CN113561760B - 低非簧载质量近轮ipass系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车轮系统领域，具体地说是一种低非簧载质量近轮IPASS系统，包括：轮轴调节系统，其设有一个独立电动机控制车轮与车身的距离实现调节轮距；转向系统，其设有一个由独立电动机驱动的小齿轮沿着安装在装置顶部的转向内齿轮滚动实现转向，且电动机和齿轮隐藏在转向空心轴中减少垂直高度；近轮推进系统，独立的推进电动机通过花键组件、锥齿轮减速器和行星齿轮减速器传递转矩控制车轮前进和后退；独立的悬架系统，其采用液压减震和支撑系统，在不平坦的路面上行驶时，弹簧吸收垂直运动产生的冲击。本发明在车辆运动期间为每个车轮提供了独立的推进/制动、轴距控制、转向和悬架系统，可用于自适应优化牵引控制，实现多种转弯运动功能。

Description

低非簧载质量近轮IPASS系统

技术领域

本发明涉及车轮系统领域，具体地说是一种低非簧载质量近轮IPASS系统。

背景技术

近年来，技术发展使得以前不可能的事情成为可能。比如汽车工业正在考虑使用具有独立推进力的轮内和/或近轮机构或系统来制造更简单、更有效和更容易控制的车辆。

轮内和近轮系统具有独立的推进电动机，并且其作为电动机系统通常并入或靠近轮毂以用于直接驱动轮旋转。该电动机也称为轮毂电动机、近轮电动机、轮边电动机或轮内电动机。(本发明中所有进行的描述将同等地应用于轮内和近轮系统两者，为了保持简单性和通用性，近轮系统一词将与轮内系统互换使用，将在本发明上下文中单独提及的术语“近轮”在下文中将隐含地包括“轮侧”和“轮内”)。

仅出于机械简单性考虑，将电动机直接附接到车轮上似乎是显而易见的选择。尽管使用多个电动机比使用一个中央电动机要贵得多，但是近轮系统效率会更高，因为它具有较低的质量，并且相对于传统的复杂变速箱，这种方式也具有更少的摩擦损失。对于没有任何变速箱和机械传动装置的每个动力车轮，电动机可产生的扭矩可与传统车辆相媲美，甚至更好，在许多情况下，车辆制造商可以交付行驶更快或更远(或两者都有)的车辆，而成本却不比竞争对手高。此外，为汽车的每个车轮提供动力的能力也大大改善了汽车的操纵性能。

除了推进之外，每个车轮的转向、制动、悬架和轴长也可以完全独立控制。也就是说，车轮单元可以具有独立的控制机构分别用于控制驱动、轴长度调节、转向、制动和悬架。这种设计称为I.P.A.S.S.或IPASS(独立推进/制动、车轴调节、转向和悬架)(IndependentPropulsion/braking,Axle adjustment,Steering,and Suspension)系统(为了本发明描述方便起见，该名称还将适用于可能没有独立调节的车轴、制动和/或悬架的IPASS系统)。

自适应优化牵引(TAO)(Traction adaptively optimized)控制是一种现有机构，它可以使车辆的中央控制器根据每个车轮的潜在道路和交通状况分别向车轮发送命令。这些命令控制包括推进、制动、轴调节、转向和悬架控制，从而可以动态地、协调地和协作地实现反馈。这些操作的组合实现了性能和功能的优化。

电动机在汽车工业中的广泛应用使其用于IPASS系统设计更加可行(在本发明中，近轮驱动动力主要是电动机，尽管它也可以是任何其它类型的发动机)。近年来，公众已经意识到由化石燃料驱动的车辆对环境的不利影响。这些车辆的废气将诸如二氧化碳、二氧化硫、颗粒物、挥发性有机化合物等污染物排放到大气中，结果造成全球变暖加剧、农业生产减少以及其它环境问题。此外，化石燃料是不可再生的能源。为了更加环保，车辆制造商逐渐过渡到使用电动机的车辆。尽管以前的设计包括使用电动和内燃机的混合动力汽车，它们作为临时解决方案一起工作，但最终目标是完全过渡到仅使用电动机(EM)的电动汽车(EV)。

比较好的设计要求将汽车的非簧载质量(簧下)或体积保持在最小，但是现有的IPASS系统设计在这方面表现得不够好。非簧载质量或体积大小是指车辆悬架系统与道路之间的所有物体的质量或体积大小。在常规车辆中，这通常包括制动器、轴承、车轮、等速(CV)接头(万向节)和轮胎等。同时，簧载(簧上)质量由悬架支撑的所有部件组成，该部分包括车身、车架、内部组件(例如电动机和变速器)以及货物和乘客等。当前车辆中IPASS系统设计的问题在于，近轮电动机和变速箱会增加簧下质量(非簧载质量)，而增加的非簧载质量使车辆感觉好像其悬架和转向未经过调校，而调校是车辆开发的标准部分。通常较高的簧下质量会导致行驶时更加颠簸和嘈杂，并可能导致车轮控制问题，尤其是在剧烈加速或制动期间，较高的簧下质量也会使驾驶安全性降低，它还会缩短悬架弹簧的使用寿命，因为保持车辆牵引力而做的工作繁重，使弹簧更容易断裂。因此，许多汽车设计师认为近轮电动机是一种固有的问题。迄今为止，现有的IPASS设计无法避免此问题。需要对此问题有更好的解决方案。

现代工程设计可以完全避免IPASS系统的耐用性问题。在现有的IPASS系统中，将电动机放置在车轮上(而不是在引擎盖下)意味着当车辆在崎岖不平的道路上行驶时，电动机会受到冲击，电动机也会被水、沙子、砾石和其它碎屑击坏。尽管这些条件可能会带来问题，但大量的实际测试表明，现代工程设计者可以设计出承受这些障碍的产品。所以IPASS系统不再遭受可靠性问题的困扰。

对各种应用中较高的需求，只有IPASS设计才具有明显竞争优势，例如低地板的货运车辆、防抱死制动系统(ABS)、防滑调节(ASR)、电子稳定程序(ESP)、电动全轮驱动(AWD)、全轮独立转向、扭矩矢量控制和自适应优化牵引(TAO)控制等。但IPASS系统的设计所面临的困难和问题使大多数汽车制造商对它的优点视而不见。现在，低簧下质量、牵引力自适应优化控制和高度模块化、具有独立推进、制动、转向、尤其是轴调节功能的近轮电动机的时代来临了。

在机动车辆中，动力总成包括产生动力并将该动力传递至路面的各个主要部件。这些部件包括发动机、变速箱、驱动轴、差速器、轮轴和最终驱动轮。混合动力总成还包括一个或多个电动牵引电动机，使其转动以驱动车轮。全电动汽车(EV)完全消除了内燃机，完全依靠电动机来推进。机动车的动力传动系统或传动系包括了动力总成除了发动机或电动机外的其余所有组成部分，它是车辆中原动机之后的部分，它根据车辆特性如：前轮驱动、后轮驱动、四轮驱动还是更少见的六轮驱动或八轮驱动而变化。从广义上讲，动力总成包括用于将存储的(化学、太阳能、核能、动能、势能等)能量转换为用于推进目的动能的所有组件。这也适用于多种动力源和非轮式车辆的使用。

变速器用于改变从发动机到车轮的扭矩输出，以便驾驶员控制动力输出。变速器使用一组齿轮来改变从发动机传递到车轮的扭矩和速度。这些齿轮可使发动机在保持适当转速(RPM)的同时提供最佳动力，并防止损坏发动机。当前有五种类型的变速器：(1)手动变速器、(2)前轮驱动、(3)后轮驱动、(4)四轮驱动(4WD)或(5)全轮驱动(AWD)。车辆的驱动轴通过各种接头连接动力总成的其它组件，同时还将动力从发动机或变速器传递到车辆的另一端。差速器是发动机动力和车轮之间机构。对于近轮驱动电动汽车，由于每个轮内部或旁边都有一个独立的电动机直接驱动它，因此不再需要一个独立的复杂的多传动比变速器，也简化了动力总成的结构，减轻了重量，并最大限度地提高了动力传递效率。

动力总成系统的另一基本组件是车轴。车轴是穿过车辆中心的中心轴，该中心轴使车轮旋转。车轴具有多种用途：(1)保持车轮相对于车身的位置和轮距；(2)将驱动扭矩传递至车轮；(3)承载车辆的重量以及其它货物。车辆有两种类型的车轴：主动车轴和随动车轴。主动车轴根据其给定的传动比连接主动轮(例如，后轮或前轮驱动器)。当主动车轴转动时，主动车轴通过万向节将动力传递到车轮。另一方面，随动车轴是自由旋转的轴，用于支撑车辆和货物的重量。对于较大的车辆(例如卡车)而言，该车轴更为关键，因为大型车将通过多个车轴来承受更大的载荷。

当前的动力总成有两种主要形式：集中动力总成和分散动力总成。集中动力总成由单个电动机组成，该电动机通过变速器将动力传递到相应的车轮，该动力总成还包括差速器，差速器将发动机扭矩分配到驱动轮并相应地调节每个轮的转速，例如转弯时，外侧驱动轮的转速要比内侧驱动轮的转速更快，以保持牵引力平衡，这种类型的动力总成系统在可燃发动机车辆中是常见的，特别是在一组驱动轮(即前轮或后轮驱动)驱动的车辆中，而差速器位于车轴的中间，将动力分配给各个车轮。该动力总成的一个不便之处在于：车辆需要更高的离地高度，只能在车辆的前侧或后侧实现较低的离地间隙。

现有的分散动力总成使用附接到车轮上的两个或更多个电动机，通常每个驱动轮配置一个电动机。这种类型的动力总成系统具有简化的传动机构，并且可以获得更高的传动效率，但是整个动力总成的重量没有被悬挂，也没有悬架支撑，结果车辆更难以操纵，并且乘坐质量将降低，此外电动机安装在弹簧下方，因此直接受到车轮振动的影响，这种暴露会降低推进电动机的效率和使用寿命。

一旦来自发动机的动力到达车轮，动力总成也影响其它车辆系统。没有车轴，车辆将无法通过其转向系统转弯。转向系统是一系列组件的集合，这些组件使驾驶员可以使用连接到转向柱的手动方向盘来引导任何给定的车辆。大多数车辆使用齿条齿轮转向系统，在该系统中，转向柱旋转一个称为小齿轮的圆形齿轮，与齿条啮合以产生线性运动，从而使车轮朝预期的方向旋转。

最初转向控制需要较大的体力，二十世纪初开发了液压助力转向系统使得转向更加轻松。随着时间的流逝，动力转向进一步发展，然而由于驱动齿轮的液压缸的存在，车辆还面临着较低的燃油效率，这种低效率激发了电动助力转向的发展，从而消除了对这种液压缸的需求并提高了燃油效率。如今，电动助力转向已出现在大多数现代车辆中。电动助力转向使用传感器来检测由方向盘引导的转向柱的位置和扭矩，然后电动机内部的计算机模块会控制施加旋转所需的辅助扭矩。在发动机或电动机失速的情况下，只要系统处于活动状态，车辆将具有转向辅助。

