CN108312839B - 一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，包括：转向节，其具有向上延伸支臂；上控制臂，其和所述支臂的顶端铰接形成第一铰接点；下控制臂；其和所述转向节的下端铰接形成第二铰接点；减振器球铰下支臂，包括一段侧开口空心圆柱体和与所述空心圆柱体垂直布置的矩形平板，所述矩形平板外伸末端通过球头销连接所述支臂的中部形成第三铰接点；弹簧减振器总成，其上端支撑在车身上，下部的缸筒固定在所述空心圆柱体内；内转子轮毂电机，其与所述转向节的中空圆柱体相配合；其中，第三铰接点位于所述第一铰接点和第二铰接点的连线上。本发明避免了轮毂电机对于悬架部件的布置和车轮转向、上下运动时各部件的干涉问题。
Description
技术领域
发明涉及电动轮驱动汽车领域，特别涉及一种电动轮驱动汽车的前悬架结构。
背景技术
以电机为驱动源的电动汽车具有噪声小，能源利用率高，环境友好性强以及经济性好等众多优点而广受用户的青睐，发展前景十分广阔。轮毂电机技术作为汽车电动化发展的一个重要方向，其将动力传动和制动功能巧妙地整合到汽车轮毂内，不仅大大简化了机械传动部分，而且容易实现诸如4WID(For Wheel Independent Dive)、ABS(Anti-lockBraking System)、TCS(Traction Control System)、ESP(Electronic StabilityProgram)等线控驱动和线控制动等底盘控制系统的集成，最大限度地提高整车综合性能。因此，其应用和产业化发展一直在快速推进。
目前汽车的悬架系统有很多种，然而这些悬架系统都是根据传统汽车底盘结构完成的匹配设计，即适合于中央集中式驱动桥加半轴驱动车轮的形式，故为了兼顾操控和舒适性，可以采用结构较为复杂的双横臂、多连杆类悬架。这类悬架往往布局紧凑，加之兼顾制动系统和转向系统的结构，导致轮内和轮边空间狭小，根本无法安装轮毂电机。要想使悬架系统应用轮毂电机驱动的汽车，就必然要对现有的传统的悬架系统进行重新设计。下面以双横臂式前悬架系统为例进行简要说明。首先，由于外转子轮毂电机对于轮内轴向空间的占用，势必改变汽车关键参数轮距。而为了保证轮距不变，必然要求改变原有悬架与车身连接的硬点参数。其次，即使采用内转子轮毂电机，当匹配传统双横臂前悬架时悬架系统出现结构布局干涉的问题。如由于轮毂电机对轮内侧空间的占用，弹簧集成式减振器无法正常支撑在悬架下摆臂上，使得弹性元件支撑和隔离车身的作用以及减振器的减震作用受到影响。如果将弹簧集成式减振器支撑在轮毂电机壳体上，又会导致减振器在车轮转动时摆动，造成运动干涉和影响传力，且要求电机壳体结构进行重新设计。如果将减振器支撑在上摆臂又会导致减振行程不足、悬架硬点参数发生变化等问题，影响车辆操纵稳定性和行驶平顺性能。故面对汽车电动化改型的趋势，基于传统行驶系统开发适合轮毂电机驱动汽车的悬架则显得需求迫切。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，避免了轮毂电机对于悬架部件的布置干涉问题和车轮转向、上下运动时各部件的运动干涉问题，确保了汽车操纵稳定性。
本发明提供的技术方案为：一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，包括：
转向节，其具有向上延伸支臂；
上控制臂，其和所述支臂的顶端铰接形成第一铰接点；
下控制臂，其和所述转向节的下端铰接形成第二铰接点；所述上控制臂和下控制臂不平行并且上控制臂的长度小于下控制臂；
L型减振器球铰下支臂，包括一段侧开口空心圆柱体和与所述空心圆柱体垂直布置的矩形平板，所述矩形平板外伸末端通过球头销连接所述支臂的中部形成第三铰接点；
弹簧减振器总成，其上端支撑在车身上，下部的缸筒固定在所述空心圆柱体内；
内转子轮毂电机，其壳体与所述转向节螺钉固定连接；
其中，第三铰接点位于所述第一铰接点和第二铰接点的连线上。
优选的是，
所述内转子轮毂电机包括驱动电机和与其连接的减速器。
优选的是，还包括：
支臂凸耳，其对称设置在所述侧开口两侧；
紧固螺栓，其穿过所述支臂凸耳，能够紧固夹紧所述弹簧减振器总成。
优选的是，
所述上控制臂，其包括相交于所述第一铰接点的两个摆臂，所述弹簧减振器总成位于所述两个摆臂之间穿过。
