车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车
阅读说明：本技术 车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车 (Vehicle side-tipping driving mechanism and active side-tipping tricycle using same ) 是由 杨鹏艺 王豪磊 王亚 魏文军 李海涛 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及车辆底盘技术领域,公开了一种车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车,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,车辆侧倾驱动机构由驱动机构和侧倾机构组成,驱动机构与侧倾机构共用同一车身,驱动机构的中心圆柱齿轮与侧倾机构的平衡杆固连,中心圆柱齿轮轴线过平衡杆中点、且垂直于车身横垂面,形成车辆侧倾驱动机构,实现双动力混合驱动车辆侧倾运动,形成以下三种运动方式：双动力合成驱动车辆侧倾运动、双动力冗余驱动车辆侧倾运动和单动力独立驱动车辆侧倾运动。(The invention relates to the technical field of vehicle chassis, and discloses a vehicle roll driving mechanism and an active roll tricycle applying the same, belonging to the technical field of vehicle chassis, in particular to a roll driving and controlling technology of an active roll vehicle, wherein the vehicle roll driving mechanism consists of a driving mechanism and a roll mechanism, the driving mechanism and the roll mechanism share the same vehicle body, a central cylindrical gear of the driving mechanism is fixedly connected with a balance rod of the roll mechanism, the axis of the central cylindrical gear crosses the midpoint of the balance rod and is vertical to the cross vertical surface of the vehicle body to form the vehicle roll driving mechanism, so that the roll motion of a dual-power hybrid driving vehicle is realized, and the following three motion modes are formed: the double-power synthesis drives the vehicle to roll, the double-power redundancy drives the vehicle to roll and the single-power independent drives the vehicle to roll.)
技术领域
本发明涉及一种车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车，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，为降低主动侧倾车辆造价、提高车辆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车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车，采用弹性连杆联接两个与输出齿轮独立啮合的输入齿轮，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性连杆长度变化补偿，避免齿轮啮合运动干涉，实现双动力混合驱动车辆侧倾运动。
为了达到本发明的目的所采取的技术方案如下：车辆侧倾驱动机构由驱动机构和侧倾机构组成；
驱动机构包括：车身(10)、中心圆柱齿轮(11)、第一圆柱齿轮(12)、第二圆柱齿轮(13)、刚性连杆(14)、弹性连杆(15)，中心圆柱齿轮(11)和第一圆柱齿轮(12)分别绕各自轴线与车身(10)转动连接、两个圆柱齿轮正确啮合传动，刚性连杆(14)一端绕中心圆柱齿轮(11)轴线与车身(10)转动连接、另一端与第二圆柱齿轮(13)绕其轴线转动连接，第二圆柱齿轮(13)与中心圆柱齿轮(11)正确啮合传动，弹性连杆(15)一端绕第一圆柱齿轮(12)轴线与车身(10)转动连接、另一端与第二圆柱齿轮(13)绕其轴线转动连接，弹性连杆(15)保持第二圆柱齿轮(13)与中心圆柱齿轮(11)正确啮合传动，各圆柱齿轮转动轴线相互平行；
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，由弹性连杆长度变化补偿，避免齿轮啮合运动干涉，弹性连杆长度变化时第一、二圆柱齿轮与中心圆柱齿轮的中心距保持不变，实现双动力混合驱动。
侧倾机构包括：车身(10)、下摆杆(21)、上摆杆(22)、减震器(23)、车轮(24)、连杆(25)、平衡杆(26)，下摆杆(21)一端与车身(10)前部转动连接、另一端联接车轮(24)，车轮(24)在联接点相对下摆杆(21)转动，上摆杆(22)首端与车身(10)后部转动连接，减震器(23)一端与上摆杆(22)转动连接、连接点位于上摆杆(22)中部，减震器(23)另一端与下摆杆(21)转动连接、连接点位于下摆杆(21)中部靠近车轮(24)一侧，各转动连接点处转动轴线均垂直于车身中垂面，形成一组车轮定位机构；两组几何参数、性能参数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(10)，平衡杆(26)中点与车身(10)在车身横垂面转动连接、转动轴线位于车身中垂面内，平衡杆(26)两端由球铰链各自连接一个连杆(25)，两等长连杆(25)另一端分别与左、右侧车轮定位机构中上摆杆(22)末端球铰链连接，两连接点关于车身中垂面对称，形成侧倾机构；
