一種四輪獨立驅動和獨立全向轉向的電動車系統的製作方法
2023-06-01 15:42:02
本發明屬於四輪獨立驅動電動車領域，特別涉及一種四輪獨立驅動和獨立全向轉向的電動車系統。
背景技術：
傳統構型的機動車，採用內燃機或電動機為集中動力輸出，通過由齒輪、連杆等構件組成的傳動系統，驅動車輪旋轉。這一驅動模式使得車輪受到的軸系與連杆約束較多，各個車輪無法獨立轉向，造成車輛在通過狹窄急彎或平行泊車時面臨困難，同時傳統機械控制傳動存在傳動效率低的問題。
隨著技術的進步，電動車經過構型的改進具備了四個車輪獨立轉向的條件。一方面，輪轂電機與力矩電機的成熟，使車輛動力可以分布在各個車輪上，省略了複雜而笨重的變速箱與傳動系統，車輪之間不再有軸系與連杆限制其運動自由度。另一方面，電子線控轉向系統(steeringbywiresystem)開始替代傳統的純機械式轉向系統和液壓助力轉向系統，方向盤與轉向輪採用控制信號連接，在以方向盤轉角和車輛姿態為輸入、車輪轉角為輸出的合理控制率之下，可以改善汽車轉向的角傳遞特性，也使各個獨立轉向輪轉速/轉角/轉矩的綜合控制成為可能。現有的汽車轉向分系統，雖已從簡單的純機械式轉向分系統、液壓動力轉向分系統、電動液壓助力轉向分系統發展到更為節能及操縱性能更為優越的電動助力轉向分系統，改善了汽車轉向力的控制特性，降低了駕駛員的轉向負擔，然而仍採用的是機械傳動模式，轉向傳動比固定，轉向特性較差。現有的電子轉向系統雖改善了汽車轉向的角傳遞特性，但仍採用的是傳統轉向模式——前輪轉向(2ws)或是四輪轉向(4ws)，所述的傳統轉向模式是指兩個前輪的轉向角基本一致、兩個後輪的轉向角基本一致的30-40度轉向角、且具有6-8米轉向半徑的轉向操作。不僅如此，現有電子線控轉向系統採用傳統轉向模式浪費了電子線控轉向分系統的在轉向控制層面的靈活性優勢。
為實現電動車的獨立驅動與獨立轉向特徵，要求車輪具有獨立懸架。為實現360度獨立轉向，獨立懸架之間僅通過轉向系統到車身這樣的路徑連接，缺少了限制車輪轉向的車軸和懸掛結構，為車輪的安裝提供了兩種選擇，即懸架騎在車輪上的雙邊支撐和安裝在車輪一側的單邊支撐。現有雙邊支撐結構的受力情況較單邊支撐結構更佳，然而存在拆裝不便、只能使用轉動慣量較大而最大速度有限的輪轂電機等缺點。單邊支撐結構的優點是車輪外側和傳統的車輪外側相同，而且不僅可以配置單邊軸、功率更高和低速特性較好的輪轂電機，還可以配置高速特性好、穩定、附加轉動慣量小、更換更加簡便的傳統軸式電機作為動力源；同時單邊支撐結構通過與傳統車輪總成連接提高了可靠性。缺點是單邊支撐結構的力學複雜度高於雙邊支撐。單邊支撐結構被nasa的mrv試驗車與mobilerobots公司的seekur無人車採用，然而其減振裝置的布置較為簡單，僅能吸收單方向(上下方向)的衝擊，受到前後向或左右向衝擊時易損壞。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供一種四輪獨立驅動和獨立全向轉向的電動車系統。通過分布式動力分系統將整個懸架和四個車輪可以相互獨立地處於不同轉動角度上，同時可以輸出不同的扭矩，進而可以通過電傳操縱實現車輛的更加多樣化的行駛模式，包括指向與運動方向分離的平動機動、原地轉向、平動泊車等。
