CN110481632B - 一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，包括用于线控独立转向执行机构支架、转向电机及控制器、减速器、力传感器、位置传感器、万向环、连接件及紧固装置；该线控独立转向执行机构支架包括向上连接减速器和向下连接转向电机及控制器的支架上部、集成转向电机及控制器的支架中部、分别连接车轮和车身的支架下部，所述的万向环为用于保护电机的万向环，该万向环分为内万向环和外万向环，内万向环和外万向环通过两个传力销相铰接，内万向环与线控独立转向执行机构支架相连接，外万向环通过与其十字交叉的另外两个传力销与车架（或承载式车身）相连接，当车轮在垂直路面方向上下跳动时，所述转向电机能够随着万向环的摆动而摆动。

Description

一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构

技术领域

本发明属于汽车转向技术领域，尤其涉及一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构。

背景技术

随着汽车技术的发展，汽车的安全稳定性受到越来越多的重视。独立转向是实现车辆智能化、提高汽车稳定性的主动底盘技术之一，同时在低速情况下转向时可以减小车辆的转弯半径，提高车辆的机动性。

现有技术线控独立转向技术采用取消传统的转向梯形结构(转向梯形结构如图1所示)、用四轮独立结构代替传统的梯形结构，使得汽车可以实现斜行，蟹行，原地转向等多种转向方式。但目前大多为由转向电机直接驱动车轮总成实现转向功能，具体为：该种转向***每个车轮都配备一个转向电机、实现大转角的转向的同时提高车辆的稳定性。该现有技术存在的缺点之一：电机位置布置不合理，转向电机输出轴直接与车轮总成相连，缺少防护装置，车辆颠婆或高速转向时容易受到较大的弯矩，产生电机损坏、***失效等后果；该现有技术存在的缺点之二：由于线控独立***取消了原有的梯形结构的机械连接装置而单凭四轮独立电机控制车轮，一旦其中某个电机损坏，将造成整个电路***失效，现有技术的四轮独立转向机构相比梯形结构的机械连接方式危险性增加了几倍。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，目的在于解决现有技术的四轮独立结构的电机由于位置布局不合理或因为缺少防护装置而容易损坏、以及单个电机损坏将造成整个***失效的问题。

本发明针对解决的技术问题提出以下技术方案:

一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，包括用于线控独立转向执行机构支架、转向电机及控制器、减速器、力传感器、位置传感器、万向环、连接件及紧固装置；所述线控独立转向执行机构支架包括向上连接减速器和向下连接转向电机及控制器的支架上部、集成转向电机及控制器的支架中部、分别连接车轮和车身的支架下部；所述转矩传感器、万向环、位置传感器从上至下顺序布设在所述支架上部的周围；所述转向电机及控制器通过驱动线控独立转向执行机构支架绕转向电机轴线转动，带动车轮偏转，使车辆转向；

所述的万向环为用于保护电机的万向环，该万向环分为内万向环和外万向环，内万向环和外万向环通过两个传力销相铰接，内万向环与线控独立转向执行机构支架相连接，外万向环通过与其十字交叉的另外两个传力销与车架(或承载式车身)相连接，当车轮在垂直路面方向上下跳动时，所述转向电机能够随着万向环的摆动而摆动。

所述线控独立转向执行机构支架的上部为圆台状连接机构，该圆台状连接机构中心处轴向开设有用于连接减速器的通孔；所述线控独立转向执行机构支架的中部为向下延伸的能够将电机及控制器容纳其中的电机***保护装置，该电机***保护装置包括两条向下延伸的立臂，所述线控独立转向执行机构的支架下部位于该两条立臂的下方且与两条立臂固接在一起，该支架下部为能够将主动轴或从动轴横向穿过或横向连接的轴连接机构，当该轴连接机构用于主动轮时，其中心处设有用于主动轴横向穿过的通孔；当该轴连接机构用于从动轮时，其中心处靠近车轮的一侧横向固接有从动轴短轴。

