CN111619296B - 一种轮系运动装置用悬挂系统、汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮系运动装置用悬挂系统与汽车，轮系运动装置用悬挂系统包括车架与设置在车架上的多个轮组总成，轮组总成包括轮毂、用于驱动轮毂自身旋转以进行车架行驶的第一电机、用于驱动轮毂升降以改变车架悬挂高度的第二电机、摇臂、转向节以及用于驱动轮毂进行转向以改变车架行进角度的驱动机构，摇臂的一端设置在第二电机的输出轴上。转向节与第一电机之间相固定，转向节通过一铰接点与摇臂的另一端连接，驱动机构的驱动端与转向节相连接并能够驱动转向节围绕铰接点进行转向。本发明结构紧凑、应用广泛，可以实现汽车的升降、主动保持车架水平度、高速平行移动变道、超小半径转弯、原地旋转、加减速重心偏移补偿等功能。

Description

一种轮系运动装置用悬挂系统、汽车

技术领域

本发明属于轮系运动装置技术领域，具体涉及一种轮系运动装置用悬挂系统与汽车。

背景技术

目前我们所知的车辆及使用轮系运动的装置，都安装有悬挂系统，主要是实现驱动前进及后退、转向及改变运动方向、避震以提高运行中的平稳性等。为了实现以上功能，这套底盘系统，必须配备动力总成(含：发电机+变速箱)、传动机构(含：传动轴+差速器)、转向机构(含：方向盘+转向助力器)、避震机构(含：摇臂+弹簧+缓冲期)等，存在：结构复杂、零件数量多、维修调整不变、机构运行能耗大等缺陷，已经无法适应未来的电气化、智能化的无人驾驶的发展需求。

同时，现有的车辆底盘技术，悬挂系统占用了大量的空间，使从能源的车辆动力电池的放置，成为无法回避的问题。在现有车辆底盘有限空间中放置电池后，势必将挤占乘坐或行李放置空间，降低了驾乘舒适度。

此外，目前车辆采用的底盘系统，在通过崎岖路面、倾斜路面，或是加速减速过程中，无法主动的进行悬挂结构调整，导致车身本体随之颠簸及倾斜，虽然通过避震系统可以抵消大部分震动，但依然会使人感到不适。尤其是在军事、科研、医学等高精度移动需求的领域，消除由于极小的震动、倾斜所产生不利影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种轮系运动装置用悬挂系统与汽车，其结构紧凑、应用广泛，可以实现汽车的升降、主动保持车架水平度、高速平行移动变道、超小半径转弯、原地旋转、加减速重心偏移补偿等功能。

本发明的具体技术方案是：

一种轮系运动装置用悬挂系统，包括车架与设置在车架上的多个轮组总成，轮组总成包括：

轮毂；

用于驱动轮毂自身旋转以进行车架行驶的第一电机；

用于驱动轮毂升降以改变车架悬挂高度的第二电机；

摇臂，摇臂的一端设置在第二电机的输出轴上；

转向节，转向节与第一电机之间相固定，转向节通过一铰接点与摇臂的另一端连接；以及

用于驱动轮毂进行转向以改变车架行进角度的驱动机构，驱动机构的驱动端与转向节相连接并能够驱动转向节围绕铰接点进行转向。

在本发明的上述技术方案中，能够实现车架三个方向的转动，即通过第一电机的转动实现轮毂的自转，进行车架的前进或者后退，以满足正常行驶的要求，通过第二电机控制摇臂的转动，进行轮毂相对第二电机(车架)的升降以改变车架的悬挂高度，通过驱动机构驱动轮毂(万向节)进行转向以改变车架行进的角度。

具体的，本发明中的第一电机、第二电机、驱动机构均可以单独工作，进而实时进行本发明的各个姿态的协同控制。

根据本发明的另一种具体实时方式，摇臂的另一端设置为具有凹槽的双凸起叉形结构，在该双凸起叉形结构的两个凸起上设置有上下两组连接用的孔，转向节设有与连接用的孔相配合的转向销，转向销与连接用的孔之间的转动配合形成该铰接点。

根据本发明的另一种具体实时方式，转向销设置在竖直方向上。

根据本发明的另一种具体实时方式，驱动机构包括电动推杆，转向节进一步设有连接支杆，电动推杆的套筒端铰接在摇臂远离轮毂的一侧面上，电动推杆的活塞端与连接支杆之间相铰接。

