CN116022231A - 一种应用于滑板式底盘的线控转向机构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于滑板式底盘的线控转向机构及其控制方法,所述转向机构包括:转向节,其与轮端总成固定连接;转向执行机构,其包括:转向电机,其动力输出轴垂直于转向节的转向轴线;斜齿轮,其同轴固定设置在动力输出轴上;齿轮蜗杆轴,其包括同轴固定连接的齿轮和第一蜗杆;齿轮与斜齿轮啮合传动;蜗轮蜗杆轴,其包括同轴固定连接的第一蜗轮和第二蜗杆;第一蜗轮与第一蜗杆啮合传动;蜗轮输出轴,其包括同轴固定连接的第二蜗轮和转向节连接轴;第二蜗轮与第二蜗杆啮合传动,转向节连接轴与转向节连接。本发明中转向执行机构整体垂向高度低于轮胎边缘,方便车身或车架的布置,同时也能降低整车的质心,提高整车稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车线控转向技术领域,特别涉及一种应用于滑板式底盘的线控转向机构及其控制方法。
背景技术
在汽车底盘趋于电动化、集成化的大背景下,线控转向机构被引入到汽车底盘领域当中。线控转向机构能够省去大量的机械结构,提高传动效率,降低安全隐患,提升了行驶的稳定性以及安全性。线控转向机构集成在轮边,可以减少其在底盘占用的空间。同时,线控转向机构是滑板式底盘实现的基础。
现有的线控转向机构大多是通过转向电机连接到减速器进而固定到转向节上,从而驱动车轮转向。此类线控转向系统的执行机构布置在转向节的上端,以至于转向执行机构远高于轮胎的上端,侵占了车体的大量空间,不利于车身的布置,也增高了整车的质心。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于滑板式底盘的线控转向机构,其能够将转向机构整体都布置在转向节的中上部,使得转向执行机构垂向高度不超过轮胎边缘;在保证车轮大角度转动的同时,充分地利用了轮边的空间,更加便于车身的布置。
本发明还提供了一种应用于滑板式底盘的线控转向机构的控制方法,其能够实现各车轮独立且精确的转角控制,并且具有很好的安全性。
本发明提供的技术方案为:
一种应用于滑板式底盘的线控转向机构,包括:
轮端总成,其包括车轮、轮毂电机和制动系统;
转向节,其与所述轮端总成固定连接;
转向执行机构,其包括:
转向电机,其动力输出轴垂直于转向节的转向轴线;
斜齿轮,其同轴固定设置在所述动力输出轴上;
齿轮蜗杆轴,其包括同轴固定连接的齿轮和第一蜗杆;所述齿轮与所述斜齿轮啮合传动;
蜗轮蜗杆轴,其包括同轴固定连接的第一蜗轮和第二蜗杆;所述第一蜗轮与所述第一蜗杆啮合传动;
蜗轮输出轴,其包括同轴固定连接的第二蜗轮和转向节连接轴;所述第二蜗轮与所述第二蜗杆啮合传动,所述转向节连接轴与所述转向节连接。
优选的是,转向执行机构还包括:
壳体,其用于容纳所述斜齿轮、所述齿轮蜗杆轴、所述蜗轮蜗杆轴和所述蜗轮输出轴;所述壳体的下端开设有通孔,所述蜗轮输出轴的下端从所述通孔中穿出与所述转向节连接;
其中,所述壳体上设置有连接件,并通过所述连接件与上悬架臂的一端转动连接。
优选的是,所述斜齿轮的两端分别设置有第一轴承和第二轴承;所述壳体内分别设置有第一轴承安装座和第二轴承安装座,用于安装所述第一轴承和所述第二轴承;
其中,所述斜齿轮通过所述第一轴承和所述第二轴承可转动的支撑在所述壳体中。
优选的是,所述齿轮蜗杆轴的两端分别设置有第三轴承和第四轴承;所述壳体内分别设置有第三轴承安装座和第四轴承安装座,用于安装所述第三轴承和所述第四轴承;
其中,所述齿轮蜗杆轴通过所述第三轴承和所述第四轴承可转动的支撑在所述壳体中。