当车辆移动时，动力传动系还影响到悬架系统，该系统由弹簧、减震器、支撑杆和防摆杆组成，它们共同工作而产生如下作用：(1)增加车轮与地面的附着力；(2)吸收不平坦地形的震动；(3)提供稳定性和平顺的行驶质量。悬架可以是非独立或独立系统。在使用主动轴和随动轴的商用和货运车辆(如前轮和后轮驱动车辆)中，悬架系统通常是非独立的，但是由于车轮不会及时地相对于地面移动，因此其对道路情况处理的可预测性较差，该系统另一个缺点是簧下质量更大，这会放大道路上的振动，并在加速或制动期间导致车轮控制问题。独立悬架更有利于操控，因为每个车轮在行驶时都会吸收冲击，该悬架通常使用连接至底盘或车架的控制臂或叉臂，任何差速器，例如与后轮驱动器相关的差速器，都安装在控制臂或叉臂中间的悬架上。

车辆的重心会影响车辆的稳定性，比如转弯操作时。一般车辆重心越低(离地面越近)，车辆的稳定性就越高。如果车辆重心保持较低，则车辆也具有更高的防侧翻能力。车辆的防侧翻能力还受到轮距、悬架高度和轴距的影响，更宽的轮距、更长的轴距和更低的悬架也是稳定车辆的关键。

跑车具有较低的车辆高度，因此它可以安全地高速操纵急转弯。另一方面，较大型的车辆具有较高的重心，因此车辆急转弯时可能会侧翻而导致车祸，较大型的车辆转弯时必须减速并以较大的转弯半径才能保持稳定。IPASS系统有助于降低车辆重心，并可用于车辆无阶梯上下车功能，该功能方便乘客无阶梯上下车，尤其是行动不便的乘客。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低非簧载质量近轮IPASS系统，其通过使用高度模块化的低非簧载质量IPASS车轮单元来改进电动车辆的动力总成系统的结构，可在运动过程中对每个车轮的推进/制动、轴距调整、转向和悬架进行独立、同步和实时控制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：包括地面上的车轮及与所述车轮的轮轴；旋转臂架；车轮支撑框架；车轮的轮轴调节系统，轮轴调节系统设有滑动轴电动机，轮轴调节系统一端与车轮支撑框架相连，且车轮支撑框架通过滑动轴电动机驱动移动调节轴长；车轮的近轮推进系统，近轮推进系统包括推进电动机、花键组件和齿轮组，推进电动机设于旋转臂架上且轴线与车轮轴线垂直，车轮的轮轴通过推进电动机驱动转动，且推进电动机通过花键组件和齿轮组传递转矩；车轮的独立转向系统，独立转向系统包括转向电动机、小齿轮和转向内齿圈，旋转臂架上端设有转向空心轴，转向电动机和小齿轮设于转向空心轴中，且转向电动机与旋转臂架固连，小齿轮通过转向电动机驱动旋转，转向内齿圈固设于车轮支撑框架上，且小齿轮与转向内齿圈啮合，转向空心轴可转动地设于车轮支撑框架上端，且转向空心轴与旋转臂架固连；车轮的悬架系统，悬架系统设于车轮和旋转臂架之间，悬架系统设有导向组件，且导向组件平行于推进电动机和花键组件；

一种设有所述低非簧载质量近轮IPASS系统的车辆，每个车轮由车辆的中央控制器分别独立控制，并且每个车轮的轮轴调节系统、近轮推进系统、独立转向系统、悬架系统也由中央控制器分别独立控制；车辆前端两个车轮的轮轴调节系统形成具有前轮距的前虚拟轴，车辆后端两个车轮的轮轴调节系统形成具有后轮距的后虚拟轴。

一种所述车辆的控制方法，形成前虚拟轴的两个前车轮分别独立控制，形成后虚拟轴的两个后车轮分别独立控制，并且每个车轮的轮轴调节系统、近轮推进系统、独立转向系统、悬架系统也分别独立控制。在车辆正常运动期间，前轮距通过前车轮外倾而延伸，后轮距随后跟随延伸至与前轮距相等，前轮距通过前车轮内倾而缩回，后轮距随后跟随缩回至与前轮距相等，通过车辆牵引以及控制所有车轮的动作实现具有适应性牵引的转弯，其中靠近转弯中心一侧的车轮是内侧轮，另一侧是外侧轮。

开始转弯时：前虚拟轴的内侧轮外倾，前虚拟轴的外侧轮转向并延伸，以增加前轮距的宽度，后虚拟轴的内侧轮内倾，后虚拟轴的外侧轮外倾并延伸，以增加后轮距的宽度，达到在转弯所需的最大前后轮距时缩回前虚拟轴的外侧轮和复位外侧轮倾角，前虚拟轴内侧轮倾角复位，缩回后虚拟轴的外侧轮和复位外侧轮倾角，以减小后轮距的宽度，后虚拟轴内侧轮倾角复位，当转弯完成时，恢复前后轮距宽度；另外转弯同时减小靠近转弯中心一侧的车轮悬架系统高度，增加远离转弯中心一侧的车轮悬架系统高度，当转弯结束时，倾斜为零，每个步骤中车辆系统控制在车轮与地面之间提供最优化地适应性的牵引力。将每个车轮方向调整至与一个弧形轨迹相切的方向，驱动车轮沿着所述轨迹移动，移动完毕后将车轮转回原始方向。

所述悬架系统包括液压缸和阻尼阀，其中液压缸设于旋转臂架与车轮之间，当车辆接近地面上的坑陷区域时，先通过控制相应悬架系统的阻尼阀使坑陷区域一侧的液压缸保持长度，此时坑陷区域一侧的悬架系统变硬，然后虚拟轴另一端车轮对应的液压缸充液抬高车辆，并使坑陷区域一侧的车轮抬起悬空，车辆继续行驶，并且悬空的车轮驶过坑陷区域，然后控制坑陷区域一侧悬架系统的阻尼阀使该悬架系统变软，并通过虚拟轴另一端车轮对应的液压缸排液降低车辆，使坑陷区域一侧的车轮着地。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明提供了一种用于具有独立推进、轴长可调节、通用性好、高度模块化、非簧载质量低的车轮单元，其具有独立的推进系统、轮轴调节系统、转向系统和悬架系统(IPASS)。本发明能够实现自适应优化牵引(TAO)控制，该控制包括但不限于以下方面：1)较低的未悬挂弹簧质量(低非簧载质量)，可实现更好的路面抓地力和行驶品质；2)更安全、更快、更迅速的转向能力，可实现变革性的转向；3)自适应避障；4)一系列创新的、独特的和先进的车辆运动功能，例如原地旋转、平行驾驶或泊车、动态轴、扭矩矢量、无台阶跪地、真实全轮驱动(AWD)、以及“楔形”刹车。

2、本发明轮轴调节系统用于车轴调整并且可以动态控制轮距，它允许通过滑块向外延伸或向内缩回轮轴，滑块连接到线性驱动器，该线性驱动器由第一独立电动机驱动，由于没有物理轴连接每对车轮，由前轮或后轮的独立轴共同作用，以形成车辆的虚拟轴和轮距。本发明独立的近轮推进系统由靠近并垂直于轮轴的第二个独立电动机提供动力，通过花键组件，锥齿轮减速器和行星齿轮减速器控制车轮的前进和后退运动。本发明的低轮廓独立转向系统设于车轮单元顶部，包括一个小齿轮和一个内齿圈，它们在空心轴内沿相反的方向旋转，小齿轮由第三台独立的电动机驱动，所述独立转向系统通过将转向电动机隐藏在转向空心轴内而导致极低的垂直空间使用，因此不需要在车轮上方增加任何高度。本发明的车轮单元还具有位于相应轮毂内独立的悬架系统，所述悬架系统利用液压缸和弹簧吸收在不平坦表面上行驶时垂直运动产生的冲击。

3、本发明通过用悬架系统支撑所有电动机的重量来降低车轮单元的非簧载质量，这使电动机成为簧载质量的一部分，它减少了独立电动机对车辆簧下质量的影响，而高簧下质量对于现有的近轮电动机解决方案和IPASS车辆来说是一个挑战。本发明车轮单元的簧下质量可以与传统车辆的簧下质量相当。

4、本发明所有独立可控的系统一起工作，以使独特的变形转向能力成为可能。使用变形转弯能够使车辆转弯更加安全，因为独立的车轴可以延伸并增加轮距，通过增加车辆的轮距，可以提高转弯稳定性并防止车辆侧翻，车身也可以通过独立地调节悬架系统的高度而倾斜以使其重心向内侧轮偏移，重心偏置也提高了车辆的稳定性。另外因为独立转向系统使圆形转向模式(也称为4轮转向)成为可能，即其中一组车轮朝一个方向旋转，而另一组车轮朝相反方向旋转，这使得车辆转向可以更快，另外由于车轮转向是完全独立的，因此可以分别调节转向角，以使车辆能够以最短的行驶路径更快地转弯。通过独立的近轮推进系统，为内侧轮和外侧轮提供不同量的推进扭矩，结果可以使车轮以不同的速度旋转，这样可以实现更快的转弯，外轮通常比内轮需要更大的扭矩。具有上述轮毂的车辆还具有急转弯的功能，这要归功于之前提到的属性，主要是独立的推进、车轴延伸、转向和车身倾斜，凭借更宽的轮距以及优化的车轮转向扭矩、速度和角度，现在可以实现以前无法实现的非常急的转弯。

5、本发明所有的独立系统配合使车辆具有更多的特征和功能。独立转向系统可实现就地旋转和平行行驶或停车，轮轴调节系统形成可调节的动态轴；独立的推进系统和转向系统协同工作，以实现真正的扭矩矢量，真正的全轮驱动(AWD)和防抱死制动(ABS)；通过独立的可调节车轴和转向系统的组合来实现自适应避障；独立的转向和再生制动共同作用，从而获得一种紧急制动系统，即楔形制动；车轮单元的所有独立组件都可实现无台阶跪地功能。

附图说明

图1为本发明车轮单元的结构示意图，

图2为图1中车轮单元顶部斜视角度的立体示意图，

图3为图1中车轮单元底部斜视角度的立体示意图，

图4a为图1中车轮单元的轮轴调节系统示意图，

图4b为图4a中的电动线性驱动器内部结构示意图，

图5a为本发明在车辆运动时调节轮距的轮轴伸出和缩回示意图以及如何实现转弯的示意图一，

图5b为本发明在车辆运动时调节轮距的轮轴伸出和缩回示意图以及如何实现转弯的示意图二，

图5c为本发明在车辆运动时调节轮距的轮轴伸出和缩回示意图以及如何实现转弯的示意图三，

图6为图1中车轮单元的近轮推进系统主视图，

图7为图6中的减速机和花键轴连接示意图，

图8a为图7中的花键组件总体视图,

图8b为图7中的花键组件顶部视图，

图8c为图7中的花键组件剖视图，

图9为图1中车轮单元的独立转向系统的立体示意图，

图10a为图1中车轮单元不同部件之间的独立转向、车轴以及簧载质量与非簧载质量的关系示意图一，

图10b为图1中车轮单元不同部件之间的独立转向、车轴以及簧载质量与非簧载质量的关系示意图二，

图10c为图1中车轮单元不同部件之间的独立转向、车轴以及簧载质量与非簧载质量的关系示意图三，

图11a为图1中车轮单元的悬架系统示意图一，

图11b为图1中车轮单元的悬架系统示意图二，

图11c为图1中车轮单元的悬架系统示意图三。

其中，100为车轮单元，102为车辆基座框架，104为车轮支撑框架，106为车轴滑块基座，108为电动线性驱动器，110为空心导杆，112为小齿轮，114为转向内齿圈，116为转向电动机，118为转向空心轴，120为上旋转臂，122为下旋转臂，124为推进电动机，126为花键组件，128为齿轮组，130为轮轴，132为轮辋内框架，134为悬架系统，136为轮胎，138为轮辋；202为制动器，204为制动盘，206为滑动轴，208为滑动滚珠衬套，210为滑动轴电动机，212为线性驱动器座体；302为锥齿轮减速器，304为锥齿轮减速器盖，306为行星齿轮减速器，308为悬架轴，310为悬架滚珠衬套；404为滚珠丝杠，406为从动皮带轮，408为滚珠螺母，410为同步皮带，412为驱动皮带轮；602为联轴器，604为行星齿轮减速器端盖，606为轴头，608为连接花键轴；704为花键轴螺母，706为花键套筒，708为驱动锥齿轮，710为从动锥齿轮，712为太阳齿轮，714为行星齿轮；802为凹槽，804为密封环，806为卡环，808为滚珠，810为滚珠轴承架；902为推力轴承；1002为可旋转部分，1004为不可旋转部分，1006为可延伸部分，1008为不可延伸部分，1010为簧下部分，1012为簧上部分，1102为弹簧，1104为液压缸。