本發明提出的一種四輪獨立驅動和獨立全向轉向的電動車系統，採用如下技術方案：
一種四輪獨立驅動和獨立全向轉向的電動車系統，該系統的車輪採用傳統軸式驅動電機作為動力源，包括：車架分系統、能源分系統及操作分系統，其特徵在於，該電動車系統還包括工作站、4個相同且相互獨立的轉向分系統、4個相同且相互獨立的的單邊懸架分系統以及4個相同的車輪單元，各分系統均通過機械方式連接；其中，所述車架分系統為框架結構，為各個部件提供連接接口；所述4個轉向分系統均勻固定在車架分系統的四角，且位於前後排的轉向分系統對稱布置，1個單邊懸架分系統與對應的1個車輪單元機械連接後，該單邊懸架分系統通過1個在豎直方向上機械連接的轉向分系統與車架分系統固定，單邊懸架分系統由轉向分系統驅動轉，車輪單元由固定在單邊懸架分系統內的驅動電機驅動；能源分系統與車架分系統的接口連接，為各個分系統提供能源；所述工作站為桌上型電腦主機，固定在車架分系統後部，通過導線與各分系統連接；所述操作分系統按照與現有車輛相同的方式進行方向盤與踏板的布置，該操作分系統將機械信號轉化為相應的電信號傳輸到工作站，並與車架分系統的機械接口連接。
所述車輪單元包括：剎車底板、車輪輪軸、輪轂、輪胎、剎車總成、驅動電機；其中，所述驅動電機通過連接車輪輪軸，穿過剎車底板與輪轂、輪胎連接；所述剎車總成包括剎車盤與剎車鉗兩部分，剎車盤與輪轂同軸連接、隨輪轂轉動，剎車鉗與剎車底板連接；所述車輪輪軸固定在輪轂上，車輪單元通過該車輪輪軸與傳統軸式電機輸出端連接，車輪輪軸的形狀與輪轂上為了傳統車輛設計的機械接口相適應，所述車輪輪軸是連接傳統軸式電機輸出端與車輪單元的輪轂部分，與輪轂上為了傳統車輛設計的機械接口相適應。
所述轉向分系統包括：轉向電機、蝸輪蝸杆減速器、編碼器、2個對置的錐形軸承、4個角鐵、軸套、連接管及金屬安裝板，該金屬安裝板由上部的平板和下部的圓管一體成型且上下部連接處開有圓通孔；其中，所述4個角鐵分別位於金屬安裝板的四角且與金屬安裝板固定連接，各角鐵的兩側邊均分別與所述車架分系統固定連接，所述編碼器、蝸輪蝸杆減速器、轉向電機均通過金屬支架依次固定在金屬安裝板的上部，所述2個錐形軸承均穿過金屬安裝板下部並通過過盈配合與金屬安裝板固定；所述編碼器的輸出軸與蝸輪蝸杆減速器的輸出軸通過皮帶輪連接；該蝸輪蝸杆減速器的輸入軸和轉向電機的減速輸出軸均通過過盈配合分別與軸套一端連接；蝸輪蝸杆減速器的輸出軸通過連接管與所述單邊懸架分系統連接。
所述單邊懸架分系統包括：位於車輪單元中輪轂內側的轉向器機械接口、由偏置支架和阻尼單元構成的直接緩衝式支架、轉動副或球鉸、籠狀動力支架；其中，所述轉向器機械接口與轉向分系統內轉向電機的減速輸出軸連接；轉向器機械接口與所述偏置支架一體成型；所述阻尼單元上端與偏置支架通過轉動副或球鉸連接，下端與所述籠狀動力支架通過轉動副或球鉸連接；所述籠狀動力支架一端固定在輪轂內側，另一端為驅動電機提供安裝位置，驅動電機通過該動力支架將扭矩輸出至輪轂，驅動輪轂轉動。
