新型主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

摘要：面對輪轂電機(jī)在純電動汽車上的應(yīng)用及由此衍生的對車輛獨(dú)立轉(zhuǎn)向的需求，本文提出了一種基于輪轂電機(jī)驅(qū)動的新型主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)巧妙融合了小升角蝸輪蝸桿和兩級螺旋斜齒輪的傳動優(yōu)勢，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性和靈活性。這一設(shè)計不僅實(shí)現(xiàn)了輪轂電機(jī)驅(qū)動下的獨(dú)立轉(zhuǎn)向行駛，還將車輛的橫縱向運(yùn)動控制相互獨(dú)立解耦，滿足了純電動汽車對先進(jìn)智能控制技術(shù)的需求，以及更多非常規(guī)模式下的轉(zhuǎn)向需求。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向；蝸輪蝸桿；校核分析

中圖分類號：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.03.008

0 引言

隨著國內(nèi)車輛保有量的迅速增長，汽車電動化的水平日益提高，為實(shí)現(xiàn)對車輛更優(yōu)化的控制及滿足多樣化的轉(zhuǎn)向需求，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)開始逐步得到應(yīng)用[1]。采用線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠使車輛實(shí)現(xiàn)多種特殊轉(zhuǎn)向模式，如橫向行駛、斜行、原地轉(zhuǎn)向等，這要求每個車輪具備實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角的能力，從而對車輛輪邊空間的布置提出了極高的要求和限制[2]。目前國內(nèi)外多數(shù)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍基于傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行改造，盡管這種方式利用了較為成熟的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，開發(fā)成本較低，但在實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)向角及提升機(jī)動性方面存在局限性。

2015 年，美國宇航局（NASA）[3] 研發(fā)了Modular RoboticVehicle，該車輛通過布置于輪邊的線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動單縱臂懸架及車輪進(jìn)行整體轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)向與橫向移動等特殊轉(zhuǎn)向模式。2017 年，Protean 公司[4] 公布了其“360+”轉(zhuǎn)向方案，該方案同樣基于線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，能夠滿足車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的需求。此外，吉林大學(xué)靳立強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)[5-6] 開發(fā)了基于多系統(tǒng)集成式的自動輪智行底盤模塊，通過轉(zhuǎn)矩指令控制和車輪轉(zhuǎn)向隨動控制，實(shí)現(xiàn)了輪邊系統(tǒng)的驅(qū)動與轉(zhuǎn)向一體化動作。其中，主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，具有空間利用率高、操縱延時小等顯著優(yōu)勢。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于輪轂電機(jī)驅(qū)動的新型主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。該方案是線控轉(zhuǎn)向與獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)綜合創(chuàng)新的成果，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)巧妙布置于車輪上方，轉(zhuǎn)向助力電機(jī)內(nèi)置于主銷軸系內(nèi)，轉(zhuǎn)向作用力直接作用于主銷，因此稱為主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向?；谳嗇炿姍C(jī)驅(qū)動的四輪主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向電動汽車，其特性高度契合汽車行業(yè)的未來發(fā)展趨勢，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。該車型集成度高，能夠獨(dú)立、精準(zhǔn)地控制4個車輪的驅(qū)動與制動，有效節(jié)省底盤空間；同時，其靈活可控的自由度更高，是一種能夠依靠自動輪模塊實(shí)現(xiàn)各車輪轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角獨(dú)立控制的先進(jìn)電動汽車，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的產(chǎn)業(yè)化價值。

1 主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向原理

如圖1 所示，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向模式下，轉(zhuǎn)向動力主要由駕駛員通過操作轉(zhuǎn)向盤提供。此時，轉(zhuǎn)向器采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，保留了轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向盤之間的機(jī)械連接，并匹配了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以增強(qiáng)駕駛的輕便性。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動齒條橫向移動。齒條的橫移又通過轉(zhuǎn)向橫拉桿推動或拉動第一轉(zhuǎn)向節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動。