專利名稱：獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、懸掛和制動的一體化車輪總成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獨立驅(qū)動-獨立轉(zhuǎn)向-獨立懸掛的機(jī)器人化微型電動車輛的車輪總成，屬 于移動機(jī)器人車輪技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾年，地面輪式高速高機(jī)動移動平臺的研究有了新的變化。軍用機(jī)器人化車輛方面， 輪式有人駕駛和無人駕駛車輛要求其運動平臺要有盡可能高的機(jī)動性和動力性，以滿足野外 和城市小巷狹小區(qū)域作戰(zhàn)的要求。Daimler-Chrysler公司在2005年2月已發(fā)布了一款四輪獨 立驅(qū)動/獨立轉(zhuǎn)向(4WID/4WIS， 4 Wheels Ind印endent Driving & Steering)吉普車功能樣 車。民用機(jī)器人化車輛方面，下一代具有多方向運動能力的混合動力和電動車輛的研發(fā)拉開 了序幕。
中國專利文獻(xiàn)CN2710999公開了一種《萬向節(jié)傳動雙橫臂獨立轉(zhuǎn)向裝置》，包括上橫臂、 下橫臂等，其中轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器與A萬向節(jié)的一端連接，A萬向節(jié)另一端通過花鍵傳動 軸與B萬向節(jié)的一端連接，B萬向節(jié)另一端設(shè)有傳動帶和主動圓錐齒輪，傳動帶的另一端與 轉(zhuǎn)向角位移傳感器相連，轉(zhuǎn)向主銷支承架的上端經(jīng)虎克鉸鏈與上橫臂的一端連接，上橫臂的 另一端與固定轉(zhuǎn)動絞連接；轉(zhuǎn)向主銷支承架的下端通過球鉸與下橫臂的一端連接，下橫臂另 一端與下固定轉(zhuǎn)動絞連接，轉(zhuǎn)向主銷支承架的另一側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向主銷上設(shè)有從動圓 錐齒輪和輪轂電機(jī)軸，輪轂電機(jī)軸的另一端設(shè)有制動盤和外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)，并位于車輪內(nèi)部， 主動、從動圓錐齒輪相嚙合。該裝置實現(xiàn)了獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，增加了動 力學(xué)計算的難度，轉(zhuǎn)向從動錐齒輪不易完全密封。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有機(jī)器人化微型電動車輛的車輪轉(zhuǎn)向裝置存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單 緊湊，具有獨立驅(qū)動裝置、獨立轉(zhuǎn)向裝置、獨立懸掛裝置、獨立制動裝置的獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、 懸掛和制動的一體化車輪總成。
本發(fā)明的獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、懸掛和制動的一體化車輪總成采用以下技術(shù)方案 該一體化車輪總成包括車輪驅(qū)動裝置、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置及制動裝置
驅(qū)動裝置由車輪及輪轂電機(jī)組成，車輪的輪輞與輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子固定一起，輪轂電機(jī) 的固定軸(定子)與懸掛裝置中的轉(zhuǎn)向節(jié)相連；
懸掛裝置由上橫臂、等速萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)、球頭、下擺臂及減振器組成，轉(zhuǎn)向節(jié)上端與 等速萬向節(jié)內(nèi)套剛性相連，等速萬向節(jié)外套通過軸承與上擺臂相連，轉(zhuǎn)向節(jié)相對上擺臂可以 向任意方向擺動并與等速萬向節(jié)一起相對上擺臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向節(jié)下端通過球頭與下擺臂連 接，減振器的一端與下擺臂連接；下擺臂通過減振器安裝在車身上，車身上的所有負(fù)載通過 減振器、下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂電機(jī)及車輪傳到地面上；