所述的减速器为谐波减速器，该谐波减速器水平径向从内到外分别为减速器波发生器、减速器柔性轮、减速器刚性轮；位于内层的减速器波发生器纵向通过紧固装置和所述连接件连接；位于径向中间层的减速器柔性轮纵向通过紧固装置和线控独立转向执行机构的支架上部相连接；所述减速器波发生器为减速器的输入端，所述减速器柔性轮为减速器的输出端，该输出端连接线控独立转向执行机构支架，从而驱动线控独立转向执行机构支架绕转向电机轴线转动，带动车轮转向。

所述内万向环上对称设置有一对通孔，外万向环上同样设置有与其配合的一对通孔，内、外万向环通过通孔上的两个万向环内连接传力销铰接；外万向环上还十字交叉设有另一对通孔，用于外万向环通过两个万向环外连接传力销与车架(或承载式车身)或悬架控制臂铰接，内万向环通过其上端的力传感器和其下端的位置传感器与所述线控独立转向执行机构支架相连接，当车轮上下跳动时，所述线控独立转向执行机构支架将会随着万向环的摆动而摆动，从而保证转向电机轴不受径向力的影响。

所述的力传感器包括内外两圈，且内外两圈的位置均固定，其内圈的上端面与减速器刚性轮相连接，且其内圈和外圈的连接桥臂上设有应变片，该应变片用于测量减速器传给它的切向力和法向力；所述的位置传感器也称为转角传感器，该转角传感器水平径向从内到外包括齿环和检测头两部分，且齿环与检测头下端面齐平布置；其中齿环压套在支架上端，随支架的转动而转动，检测头固定在内万向环的下表面上；所述内万向环位于所述力传感器的下方，三个传感器通过力传感器外圈上的孔、内万向环上的孔、位置传感器检测头的孔以及螺钉相连接。

所述的电机为多相电机，该多相电机内部有两组多相线圈，共用一个壳体，由两个逻辑上的永磁同步电机组成。

所述的电机及控制器集成在一起，位于线控独立转向执行机构支架内部，电机壳体与线控独立转向执行机构支架连接，电机转子通过连接元件与减速器相连。

所述的多相电机在常规模式下，两组多相驱动桥路各提供50％的转矩；当一组多相驱动桥路或一组多相绕组的部分或全部损坏后，控制器将使处于失效状态下的多相驱动桥路置于关闭状态，由另一驱动桥路来实现转向功能，同时输出故障报警并记录、存贮相应故障。

本发明的优点效果

1、本发明采用万向环的连接形式能限制悬架额外的旋转自由度，且外万向环通过两个传力销与车架(或承载式车身)或悬架控制臂连接，内万向环通过两个传力销与外万向环连接，当车轮上下跳动时，万向环能够避免电机受到径向力的冲击而造成转子的损坏。

2、本发明采用多相电机及控制器作为转向驱动电机及控制器，所述的多相电机及控制器在常规模式下，两组多相驱动桥路各提供50％的力；当一组多相驱动桥路或一组电机的多相绕组部分或全部损坏后，ECU将损坏的驱动桥路关闭，另一组继续工作，提高***的可靠性。

3、本发明克服了传统的偏见即电机直接驱动车轮总成的方法，采用电机驱动转向支架、再由转向支架驱动车轮总成的方法，使得电机和车轮总成之间增加了缓冲装置即线控独立转向支架，并且该独立转向支架与万向环向结合，即便独立转向支架因为车轮上下跳动导致电机跳动时，该独立转向支架随着万向环的摆动而摆动，消弱了对于电机的径向力，实现了基于支架和万向环的两级电机安全保护机制。