优选的是,所述蜗轮蜗杆轴的两端分别设置有第五轴承和第六轴承;所述壳体内分别设置有第五轴承安装座和第六轴承安装座,用于安装所述第五轴承和所述第六轴承;
其中,所述齿轮蜗杆轴通过所述第五轴承和所述第六轴承可转动的支撑在所述壳体中。
优选的是,所述第二蜗轮的两端分别设置有第七轴承和第八轴承;所述壳体内分别设置有第七轴承安装座和第八轴承安装座,用于安装所述第七轴承和所述第八轴承;
其中,所述蜗轮输出轴通过所述第七轴承和所述第八轴承可转动的支撑在所述壳体中。
优选的是,所述转向节连接轴与所述转向节的上节臂通过平键配合传动。
一种应用于滑板式底盘的线控转向机构的控制方法,包括:
当车辆处于前轮转向模式时,前轮转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定;
当车辆处于四轮转向模式时,前轮转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定;当前轮转向电机的转角值为a时,后轮转角值为K*a,其中K为关于车速的函数;
当车辆处于斜行模式时,所有转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定且相等;
当车辆处于横行模式时,以车轮逆时针旋转为正,顺时针为负,则左前轮转向电机的转角值为:α1=-90°*ig*iw1*iw2;
右前轮转向电机的转角值为:α2=90°*ig*iw1*iw2;
左后轮转向电机的转角值为:α3=90°*ig*iw1*iw2;
右后轮转向电机的转角值为:α4=-90°*ig*iw1*iw2;
其中,ig为齿轮蜗杆轴的齿轮与斜齿轮的传动比,iw1为第一蜗杆与第一蜗轮的传动比,iw2为第二蜗杆与第二蜗轮的传动比;
其中,W为轮距,a为车辆质心到前轴的距离,b为车辆质心到后轴的距离。
优选的是,通过方向盘转角对转向电机进行标定的方法为:
当方向盘转角为αsw时,转向电机转角信号值为:
其中,ix为方向盘与转向电机之间的传动比,l为转向电机控制器的反馈编码器线数,m为倍频数,k为标定系数;
当方向盘转速为nsw时,转向电机转速信号值为:
其中,A为转向电机控制器的解析度,v为速度控制系数;
ECU通过解析转向电机的转角以及转速的信号值,得到转向电机实际的转角以及转速的值,发送给转向电机控制器,进而控制转向电机的转角以及转速。
优选的是,k=1.12,v=6。
本发明的有益效果是:
本发明提供的应用于滑板式底盘的线控转向机构,采用双级蜗轮蜗杆的布置形式,只将转向执行机构的最后一级蜗轮布置在转向节上节臂上部,不过分占用其上方的空间,使得转向执行机构整体垂向高度低于轮胎边缘,进而方便车身或车架的布置,同时也能降低整车的质心,提高整车稳定性;同时,在保证车轮大角度转动的同时,充分地利用了轮边的空间,也提高了美观性。
本发明提供的应用于滑板式底盘的线控转向机构,采用双级蜗轮蜗杆的布置形式,采用的蜗杆均为自锁蜗杆,当车轮受到路面冲击时,动力不会逆向传递对转向电机造成冲击,轮胎能够保持固定的航向,能够提高行驶的安全性,提高了车辆在复杂路面的行驶能力。
本发明提供的应用于滑板式底盘的线控转向机构的控制方法,可以实现前轮转向、四轮转向、斜行、横行、原地转向等多种转向模式的切换,提高车辆在狭窄道路、狭小空间的通过能力,增强了车辆的可操纵性。各种转向模式都匹配有单独的计算方法,能够实现各车轮独立且精确的转角控制;而且各种转向模式的切换都有一定的先决条件,防止驾驶员的误触和驾驶过程中不合理的模式切换,具有很好的安全性。
附图说明
图1为本发明所述的车轮、悬架及转向机构的总体结构示意图。
图2为本发明所述的转向执行机构的内部结构图。
图3为本发明所述的转向执行机构的整体爆炸图。
图4为本发明所述的左壳体的结构示意图。