优选的是，
所述内转子轮毂电机外形包括连接的三段圆柱体，所述三段圆柱体依次为直径依次减小的驱动电机本体、减速器和轮毂电机输出轴，且驱动电机本体端面与转向节中间部位的圆柱体端面接触轴向限位并用螺栓连接。
优选的是，还包括：
轮毂法兰，其为中心孔设有内花键的法兰型结构，所述轮毂法兰通过所述花键与所述轮毂电机的输出轴外花键配合连接，所述轮毂法兰小直径一端端部顶靠在轮毂电机减速器外壳端部支撑轴承外端面上。
优选的是，
所述上控制臂和下控制臂为两摆臂相交构成的叉形结构，其各自所述摆臂的两端分别与车体圆柱副相连。
优选的是，所述转向节还包括：
通孔，其设置在转向节中部圆柱体中心；
所述通孔与所述轮毂电机减速器外壳体相配合定心。
优选的是，还包括：
两个球碗，其分别设置在所述上控制臂和下控制臂的摆臂相交处，所述球碗碗口相对设置；
上球头销，其设置在所述转向节的延伸支臂顶端，与所述上控制臂的球碗匹配，构成所述第一铰接点；
下球头销，其设置在所述转向节的下端，与所述下控制臂的球碗匹配，构成所述第二铰接点。
优选的是，
所述驱动电机的减速器为同轴大减速比行星齿轮减速器。
本发明所述的有益效果：1)避免了汽车改造为内转子轮毂电机驱动时轮毂电机与汽车悬架各部件的运动干涉问题，确保汽车操纵稳定性特性不发生较大改变；2)不影响悬架垂向运动特性、确保乘坐舒适性不发生较大改变；3)结构改动不大，硬点参数变化小，从而保证了基本不改变悬架的原有结构的要求，工艺集成性好；4)可应用于由高抛式转向节双横臂前悬架变形而来的高抛式转向节四连杆前悬架。
附图说明
图1为本发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统爆炸图。
图2为本发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统装配侧视图。
图3为本发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统装配主视图。
图4为本发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架的减振器球铰中心点C的局部结构主视图。
图5为本发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架的减振器球铰中心点C的局部结构俯视图。
图6为发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架的减振器球铰下支臂111的等轴侧视零件图。
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3所示，本发明所述的一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，主要包括三个部分，悬架、轮毂电机107及车轮。
轮毂电机107包括驱动电机和减速器，采用集成设计。驱动电机采用高速小转矩内转子永磁同步电机。驱动电机的减速器采用同轴大减速比行星齿轮减速机构(图中未单独示出)，其具体结构形式不受限制。驱动电机的输出转矩经大减速比减速器转矩放大后输出。轮毂电机107外形分为三段圆柱体，从左到右分别是驱动电机本体1071、行星齿轮减速器1072、轮毂电机输出轴1073三部分，直径依次变小。轮毂电机输出轴加工有花键，方便与负载连接输出动力。
悬架的结构如图1-6所示，悬架部分包括上控制臂117、上球头销115、高抛式转向节105，弹簧减振器总成113，减振器球头销119，减振器球铰下支臂111，下球头销103，下控制臂101组成。高抛式转向节105是具有向上延伸支臂，转向节105由中间为圆周外带有凸耳的圆柱体、上部是高抛式的支臂、下部是L形臂组成的异形体。转向节105中部的凸耳用于固定汽车制动器和连接汽车转向横拉杆。上控制臂117，其和所述支臂的顶端铰接形成第一铰接点A；下控制臂101，其和所述L形臂的端部铰接形成第二铰接点B；上控制臂117和下控制臂101不平行，并且上控制臂117的长度小于下控制臂101；减振器球铰下支臂111，包括一段侧开口空心圆柱体和与所述空心圆柱体垂直布置的矩形平板，所述矩形平板外伸末端通过球头销连接所述支臂的中部形成第三铰接点C；弹簧减振器总成113，其上端支撑在车身上，下部的缸筒固定在所述空心圆柱体内；内转子轮毂电机107，其与转向节105的中空圆柱体相配合；其中，第三铰接点位于所述第一铰接点和第二铰接点的连线上。
