冗余驱动机构及主动侧倾三轮车
阅读说明：本技术 冗余驱动机构及主动侧倾三轮车 (Redundant driving mechanism and active side-tipping tricycle ) 是由 王亚 魏文军 李海涛 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及车辆底盘技术领域,公开了一种冗余驱动机构及主动侧倾三轮车,特别涉及主动侧倾车辆的侧倾驱动、控制技术,冗余驱动机构包括：两个输入齿轮同时与输出齿轮啮合,第一电机直接驱动一个输入齿轮、第二电机通过弹性联轴器驱动另一个输入齿轮,传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异,由弹性联轴器补偿,避免齿轮啮合运动干涉,保持各输入齿轮与输出齿轮始终正确啮合传动,实现双动力冗余驱动车辆侧倾运动,以提高主动侧倾车辆的安全性。(The invention relates to the technical field of vehicle chassis, discloses a redundant driving mechanism and an active side-tipping tricycle, in particular to a side-tipping driving and controlling technology of an active side-tipping vehicle, wherein the redundant driving mechanism comprises: the two input gears are meshed with the output gear simultaneously, the first motor directly drives one input gear, the second motor drives the other input gear through the elastic coupling, the synchronous difference of the rotating speeds caused by the fluctuation of the input rotating speeds in the transmission process is compensated by the elastic coupling, the interference of meshing motion of the gears is avoided, the input gears and the output gear are always in correct meshing transmission, the double-power redundant driving vehicle roll motion is realized, and the safety of the active roll vehicle is improved.)
技术领域
本发明涉及一种冗余驱动机构及主动侧倾三轮车，属于车辆底盘技术领域，特别涉及主动侧倾车辆的侧倾驱动、控制技术。
背景技术
主动侧倾控制系统通过控制车辆在转弯时向弯道内侧倾斜程度，提高了车辆转弯时的操纵稳定性、平顺性、通行速度和安全性，车辆主动侧倾技术可以使车辆在过弯时或者驶过倾斜路面时自动倾斜一定角度，产生一个平衡力矩，来抵抗车辆受到的离心力或侧翻力，以保持车辆稳定的行驶姿态。
车辆主动侧倾技术通常由车身独立侧倾、车身和车轮联动侧倾两种方式实施，前者车身独立侧倾方式，通常由伺服电机串联减速器减速增扭后驱动车身相对车架转动，其结构简单、造价低，但造成车辆弯道行驶的稳定性、平顺性及安全可靠性较差；后者车身和车轮联动侧倾方式，通常由伺服电机串联减速器减速增扭后驱动车辆侧倾机构、或者直接驱动车辆侧倾机构，通过悬架运动实现车辆侧倾，其结构复杂、造价高，车辆弯道行驶的稳定性、平顺性和安全性较好，适宜于高端车辆；研究主动侧倾车辆的侧倾驱动、控制技术，为提高车辆行驶安全性能具有理论意义和实用价值。
发明内容
本发明目的是要提供一种冗余驱动机构及主动侧倾三轮车，两个输入齿轮同时与输出齿轮啮合，第一电机直接驱动一个输入齿轮、第二电机通过弹性联轴器驱动另一个输入齿轮，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性联轴器补偿，避免齿轮啮合运动干涉，实现双动力冗余驱动。
为了达到本发明的目的所采取的技术方案如下：
冗余驱动机构包括：第一圆柱齿轮(12)、第二圆柱齿轮(13)和中心圆柱齿轮(11)分别绕各自轴线与箱体(10)转动连接，各圆柱齿轮转动轴线相互平行，中心圆柱齿轮(11)分别与第一圆柱齿轮(12)和第二圆柱齿轮(13)正确啮合传动，第二电机(14)通过弹性联轴器(15)驱动第二圆柱齿轮(13)，第一电机(16)直接驱动第一圆柱齿轮(12)，第一圆柱齿轮(12)和第二圆柱齿轮(13)同时驱动中心圆柱齿轮(11)转动；