附图说明

图1是现有技术车辆梯形转向结构图；

图2是该机构用于主动轮时的结构示意图；

图3是该机构用于从动轮时的结构示意图；

图4a是该机构上端具体结构剖视图；

图4b是图4a局部放大图；

图4c是力传感器、内万向环、位置传感器结构示意图；

图4d是内万向环和外万向相对环姿态示意图；

图5是该机构与双横臂悬架组合应用实例示意图；

图6是该机构多相电机及控制器硬件架构；

图7是该机构应用效果图；

其中：

1-线控独立转向执行机构支架1-1：支架上部；1-2：支架中部；1-3：支架下部；1-4：轴连接主动轴穿孔；1-5轴连接从动轴短轴；2-转向电机及控制器；3-1内万向环；3-2：外万向环；3-2-1：万向环内连接孔；3-:2-2：万向环外连接孔；3-3：万向环内连接传力销；3-4：万向环外连接传力销；4- 谐波减速器总成；4-1：减速器波发生器；4-2：减速器柔性轮；4-3：减速器刚性轮；5-1：连接元件；5-2：紧固装置；6-位置传感器；6-1：位置传感器齿环；6-2：位置传感器检测头；7-力传感器；8：制动总成；8-1-制动盘，8-2-轮毂总成，8-3-制动钳支架，9：悬架总成；9-1：球头销；9-2：弹簧减震器；9-3：悬架下控制臂；9-4：悬架上控制臂；10:车架(或承载式车身)； 11：车轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明专利提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本发明设计原理

1、独立转向支架驱动车轮转动的原理：电机外壳与独立转向支架固接、减速器柔性轮也与独立转向支架固接，电机输出轴将扭矩传递给减速器波发生器、减速器波发生器将扭矩力传给减速器柔性轮、减速器柔性轮带动独立转向支架转动，独立转向支架下部横向连接主动轮或从动轮，从而独立转向支架驱动车轮转动。

2、电机随万向环摆动免受损坏的原理：a.二环纵向固接：内万向环与其顶端的力传感器外圈通过螺钉纵向固接，从而实现二环纵向固接；b.二环与减速器固接：二环的最上层的力传感器与减速器刚性轮固接，同时减速器的刚性轮、柔性轮、波发生器为一个整体，因此当力传感器与减速器刚性轮固接时也就实现了与整个减速器固接；c.减速器与独立转向支架固接：由于减速器的刚性轮、柔性轮、波发生器为一个整体，因而整个减速器也与独立转向支架固接，d.二环与独立转向机构固接。由于二环与减速器固接、减速器与独立转向支架固接、独立转向支架连接整个独立转向机构，因此二环连与整个独立转向机构固接，也就是内万向环与整个独立转向机构固接。当车辆颠簸时其冲击力的方向如果来自内、外万向环两个传力销连线的两侧时，电机可以随着内万向环连线的两侧上下摆动；当车辆颠簸时其冲击力的方向来自与该连线十字垂直另外一条直线的两侧时，电机可以随着与该连线十字垂直另外一条直线也就是外万向环与车架连接的两个传力销连线的两侧上下摆动。由于内、外万向环具有十字交叉的两组转轴，不论车辆颠簸时冲击力的方向来自何处，都可以通过内、外万向环两组十字交叉的转轴使其对应的万向环和独立转向机构产生相应的摆动，从而抵消颠簸对于独立转向机构的冲击力、保护电机、不收损害。

基于以上发明原理，本发明设计了一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构。

一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构如图2、图3、图4a-4d所示，包括线控独立转向执行机构支架1、转向电机及控制器2、减速器4、力传感器7、位置传感器6(6-1；6-2)、万向环(3-1；3-2)、连接件5-1及紧固装置5-2；所述线控独立转向执行机构支架2包括向上连接减速器和向下连接转向电机及控制器2的支架上部1-1、集成转向电机及控制器的支架中部1-2、分别连接车轮和车身的支架下部1-3；所述力传感器7、万向环(3-1、3-2)、位置传感器(6-1、6-2)从上至下顺序布设在所述支架上部1-1的周围；所述转向电机及控制器2通过驱动线控独立转向执行机构支架绕转向电机轴线转动，带动车轮偏转，使车辆转向；

其特点是：所述的万向环(3-1,3-2)为用于保护电机的万向环，该万向环分为内万向环3-1和外万向环3-2，内万向环3-1和外万向环3-2通过两个传力销3-3相铰接，内万向环3-1与线控独立转向执行机构支架1相连接，外万向环通过与其十字交叉的另外两个传力销3-4与车架(或承载式车身) 10相连接，当车轮上下跳动时，所述转向电机能够随着万向环的摆动而摆动。