驱动机构与侧倾机构共用同一车身(10)，驱动机构的中心圆柱齿轮(11)与侧倾机构的平衡杆(26)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，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(10)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、实现车身侧倾，形成双动力合成驱动车辆侧倾运动方式；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，车辆侧倾驱动机构正常工作，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，车辆侧倾驱动机构继续工作，形成单动力独立驱动、或者双动力冗余驱动车辆侧倾运动方式。车辆侧倾驱动机构实现双动力混合驱动车辆侧倾运动，形成以下三种驱动方式：双动力合成驱动车辆侧倾运动、双动力冗余驱动车辆侧倾运动和单动力独立驱动车辆侧倾运动。
上述的车辆侧倾驱动机构中，所述的弹性连杆为弹性二力杆，外力作用下产生微量拉伸或压缩位移，选用弹性材料制成等径直线型弹性连杆，也可选用弹性材料制成C型、或者S型弹性连杆，弹性连杆的弹簧刚度与各输入扭矩成正比。
上述的车辆侧倾驱动机构中，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；形成内啮合车辆侧倾驱动机构，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、MO与M1同向。
上述的车辆侧倾驱动机构中，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，形成外啮合车辆侧倾驱动机构，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、MO与M1反向。
上述的车辆侧倾驱动机构中，当N2＝0时，第二圆柱齿轮以转速M2空转，省却第二圆柱齿轮(13)、刚性连杆(14)、弹性连杆(15)，第一圆柱齿轮齿数Z1、输入转速M1、输入扭矩N1，中心圆柱齿轮齿数ZO、输出转速MO＝M1Z1/ZO、输出扭矩NO＝N1ZO/Z1，通过平衡杆驱动侧倾机构运动、实现车身侧倾，形成单动力车辆侧倾驱动机构，实现单动力驱动车辆侧倾运动。
主动侧倾三轮车包括：由一组内啮合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，内啮合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正三轮车；大减速比传动，具备驱动扭矩大、承载能力高，采用双动力冗余驱动车辆侧倾运动方式，车辆安全性好特点。
外啮合主动侧倾三轮车包括：由一组外啮合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，外啮合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、前轮转向特征的一种主动侧倾正三轮车；采用双动力合成驱动车辆侧倾运动方式，具备驱动扭矩大、承载能力高，车辆安全性好特点。
单动力主动侧倾三轮车包括：由一组单动力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，单动力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、前轮转向特征的另一种主动侧倾正三轮车；采用单动力独立驱动车辆侧倾运动方式，具备结构简单、重量轻，车辆机动性好特点。
本发明的有益效果在于，所提出的一种车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车，采用弹性连杆联接两个与输出齿轮独立啮合的输入齿轮，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性连杆长度变化补偿，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，实现双动力混合驱动车身侧倾运动，以提高主动侧倾车辆的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为驱动机构简图；
图2(a)为C形弹性连杆构型原理图、(b)为S形弹性连杆构型原理图；
图3为车轮定位机构简图；
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为外啮合车辆侧倾驱动机构组成原理图；
图7为单动力车辆侧倾驱动机构组成原理图；
图8为主动侧倾三轮车组成原理图；
图9为外啮合主动侧倾三轮车组成原理图；
图10为单动力主动侧倾三轮车组成原理图；
图中：10--车身，11--中心圆柱齿轮，12--第一圆柱齿轮，13--第二圆柱齿轮，14--刚性连杆，15--弹性连杆，21--下摆杆，22--上摆杆，23--减震器，24--车轮，25--连杆，26--平衡杆。
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所示的驱动机构简图，驱动机构包括：车身(10)、中心圆柱齿轮(11)、第一圆柱齿轮(12)、第二圆柱齿轮(13)、刚性连杆(14)、弹性连杆(15)，中心圆柱齿轮(11)和第一圆柱齿轮(12)分别绕各自轴线与车身(10)转动连接、两个圆柱齿轮正确啮合传动，刚性连杆(14)一端绕中心圆柱齿轮(11)轴线与车身(10)转动连接、另一端与第二圆柱齿轮(13)绕其轴线转动连接，第二圆柱齿轮(13)与中心圆柱齿轮(11)正确啮合传动，弹性连杆(15)一端绕第一圆柱齿轮(12)轴线与车身(10)转动连接、另一端与第二圆柱齿轮(13)绕其轴线转动连接，弹性连杆(15)保持第二圆柱齿轮(13)与中心圆柱齿轮(11)正确啮合传动，各圆柱齿轮转动轴线相互平行；
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，伺服电机一驱动第一圆柱齿轮输入扭矩N1、输入转速M1，伺服电机二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，转动方向如图1所示，传动过程中M2向下波动减小时，弹性连杆受拉、杆长PQ增长，由于PO固定，则∠POQ变大，避免齿轮啮合运动干涉；M2向上波动增大时，弹性连杆受压、杆长PQ缩短，则∠POQ变小，避免齿轮啮合运动干涉；弹性连杆长度变化时，刚性连杆长度不变，第一、二圆柱齿轮与中心圆柱齿轮的中心距OP、OQ保持不变，中心圆柱齿轮输出扭矩NO＝ZO(N1/Z1+N2/Z2)、输出转速MO＝M1Z1/ZO，实现双动力混合驱动；