图5为本发明所述的右壳体的结构示意图。
图6为本发明所述的上壳体的结构示意图。
图7a-7b为本发明所述的左前轮的俯视图。
图8为本发明所述的左前轮的轴测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-3所示,本发明提供了一种应用于滑板式底盘的线控转向机构。
如图1所示,轮端总成5包括通过车轮以及集成在车轮中的轮毂电机和制动系统。轮端总成5通过螺栓螺母与转向节7固定连接。转向执行机构6的输出轴端与转向节7上节臂带有平键槽的孔配合并贯穿而出,转向执行机构6的输出轴末端开有螺纹,通过螺母将其与转向节7固定,限制转向执行机构6沿其输出轴的轴向位移。上悬架臂1的一端通过螺栓与转向执行机构6的吊耳连接,两者可以绕螺栓轴线自由转动,上悬架臂1的另一端通过螺栓连接到车架或者车身上。下悬架臂3的一端通过球头4与转向节7下节臂相连,连接处用螺母固定,下悬架臂3的另一端通过螺栓与车架或者车身相连。减震器2的下端通过螺栓连接到下悬架臂3的减震器基座上,其上端通过螺栓连接到车架或者车身上。
如图2-6所示,转向执行机构6包括:蜗轮输出轴601、蜗轮蜗杆轴602、齿轮蜗杆轴603、转向电机605、平键606、斜齿轮610及壳体。
转向电机605的动力输出轴垂直于转向节7的转向轴线;斜齿轮610同轴固定设置在转向电机605的动力输出轴上,斜齿轮610和转向电机605通过花键配合。斜齿轮610的两端分别设置有第一轴承604a和第二轴承604b;所述壳体内分别设置有第一轴承安装座和第二轴承安装座,分别用于安装第一轴承604a和第二轴承604b;其中,斜齿轮610通过第一轴承604a和第二轴承604b可转动的支撑在所述壳体中;转向电机605的壳体端面抵住第二轴承604b,并通过螺栓固定转向执行机构6的壳体上。
齿轮蜗杆轴603包括同轴固定连接的齿轮和第一蜗杆;所述齿轮与斜齿轮610啮合传动。所述第一蜗杆为自锁蜗杆,齿轮蜗杆轴603的两端分别设置有第三轴承和第四轴承,转向执行机构6的壳体内分别设置有第三轴承安装座和第四轴承安装座,分别用于安装所述第三轴承和所述第四轴承。其中,齿轮蜗杆轴603通过所述第三轴承和所述第四轴承可转动的支撑在所述壳体中。
蜗轮蜗杆轴602包括同轴固定连接的第一蜗轮和第二蜗杆;所述第一蜗轮与所述第一蜗杆啮合传动。所述第二蜗杆为自锁蜗杆,蜗轮蜗杆轴602的两端分别设置有第五轴承和第六轴承,转向执行机构6的壳体内分别设置有第五轴承安装座和第六轴承安装座,分别用于安装所述第五轴承和所述第六轴承。其中,齿轮蜗杆轴602通过所述第五轴承和所述第六轴承可转动的支撑在所述壳体中。
蜗轮输出轴601包括同轴固定连接的第二蜗轮和转向节连接轴;所述第二蜗轮与所述第二蜗杆啮合传动,所述转向节连接轴与转向节7通过平键606配合。所述第二蜗轮的两端分别设置有第七轴承和第八轴承;所述壳体内分别设置有第七轴承安装座和第八轴承安装座,用于安装所述第七轴承和所述第八轴承。其中,蜗轮输出轴601通过所述第七轴承和所述第八轴承可转动的支撑在所述壳体中。平键606与靠近所述第八轴承端的平键槽配合。
所述壳体的下端开设有通孔,蜗轮输出轴601的下端从所述通孔中穿出后,穿过转向节7上节臂孔,转向节7上节臂的上端面抵住所述第八轴承,蜗轮输出轴601的下端的末端开有螺纹,通过螺母将其与转向节7固定,限制转向执行机构6沿蜗轮输出轴601的轴向位移。转向节7上节臂的上端面与所述壳体的表面之间有一定间隙,防止两者相对转动时摩擦。其中,所述壳体上设置有吊耳,并通过所述吊耳与上悬架臂1的一端转动连接。
作为一种优选,第一轴承604a、第二轴承604b、所述第三轴承、所述第四轴承、所述第五轴承、所述第六轴承、所述第七轴承和所述第八轴承均采用圆锥滚子轴承。
