CN111873781B - 一种无人车辆轮毂电机行驶驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆工程领域，一种无人车辆轮毂电机行驶驱动系统，第一、第二桥为单纵臂桥，第三、第四桥为双横臂桥，所述双横臂桥包括上横臂、下横臂、转向节和轮毂电机；所述上横臂、下横臂通过销轴连接于车体，可实现横臂绕车体横向大角度摆动，横臂球头端通过球铰链连接与转向节，并形成转向节偏转轴线；所述转向节设计有转向系统连接点，通过转向系统驱动，可使转向节绕自身轴线偏转；所述转向节与轮毂电机通过螺栓紧固；所述油气弹簧上支点以球关节轴承方式铰接于车体，下止点通过销轴分别连接纵臂和下横臂，传递弹性力和阻尼力。本发明系统部件模块化设计，互换性好造价低廉、易于维护。

Description

一种无人车辆轮毂电机行驶驱动系统

技术领域

本发明涉及一种轻型超高机动车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统，属于车辆工程领域。

背景技术

轻型超高机动车辆对其通过能力提出了严苛的指标要求：平均越野速度30千米/小时；最大爬坡度不低于32°；最大侧倾行驶坡度不低于20°；越壕宽不低于1.2米；上下垂直障碍高度不低于0.6米；具备松软地面通行能力等；超高的通过能力要求，对车辆行驶驱动系统提出了全新的要求：超大悬架行程；具备车姿调节功能；侧向刚度大；具备灵活转向能力；超大驱动力矩输出；超大接地面积等，现有技术中四桥越野车大多数为重型越野，将四桥应用到轻型高机动车辆，无法满足轻型高机动车辆的性能要求，如200620158767.8公开了一种油气弹簧独立悬架以及采用该悬架的重型汽车，该独立悬架结构笨重，无法应用于轻型高机动车辆，无法满足轻型机动车辆的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下一种无人车辆轮毂电机行驶驱动系统：

一种无人车辆轮毂电机行驶驱动系统，其特征在于，第一、第二桥为单纵臂桥，第三、第四桥为双横臂桥，所述单纵臂桥包括轮胎轮辋总成、纵臂、纵臂安装架、油气弹簧和轮毂电机；所述双横臂桥包括上横臂、下横臂、转向节和轮毂电机；所述轮胎轮辋总成螺接于轮毂电机输出端；所述纵臂轮胎端与轮毂电机壳体螺接固定，车体端通过纵臂安装支架紧固于车体上，使纵臂可绕车体横向轴线大角度摆动；所述上横臂、下横臂通过销轴连接于车体，可实现横臂绕车体横向大角度摆动，横臂球头端通过大角度球铰链连接于转向节，并形成转向节偏转轴线；所述转向节设计有转向系统连接点，通过转向系统驱动，可使转向节绕自身轴线偏转；所述转向节与轮毂电机通过螺栓紧固；油气弹簧上支点以球关节轴承方式铰接于车体，下止点通过销轴分别连接纵臂和下横臂，传递弹性力和阻尼力。

作为优选，所述单纵臂桥，第一桥为前摆，第二桥为后摆。

作为优选，所述转向器为线控电驱动转向器。

其中，各参数含义如下：

F_s表示油气弹簧弹性力，单位是N；

R_g表示气体常数，单位是J/(mol·k)，优选8.314；

T表示热力学温度，单位是K；

m_q表示油气弹簧内气体质量，单位是Kg；

V₀表示油气弹簧内气体初始体积，单位是mm³；

D_c表示油气弹簧活塞直径，单位是mm；

S表示油气弹簧活塞行程，单位是mm；

a表示范德瓦尔常数，单位是atm·L²/mol²。

与现有技术相比，本发明一种无人车辆轮毂电机高机动性行驶驱动操纵系统有以下优点：

(1)行驶驱动系统采用8×8独立油气弹簧悬架匹配轮毂电机分布式驱动技术方案，可实现车辆越野路面，几何障碍条件下的车轮最优附着、最优驱动力矩分配，进而实现车辆超高的通过性能。

(2)行驶驱动系统前二桥采用单纵臂悬架导向机构，大幅度提高车辆悬挂系统侧向刚度，有效避免车辆通过几何障碍过程中的车身侧翻、侧滑，实现车辆超常规的几何越障能力；行驶驱动系统第三、四桥采用双横臂悬架导向结构，匹配转向系统具备车辆后轮转向能力，匹配车辆差速控制功能，可实现车辆灵活的横向偏转运动，大幅度提高车辆的越野机动性能。

