一种球形轮胎转向系统的制作方法

本发明属于汽车技术领域，具体讲是一种球形轮胎转向系统。

背景技术：

随着经济的快速发展，汽车保有量激增，而城市土地资源有限，“停车难”问题愈发严重。因此迫切需要对车辆转向系统的结构进行改进，提高车辆的灵活性和对停车场土地资源的利用率。

当前量产汽车普遍采用传统的转向和悬架结构，其轮胎的最大转角有限，且通常只有前轮具有转向功能，影响车辆转向的灵活性和稳定性，此外多数汽车悬架结构的参数固定，导致轮胎侧倾角等参数无法根据道路和行驶工况实时调整，影响车辆的操控性，并可能加剧轮胎的磨损。球形轮胎相对于传统的环形轮胎具有诸多优点，并有望改变传统汽车的运动模式，改善车辆的灵活性，近年来关于球形轮胎的研究受到越来越广泛的关注。

申请号为201710280621.3的一种球形轮胎及包括该球形轮胎的转向结构，虽然可以实现任意角度的转向，但是没有考虑到车辆悬架，球形轮胎与底盘之间基本为刚性连接，当车辆通过较差路况时，车身振动大，摇晃严重，影响车辆行驶的平顺性和通过性，并且未考虑轮胎侧倾角等参数，当车辆满载时，可能加速轮胎磨损，并影响车辆的操控性；申请号为201720219628.X的一种基于球形轮的机器人，以球形轮胎与驱动轮之间的摩擦力作为转向的动力，控制球形轮胎转向，可实现轮胎任意角度转向，但该结构仅适用于负载较小、路况较好的工况，在实际应用中局限性较大，并不适用于车辆。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种球形轮胎转向系统，球形轮胎通过轮胎轴连接在轮胎支架上，轮胎支架与直线旋转混合型电机的主轴固定连接，利用直线旋转混合型电机控制球形轮胎转向，提高车辆的灵活性，同时利用直线旋转混合型电机对轮胎支架施加垂向力，简化悬架的结构，并可提高车辆的通过性，直线旋转混合型电机的壳体与传动杆固定连接，传动杆通过短轴与车身转动连接，利用另一直线电机驱动传动杆绕短轴转动，即对球形轮胎的侧倾角进行控制，进一步提高车辆的灵活性，并提高车辆的操控性，减小球形轮胎的磨损，此外该转向系统实现了对每个车轮的独立控制。

本发明的技术方案是：一种球形轮胎转向系统，包括转向机构、检测机构和电子控制单元；

所述转向机构包括球形轮胎、球形轮胎支架、直线旋转驱动装置、弹性装置、传动杆、短轴和直线驱动装置；

所述球形轮胎安装在所述球形轮胎支架上；所述球形轮胎支架与所述直线旋转驱动装置的主轴固定连接；所述弹性装置布置在所述直线旋转驱动装置的壳体与所述球形轮胎支架之间，并与所述直线旋转驱动装置的主轴同轴；所述直线旋转驱动装置的壳体与所述传动杆的一端连接；所述传动杆的另一端通过所述短轴与车身转动连接；所述直线驱动装置主轴与传动杆连接；所述直线驱动装置驱动传动杆绕所述短轴转动；

所述控制系统包括检测机构、电子控制单元和执行机构；所述检测机构测量方向盘转角的大小和方向、车轮的转速、车辆的加速度大小和方向、球形轮胎支架的转角、球形轮胎的侧倾角、采集路面信息，并将数据信息传送到电子控制单元；

所述电子控制单元包括输入模块、运算模块、电机控制模块和输出模块；所述执行机构包括直线旋转驱动装置和直线驱动装置；所述输入模块接收方向盘转角信息、转速信息、加速度信息、支架转角信息、侧倾角信息和路面信息，并将信息传送到所述运算模块；所述运算模块根据接收到的信息，计算出当前最优的球形轮胎转角和球形轮胎侧倾角，并将计算结果传递到所述电机控制模块；所述电机控制模块根据运算模块的计算结果生成直线旋转驱动装置控制指令和直线驱动装置控制指令，并将控制指令传送到所述输出模块；所述输出模块与直线旋转驱动装置和直线驱动装置连接，控制直线旋转驱动装置和直线驱动装置工作。

上述方案中，所述检测机构包括方向盘转角传感器、转速传感器、加速度传感器、支架转角传感器、侧倾角传感器和视觉传感器；

所述方向盘转角传感器安装在转向系统的转向轴上，用于测量方向盘转角的大小和方向，并将方向盘转角信息传送到所述电子控制单元；

所述转速传感器包括第一转速传感器、第二转速传感器、第三转速传感器和第四转速传感器；所述第一转速传感器、所述第二转速传感器、所述第三转速传感器和所述第四转速传感器分别用于测量左侧前轮、右侧前轮、左侧后轮和右侧后轮的转速，并将转速信息传送到所述电子控制单元；