其中：第一圆柱齿轮齿数Z1、输入扭矩N1、输入转速M1，第二圆柱齿轮齿数Z2、输入扭矩N2、输入转速M2，两齿轮输入转速同步条件M1Z1＝M2Z2，M1、M2同向，中心圆柱齿轮齿数ZO、输出转速MO＝M1Z1/ZO、输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性联轴器补偿，避免齿轮啮合运动干涉，实现双电机冗余驱动。
冗余驱动机构工作过程中：当N1≠0且N2≠0时，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)，双电机共同驱动、中心圆柱齿轮输出转动；当N2＝0时，第二圆柱齿轮以转速M2空转，第一圆柱齿轮输入扭矩N1，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N1ZO/Z1，第一电机驱动、中心圆柱齿轮输出转动；当N1＝0时，第一圆柱齿轮以转速M1空转，第二圆柱齿轮输入扭矩N2，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N2ZO/Z2，第二电机驱动、中心圆柱齿轮输出转动，实现双电机冗余驱动。
上述的冗余驱动机构中，所述的第一电机、第二电机选用伺服电机、或者伺服减速电机。
上述的冗余驱动机构中，第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮均为直齿圆柱外齿轮，中心圆柱齿轮为直齿圆柱内齿轮；或者，第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮均为斜齿圆柱外齿轮，中心圆柱齿轮为斜齿圆柱内齿轮；形成内啮合冗余驱动机构，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1ZJ/ZO、MO与M1同向。
上述的冗余驱动机构中，第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、中心圆柱齿轮均为直齿圆柱外齿轮，或者第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、中心圆柱齿轮均为斜齿圆柱外齿轮，形成外啮合冗余驱动机构，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、MO与M1反向。
上述的冗余驱动机构中，所述的第一电机直接驱动第一圆柱齿轮，替换为：第一电机通过另一弹性联轴器驱动第一圆柱齿轮，形成双联轴器冗余驱动机构，传动过程中输入转速M1、M2波动引起的转速同步差异，由双弹性联轴器补偿，可以降低双电机的转速同步控制精度要求，实现双电机冗余驱动。
车辆侧倾驱动机构由冗余驱动机构和侧倾机构组成：
侧倾机构包括：车身(20)、下摆杆(21)、定位杆(22)、上摆杆(23)依次顺序转动连接，各转动连接点A、B、C、D处转动轴线均垂直于车身横垂面，车轮(24)与定位杆(22)转动连接，车轮转动轴线垂直于定位杆BC、且平行于车身横垂面，形成一组车轮定位机构；两组相同的车轮定位机构依据给定的轮距以车身中垂面左右对称布置、共用同一车身(20)，在车身横垂面内平衡杆(25)中点O与车身(20)转动连接、转动轴线位于车身中垂面内，平衡杆(25)两端各自转动连接一个减震器(26)，两个减震器(26)另一端分别与左、右侧车轮定位机构中下摆杆转动连接，两转动连接点E、F关于车身中垂面对称，各转动连接点处转动轴线均垂直于车身横垂面，形成侧倾机构。
冗余驱动机构的中心圆柱齿轮(11)与侧倾机构的平衡杆(25)固连，中心圆柱齿轮轴线过平衡杆中点、且垂直于车身横垂面，冗余驱动机构的箱体(10)固定安装在侧倾机构的车身(20)上，中心圆柱齿轮(11)与平衡杆(26)共同绕中心圆柱齿轮轴线相对车身(20)转动，形成车辆侧倾驱动机构。
车辆侧倾驱动机构工作过程中：当N1≠0且N2≠0时，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)，通过平衡杆驱动侧倾机构运动、车身侧倾，当N2＝0时，第二圆柱齿轮以转速M2空转，第一圆柱齿轮输入扭矩N1，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N1ZO/Z1，第一电机驱动侧倾机构运动、车身侧倾，当N1＝0时，第一圆柱齿轮以转速M1空转，第二圆柱齿轮输入扭矩N2，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N2ZO/Z2，第二电机驱动侧倾机构运动、车身侧倾，实现双动力冗余驱动车辆侧倾运动。