轉(zhuǎn)向裝置由轉(zhuǎn)向電機(jī)、可伸縮萬向節(jié)，主動錐齒輪、從動錐齒輪和絕對式編碼器組成， 轉(zhuǎn)向電機(jī)通過可伸縮萬向節(jié)與主動錐齒輪連接，轉(zhuǎn)向電機(jī)的后部連接有電磁制動器，從動錐 齒輪與主動錐齒輪嚙合，從動錐齒輪固定安裝在懸掛裝置中等速萬向節(jié)的外套一端，絕對式 編碼器安裝在等速萬向節(jié)的外套上，將車輪的絕對轉(zhuǎn)角反饋給駕駛者或無人駕駛車輛的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輪轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制；
制動裝置包括制動盤、浮動式制動鉗和制動液壓系統(tǒng)組成，制動盤固定在驅(qū)動裝置中輪 轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)，浮動式制動鉗固定在懸掛裝置中的轉(zhuǎn)向節(jié)上，浮動式制動鉗與制動液 壓系統(tǒng)連接，使制動鉗與制動盤間產(chǎn)生制動力矩，制動力矩的大小由電液比例壓力閥控制。
制動液壓系統(tǒng)由微型液壓站、壓力開關(guān)、壓力變送器、電液比例壓力閥和蓄能器組成， 壓力開關(guān)與微型液壓站連接，蓄能器、壓力變送器、電液比例壓力閥和微型液壓站通過液壓 油路串聯(lián)。
本發(fā)明的工作過程如下-
當(dāng)給輪轂電機(jī)一定的驅(qū)動電流時，其外轉(zhuǎn)子帶動車輪運動。轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過可伸 縮萬向節(jié)帶動主動錐齒輪，驅(qū)動從動錐齒輪，等速萬向節(jié)與從動錐齒輪一起轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)向 節(jié)及車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。絕對式編碼器將車輪的絕對轉(zhuǎn)角反饋給駕駛者或無人駕駛車輛的控制系 統(tǒng)，實現(xiàn)對車輪轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制。車身上下振動時，可伸縮萬向節(jié)的軸向長度可自由改變。 制動時，通過制動液壓系統(tǒng)提供的高壓制動液推動浮動式制動鉗的兩個活塞壓緊制動盤產(chǎn)生 制動力矩，制動力矩的大小由電液比例壓力閥控制。如果忽略制動鉗與制動盤之間摩擦系數(shù) 的變化，制動力矩與電液比例壓力閥的輸入電壓成比例關(guān)系。
本發(fā)明可以車輛的前輪轉(zhuǎn)向或后輪轉(zhuǎn)向或4輪獨立轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)零半徑原地轉(zhuǎn)動以及沿任 意方向的平移運動；實現(xiàn)了車輛的線控驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向以及線控制動；實現(xiàn)了對車輪驅(qū)動、 轉(zhuǎn)向、制動的獨立控制，可使車輛行駛在最佳模式下。適用于空間狹窄，要求轉(zhuǎn)向靈活的有 人駕駛或無人駕駛電動車輛或全方位移動機(jī)器人平臺。


圖1是本發(fā)明一體化車輪總成的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中制動裝置的制動液壓系統(tǒng)原理圖。
圖3是本發(fā)明前輪(或后輪)轉(zhuǎn)向的運動模式狀態(tài)圖。
圖4是本發(fā)明四輪轉(zhuǎn)向的運動模式狀態(tài)圖。
圖5是本發(fā)明原地轉(zhuǎn)向的運動模式狀態(tài)圖。
圖6是本發(fā)明斜行的運動模式狀態(tài)圖。
圖中1、車身，2、下擺臂，3、減振器，4、球鉸，5、轉(zhuǎn)向節(jié)，6、輪輞，7、輪轂電機(jī)， 8、制動盤，9、浮動式制動鉗，10、等速萬向節(jié)，11、輪胎，12、從動錐齒輪，13、絕對式 編碼器，14、主動錐齒輪，15、上擺臂，16、可伸縮萬向節(jié)，17、轉(zhuǎn)向電機(jī)直流減速電機(jī)， 18、電磁制動器，19、微型液壓泵站，20、壓力開關(guān)，21、壓力變送器，22、電液比例壓力 閥，23、蓄能器。
具體實施例方式