根据本发明的另一种具体实时方式，摇臂、连接支杆与电动推杆之间形成单自由度三角形闭环结构，通过电动推杆中活塞端的伸出或者缩回，改变转向节相对摇臂的角度位置，实现位于转向节上的第一电机与轮毂的角度位置发生变化。

根据本发明的另一种具体实时方式，摇臂远离轮毂的一侧面上设置有加强筋，加强筋一方面是用作在简化摇臂结构的基础上提升摇臂的结构强度，另一方面是为驱动机构的安装提供空间。

根据本发明的另一种具体实时方式，摇臂靠近轮毂的一侧面内凹形成避让槽，避让槽为轮毂的转向提供避让空间，其中，摇臂的形状可以根据车架进行适应性设计，在满足在轮毂三个方向转动的基础上，可以进行多种设计，一种优选的摇臂结构包括具有第一段与第二段的折弯结构，避让槽形成在第一段与第二段的连接处，其中，第一段与第二段之间的最小折弯角度为140°，以满足轮毂转向所需空间。

根据本发明的另一种具体实时方式，第一电机的轴线与第二电机的轴线之间互相平行，此时车架整体呈正常的向前或向后行驶。

同时，本发明还提供了一种汽车，包括前述的轮系运动装置用悬挂系统、动力电池组、平衡控制器；其中，动力电池组、平衡控制器设置在的轮系运动装置用悬挂系统中的车架上，动力电池组和轮系运动装置用悬挂系统中第一电机、第二电机、驱动机构电性连接，平衡控制器和轮系运动装置用悬挂系统中第一电机、第二电机、驱动机构控制连接。

本发明具备以下有益效果：

本发明通过电驱动元件、连杆机构的奇妙设计方式，取消了大量的传动部件及支撑部件，在功能更加优异的基础上，将体积压缩到最小。

此外，本发明设计的轮组总成能够根据车辆的运动和地面状况，适时地调节悬挂系统的刚度和响应速度，使其处于最佳水平状态及避震效率。

此外，本发明可以在车架震动的全范围内兼顾车辆的平顺性与操作稳定性，能够降低车轮载荷波动，提高附着性能，改善操作性，同时减轻来轮胎磨损。

此外，本发明通过智能的水平姿态控制，使驾乘人员基本上感受不到车辆的移动，更是将车辆加速、减速、转向的冲击柔和化、平顺化进行充分展现，尤为适合应用于无人驾驶汽车。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明汽车的模型示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明悬挂系统中单个轮组总成的结构示意图；

图4是图3的投影示意图；

图5是图3的爆炸示意图；

图6是本发明轮组总成中摇臂的结构示意图；

图7是本发明动态悬挂高度调整的示意图；

图8是本发明坡道自动水平调整的示意图；

图9是本发明高速变道的示意图；

图10是本发明小半径转向的示意图；

图11是本发明原地旋转的示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种轮系运动装置(汽车)，包括悬挂系统、动力电池组10、平衡控制器20，悬挂系统包括车架30与四个轮组总成40，动力电池组10、平衡控制器20设置在车架30上分别并与四个轮组总成40相连接，其中动力电池组10用于提供动力源，平衡控制器20用于进行汽车状态检测、驱动控制器信号发出、道路信息运算等。

如图3－6所示，轮组总成40包括轮毂41(其上设置有轮胎)、第一电机42、第二电机43、摇臂44、转向节45、驱动机构46，轮毂41与第一电机42配合进行轮毂41的自身旋转，摇臂44、转向节45与第二电机43配合进行轮毂41的升降，驱动机构46、摇臂44与转向节45配合进行轮毂41的转向。

其中，第二电机43优选为伺服电机，内含有角度传感器、角速度传感器等动态检测元件，在车架30的四个角部设置有安装空间，第二电机43通过电机支架安装在车架30上。

摇臂44的一端通过螺栓组49设置在第二电机43的输出轴上，随着第二电机43的转动进行俯仰翻转，以驱动轮毂41升降，进而改变车架30悬挂高度，转向节45设置在摇臂44的另一端，二者的一种优选连接结构为：

摇臂44的另一端设置为具有双凸起的叉形结构，该叉形结构具有半圆形的凹槽441，转向节45包括圆形的回转体451与连接支杆452，在转向节45的回转体451上下两侧设置了连接用的转向销453，转向销453竖直设置，在凹槽441中设置有与转向销453相配合连接用的孔442，以实现转向节45与摇臂44的另一端之间的铰接配合。