(3)行驶驱动系统纵臂布置方案为第一桥前摆，二桥后摆，实现车辆90度接近角，结合大行程低偏频悬架参数设计，可实现车辆一桥轮大面积附着，二、三、四桥车轮有效降低地面冲击功能。

(4)行驶驱动系统匹配油气弹簧，与液压驱动系统协调，可实现车辆姿态的高低、俯仰、侧倾、斜倾调节。

(5)对油气弹簧属性选取进行了大量的研究，设计了油气弹簧的最佳属性，提高了车辆超高的通过性能。

(6)本发明通过大量的研究，确定了后两桥复合转向采用策略来确定参数，从而进一步提高系统的性能。

附图说明

图1是行驶驱动操纵系统示意图。

图2是油气弹簧独立悬挂系统结构示意图。

图3是油气悬架液压系统原理图。

图4单纵臂轮毂电机驱动模块构成图。

图5单纵臂轮毂电机驱动模块局部剖视图。

图6纵臂内部结构图。

图7表示纵臂安装附座局部剖视图。

图8是本发明驱动控制结构示意图。

图9是各车轮差速匹配关系示意图。

附图标记如下：附图标记：1-纵臂、2-轮毂电机、3-制动器、4-散热入水管、5-散热出水管、6-液压管路、7-管线保护罩、8-固定螺栓、9-纵臂安装附座、10-弹簧连接销、11-线缆、12-旋变传感器、1-1散热进水道、1-2散热出水道、1-3线缆通道、9-1环形进水道、9-2环形出水道、9-3密封圈、9-4进水口、9-5出水口。

21-轮胎轮辋总成，23-纵臂安装支架，24-油气弹簧，25-上横臂，26-下横臂，27-转向节，28-轮毂电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1展示了一种无人车辆轮毂电机高机动性行驶驱动操纵系统，该系统特别优选适用于轻型超高机动车辆，优选要求平均越野速度30千米/小时；最大爬坡度不低于32°；最大侧倾行驶坡度不低于20°；越壕宽不低于1.2米；上下垂直障碍高度不低于0.6米。

如图1所示，本发明提供了一种包括纵臂悬架的无人车辆轮毂电机高机动性行驶驱动操纵系统，行驶驱动系统采用8×8独立油气弹簧悬架匹配轮毂电机分布式驱动技术方案，第一、第二桥为单纵臂桥(优选采用图4所述的纵臂)，第三、第四桥为双横臂桥，行驶驱动系统前二桥采用单纵臂悬架导向机构，大幅度提高车辆悬挂系统侧向刚度，有效避免车辆通过几何障碍过程中的车身侧翻、侧滑，实现车辆超常规的几何越障能力。

所述单纵臂桥包括轮胎轮辋总成21、纵臂1、纵臂安装架23、油气弹簧24和轮毂电机28；所述双横臂桥包括上横臂25、下横臂26、转向节27和轮毂电机28；所述轮胎轮辋总成21螺接于轮毂电机28输出端；所述纵臂1轮胎端与轮毂电机28壳体螺接固定，车体端通过纵臂安装支架23紧固于车体上，使纵臂1可绕车体横向轴线大角度摆动；所述上横臂25、下横臂26通过销轴连接于车体，可实现横臂绕车体横向大角度摆动，横臂25、26球头端通过大角度球铰链连接于转向节27，并形成转向节偏转轴线；所述转向节27设计有转向系统连接点，通过转向系统驱动，可使转向节绕自身轴线偏转；所述转向节27与轮毂电机28通过螺栓紧固；所述油气弹簧24上支点以球关节轴承方式铰接于车体，下止点通过销轴分别连接纵臂1和下横臂26，传递弹性力和阻尼力。行驶驱动系统匹配油气弹簧，与液压驱动系统协调，可实现车辆姿态的高低、俯仰、侧倾、斜倾调节。

纵臂桥采用集成化、模块设计，第1桥左侧可与第2、3桥右侧互换，第1桥右侧可与第2、3桥左侧互换，减少了备件种类及数量。所述纵臂1采用“辐射式”结构，通过8颗螺栓与轮毂电机连接，此结构强度大重量轻，并且连接方式简单，便于轮毂电机快速安装更换。所述纵臂1与车体仅通过纵臂安装支架23连接，相较于现有法兰连接方式简单，易于维护。所述纵臂1采用空腔结构，轮毂电机的电源线、控制线和冷却水管均从其中穿过，便于管线集成化，同时保护管线，提高安全性。纵臂桥与车体连接仅通过油气弹簧24上支点与纵臂安装架23两点，相较于原有结构可实现纵臂桥的快速安装和更换。