本發(fā)明的一體化車輪總成如圖1所示，包括車輪驅(qū)動裝置、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置及制動 裝置四部分，各個部分的具體結(jié)構(gòu)如下所述。
驅(qū)動裝置由輪輞6、輪胎11以及輪轂電機(jī)7組成。輪胎11安裝在輪輞6上， 一起形成 車輪。車輞6與輪轂電機(jī)7的外轉(zhuǎn)子固定在一起，輪轂電機(jī)7的固定軸(定子)與懸掛裝置 中的轉(zhuǎn)向節(jié)5剛性連接。當(dāng)給輪轂電機(jī)7—定的驅(qū)動電流時，電機(jī)外轉(zhuǎn)子驅(qū)動整個車輪運動。
懸掛裝置由上擺臂15、等速萬向節(jié)IO、轉(zhuǎn)向節(jié)5、球頭4、下擺臂2和減振器3組成。轉(zhuǎn)向節(jié)5的上端與等速萬向節(jié)10的內(nèi)套剛性連接，等速萬向節(jié)10的外套通過軸承與上擺臂 15的左端連接，上擺臂15的右端通過轉(zhuǎn)動副與車身1連接。轉(zhuǎn)向節(jié)5的下端通過球鉸4與 下擺臂2左端連接，下擺臂2的右端通過轉(zhuǎn)動副與車身1連接。轉(zhuǎn)向節(jié)5相對于上擺臂15和 下擺臂2可以在一定限度內(nèi)自由擺動和轉(zhuǎn)動。下擺臂2通過減振器3連接在車身1上，減振 器3的下端通過轉(zhuǎn)動副與下擺臂2靠近左端的部分連接，減振器3上端通過轉(zhuǎn)動副與車身1 連接。車身、負(fù)載以及由路面不平引起的沖擊力通過減振器3傳遞到下擺臂2、轉(zhuǎn)向節(jié)5以 及輪轂電機(jī)7，最后由輪胎ll傳遞到路面上，并由減振器3中的阻尼裝置吸收沖擊能量，使 車身1迅速恢復(fù)平穩(wěn)。
轉(zhuǎn)向裝置由轉(zhuǎn)向電機(jī)17、電磁制動器18、可伸縮萬向節(jié)16,主動錐齒輪14、從動錐齒 輪12和絕對式編碼器13組成。轉(zhuǎn)向電機(jī)17固定安裝在車身l上，采用直流減速電機(jī)，其后 部連接有電磁制動器18，電磁制動器18根據(jù)需要可用來鎖住轉(zhuǎn)向電機(jī)17，即鎖定車輪于某 一轉(zhuǎn)向角。可伸縮萬向節(jié)16的右端與轉(zhuǎn)向電機(jī)17的輸出軸剛性連接，可伸縮萬向節(jié)16的左 端安裝有主動錐齒輪14，從動錐齒輪12與主動錐齒輪14無間隙嚙合，從動錐齒輪12剛性 連接在等速萬向節(jié)10的外套上。等速萬向節(jié)10的外套上還裝有絕對式編碼器13，用來測量 轉(zhuǎn)向節(jié)5的絕對轉(zhuǎn)角，并反饋給車載計算機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輪轉(zhuǎn)向角的閉環(huán)控制?？缮?縮萬向節(jié)16的長度可自由變化，使車輪的轉(zhuǎn)向運動不受車身l上下跳動的影響。
制動裝置由制動盤8、浮動式制動鉗9及制動液壓系統(tǒng)組成，制動盤8剛性連接在輪轂 電機(jī)7的外轉(zhuǎn)子上，浮動式制動鉗9連接在轉(zhuǎn)向節(jié)5上。制動液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所 示，由微型液壓站19、壓力開關(guān)20、壓力變送器21、電液比例壓力閥22和蓄能器23組成， 壓力開關(guān)20與微型液壓站19連接，蓄能器23、壓力變送器21、電液比例壓力閥22和微型 液壓站l通過液壓油路串聯(lián)。車輛正常行駛時，電液比例壓力閥22沒有制動液輸出，制動盤 8與浮動式制動鉗9的摩擦片之間有微小間隙；制動時，駕駛員或車載計算機(jī)控制系統(tǒng)向電 液比例壓力閥22發(fā)出電壓指令信號，電液比例壓力閥22輸出與指令信號電壓成比例的高壓 制動液，推動浮動式制動鉗9的摩擦片夾緊制動盤8,產(chǎn)生與指令信號電壓成比例的制動力 矩。壓力開關(guān)20用來控制微型液壓泵站19的啟動與停止，當(dāng)蓄能器中制動液壓力低于5Mpa (可調(diào)節(jié))時，壓力開關(guān)20啟動微型液壓泵站19向電液比例壓力閥22提供高壓制動液，多 余的高壓制動液充向蓄能器23,直到蓄能器中制動液壓力達(dá)到10Mpa (可調(diào)節(jié))，壓力開關(guān) 20停止微型液壓泵站19。壓力變送器21用來測量制動時浮動式制動鉗9中制動液的壓力， 并反饋給車載計算機(jī)控制系統(tǒng)，可用來實現(xiàn)對制動力矩的閉環(huán)控制(忽略浮動式制動鉗9的 摩擦片與制動盤8之間摩擦系數(shù)的變化)。
