CN111523173B - 虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法，所设计的轮毂电机驱动独立悬架包括轮毂电机总成和悬架组件两部分，所述悬架组件包括上横臂、下横臂、空气弹簧、减振器、立柱、悬架连接销、悬架连接轴、滚动轴承。本发明解决了轮毂电机悬架布置空间不足、簧下质量过大的局限，使得悬架结构更加紧凑、操稳性能更加优越；将驱动、部分导向机构整合到轮毂内具有高集成度的特点，便于安装。可为新能源轮毂驱动虚拟轨道列车甚至中运量城市交通制式提供较大的参考价值，具有良好的应用前景和市场价值。轮毂电机驱动悬架系统传动效率高，结构更加紧凑，为其他底盘系统提供更大的布置空间。

Description

虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法
技术领域
本发明主要涉及城市公共交通设备领域和电动车辆动力及其传动系统技术领域，具体为虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法。
背景技术
虚拟轨道列车是一种新型中运量城市交通制式，融合了轨道交通与公共大巴各自的优势，其特点表现为胶轮无轨、纯电驱动，应用多轴主动转向技术。随着我国城镇化进程的加速，二三线城市逐步加入城市轨道交通的规划、建设行列中。二三线城市的社会经济、城市规模、交通特征与一线大城市存在显著区别，二三线城市往往经济能力有限、空间尺度较小，故无法承担大规模、网络化的地铁建设及运营，适宜发展虚拟轨道列车这样中运量、成本较低的交通模式。
轮毂电机驱动是现阶段先进电动技术研究的热点，由于电机与车轮的集成，将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。目前轮毂电机悬架布置空间不足、簧下质量大的缺陷，轮毂电机悬架主销布置不合理的问题。
发明内容
本发明的目的是提供虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法，设计的悬架系统中电机布置于轮毂内，使悬架结构更加紧凑，为其他底盘系统提供更大的布置空间，解决同时也为中运量的城市交通制式提供了新型的驱动方案。
本发明通过以下技术方案实现，虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架的设计方法包括以下步骤：
步骤一、按照虚拟轨道列车的设计要求建立轮胎模型，匹配轮辋和轮毂电机，建立轮辋和轮毂电机模型。
步骤二、空气弹簧选型，布置空气弹簧以满足低地板的要求，并建立空气弹簧的模型。
步骤三、建立立柱模型，其长度取值与车轮半径相互适配，考虑拆装时不被空气弹簧干扰，立柱的角度不宜过大。
步骤四、确定车身中线、位于车身中线上的质心和理想侧倾中心、理想瞬心所在直线。侧倾中心越高，受外力时由弹簧及横向稳定杆传递的力越小，舒适度降低，而由传力杆系所传递的力也就越大操控性增加。过高会导致车轮跳动时轮距变化过大，加剧轮胎磨损。对于商用车而言，较大的载荷及悬架行程要求行驶中轮距变化较小来避免轮胎的早期磨损。综合考虑，选取较低的位置。瞬心与车身的距离为车宽的3至5倍，太小会影响悬架的性能，太大不便于悬架系统的初步设计。
步骤五、过车轮接地点与侧倾中心做一条直线，与理想瞬心线交于一点，即为瞬心。
步骤六、连接瞬心与立柱上下端点，确定上下横臂的角度。上下横臂长度满足：左上横臂、右上横臂、下横臂的长度之比和立柱、下横臂长度之比满足经验值0.6～1，上横臂与下横臂的比值满足经验值0.5～1。在这个范围内可以达到轮胎倾角和轮心变化的折衷，上下横臂同时增长可以显著减小倾角和轮心变化。虚拟轨道列车由于没有发动机，悬架布置空间较大，下横臂可以选取较长。根据角度和长度建立上下横臂模型。