所述线控独立转向执行机构的支架上部1-1为圆台状连接机构，该圆台状连接机构中心处轴向开设有用于连接减速器的通孔；所述线控独立转向执行机构的支架中部为向下延伸出去的能够将电机及控制器容纳其中的电机***保护装置，该电机***保护装置包括两条向下延伸的立臂，所述线控独立转向执行机构的支架下部位1-3于该两条立臂的下方且与两条立臂固接在一起，该支架下部1-3为能够将主动轴或从动轴横向穿过或横向连接的轴连接机构，当该轴连接机构用于主动轮时，其中心处设有用于主动轴横向穿过的通孔1-4；当该轴连接机构用于从动轮时，其中心处靠近车轮的一侧横向固接有从动轴短轴1-5。

所述的减速器为谐波减速器如图4a-4d所示，该谐波减速器水平径向从内到外分别为减速器波发生器4-1、减速器柔性轮4-2、减速器刚性轮4-3；位于内层的减速器波发生器纵向通过紧固装置5-2和所述连接件5-1连接；位于中间层的减速器柔性轮4-2纵向通过紧固装置5-2和线控独立转向执行机构的支架上部1-1相连接；所述减速器波发生器4-1为减速器的输入端，所述减速器柔性轮4-2为减速器的输出端，该输出端连接线控独立转向执行机构支架1，从而驱动线控独立转向执行机构支架1-1绕转向电机轴线转动，带动车轮转向。

如图2、图3、图4d所示，所述内万向环3-1上对称设置有一对通孔3-2-1，外万向环上同样设置有与其配合的一对通孔3-2-1，内、外万向环通过通孔上的两个万向环内连接传力销3-3铰接；外万向环上还十字交叉设有另一对通孔3-2-2，用于外万向环通过两个万向环外连接传力销3-4与车架(或承载式车身)10或悬架控制臂铰接，内万向环3-1通过其上端的力传感器7和其下端的位置传感器6与所述线控独立转向执行机构支架1相连接，当路面颠簸时，所述线控独立转向执行机构支架1将会随着万向环(3-1,3-2)的摆动而摆动，从而保证转向电机轴不受径向力的影响。

如图4a、图4b、图4c所示，所述的力传感器7包括内、外两圈，且内、外两圈的位置均固定，其内圈的上端面通过螺钉与减速器刚性轮相连接且其内圈和外圈的连接处设有应变片，通过应变片的形变来测量减速器传给它的径向力和纵向力；所述的位置传感器6也称为转角传感器，该转角传感器水平径向从内到外包括齿环和检测头两部分，且齿环与检测头下端面齐平布置；其中齿环压套在支架上端，随支架的转动而转动，检测头固定在内万向环的下表面上；如图4a所示,所述内万向环3-1位于所述力传感器7的下方和所述位置传感器齿环6-1的上方，三个传感器通过力传感器7外圈上的孔、内万向环3-1上的孔、位置传感器探头上的孔6-2以及螺钉相连接。

补充说明：图4a剖视图两侧与内万向环3-1固接的物体是不对称的，由于位置传感器探头体积比较小，因此该探头只与万向环下表面某个局部位置固接即可、且位置相对固定。

如图6所示，所述的电机为多相电机，该多相电机内部有两组多相线圈，共用一个壳体，由两个逻辑上的永磁同步电机组成。

如图2、图3所示，所述的电机及控制器2集成在一起，位于线控独立转向执行机构支架1内部，电机壳体与线控独立转向执行机构支架1连接，电机转子通过连接元件5-1与减速器相连。

如图6所示，所述的多相电机在常规模式下，两组多相驱动桥路各提供50％的转矩；当一组多相驱动桥路或一组多相绕组的部分或全部损坏后，控制器将使处于失效状态下的多相驱动桥路置于关闭状态，由另一驱动桥路来实现转向功能，同时输出故障报警并记录、存贮相应故障。