所述彈性阻尼單元包括至少3個呈錐形布置的彈性元件阻尼器，彈性元件阻尼器兩端均通過轉動副或球鉸分別與偏置支架和籠狀動力支架連接；其中，第一、第二彈性元件阻尼器平行於車輪平面，且分列車輪中軸線兩側，其餘彈性元件阻尼器斜交於車輪平面以承受車輪載重，且斜交的彈性元件阻尼器連接籠狀動力支架的位置遠於第一、第二彈性元件阻尼器。
本發明的特點及有益效果：
本發明的主要分系統部件基於常規元器件設計，兼容基於現有汽車的輪軸總成，具備兼容360度全向轉向能力，單邊軸動力輸入，懸架與轉向系統之間相互獨立工作，懸架可整體獨立繞轉向軸360°全向旋轉，實現車輛的全向轉動以及橫向移動。
本發明的核心在於整體的輕便簡潔結構設計、自主駕駛與傳統駕駛結合和單邊獨立懸架。車架的整體設計為實現各分系統的模塊化、集成化提供了便利，轉向分系統、懸架分系統、操作分系統都集成為一個個整體，通過基本的連接方式與車架分系統的接口進行連接；本發明由於四個輪子採用了完全獨立的電機驅動，不再有驅動輪之間的機械連接，四個輪子可以進行獨立的驅動力分配，增加了車輛的運動自由度；再者，電子線控驅動轉向電機轉動，通過蝸輪蝸杆減速器的機械傳動，實現360度轉向。轉向分系統可以實現各車輪獨立轉向，因此大大改善了車輛的可操縱性並提高了車輛轉向的靈活性，進而實現橫向移動、原地轉向等新型駕駛模式；此外，電機直接驅動車輛轉動，提高了傳動效率，可以進一步節約電能；同時，四個單邊懸架分系統及動力輸出相互獨立的分布式系統也使車輛在單個動力系統或剎車系統出現故障時有能力切換到應急狀態，通過剩餘的完好驅動系統保障行車安全至最近的維修點。
本發明所有系統均採用電控，因此大大降低了能耗減少了汙染；本發明採用可更換的能源分系統，便於車輛的續航與能源更換；通過慣性單元獲得車輛的姿態信息；通過計算機的控制使得車輛自身按照規劃路線行駛；同時依靠方向盤和踏板可以實現傳統駕駛方式，兩者相結合可以滿足不同用戶在不同情況下的需求。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構示意圖；
圖2-1為本發明的轉向分系統的結構示意圖；
圖2-2為本發明的轉向分系統的結構剖面示意圖；
圖3為本發明的單邊懸架分系統的結構示意圖；
附圖標記：
1-1轉向分系統、1-2單邊懸架分系統、1-3車輪單元、1-4能源分系統、1-5工作站、1-6操作分系統、1-7車架分系統；
2-1轉向電機、2-2蝸輪蝸杆減速器、2-3編碼器、2-4錐形軸承、2-5角鐵、2-6軸套、2-7連接管、2-8金屬安裝板；
3-1轉向器機械接口；3-2偏置支架；3-3彈性阻尼單元；3-4轉動副或球鉸；3-5籠狀動力支架；3-6輪轂。
具體實施方式
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確規定與限定，術語「連接」應做廣義理解。例如，可以是固定連接，也可以是拆卸連接，或一體連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接連接，可以是通過中間媒介簡介相連，也可以是兩個元件內部的連通。
