CN112550509A - 轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构 - Google Patents

轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，上机械腿与电机总成固定连接；电机总成包括输出轴同轴且相对布置的两台减速电机，两台减速电机为动力源，为车轮转向和足关节运动提供扭矩；传动机构总成能够将电动机的单一方向的输出转化为两个不同方向的输出，分别是车轮绕主销旋转和足关节绕电动机轴线的旋转；足关节旋转锁紧机构确保在车轮转向的模式下，锁紧足关节的旋转运动和定位足关节的位置，车轮转向锁紧机构保证在足关节旋转的模式下，锁紧车轮转向和定位车轮的位置。本发明具有两条传动路线，很好地将足关节的绕车轮主销旋转运动和绕电机转轴的旋转运动分解，依靠两组锁紧机构切换工作模式，可靠且有效，并具有很好的应用潜力。

Description

轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构
技术领域
本发明属于轮式步履式车辆技术领域，尤其涉及一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构。
背景技术
步履式车辆凭借其结构上的特点，对复杂的地形有很强的适应性。现有的步履式车辆多为履带驱动，结构较为复杂，并且难以实现车辆的高速行驶。一种可行的方法是使用车轮代替履带，在保证对复杂地形的适应性的同时，减轻整车重量，提高车辆的动力性和经济性。不同于履带式的转向方式，轮式车辆要考虑橡胶轮胎的磨损问题，不能使用轮间差速的转向方式。而一般的步履式车辆的足关节结构只实现足关节的旋转运动，不能满足车轮转向的需要。
根据轮式步履式车辆转向的要求，必须要设计一种能应用在其上的足关节结构，能够同时满足车轮转向和关节旋转。并且考虑到在车辆上的使用要求，在结构上应当足够紧凑，在性能上应当能输出足够的扭矩。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明主要目的在于提供一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构。重点在于突出多输入多输出的传动结构设计和在不同运动模式下的机构运动控制方法。该步履转向驱动桥的足关节可以根据工况切换工作模式，并根据驾驶员的意志控制汽车行驶。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：包括上机械腿、电机总成、传动机构总成、锁紧机构总成和车轮总成；其中，
所述上机械腿与所述电机总成固定连接；
所述电机总成包括输出轴同轴且相对布置的两台减速电机，两台所述减速电机为动力源，为车轮转向和足关节运动提供扭矩，控制两种模式下的运动姿态；
所述传动机构总成传递扭矩，能够将电动机的单一方向的输出转化为两个不同方向的输出，分别是车轮绕主销旋转和足关节绕电动机轴线的旋转；
所述锁紧机构总成分别包括足关节旋转锁紧机构和车轮转向锁紧机构，所述足关节旋转锁紧机构确保在车轮转向的模式下，锁紧足关节的旋转运动和定位足关节的位置，所述车轮转向锁紧机构保证在足关节旋转的模式下，锁紧车轮转向和定位车轮的位置；
所述车轮总成设置在所述传动机构总成下端。
进一步，所述传动机构总成包括安装在两个电动机输出轴上的电动机输出轴锥齿轮，两侧所述电动机输出轴锥齿轮分别与上下两个行星齿轮啮合，行星齿轮架内部安装有行星齿轮轴，所述行星齿轮通过行星齿轮轴与行星齿轮架固定，所述行星齿轮架上设有主动锥齿轮并通过螺栓连接固定在其上，所述主动锥齿轮底部与车轮转向输出轴齿轮啮合传递扭矩，所述车轮转向输出轴齿轮与车轮转向输出轴固定，所述车轮转向输出轴上装有轴承安装在足关节壳内。
进一步，所述车轮总成包括减振器、车轮及轮毂电机、下臂、上臂，所述车轮转向输出轴固定连接上臂，上臂下端固定连接下臂和减振器，所述减振器和下臂分别与所述车轮及轮毂电机连接。
进一步，所述足关节旋转锁紧机构安装在上机械腿上，锁紧时限制所述足关节壳绕电机输出轴的轴线旋转的自由度；所述车轮转向锁紧机构通过连接螺栓安装在上臂上，锁紧时限制车轮转向的自由度。