实施例一：

1、本发明线控独立转向执行机构传动过程：如图3、图4a-4d所示，当该结构用于主动轮时，该机构下端有支撑车轮轮轴的孔1-4，电机及控制器2的外壳通过螺栓固定在所述线控独立转向执行机构1内部，电机的输出轴与连接件5-1键连，连接件5-1的外圈通过螺栓固定在减速器波发生器4-1上，外万向环3-2与内万向环3-1中间装有万向环内连接传力销3-3。如图2所示，当该结构用于从动轮时，该线控独立转向执行机构下部1-3外侧带有车轮短轴1-5直接与轮毂总成8-2相连，其他部分连接形式与该结构应用于主动轮时相同。

2、本发明谐波减速器工作过程：如图4a所示，所述紧固装置5-2包括螺栓，谐波减速器波形发生器4-1通过螺栓与连接件5-1相连，谐波减速器柔性轮4-2通过螺栓与线控独立转向执行机构支架1相连，减速器刚性轮4-3 通过螺栓与转矩传感器7内圈相连，转矩传感器的外圈与内万向环3-1通过螺栓相连，减速器波发生器4-1为输入，减速器柔性轮4-2为输出，减速器刚性轮4-3不转动，且其与力传感器7固接，力传感器7与内万向环3-1固接，所以力传感器7与内万向环3-1相对不转动。位置传感器6水平径向从内到外包括齿环和检测头两部分，且齿环与检测头下端面齐平布置；其中齿环套在线控独立转向执行机构支架1的上部1-1上，与支架上部1-1为摩擦连接，且内圈随着支架的转动而转动，检测头固定在内万向环的下表面上；位置传感器6用于测量线控独立转向执行机构支架1与位置传感器的相对转角，即测量车轮转角。当车辆转向时，电机将扭矩传递给谐波减速器，减速器柔性轮4-2带动线控独立转向执行机构支架1绕电机轴线旋转，进而带动车轮11发生偏转。(附图4a-4d中螺栓均以虚线的形式表示，未具体画出。)

3、本发明线控独立转向执行机构与悬架组合使用的具体实施例：本实施例的悬架为双横臂悬架。如图5、图7所示，下控制臂9-3内端通过螺栓与车架(或承载式车身)10相连，外端通过球头销9-1与线控独立转向执行机构支架下部1-3相连，弹簧减震器9-2通过螺栓以一定的角度布置在下控制臂上9-1，另一端与车架10(或承载式车身)相连；上控制臂9-4一端通过螺栓与车架(或承载式车身)10相连，另一端通过传力销3-4与外万向环3相连；制动机构8包括制动盘8-1、轮毂总成8-2、制动钳支架8-3，轮毂总成 8-2一侧通过螺栓固定在靠近线控独立转向执行机构支架1的一侧，另一侧与制动盘8-1相连，制动钳支架8-3通过螺栓与支架下部1-3相连接。如图7 所示，所述线控独立转向执行机构支架1通过制动总成8和车轮11相连接，通过悬架总成9和车架(或承载式车身)10连接起来，各个部分之间连接关系如虚线所示。

4、本发明多相电机应用实例：如附图6所示，双驱动转向电机及控制器硬件架构采用两组相互并联的全桥驱动电路来控制多相电机及控制器，该多相电机及控制器内部有两组三相线圈，共用一个电机及控制器壳体，因此由两个逻辑上的永磁同步电机及控制器组成。在常规模式下，两组三相驱动桥路各提供50％的助力；当一组三相驱动桥路或一组电机的三相绕组损坏后，***控制单元将使处于失效状态下的三相驱动桥路置于关闭状态，由另一路驱动桥路来实现部分助力功能，同时输出故障报警并记录、存贮相应故障，实现安全冗余的功能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (8)

1.一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，包括用于线控独立转向执行机构的支架、转向电机及控制器、减速器、力传感器、位置传感器、万向环、连接件及紧固装置；所述线控独立转向执行机构支架包括向上连接减速器和向下连接转向电机及控制器的支架上部、集成转向电机及控制器的支架中部、分别连接车轮和车身的支架下部；转矩传感器、万向环、位置传感器从上至下顺序布设在所述支架上部的周围；所述转向电机及控制器通过驱动线控独立转向执行机构支架绕转向电机轴线转动，带动车轮偏转，使车辆转向；