本發明所涉及四輪獨立驅動、獨立全向轉向電動車的特點是每個車輪均可連續360度轉向，每個車輪的轉向角任意。本系統採用傳統軸式驅動電機作為動力源，懸架與轉向分系統之間相對獨立，懸架可整體獨立繞轉向軸旋轉，依靠換電維持分系統功能。
本發明提出的一種四輪獨立驅動和獨立全向轉向電動車系統的整體結構如圖1所示，包括：4個相同且相互獨立的轉向分系統1-1、4個相同且相互獨立的的單邊懸架分系統1-2、4個相同的車輪單元1-3、能源分系統1-4、工作站1-5、操作分系統1-6及車架分系統1-7，各分系統均靠機械連接方式連接；其中，車架分系統1-7作為全車的主體，為各個部件提供連接接口；4個轉向分系統均勻固定在車架分系統1-7的四角，且位於前後排的轉向分系統對稱布置，1個單邊懸架分系統與對應的1個車輪單元1-3機械連接(如採用螺栓螺母連接)後，該單邊懸架分系統通過1個在豎直方向上機械連接(如採用螺栓螺母連接)的轉向分系統1-1與車架分系統1-7固定，單邊懸架分系統由轉向分系統驅動轉，車輪單元由固定在單邊懸架分系統內的驅動電機驅動；能源分系統1-4與車架分系統的接口連接，為各個分系統提供能源；工作站1-5為採購的桌上型電腦主機，可與車架分系統的後部接口連接，通過導線與各分系統之間連接，實現對整個電動車系統的電控；操作分系統1-6按照與現有車輛相同的方式進行方向盤與踏板的布置，與車架分系統的機械接口進行連接，實現人與車的交互。
所述轉向分系統1-1的一種實施方式如圖2-1所示，包括：轉向電機2-1、蝸輪蝸杆減速器2-2、編碼器2-3、2個對置的錐形軸承2-4、4個角鐵2-5、軸套2-6、連接管2-7及金屬安裝板2-8，金屬安裝板2-8由上部的平板和下部的圓管一體成型且上下部連接處開有圓通孔，4個角鐵2-5分別位於金屬安裝板2-8的四角、且通過螺栓穿過孔位與金屬安裝板連接，各角鐵2-5的兩側邊均分別與車架分系統1-7焊接，編碼器2-3、蝸輪蝸杆減速器2-2、轉向電機2-1均通過金屬支架和螺栓螺母依次固定在金屬安裝板2-8的上部，2個錐形軸承2-4均穿過金屬安裝板2-8下部並通過過盈配合與金屬安裝板固定(如圖2-2所示)；其中，編碼器2-3的輸出軸與蝸輪蝸杆減速器2-2的輸出軸通過皮帶輪連接，用於測量蝸輪蝸杆減速器2-2的轉動角度；蝸輪蝸杆減速器2-2的輸入軸和轉向電機2-1的減速輸出軸均通過過盈配合分別與軸套2-6一端連接，轉向電機2-1將轉動扭矩輸出至蝸輪蝸杆減速器2-2，並驅動該蝸輪蝸杆減速器2-2轉動；蝸輪蝸杆減速器2-2的輸出軸通過連接管2-7與單邊懸架分系統1-2連接，蝸輪蝸杆減速器2-2輸出軸轉動驅動連接管2-7轉動，進而帶動單邊懸架分系統1-2轉動。本發明各轉向分系統通過電子線控驅動轉向電機轉動，由軸套2-6傳動到蝸輪蝸杆減速器2-2，蝸輪蝸杆減速器2-2輸出軸通過連接管2-7由機械傳動到懸架分系統；而傳統轉向系統採用方向盤轉動，由齒輪與齒條傳動到兩個前輪實現轉向。
所述金屬安裝板2-8，在與轉向電機2-1、蝸輪蝸杆減速器2-2、編碼器2-3機械連接的孔位處均設有墊圈和減震橡膠墊。