第一电机42作为行驶驱动的动力，其采用直流无刷外转子电机，其中第一电机42的中心轴固定安装在转向节45的回转体451上，轮毂41安装在第一电机42的外转子上，通过第一电机42进行轮毂41的转动，以驱动轮毂41自身旋转，进而完成车架30的向前向后行驶。

本发明中由于第一电机42采用外转子形式，所以转向节45与摇臂44之间的连接配合关系，不会影响到轮毂41(轮胎)的自转过程。

驱动机构46用于控制转向节45围绕转向销453进行转动，以驱动轮毂41进行转向，进而改变车架30行进角度，本发明中的驱动机构46优选采用电动推杆，其中，摇臂44远离轮毂41的一侧面上设置有加强筋443，电动推杆的套筒端通过第一销钉47铰接在该加强筋443上，电动推杆的活塞端通过第二销钉48与连接支杆452之间相铰接。

具体的，再次参见图4，摇臂44、连接支杆452与电动推杆之间形成单自由度三角形闭环结构，三者之间的两两连接处的轴线互相平行，通过电动推杆中活塞端的伸出或者缩回，改变转向节45相对摇臂44的角度位置，实现位于转向节45上的第一电机42与轮毂41的角度位置发生变化，即当电动推杆伸长时，轮毂41将向靠近摇臂44的方向转向，当电动推杆缩回时，轮毂41向远离摇臂44的方向转向。

具体的，为了避免进行转向的轮毂41与摇臂44之间产生干涉，摇臂44靠近轮毂41的一侧面内凹形成避让槽444，一种优选的摇臂44为折弯结构，包括互相连接的第一段44a与第二段44b，避让槽形444成在第一段44a与第二段44b的连接处，其中，第一段44a与第二段44b之间的最小折弯角度α为140°，例如图4中示出的160°，以满足轮毂41转向所需的避让空间，可实现车轮在+20°至－20°的范围内自由转向。

更具体的，上述摇臂44结构设计进一步使得在正常向前向后行驶过程中，第一电机42的轴线与第二电机43的轴线之间互相平行，结构稳定性更好。

本发明中的悬挂系统具有非汽车领域的其他应用，下面结合本发明的主要功能及实现过程详细介绍如下：

一、车架30的动态升降功能

如图7所示，车架30的高度通过第二电机43驱动摆臂的上下翻转来实现。

车架30下降过程为：控制四个轮组总成40的第二电机43旋转20°(根据安装方向不同，旋转方向也会不同)，此时摇臂44带动与其固定连接的转向节45向上升起，第一电机42和轮毂41同时向上移动，车架30整体下降。

车架30上升过程为：如图7所示，反向旋转20°，此时摇臂44带动与其固定连接的转向节45向下降落，第一电机42和轮毂41同时向下移动，车架30整体上升。

该动态升降功能既可以是通过平衡控制器20来完成，也可以是手动控制完成。车架30的升降行程调整可以通过改变第二电机43的转动角度与改变摇臂44的整体长度来实现。

应用场景：1、无人驾驶车辆，自动充电时可降低车架30，实现底盘充电对接；2、高速行驶时自动降低底盘，提高车身稳定性；3、通过障碍时，手动升高底盘来提高通过性；4、车辆装卸货物时，手动调整底盘高度，实现货物平稳移出。

二、倾斜水平调整功能

如图5所示，四个轮组总成40之间相互独立，通过安装在车架30之上的平衡控制器20进行实时状态数据采集，通过内置的陀螺仪及加速度传感器等，可以得知并准确计算每一个第二电机43的旋转角度，从而实现车架30在横坡、纵坡甚至颠簸起伏路面的相对水平。

应用场景：1、行驶过程中的颠簸被智能消化；2、车辆加速、转向、制动等速度、方向发生变化时，智能水平调整可以实施反向倾斜，主动消除驾乘人员的不适感；3、当智能运载机器人采用该发明，在运送如盛有液体的容器、圆形物体等易滑落溅出物品时，将更加稳定高效。

三、高速变道功能

如图9所示，每一个轮组总成40都具有独立的转向驱动机构，在车辆高速行驶中，需要紧急变道时，可以实施前后轮同时向目标车道偏转，完成底盘保持前进方向的平行位移，减少现有车辆在高速上由于转向过快所发生的摆动和失控的风险。

四、超小半径转向功能

如图10所示，得益于轮组总成40的优异结构，当车辆需要进行小半径转向时，前后轮可以向不同的方向旋转，形成更小的前后轮夹角，实现现有车辆悬挂系统所不可比拟的转弯半径。

