磁阀29与大气囊室30中的油相互流动。由于内层缸筒2大直径段201上端面与活塞部301上端面面积之和大于活塞部301上端面面积，仅此一条也使车辆在越野路上行驶时悬架系统的刚度大于车辆在良好公路上行驶时悬架系统的刚度。如果还嫌刚度不够，可再通过打开第九电磁阀28关闭并第十电磁阀29，将参加弹性作用的大气囊室30改成小气囊室31，悬架系统的刚度随之又增大。如上所述，本发明能够实现车辆在越野路上行驶时，车辆离地间隙增大、重心升高，悬架系统处于刚度较大、阻尼也较大的弹性状态，悬架系统所需的动行程也较大的状态。

如图3所示，车辆车载雷达或超声波扫描探测到某个车轮遇到高度超过车轮半径的台阶时，车辆控制系统先通过该轮油气弹簧的第八电磁阀27和第七电磁阀25关闭该轮油气弹簧的弹性阻尼接口，使该油气弹簧失去弹性；再通过第一电磁阀18关闭该轮油气弹簧的第一油路接口与高压油室16的连接，通过第二电磁阀19打开该轮油气弹簧的第一油路接口与储油室15的连接，使外层缸筒1中位于内层缸筒2上方空间内的油以及内层缸筒2中位于活塞部301上方空间内的油的油压下降，油被挤流向储油室15。通过第四电磁阀21关闭该轮油气弹簧的第二油路接口与储油室15的连接，通过第三电磁阀20打开该轮油气弹簧的第二油路接口与高压油室16的连接；同时通过第六电磁阀23关闭该轮油气弹簧的第三油路接口与储油室15的连接，通过第五电磁阀22打开该轮油气弹簧的第三油路接口与高压油室16的连接。这样一来，高压油室16的高压油经第二油路接口流入第一环形油室7、经第三油路接口流入第二环形油室8室，高压油泵17与第三电磁阀20、第五电磁阀22联动，高压油泵17把油从储油室15泵入高压油室16随时进行补充。 高压油对两个环形油室的上表面产生推力推着内层缸筒2与活塞杆3上行，活塞杆3则带动轮轴座33和整个车轮上行离开地面。这时第二环形油室8室中的油压和该环形油室顶面面积之乘积是与轮轴座33和整个车轮的重力相平衡的。由于整车重心在2桥与3桥之间，所以任何一个桥的车轮上行离开地面，该桥原承载的负荷均能转移到其它桥来承载而整车不会失去平衡。当该轮已登上台阶后，车辆控制系统先通过该轮油气弹簧的第八电磁阀27打开该轮油气弹簧的弹性阻尼接口，使该油气弹簧恢复弹性；再通过第一电磁阀18打开该轮油气弹簧的第一油路接口与高压油室16的连接，通过第二电磁阀19关闭该轮油气弹簧的第一油路接口与储油室15的连接；通过第四电磁阀21打开该轮油气弹簧的第二油路接口与储油室15的连接，通过第三电磁阀20关闭该轮油气弹簧的第二油路接口与高压油室16的连接；通过第六电磁阀23打开该轮油气弹簧的第三油路接口与储油室15的连接，通过第五电磁阀22关闭该轮油气弹簧的第三油路接口与高压油室16的连接。高压油室16的高压油经第一油路接口流入外层缸筒1上部空间内压迫内层缸筒2与活塞杆3下行，使第一环形油室7和第二环形油室8中的油被挤分别从第二油路接口、第三油路接口流入储油室15，活塞杆3下行带动轮轴座33和整个车轮下行到台阶地面并承受地面对该轮的反力，该反力将与活塞部301上方空间的油压与活塞部301上表面积之乘积相平衡。至此车辆某个车轮登越高度超过车轮半径台阶的过程完成，车辆其它车轮登越高度超过车轮半径台阶的过程与此相同。全部车轮登越台阶后再根据行驶工况的需要调整各轮中心的位置高低、动行程的大小、弹性系数和阻尼系数的大小。