进一步，所述足关节旋转锁紧机构和车轮转向锁紧机构均为小型盘式制动卡钳，锁紧时卡钳推动摩擦片与所述足关节壳接合产生摩擦力矩，实现锁紧功能。
进一步，所述电动机输出轴两端配有圆锥滚子轴承安装在足关节壳内。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明可以在只有一组同轴布置的电动机的条件下，使其具有车轮转向和足关节旋转两个不同的运动模式，同时保证轮式步履式车辆在道路行驶模式下的转向功能和在陆地行走模式下的行走功能。并且该足关节结构还具有体积小，重量轻，输出扭矩大等特点，特别适用于新型轮式步履式车辆。
2.本发明传动机构总成的主要功能是传递扭矩，能够将电动机的单一方向的输出转化为两个不同方向的输出，分别是车轮绕主销旋转和足关节绕电动机轴线的旋转。从机构自由度的角度分析，这是一个两自由度的机构；从动力输入输出的角度分析，这是一个多输入多输出的机构。
3.本发明锁紧机构总成可以约束机构运动的自由度，保证机械运动的稳定性。锁紧机构不仅要能实现运动模式的切换，还要确保在车轮转向的模式下，锁紧足关节的旋转运动和定位足关节的位置，同样要保证在足关节旋转的模式下，锁紧车轮转向和定位车轮的位置。使用制动卡钳进行锁紧可以实现两个部件任意角度的姿态固定，同时输出另一方向上的运动，例如在车轮旋转至一定角度的情况下，切换至行走模式，足关节依然可以工作，极大地提高了车辆在复杂地形上的通行能力。
附图说明
图1为轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构示意图
图2为轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构俯视图
图3为轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节传动机构剖视图
图4为陆地行走模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构简图
图5为陆地行走模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构示意图
图6为道路行驶模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构简图
图7为道路行驶模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构示意图
图中：1-上机械腿，2-足关节旋转锁紧机构，3-电动机输出轴锥齿轮，4-电动机输出轴，5-减速电机，6-车轮转向输出齿轮，7-车轮转向输出轴，8-车轮转向锁紧机构，9-减振器，10-车轮及轮毂电机，11-下臂，12-上臂，13-行星齿轮架，14-足关节壳，15-圆锥滚子轴承，16-行星齿轮轴，17-行星齿轮，18-主动锥齿轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本发明提供一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，包括上机械腿1、电机总成、传动机构总成、锁紧机构总成和车轮总成；其中，
所述上机械腿1与所述电机总成固定连接；
所述电机总成包括输出轴同轴且相对布置的两台减速电机5，两台所述减速电机5为动力源，为车轮转向和足关节运动提供扭矩，控制两种模式下的运动姿态；
所述传动机构总成传递扭矩，能够将电动机的单一方向的输出转化为两个不同方向的输出，分别是车轮绕主销旋转和足关节绕电动机轴线的旋转；
所述锁紧机构总成分别包括足关节旋转锁紧机构2和车轮转向锁紧机构8，所述足关节旋转锁紧机构2确保在车轮转向的模式下，锁紧足关节的旋转运动和定位足关节的位置，所述车轮转向锁紧机构8保证在足关节旋转的模式下，锁紧车轮转向和定位车轮的位置；
所述车轮总成设置在所述传动机构总成下端。
