摘要：面對(duì)輪轂電機(jī)在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用及由此衍生的對(duì)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(dòng)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(jí)螺旋斜齒輪的傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性和靈活性。這一設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的獨(dú)立轉(zhuǎn)向行駛，還將車輛的橫縱向運(yùn)動(dòng)控制相互獨(dú)立解耦，滿足了純電動(dòng)汽車對(duì)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(hào)：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.03.008

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)車輛保有量的迅速增長(zhǎng)，汽車電動(dòng)化的水平日益提高，為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)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(gè)車輪具備實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角的能力，從而對(duì)車輛輪邊空間的布置提出了極高的要求和限制[2]。目前國(guó)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(kāi)發(fā)成本較低，但在實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)向角及提升機(jī)動(dòng)性方面存在局限性。

2015 年，美國(guó)宇航局（NASA）[3] 研發(fā)了Modular RoboticVehicle，該車輛通過(guò)布置于輪邊的線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)發(fā)了基于多系統(tǒng)集成式的自動(dòng)輪智行底盤(pán)模塊，通過(guò)轉(zhuǎn)矩指令控制和車輪轉(zhuǎn)向隨動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了輪邊系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向一體化動(dòng)作。其中，主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧，具有空間利用率高、操縱延時(shí)小等顯著優(yōu)勢(shì)。

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(dòng)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。基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四輪主銷式獨(dú)立轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，其特性高度契合汽車行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，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(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)，有效節(jié)省底盤(pán)空間；同時(shí)，其靈活可控的自由度更高，是一種能夠依靠自動(dòng)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(dòng)汽車，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的產(chǎn)業(yè)化價(jià)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(dòng)力主要由駕駛員通過(guò)操作轉(zhuǎn)向盤(pán)提供。此時(shí)，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(pán)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(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)齒條橫向移動(dòng)。齒條的橫移又通過(guò)轉(zhuǎn)向橫拉桿推動(dòng)或拉動(dòng)第一轉(zhuǎn)向節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。