由于本发明提供的无人驾驶车辆的行走系统为四车桥8×8，整车重心在2桥与3桥之间，因此车辆所能跨越的深壕沟宽度取决于1、2桥和3、4桥的轴距加一个轮胎直径。如果车载雷达或超声波扫描探测到壕沟深度小于悬架系统的总行程，则车辆所能跨越的深壕沟宽度就不受限了，问题变成先下台阶后爬台阶了。如图4所示，当某个车轮驶过壕沟边缘落入壕沟时，整车重量由其它车轮承载。这时车辆控制系统通过第一电磁阀18打开该轮油气弹簧的第一油路接口与高压油室16的连接，通过第二电磁阀19关闭该轮油气弹簧的第一油路接口与储油室15的连接；通过第四电磁阀21打开该轮油气弹簧的第二油路接口与储油室15的连接，通过第三电磁阀20关闭该轮油气弹簧的第二油路接口与高压油室16的连接；通过第六电磁阀23打开该轮油气弹簧的第三油路接口与储油室15的连接，通过第五电磁阀22关闭该轮油气弹簧的第三油路接口与高压油室16的连接。高压油室16的高压油经第一油路接口流入外层缸筒1上部空间内，压迫内层缸筒2与活塞杆3下行，使第一环形油室7和第二环形油室8中的油被挤分别从第二油路接口、第三油路接口流入储油室15，活塞杆3下行带动轮轴座33和整个车轮下行到壕沟底部地面并承受地面对该轮的反力。车辆继续前行，其它车轮重复如上过程下到壕沟底部。当壕沟底部的车轮驶到壕沟边缘碰到壕沟壁时问题就变成爬台阶了，可参考前述爬台阶过程。

如图5所示，在转向行驶时，由于离心力的作用外轮负荷增加、内轮负荷减小，现有车辆车体都会向外侧倾一个侧倾角，给乘员添加不适感也影响操稳性。但本发明提供的车辆在控制系统的协调下，根据车速信息和转角信息计算出向心加速度从而发出指令给上述油气弹簧将使车辆内轮提升、外轮下降，使车体反而向内倾斜一个角度，使车内乘员或货物所受的地心引力和离心力的合力正好与车体地板的垂线重合，车内乘员或货物将似乎感觉不到此时离心力的存在，即使车内有一满杯水也不会洒出来。这将大大提高车辆的蛇行速度，并将大大提高乘坐舒适性和操稳性。

如图6所示，车辆在左低右高侧坡路上行驶时，造成车体也左低右高，为使车体趋平， 控制系统根据车载雷达或超声波扫描探测的路面坡度使车辆左侧车轮往下降，右侧车轮往上升，车体则左升右降趋于水平，因此车辆稳定性提高，乘坐也更舒适。

如图7所示，车辆要在扭曲路上行驶时，控制系统根据车载雷达或超声波扫描探测到的路面两侧波峰波谷高度与间距，计算参数给各轮油气弹簧发出指令让处于波峰的车轮往上提、让处于波谷的车轮往下伸，使车体保持平稳，减少倾斜颠簸，不仅提高了乘坐舒适性，还改善了车体和悬架系统的受力状况。

车辆控制系统通过雷达或超声波扫描探测前方路况及周围人车动态，根据内置编程或遥控指令确定行驶路线，当车辆在正常道路上以某一速度沿道路转弯行驶时，车辆在任意时刻都有一瞬时运动中心。如图9所示，该中心到8个车轮中心各有一连线。若不考虑轮胎的侧偏刚度对各轮的实际运动方向角产生的影响，在车辆控制系统的协调下，8个车轮分别转不同的转向角，使每个车轮中心与车辆瞬时运动中心的连线垂直于该车轮平面，而且每个车轮中心与车辆瞬时运动中心之间的距离与该轮转速也成正比，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。但实际行驶中，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，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，在车辆控制系统的协调下，8个车轮分别转不同的转向角，使每个车轮中心与车辆瞬时运动中心的连线垂直于该车轮的实际运动方向线，而且每个车轮中心与车辆瞬时运动中心之间的距离与该轮转速也成正比，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。当某个车轮的转向角不合适，将使它的车轮中心与车辆瞬时运动中心的连线不垂直于该车轮的实际运动方向线而导致该车轮与地面产生侧向滑磨，并影响操稳性；这时该车轮产生额外的侧向力，这一额外的侧向力会被轮轴座33中的侧向力传感器37检测到并反馈到车辆控制系统，车辆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。