作为上述实施例的优选，驶驱动系统纵臂布置方案为第一桥前摆，二桥后摆，可以实现车辆90度接近角，结合大行程低偏频悬架参数设计，可实现车辆一桥车轮大面积附着，二、三、四桥车轮有效降低地面冲击功能。

本发明利用分布式驱动轮毂电机匹配油气弹簧独立悬挂，使车辆实现了超高几何障碍通过能力，高速越野路面机动能力。系统采用全点驱动方式，功率密度大、用空间小、工作稳定可靠；系统部件模块化设计，互换性好造价低廉、易于维护。

本案子的一个发明点为油气弹簧互联的参数控制方法。实践中，油气弹簧的特性(弹性力、阻尼力等)非常重要，如油气弹簧特性不好会导致：①平顺性差，会衰减车载设备的寿命，造成密封件、紧固件松动；②无法使用车载精密设备；③降低车轮与地面的附着效果，降低了车辆的安全性；④过多过大的振动会损坏悬架及车体，降低车辆的安全性。因此需要通过一个最佳的方式来确定油气弹簧24的特性。

本发明通过大量的研究确定了油气弹簧的特性的最佳关系式，以作为无人车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统选取的一个重要的参照依据。

油气弹簧的特性确定方法如下：

其中P为油气弹簧内气体绝对压力，计算得到；

T为热力学温度，由温度传感器测量得到；V_q为油气弹簧内气体体积，计算得到；

R_g为气体常数，优选8.314J/(mol·k)；

a，b为范德瓦尔常数，由实验得到；

m_q为油气弹簧内气体质量，由下式计算得到：

式中：

C＝-36bR_gT₀+72P₀b²+8a

M＝R_g ²T₀ ²(4bR_gT₀+12P₀b²-a)

N＝4P₀(3P₀b³R_gT₀-5abR_gT₀+b⁴P₀ ²+2ab²P₀+a²)

P₀、V₀、T₀分别为初始状态气体压力(单位是MPa)、体积(单位mm³)和温度(单位是K)，其中V₀为设计值，P₀计算方法为：

式中，m表示车辆簧载质量，g为重量加速度，i为导向机构杠杆比，D_c为油气弹簧油室活塞直径，Ac为活塞面积。

油气弹簧气室容积的变化量为：

式中s为弹簧活塞行程。

则任意行程下，气体体积为：

根据以上各式，油气弹簧弹性力为：

两个油气弹簧充油腔互串联情况下，弹簧的弹性力为

式中s₁、s₂为串联弹簧的行程

弹簧在运动过程中，油液流经节流孔的流量与阻尼孔前后压差间的关系为：

C_d为流量系数取值范围，

l是节流孔长度，R_e是雷诺数，d雷诺数计算中的特征长度，单位是mm；

系统产生阻尼力为

本发明通过大量的研究确定了油气弹簧的特性的最佳关系式，以作为无人车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统选取的一个重要的参照依据。

作为一个发明点，本发明提供了后两桥复合转向采用如下策略来确定参数：

参见图9，B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离，优选为1640mm；L₁、L₂、L₃、L₄为各轴到瞬心的距离，由系统计算得到；R_1in、R_2in、R_3in、R_4in为各轴内侧车轮转弯半径，由系统计算得到；R_1out、R_2out、R_3out、R_4out为各轴外侧车轮转弯半径，由系统计算得到；α为第三桥外侧车轮转角，由转角传感器测量得到；β为第三桥内侧车轮转角，由转角传感器测量得到；δ为第四桥外侧车轮转角，由转角传感器测量得到；γ为第四桥内侧车轮转角，由转角传感器测量得到；x、y分别为瞬心到内侧车轮、质心的距离，由系统计算得到。

ω_1in、ω_2in、ω_3in、ω_4in为各轴内侧车轮角速度，ω_1out、ω_2out、ω_3out、ω_4out为各轴外侧车轮角速度，m、n、l分别为各轴轴距，分别优选为950,900,950mm，令R_4out＝R，由几何运动关系可得：

通过上述确定的参数，可以准确预测各个参数，可为车辆在无人条件下越障提供策略指导，简化了无人车辆越障的控制逻辑，提高车辆复杂电磁环境下的可靠性，是车辆全域应用的技术基础。

通过图8、图9可以看出，各轮的角速度与轮距、轴距、转弯半径、转角有确定的函数关系。轮距、轴距参数是整车参数，为常数。转向ECU接到的上位机指令一般为曲率或转角，因此，利用阿克曼差速转向模型，就可得到各轮间的差速匹配关系。

