CN111923721A - 一种单纵臂轮毂电机驱动模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆工程领域，提供了一种单纵臂轮毂电机驱动模块，包括纵臂安装支架、纵臂、轮毂电机、电缆、制动器、散热水管、紧固螺杆和弹簧连接销;纵臂为薄壁结构，其销轴端与纵臂安装支架耦合形成旋转副；轮毂电机通过紧固螺杆安装于纵臂接口;电缆与散热水管穿过纵臂臂腔，于纵臂支架端导出;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侧，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。

Description

一种单纵臂轮毂电机驱动模块

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系统，属于车辆工程领域。

背景技术

现有技术中单纵臂轮毂电机驱动模块，存在结构复杂，重量不够轻，同时线缆和水管等不够集成、有序，容易造成线缆和水管磨损等问题，但是特殊路况对轻型超高机动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；超大驱动力矩输出等，现有技术无法满足。申请号为201210323493.3的发明公开了一种带有油气弹簧的单纵臂式独立悬架，该独立悬架重量重，体积大，承载能力不足，在应用中无法对轮毂电机、纵臂、纵臂支架、电缆管线的结构集成，同时悬架纵向柔度不够，影响了车辆通过几何障碍的能力；申请号201821309470.6公开了一种轮毂电机连接摆臂、轮毂电机总成及车辆，无法实现对线缆的集成，同时摆臂重量重。

发明内容

本发明致力于解决现有技术的上述问题，为轻型超高机动车辆行驶驱动系统提供一种单纵臂轮毂电机驱动模块。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单纵臂轮毂电机驱动模块，包括纵臂安装支架、纵臂、轮毂电机、电缆、制动器、散热水管、紧固螺杆和弹簧连接销；所述纵臂安装支架留有螺纹接口，其特征在于，所述纵臂销轴端与纵臂安装支架耦合形成旋转副；所述轮毂电机通过紧固螺杆安装于纵臂接口；所述电缆与散热水管穿过纵臂臂腔，于纵臂支架端导出；所述电机散热水管和缆线从纵臂远端开口处导入、从纵臂弹簧安装侧靠近纵臂安装支架处的开口导出。

作为优选，所述纵臂安装支架包括主支架和副支架，所述副支架通过定位凹槽及法兰平面与主支架定位。

作为优选，所述纵臂结构的截面为矩形。

作为优选，所述制动器为通过液压系统驱动提供制动力矩的定钳式盘式制动器。

作为优选，所述制动器匹配定钳多活塞整体式制动钳。

作为优选，所述轮毂的电机所有电缆均布置于纵臂单侧。

作为优选，所述纵臂弹簧安装侧靠近纵臂安装支架处的开口向上。

作为优选，所述弹簧连接销轴连接油气弹簧下止点。

一种无人车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统，包括前面所述的模块。

作为优选，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。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)轮毂电机、纵臂、纵臂支架、电缆管线的结构集成，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。

(2)纵臂为薄壁空腔结构设计、可同时容纳电机电源线缆，控制电缆、散热水管的腔内集成。

(3)轮毂电机与纵臂安装特点为，散热水管进出口与沿纵臂轴线方向并位于纵臂远端，实现管路沿程散热水水组降低，间接减少散热系统扬程及功率，减少功率损耗提高整车能量利用效率。

(4)轮毂的电机所有电缆均布置于纵臂单侧，并指向车体垂向正方向。该布置方式使得管线在车辆涉水工况、越野工况具有良好的保护能力，增加了系统的可靠性，安全性。

(5)纵臂的结构优化实现车轮的大行程跳动；轮跳平面平行于车体中心面，使得悬架纵向柔度增加，大幅度提升车辆几何障碍通过能力；悬架横向刚度增大，大幅度增加车辆通过几何障碍的稳定性。

(6)轮毂驱动模块各个部件的排列组合安装，可形成适用于全车不同驱动桥、不同摆臂方向的驱动模块部件，大大提高了零部件的通用能力，降低了系统的维修保障能力要求。

(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。

(8)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表示单纵臂轮毂电机驱动模块构成图。

图2表示纵臂安装支架结构图。

图3是行驶驱动操纵系统示意图。

图4是油气弹簧独立悬挂系统结构示意图。

图5是油气悬架液压系统原理图。

图6是本发明驱动控制结构示意图。

图7是各车轮差速匹配关系示意图。

附图标记如下：20电缆导出端；21散热水管导出端；24、电缆；25、制动器；26和29散热水管；27、紧固螺杆、28、弹簧连接销；1-1、主支架；1-2、副支架；1-3、紧固螺钉。

1-轮胎轮辋总成，2-单纵臂，3-纵臂安装架，4-油气弹簧，5-转向器，6-转向拉杆，7-下横臂，8-上横臂，9-轮毂电机，10-转向摇臂，11-中心拉杆，12-转向节。