其中转向节105的中间圆柱体中间带有通孔与轮毂电机107行星齿轮减速器1072外壳体小间隙配合(见图3中的k位置)，起到止口定心的作用，确保轮毂电机系统107的输出轴与车轮轮心同轴。轮毂电机107装入后其驱动电机本体1071的右端面h与高抛式转向节105中间圆柱体端面接触起到轴向限位。上控制臂117和下控制臂101为两摆臂交叉构成的叉形结构或A字形结构，其各自叉臂的两端分别通过圆柱副与车体相连，另外两摆臂的交叉处顶端都加工有球碗，两球碗的球口相对设置。球碗分别与上球头销115和下球头销103连接。上球头销115和下球头销103通过各自杆部穿过高抛式转向节105上下两端通孔，并采用螺栓连接固定在转向节105上。转向节105中间圆柱体加工有圆周均布的6个通孔，通过螺钉与嵌入其中心孔的轮毂电机107的驱动电机本体1071的端面h螺纹连接(此处螺钉未画出)，将轮毂电机107与转向节105固连。此外，高抛式转向节105上部的高抛式支臂中间部位通过球头销119与减振器球铰下支臂111球头副连接，减振器球铰下支臂111固定套设在弹簧减振器总成113的缸筒下端外壁上，弹簧减振器总成113上端支撑在车身上。弹簧减振器总成113位于上控制臂117的两壁之间。悬架负责把作用在车轮上的各种力及其产生的力矩传递到车身上，缓和冲击振动。
车轮部分由轮毂法兰121，制动钳123，两只螺母125，两只螺栓127，制动盘129，五只螺栓131，五只螺母133，端螺母135，轮辋137，轮胎139组成。其中，轮毂法兰121为中心孔带有内花键的法兰型结构，通过花键与轮毂电机107的输出轴1073外花键配合连接。此外其外圆直径小的左端端部顶靠在轮毂电机107的行星齿轮减速器1072的外壳端部的支撑轴承外端面m上，另外一端外圆直径较大的法兰部分圆周加工有五个通孔，与制动盘129圆周分布的五个通孔以及轮辋137螺栓孔相对应，用以通过五只法兰螺栓131和五只法兰螺母133将轮毂法兰121、制动盘129和轮辋137固定连接。制动钳123的两个带通孔的凸耳与高抛式转向节105中心圆柱体外圆柱面上的两个凸耳通过两只制动钳螺栓127和通过两只制动钳螺母125将制动钳123与高抛式转向节105固定连接。制动钳123与制动盘129配合实现机械摩擦制动使车辆减速制动。轮毂电机107输出轴端部加工有螺纹，通过端螺母135的旋入将轮毂法兰121轴向固定在轮毂电机107的输出轴上。轮辋137与轮胎139嵌装在一起组成车轮。此部分负责将轮毂电机107输出的动力传递至车轮，且负责车轮的制动减速。
如图2所示为组装完毕后的侧视图，图3为主视图。主视图中点A代表上球头销115中心点，点B代表下球头销103中心点，点A与点B的连线AB代表车轮转向时的虚拟主销。点C代表球头销119中心点，C点是本发明中所述结构设计过程中的最为重要的一点，设计加工时要求虚拟主销AB连线必须严格准确通过点C，即A、B、C三点成为一直线。且为了避免干涉，C点应该设计在轮毂电机系统107和A点之间之间，具体位置可以根据弹簧减振器总成113的倾角设计要求来选定，尽可能接近轮毂电机系统107，以增加减振器吸收冲击振动的运动行程。
图4-5为本发明所述的一种应用于轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统的减振器球铰中心点C的局部结构图，其中D-D视图为过中心点C的横截面剖视图。图6为本发明所述的减振器球铰下支臂111的等轴侧视零件图。如图3-5所示，高抛式转向节105上部的高抛式支臂中间部分一体铸造或锻造有一水平凸耳，凸耳一端垂向加工有一通孔，球头销119的杆部从此通孔穿过，并通过螺母将其固定在凸耳上。如图6所示，减振器球铰下支臂111为一段开口空心圆柱体和一段矩形平板组成的类似L形结构。其空心圆柱体部分沿轴向开有一等间隙通槽，通槽外侧中间部分加工有两个支臂凸耳，两个支臂凸耳对称布置，且中心各有一相对应的通孔；其矩形平板部分的一端有球碗型凹坑，与球头销119顶部球头配合，且有橡胶防尘罩予以密封。如图1、6所示，弹簧减振器总成113的缸筒下部插入减振器球铰下支臂111空心圆柱体部分的内孔，弹簧减振器总成113中部焊接的弹簧支座下部与减振器球铰下支臂111空心圆柱体部分上端面配合轴向限位；减振器球铰下支臂111空心圆柱体外侧的支臂凸耳通过穿过其通孔的紧固螺栓109将减振器球铰下支臂111开口空心圆柱部分夹紧，通过变形夹紧插入的弹簧减振器总成113实现固定连接。