如图3-6所示,在一种实施例中,所述壳体由左壳体607、右壳体608和上壳体609组成。
右壳体608一侧端面与左壳体607紧贴并通过密封胶密封,边缘处伸出有耳片,与左壳体607通过螺栓固定。上壳体609一侧端面与左壳体607紧贴并通过密封胶密封,边缘处伸出有耳片,与左壳体607通过螺栓固定,另一侧端面与右壳体608紧贴并通过密封胶密封,边缘处伸出有耳片,与右壳体608通过螺栓固定;上壳体609的一侧外部还伸出有吊耳,用于与上悬架臂通过螺栓连接。
左壳体607中设置有第一安装槽607a、第二安装槽607b、第三安装槽607c和第四安装槽607d,相对应的,右壳体608中设置有第五安装槽608a、第六安装槽608b、第七安装槽608c和第八安装槽608d,第一安装槽607a和第五安装槽608a相对设置,组成所述第一轴承安装座,用于安装第一轴承604a;第二安装槽607b和第六安装槽608b相对设置,组成所述第二轴承安装座,用于安装第二轴承604b。第三安装槽607c和第七安装槽608c相对设置,组成所述第三轴承安装座,用于安装所述第三轴承;第四安装槽607d和第八安装槽608c相对设置,组成所述第四轴承安装座,用于安装所述第四轴承。同时,左壳体607还设置有第五轴承安装座607e,用于安装所述第五轴承。右壳体608中还设置有第九安装槽608e,上壳体609中设置有第十安装槽609e,第九安装槽608e和第十安装槽609e相对设置,组成所述第六轴承安装座,用于安装所述第六轴承。上壳体609上设置有第七轴承安装座609f,用于安装所述第七轴承。右壳体608中开设有通孔608f,用于穿过所述转向节连接轴;通孔608f同时成为所述第八轴承安装座,用于安装所述第八轴承。
如图7a-7b所示,左前车轮逆时针转角可达50°,顺时针能实现90°转角。车辆左前轮的整体结构如图8所示。右前车轮与左前车轮镜像对称,左后轮和右后轮分别与左前轮和右前轮镜像对称,不再赘述。安装此线控转向机构的滑板式底盘可以进行前轮转向、四轮转向、原地转向、斜行、横行等多个行驶模式。
镜像对称的设置,使得所有转向电机同时正转或反转的情况下实现车辆的左转或者右转,使得控制更加简便。
本发明还提供了一种应用于滑板式底盘的线控转向机构的控制方法,其控制流程如下:首先车辆启动,ECU接收驾驶员的方向盘上转向模式按键指令、车速传感器传递的信号、前后车轮转角传感器的信号、方向盘转角传感器的信号,调整为相应的转向模式,更具体的是:
1.当驾驶员选择前轮转向模式时,ECU根据前后车轮转角传感器判断车辆当前方向盘转角是否为0,若不为0则切换转向模式失败,驾驶员选择将方向盘转角置为0或重新选择转向模式。反之,车辆切换为前轮转向模式,车辆切换前轮转向模式,前轮转向电机的转角随着方向盘的转角而定;
2.当驾驶员选择四轮转向模式时,ECU根据前后车轮转角传感器判断车辆当前方向盘转角是否为0,若不为0则切换转向模式失败,驾驶员选择将方向盘转角置为0或重新选择转向模式。反之,车辆切换为四轮转向模式,前轮转向电机的转角随着方向盘的转角而定;后轮转向电机的转角与前轮转向电机的转角成一关于车速的函数关系。
3.当驾驶员选择斜行模式时,ECU根据前后车轮转角传感器判断车辆当前方向盘转角是否为0,若不为0则切换转向模式失败,驾驶员选择将方向盘转角置为0或重新选择转向模式。反之,车辆切换为斜行模式,前后转向电机的转角同时随着方向盘的转角而定且转角值相等。
4.当驾驶员选择横行模式时,ECU根据车速传感器判断车辆当前车速是否为0,若不为0则切换转向模式失败,驾驶员选择降低车速至0或重新选择转向模式。反之,车辆切换为横行模式,前后转向电机调整为该转向模式设定的转角值。