五、原地360度旋转功能

如图11所示，得益于轮组总成40的优异结构，每个车轮可以实现单独的转动方向及角度控制，所有当车辆需要原地掉头或旋转时，前轮向内八字形偏转，后轮向外八字形偏转，所有车轮形成对称分布的环形阵列或同心圆阵列，当左右两侧车轮沿相反方向旋转时，可实现类似坦克原地掉头的机动动作。

六、快速便利维修功能

由于本发明将轮系运动装置中的悬挂系统从分布在整个车架30的多个部件完全整合到每个车轮周围，在进行调整、维修、更换等作业时，甚至不需要钻到车下。其中四轮定位这样的工作专业的调整，直接由平衡控制器20来实施。

此外，通过比对各第二电机43的转角值及各第一电机42的转速差，可以精确地计算出轮胎的气压和磨损量，适时地提示检查。

本发明中的轮系运动装置中还可以实现轮组总成40安装于车架30的四个角部，并且可以进行成对拼接扩展，组成超大面积的智能主动平衡的移动平台(如火箭垂直转运平台)。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种轮系运动装置用悬挂系统，包括车架(30)与设置在车架(30)上的多个轮组总成(40)，其特征在于，

所述轮组总成(40)包括：

轮毂(41)；

用于驱动所述轮毂(41)自身旋转以进行所述车架(30)行驶的第一电机(42)；

用于驱动所述轮毂(41)升降以改变所述车架(30)悬挂高度的第二电机(43)；

沿所述车架(30)的前后方向布置的摇臂(44)，所述摇臂(44)的一端设置在所述第二电机(43)的输出轴上，所述摇臂(44)的另一端设置为具有凹槽(441)的双凸起叉形结构，在该双凸起叉形结构的两个凸起上设置有上下两组连接用的孔(442)；

转向节(45)，所述转向节(45)与所述第一电机(42)之间相固定，所述转向节(45)通过一铰接点与所述摇臂(44)的另一端连接，所述转向节(45)设有与所述连接用的孔(442)相配合的转向销(453)；以及

用于驱动所述轮毂(41)进行转向以改变所述车架(30)行进角度的驱动机构(46)，所述驱动机构(46)的驱动端与所述转向节(45)相连接并能够驱动所述转向节(45)围绕所述铰接点进行转向，所述驱动机构(46)包括电动推杆，所述转向节(45)进一步设有连接支杆(452)，所述电动推杆的套筒端铰接在所述摇臂(44)远离所述轮毂(41)的一侧面上，所述电动推杆的活塞端与所述连接支杆(452)之间相铰接；所述摇臂(44)、所述连接支杆(452)与所述电动推杆之间形成单自由度三角形闭环结构。

2.如权利要求1所述的轮系运动装置用悬挂系统，其特征在于，所述转向销(453)设置在竖直方向上。

3.如权利要求1所述的轮系运动装置用悬挂系统，其特征在于，所述摇臂(44)远离所述轮毂(41)的一侧面上设置有加强筋(443)。

4.如权利要求1所述的轮系运动装置用悬挂系统，其特征在于，所述摇臂(44)靠近所述轮毂(41)的一侧面内凹形成避让槽(444)，所述避让槽(444)为所述轮毂(41)的转向提供避让空间。

5.如权利要求4所述的轮系运动装置用悬挂系统，其特征在于，所述摇臂(44)包括具有第一段(44a)与第二段(44b)的折弯结构，所述避让槽(444)形成在所述第一段(44a)与所述第二段(44b)的连接处，其中，所述第一段(44a)与所述第二段(44b)之间的最小折弯角度为140°。

6.如权利要求1所述的轮系运动装置用悬挂系统，其特征在于，所述第一电机(42)的轴线与所述第二电机(43)的轴线之间互相平行。

7.一种汽车，其特征在于，

包括：

如权利要求1－6任一项所述的轮系运动装置用悬挂系统；

动力电池组(10)；

平衡控制器(20)；

其中，所述动力电池组(10)、所述平衡控制器(20)设置在所述的轮系运动装置用悬挂系统中的车架(30)上，所述动力电池组(10)和所述的轮系运动装置用悬挂系统中第一电机(42)、第二电机(43)、驱动机构(46)电性连接，所述平衡控制器(20)和所述的轮系运动装置用悬挂系统中第一电机(42)、第二电机(43)、驱动机构(46)控制连接。

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