各个参数具体说明如下：

本发明一种无人车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统有以下优点：

与现有技术相比，本发明一种无人车辆轮毂电机高机动性行驶驱动操纵系统有以下优点：

(1)行驶驱动系统采用8×8独立油气弹簧悬架匹配轮毂电机分布式驱动技术方案，可实现车辆越野路面，几何障碍条件下的车轮最优附着、最优驱动力矩分配，进而实现车辆超高的通过性能。

(2)行驶驱动系统前二桥采用单纵臂悬架导向机构，大幅度提高车辆悬挂系统侧向刚度，有效避免车辆通过几何障碍过程中的车身侧翻、侧滑，实现车辆超常规的几何越障能力；行驶驱动系统第三、四桥采用双横臂悬架导向结构，匹配转向系统具备车辆后轮转向能力，匹配车辆差速控制功能，可实现车辆灵活的横向偏转运动，大幅度提高车辆的越野机动性能。

(3)行驶驱动系统纵臂布置方案为第一桥前摆，二桥后摆，实现车辆90度接近角，结合大行程低偏频悬架参数设计，可实现车辆一桥车轮大面积附着，二、三、四桥车轮有效降低地面冲击功能。

(4)行驶驱动系统匹配油气弹簧，与液压驱动系统协调，可实现车辆姿态的高低、俯仰、侧倾、斜倾调节。

(5)对油气弹簧属性选取进行了大量的研究，设计了油气弹簧的最佳属性，提高了车辆超高的通过性能。

如图4和5所示，本发明提供了可以适用于图中的加强散热型轮毂电机纵臂(单纵臂桥)悬架，包括纵臂1、轮毂电机2、制动器3、散热入水管4、散热出水管5、制动器液压管路6、固定螺栓8、纵臂安装附座9、油气弹簧连接销10、线缆11和旋变传感器12。纵臂安装附座9通过固定螺栓8固定于车体；纵臂1为薄壁结构，壁厚5mm，其销轴端与安装附座9耦合形成旋转副，实现纵臂绕车体摆动运动；轮毂电机2通过固定螺栓8安装于纵臂接口。

作为优选，电机散热水管进出水口置于纵臂远端，电缆导出口置于纵臂弹簧安装附座9内侧，以便于散热入水管4、散热出水管5、线缆11线束集成，且防止车辆越野状态，障碍物对管线磕碰。

作为优选，纵臂1的电机2端留有螺纹接口，可安装管线保护罩7，对线缆进行保护。

作为优选，线缆11与散热水管穿过纵臂臂腔，从纵臂支架端导出，实现管线与纵臂集成，大幅衰减轮跳运动导致的管线弯折，及磨损。

作为优选，制动器3采用定钳式盘式制动器，通过液压系统驱动提供制动力矩，实现车辆制动功能。

作为优选，散热水管连接轮毂电机2与车内集中散热设备，实现轮毂电机长时间高功率密度运行。

作为优选，油气弹簧24连接销轴10连接油气弹簧下止点，使得纵臂与弹性阻尼元件形成运动耦合，车辆振动冲击衰减。

作为优选，上述轮毂电机散热进出水口优选置于纵臂延长线上，使散热水管径直穿过纵臂，减少水管折弯，减小水路沿程阻力，提高电机散热效率。

作为进一步的改进，线缆11布置于电机旋转中心上侧，有利于减少车辆涉水工况电缆浸水概率，提高车辆安全可靠性能。

作为优选，为了减轻单纵臂轮毂电机集成模块的重量的同时保持轻单纵臂轮毂电机集成模块强度，纵臂采用铸造钛合金材料，钛合金材料强度高，硬度高，耐磨性能好、耐腐蚀。

通过上述设置轮毂电机、纵臂、纵臂安装附座、线缆的结构集成，使得悬架导向机构与电机驱动机构集成一体化，成为车辆可通用互换模块化部件

如图6所示，作为上述实施例的进一步改进，纵臂内腔分为上中下三个独立的管道，其中两个管道为散热进水道和散热出水道，一个为容纳线缆通过的管道；散热入水管4和散热出水管5相应连接散热进水道1-1和散热出水道1-2，散热水管经纵臂安装附座进入车内，散热水管连接轮毂电机与车内集中散热设备；线缆11经过线缆通道1-3，与旋变传感器连接进入车内。作为进一步的优选，上管道为散热进水道1-1、下管道为散热出水道1-2和中间管道为线缆通道1-3，相应的上管道为散热出水道、下管道为散热入水道。纵臂内有散热水道，尤其是散热水道分布上下时，利用金属好的热传导性和车辆行驶时形成的强对流，实现通过纵臂加强散热功率，间接减少车内散热系统功率损耗，提高整车能量利用效率，纵臂为多空腔结构设计、可同时容纳电机电源线缆，控制线缆、散热水道的腔内集成。

