新型主銷式獨立轉向機構設計

摘要：面對輪轂電機在純電動汽車上的應用及由此衍生的對車輛獨立轉向的需求，本文提出了一種基于輪轂電機驅動的新型主銷式獨立轉向機構。該機構巧妙融合了小升角蝸輪蝸桿和兩級螺旋斜齒輪的傳動優勢，提高了轉向系統的可靠性和靈活性。這一設計不僅實現了輪轂電機驅動下的獨立轉向行駛，還將車輛的橫縱向運動控制相互獨立解耦，滿足了純電動汽車對先進智能控制技術的需求，以及更多非常規模式下的轉向需求。

關鍵詞：輪轂電機；主銷式獨立轉向；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

隨著國內車輛保有量的迅速增長，汽車電動化的水平日益提高，為實現對車輛更優化的控制及滿足多樣化的轉向需求，線控轉向技術開始逐步得到應用[1]。采用線控獨立轉向系統能夠使車輛實現多種特殊轉向模式，如橫向行駛、斜行、原地轉向等，這要求每個車輪具備實現大轉角的能力，從而對車輛輪邊空間的布置提出了極高的要求和限制[2]。目前國內外多數線控轉向系統仍基于傳統汽車轉向系統進行改造，盡管這種方式利用了較為成熟的轉向結構，開發成本較低，但在實現大轉向角及提升機動性方面存在局限性。

2015 年，美國宇航局（NASA）[3] 研發了Modular RoboticVehicle，該車輛通過布置于輪邊的線控獨立轉向機構驅動單縱臂懸架及車輪進行整體轉向，實現了原地轉向與橫向移動等特殊轉向模式。2017 年，Protean 公司[4] 公布了其“360+”轉向方案，該方案同樣基于線控獨立轉向機構，能夠滿足車輪獨立轉向的需求。此外，吉林大學靳立強教授團隊[5-6] 開發了基于多系統集成式的自動輪智行底盤模塊，通過轉矩指令控制和車輪轉向隨動控制，實現了輪邊系統的驅動與轉向一體化動作。其中，主銷式獨立轉向結構設計精巧，具有空間利用率高、操縱延時小等顯著優勢。

在上述研究基礎上，本文提出了一種基于輪轂電機驅動的新型主銷式獨立轉向機構。該方案是線控轉向與獨立懸架機構綜合創新的成果，將轉向系統巧妙布置于車輪上方，轉向助力電機內置于主銷軸系內，轉向作用力直接作用于主銷，因此稱為主銷式獨立轉向。基于輪轂電機驅動的四輪主銷式獨立轉向電動汽車，其特性高度契合汽車行業的未來發展趨勢，展現出良好的發展前景。該車型集成度高，能夠獨立、精準地控制4個車輪的驅動與制動，有效節省底盤空間；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現各車輪轉矩與轉角獨立控制的先進電動汽車，具有廣闊的應用前景和重要的產業化價值。

1 主銷式獨立轉向原理

如圖1 所示，在傳統轉向模式下，轉向動力主要由駕駛員通過操作轉向盤提供。此時，轉向器采用齒輪齒條結構，保留了轉向器與轉向盤之間的機械連接，并匹配了助力轉向系統以增強駕駛的輕便性。當駕駛員轉動轉向盤時，轉向盤的旋轉帶動齒輪旋轉，進而驅動齒條橫向移動。齒條的橫移又通過轉向橫拉桿推動或拉動第一轉向節，最終實現車輪的轉動。