具体实施方式

本文所使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。如本文所用单数形式“一”，“一个”和“该”旨在包括复数形式以及单数形式，除非上下文另外明确指出。“它们”，“他/她”或“他或她”可以互换使用，因为“它们”，“他们”或“她们”现在可以在现代英语中用作单数性中立代词。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“正包括着”时，其指定了所述特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件和/或其组群。除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与它们在相关技术和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或除非在此明确定义，否则过于正式。在说明书中公开了许多技术和步骤，其中的每一个具有单独的益处，并且每个也可以与一种或多种或在某些情况下的所有其他公开的技术结合使用。因此，为了清楚起见，该描述将避免以不必要的方式重复各个步骤的每种可能的组合。然而，应当在理解这样的组合完全在本发明和权利要求公开范围内的情况下阅读说明书和权利要求。

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，本发明公开内容应被认为是本发明内容的示例，并且不旨在将本发明公开内容限制于由以下附图或描述所展示的特定实施例。下面将通过参考优选或替代实施例并结合附图对本发明作详述。

独立的轮轴调节系统动态地控制车轴长度，该长度是从车轮到车身的距离，具有两个独立轴长的一对车轮一起工作以形成车辆的虚拟轴和轮距。如图1所示，该机制允许虚拟轮距通过车轮支撑框架104延伸和缩回实现调整。在本发明的一个实施例中，该车轮支撑框架104是通过电动线性驱动器108驱动，其由专用于轴调节的独立的滑动轴电动机210驱动。通过独立的轮轴调节系统，前后轮组被视为具有连接各自左右轮的虚拟轮轴，虚拟轴取代了传统的物理机械轴。轮组的近轮推进系统由第二个独立的推进电动机124提供动力，通过花键组件126、锥齿轮减速器302和行星齿轮减速器306控制车轮的前进和后退运动。轮组低轮廓的独立转向系统可在车轮旋转时使车轮转向，独立转向系统的大多数零件都安装在转向空心轴118内，转向空心轴118位于车轮单元100的顶部。小齿轮112在转向空心轴118顶部的转向内齿圈114上旋转，并由第三个独立的转向电动机116驱动。小齿轮112和转向内齿圈114之间的相对位置决定了车轮的转向角。与现有的IPASS系统相比，这种独立转向系统的设计有极低的垂直高度，因为转向电动机116和小齿轮112等部件大多设于转向空心轴118内的垂直空间中，而将转向电动机116和小齿轮112置于转向空心轴118内，就无需在车轮上方留出更多空间。在其它现有的IPASS系统中，转向电动机必须放置在齿轮上方，这会占用大量空间。每个车轮单元100还具有位于相应轮辋内的独立的悬架系统134。如图11a和图11c所示，在本发明的一个示例性实施例中，当在不平坦的地面上行驶时，悬架系统134利用液压缸1104和弹簧1102两者来阻尼和吸收来自竖直运动的冲击。

本发明每个车轮中的IPASS组件可以实现与本发明公开的机器或机构的目的有关的至少三个目标。

本发明的首要目标是获得与传统车辆相当的低非簧载质量。这种低非簧载质量是通过用悬架系统134支撑所有电动机来实现的。因此，大多数添加的近轮组件，例如推进电动机124和花键组件126成为簧载质量的一部分，而不是非簧载质量，通过将花键组件126与液压/弹簧悬架系统134混合在一起，可以实现从非簧载质量到簧载质量的转换，于是便减少了增加的车辆的非簧载质量，而这通常是现有的近轮电动机解决方案和车辆所面临的问题。

车轮单元100的IPASS设计下一个目标是提高车辆的转向能力。在本发明的一个优选实施例中实现改进的转向能力被称为变形转向，通过使用所有IPASS组件并在转弯操作期间改变车辆的物理结构和尺寸，可以大大提高车辆的性能。本发明的IPASS车轮单元改善了转向能力三个方面的性能：安全性、速度和舒适性。

增加的安全性：独立的车轴延伸可以在转弯时动态增加车辆的轮距，增大的轮距可使车辆稳定，即使在急转弯时也能防止车辆侧翻。对每个车轮悬架高度的独立调节使车辆可以向一侧倾斜，并增加了重力矩的长度，倾斜还可以降低车辆的重心，从而提高行驶安全性。

快速转向：在独立转向的情况下，车辆可以在转向时进入圆形转向模式(也称为4轮转向)，其中前轮向一个方向旋转，而后轮向相反方向旋转。独立的推进力为每个车轮提供不同的推进扭矩，尤其是为内轮和外轮调节的扭矩。如果车轮以不同且更高的速度旋转，则车辆可以比传统车辆以更快速完成转弯。如果独立转向调节每个车轮的角度以完成沿最短行驶路径的转弯，那么这也可以加快过程。

急转弯：独立的推进力、车轴延伸、转向和通过悬架的倾斜现在可以使车辆实现之前无法实现的急转弯，而不会牺牲安全性，新功能来自车轮在转弯时遵循最优化的行驶路径的能力。

车轮单元的最终目标是利用所有IPASS组件来实现各种高级运动特征和功能，包括但不限于：原地旋转、并行驱动或泊车、动态轴、扭矩矢量、无级跪、自适应避障、真正的全轮驱动和楔形制动。以上的进一步细节包括在下面的附图说明中。

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示为本发明讨论的车轮单元100的优选实施例的总体结构，该车轮单元100安装在四轮车辆上，并且图1表示伸出的左前轮的后视图。这里描述的具体设计仅是为了方便说明本发明的基本思想，而不应被视为对设计选项的限制，这包括机械设计中的变体，以实现相似的特征或功能目的，以及具有不同材料，组件数量，形状，结构和顺序的变体，这对本领域普通技术人员而言是显而易见的。

图1表示了本发明主要的四个部分：右侧表示用于动态轴调节的轮轴调节系统，顶部表示集成式的独立转向系统，中间表示近轮推进系统，左下方表示车轮和悬架系统。

在车辆操作期间，车辆中央电池向每个独立的车轮单元100提供动力源，所有车轮单元100同时工作并实时调整，以实现整个车辆期望的运动和可操纵性。

如图1所示，所述车轮单元100包括车轴滑块基座106和车轮支撑框架104，其中车轴滑块基座106通过螺栓固定在车辆基座框架102上，车轮支撑框架104用作内挡泥板以保护车轮单元100的内部结构，如图1～2所示，所述轮轴调节系统包括电动线性驱动器108、空心导杆110和滑动轴电动机210，其中电动线性驱动器108安装在所述车轴滑块基座106上，电动线性驱动器108端部的空心导杆110与所述车轮支撑框架104连接，所述电动线性驱动器108和空心导杆110是实现本发明独立轴调节的主要部件，在接下来的几幅图中将详细说明空心导杆110和线性驱动器108的工作方式。

由于所述电动线性驱动器108和空心导杆110形成一个独立轴并将车轮支撑框架104和车辆框架102相连，而不是将其连接在每组车轮(例如左右车轮)之间，因此有效地形成了虚拟轴。所述电动线性驱动器108和空心导杆110形成的独立轴可以将车轮固定在某些位置，但并不用于使车轮滚动，电动线性驱动器108延伸或缩回又可以改变车轮支撑框架104和车轴滑块基座106的距离，如图2所示，滑动轴电动机210位于电动线性驱动器108的一端，且所述滑动轴电动机210驱动所述电动线性驱动器108工作。本发明通过控制每个电动线性驱动器108可以充分地检测和调整相当于车体与相应车轮之间的虚拟轴长，而这个调整最终会改变车辆的轮距。所述电动线性驱动器108和空心导杆110形成的独立轴是实现动态轮轴伸展或缩回、自适应避障以及本发明其它高级功能的关键，另外它在车辆的转弯中也起着第一关键作用。这些细节将在下面的图4和图5中进一步讨论。

如图1～2所示，所述车轮单元100的顶部设有独立转向系统，在所述车轮支撑框架104顶部设有一个转向空心轴118，所述独立转向系统的所有部件均置于所述转向空心轴118中，因此与市场上其它现有设计和解决方案相比，本发明的独立转向系统具有极低的外轮廓，独立转向模块的高度约为所有其它技术和产品的一半。

如图1～2所示，所述独立转向系统包括转向电动机116、小齿轮112和转向内齿圈114，其中转向内齿圈114安装在车轮支撑框架104的顶部，且所述转向内齿圈114是固定的，在转向过程中不会随车轮一起移动，位于转向空心轴118内的转向电动机116驱动小齿轮112转动，小齿轮112则与所述转向内齿圈114啮合并相对于转向内齿圈114旋转，转向电动机116为用作第一级减速的齿轮减速电动机，小齿轮112和转向内齿圈114用作第二减速器，由于将转向内齿圈114安装在车轮支撑框架104上，一旦小齿轮112沿着转向内齿圈114滚动，便会导致转向电动机116、转向空心轴118和与转向空心轴118连接的所有零件在机架中转动。这种独立的转向机制是实现TAO(自适应优化牵引)控制的关键。更重要的是，独立转向系统在变形转弯过程中为实现更快、更急的转弯发挥了第二关键作用，其中独立转向系统使前轮朝一个方向旋转，而后轮朝相反方向旋转，这就是所谓的圆形转向模式(又名4轮转向)。下面将在图9和图10中进一步讨论本发明的低轮廓独立转向系统的细节。