如图1所示，轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构示意图，主要包括上机械腿1、足关节旋转锁紧机构2、电动机输出轴锥齿轮3、电机输出轴4、减速电机5、车轮转向输出齿轮6、车轮转向输出轴7、车轮转向锁紧机构8、行星轮架13、足关节壳14和车轮总成。其中车轮总成包括减振器9、车轮及轮毂电机10、下臂11、上臂12。足关节两端安装有两台减速电机5，两者的输出轴轴线重合，通过螺栓连接固定在上机械腿1上，并且电机外壳体与足关节壳14间隙配合。足关节机构总成上共有两组锁紧机构，用于控制足关节的运动模式，足关节旋转锁紧机构2通过螺栓连接安装在上机械腿1上，车轮转向锁紧机构8通过连接螺栓安装在上臂12上。这两组锁紧机构的主要组成是小型盘式制动卡钳，足关节壳14充当制动盘的作用。由于上机械腿1和足关节壳14在轴向上存在间隙，在足关节旋转锁紧机构2解锁的状态下，足关节总成可以绕电机输出轴的轴线旋转。电机输出轴4将扭矩传递到一组行星齿轮机构，并通过车轮转向输出轴7输出到车轮总成。
如图2所示，轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构俯视图，足关节旋转锁紧机构2安装在上机械腿1上，在解锁状态下，卡钳与足关节壳间存在间隙，足关节总成可以绕电机输出轴的轴线旋转。
如图3所示，轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节传动机构剖视图，两个电动机输出轴锥齿轮3安装在电动机输出轴4上，并分别与上下两个行星齿轮17啮合，行星齿轮架13内部安装有行星齿轮轴16，行星齿轮17通过行星齿轮轴16与行星齿轮架13固定，同时主动锥齿轮18通过螺栓连接固定在行星齿轮架13上，主动锥齿轮18底部与车轮转向输出轴齿轮6啮合传递扭矩，车轮转向输出轴齿轮6与车轮转向输出轴7固定连接。电机输出轴4两端配有圆锥滚子轴承15安装在足关节壳14内。同样车轮转向输出轴7上装有轴承安装在足关节壳14内。
轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节运动模式切换的主要原理：减速电机5与上机械腿1固定，足关节壳体与电动机壳体间隙配合。若足关节旋转锁紧机构2处于解锁状态，那么足关节壳体可以绕电动机输出轴4的轴线方向旋转。若车轮转向锁紧机构8处于解锁状态，那么车轮将绕车轮转向输出轴7的轴线方向旋转。故在两组锁紧机构都处于解锁状态时，从机械自由度的角度分析该足关节结构设计是一个两自由度的结构，从动力输入输出的角度分析，这是一个多输入多输出的机构。通过锁紧机构的锁紧状态和解锁状态的切换，可以根据实际情况将一个自由度锁死，即可转化为一个单自由度的结构，从而实现运动模式的切换。
如图4所示，陆地行走模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构简图，足关节旋转锁紧机构2处于解锁状态，车轮转向锁紧机构8处于锁紧状态。通过锁紧机构上卡钳的摩擦力作用，车轮转向的自由度被锁死，整个机构只有足关节旋转的自由度。从减速电机5输出的动力经由电动机输出轴4，电动机输出轴锥齿轮3，行星齿轮17，行星齿轮轴16，行星齿轮架13，主动锥齿轮18，车轮转向输出轴7等传递到足关节壳14，使其绕电动机输出轴4做旋转运动，实现机械腿足关节的旋转运动。电动机输出轴4和足关节壳14之间为等速传动，传动比为1。此时，左右两台电动机的转速一致，输出的扭矩为两者输出扭矩之和。
如图5所示，陆地行走模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构示意图，电动机输出轴4旋转，带动足关节总成绕电动机输出轴4轴线方向运动，使得上机械腿1和足关节总成之间呈一定的夹角。
如图6所示，道路行驶模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构简图，足关节旋转锁紧机构2处于锁紧状态，车轮转向锁紧机构8处于解锁状态。通过锁紧机构上卡钳的摩擦力作用，足关节旋转的自由度被锁死，整个机构只有车轮转向的自由度。从减速电机5输出的动力经由电动机输出轴4，电动机输出轴锥齿轮3，行星齿轮17，行星齿轮轴16，行星齿轮架13，主动锥齿轮18，车轮转向输出轴齿轮6，车轮转向输出轴7等传递到车轮总成，使其绕车轮转向输出轴7做旋转运动，实现步履式车辆的转向功能。此时，由于足关节内设有行星齿轮机构，左右两台电动机的转速可以有一定的偏差，输出的扭矩为两者输出扭矩之和。