5.当驾驶员选择原地转向模式时,ECU根据车速传感器判断车辆当前车速是否为0,若不为0则切换转向模式失败,驾驶员选择降低车速至0或重新选择转向模式。反之,车辆切换为原地转向模式,前后转向电机调整为该转向模式设定的转角值。
所述,不同转向模式下前后转向电机的转角值,更具体的是:
1.当车辆处于前轮转向模式时,前轮转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定;
2.当车辆处于四轮转向模式时,前轮转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定;当前轮转向电机的转角值为a时,后轮转角值为K*a,其中K为关于车速的函数。当前车速小于转折车速时,K为负数,即前后转向电机的转向相反;当前车速大于等于转折车速时,K为正数,即前后转向电机的转向相同。
3.当车辆处于斜行模式时,所有转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定且相等。在本模式中,若规定车轮从俯视图看逆时针旋转为正,顺时针为负,使得车轮转角α的取值范围为-50°~50°,即车辆能够实现-50°~50°内的斜行。
4.当车辆处于横行模式时,若规定车轮从俯视图看逆时针旋转为正,顺时针为负,则左前轮转向电机的转角值α1为-90°*ig*iw1*iw2,右前轮转向电机的转角值α2为90°*ig*iw1*iw2,左后轮转向电机的转角值α3为90°*ig*iw1*iw2,右后轮转向电机的转角值α4为-90°*ig*iw1*iw2;ig为齿轮蜗杆轴603的齿轮与斜齿轮610的传动比,iw1为一级蜗轮蜗杆传动比,iw2为二级蜗轮蜗杆传动比。
5.当车辆处于原地转向模式时,若规定车轮从俯视图看逆时针旋转为正,顺时针为负,则左前轮转向电机的转角值为其中W为轮距,a为车辆质心到前轴的距离,b为车辆质心到后轴的距离;右前轮转向电机的转角值为左后轮转向电机的转角值为右后轮转向电机的转角值为
所述,转向电机的转角值标定方法如下:
驾驶员转动转向盘,转向盘的转角信号、转速信号通过CAN通信传递至ECU,ECU进行数据处理,得到各转向电机的转角信号值以及转速信号值。ECU将转向电机的转角信号值以及转速信号值传递至转向电机控制器,转向电机控制器控制电机转角以及转速,实现相应的功能。
当方向盘转角为αsw(单位为°)时,对应的CAN通信的转向电机转角信号值为其中ix为方向盘与转向电机之间的传动比,l为转向电机控制器的反馈编码器线数,m为倍频数,k为标定系数,在应用实例中k=1.12;当方向盘转速为nsw(单位为r/min)时,对应的CAN通信的转向电机转速信号值为其中A为转向电机控制器的解析度,v为速度控制系数,在应用实例中v=6。ECU通过解析CAN通信中转向电机的转角以及转速的信号值,得到转向电机实际的转角以及转速的值,然后发送给转向电机控制器,进而控制转向电机的转角以及转速。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,包括:
轮端总成,其包括车轮、轮毂电机和制动系统;
转向节,其与所述轮端总成固定连接;
转向执行机构,其包括:
转向电机,其动力输出轴垂直于转向节的转向轴线;
斜齿轮,其同轴固定设置在所述动力输出轴上;
齿轮蜗杆轴,其包括同轴固定连接的齿轮和第一蜗杆;所述齿轮与所述斜齿轮啮合传动;
蜗轮蜗杆轴,其包括同轴固定连接的第一蜗轮和第二蜗杆;所述第一蜗轮与所述第一蜗杆啮合传动;
蜗轮输出轴,其包括同轴固定连接的第二蜗轮和转向节连接轴;所述第二蜗轮与所述第二蜗杆啮合传动,所述转向节连接轴与所述转向节连接。