如图1和图3所示，车轮支撑框架104内设有近轮推进系统，并且近轮推进系统设于车轮旁边并驱动车轮，所述独立转向系统还包括旋转臂架，所述旋转臂架包括上旋转臂120和下旋转臂122，其中上旋转臂120与所述独立转向系统中的转向空心轴118固连，下旋转臂122上端与所述上旋转臂120垂直固连，所述近轮推进系统包括推进电动机124和齿轮组128，其中推进电动机124被垂直安装在上旋转臂120和下旋转臂122形成的空间内以被保护，在转向过程中，上旋转臂120、下旋转臂122、推进电动机124和所述近轮推进系统的其余部分通过所述转向空心轴118带动与车轮一起旋转，所述推进电动机124工作时通过花键组件126将动力和扭矩传递至齿轮组128，所述齿轮组128将动力和扭矩沿90度方向转换到车轮的轮轴130上，如图3所示，所述齿轮组128由锥齿轮减速器302和行星齿轮减速器306组成。所述独立的近轮推进系统在变形转弯过程中为实现转弯速度更快、角度更锋利的转弯起着第三关键作用，在这种情况下，推进扭矩优化地分配给内侧轮和外侧轮，以使它们以不同的速度旋转，另外独立的推进力也是实现TAO(自适应优化牵引)控制的关键，每个车轮单元100还包含一个独立的制动机构，如图2所示，该制动机构包括一个制动器202(又称制动钳)和一个制动盘204。因此，每个车轮都可以独立且彼此不同地加速或制动。本发明关于独立推进和制动的细节将在下面的图6和图7中进一步讨论。

如图1和图3所示，本发明设有独特的独立悬架系统134，其中车轮的轮胎136安装在轮辋138上，轮辋138内设有轮辋内框架132，轮轴130可转动地设于所述轮辋内框架132中，悬架系统134设于轮辋内框架132下端内壁与所述下旋转臂122下端之间以提供弹性连接。因此当振动从轮辋内框架132内到达下旋转臂122下端之前，大部分来自于车轮和轮辋内框架132的振动已经被悬架系统134吸收了。在轮轴130另一侧，如图7所示，所述花键组件126包含一个花键轴608和套装于其上的花键轴螺母704，所述花键组件126可以传递水平旋转扭矩，并允许推进电动机124和齿轮组128之间自由垂直移动。所述花键组件126与位于轮辋内部的悬架系统134一起平稳地工作是实现本发明独立悬架的关键。悬架系统134在变形转弯期间稳定车辆并独立调节各个车轮的高度，以在车身倾斜时使重心向内轮侧偏移方面起着关键作用。在以下图8和图11的段落中将进一步详细解释悬架系统134及其如何使车身倾斜。

如图1所示，所述悬架系统134支撑着下旋转臂122和推进电动机124使其成为簧载质量的一部分，推进电动机124位于下旋转臂122一侧，并通过花键组件126将扭矩传递到齿轮组128。与现有的轮驱动解决方案相比，本发明的这种设计大大减少了车辆的非簧载质量。因此，该设计实现了极低的非簧载质量近轮IPASS系统。这将在后面的段落以及图10中更详细地说明。

具有针对每个车轮完全独立的轴调节、加速、制动、转向和悬架系统，使电子控制的车辆具有更多的计算机化的、动态的控制可能，例如：360度转向；刹车转向，调整各个车轮的刹车偏斜以辅助转向；主动软件差速器，可根据需求来调整各个车轮的速度；主动制动偏压，可实时调整各个车轮的制动作用力，以保持车辆的稳定性。当近轮电动机通过单个固态电气或电子系统制动并驱动车辆时，可以通过软件升级来添加上述许多功能，而无需安装其它系统和硬件。这意味着车辆内有更多空间，并且减轻了重量、降低了制造成本。因此，对于装备有这种类型的近轮电动机的道路车辆，可以以合理的成本制造主动的动态安全系统。

理论上，独立转向轮单元可以具有360度或更大的转向能力。实际上，车轮转向不需要超过360度。在本发明的一个替代实施例中，车轮仅提供高达180度(+/-90度)的转向能力，其可以被编程为根据需要实时地转向。这实际上等效于完整的360度转向轮。总体而言，真正的360度转向能力或相当的同类产品可提供出色的车辆机动性。前述的独立转向系统与悬架系统高度控制相结合，可以降低车身使其与路牙等高，方便乘客、货物无台阶通行。完全集成的近轮电动机可以提供最高效率的动力。另外，单独的转向设计不需要进行物理的车轮定位。在车辆设计中使用单个统一车轮模块使其更易于使用，并提供更好的性能。每个模块都是车辆各个位置的标准配置，包括左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。

上述各个电动机分别通过电线连接至车辆的主电池，主电池系统根据驾驶员的命令将电能传输到相应的电动机，另外通过用电控代替一些机械部件，可以减轻车辆的重量，并且使车辆更容易控制。此外，所有车轮单元100协同工作，确保了灵活的控制需求。由于车轮单元100是独立的，因此每个独立的系统都以不同的速度运行。示例可包括但不限于：(1)每个单元轮轴调节系统的电动线性驱动器108推拉每个车轮支撑框架104移动以进行轮距调节；(2)每个单元独立转向系统的小齿轮112在转向过程中旋转应有的角度；(3)每个近轮推进系统的齿轮组128在推进和变形转弯期间产生应有的扭力；(4)当车身在急速操纵(即变形转弯)中调节每个悬架系统134的高度用以倾斜车身，等等。

即使不考虑乘客和货物的重量，具有较高重心的车辆也更难控制，这意味着车辆可能在急转弯时有侧翻的风险，这在高速行驶时尤其重要。本发明的独立悬架系统134可以单独地调节每个车轮的高度，这导致车身倾斜并且因此在转弯期间将其重心转移到内侧轮一侧，重心偏置增加了车辆的稳定性，这在急转弯时非常重要，这将在图5中进一步解释。

如图2所示，车轮的轮胎136和轮辋138安装在轮轴130上，这将在后面的段落和图6中进行详细说明，另外图2也简要说明了被轮辋138覆盖的制动器202和制动盘204。如图1所示，车轮支撑框架104覆盖车轮单元100的内部部件，如图2所示，所述车轮支撑框架104两侧通过滑动轴206和滑动滚珠衬套208实现与车轴滑块基座106的滑动连接，从而使电动线性驱动器108可以推拉所述车轮支撑框架104以调节轮距，其中滑动轴206安装在车轮支撑框架104上，滑动滚珠衬套208固设于车轴滑块基座106上并套装于对应侧的滑动轴206上，从而减少车轮支撑框架104在滑动轴206带动下产生的摩擦。本发明通过推动车轮支撑框架104移动而不是车轮本身移动，可以保护独立转向系统的组件在车辆运动期间不被暴露，另外本发明设有线性驱动器壳体212容纳并保护所述电动线性驱动器108和滑动轴电动机210。

图2所示为车轮单元100的左上视图，其中独立转向系统设于车轮支撑框架104的顶部，如前所述，由转向电动机116驱动的小齿轮112与转向内齿圈114啮合，以带动旋转上旋转臂120，进而使车轮转向，转向内齿圈114固设于车轮支撑框架104的顶部，小齿轮112和转向电动机116均位于转向空心轴118内部，且转向空心轴118下侧与上旋转臂120固连。因此本发明整个独立转向系统的高度几乎等于转向空心轴118的高度，这种空间设计使独立转向系统有极低轮廓，独立转向系统的更多细节将在后面的段落和图9中进行解释。

图3所示为车轮单元100的右下视图，除独立转向系统外，图2中车轮单元100其余部分说明也适用于图3。然而图3还部分地展示了近轮推进系统和悬架系统134的细节，其中近轮推进系统的推进电动机124附接到独立转向系统的上旋转臂120和下旋转臂122上，独立转向系统驱动上旋转臂120和下旋转臂122转动，进而带动近轮推进系统、车轮、悬架系统、制动等各个部分旋转，这将在图10中再次观察到。图3还展示了近轮推进系统的齿轮组128外部，其由锥齿轮减速器302和行星齿轮减速器306组成，锥齿轮减速器盖304密封并保护齿轮和花键组件126中的花键轴608。近轮推进系统更多细节将在后面的段落以及图6和7中进行解释。悬架系统134中的悬架轴308相对下旋转臂122滑动，悬架滚珠衬套310放置在悬架轴308和下旋转臂122之间，这减少了悬架轴308和下旋转臂122之间的垂直运动产生的摩擦。悬架系统134的更多细节将在后面的段落和图11中进行解释。

图4a～4b所示为本发明的独立轮轴调节系统的示例性示意图，其中图4a显示轮轴调节系统的结构，车轴滑块基座106通过滑动轴206和滑动滚珠衬套208与车轮支撑框架104滑动连接，滑动滚珠衬套208减小了滑动轴206和车轴滑块基座106之间的运动产生的摩擦，该移动通过电动线性驱动器108驱动实现，电动线性驱动器108使用滑动轴电动机210来驱动空心导杆110移动以驱动车轮支撑框架104的线性运动，滑动轴电动机210由线性驱动器壳体212保护。

图4b展示了本发明一个示例性实施例中的电动线性驱动器108内部结构示意图，图4a中对电动线性驱动器108的所有描述也适用于此，其中空心导杆110和滑动轴电动机210都被封装在线性驱动器壳体212中，线性驱动器壳体212内设有滚珠丝杠404，所述空心导杆110后端设有滚珠螺母408套装于所述滚珠丝杠404上，滚珠丝杠404在线性驱动器壳体212内旋转并驱动滚珠螺母408移动推动空心导杆110。滑动轴电动机210通过一个传动组件驱动所述滚珠丝杠404转动，所述传动组件包括驱动皮带轮412、同步皮带410和从动皮带轮406，其中驱动皮带轮412安装于滑动轴电动机210的输出轴上，从动皮带轮406安装于滚珠丝杠404轴端，由滑动轴电动机210驱动旋转的驱动皮带轮412通过同步皮带410使从动皮带轮406旋转，进而驱动滚珠丝杠404旋转，从而实现滑动轴电动机210为电动线性驱动器108提供动力，以推动或拉动车轮支撑框架104移动。滚珠丝杠404的旋转运动转换成空心导杆110的线性推拉运动，空心导杆110的线性推拉运动最终推拉车轮支撑框架104移动，其中零间隙滚珠丝杠组件是精确线性运动的关键。

在替代实施例中，可采用梯形螺纹丝杠组件推动空心导杆110而不是滚珠丝杠404，梯形螺纹丝杠组件的一些优点包括无噪音、较少齿隙、降低成本、自锁等。但是，梯形螺纹丝杠组件比滚珠螺杆组件具有更高的摩擦力。在本发明的其它实施例中，用于使电动线性驱动器108运动的滚珠丝杠组件也可以被不同的机械形式代替，例如齿条和小齿轮组件、皮带轮和同步带组件或链轮和链条组件。

本发明对电动线性驱动器108和空心导杆110形成的独立轴用途进行了优化，因为它们可以在高精度的位置控制下移动车轮支撑框架104，其它优点包括但不限于：高效、低轮廓、低维护、使用寿命长和易于安装。在本发明的另一个实施例中，电动线性驱动器108被液压缸驱动器代替，液压缸会产生很大推力，并且更适合于重型机械，但是它需要其它组件配合，例如液压油箱和高压泵、阀门和管道，这些额外的组件占用更多空间并增加了车辆的质量，此外液压执行器需要附加传感器和控制系统以进行精确定位。

图5a～5c展示了在车辆向前行驶时使用独立的轮轴调节系统来调节轮距的轮轴伸出和缩回的示例性过程，图5a～5c还说明了独立轴以及车辆向左转弯时车轮指向的应用，同时还展示了在转弯期间车身的倾斜及通过轮轴调节而增加轮距。