步骤七、建立减振器模型，细化铰接部件，完成虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架的初步设计。
虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架的优化方法包括以下步骤：
步骤一、根据初步设计权利要求1的设计方法确定左上横臂、右上横臂(7)和下横臂的硬点坐标。
步骤二、为了使得轮胎与地面有更大的接触面积，保护轮胎和地面，以式①为优化目标，对硬点坐标进行迭代优化。
J＝w1Δθ+w2ΔT+w3Δh ①
其中，wi为权重系数，Δθ为轮胎倾角变化，ΔT为轮胎相对地面的移动，Δh为侧倾中心的变化。
所设计的一种适用于虚拟轨道列车的轮毂电机驱动独立悬架机构，包括轮毂电机总成和悬架组件两部分，所述悬架组件包括左上横臂、右上横臂、下横臂、空气弹簧、减振器总成、立柱、上横臂连接销、下横臂连接销、上外点连接轴、下外点连接轴、上滚动轴承和下滚动轴承；所述轮毂电机通过主销与立柱连接；其中所述立柱的两侧的弹簧下支架上均通过螺栓安装设置所述空气弹簧；所述上外点连接轴的两端分别连接左上横臂和右上横臂；所述上外点连接轴固定设置在所述立柱上；减震器总成位于所述左上横臂和右上横臂之间并下端通过螺栓与立柱连接固定；所述下横臂的一端通过下外点连接轴与所述立柱连接固定。
本发明的进一步改进在于：所述设计优化方法流程简单、可靠性好、精确度高。可以通过不断迭代上、下横臂硬点坐标来最大程度保护轮胎与地面性能。
本发明的进一步改进在于：所述左上横臂和右上横臂均通过上横臂连接销与车架连接；每个所述上横臂连接销上设有上滚动轴承。
本发明的进一步改进在于：所述下横臂通过下横臂连接销与车架连接；其中所述下横臂连接销上设有下滚动轴承。
本发明所设计的机构工作原理是：轮毂电机集成到车轮内部成为一个整体，车辆行驶时，电机内部由于气隙变化造成的振动和路面激励对车轮造成的振动通过空气弹簧和减振器可以得到有效减小，空气弹簧配合其控制装置(如电控装置、气控装置、高度控制装置等)可调节自身高度，便于乘客的上下车，还能调整自身弹性，保证车辆能够动态适应载荷、路况的变化，更好地隔离路面带来的振动与噪声，在提高车辆舒适性的同时保证了安全性和操纵稳定性。最后振动通过悬架系统处理传递至虚拟轨道列车车身时可有效达到减振降噪的效果。
由于采用了上述技术方案，本装置具有良好的减振性能，同时结构相对紧凑，便于电动虚拟轨道列车节能减振提高舒适性，可给新能源轮毂驱动技术的发展提供较大方便。并通过对上横臂和下横臂的硬点坐标进行优化，在满足大承载能力的基础上保护了轮胎的性能。悬架机构的优化设计方法具有流程简单、可靠性好、精确度高的优点。
附图说明
图1为本发明的设计方法流程图；
图2为本发明的设计示意图；
图3、图4为本发明所设计的结构示意图；
图3和图4中：1、空气弹簧；2、立柱；3、轮毂电机总成；4、上外点连接轴；5、左上横臂；6、减振器总成；
7、右上横臂；8、上滚动轴承；9、上横臂连接销；10、下滚动轴承；
11、下横臂；12、下横臂连接销；13、下外点连接轴；14、主销。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1、2所示，本实施例的虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法流程包括以下设计步骤：
步骤一、按照虚拟轨道列车的设计要求建立轮胎模型，匹配轮辋和轮毂电机，建立轮辋和轮毂电机模型。
步骤二、空气弹簧选型，布置空气弹簧以满足低地板的要求，并建立空气弹簧的模型。
