CN111873782A - 一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆工程领域，公开了一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统，其特征在于第一、第二、第三桥为单纵臂桥，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，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。

Description

一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统

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模块化行驶驱动系统：

一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统，其特征在于所述第一、第二、第三桥为单纵臂桥，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；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。

作为优选，所述单纵臂桥，第一桥为前摆，第二桥为后摆。

作为进一步的优选，所述单纵臂桥，第一桥为前摆，第二、第三桥为后摆。

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)行驶驱动系统前三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。

(2)行驶驱动系统第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)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。

(6)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。

(7)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油气悬架液压系统原理图车高调节控制策略。

图5表示四连杆型轮毂电机纵臂悬架构成图。

图6系统整体示意图。

图7是本发明驱动控制结构示意图。

图8是各车轮差速匹配关系示意图。

附图标记如下：1-轮胎轮辋总成，2-纵臂，3-纵臂安装支架，4-油气弹簧，5-上横臂，6-下横臂，8-轮毂电机。

24-转向电机、25-轮毂电机、26-制动器、27-转向节、28-连杆，7-1转向节摆臂、7-2转向电机安装面、7-3上球头销安装面、7-4下球头销安装面、7-5转向节与纵臂旋转面、7-6主销。

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，其中第一、第二第三桥为单纵臂桥，第四桥为双横臂桥。行驶驱动系统前三桥(第一、第二第三桥)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。

通过采取单纵臂桥和双横臂桥互相结合的方式，能够使得操纵系统克服现有技术的缺陷，使得操作系统满足轻型机动车辆的要求。

如图1所示，所述单纵臂桥包括轮胎轮辋总成1、纵臂2、纵臂安装架3、油气弹簧4和轮毂电机8；所述轮胎轮辋总成1螺接于轮毂电机8输出端；所述纵臂2轮胎端与轮毂电机8壳体螺接固定，车体端通过纵臂安装支架3紧固于车体上，使纵臂2可绕车体横向轴线大角度摆动。油气弹簧4下止点通过销轴连接纵臂2，油气弹簧4上支点以球关节轴承方式铰接于车体。

作为优选，所述轮毂电机行驶驱动系统匹配大扭矩轮毂电机，优选扭矩2000Nm，可实现车辆超大角度纵坡、超高垂直障碍的攀爬通过。

作为优选，驶驱动系统纵臂布置方案为第一桥前摆，第二、三桥后摆或者是第二、第三、第四桥后摆。通过上述各个桥的前摆和后摆的设置，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(行程±175mm，偏频0.8Hz)，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4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8，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7、图8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：

(1)行驶驱动系统前三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。

(2)行驶驱动系统第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)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。

(6)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。

单纵臂桥优选选用四连杆型轮毂电机纵臂悬架，如图3和4所示，包括纵臂安装支架3、纵臂2、油气弹簧4、转向电机24、轮毂电机25、制动器26、转向节27、连杆28。所述纵臂安装支架3上预留螺孔，用于安装在车体上；所述纵臂2为薄壁结构,壁厚5mm，其销轴端与安装支架3耦合形成旋转副，实现纵臂绕车体摆动运动纵臂采用空心结构，不仅减轻悬架系统重量，而且便于降低减振器下至点安装位置，减少悬架纵向空间的占用；所述转向节包括转向节摆臂7-1、转向电机安装面7-2、上球头销安装面7-3、下球头销安装面7-4、转向节与纵臂旋转面7-5和主销7-6；转向节摆臂7-1旋转连接旋转面7-5，旋转面7-5连接转向电机安装面7-2，转向电机安装面7-2上设置上球头销安装面7-3、下球头销安装面7-4，其中上球头销安装面7-3、下球头销安装面7-4沿着旋转连接旋转面7-5中心轴对称，主销7-6插入下球头销安装面7-4，其中上球头销安装面7-3的孔内实现安装；所述轮毂电机5通过球头销安装于转向节7；所述转向电机24通过螺栓连接至转向节27在转向节上球头处安装转向电机，通过转向电机的转动可使车轮绕主销旋转，使纵臂悬架增加了转向功能；所述转向节27与纵臂2连接形成旋转副；所述减振器一端连接纵臂安装支架3形成旋转副，一端连接纵臂2形成旋转副；所述连杆28一端连接纵臂安装支架3形成旋转副，一端连接转向节7形成旋转副。其中纵臂安装支架3、纵臂2、转向节摆臂7-1、连杆28形成四连杆机构，通过在纵臂下部增加连杆形成四连杆机构。通过调整设置连杆28的初始长度，可以实现主销后倾角的灵活调整，通过调整连杆28与安装支架3的交接点位置，可以实现主销后倾角变化特性的优化优选，实现车轮定位参数的多自由读调整。在悬架大行程上下摆动时，连杆拉动转向节绕转向节旋转中心转动，通过设计连杆的长度可使车轮的主销倾角保持在合理范围内，有利于改善悬架的转向与制动性能，提高车辆安全性。

作为上述实施例的进一步优选，所述纵臂2、安装支架3为镜像结构设计。纵臂安装支架通过镜像结构设计，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。

作为优选，所述纵臂为空心结构。所述油气弹簧连接端设计于在纵臂的空心结构中，从而实现纵臂和减震器的集成，使得结构紧凑。利用空心薄壁纵臂结构集成轮毂电机、制动器，实现了形式驱动系统的纵臂式模块化集成；采用该悬架，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，同时该纵臂悬架具有转向功能。

作为优选，所述连杆28的长度刚好使车轮的主销倾角保持合理变化范围。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)纵臂采用空心结构，不仅减轻悬架系统重量，而且便于降低减振器下至点安装位置，减少悬架纵向空间的占用。

(2)通过在纵臂下部增加连杆形成四连杆机构。在悬架大行程上下摆动时，连杆拉动转向节绕转向节旋转中心转动，通过设计连杆的长度可使车轮的主销倾角保持不变，有利于改善悬架的转向与制动性能，提高车辆安全性。

(3)在转向节上球头处安装转向电机，通过转向电机的转动可使车轮绕主销旋转，使纵臂悬架增加了转向功能。

(4)利用空心薄壁纵臂结构集成轮毂电机、制动器，实现了形式驱动系统的纵臂式模块化集成；采用该悬架，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，同时该纵臂悬架具有转向功能。

(5)悬架构件模块化设计，互换性能耗，造价低廉，易于维护。

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 (6)

1.一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统，其特征在于，第一、第二、第三桥为单纵臂桥，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；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。

2.如权利要求1所述的一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统，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2所述的一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统，其特征在于所述单纵臂桥，第一桥为前摆，第二、第三桥为后摆。

4.如权利要求1所述的一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统，其特征在于转向器为线控电驱动转向器。

5.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)，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。

6.一种无人车辆轮毂电机模块化行驶驱动系统的角速度设计方法，所述第一、第二、第三桥为单纵臂桥，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；角速度设计方法如下：

B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；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；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；

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：

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