图5a展示了本发明的独立轮轴调节系统的基本的伸出和缩回操作。车辆的左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512与车架之间的距离可以独立调节，这等效于调整其虚拟轴(即电动线性驱动器108和空心导杆110形成的轴)的长度或轮距。在虚拟轴延伸期间，当车辆向前行驶时，虚拟轮轴长度会增加，左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512都向外转向(相对于车身)，我们称车轮(左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512)进入“车轮外倾”，如图5a所示，随着车轮在向前行驶时向外移动，此时的第一左车轮轨迹502和第一右车轮轨迹504也相应地变化，窄轮距变为宽轮距。当延伸的车轮(左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512)缩回时，情况相反，车轮在车辆行驶时向内转动，并进入“车轮内倾”。当车轮向内缩回时，反向的第二左车轮轨迹516和第二右车轮轨迹514相应变化，宽轮距变回窄轮距。

图5a仅展示了当车辆两侧的车轮(左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512)车轮对称地“内倾”或“外倾”时的典型实施例。由于在本发明的IPASS设计中，所有车轮(左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512)可以被独立地操纵，所以每个车轮的轨迹也可以是不同的并且是不对称的。在非对称情况下，此后我们仍称单个车轮为“车轮内倾”或“车轮外倾”，就好像有另一个对称的车轮相匹配一样。通过短暂转动每个车轮，然后不久将其拉直，即可进行精确、实时的“车轮偏向”调节。

虚拟轮轴的变宽或变窄，也称为动态轮轴延伸和缩回，可以应用于各种应用。例如，当车辆在狂风中快速行驶、越野、地形崎驱不平时，通过加宽轮轴，防止车辆侧翻，此外驾驶员将更容易操纵车辆。轮轴调节系统形成的可伸缩的独立轴以及独立的推进、转向和悬架系统对于本发明中提到的新颖的变形转弯特别有用。“变形”转弯是一种通过优化和使用所有IPASS组件以快速、安全的方式实施高难度转弯的方法。它之所以此得名，是因为转向车辆会经历一系列形状、结构和/或尺寸的变化，这个细节将在下面的图5b和5c中详细说明。

图5b展示了在本发明的典型实施例中正在左转弯的车辆，其中处于初始位置540的车辆，其前面的前虚拟车轴546和后面的后虚拟车轴548完全缩回，车辆开始移动时，左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮512均处于其原始位置。为了进行自适应优化转弯，车辆将执行以下转换：(1)将前后虚拟轨迹向车辆的右侧延伸，以提高安全性和转弯性能；(2)不断独立地控制每个车轮的最优化角度转向；(3)不断地为每个车轮提供最优的驱动扭矩，并使其分别保持在最佳转速；(4)控制独立的悬架，使车身向左侧倾斜，以提高安全性和转向性能。

为了开始变形转向，车辆从开始转弯位置541继续前进，左后轮510和右后轮512仍保持其初始方向，后部虚拟车轴548不变，但是左前轮506开始向左转，而右前轮508仍保持其原始方向移动而开始延伸其轴宽，现在新扩展的扩展虚拟轴轮距为550，同时独立悬架还可以在变形转弯时使车身倾斜，这将在图5c中进行说明。

车辆在向左转的变形转弯的中间位置542继续前进，现在连接到外侧的右前轮508和右后轮512的两个独立轴都向外延伸，而内侧的左前轮506和左后轮510的两个轴没有变化。该动作使新的前虚拟轴518和后虚拟轴520都得到延伸，并将车辆的轮距增加到变形转弯的最大位置。此时，外侧右前轮508承受较大的扭矩并以更快的速度向左转，而外侧右后轮512也承受较大的扭矩并以更快的速度向右转，内侧的左前轮506和左后轮510承受较小的扭矩，并以较小的角度以及较低的速度转动。内侧左前轮506向左转，内侧左后轮510向右转，同时左轮轨迹502和右轮轨迹504的距离也相应变宽，如图5b所示，左前轮506和右前轮508彼此平行地旋转并且具有相同的转向方向，类似地左后轮510和右后轮512也彼此平行并且具有相同的转向方向。由于左前轮506和右前轮508与左后轮510和右后轮512向相反的方向旋转，因此处于转弯中间位置542的车辆进入圆形转向模式(又称为4轮转向)，因此可以更有效地完成转弯。每个车轮不断接收到的最佳旋转扭矩和速度还可以使转弯更快、更安全或沿更短的行驶路径完成。因此，在具有相同转弯性能的情况下，车辆现在能够执行更高难度的转弯，包括更急转弯或在更困难的地势上转弯

然后，车辆在接近终点的转弯结束位置543时，虚拟轴缩回，从而将外侧的右前轮508和右后轮512拉向车辆，同时，左前轮506、左后轮510、右前轮508和右后轮5伸直并最终返回其原始方向和位置。左前轮506和右前轮508将比左后轮510和右后轮512更早地缩回，此时缩回的前虚拟轴轮距为552，缩回的后虚拟轴轮距为554。

由于IPASS车轮是独立的，所以在本发明的又一实施例中，在变形转弯期间的车身角度将确定轮轴延伸多少以及转向系统使每个车轮转动的量。与图5b中所示的示例相比，每个车轮的轨迹也可能会变化并且完全不规则。

图5c展示了车辆在向左转弯时的车身倾斜示例，如图5c所示，车辆在从开始位置541到中间位置542、再到转弯结束位置543的左转弯运动期间，车身从其初始竖立位置522渐变倾斜到最大倾斜位置530，车辆从在开始位置541处的轻微倾斜开始，在中间位置542处达到最大倾斜，并在转弯结束位置543处返回到轻微的倾斜。倾斜运动是通过给每个车轮单元100的独立悬架系统134中的悬架液压缸的充液/排液来实现的，不同的液压油体积会导致每个车轮单元100悬架与地面的高度不同。例如在图5c中，内侧轮悬架526高度从其默认高度降低了100mm，而外侧轮悬架538高度从其默认高度增加了100mm；因此，从内侧轮到外侧轮的总高度差为200mm，这种倾斜围绕中心枢轴点524。当车辆倾斜到倾斜位置530时，其初始重心528移动到左下侧位置532，倾斜后重心便产生一个水平偏移量534和一个垂直偏移量536，垂直偏移量536是车辆因倾斜而降低其重心的高度，而水平偏移量534是车辆重心向左转弯中心方向偏移的量，该水平偏移量534具有与右外轮的轴延伸有相同的作用，如图5b所示，外轮(508、512)的车轴在车辆的右侧完全伸出，该扩展长度在图5c中显示为偏移量527。在倾斜引起的重心水平偏移量534和外轮轴延伸偏移量527的情况下，总等效轴延伸量E是重心水平偏移量534和外轮轴延伸偏移量527的总和。悬架系统134结构将在下文具体描述。

车轮单元的倾斜和轴延伸设计极大地提高了车辆的稳定性，并防止其在转弯时侧翻，特别是当车辆需要在复杂的地形上进行急速或突然操纵时。如图5c所示，在这样的转弯期间，当离心力535的扭矩大于重力525的扭矩时，车辆会围绕外枢轴支点529侧翻。它可以由以下公式表示:

F·H>G·L

其中F是来自转弯的离心力535，H是离心力535的力矩臂，等于车辆重心的高度(即车辆重心与地面之间的距离)，G是重力525，L是重力525的力矩臂。离心力F的计算公式如下：

F＝m·v²/r

其中，m是车辆的质量，v是转弯时车辆的速度，r是转弯半径。G＝m·g，其中g是重力加速度，一个等于9.81m/s²的常数。因此，结合以上两个公式，车辆的侧翻条件现在修改为：

H/L>g·r/v²

因此，在一定速度v和转弯半径r时，g·r/v²是一个固定值，较小的H和较大的L有助于防止车辆侧翻。L等于车轮轨迹宽度W的一半加上等效的臂的总延伸量E，即L＝W/2+E。如果没有侧倾和轴伸，E为0。如果有侧倾和轴伸，E为重心水平偏移量534和外轮轴延伸偏移量527的总和。在变换性转弯期间使用独立的悬架和车轴延伸可以降低H并增加L，结果是车辆不太可能侧翻。由于独立悬架使车身倾斜，并且独立轴在变换性转弯期间(即具有较小的H和较大的E)延伸了车辆的行驶轨迹，因此车辆现在可以以较大的v或较小的r(或两者)完成转弯，即使在困难的地形上也是如此。v越大，表示车辆转弯越快；r越小，表示车辆转弯角度越急。这样，新的变形转弯可以大大提高车辆的稳定性，并防止其翻身。当车辆需要在复杂的地形上进行急转弯时，变形转弯将特别有用。

电动线性驱动器108和空心导杆110形成的动态轴另一种应用是自适应避障，其也通过独立转向系统来执行，自适应避障包括实时检测单个地点的障碍，这样的障碍物可以是地面上的真实物体，也可以是沟渠，缺陷，水坑等，障碍物也可以是中央车辆控制器要避免的虚拟物体或区域。每个车轮的独立控制允许受影响的车轮通过短暂加宽或变窄车轮轴来避免上述障碍。尽管在有障碍物情况下悬架能提供一些帮助，但是自适应避障能够完全防止来自障碍物的冲击，可以帮助保证车轮单元和车辆的使用寿命不受影响。在不希望将车辆通过转向避开障碍物或障碍物很大的突然情况下，这种方法特别有用。与传统的转向避让相比，自适应避障可带来更加稳定的驾驶体验。

自适应避障也可以帮助车辆在转弯和倾斜过程中保持稳定，尤其是在崎岖的地形上，各种地况都可能影响车辆重心，从而影响作用在车辆上的离心力，如果车轮在障碍物(例如石块，碎石，小的突起等)的上滚动，则将使情况变得更加复杂，这会影响车辆的有效轴距和重心的高度，根据转弯的方向和由于障碍物引起的初始倾斜，车辆可能甚至更容易侧翻。如图5c所示，内侧轮悬架526和外侧轮悬架538通常确保轮胎在地面上保持附着力，但是在这种情况下转弯可能会进一步使悬架承受压力，从而缩短其有效使用寿命。在这种情况下，自适应避障可以确保车轮在相对平坦的地面上行驶。

动态车轴应用的另一个示例涉及停车。如果车轮处于加宽轴状态，则将所有车轴变窄将使车辆适合有限宽度的停车位，在平行泊车的情况下，车辆行驶时车轮不会突出到路边。

图6展示了本发明独立的近轮推进系统正视图。通常一台车辆安装了四个独立的车轮单元100，本图则说明左前轮的近轮推进系统。如图1所示，近轮推进系统包括推进电动机124、花键组件126和齿轮组128，其中推进电动机124通过车辆电控系统控制，如图6～7所示，花键组件126包括一个花键轴608，推进电动机124的轴通过联轴器602和所述花键轴608上端连接，所述联轴器602吸收了推进电动机124输出轴和花键轴608之间的偏心误差，处于垂直位置的推进电动机124驱动所述花键组件126水平旋转，车辆驾驶员控制推进电动机124的旋转速度，自然也控制花键组件126的旋转速度，花键组件126驱动齿轮组128以固定的传动比传递扭矩到轮轴130和车轮本身。在电动汽车中，通过电动机驱动可以实现具有合适扭矩的较大的转速范围。齿轮组128包括锥齿轮减速器302和行星齿轮减速器306，其中锥齿轮减速器302用锥齿轮减速器盖304密封，并且锥齿轮减速器302设于行星齿轮减速器306侧面，行星齿轮减速器306使轮轴130旋转，从而使车轮旋转，而来自花键组件126的动力传递到锥齿轮减速器302，然后经行星齿轮减速器306由推进轴传递到车轮，使驱动与被驱动轴之间有90度夹角。轮轴130远端的轴头606将车轮和轮轴130固连。

