CN112389535A

CN112389535A - 多用途无人车底盘模块化转向系统

Info

Publication number: CN112389535A
Application number: CN202011391531.XA
Authority: CN
Inventors: 高镇海; 张汉英; 高菲; 胡宏宇; 王雨蒙
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-02-23

Abstract

本发明提供多用途无人车底盘模块化转向系统，涉及无人车领域。通过将底盘分成前桥模块、后桥模块和中间设备舱三部分，使得无人车底盘开发灵活度更高，实现无人车底盘的通用化、模块化与平台化，并能够适应不同上装对底盘性能的差异化需求。前桥模块包括：模块化转向系统总成，悬架组件，车轮组件，副车架以及其他连接件。模块化转向系统包括：转向器总成、联轴器、减速机构和转向驱动电机。整个模块的机械与电气部分高度集成、封装，结构紧凑，可以实现即插即用。所涉及部件均有成熟的产品或易于加工制造，因此本发明具有良好的可实施性。

Description

多用途无人车底盘模块化转向系统

技术领域

本发明涉及无人车技术领域，具体为多用途无人车底盘模块化转向系统。

背景技术

随着自动驾驶技术的发展，各种应用场景对小型无人车平台的需求与日俱增。智能车平台集环境感知、路径规划、行为决策与线控底盘等多种关键技术于一体。通过多种传感器对周围的环境进行感知，并将感知得到的信息通过搭载智能算法的终端对车辆的行驶状态进行控制，在出行、物流配送、清扫、巡检、侦察等领域有着广泛的应用。尤其在疫情期间，在园区内运行的无人消毒车、清扫车和配送车对疫情防控发挥了重要作用。所以无人车技术对改变人类生活方式，保障国民经济建设和社会治理具有重要作用。

目前自动驾驶开发主要基于乘用车进行改装，面临研发周期长、成本高，车辆线控化程度不同，不利于通用化、模块化等问题；且当无人车出于不同领域的需求而搭载不同的上装时，往往需要重新对底盘进行设计以满足性能要求的变化。因此，开发一种多用途无人车模块化底盘对降低自动驾驶开发成本、使算法快速进入实车验证、满足不同用户对车辆用途与性能的需求有重大的意义。

在传统无人车转向系统的技术方案中，转向驱动电机、控制器和转向器布置的距离通常较远，转向驱动电机与转向器通常通过传动轴相连。这种布置方案传动链长、传动间隙大，导致反馈转角与实际转角存在较大差异且转向响应不够迅捷，难以满足无人车对转向精确性、可靠性的要求，同时不利于模块化设计。因此，设计一种结构紧凑、工作可靠的模块化转向系统对提高转向性能、使无人车平台通用化、模块化很有裨益。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了多用途无人车底盘模块化转向系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：多用途无人车底盘模块化转向系统，包括：

转向器总成；

所述转向器总成采用齿轮齿条式转向器，所述转向器总成包括：主动齿轮轴、齿条、转向横拉杆、转向器壳体、轴承、齿条限位装置、啮合区域间隙调整装置以及防尘套；

用于将减速机构的力矩与运动输出传递给转向器主动齿轮轴的，起到消除传动间隙，补偿装配误差，保证传动精度的作用的联轴器；

用于放大电机扭矩、降低电机输出转速的功能的减速机构，所述减速机构安装在转向驱动电机与联轴器之间；

用于为整个转向系提供转向力矩转向的驱动电机；

用于传递载荷并为转向横拉杆、悬架、车轮组件提供安装与连接位置的转向节。

优选的，还包括车轮组件，悬架组件和副车架；

所述车轮组件包括两个前轮及其制动器，并与所述转向节固定连接。

优选的，所述悬架组件包括上控制臂，下控制臂和减振器，所述上控制臂与下控制臂通过耳片与铰链一端与转向节连接，所述上控制臂另一端与副车架相连。

优选的，所述副车架为前桥模块各组件或总成装配的基体，所述悬架组件的上下控制臂分别与副车架上下层的纵梁通过耳片连接。

优选的，所述转向驱动电机设置为伺服电机，所述主动齿轮轴处设置有转角传感器，所述转角传感器用于将检测到的转角行程反馈给伺服电机。

优选的，所述悬架组件一端与转向节通过铰接点相连，所述悬架组件另一端与副车架相连。

优选的，所述减振器一端与下控制臂相连，所述减振器另一端与所述多用途无人车底盘的主车架连接。

优选的，所述副车架设置为一个两层的框架式结构，所述转向器总成、减速机构和转向驱动电机固定安装于副车架底部。

优选的，所述副车架的上层开设有机械接口，所述机械接口用于与主车架连接。

本发明提供了多用途无人车底盘模块化转向系统，其具备的有益效果如下：

1、本发明的模块化转向系统与前桥具有通用化、平台化的特点，便于与其他底盘模块组装而形成产品系列。上部可安装各类传感器与机械装置，以遂行清扫、巡检、侦察、出行、物流、配送和自动驾驶开发等多样化任务。