其特征在于：所述的万向环为用于保护电机的万向环，该万向环分为内万向环和外万向环，内万向环和外万向环通过两个传力销相铰接，内万向环与线控独立转向执行机构支架相连接，外万向环通过与其十字交叉的另外两个传力销与车架相连接，当车轮在垂直路面方向上下跳动时，所述转向电机能够随着万向环的摆动而摆动。

2.根据权利要求1所述一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于：所述线控独立转向执行机构支架的上部为圆台状连接机构，该圆台状连接机构中心处轴向开设有用于连接减速器的通孔；所述线控独立转向执行机构支架的中部为向下延伸的能够将电机及控制器容纳其中的电机***保护装置，该电机***保护装置包括两条向下延伸的立臂，所述线控独立转向执行机构的支架下部位于该两条立臂的下方且与两条立臂固接在一起，该支架下部为能够将主动轴或从动轴横向穿过或横向连接的轴连接机构，当该轴连接机构用于主动轮时，其中心处设有用于主动轴横向穿过的通孔；当该轴连接机构用于从动轮时，其中心处靠近车轮的一侧横向固接有从动轴短轴。

3.根据权利要求1所述一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于：所述的减速器为谐波减速器，该谐波减速器水平径向从内到外分别为减速器波发生器、减速器柔性轮、减速器刚性轮；位于内层的减速器波发生器纵向通过紧固装置和所述连接件连接；位于径向中间层的减速器柔性轮纵向通过紧固装置和线控独立转向执行机构的支架上部相连接；所述减速器波发生器为减速器的输入端，所述减速器柔性轮为减速器的输出端，该输出端连接线控独立转向执行机构支架，从而驱动线控独立转向执行机构支架绕转向电机轴线转动，带动车轮转向。

4.根据权利要求1所述的一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于，所述内万向环上对称设置有一对通孔，外万向环上同样设置有与其配合的一对通孔，内、外万向环通过通孔上的两个万向环内连接传力销铰接；外万向环上还十字交叉设有另一对通孔，用于外万向环通过两个万向环外连接传力销与车架铰接，内万向环通过其上端的力传感器和其下端的位置传感器与所述线控独立转向执行机构支架相连接，当车轮上下跳动时，所述线控独立转向执行机构支架将会随着万向环的摆动而摆动，从而保证转向电机轴不受径向力的影响。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于：所述的力传感器包括内外两圈，且内外两圈的位置均固定，其内圈的上端面与减速器刚性轮相连接，且其内圈和外圈的连接桥臂上设有应变片，该应变片用于测量减速器传给它的切向力和法向力；所述的位置传感器也称为转角传感器，该转角传感器水平径向从内到外包括齿环和检测头两部分，且齿环与检测头下端面齐平布置；其中齿环压套在支架上端，随支架的转动而转动，检测头固定在内万向环的下表面上；所述内万向环位于所述力传感器的下方，三个传感器通过力传感器外圈上的孔、内万向环上的孔、位置传感器探头上的孔以及螺钉相连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于，所述的电机为多相电机，该多相电机内部有两组多相线圈，共用一个壳体，由两个逻辑上的永磁同步电机组成。

7.根据权利要求1所述的一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于，所述的电机及控制器集成在一起，位于线控独立转向执行机构支架内部，电机壳体与线控独立转向执行机构支架连接，电机转子通过连接元件与减速器相连。

8.根据权利要求6所述的一种基于多相电机驱动的线控独立转向执行机构，其特征在于，所述的多相电机在常规模式下，两组多相驱动桥路各提供50%的转矩；当一组多相驱动桥路或一组多相绕组的部分或全部损坏后，控制器将使处于失效状态下的多相驱动桥路置于关闭状态，由另一驱动桥路来实现转向功能，同时输出故障报警并记录、存贮相应故障。

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