如图7所示，纵臂安装附座9优选采用旋转体结构设计，通过螺钉实现紧固功能。纵臂安装附座9可同时匹配与车辆左右侧纵臂悬挂装置，实现了车辆零部件的通用互换性能，提高了车辆的可维修保障性能。纵臂安装附座9上设有9-4进水口、9-5出水口，纵臂安装附座9内通过三个密封圈9-3形成环形进水道9-1、环形出水道9-2，内置旋变传感器，可以实现电缆轴线方向360°旋转。避免了散热水管、线缆进入车内时因纵臂旋转带来的弯折，并且提高了系统的密封性和寿命。

本发明利用空心薄壁纵臂结构集成轮毂电机、制动器、电缆、管线，实现了形式驱动系统的纵臂式模块化集成；该模块，车辆跳动行程大、纵臂适用于大范围摆动，能提供较大的悬挂侧向刚度，是车辆通过超高几何障碍的技术保障。且构件模块化设计，互换性能耗，造价低廉，易于维护。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)纵臂内设散热水道，金属有良好的导热性能，在车辆行驶过程中，纵臂外表面与空气行程强对流，可增强散热电机散热功率，降低车内集中散热设备的功率消耗,同时线缆与散热水管穿过纵臂空腔，实现管线与纵臂集成，大幅衰减轮跳运动导致的管线弯折及磨损。

(2)纵臂矩形环截面增加构件的扭转刚度，减少了构件质量；空腔结构使电机相关管线沿纵臂穿过，实现管线与构件的安装集成。

(3)轮毂电机散热进出水口置于纵臂延长线上，使散热水管径直穿过纵臂，减少水管折弯，减小水路沿程阻力，提高电机散热效率

(4)纵臂安装附座可同时匹配与车辆左右侧纵臂悬挂装置，实现了车辆零部件的通用互换性能，提高了车辆的可维修保障性能。

(5)所述弹簧连接销轴连接油气弹簧下止点，使得纵臂与弹性阻尼元件形成运动耦合，车辆振动冲击衰减。

(6)纵臂安装附座内通过三个密封圈形成环形水道内置旋变传感器，避免了散热水管、线缆进入车内时因纵臂旋转带来的弯折，并且提高了系统的密封性和寿命。

(7)对油气弹簧属性选取进行了大量的研究，设计了油气弹簧的最佳属性，提高了车辆超高的通过性能。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种无人车辆轮毂电机行驶驱动系统，其特征在于，第一、第二桥为单纵臂桥，第三、第四桥为双横臂桥，所述双横臂桥包括上横臂、下横臂、转向节和轮毂电机；所述上横臂、下横臂通过销轴连接于车体，横臂球头端通过球铰链连接于转向节，并形成转向节偏转轴线；所述转向节设计有转向系统连接点，通过转向系统驱动，可使转向节绕自身轴线偏转；所述转向节与轮毂电机通过螺栓紧固；油气弹簧上支点以球关节轴承方式铰接于车体，下止点通过销轴分别连接单纵臂和下横臂，传递弹性力和阻尼力；单纵臂桥包括纵臂悬架，所述纵臂悬架包括纵臂、轮毂电机、制动器、散热入水管、散热出水管、制动器液压管路、固定螺栓、纵臂安装附座、油气弹簧连接销、线缆和旋变传感器；所述纵臂销轴端与纵臂安装附座耦合形成旋转副；所述轮毂电机通过固定螺栓安装于纵臂接口；所述纵臂内腔分为上中下三个独立的管道，其中两个管道为散热进水道和散热出水道，一个为容纳线缆通过的管道；所述线缆经过中间管道，与旋变传感器连接进入车内。

2.如权利要求1所述的行驶驱动系统，其特征在于所述单纵臂桥，第一桥为前摆，第二桥为后摆。

3.如权利要求1所述的行驶驱动系统，其特征在于转向器为线控电驱动转向器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，油气弹簧弹性力为：

其中，各参数含义如下：

F_s表示油气弹簧弹性力，单位是N；

R_g表示气体常数，单位是J/(mol·k)；

T表示热力学温度，单位是K；

m_q表示油气弹簧内气体质量，单位是Kg；

V₀表示油气弹簧内气体初始体积，单位是mm³；

D_c表示油气弹簧活塞直径，单位是mm；

S表示油气弹簧活塞行程，单位是mm；

a表示范德瓦尔常数，单位是atm·L²/mol²；

b表示范德瓦尔常数，单位是L/mol。

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