所述加速度传感器用于测量车辆的加速度大小和方向，并将加速度信息传送到所述电子控制单元；

所述支架转角传感器用于测量球形轮胎支架的转角，即直线旋转驱动装置主轴的转角，并将支架转角信息传送到所述电子控制单元；

所述侧倾角度传感器用于测量球形轮胎的侧倾角，并将侧倾角信息传送到所述电子控制单元；

所述视觉传感器用于采集路面信息，并将路面信息传送到电子控制单元。

上述方案中，所述直线旋转驱动装置为直线旋转混合型电机。

上述方案中，所述直线旋转驱动装置对所述球形轮胎支架施加垂向力。

上述方案中，所述检测机构还包括支架行程传感器；

所述支架行程传感器用于测量球形轮胎支架的上下跳动行程，并将支架行程信息传送到所述电子控制单元的输入模块；所述输入模块接收支架行程信息，并将信息传送到所述运算模块；所述运算模块根据接收到的信息，计算出当前最优的轮胎支架垂向力，并将计算结果传递到所述电机控制模块；所述电机控制模块根据运算模块的计算结果生成直线旋转驱动装置控制指令，并将控制指令传送到所述输出模块；所述输出模块与直线旋转驱动装置4连接，控制直线旋转驱动装置工作。

上述方案中，所述球形轮胎包括轮胎轴和轮胎壳体；所述球形轮胎内有轮毂电机，所述轮胎轴为电机定子，所述轮胎壳体为电机转子；

所述球形轮胎通过所述轮胎轴固定安装在所述球形轮胎支架上，所述轮胎轴沿所述球形轮胎支架拨叉方向设置。

上述方案中，所述直线驱动装置为直线电机。

上述方案中，所述弹性装置为螺旋弹簧。

上述方案中，所述短轴的轴线与路面的交点和球形轮胎与路面的接触点为同一点。

上述方案中，所述传动杆上开有通孔；所述直线驱动装置主轴上装有所述螺杆；所述螺杆穿过通孔，且与通孔螺纹连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1本发明所述的一种球形轮胎转向系统在车辆转向时，利用直线旋转混合型电机控制其主轴转动并且达到所需要的转角，实现球形轮胎的转向，同时直线电机控制其主轴做直线运动，实现轮胎的侧倾，最终实现车辆的转向，确保车辆转向时的低速灵活性和高速稳定性。

2本发明所述的一种球形轮胎转向系统利用直线旋转混合型电机控制其主轴直线运动，简化了悬架机构，并可以主动衰减车身振动，同时根据当前工况调整每个球形轮胎支架的垂向力，即调整球形轮胎与地面之间的正压力，提高车辆的操控性和通过性。

3本发明所述的一种球形轮胎转向系统利用直线电机控制其主轴做直线运动，从而带动传动杆围绕短轴转动，使球形轮胎侧倾，且短轴的轴线与路面的交点和轮胎与路面的接触点为同一点，避免了球形轮胎侧倾时与地面之间的滑动摩擦。

4本发明所述的一种球形轮胎转向系统利用视觉传感器采集到的路面信息控制直线旋转混合型电机的主轴运动，实时对球形轮胎侧倾角进行调整，减小轮胎与地面之间的偏摩擦。

5本发明所述的一种球形轮胎转向系统在极端工况下，可以利用直线旋转混合型电机对车身高度进行适当的调整，以进一步提高车辆的通过性。

附图说明

图1为本发明一种球形轮胎转向系统正视图；

图2为本发明一种球形轮胎转向系统侧视图及局部向视图；

图3为本发明中控制系统的结构示意图。

附图标记说明：1、轮胎轴；2、轮胎壳体；3、球形轮胎支架；4、直线旋转驱动装置；5、弹性装置；6、传动杆；7、短轴；8、直线驱动装置；9、螺杆；10、圆挡板；11、车身。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述一种球形轮胎转向系统，包括转向机构、检测机构和电子控制单元。