如图6所示，制动器202和制动盘204形成制动系统，其中制动器202安装在轮辋内框架132上，并且制动盘204安装在轴头606上，这些部件吸收动能并通过施加摩擦力减慢车轮的旋转，最终使车轮保持静止，当制动器202夹紧在制动盘204上时，将执行此操作，但是通常会通过散热损失大量动能。考虑到轮单元属于电动车辆，在本发明的实施例之一中，车轮单元100可以使用再生制动，这有助于将一些损失的动能转化为电能。所述制动器202和制动盘204均为本领域公知技术。

如图1所示，本发明中的推进电动机124附接到独立车轮单元100的上旋转臂120和下旋转臂122上，其由悬架系统134支撑并被视为车辆的簧载质量的一部分，因此也减少了车辆的非簧载质量。这种设计解决了现有独立轮单元设计面临的过高的非簧载质量问题。这将在后面的段落和图10中进行详细说明。但是，本领域普通技术人员可以看到，具有低簧下质量的车辆将改善操纵性能和乘坐舒适性。

当车辆被转向时，近轮推进系统的运行速率被调整以使车辆安全地转弯。如前所述，近轮推进系统沿上下旋转臂转动的轴向方向移动，在变形转向期间，每个单元的转向系统都会使车辆的车轮转向以进入转向模式，而近轮推进系统将推进扭矩分配到各个车轮以适应转弯，这会使不同车轮的有不同转速。在变形转向期间，外侧轮通常比内侧轮以更快的速度和更高的扭矩旋转，当独立轮轴向外延伸外侧轮时，施加到轮上的推进扭矩会进一步受到影响，这可以使车辆在快速急转弯时保持稳定。

图7展示了本发明的近轮推进系统中所涉及的花键组件126和齿轮组128的详细视图，其中花键组件126包括花键轴608和花键套筒706，花键轴608上端与推进电动机124的输出轴连接，花键套筒706套设于花键轴608外侧，在所述花键套筒706上端设有花键轴螺母704，花键轴608下端穿过所述花键轴螺母704，花键轴608通过所述花键轴螺母704带动花键套筒706旋转的同时，花键轴608下端也可以沿花键套筒706垂直滑动，而花键套筒706下端与锥齿轮减速器302中的驱动锥齿轮708连接，锥齿轮减速器302中的从动锥齿轮710与所述驱动锥齿轮708啮合并通过所述驱动锥齿轮708驱动转动，所述驱动锥齿轮708和从动锥齿轮710将旋转动力从水平方向传递到垂直方向。由于每个车轮独立运行而没有物理机械差速器，因此等效的电子差速功能称为虚拟差速器或电子差速器，可以通过中心控制程序任意确定差数比。每个车轮具有独立的扭矩，可提供其它功能(例如，牵引力控制、稳定性控制)，且扭矩不受其它车轮的限制，这一点特别重要，因为具有此车轮单元的车辆可以以不同且独立的速度、扭矩和方向驱动每个车轮。

如图7所示，由于驱动锥齿轮708较小，与从动锥齿轮710在齿啮合的情况下，驱动锥齿轮708的转动速度比从动锥齿轮710快，如图6～7所示，所述驱动锥齿轮708、从动锥齿轮710以及齿轮减速器壳体和齿轮减速器盖304组成了一个锥齿轮减速器302。如图6所示，所述行星齿轮减速器306包括中心的太阳齿轮712和设于四周通过所述太阳齿轮712驱动的多个行星齿轮714。锥齿轮减速器302是第一级减速器，而行星齿轮减速器306是第二级减速器，其复合减速比约为1:10，具体取决于电动机的最大RPM、车轮直径、最大速度等。

上述实施例中，驱动锥齿轮708和从动锥齿轮710具有斜齿轮设计。在本发明的另一个实施例中，锥齿轮具有直切或正切的设计，但是与斜齿设计相比，直线切割设计被认为噪音更大，并且更容易受到振动的影响，这可能会影响其它独立系统的性能。

在本发明的又一个实施例中，近轮推进系统的锥齿轮设计可被蜗轮设计替代。在这种情况下，驱动锥齿轮708被蜗杆代替，其与承担从动锥齿轮710作用的齿轮啮合，在这种情况下，蜗轮可能会达到更高的减速比率，从而导致更大的速度降低，但是由于蜗杆和蜗轮不会像锥齿轮那样在垂直平面上相交，因此也可能需要对所述近轮推进系统进行修改，同样蜗轮被认为效率较低，并且由于点接触摩擦而产生更多的热量，这可能会影响推进系统任何相邻组件的功能和使用寿命，蜗轮齿轮的缺陷率也较高。此外，蜗轮减速机的自锁特性不适合其在车辆推进系统中使用，因为这使得车辆难以滑行。电动汽车通常使用单减速比传动或直接驱动，因为电动机可以通过调节电源在很宽的速度范围内旋转，而内燃机只能以合适的扭矩和效率在很窄的速度范围内旋转，因此它们需要多种传动比确保车轮具有较宽的速度范围，并具有更好的扭矩和燃油效率。但是多传动比降低了能量传递的效率，并且，电动机具有比内燃机更高的能量转换效率，结果电动机在无需改变齿轮比的情况下，即时传递最大扭矩的效率更高。通过使用单速比变速器，可以减少对车辆中其它零件的需求，并且在生产上更具成本效益，减少额外的零件还有助于使车辆更轻，更紧凑，从而留下更多的乘客和货物空间，并提供更好的设计灵活性。

如上所述，每个车轮的独立推进是真正的全轮驱动(AWD)的关键，真正的全轮驱动(AWD)与现有的四轮驱动(4WD)不同，现有的全轮驱动器具有采用前、后和中心差速器的动力传动系统，以向车辆的所有四个车轮提供动力，现有的四轮驱动车具有使用两个差速器和一个分动箱的动力传动系统，以为车辆的所有四个车轮提供动力。通常，在轿车和跨界车上都可以找到现有的全轮驱动，而在卡车上可以找到四轮驱动。真正的全轮驱动(AWD)是本发明中描述的一种，其中每个车轮分别具有一个电动机。因此，实际的四轮车辆将具有四个分别为所有四个车轮提供动力的电动机。

真正的全轮驱动使完整的扭矩矢量化技术成为可能。转矩矢量是汽车差速器中使用的一项技术，在本发明中，可以通过独立的转向轴调节和推进系统来完成。以前的扭矩矢量技术为差速器提供了改变每个车轮扭矩的能力，这使车轮有更好道路附着力，以更好地加速和操纵。但先前的扭矩矢量在前后差速器中实现，它向同一车轴上的两个车轮提供不同扭矩的能力有限。先前的转向系统使用单个齿条驱动同一轴上的两个车轮一起转向，这两个车轮始终平行，由于车轮没有单独的方向控制，因此它不是完整的“矢量化”。真正的全轮驱动为每个车轮提供扭矩，每个车轮上的扭矩，转向角和车轮至车身的位置完全独立，并且可以任意变化。真正的全轮驱动可以提供最大的抓地力和最佳的车辆操纵性能。

在本发明的替代实施例中，独立的制动机构被安装在每个车轮单元100中，制动盘204是独立控制的，因此车辆可以在每个车轮上进行不同的制动，以达到期望的效果。，这被称为基于制动器的转矩矢量。

图8a～8c展示了花键组件126的更详细的结构，其中图8a展示了包含花键轴608和花键轴螺母704的花键组件126顶部的示意图。在本发明的一个示例性实施例中，花键轴608上沿着轴向设有四个狭窄凹槽802，而花键轴螺母704内设有相对应的杆状凸起分别嵌入对应的凹槽802中，花键轴608和花键轴螺母704通过所述杆状凸起和凹槽802卡合实现同步旋转，进而带动花键套筒706同步旋转，同时花键轴608通过所述杆状凸起和凹槽802的导向可以沿着花键套筒706轴向移动，所述杆状凸起和凹槽802对于保持花键轴螺母704和花键套筒706随花键轴608同步旋转至关重要。花键轴608和花键轴螺母704之间的间隙被密封环804和卡环806覆盖。

图8b展示了花键组件126上部的俯视图，图8c展示了花键轴螺母704的剖视图。所述花键轴螺母704内设有沿着所述凹槽802旋转的滚珠808，所述滚珠808由滚珠轴承架810保持在合适位置，当花键轴螺母704在推进移动时，这些滚珠808移动使花键轴螺母704会产生无滑动摩擦(滚珠滚动)，这有助于延长花键轴608的使用寿命，并有助于机构在车辆行驶过程中无间隙移动。

在本发明的又一个实施例中，具有不同设计的花键轴608可用于完成相同的功能，这些花键轴608可以具有不同数量的槽或使用不同类型的槽来传递扭矩，他们还可以使用其它种类的滚珠轴承或不同数量的滚珠。花键轴608的这些变化可能在其它方面要更好地应用，这些独特的设计还可以提供更强的驱动力、更好的滑动能力、同心度传输、偏心的调整以及轴向和旋转运动的同时传递。一些常规的花键轴设计包括：(1)平行键花键；(2)渐开线花键；(3)螺旋花键；(4)锯齿花键；(5)冠状花键。其中平行键花键为等间距槽且侧面在径向和轴向上平行，换句话说，它们具有正方形轮廓，渐开线设于轴的侧面等距但不一样高，槽具有锥形脊，曲线具有增加的强度以减小应力集中。螺旋花键为槽在花键轴周围形成螺旋，侧面可以用平行或渐开线，这种设计可以使高负荷下的固定接头应力集中最小化，从而允许零件之间进行旋转和线性运动。锯齿花键为两侧等距分布，并形成V形。冠状花键类似于渐开线花键的侧面，但槽口经过修改以适应角度错位的情况。

所述花键轴螺母704、密封环804和卡环806的开口通常呈圆形，其容纳与花键轴608相关的多个狭窄凹槽802，但是开口的形状也可以是矩形、正方形等，最终只要保证它与花键轴(608)的形状相对应。

在本发明的又一个实施例中，花键轴可以被键轴代替，但由于减小了扭矩传递能力，因此该设计在重型应用中不是最佳选择，它比花键轴容易磨损。花键轴是首选设计，因为扭矩的传递更加均匀，并为齿轮提供均匀分布的负载，因此花键轴的使用可以延长组件的使用寿命。

本发明可以使用具有不同直径或长度的花键轴，它们可以更长一些，以适用于具有更高离地间隙的车辆，以便在越野情况下更好地工作。花键轴的直径也可以修改，但仍应足够大，以平滑地提供扭矩到组件(例如齿轮)。

本发明的花键轴可以由不同的材料制成，尽管花键轴可以由钢制成，但它可以由不同类型的钢(例如，不锈钢，碳钢或合金)甚至铝合金制成，不同的材料可承受花键轴槽之间的局部应力也不同。