步骤三、建立立柱模型，其长度取值与车轮半径相互适配，考虑拆装时不被空气弹簧干扰，立柱的角度不宜过大。
步骤四、确定车身中线、位于车身中线上的质心和理想侧倾中心、理想瞬心所在直线。侧倾中心越高，受外力时由弹簧及横向稳定杆传递的力越小，舒适度降低，而由传力杆系所传递的力也就越大操控性增加。过高会导致车轮跳动时轮距变化过大，加剧轮胎磨损。对于商用车而言，较大的载荷及悬架行程要求行驶中轮距变化较小来避免轮胎的早期磨损。综合考虑，选取较低的位置。瞬心与车身的距离为车宽的3至5倍，太小会影响悬架的性能，太大不便于悬架系统的初步设计。
步骤五、过车轮接地点与侧倾中心做一条直线，与理想瞬心线交于一点，即为瞬心。
步骤六、连接瞬心与立柱上下端点，确定上下横臂的角度。上下横臂长度满足：左上横臂、右上横臂、下横臂的长度之比和立柱、下横臂长度之比满足经验值0.6～1，上横臂与下横臂的比值满足经验值0.5～1。在这个范围内可以达到轮胎倾角和轮心变化的折衷，上下横臂同时增长可以显著减小倾角和轮心变化。虚拟轨道列车由于没有发动机，悬架布置空间较大，下横臂可以选取较长。根据角度和长度建立上下横臂模型。
步骤七、建立减振器模型，细化铰接部件，完成虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架的初步设计。
本实施例的虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构及其设计方法流程包括以下优化步骤：
步骤一、根据初步设计权利要求1的设计方法确定左上横臂5、右上横臂(7)和下横臂11的硬点坐标。
步骤二、为了使得轮胎与地面有更大的接触面积，保护轮胎和地面，以式①为优化目标，对硬点坐标进行迭代优化。
J＝w1Δθ+w2ΔT+w3Δh ①
其中，wi为权重系数，Δθ为轮胎倾角变化，ΔT为轮胎相对地面的移动，Δh为侧倾中心的变化。
如图3、4所示，本实施例的一种适用于虚拟轨道列车的轮毂电机驱动独立悬架机构，包括轮毂电机总成3和悬架组件两部分，所述悬架组件包括左上横臂5、右上横臂7、下横臂11、空气弹簧1、减振器总成6、立柱2、上横臂连接销9、下横臂连接销12、上外点连接轴4、下外点连接轴13、上滚动轴承8和下滚动轴承10；所述轮毂电机3通过主销14与立柱2连接；其中所述立柱2的两侧的弹簧下支架上均通过螺栓安装设置所述空气弹簧1；所述上外点连接轴4固定设置在所述立柱2上且两端分别连接左上横臂5和右上横臂7；所述减震器总成6位于所述左上横臂5和右上横臂7之间并下端通过螺栓与立柱2连接固定；所述下横臂11的一端通过下外点连接轴13与所述立柱2连接固定。
所述设计优化方法流程简单，通过对上横臂和下横臂的硬点坐标进行不断迭代优化，在满足大承载能力的基础上保护了轮胎和地面的性能。需要说明的是，上述优化设计方法是通过运动学仿真进行的，因此保证了结果的可靠性和精确度。
所述左上横臂5和右上横臂7均通过上横臂连接销9与车架连接；每个所述上横臂连接销9上设有上滚动轴承8。
所述下横臂11通过下横臂连接销12与车架连接；其中所述下横臂连接销12上设有下滚动轴承10。
本发明所设计的机构工作原理：轮毂电机集成到车轮内部成为一个整体，车辆行驶时，电机内部由于气隙变化造成的振动和路面激励对车轮造成的振动通过空气弹簧1和减振器6可以得到有效减小，空气弹簧1配合其控制装置(如电控装置、气控装置、高度控制装置等)可调节自身高度，便于乘客的上下车，还能调整自身弹性，保证车辆能够动态适应载荷、路况的变化，更好地隔离路面带来的振动与噪声，在提高车辆舒适性的同时保证了安全性和操纵稳定性。最后振动通过悬架系统处理传递至虚拟轨道列车车身时可有效达到减振降噪的效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构的设计方法，其特征在于包含以下设计步骤：