本發(fā)明可以實現(xiàn)車輛的前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、4輪獨立轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向和斜行的運動模 式。圖3給出了前輪(或后輪)轉(zhuǎn)向的運動模式。圖4給出了四輪轉(zhuǎn)向的運動模式。圖5給 出了原地轉(zhuǎn)向的運動模式。圖6給出了斜行的運動模式。
權(quán)利要求
1.一種獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、懸掛和制動的一體化車輪總成，包括車輪驅(qū)動裝置、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置及制動裝置，其特征在于驅(qū)動裝置由車輪及輪轂電機(jī)組成，車輪的輪輞與輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子固定一起，輪轂電機(jī)的固定軸與懸掛裝置中的轉(zhuǎn)向節(jié)相連；懸掛裝置由上橫臂、等速萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)、球頭、下擺臂及減振器組成，轉(zhuǎn)向節(jié)上端與等速萬向節(jié)內(nèi)套剛性相連，等速萬向節(jié)外套通過軸承與上擺臂相連，轉(zhuǎn)向節(jié)相對上擺臂可以向任意方向擺動并與等速萬向節(jié)一起相對上擺臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向節(jié)下端通過球頭與下擺臂連接，減振器的一端與下擺臂連接；轉(zhuǎn)向裝置由轉(zhuǎn)向電機(jī)、可伸縮萬向節(jié)，主動錐齒輪、從動錐齒輪和絕對式編碼器組成，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過可伸縮萬向節(jié)與主動錐齒輪連接，轉(zhuǎn)向電機(jī)的后部連接有電磁制動器，從動錐齒輪與主動錐齒輪嚙合，從動錐齒輪固定安裝在懸掛裝置中等速萬向節(jié)的外套一端，絕對式編碼器安裝在等速萬向節(jié)的外套上；制動裝置由制動盤、浮動式制動鉗和制動液壓系統(tǒng)組成，制動盤固定在驅(qū)動裝置中輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)，浮動式制動鉗固定在懸掛裝置中的轉(zhuǎn)向節(jié)上，浮動式制動鉗與制動液壓系統(tǒng)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、懸掛和制動的一體化車輪總成，其特征在于所述 制動液壓系統(tǒng)由微型液壓站、壓力開關(guān)、壓力變送器、電液比例壓力閥和蓄能器組成，壓力 開關(guān)與微型液壓站連接，蓄能器、壓力變送器、電液比例壓力閥和微型液壓站通過液壓油路 串聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、懸掛和制動的一體化車輪總成，包括車輪驅(qū)動裝置、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置及制動裝置，驅(qū)動裝置由車輪及輪轂電機(jī)組成，懸掛裝置由上橫臂、等速萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)、球頭、下擺臂及減振器組成，轉(zhuǎn)向裝置由轉(zhuǎn)向電機(jī)、可伸縮萬向節(jié)，主動錐齒輪、從動錐齒輪和絕對式編碼器組成，制動裝置包括制動盤、浮動式制動鉗和制動液壓系統(tǒng)組成。本發(fā)明可以車輛的前輪轉(zhuǎn)向或后輪轉(zhuǎn)向或4輪獨立轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)零半徑原地轉(zhuǎn)動以及沿任意方向的平移運動；實現(xiàn)了車輛的線控驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向以及線控制動；實現(xiàn)了對車輪驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動的獨立控制，可使車輛行駛在最佳模式下。
文檔編號B60K7/00GK101638052SQ20091001773
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者銳 宋, 徐勤江, 李貽斌, 楊福廣, 榮學(xué)文, 濱 邵, 阮久宏 申請人:山東大學(xué)