上述花键轴608是实现本发明车轮单元100的悬架系统的关键设计。这将在以下段落和图11中进一步详细描述。

图9展示了本发明车轮单元100的低轮廓独立转向系统的结构图，其中转向空心轴118通过两组推力轴承902支撑并套装于车轮支撑框架104上端通孔的内壁上，推力轴承902在支撑轴向载荷方面起着重要作用，转向内齿圈114固定在车轮支撑框架104上，同时小齿轮112与车轮支撑框架104上的转向内齿圈114啮合。所述转向空心轴118引导上旋转臂120和下旋转臂122在车轮单元100内旋转，以便沿所需方向引导车辆，小齿轮112旋转的角度取决于转向电动机116根据驾驶员的命令提供的动力，该转向电动机116可通过电控线缆连接到方向盘，然后接收来自方向盘的输入，该设置替代了传统转向系统中的转向柱和连杆。转向电动机116是带有绝对编码器的齿轮减速伺服电机，所有齿轮啮合时齿间间隙为“0”。推进电动机124尽管是分开的部件，但被附接到下部的上旋转臂120和下旋转臂122形成的空间中，其在车轮转向时随着旋转臂转动。

如前所述，独立转向系统从车辆的主电池接收电力，由于没有像传统的转向系统中那样将转向柱连接到单个车轮单元，因此导线可将电力传输到转向电动机116上，这也被称为线控转向技术，结果是节省了车辆内部的空间并减轻了车辆的重量。转向空心轴118是本发明具有紧凑外形的关键，小齿轮112、转向内齿圈114和转向电动机116被转向空心轴118和止推轴承902包围，这样可以减小轮组的尺寸。

图10a～10c展示了本发明的低簧下质量车轮单元100的左前轮的独立的转向、轮轴和簧上与簧下质量对比的总体概述。

图10a中标识了车轮单元100独立转向时车轮单元的可旋转部分1002和不可旋转部分1004之间的关系。转向电动机116在可旋转部分1002上端驱动小齿轮112旋转，然后小齿轮112沿着转向内齿圈114的内齿运动，由于转向内齿圈114安装在车轮支撑框架104上，转向内齿圈114和车轮支撑框架104形成所述不可旋转部分1004。随着车轮单元100的转动，可旋转部分1002围绕转向空心轴118的轴线相对于不可旋转部分1004旋转，如图10a所示，除了所述转向空心轴118、小齿轮112和转向电动机116外，可旋转部分1002的其它部件还包括整个近轮推进系统、悬架系统和制动系统，不可旋转部分1004由车轮支撑框架104、转向内齿圈114、整个轮轴调节系统和车架组成。

图10b中标识了轮轴调节系统独立调节时车轮单元100的可延伸部分1006和不可延伸部分1008之间的关系。由滑动轴电动机210驱动的电动线性驱动器108沿着车轴滑块基座106推动空心导杆110和车轮支撑框架104移动，当车轮支撑框架104向外推出时，可延伸部分1006中的所有其它部件也被推出，除了空心导杆110和车轮支撑框架104之外，可延伸部分1006中的其它部件还包括转向、推进、制动和悬架系统。

图10c标识了本发明车轮单元100中通过独立悬架系统134分隔的簧下部分1010和簧上部分1012之间的关系，构成簧下部分1010的组件包括齿轮组128、轮轴130、轮辋内框架132、轮胎136和轮辋138。

由上述可知，利用低簧下质量的独立转向、推进和制动的组合优点，配备有本发明的所有模块化车轮单元100的车辆可以实现新颖的能力，即楔形制动与再生制动相结合，楔形制动功能在由于任何不可预见的原因导致常规盘式制动系统无法正常工作的情况下，增加了额外的制动机构，只有在独立转向和再生制动都可用时才有可能。楔形制动是使每个轴上的车轮向内(车轮内倾)或向外(车轮外倾)偏转而行程楔形夹角。

在楔形制动期间，每个虚拟轴上的两个轮子独立地转向，并将它们自己定位成三角形，向内转弯(车轮内倾)和向外转弯(车轮外倾)都是可行的技术，并且会根据路况应用各种转弯方向和角度。由于前轮和后轮形成三角形，因此采用了独立的再生制动，以帮助停止车轮的旋转，这可以应用于车辆的所有轮轴。一旦驻车制动器不起作用或需要附加制动力，楔形制动功能可以扩展到驻车制动器。

类似地，低矮的独立转向系统使得平行行驶成为可能。平行驾驶操纵是指车辆侧向行驶，并且当所有四个车轮都沿相同方向转动时可以完成；这被称为倾斜转向模式(又称为螃蟹转向模式)。平行驱动对于在道路一侧，停车道等处的平行泊车也很有用。由于每个车轮都可以独立转向，因此四个车轮可以将自己与道路方向自由地最大90度角转向，从而轻松实现平行驾驶操作。此外，车轮的独立运动意味着它们都可以以不同的角度进入倾斜转向模式，以便在向前运动(例如，改变车道)的过程中侧向移动时精确运动。

配备有这种低簧下质量的独立转向机构的车辆也可以实现就地旋转。就地旋转是指车辆绕其中心点转弯，其中车辆仅进行旋转而没有线性位移。就地旋转对于在有限空间(例如停车场，建筑工地等)中转弯的车辆很有用。由于每个车轮都可以独立转向，因此标准车辆的四个车轮可以将自己定位成与圆形轨迹相切，从而实现顺时针和逆时针方向旋转。

虽然转向电动机116是基于驾驶员的输入命令驱动小齿轮112旋转的电动机，但其它因素可能使车轮单元100相对不可旋转部分1004在转向中起作用。为保证转弯期间车辆安全，车轮单元100旋转的角度会因独立轴的轴距调节而调整。当车辆在变形转弯模式时，这种变化在转弯时可以看到，车轮以适当的角度转弯，以使转弯更快，更锐利。

本发明车轮单元100的所有独立部件，可以从车辆前门、后门或侧门旁边方便地进行检修。360度转向系统和单独施加的推进扭矩可实现出色的机动性，使车辆可以在狭小的占地面积内旋转。这有助于车辆在极其狭窄的街道上行驶并以路边为基准精确和快速的停在有限的空间中。一旦停止，车辆将能够降低，从而将车辆的入口点降低至路牙高度，这样可以轻松地装载重物或繁琐的货物，并为行动不便的乘客提供无台阶通行通道。

当前，所有低地板公交车辆通常被分为两种主要类型：全低地板公共汽车，其在整个公共汽车长度内具有较低的地板(在欧洲更为普遍)和低入口公共汽车，其仅无台阶进入公交车的一部分，最常见的是在前门和中门之间(在北美更为普遍)。在北美，这两种类型的车辆通常都称为低地板，因为大多数车辆(不论类型)的地板都较低，车门内侧没有台阶。仅入口侧低地板设置的主要原因是允许在高架地板部分中更好地放置动力总成和其它技术设备。同样，仅入口侧低地板设置可在崎岖不平的道路上提供更舒适的乘坐体验。利用本发明车轮单元100可以实现完全低地板的公共汽车，而不会带来其它任何困难和不利影响。

图11a～11c展示了本发明车轮单元100的特殊悬架系统134的示例性结构视图，其中图11a为悬架系统134的前视图，该悬架系统134被嵌入在车轮单元的轮辋内框架132中。当车轮附接到轮轴130时，悬架系统134将被车轮轮辋138覆盖。图5c中的内侧轮悬架526和外侧轮悬架538就是由所述悬架系统134构成。

如图11a和图11c所示，所述悬架系统134包括液压缸1104、弹簧1102和导向组件，其中两个液压缸1104分设于轮辋内框架132供轮轴130穿过部分的两侧，且如图1所示，液压缸1104一端与伸入至轮辋内框架132内部的下旋转臂122相连，另一端与轮辋内框架132下端内壁相连，两个液压缸1104形成阻尼机构，其可用作减震器和液体弹簧，如图11c所示，液压缸1104外侧被套设有弹簧1102，液压缸1104通过液压阻尼和水平高度控制系统控制，该系统由液压泵、蓄能器、充液阀、排液阀、阻尼阀和油箱等组成，此为本领域公知技术，其中通过控制阻尼阀可使液压缸1104保持长度，也即是悬架系统134变硬或变软，另外所述悬架系统134的导向组件平行于所述推进电动机124和花键组件126，并且如图11c所示，两个液压缸1104和两个导向组件分别呈对角分布，所述导向组件包括悬架轴308和悬架滚珠衬套310，其中悬架轴308直接安装到轮辋内框架132上，悬架滚珠衬套310设于下旋转臂122中，且悬架轴308穿过所述悬架滚珠衬套310，所述悬架轴308和悬架滚珠衬套310起到导向作用，以将轮毂固定在适当的位置并为车身提供支撑，且所述导向组件绝对垂直于车轴，因此轮胎反弹时，车身仍保持一定水平。从某种意义上说，悬架轴308的功能类似于传统悬挂系统中的连杆臂，但它们与车轮同时弹跳，而悬架滚珠衬套310减少了和悬架轴308相对运动而产生的摩擦。当车轮在颠簸的路面上弹跳时，悬架滚珠衬套310沿悬架轴308滑动。

悬架系统134对于在本发明在变形转弯期间实现车辆倾斜是重要的。随着车辆开始进行转弯，所述液压缸1104根据转弯的方向和车身倾斜的位置来调节其长度，其中外侧轮的液压缸1104被注入液体以增加其长度，而内侧轮的液压缸1104被排出液体以减小其长度。悬架系统134通过高度调节最终使车身倾斜并降低重心，如图5c所示。

车轮单元100的独立控制可以帮助解决与悬架相关的一些问题。比如一旦车辆在有坑的道路上行驶，如果坑太大而不能依靠转向规避，车轮将掉进在坑里，然后再爬上坑边缘，这将对悬架、转向系统和车辆的结构造成损坏。本发明通过使用独立的悬架系统134控制可以顺利驶过坑陷区域，避免损坏，并使乘客乘坐舒适。

以右车轮接近大坑为例，当车辆接近地面上的坑陷区域时，右前轮对应的悬架系统134阻尼阀关闭，从而使对应的液压缸1104保持一定的长度，此时该悬架系统134变硬，同时左前轮的液压缸1104充液，它最终抬高了车辆的前侧，并使右前轮悬空，车辆继续行驶，并且悬空的右前轮驶过坑陷区域，在右前轮越过坑陷区域后，控制右前轮的悬架系统134阻尼阀打开，此时该悬架系统134变软，同时左前轮对应悬架系统134中的液压缸1104排液降低车辆前侧高度，使悬空的右前轮着地，这样右前轮便顺利通过了坑陷区域，右后轮越过坑陷区域的过程相同，另外应该注意的是，悬空轮没有推进力输出。

图11b展示了花键组件126、推进电动机124和花键轴608，如图1所示，所述花键轴608位于悬架系统134旁边，花键套筒706与花键轴608一起旋转，并且花键套筒706沿花键轴608垂直移动。该花键组件126与图11a和图11c中的悬架系统134一起工作，当悬架系统134改变车轮高度时，该花键组件126可使齿轮组128等部分随之同步升降，这是实现本发明IPASS设计的极低簧下质量的关键。只有这样，推进电动机124才能被视为簧上质量，这大大减小了车轮单元的簧下质量。

图11c展示了悬架系统134的立体示意图，其包括液压缸1104和弹簧1102，该图还展示了这些液压缸1104与穿过悬架滚珠衬套310的悬架轴308平行，该机构除减震功能外，还能相应地升高或降低车身，同时保持车轮与地面接触以进行牵引力控制。