主销，是传统汽车上转向轮转向时的回转中心，此零件对于非独立悬架一般为圆柱体型结构，连接转向节与前轴。对于独立悬架该零件并不存在，称之为虚拟主销，即车轮转向时围绕转动的轴线。对于双横臂式悬架系统来说，主销轴线位于上下横臂(或叉型臂)与转向节(或车轮轴承座)连接的两个球头的连线所在的直线上，如图3所示直线AB。对于一种由双横臂前悬架变形而来的特殊类型的四连杆前悬架，由于其上叉型臂变形为独立两根横臂，其下叉型臂也变形为独立两根横臂，故上下共计四根连杆，与转向节连接共计四个球头，此时虚拟主销轴线为上面两根横臂从与车身连接点开始过各自与转向节连接球头的直线交点与下面两根横臂从与车身连接点开始过各自与转向节连接球头的直线交点的连线。
传统双横臂式悬架系统的减振器下端往往固定在悬架的下摆臂处的合适位置上，如连接叉臂两边的加强杆上。因为转向节与下摆臂通过下方的球头销相连接，所以，车轮在转动时保证了减振器不发生转动，且能吸收悬架垂向振动。但是对于电动轮驱动汽车，因为轮毂电机的安装会占据减振器下端的空间安装位置，所以减振器的布置需要在避免运动干涉的前提下重新设计。
本发明采用在原有转向节恰当位置设计一固连球头，一个减振器球铰下支臂与转向节通过此球头副球铰连接。球铰中心严格布置在虚拟主销轴线上，以保证转向时减振器不发生摆动。减振器球铰下支臂的另一端焊接一个开口圆柱形套筒。减振器外储液缸筒与减振器球铰下支臂的开口圆柱形套筒同轴配合，并通过圆周切向布置的紧固螺栓将开口夹紧，以固定减振器。这样，既为轮毂电机留下了足够的安装空间，又能保证车轮转动时减振器不发生转动。
此外本发明采用了高抛式转向节形式的双横臂悬架种类，转向节上臂的高抛式设计使得各部件安装的可用空间增大，也方便满足上述新增球铰中心位于主销轴线上的要求。
综上所述，采用本发明所述的一种应用于轮毂电机驱动的双横臂前悬架可以满足匹配安装轮毂电机后不发生运动干涉，且保证悬架的二次改型设计与原悬架系统基本保持一致的运动学及动力学特性(即K&C特性)，悬架硬点参数变化少、工艺继承性好。
本发明所述一种应用于轮毂电机驱动的双横臂前悬架在各工况下的结构受力分析如下：
当车轮受到地面竖直向上的冲击力向上跳动时，冲击力通过轮胎、轮辋，再通过螺栓连接的轮毂法兰、轮毂电机输出轴、轮毂电机轴承、轮毂电机壳体依次传递给高抛式转向节，高抛式转向节再通过球铰连接传递给减振器球铰下支臂，从而传递给同轴布置的螺旋弹簧和减振器。其中螺旋弹簧可以缓和冲击，减振器可以吸收并衰减该冲击力。
当车轮受到螺旋弹簧伸张力向下跳动时，弹力通过减振器缸筒传递给减振器球铰下支臂，再经过球铰连接传递给高抛式转向节、轮毂电机壳体、轮毂电机轴承、轮毂电机输出轴、轮毂法兰，再通过螺栓连接传递至轮辋和轮胎，减振器可以吸收并迅速衰减弹簧伸张力，避免反复轮跳。
当车轮受到电机驱动转矩加速旋转时，首先轮毂电机系统驱动转矩通过花键连接传递至轮毂法兰，再通过圆周布置的螺栓传递至轮辋和轮胎，轮胎和地面摩擦产生向前的地面驱动力通过轮辋作用于轮心处，该纵向驱动力再通过圆周布置的螺栓传递至轮毂法兰，轮毂法兰再通过花键连接传递给轮毂电机系统输出轴，再通过轮毂电机轴承传递至轮毂电机系统壳体，再通过转向节中心孔的配合和端面连接螺栓的作用传递给高抛式转向节，高抛式转向节再通过上下控制臂传递给车身，驱动车辆向前行驶。
当制动钳夹紧制动盘产生机械摩擦制动转矩实施制动时，该制动转矩通过制动盘再通过螺栓连接传递至轮辋和轮胎，轮胎和地面摩擦产生向后的地面制动力通过轮辋作用于轮心处，该纵向制动力再通过圆周布置的螺栓传递至轮毂法兰，轮毂法兰再通过花键连接传递给轮毂电机系统输出轴，再通过轮毂电机轴承传递至轮毂电机系统壳体，再通过转向节中心孔的配合和端面连接螺栓的作用传递给高抛式转向节，高抛式转向节再通过上下控制臂传递给车身，迫使车辆减速制动或停车。
如图2-3所示，当汽车向左转弯时，地面对轮胎产生指向左侧的地面侧向力。该侧向力通过轮辋作用于轮心处，之后轴向传递至轮毂法兰，轮毂法兰通过端面传递至轮毂电机轴承直至轮毂电机壳体，轮毂电机壳体通过螺栓连接再将此侧向力传递给高抛式转向节，高抛式转向节再通过上下控制臂传递至车身迫使车辆向左转向运动。