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，而对于本发明提供的车辆就较容易操作，车辆只需在车辆控制系统的协调下使8个车轮都转相同的90°转向角，如图10所示，车辆就能侧向平移驶出，此时各轮转速也一致。

也可如图8所示，当车辆在狭窄街道行驶时，8个车轮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。

如图11所示，当需要车辆绕车辆中心180°原地调头或转过某一角度再行驶时，先刹车让车停住。在控制系统的协调下，8个车轮分别转不同的转向角使每个车轮平面都和该轮中心与车辆中心的连线垂直，如图11所示，各轮转向角调整到位后，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。当转过需要的角度后结束原地旋转，再在控制系统的协调下，8个车轮按照新的转向方式调整其转向角继续行驶。

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)

1.一种油气弹簧，包括油缸、弹性阻尼单元和油路单元，其特征在于：所述油缸包括活塞杆和自外而内逐级嵌套的多级缸筒；

每相邻两级缸筒中，内层缸筒外壁呈上宽下窄的阶梯轴结构，该内层缸筒的大直径段嵌装滑设于外层缸筒内且顶端开设有与该外层缸筒内腔导通的通油孔，该内层缸筒的小直径段穿设于外层缸筒的底端且与该外层缸筒内壁围设形成一环形油室；所述活塞杆包括活塞部和连接于所述活塞部底端的杆部，所述活塞部嵌装滑设于最内层缸筒中，所述杆部穿设于该最内层缸筒的底端且与该最内层缸筒内壁围设形成一环形油室；

最外层缸筒的上部开设有弹性阻尼接口且与所述弹性阻尼单元连接，最外层缸筒的上部以及各所述环形油室均开设有油路接口，各所述油路接口均与所述油路单元连接。

2.如权利要求1所述的油气弹簧，其特征在于：所述弹性阻尼单元包括高阻尼管路、低阻尼管路及弹性气囊结构，所述高阻尼管路与所述低阻尼管路并联且均与所述弹性阻尼接口及所述弹性气囊结构连接，所述高阻尼管路与所述低阻尼管路上均设有阻尼器和第一控制阀，且所述高阻尼管路上的阻尼器的阻尼值高于所述低阻尼管路上的阻尼器的阻尼值。

3.如权利要求2所述的油气弹簧，其特征在于：所述弹性气囊结构包括并联设置的大气囊室和小气囊室，且两个气囊室所在支路上均设有第二控制阀。

4.如权利要求1所述的油气弹簧，其特征在于：所述杆部为中空结构；

所述油气弹簧还包括花键轴，所述花键轴与各所述缸筒同轴设置，所述花键轴的顶端位于最外层缸筒上方且底端伸至所述杆部的内腔中，所述活塞部与所述花键轴花键连接。

5.如权利要求4所述的油气弹簧，其特征在于：所述花键轴上自内而外依次套设有至少一个花键套，各所述花键套的顶部和底部均设有限位件，所述活塞部与最外层的所述花键套花键连接。

6.一种车轮的转向结构，其特征在于：包括如权利要求4或5所述的油气弹簧，所述花键轴的顶端连接有驱动其绕自身轴线旋转的驱动单元。

7.如权利要求6所述的车轮的转向结构，其特征在于：所述驱动单元包括驱动电机、转向蜗轮和转向蜗杆，所述转向蜗轮与所述花键轴同轴套接，所述转向蜗杆与所述转向蜗轮啮合且与所述驱动电机连接。

8.一种车轮，包括车轮体、车轮轴和轮轴座，所述车轮轴安装于所述轮轴座上且与所述车轮体连接，其特征在于：还包括如权利要求1至5中任一项所述的油气弹簧；

所述轮轴座呈L形，包括用于与所述车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，所述杆部的底端与所述水平段的顶端固连。

9.如权利要求8所述的车轮，其特征在于：还包括轮毂电机，所述轮毂电机的转子套装于所述车轮轴上且与所述车轮体连接，定子外壳与所述竖直段抵接。

10.一种车辆，包括车体和多个车轮，其特征在于：各所述车轮均采用如权利要求8或9所述的车轮。