所述單邊懸架分系統1-2的結構如圖3所示，該懸架分系統包括：位於車輪單元中輪轂3-6內側的轉向器機械接口3-1、由偏置支架3-2和阻尼單元3-3構成的直接緩衝式支架、轉動副或球鉸3-4、籠狀動力支架3-5；其中，轉向器機械接口3-1與轉向分系統內轉向電機2-1的減速輸出軸連接；轉向器機械接口3-1與偏置支架3-2一體成型；阻尼單元3-3上端與偏置支架3-2通過轉動副或球鉸3-4連接，下端與動力支架3-5通過轉動副或球鉸3-4連接；動力支架3-5一端固定在輪轂3-6內側，另一端為驅動電機提供安裝位置，驅動電機通過該動力支架將扭矩輸出至輪轂3-6，驅動輪轂轉動。
所述轉向器機械接口3-1由金屬材料加工而成，包括但不限於齒輪、軸承、鉸鏈等；該轉向器機械接口所連接的轉向器，包括安裝在車架分系統1-7之內常規的轉向舵機和機械傳動機構，轉向器輸出軸通過轉向器機械接口驅動所述單邊懸架分系統(偏置支架、阻尼單元、籠狀動力支架)旋轉，轉向器本身不屬於本發明所述單邊懸架分系統的範疇；所述轉向器機械接口與轉向器之間的連接包括但不限於一體化成形、螺栓固連、齒輪嚙合、軸系配合等；轉向器機械接口3-1通過轉向分系統1-1內的連接管2-7與轉向分系統1-1內的蝸輪蝸杆減速器2-2的輸出軸鍵槽連接；轉向器機械接口3-1穿過轉向分系統1-1內的2個錐形軸承2-4，錐形軸承可幫助轉向機械接口承力，同時轉向機械接口可防止錐形軸承脫落。
所述偏置支架3-2的形狀根據轉向器的輸出軸軸線與車輪中心面之間的偏置距離確定，可以適應不同的車架結構和應用場景。本實施例的偏置支架3-2平面呈u型，該偏置支架通過所述轉動副或球鉸3-4與所述阻尼單元3-3連接，限制彈性元件阻尼器3-3的自由度，同時作為轉向器與車輪之間的主要承力部件，用以傳遞車身重力。車輪單元車輪單元
所述彈性阻尼單元3-3包括至少3個呈錐形布置的彈性元件阻尼器，彈性元件阻尼器兩端均通過轉動副或球鉸分別與偏置支架和籠狀動力支架連接，其中第一、第二彈性元件阻尼器平行於車輪平面，且分列車輪中軸線兩側，其餘彈性元件阻尼器斜交於車輪平面以承受車輪載重，且斜交的彈性元件阻尼器連接籠狀動力支架的位置遠於第一、第二彈性元件阻尼器。所述偏置支架提供彈性元件阻尼器的安裝機械接口，偏置支架通過彈性元件阻尼器連接到車輪單元1-3上。本實施例的阻尼單元3-3由三個彈性元件阻尼器構成，其中兩個位於與輪轂1-3-1所在平面平行的豎直面內且分列於輪轂中軸線兩側；另一個位於與輪轂所在平面垂直的豎直面內、形成斜支撐，該彈性元件阻尼器與動力支架3-5的連接點位置到輪轂所在平面的距離，遠於另兩個彈性元件阻尼器，以協助平衡載重帶來的彎矩；單個彈性元件阻尼器在其長度方向可以伸縮，上下兩端通過安裝有橡膠減振墊的轉動副或球鉸3-4分別與偏置支架3-2、動力支架3-5連接，在車輛受到衝擊時通過彈性元件阻尼器內部的彈性元件減緩衝擊，同時通過彈性元件阻尼器內部的阻尼器消耗振動能量使車輛行駛狀態平穩，提高乘客的舒適性。所述彈性元件阻尼器中的彈性元件可以是螺旋彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧等，但不限於此；所述彈性元件阻尼器中的阻尼器可以是無控的被動阻尼器，也可以是有控制的主動阻尼器，還可以是參數可以調整的半主動阻尼器，但不限於此。彈性元件阻尼器的參數可以通過動力學建模優化，根據車輛的具體載重情況和運行條件決定各彈性參數。