如图7所示，道路行驶模式下轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构示意图，电动机输出轴4旋转，带动车轮总成绕车轮转向输出轴7轴线方向运动，使得足关节壳14和车轮总成之间呈一定的夹角。
在上述实施例中，电机总成使用电动机作为动力源，为车轮转向和足关节运动提供扭矩，并且可以通过车载ECU控制电动机输出一定的转角，从而控制两种模式下的运动姿态。锁紧机构主要由液压制动卡钳组成，在工作状态下，卡钳内的液压缸推动摩擦片与摩擦盘接合，借助摩擦力对某个运动方向自由度的锁紧。其特点是可以实现两个部件任意角度的姿态固定，同时输出另一方向上的运动，例如在车轮旋转至一定角度的情况下，切换至行走模式，足关节依然可以工作，极大地提高了车辆在复杂地形上的通行能力。
本发明的控制方法为：在步履式车辆的道路行驶模式下，足关节旋转锁紧机构锁紧，车轮转向锁紧机构解锁。由于足关节旋转的自由度被约束，电动机输出扭矩将会传递到车轮部分，控制车轮转向，实现车辆在行驶时的转向功能。在步履式车辆的陆地行走模式下，足关节旋转锁紧机构解锁，车轮转向锁紧机构锁紧。由于车轮转向的自由度被约束，电动机旋转运动将会带动足关节的旋转，完成机械腿的行走动作。此时，车轮起到一般机器人行走足的功能，有良好的行走稳定性。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：包括上机械腿、电机总成、传动机构总成、锁紧机构总成和车轮总成；其中，
所述上机械腿与所述电机总成固定连接；
所述电机总成包括输出轴同轴且相对布置的两台减速电机，两台所述减速电机为动力源，为车轮转向和足关节运动提供扭矩，控制两种模式下的运动姿态；
所述传动机构总成传递扭矩，能够将电动机的单一方向的输出转化为两个不同方向的输出，分别是车轮绕主销旋转和足关节绕电动机轴线的旋转；
所述锁紧机构总成分别包括足关节旋转锁紧机构和车轮转向锁紧机构，所述足关节旋转锁紧机构确保在车轮转向的模式下，锁紧足关节的旋转运动和定位足关节的位置，所述车轮转向锁紧机构保证在足关节旋转的模式下，锁紧车轮转向和定位车轮的位置；
所述车轮总成设置在所述传动机构总成下端。
2.根据权利要求1所述的一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：所述传动机构总成包括安装在两个电动机输出轴上的电动机输出轴锥齿轮，两侧所述电动机输出轴锥齿轮分别与上下两个行星齿轮啮合，行星齿轮架内部安装有行星齿轮轴，所述行星齿轮通过行星齿轮轴与行星齿轮架固定，所述行星齿轮架上设有主动锥齿轮并通过螺栓连接固定在其上，所述主动锥齿轮底部与车轮转向输出轴齿轮啮合传递扭矩，所述车轮转向输出轴齿轮与车轮转向输出轴固定，所述车轮转向输出轴上装有轴承安装在足关节壳内。
3.根据权利要求2所述的一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：所述车轮总成包括减振器、车轮及轮毂电机、下臂、上臂，所述车轮转向输出轴固定连接上臂，上臂下端固定连接下臂和减振器，所述减振器和下臂分别与所述车轮及轮毂电机连接。
4.根据权利要求1所述的一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：所述足关节旋转锁紧机构安装在上机械腿上，锁紧时限制所述足关节壳绕电机输出轴的轴线旋转的自由度；所述车轮转向锁紧机构通过连接螺栓安装在上臂上，锁紧时限制车轮转向的自由度。
5.根据权利要求4所述的一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：所述足关节旋转锁紧机构和车轮转向锁紧机构均为小型盘式制动卡钳，锁紧时卡钳推动摩擦片与所述足关节壳接合产生摩擦力矩，实现锁紧功能。
6.根据权利要求1所述的一种轮式步履式车辆转向驱动桥的足关节结构，其特征在于：所述电动机输出轴两端配有圆锥滚子轴承安装在足关节壳内。
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