主动侧倾三轮车包括：由一组车辆侧倾驱动机构后置，在同一车身上按照给定的轴距单个车轮前置、共用同一车身中垂面，前轮转向，双后轮驱动，车辆侧倾驱动机构控制车身侧倾，单个前轮与车身一起自适应侧倾，构成具备双后轮驱动、前轮转向特征的主动侧倾三轮车；具备驱动扭矩大、承载能力高，车辆安全性好特点。
本发明的有益效果在于，所提出的一种冗余驱动机构及主动侧倾三轮车，两个输入齿轮同时与输出齿轮啮合，第一电机直接驱动一个输入齿轮、第二电机通过弹性联轴器驱动另一个输入齿轮，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性联轴器补偿，避免齿轮啮合运动干涉，保持各输入齿轮与输出齿轮始终正确啮合传动，实现双动力冗余驱动车辆侧倾运动，以提高主动侧倾车辆的安全性。
附图说明
图1(a)冗余驱动机构简图、(b)冗余驱动机构组成原理图；
图2(a)外啮合冗余驱动机构简图、(b)外啮合冗余驱动机构组成原理图；
图3(a)双联轴器内啮合冗余驱动机构组成原理图、(b)双联轴器外啮合冗余驱动机构组成原理图；
图4为侧倾机构组成原理图；
图5为车辆侧倾驱动机构组成原理图；
图6为主动侧倾三轮车组成原理图；
图中：10--箱体，11--中心圆柱齿轮，12--第一圆柱齿轮，13--第二圆柱齿轮，14--第二电机，15--弹性联轴器，16--第一电机，20--车身，21--下摆杆，22--定位杆，23--上摆杆，24--车轮，25--平衡杆，26--减震器。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的实施例进行描述：
图1(b)所示的冗余驱动机构组成原理图，冗余驱动机构包括：第一圆柱齿轮(12)、第二圆柱齿轮(13)和中心圆柱齿轮(11)分别绕各自轴线与箱体(10)转动连接，各圆柱齿轮转动轴线相互平行，中心圆柱齿轮(11)分别与第一圆柱齿轮(12)和第二圆柱齿轮(13)正确啮合传动，第二电机(14)通过弹性联轴器(15)驱动第二圆柱齿轮(13)，第二电机(14)、弹性联轴器(15)和第二圆柱齿轮(13)具有共同转动轴线，第一电机(16)直接驱动第一圆柱齿轮(12)，第一电机(16)和第一圆柱齿轮(12)具有共同转动轴线，第一圆柱齿轮(12)和第二圆柱齿轮(13)同时驱动中心圆柱齿轮(11)转动；
其中：第一圆柱齿轮齿数Z1、第二圆柱齿轮齿数Z2、中心圆柱齿轮齿数ZO，第一伺服电机直接驱动第一圆柱齿轮输入扭矩N1、输入转速M1，第二伺服电机通过弹性联轴器驱动第二圆柱齿轮输入扭矩N2、输入转速M2，满足两齿轮输入转速同步条件M1Z1＝M2Z2，M1、M2同向，如图1(a)所示，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)，传动过程中输入转速M1、M2波动引起的转速同步差异，由弹性联轴器补偿，避免齿轮啮合运动干涉，实现双电机冗余驱动。
直齿圆柱齿轮正确啮合传动条件为：第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮与中心圆柱齿轮具有相同的模数m和压力角α，第一圆柱齿轮与中心圆柱齿轮内啮合传动中心距OP＝m(ZO-Z1)/2，第二圆柱齿轮与中心圆柱齿轮内啮合传动中心距OQ＝m(ZO-Z2)/2，第一、二圆柱齿轮转动不干涉条件PQ＞m(Z1+Z2)/2+2m，如图1(a)所示；第一圆柱齿轮与中心圆柱齿轮外啮合传动中心距OP＝m(Z1+ZO)/2，第二圆柱齿轮与中心圆柱齿轮外啮合传动中心距OQ＝m(Z2+ZO)/2，第一、二圆柱齿轮转动不干涉条件PQ＞m(Z1+Z2)/2+2m，如图2(a)所示。
冗余驱动机构工作过程中：当N1≠0且N2≠0时，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)，双伺服电机共同驱动、中心圆柱齿轮输出转动；当N2＝0时，第二圆柱齿轮以转速M2空转，第一圆柱齿轮输入扭矩N1，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N1ZO/Z1，第一伺服电机驱动、中心圆柱齿轮输出转动；当N1＝0时，第一圆柱齿轮以转速M1空转，第二圆柱齿轮输入扭矩N2，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N2ZO/Z2，第二伺服电机驱动、中心圆柱齿轮输出转动，实现双电机冗余驱动。
冗余驱动机构中，第一电机、第二电机选用伺服电机时，相应地配置小扭矩、大转角变形量的弹性联轴器，以利于双电机的转速同步控制；第一电机、第二电机选用伺服减速电机时，可以降低双电机的转速同步控制精度要求，相应地配置中扭矩的弹性联轴器。