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、2展示了单纵臂轮毂电机驱动模块的(单纵臂桥)示意图。单纵臂轮毂电机驱动模块包括纵臂安装支架3、纵臂2、轮毂电机9、电缆24、制动器25、散热水管26和29、紧固螺杆27和油气弹簧4的连接销28。纵臂安装支架3留有螺纹接口，方便通过螺栓固定于车体；纵臂2为薄壁结构，优选薄壁厚度是5mm，纵臂2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2的横截面优选为矩形，增加构件的扭转刚度，同时减少了构件重量，纵臂2优选铝合金材料，进一步的减少了构件重量；轮毂电机9通过紧固螺杆27安装于纵臂接口，纵臂接口优选方式为法兰结构，可以更好的对轮毂电机实现固定；电机散热水管26、29进出水口21置于纵臂2远端、电缆导出口20置于纵臂2靠近纵臂安装支架3的一侧，所述电机散热水管和缆线从纵臂远端开口处导入、从纵臂弹簧安装侧靠近纵臂安装支架处的开口20、21导出，以便于散热水管26、电缆24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，电缆导出端20、散热水管导出端21设置于连接销28与纵臂安装支架3之间；进一步优选，所述电缆导出端20比散热水管导出端21更靠近连接销28。上述设置能够使得结构更加是紧凑。

作为优选，所述轮毂的电机所有电缆均布置于纵臂2单侧，并垂直于地面指向车体正上方。可以避免车辆制动过程中泥水污染，碎石磕碰，降低系统故障率，提高系统可靠性。

作为优选，纵臂2留有螺纹接口，可安装管线防护罩，对电缆和水管起到保护作用。电缆24与散热水管26、29穿过纵臂臂腔，从纵臂另一端(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以及磨损。

作为优选，电缆24优选为布置于电机9旋转中心上侧，这样可以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，制动器25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，优选为制动器匹配定钳多活塞整体式制动钳，能够提供更大的制动力矩实现车辆应急安全制动性能，大坡度驻车能力。整体式钳体采用高强度铝合金加工，重量轻，无泄漏；制动钳采用多活塞设计使制动摩擦片载荷分布更加均匀，延长摩擦片使用寿命。

作为优选，散热水管26、29连接轮毂电机9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；弹簧连接销轴28连接油气弹簧4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。

作为上述实施例的优选，纵臂安装支架3优选采用镜像结构设计，优选沿着主支架1-1中心轴线镜像结构设计，主要由主支架1-1、副支架1-2构成。副支架通过定位凹槽及法兰平面实现与主支架定位，通过螺钉1-3实现紧固功能。优选通过主支架1-1固定于车体。纵臂安装支架3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。

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。

本发明采用的单纵臂轮毂，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)轮毂电机、纵臂、纵臂支架、电缆管线的结构集成，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。

(2)纵臂为薄壁空腔结构设计、可同时容纳电机电源线缆，控制电缆、散热水管的腔内集成。

(3)轮毂电机与纵臂安装特点为，散热水管进出口与沿纵臂轴线方向并位于纵臂远端，实现管路沿程散热水水组降低，间接减少散热系统扬程及功率，减少功率损耗提高整车能量利用效率。

(4)轮毂的电机所有电缆均布置于纵臂单侧，并指向车体垂向正方向。该布置方式使得管线在车辆涉水工况、越野工况具有良好的保护能力，增加了系统的可靠性，安全性。

(5)纵臂的结构优化实现车轮的大行程跳动；轮跳平面平行于车体中心面，使得悬架纵向柔度增加，大幅度提升车辆几何障碍通过能力；悬架横向刚度增大，大幅度增加车辆通过几何障碍的稳定性。

(6)轮毂驱动模块各个部件的排列组合安装，可形成适用于全车不同驱动桥、不同摆臂方向的驱动模块部件，大大提高了零部件的通用能力，降低了系统的维修保障能力要求。

图3-4展示了包括上述单纵臂轮毂电机驱动模块的(单纵臂桥)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40千米/小时；最大爬坡度不低于35°；最大侧倾行驶坡度不低于25°；越壕宽不低于1.4米；上下垂直障碍高度不低于0.9米。

如图3、4所示，本发明提供了一种无人车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统，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，第三、第四桥为双横臂桥，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；行驶驱动系统第一、第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。