2.根据权利要求1所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,转向执行机构还包括:
壳体,其用于容纳所述斜齿轮、所述齿轮蜗杆轴、所述蜗轮蜗杆轴和所述蜗轮输出轴;所述壳体的下端开设有通孔,所述蜗轮输出轴的下端从所述通孔中穿出与所述转向节连接;
其中,所述壳体上设置有连接件,并通过所述连接件与上悬架臂的一端转动连接。
3.根据权利要求2所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,所述斜齿轮的两端分别设置有第一轴承和第二轴承;所述壳体内分别设置有第一轴承安装座和第二轴承安装座,用于安装所述第一轴承和所述第二轴承;
其中,所述斜齿轮通过所述第一轴承和所述第二轴承可转动的支撑在所述壳体中。
4.根据权利要求3所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,所述齿轮蜗杆轴的两端分别设置有第三轴承和第四轴承;所述壳体内分别设置有第三轴承安装座和第四轴承安装座,用于安装所述第三轴承和所述第四轴承;
其中,所述齿轮蜗杆轴通过所述第三轴承和所述第四轴承可转动的支撑在所述壳体中。
5.根据权利要求3或4所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,所述蜗轮蜗杆轴的两端分别设置有第五轴承和第六轴承;所述壳体内分别设置有第五轴承安装座和第六轴承安装座,用于安装所述第五轴承和所述第六轴承;
其中,所述齿轮蜗杆轴通过所述第五轴承和所述第六轴承可转动的支撑在所述壳体中。
6.根据权利要求5所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,所述第二蜗轮的两端分别设置有第七轴承和第八轴承;所述壳体内分别设置有第七轴承安装座和第八轴承安装座,用于安装所述第七轴承和所述第八轴承;
其中,所述蜗轮输出轴通过所述第七轴承和所述第八轴承可转动的支撑在所述壳体中。
7.根据权利要求6所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构,其特征在于,所述转向节连接轴与所述转向节的上节臂通过平键配合传动。
8.一种应用于滑板式底盘的线控转向机构的控制方法,其特征在于,包括:
当车辆处于前轮转向模式时,前轮转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定;
当车辆处于四轮转向模式时,前轮转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定;当前轮转向电机的转角值为a时,后轮转角值为K*a,其中K为关于车速的函数;
当车辆处于斜行模式时,所有转向电机的转角值通过方向盘转角进行标定且相等;
当车辆处于横行模式时,以车轮逆时针旋转为正,顺时针为负,则左前轮转向电机的转角值为:α1=-90°*ig*iw1*iw2;
右前轮转向电机的转角值为:α2=90°*ig*iw1*iw2;
左后轮转向电机的转角值为:α3=90°*ig*iw1*iw2;
右后轮转向电机的转角值为:α4=-90°*ig*iw1*iw2;
其中,ig为齿轮蜗杆轴的齿轮与斜齿轮的传动比,iw1为第一蜗杆与第一蜗轮的传动比,iw2为第二蜗杆与第二蜗轮的传动比;
其中,W为轮距,a为车辆质心到前轴的距离,b为车辆质心到后轴的距离。
10.根据权利要求9所述的应用于滑板式底盘的线控转向机构的控制方法,其特征在于,k=1.12,v=6。
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