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，刚性连杆长度等于OQ，弹性连杆长度PQ＞m(Z1+Z2)/2+2m，如图1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，刚性连杆长度等于OQ，弹性连杆长度PQ＞m(Z1+Z2)/2+2m，如图6所示。
图4所示的侧倾机构组成原理图，侧倾机构包括：车身(10)、下摆杆(21)、上摆杆(22)、减震器(23)、车轮(24)、连杆(25)、平衡杆(26)，下摆杆(21)一端A与车身(10)前部转动连接、另一端联接车轮(24)，车轮(24)在联接点B相对下摆杆(21)转动，上摆杆(22)首端D与车身(10)后部转动连接，减震器(23)一端与上摆杆(22)转动连接、连接点E位于上摆杆(22)中部，减震器(23)另一端与下摆杆(21)转动连接、连接点C位于下摆杆(21)中部靠近车轮(24)一侧，各转动连接点处转动轴线均垂直于车身中垂面，形成一组车轮定位机构(如图3所示)；两组几何参数、性能参数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(10)，平衡杆(26)中点与车身(10)在车身横垂面转动连接、转动轴线位于车身中垂面内，平衡杆(26)两端由球铰链各自连接一个连杆(25)，两等长连杆(25)另一端分别与左、右侧车轮定位机构中上摆杆(22)末端球铰链连接，两连接点F、G关于车身中垂面对称，形成侧倾机构(如图4所示)；
驱动机构与侧倾机构共用同一车身(10)，驱动机构的中心圆柱齿轮(11)与侧倾机构的平衡杆(26)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，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(10)转动，形成车辆侧倾驱动机构(如图5所示)。
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、实现车身侧倾，形成双动力合成驱动车辆侧倾运动方式；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，车辆侧倾驱动机构正常工作，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，车辆侧倾驱动机构继续工作，形成单动力独立驱动、或者双动力冗余驱动车辆侧倾运动方式。车辆侧倾驱动机构实现双动力混合驱动车辆侧倾运动，形成以下三种驱动方式：双动力合成驱动车辆侧倾运动、双动力冗余驱动车辆侧倾运动和单动力独立驱动车辆侧倾运动。
车辆侧倾驱动机构中，所述的弹性连杆为弹性二力杆，外力作用下产生微量拉伸或压缩位移，选用弹性材料制成等径直线型弹性连杆，也可选用弹性材料制成C型弹性连杆，如图2(a)所示；或者S型弹性连杆，如图2(b)所示，弹性连杆的弹簧刚度与各输入扭矩成正比。
车辆侧倾驱动机构中，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；形成内啮合车辆侧倾驱动机构(如图5所示)，中心圆柱齿轮输出转速MO＝M1Z1/ZO、MO与M1同向。
车辆侧倾驱动机构中，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，形成外啮合车辆侧倾驱动机构(如图6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。
车辆侧倾驱动机构中，当N2＝0时，第二圆柱齿轮以转速M2空转，省却第二圆柱齿轮(13)、刚性连杆(14)、弹性连杆(15)，第一圆柱齿轮齿数Z1、输入转速M1、输入扭矩N1，中心圆柱齿轮齿数ZO、输出转速MO＝M1Z1/ZO、输出扭矩NO＝N1ZO/Z1，通过平衡杆驱动侧倾机构运动、实现车身侧倾，形成单动力车辆侧倾驱动机构(如图7所示)，实现单动力驱动车辆侧倾运动。
车辆侧倾驱动机构中，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8所示的主动侧倾三轮车组成原理图，主动侧倾三轮车包括：由一组内啮合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，内啮合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正三轮车；大减速比传动，具备驱动扭矩大、承载能力高，采用双动力冗余驱动车辆侧倾运动方式，车辆安全性好特点。
图9所示的外啮合主动侧倾三轮车组成原理图，外啮合主动侧倾三轮车包括：由一组外啮合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，外啮合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、前轮转向特征的一种主动侧倾正三轮车；采用双动力合成驱动车辆侧倾运动方式，具备驱动扭矩大、承载能力高，车辆安全性好特点。
图10所示的单动力主动侧倾三轮车组成原理图，单动力主动侧倾三轮车包括：由一组单动力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，单动力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、前轮转向特征的另一种主动侧倾正三轮车；采用单动力独立驱动车辆侧倾运动方式，具备结构简单、重量轻，车辆机动性好特点。
通过以上实施例，所提出的一种车辆侧倾驱动机构及应用该机构的主动侧倾三轮车，采用弹性连杆联接两个与输出齿轮独立啮合的输入齿轮，传动过程中输入转速波动引起的转速同步差异，由弹性连杆长度变化补偿，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，实现双动力合成驱动车辆侧倾运动、双动力冗余驱动车辆侧倾运动和单动力独立驱动车辆侧倾运动三种驱动方式，以提高主动侧倾车辆的稳定性和可靠性。
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