冗余驱动机构中，第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮均为直齿圆柱外齿轮，中心圆柱齿轮为直齿圆柱内齿轮；或者，第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮均为斜齿圆柱外齿轮，中心圆柱齿轮为斜齿圆柱内齿轮；形成内啮合冗余驱动机构，如图1(a)、(b)所示，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、MO与M1同向。
冗余驱动机构中，第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、中心圆柱齿轮均为直齿圆柱外齿轮，或者第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮、中心圆柱齿轮均为斜齿圆柱外齿轮，形成外啮合冗余驱动机构，如图2(a)、(b)所示，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、MO与M1反向。斜齿圆柱齿轮传动具备承载能力高、运动平稳之优点。
冗余驱动机构中，将第一电机直接驱动第一圆柱齿轮，替换为：第一电机通过另一弹性联轴器驱动第一圆柱齿轮，形成双联轴器冗余驱动机构，如图3(a)、(b)所示，实现双电机冗余驱动。双联轴器冗余驱动机构相对应分为：图3(a)所示的双联轴器内啮合冗余驱动机构、图3(b)所示的双联轴器外啮合冗余驱动机构，传动过程中输入转速M1、M2波动引起的转速同步差异，由双弹性联轴器补偿，可以降低双电机的转速同步控制精度要求。
冗余驱动机构中，第一圆柱齿轮齿数Z1、输入转速M1，第二圆柱齿轮齿数Z2、输入转速M2，当Z2＝Z1时，两个齿轮输入转速同步条件为：M2＝M1，M2、M1同向；当Z2≠Z1时，两个齿轮输入转速同步条件为：M2＝M1Z1/Z2，M2、M1同向。
图5所示的车辆侧倾驱动机构组成原理图，车辆侧倾驱动机构由冗余驱动机构和侧倾机构组成：
侧倾机构包括：车身(20)、下摆杆(21)、定位杆(22)、上摆杆(23)依次顺序转动连接，各转动连接点A、B、C、D处转动轴线均垂直于车身横垂面，形成具有同一相对运动平面的四边形闭式运动链ABCD，车轮(24)与定位杆(22)转动连接，车轮转动轴线垂直于定位杆BC、且平行于车身横垂面，形成一组车轮定位机构；两组相同的车轮定位机构依据给定的轮距以车身中垂面左右对称布置、共用同一车身(20)，在车身横垂面内平衡杆(25)中点O与车身(20)转动连接、转动轴线位于车身中垂面内，平衡杆(25)两端各自转动连接一个减震器(26)，两个减震器(26)另一端分别与左、右侧车轮定位机构中下摆杆转动连接，两转动连接点E、F关于车身中垂面对称，各转动连接点处转动轴线均垂直于车身横垂面，形成侧倾机构(如图4所示)。
冗余驱动机构的中心圆柱齿轮(11)与侧倾机构的平衡杆(25)固连，中心圆柱齿轮轴线过平衡杆中点、且垂直于车身横垂面，冗余驱动机构的箱体(10)固定安装在侧倾机构的车身(20)上，中心圆柱齿轮(11)与平衡杆(26)共同绕中心圆柱齿轮轴线相对车身(20)转动，形成车辆侧倾驱动机构(如图5所示)。
车辆侧倾驱动机构工作过程中：当N1≠0且N2≠0时，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)，通过平衡杆驱动侧倾机构运动、车身侧倾，当N2＝0时，第二圆柱齿轮以转速M2空转，第一圆柱齿轮输入扭矩N1，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N1ZO/Z1，第一伺服电机驱动侧倾机构运动、车身侧倾，当N1＝0时，第一圆柱齿轮以转速M1空转，第二圆柱齿轮输入扭矩N2，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝N2ZO/Z2，第二伺服电机驱动侧倾机构运动、车身侧倾，实现双电机冗余驱动车辆侧倾运动(如图5所示)。
图6所示的主动侧倾三轮车组成原理图，主动侧倾三轮车包括：由一组车辆侧倾驱动机构后置，在同一车身上按照给定的轴距单个车轮前置、共用同一车身中垂面，前轮转向，双后轮轮毂电机驱动，所有车轮均采用断面为圆弧形的摩托车轮胎GB 518-2007，车辆侧倾驱动机构控制车身侧倾，单个前轮与车身一起自适应侧倾，构成具备双后轮驱动、前轮转向特征的主动侧倾三轮车；具备驱动扭矩大、承载能力高，车辆安全性好特点。
通过以上实施例，所提出的一种冗余驱动机构及主动侧倾三轮车，两个输入齿轮同时与输出齿轮啮合，第一电机直接驱动一个输入齿轮、第二电机通过弹性联轴器驱动另一个输入齿轮，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性联轴器补偿，避免齿轮啮合运动干涉，保持各输入齿轮与输出齿轮始终正确啮合传动，实现双动力冗余驱动车辆侧倾运动，以提高主动侧倾车辆的安全性。
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