如图1所示，两个液压缸1104前后对称设置于车轮单元100中，且每个液压缸1104及其上的弹簧1102安装在下旋转臂122的底部和轮辋内框架132之间，除了支撑车辆的重量外，液压缸1104还减慢了弹簧1102的弹跳运动速度，同时减小了车辆运动过程中的振动幅度。换句话说，弹簧1102保持刚性以确保在减震过程中车轮牢固地附着在地面上，液压缸1104将动能转换成热能，该热能被存储在液压缸1104内，然后被液压油耗散，能量首先通过液压缸1104的内部的活塞传递能量，液压缸1104中的液压油会减慢内部活塞和弹簧1102的运动。阻尼系统的刚度由阻尼阀控制，打开阻尼阀会增加油流量，从而使悬架变软，关闭阻尼阀会降低油流量，从而使悬架变硬。

所述悬架系统134的减震作用对速度是敏感的，当图11b中的花键轴608和近轮推进系统的其余部分以较快的速度运行，液压缸1104的阻尼机构提供了更大的阻力，这使整个悬架系统134可以适应更多的路况，并在车辆行驶中帮助车辆控制不必要的运动，例如摇摆、加速抬头、跳跃和刹车下潜。

所述悬架系统134的弹簧1102可以是螺旋弹簧或板簧等，弹簧的类型可以取决于特定车轮单元100的位置，其中螺旋弹簧是较常见的弹簧，通常与典型车辆的扭杆相关联，并且通常位于车辆的前部，这种弹簧会压缩和膨胀，以帮助吸收车轮的运动，其内部阻尼很小甚至没有，这种类型的弹簧便宜且紧凑，很适合本发明车轮单元100的低簧下质量设计。板簧是较旧的弹簧类型，通常在车辆后部使用，它们的设计更简单，更易于组装，但这种弹簧的内部摩擦提供了阻尼。尽管不如螺旋弹簧流行，但它们仍用于重型车辆和卡车。

液压缸1104由中央液压泵和连接至储液罐的控制系统提供动力，此为本领域公知技术，该机构可调节压力和流量，以满足车辆的负载、路况或乘客/货物需求，液压油箱将为液压缸1104提供液压油，可通过一些控制装置对其加压。液压悬挂系统是可定制的，通常可提供更硬的悬挂，然而定制的液压系统的行驶更颠簸，制造成本更高，并且更容易受到液体泄漏或车辆损坏的影响。在本发明的替代实施例中，液压缸1104可被空气弹簧(气垫)或由压缩气体提供动力的气缸代替，其通过使用空气压缩机实现驱动，气垫或气缸有助于提供更平稳的行驶和更好的操纵，此外它们更便宜，就卡车而言，可通过增加负载能力来改善牵引和拖挂性能。但是，无论动力源如何，由于压力较低，气动系统比液压系统需要更多的空间，在轮辋内安装空气悬架是一个挑战。

传统的独立悬架系统(即麦弗逊支柱，双叉骨或多连杆悬架)使用了一个支柱组件，该组件由带螺旋弹簧的单个减震器组成，并位于车轮旁边或上方。这占用了车辆中的更多空间，因此，传统的悬架减震机构可能会影响独立的车轴调节功能。轴的长度可能由于将车轮单元连接到车架的悬架臂而受到限制。当车辆制动时，悬架系统134可保持车辆稳定并防止其前俯，此时前轮液压缸1104的长度略有增加，这导致车辆的前侧上升，同时关闭每个液压缸1104的阻尼阀，使悬架变硬。抬头姿势和更强的减震效果相结合，可显着提高制动过程中的车辆操控性。

根据上述信息，本发明获得了独特的独立悬架系统134，这与连接车轮的梁轴系统相反，本发明一侧的移动不会影响另一侧的车轮。独立悬架系统可以用于任何汽车，其允许同一车轴上的每个车轮独立于其它组件垂直移动(即对道路颠簸做出反应)。在本发明的优选实施例中，边缘嵌入式悬架系统134必须与花键组件126一起配合工作以形成本发明独特的作用。

Claims (20)

1.一种低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：包括：

车轮及所述车轮的轮轴(130)；

旋转臂架；

车轮支撑框架(104)；

车轮的轮轴调节系统，所述轮轴调节系统设有滑动轴电动机(210)，所述轮轴调节系统一端与所述车轮支撑框架(104)相连，且所述车轮支撑框架(104)通过所述滑动轴电动机(210)驱动移动调节轴长；

车轮的近轮推进系统，所述近轮推进系统包括推进电动机(124)、花键组件(126)和齿轮组(128)，所述推进电动机(124)设于所述旋转臂架上且轴线与车轮轴线垂直，所述车轮的轮轴(130)通过所述推进电动机(124)驱动转动，且所述推进电动机(124)通过所述花键组件(126)和齿轮组(128)传递转矩；

车轮的独立转向系统，所述独立转向系统包括转向电动机(116)、小齿轮(112)和转向内齿圈(114)，所述旋转臂架上端设有转向空心轴(118)，所述转向电动机(116)和小齿轮(112)设于所述转向空心轴(118)中，且转向电动机(116)与旋转臂架固连，小齿轮(112)通过所述转向电动机(116)驱动旋转，所述转向内齿圈(114)固设于所述车轮支撑框架(104)上，且所述小齿轮(112)与所述转向内齿圈(114)啮合，转向空心轴(118)可转动地设于所述车轮支撑框架(104)上端，且所述转向空心轴(118)与所述旋转臂架固连；

车轮的悬架系统(134)，所述悬架系统(134)设于车轮和旋转臂架之间，所述悬架系统(134)设有导向组件，且所述导向组件平行于所述推进电动机(124)和花键组件(126)；

所述滑动轴电动机(210)、推进电动机(124)、转向电动机(116)分别独立控制。

2.根据权利要求1所述的低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：所述车轮内设有制动系统，且所述制动系统独立控制。

3.根据权利要求1所述的低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：所述齿轮组(128)包括锥齿轮减速器(302)和行星齿轮减速器(306)。

4.根据权利要求3所述的低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：所述行星齿轮减速器(306)包括中心的太阳齿轮(712)和设于四周通过所述太阳齿轮(712)驱动的多个行星齿轮(714)，所述锥齿轮减速器(302)为第一级减速器，所述行星齿轮减速器(306)为第二级减速器。

5.根据权利要求1所述的低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：所述车轮包括轮胎(136)、轮辋(138)和轮辋内框架(132)，轮辋(138)设于轮胎(136)中，轮辋内框架(132)设于轮辋(138)中，且轮轴(130)穿过所述轮辋内框架(132)，所述悬架系统(134)设于所述轮辋内框架(132)中，所述轮辋内框架(132)、轮辋(138)、轮胎(136)以及近轮推进系统中的齿轮组(128)和花键组件(126)形成非簧载质量。

6.根据权利要求1所述的低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：所述花键组件(126)包括花键轴(608)和花键轴螺母(704)，花键轴螺母(704)套装于花键轴(608)上并通过所述花键轴(608)驱动转动，同时所述花键轴(608)沿着所述花键轴螺母(704)轴向线性滑动。

7.根据权利要求6所述的低非簧载质量近轮IPASS系统，其特征在于：所述花键轴(608)上沿着轴向设有凹槽(802)，所述花键轴螺母(704)内设有杆状凸起分别嵌入对应的凹槽(802)中。

8.一种设有权利要求1所述的低非簧载质量近轮IPASS系统的车辆，其特征在于：每个车轮由车辆的中央控制器分别独立控制，并且

每个车轮的轮轴调节系统、近轮推进系统、独立转向系统、悬架系统(134)也由中央控制器分别独立控制。

9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于：所述车辆的车轮数量≥4个。

10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于：所述车辆前端两个车轮的轮轴调节系统形成具有前轮距的前虚拟轴，所述车辆后端两个车轮的轮轴调节系统形成具有后轮距的后虚拟轴。

11.一种根据权利要求10所述的车辆的控制方法，其特征在于：形成所述前虚拟轴的两个前车轮分别独立控制，形成所述后虚拟轴的两个后车轮分别独立控制，并且每个车轮的轮轴调节系统、近轮推进系统、独立转向系统、悬架系统(134)也分别独立控制。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：所述独立控制还包括驱动扭矩和/或制动扭矩矢量化。

13.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：在车辆正常运动期间，两个前车轮之间的前轮距通过前车轮外倾而延伸，两个后车轮之间的后轮距随后跟随延伸至与前轮距相等，所述前轮距通过前车轮内倾而缩回，所述后轮距随后跟随缩回至与前轮距相等。

14.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：通过车辆牵引以及控制所有车轮的动作实现具有适应性牵引的转弯，其中靠近转弯中心一侧的车轮是内侧轮，另一侧是外侧轮。

15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于：转弯时包括如下步骤：

开始转弯时：

前虚拟轴的内侧轮外倾；

前虚拟轴的外侧轮转向并延伸，以增加前轮距的宽度；

后虚拟轴的内侧轮内倾；

后虚拟轴的外侧轮外倾并延伸，以增加后轮距的宽度；

达到在转弯所需的最大前后轮距时：

缩回前虚拟轴的外侧轮和复位外侧轮倾角，以减小前轮距的宽度；

前虚拟轴内侧轮倾角复位；

缩回后虚拟轴的外侧轮和复位外侧轮倾角，以减小后轮距的宽度；

后虚拟轴内侧轮倾角复位；

当转弯完成时，恢复前后轮距宽度；

另外转弯过程同时：

减小靠近转弯中心一侧的车轮悬架系统(134)高度；

增加远离转弯中心一侧的车轮悬架系统(134)高度；

车身向靠近转弯中心的一侧倾斜，且转弯中间位置时倾斜达到最大；

当转弯结束时，倾斜为零；

每个步骤中车辆系统控制在车轮与地面之间提供最优化地适应性的牵引力。

16.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：将每个车轮方向调整至与一个弧形轨迹相切的方向，驱动车轮沿着所述轨迹移动，移动完毕后将车轮转回原始方向。

17.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：将每个车轮转向车辆一侧，驱动车轮转动使车辆向侧面移动，移动完毕后将车轮转回原始方向。

18.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：操作前虚拟轴或后虚拟轴的任一车轮形成内倾或外倾实现辅助再生制动。

19.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：当车辆接近地面上的障碍物或障碍区域时，延伸虚拟轴并使车轮外倾增加轮距直至障碍物或障碍区域不在车轮运行轨迹上，驾驶车辆经过障碍物或障碍区域，收缩虚拟轴并使车轮内倾恢复轮距。

20.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：所述悬架系统(134)包括液压缸(1104)和阻尼阀，其中液压缸(1104)设于旋转臂架与车轮之间，当车辆接近地面上的坑陷区域时，先通过控制相应悬架系统(134)的阻尼阀使坑陷区域一侧的液压缸(1104)保持长度，此时坑陷区域一侧的悬架系统(134)变硬，然后虚拟轴另一端车轮对应的液压缸(1104)充液抬高车辆，并使坑陷区域一侧的车轮抬起悬空，车辆继续行驶，并且悬空的车轮驶过坑陷区域，然后控制坑陷区域一侧悬架系统(134)的阻尼阀使该悬架系统(134)变软，并通过虚拟轴另一端车轮对应的液压缸(1104)排液降低车辆，使坑陷区域一侧的车轮着地。