通过采取1、2单纵臂结构形式驱动桥、第三第四桥双横臂桥结构形式互相结合的方式，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4所示，单纵臂桥包括轮胎轮辋总成1、单纵臂2、纵臂安装架3、油气弹簧4、轮毂电机9；双横臂桥包括上横臂8、下横臂7、转向节12、轮毂电机9和转向器5。行驶驱动系统匹配大扭矩轮毂电机，可实现车辆超大角度纵坡、超高垂直障碍的攀爬通过，所述轮胎轮辋总成1螺接于轮毂电机9输出端；所述单纵臂2轮胎端与轮毂电机9壳体螺接固定，车体端通过纵臂安装支架3紧固于车体上，使纵臂可绕车体横向轴线大角度摆动；所述上横臂8、下横臂7通过销轴连接于车体，可实现横臂绕车体横向大角度摆动，上横臂球头端通过大角度(优选30°以上)球铰链连接于转向节12，并形成转向节偏转轴线。所述转向节12设计有转向系统连接点，通过转向系统驱动，可使转向节12绕自身轴线偏转，实现转向功能；转向节12与轮毂电机9通过螺栓紧固。所述油气弹簧4上支点以球关节轴承方式铰接于车体，下支点通过销轴分别连接单纵臂2，下横臂7，并在此间传递弹性力和阻尼力，实现车轮跳动衰减；转向器5壳体安装于车体，输出端驱动转向摇臂10实现摇臂相对于车体摆动，摇臂中间通过中心拉杆11实现运动耦合；转向拉杆6两端分别连接转向节12和转向摇臂10，由转向摇臂10驱动，进而带动轮毂电机、轮胎轮辋实现转角偏转。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；系统采用第四桥机械转向、匹配车辆差速转向功能、可实现车辆中心转向、原地转向功能；高速机动时机械转向可实现车辆灵活横向机动。

上述驱动形式属于复合结构形式，将单纵臂悬架结构形式横向刚度大、纵向通过能力强，越障能力突；双横臂悬架结构自由灵活，具有机械转向功能接口，转向、转弯能力强；分布式驱动轮毂电机扭矩密度大，可控自由度多、可控制型强、输出组合灵活多变等优点。系统具有驱动功率密度高、驱动扭矩密度大、系统固有频率低、横向稳定性强、越野越障能力高的优点。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。

优选地，转向器采用线控电驱动转向器，集成度高，可实现转向功能线控化。

本发明利用分布式驱动轮毂电机匹配油气弹簧独立悬挂，采用轮毂电机驱动消除了传统传动装置的限制，使得悬挂运动自由度增大，配合油气弹簧可实现超大行程车高调节。一二桥油气弹簧、三四桥油气弹簧通过管路进行油腔连通，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。

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7，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6、图7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。

(3)行驶驱动系统第三、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。

(4)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。

(5)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。

(6)系统采用第四桥机械转向、匹配车辆差速转向功能、可实现车辆中心转向、原地转向功能；高速机动时机械转向可实现车辆灵活横向机动。

(7)转向器采用线控电驱动转向器，集成度高，可实现转向功能线控化。

(8)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 (10)

1.一种单纵臂轮毂电机驱动模块，包括纵臂安装支架、纵臂、轮毂电机、电缆、制动器、散热水管、紧固螺杆和弹簧连接销；所述纵臂安装支架留有螺纹接口，其特征在于，所述纵臂销轴端与纵臂安装支架耦合形成旋转副；所述轮毂电机通过紧固螺杆安装于纵臂接口；所述电缆与散热水管穿过纵臂臂腔，于纵臂支架端导出；所述电机散热水管和缆线从纵臂远端开口处导入、从纵臂弹簧安装侧靠近纵臂安装支架处的开口导出。

2.根据权利要求1所述的单纵臂轮毂电机驱动模块,其特征在于所述纵臂安装支架包括主支架和副支架，所述副支架通过定位凹槽及法兰平面与主支架定位。

3.根据权利要求1或2所述的单纵臂轮毂电机驱动模块,其特征在于所述纵臂结构的截面为矩形。

4.根据权利要求1或2所述的单纵臂轮毂电机驱动模块,其特征在于所述制动器为通过液压系统驱动提供制动力矩的定钳式盘式制动器。

5.根据权利要求4所述的单纵臂轮毂电机驱动模块,其特征在于所述制动器匹配定钳多活塞整体式制动钳。

6.根据权利要求1或2所述的单纵臂轮毂电机驱动模块，其特征在于所述轮毂的电机所有电缆均布置于纵臂单侧。

7.根据权利要求1或2所述的单纵臂轮毂电机驱动模块,其特征在于所述纵臂弹簧安装侧靠近纵臂安装支架处的开口向上。

8.根据权利要求1或2所述的单纵臂轮毂电机驱动模块,其特征在于所述弹簧连接销轴连接油气弹簧下止点。

9.一种无人车辆轮毂电机行驶驱动操纵系统，包括权利要求1-8之一所述的模块。

10.如权利要求9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。

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