2、模块化前桥的机械结构高度集成，电气线路高度封装，使得底盘的组装、开发与调试工作大大简化，实现即插即用。

3、模块化转向系结构紧凑，传动链较同类产品大大缩短，传动精度高、响应迅速。

4、减速机构采用双级NGW构型的行星齿轮减速器，在有限的空间内具有较大的传动比，传动平稳，具有较高的传动效率与较强的承载能力。

5、转向系统采用伺服电机驱动，便于与整车的电控系统集成，便于上位机直接控制。

6、前悬架采用双横臂式独立悬架，使车辆具有良好的操纵稳定性和稳定的前轮定位参数。相比非独立悬架，双横臂悬架使整车质心高度降低，前桥结构更加紧凑。

7、本发明的模块化转向系统所涉及的主要部件在市场上均有成熟的供应商及产品；对于非标零件，在设计中充分考虑到结构的工艺性与装配技术要求，同时结合了模块化的技术特点。因此，本发明具有良好的可行性

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明模块化转向系统总成结构示意图；

图3为本发明模块化转向系统与车轮组件装配的结构示意图；

图4为本发明前桥模块总成结构示意图。

图中：1、模块化转向系统总成；2、悬架组件；3、车轮组件；4、副车架；10、齿轮齿条式转向器总成；11、转向器壳体；12、防尘罩；13、转向横拉杆内球节；14、转向横拉杆外球节；15、转向横拉杆外球节球销；16、梅花型联轴器；17、双级行星齿轮减速器；18、伺服电机；21、上控制臂耳片；22、上控制臂；23、下控制臂；24、减振器；25、下控制臂耳片；31、轮胎；32、轮毂；33、轮毂与轮毂轴连接螺栓；34、轮毂与制动器组件连接螺栓；36、轮毂轴承；37、轮毂轴。

具体实施方式

本发明实施例提供多用途无人车底盘模块化转向系统。

实施例1：

本实施例提供一种模块化转向系统总成，根据无人车转向系统的技术特点和转向系模块化技术要求，对其进行针对性设计。与乘用车转向系相比，无人车转向系省去了转向操纵装置，如转向盘、转向柱管等部件，转向系由电机直接驱动；转向系统的模块化设计要求转向系统的所有机械部件与电气线路集成在前桥模块内；同时，底盘的多用途化要求前桥模块内的部件能够方便地根据上装的不同进行更换。

如图2所示，模块化转向系统总成包括；转向器壳体11，防尘罩12，转向横拉杆内球节13，转向横拉杆外球节14，转向横拉杆外球节球销15，梅花型联轴器16，双级行星齿轮减速器17，伺服电机18。其中，伺服电机18的输出轴与双级行星齿轮减速器17内部的联轴器连接；减速机构的输出轴经由梅花型联轴器16与齿轮齿条式转向器10的主动齿轮轴相连。在啮合区域，齿轮轴的旋转运动转化为齿条的平移运动，在齿条两端通过球节与转向横拉杆内球节13和转向横拉杆外球节14相连；转向横拉杆外球节14末端的球销15与转向节相连，以推动转向轮偏转。

值得进一步说明的是：在图1所示的模块化转向系中，双级行星齿轮减速器并不是所述减速机构的唯一实现方案，根据转向系传动比的需要及与所选电机转矩、转速的匹配，也可采用单级行星齿轮减速器或其他构型的减速机构。转向驱动电机除伺服电机外，也可采用直流无刷电机。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，加入两侧车轮组件。如图3所示，为模块化转向系统与车轮组件连接的结构示意图。其中包括：转向节19，轮胎31，轮毂32，轮毂轴37，轮毂与轮毂轴连接螺栓33，轮毂与制动器组件连接螺栓34，轮毂轴承36。转向横拉杆通过转向节19操纵转向轮偏转。

所述转向节19是前桥重要的节点零件，它同时与转向横拉杆内球节13、转向横拉杆外球节14、制动器组件35、车轮组件3、悬架组件2相连。此外，转向节与车轮和悬架组件一起传递地面与车架之间的各向载荷。转向节需要根据悬架的形式和转向梯形的布置进行设计。在本实施例中，在双横臂悬架和前置断开式转向梯形的基础上设计了转向节的结构。其中，上下吊耳通过耳片与悬架的上下控制臂相连；在转向节中间设有两个轮毂轴承孔，轮毂轴37一端与轮毂32通过螺栓33连接，另一端与轮毂轴承36相配合，从而将车轮安装到转向节上。同时在转向节主体部分开设通孔以满足轻量化的需求；与无人车的生产批量相适应，转向节拟采用CNC进行加工。