如图2-3所示，当汽车向右转弯时，地面对轮胎产生指向右侧的地面侧向力。该侧向力通过轮辋作用于轮心处，之后通过五个螺栓轴向传递至轮毂法兰，轮毂法兰再通过端螺母轴向传递至轮毂电机输出轴，再经轮毂电机轴承直至轮毂电机壳体，轮毂电机壳体通过端面配合将此侧向力传递给高抛式转向节，高抛式转向节再通过上下控制臂传递至车身迫使车辆向右转向运动。
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 (10)
1.一种应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，包括：
转向节，其具有向上延伸支臂；
所述转向节由中间为圆周外带有凸耳的圆柱体、上部是高抛式的支臂、下部是L型臂组成的异形体；
上控制臂，其和所述支臂的顶端铰接形成第一铰接点；
下控制臂，其和所述转向节的下端铰接形成第二铰接点；所述上控制臂和下控制臂不平行并且上控制臂的长度小于下控制臂；
L型减振器球铰下支臂，包括一段侧开口空心圆柱体和与所述空心圆柱体垂直布置的矩形平板，所述矩形平板外伸末端通过球头销连接所述支臂的中部形成第三铰接点；
弹簧减振器总成，其上端支撑在车身上，下部的缸筒固定在所述空心圆柱体内；
内转子轮毂电机，其壳体与所述转向节螺钉固定连接；
其中，第三铰接点位于所述第一铰接点和第二铰接点的连线上。
2.根据权利要求1所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，
所述内转子轮毂电机包括驱动电机和与其连接的减速器。
3.根据权利要求1所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，还包括：
支臂凸耳，其对称设置在所述侧开口两侧；
紧固螺栓，其穿过所述支臂凸耳，能够紧固夹紧所述弹簧减振器总成。
4.根据权利要求1所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，
所述上控制臂，其包括相交于所述第一铰接点的两个摆臂，所述弹簧减振器总成位于所述两个摆臂之间穿过。
5.根据权利要求1所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，
所述内转子轮毂电机外形包括连接的三段圆柱体，所述三段圆柱体依次为直径依次减小的驱动电机本体、减速器和轮毂电机输出轴，且驱动电机本体端面与转向节中间部位的圆柱体端面接触轴向限位并用螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，还包括：
轮毂法兰，其为中心孔设有内花键的法兰型结构，所述轮毂法兰通过所述花键与所述轮毂电机的输出轴外花键配合连接，所述轮毂法兰小直径一端端部顶靠在轮毂电机减速器外壳端部支撑轴承外端面上。
7.根据权利要求4所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，
所述上控制臂和下控制臂为两摆臂相交构成的叉形结构，其各自所述摆臂的两端分别与车体圆柱副相连。
8.根据权利要求4所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，所述转向节还包括：
通孔，其设置在转向节中部圆柱体中心；
所述通孔与所述轮毂电机减速器外壳体相配合定心。
9.根据权利要求7所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，还包括：
两个球碗，其分别设置在所述上控制臂和下控制臂的摆臂相交处，所述球碗碗口相对设置；
上球头销，其设置在所述转向节的延伸支臂顶端，与所述上控制臂的球碗匹配，构成所述第一铰接点；
下球头销，其设置在所述转向节的下端，与所述下控制臂的球碗匹配，构成所述第二铰接点。
10.根据权利要求2所述的应用于内转子轮毂电机驱动的双横臂前悬架系统，其特征在于，
所述驱动电机的减速器为同轴大减速比行星齿轮减速器。
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