步骤一、按照虚拟轨道列车的设计要求建立轮胎模型，匹配轮辋和轮毂电机，建立轮辋和轮毂电机模型。
步骤二、空气弹簧选型，布置空气弹簧以满足低地板的要求，并建立空气弹簧的模型。
步骤三、建立立柱模型，其长度取值与车轮半径相互适配，考虑拆装时不被空气弹簧干扰，立柱的角度也不宜过大。
步骤四、确定车身中线、位于车身中线上的质心和理想侧倾中心、理想瞬心所在直线。侧倾中心越高，受外力时由弹簧及横向稳定杆传递的力越小，舒适度降低，而由传力杆系所传递的力也就越大操控性增加；过高会导致车轮跳动时轮距变化过大，加剧轮胎磨损；对于商用车而言，较大的载荷及悬架行程要求行驶中轮距变化较小来避免轮胎的早期磨损；综合考虑，选取较低的位置；瞬心与车身的距离为车宽的3至5倍，太小会影响悬架的性能，太大不便于悬架系统的初步设计。
步骤五、过车轮接地点与侧倾中心做一条直线，与理想瞬心线交于一点，即为瞬心。
步骤六、连接瞬心与立柱上下端点，确定上下横臂的角度；上下横臂长度满足：左上横臂、右上横臂、下横臂的长度之比和立柱、下横臂长度之比满足经验值0.6～1，上横臂与下横臂的比值满足经验值0.5～1；在这个范围内可以达到轮胎倾角和轮心变化的折衷，上、下横臂同时增长可以显著减小倾角和轮心变化。虚拟轨道列车由于没有发动机，悬架布置空间较大，下横臂可以选取较长。根据角度和长度建立上下横臂模型。
步骤七、建立减振器模型，细化铰接部件，完成虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架的初步设计。
2.虚拟轨道列车轮毂电机驱动独立悬架机构的设计方法，其特征在于：包含以下优化步骤：
步骤一、根据初步设计权利要求1的设计方法确定左上横臂(5)、右上横臂(7)和下横臂(11)的硬点坐标；
步骤二、为了使得轮胎与地面有更大的接触面积，保护轮胎和地面，以式①为优化目标，对硬点坐标进行迭代优化。
J＝w1Δθ+w2ΔT+w3Δh ①
其中，wi为权重系数，Δθ为轮胎倾角变化，ΔT为轮胎相对地面的移动，Δh为侧倾中心的变化。
3.根据权利要求2所述的虚拟轨道列车的轮毂电机驱动独立悬架机构的设计方法，其特征在于，可以通过不断迭代上、下横臂硬点坐标来最大程度保护轮胎与地面性能。
4.虚拟轨道列车的轮毂电机驱动独立悬架机构，其特征在于：包括轮毂电机总成(3)和悬架组件两部分，所述悬架组件包括左上横臂(5)、右上横臂(7)、下横臂(11)、空气弹簧(1)、减振器总成(6)、立柱(2)、上横臂连接销(9)、下横臂连接销(12)、上外点连接轴(4)、下外点连接轴(13)、上滚动轴承(8)和下滚动轴承(10)；所述轮毂电机(3)通过主销(14)与立柱(2)连接；其中所述立柱(2)的两侧的弹簧下支架上均通过螺栓安装设置所述空气弹簧(1)；所述上外点连接轴(4)的两端分别连接左上横臂(5)和右上横臂(7)；所述上外点连接轴(4)固定设置在所述立柱(2)上；减震器总成(6)位于所述左上横臂(5)和右上横臂(7)之间并下端通过螺栓与立柱(2)连接固定；所述下横臂(11)的一端通过下外点连接轴(13)与所述立柱(2)连接固定。
5.根据权利要求4所述的虚拟轨道列车的轮毂电机驱动独立悬架机构，其特征在于：所述左上横臂(5)和右上横臂(7)均通过上横臂连接销(9)与车架连接；每个所述上横臂连接销(9)上设有上滚动轴承(8)。
6.根据权利要求4所述的虚拟轨道列车的轮毂电机驱动独立悬架机构，其特征在于：所述下横臂(11)通过下横臂连接销(12)与车架连接；其中所述下横臂连接销(12)上设有下滚动轴承(10)。
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