车轮组件中的制动器为浮钳盘式制动器，其中制动盘35通过连接螺栓34安装在轮毂上，制动钳安装在转向节19上。

转向系统采用阿克曼转向系，采用前置断开式转向梯形布置，最大限度利用前桥纵向空间。在转向梯形的设计中，使用转向轮转角相对误差作为目标函数，匹配以三段阶跃型权重函数，并根据整车参数和转向系统的技术要求提出约束条件，对转向梯形进行优化，取得了良好的效果。

需要说明的是，转向梯形的布置可以有多种形式：转向器位于前轴后方，梯形后置；转向器位于前轴后方，梯形前置(中间输出式)；转向器位于前轴前方，梯形前置；转向器位于前轴前方，梯形后置，在此不做限定。

实施例3：

如图4所示，在实施例1和实施例2的基础上，增加了副车架4和悬架组件2，形成模块化前桥总成。悬架采用不等长双横臂式独立悬架。在悬架组件中，上控制臂耳片21为上控制臂22提供铰接点，并焊接或用螺栓连接在副车架4上层纵梁的两侧面；上控制臂22的另一端同样与耳片铰接，并固定在转向节19的上端通过螺栓连接。下控制臂耳片25固定在副车架下层纵梁上，下控制臂23将其与转向节19连接在一起。此外，减振器24安装在下控制臂上，另一端将铰接于底盘主车架上以缓和并衰减路面传来的冲击与振动。其中，上下控制臂可以平行布置，也可以呈一定角度；根据设计需求，控制臂的形状与连接方式也不限于图示方案，在满足功能要求的前提下，控制臂的结构形式可以有多种，且连接方式也可在众多铰链形式中选择，在此不做限定。

采用不等长双横臂式独立悬架能够显著提高无人车的操纵稳定性；同时双横臂式悬架占用空间小，不会侵占车架上层空间，使车架上方平整，有利于上装的布置和模块化设计；使前轮定位参数更加稳定；并能够有效降低车体质心高度。

副车架4是模块化前桥在结构上的实现方案，为转向系统、双横臂悬架提供安装位置；传递路面作用于车轮的各向力与力矩；并与底盘主车架连接。副车架采用不锈钢方管拼焊而成，并在上面加工有各部件的安装孔。

当需要将前桥模块与其他模块拼接成无人车底盘时，通过副车架上层的机械接口与底盘主车架进行连接；然后将前桥模块的供电线路与通信线路整合到一个插头内，在拼接底盘的过程中直接插接到一起。

另外说明的，上文中所叙述的前桥模块与底盘或车架的机械接口通过副车架与主车架之间的机械连接实现；电气接口通过将转向驱动电机和其他电气元件的供电线路，电机控制器及各传感器的信号线路整合到一个插头内，在搭建底盘时与其他模块插接在一起；

多用途无人车底盘的应用包括但不限于：出行、物流、配送、清扫、巡检、侦察等。当无人车底盘搭载不同上装时，可以通过更换转向系统中的伺服电机、减速机构等以适应不同用途对无人车底盘性能的差异化需求。也可根据若干特定用途对所述转向系统中的不同技术指标的部件进行搭配，以形成一个无人车前桥模块的产品系列。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于，包括：

转向器总成；

用于为整个转向系提供转向力矩转向的驱动电机；

2.根据权利要求1所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：还包括车轮组件，悬架组件和副车架；

3.根据权利要求1所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述悬架组件包括上控制臂，下控制臂和减振器，所述上控制臂与下控制臂通过耳片与铰链一端与转向节连接，所述上控制臂另一端与副车架相连。

4.根据权利要求1所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述副车架为前桥模块各组件或总成装配的基体，所述悬架组件的上下控制臂分别与副车架上下层的纵梁通过耳片连接。

5.根据权利要求1所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述转向驱动电机设置为伺服电机，所述主动齿轮轴处设置有转角传感器，所述转角传感器用于将检测到的转角行程反馈给伺服电机。

6.根据权利要求2所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述悬架组件一端与转向节通过铰接点相连，所述悬架组件另一端与副车架相连。

7.根据权利要求3所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述减振器一端与下控制臂相连，所述减振器另一端与所述多用途无人车底盘的主车架连接。

8.根据权利要求4所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述副车架设置为一个两层的框架式结构，所述转向器总成、减速机构和转向驱动电机固定安装于副车架底部。

9.根据权利要求4所述的多用途无人车底盘模块化转向系统，其特征在于：所述副车架的上层开设有机械接口，所述机械接口用于与主车架连接。