所述籠狀動力支架3-5固定安裝在車輪輪轂3-6內側，該動力支架內部安裝有傳統軸式電機，其中，電機的靜止部分(即電機定子)與動力籠狀動力支架連接，電機的輸出軸(即電機轉子)連接到車輪單元上，進而帶動車輪在車輪平面內轉動。
所述車架分系統1-7為常規的框架結構，本實施例的車架分系統採用30×30×4mm的鋁合金方管按照現行車輛架構焊接而成。
為了與本發明所述懸架分系統相適應，所述車輪單元1-3包括剎車底板、車輪輪軸、輪轂、輪胎、剎車總成、驅動電機等部件(現有車輪單元由半軸、牛腿、剎車鉗、剎車盤、真空泵、車輪總成組成，半軸穿過牛腿和剎車盤與車輪總成的輪轂連接，剎車鉗與真空泵通過牛腿的接口安裝，保持剎車盤與剎車鉗相接觸)；其中，驅動電機通過連接車輪輪軸，穿過剎車底板與輪轂、輪胎連接；剎車總成包括剎車盤與剎車鉗兩部分，剎車盤與輪轂同軸連接，隨輪轂轉動，剎車鉗與剎車底板連接實現對剎車盤的鉗緊或放鬆；所述車輪輪軸固定在輪轂上，車輪單元通過該車輪輪軸與傳統軸式電機輸出端連接，車輪輪軸的形狀與輪轂上為了傳統車輛設計的機械接口相適應，以兼容市售車輛的現有輪轂，在剎車底板和所述籠狀動力支架3-5上設有與單邊獨立懸架分系統中彈性元件阻尼器相匹配的孔位和連接件(如鉸鏈等)；考慮到沿車輪軸向布局應儘量緊湊以減小轉向時所需的空間，剎車總成建議採用盤式剎車；所述的驅動電機為傳統軸式的力矩電機，包含測速傳感器，每一個輪轂內固定安裝一個驅動電機，實現各個車輪的獨立供電、獨立驅動和獨立控制。
所述能源分系統1-4可採用常規的電動車能源系統，包括可更換的鋰電池、電池盒及供電線路，可更換的鋰電池位於電池盒內通過供電線路供給其他分系統能源，電池盒的尺寸與車架分系統提供的相應機械接口匹配，電池盒上設有便於搬運的把手及便於開合的連接卡扣。
所述操作分系統1-6採用和傳統車輛相似的外觀和使用方式，但可以將機械信號轉化為相應的電信號傳輸到工作站，由工作站轉化為轉向電機與驅動電機的驅動電信號以實現對本車輛系統的操作。本實施例採用的操作分系統型號為羅技g29遊戲設備，包括計算機、方向盤、踏板、顯示器、慣性單元等部件，方向盤、踏板等部件信號經計算機傳輸到各個分系統並得到相應的反饋信號，慣性單元提供車輛的姿態信息。
本電動車系統的工作流程為：電源啟動後，啟動各分系統以及工作站。通過操作分系統進行駕駛模式的選擇，由工作站進行全系統的電子信號控制。通過踏板實現車輪的轉動以及剎車等驅動電機的操作。根據不同路況需求，驅動電機可以直接驅動車輪轉動，或者電機直經減速器驅動車輪轉動。在不同駕駛模式下，通過轉動方向盤控制四個輪胎分別轉動的角度。在平移模式下，四個輪胎向相同的方向同時轉動相同的角度；在原地轉向模式下，四個輪胎以車中心為軸，對角輪胎轉動方向相同，相鄰輪胎轉動方向相反，一同轉動相同的角度；在轉向模式下，四個輪胎以車外某一點為軸，兩前輪和兩後輪同時向相反方向轉動，四個輪胎轉動角度不同；在傳統模式下，車的後輪不轉向，車身後懸架採用傳統汽車的後懸架，車輪單元通過傳統汽車的後懸架與車身連接，前輪轉向採用傳統汽車的轉向系統實現。