所述转向机构包括球形轮胎、球形轮胎支架3、直线旋转驱动装置4、弹性装置5、传动杆6、短轴7、直线驱动装置8和螺杆9；所述球形轮胎包括轮胎轴1和轮胎壳体2；优选的，所述直线旋转驱动装置4为直线旋转混合型电机，所述直线驱动装置8为直线电机，所述弹性装置5为螺旋弹簧。所述球形轮胎内有轮毂电机，所述轮胎轴1为电机定子，所述轮胎壳体2为电机转子；所述球形轮胎通过所述轮胎轴1安装在所述球形轮胎支架3上，所述轮胎轴1沿所述球形轮胎支架3拨叉方向设置；所述球形轮胎支架3与所述直线旋转驱动装置4的主轴固定连接；所述弹性装置5布置在所述直线旋转驱动装置4的壳体与所述球形轮胎支架3之间，并与所述直线旋转驱动装置4的主轴同轴；所述弹性装置5用于将路面作用于球形轮胎上的部分力传递到车身11上，同时减轻路面的冲击；所述直线旋转驱动装置4用于控制所述球形轮胎转向，提高车辆的灵活性，并对所述球形轮胎支架3施加垂向力，使振动迅速衰减，简化悬架结构，在恶劣路况下增大轮胎与地面之间的摩擦力，提高车辆的通过性；所述直线旋转驱动装置4的壳体与所述传动杆6固定连接；所述传动杆6通过所述短轴7与车身11转动连接，用于将轮胎作用于所述直线旋转驱动装置4上的力传递到车身11上；所述传动杆6上开有通孔；所述直线驱动装置8主轴上装有所述螺杆9；所述螺杆9穿过通孔；所述直线驱动装置8用于驱动所述传动杆6绕所述短轴7转动，即对球形轮胎的侧倾角进行控制，提高车辆的灵活性和操控性；所述短轴7的轴线与路面成一定的夹角，所述短轴7的轴线与路面的交点和轮胎与路面的接触点近似为同一点，从而在调整轮胎侧倾角时，减小轮胎的摩擦阻力和磨损。

如图3所示，本发明控制系统包括检测机构、电子控制单元和执行机构。

所述检测机构包括方向盘转角传感器、转速传感器、加速度传感器、支架转角传感器、支架行程传感器、侧倾角传感器和视觉传感器；所述方向盘转角传感器安装在转向系统的转向轴上，用于测量方向盘转角的大小和方向，并将方向盘转角信息传送到所述电子控制单元；所述转速传感器包括第一转速传感器、第二转速传感器、第三转速传感器和第四转速传感器；所述第一转速传感器、所述第二转速传感器、所述第三转速传感器和所述第四转速传感器分别用于测量左侧前轮、右侧前轮、左侧后轮和右侧后轮的转速，并将转速信息传送到所述电子控制单元；所述加速度传感器用于测量车辆的加速度大小和方向，并将加速度信息传送到所述电子控制单元；所述支架转角传感器用于测量球形轮胎支架3的转角，即直线旋转驱动装置4主轴的转角，并将支架转角信息传送到所述电子控制单元；所述支架行程传感器用于测量球形轮胎支架3的上下跳动，即直线旋转驱动装置4主轴的直线运动，并将支架行程信息传送到所述电子控制单元；所述侧倾角度传感器用于测量球形轮胎的侧倾角，并将侧倾角信息传送到所述电子控制单元；所述视觉传感器用于采集路面信息，并将路面信息传送到电子控制单元；

所述电子控制单元包括输入模块、运算模块、电机控制模块和输出模块；所述电子控制单元根据方向盘转角信息、转速信息、加速度信息、支架转角信息、支架行程信息、侧倾角信息和路面信息控制直线旋转驱动装置4和直线驱动装置8工作，实现球形轮胎的转向和侧倾，进而实现车辆转向，保证车辆转向的灵活性和稳定性；所述输入模块接收方向盘转角信息、转速信息、加速度信息、支架转角信息、支架行程信息、侧倾角信息和路面信息，并将信息传送到所述运算模块；所述运算模块根据接收到的信息，计算出当前最优的球形轮胎转角和球形轮胎侧倾角，以及最优的轮胎支架垂向力，并将计算结果传递到所述电机控制模块；所述电机控制模块根据计算结果生成直线旋转驱动装置4控制指令和直线驱动装置8控制指令，并将控制指令传送到所述输出模块；所述输出模块与直线旋转驱动装置4和直线驱动装置8连接，控制直线旋转驱动装置4和直线驱动装置8工作；

所述执行机构包括直线旋转驱动装置4和直线驱动装置8。

本发明球形轮胎通过轮胎轴1连接在球形轮胎支架3上，球形轮胎支架3与直线旋转混合型电机的主轴固定连接，利用直线旋转混合型电机控制球形轮胎转向，提高车辆的灵活性，同时利用直线旋转混合型电机对轮胎支架施加垂向力，简化悬架的结构，并可提高车辆的通过性，直线旋转混合型电机的壳体与传动杆6固定连接，传动杆6通过短轴7与车身11转动连接，利用另一直线电机驱动传动杆6绕短轴7转动，即对球形轮胎的侧倾角进行控制，进一步提高车辆的灵活性，并提高车辆的操控性，减小球形轮胎的磨损，本发明转向系统兼顾车辆低速时的灵活性和高速时的稳定性，提高了车辆的通过性，并实现了对每个车轮的独立控制。

应当指出的是，实施例中提供的球形轮胎实施例只是其中一种，技术人员在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范畴。