CN102849106B - 一种双侧电机驱动履带车辆转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双侧电机驱动履带车辆转向系统，包括控制系统、动力系统及机械系统，该机械系统包括驱动电机、制动器及减速器，减速器与车辆主动轮相连；该机械系统进一步包括转向电机控制器、转向电机、可控差速器、离合器以及耦合器；其中转向电机控制器、转向电机、可控差速器、离合器及耦合器的一个输入端顺次连接，耦合器的另一输入端与驱动电机相连，耦合器的输出端与制动器相连，转向电机控制器、可控差速器及离合器进一步与控制系统相连。本发明通过在机械系统中设置转向电机，通过耦合器对转向电机和驱动电机所提供的转矩进行耦合，这样可以降低驱动电机的最大功率，使得驱动电机的功率得到充分利用。

Description

一种双侧电机驱动履带车辆转向系统

技术领域

本发明涉及一种双侧电机驱动履带车辆转向系统，属于车辆转向技术领域。

背景技术

车辆转向问题是履带车辆行驶理论中的核心问题，转向的灵活性和可控性是评价履带车辆机动性能的重要指标。履带车辆通过转向机构使两侧履带获得不同速度来实现转向，这与轮式车辆的转向原理及转向机构有着根本的不同。履带车辆的转向方式一般分为转向离合器-制动器转向、机械式双功率流转向、液压机械差速转向和电子控制差速转向。双侧电机独立驱动履带车辆通常采用电子控制差速转向，如翟丽，孙逢春，谷中丽，张承宁.《电传动履带车辆电子差速转向控制策略》(北京理工大学学报，2009.02:13～118)；翟丽，孙逢春，谷中丽.《电子差速履带车辆转向转矩神经网络PID控制》(农业机械学报，2009.02:1～6)。

电子控制差速转向系统的转向机动性能优良，能够实现无级转向和无级调速，其转向灵活，并具有较高的平均转向行驶速度，同时，该转向系统没有机械换挡冲击，驾驶员操控简单省力；但是该转向系统需要两侧电机功率较大，通常所需电机的功率是单电机驱动的两倍，其功率得不到充分利用。为了解决这种问题，通常采用横轴式双电机驱动履带车辆通过中央差速器和转向电机来实现，如车辆防滑驱动结构(美国专利，申请号6953408B2)，但是这种转向方式由于双侧电机之间存在机械约束，很难实现无级转向，同时这种转向系统的转向稳定性没有电子差速转向好。

发明内容

本发明的目的是针对双侧电机驱动履带车辆实现电子控制低速转向、中速转向和高速转向时需要单侧电机功率过大的问题，针对横轴式双侧电机驱动履带车辆实现无级转向困难的问题，提出一种可减少单侧电机功率的、能够实现无级转向的横轴式双侧电机驱动履带车辆转向系统。

实现本发明的技术方案如下：

一种双侧电机驱动履带车辆转向系统，包括控制系统、动力系统及机械系统，该机械系统包括两个驱动电机、两个制动器及两个减速器，两个减速器与车辆的两主动轮相连；该机械系统进一步包括转向电机控制器、转向电机、可控差速器、两个离合器以及两个耦合器；其中转向电机控制器、转向电机及可控差速器的输入端顺次连接；可控差速器的两输出端分别连接一离合器，每一离合器连入一耦合器的输入端A，每一耦合器的输入端B连接一驱动电机，每一耦合器的输出端与一制动器相连，转向电机控制器、可控差速器及离合器进一步与控制系统相连；其中，

控制系统根据其上方向盘及其角位移传感器传输过来的信号生成角度信号θ并传输给可控差速器，同时根据该角度信号θ生成转矩信号传输给转向电机控制器；

转向电机控制器用于根据控制系统传输过来的转矩信号，对转向电机的输出转矩的大小进行控制；

转向电机在转向电机控制器的控制下，通过输出轴输出转矩T给可控差速器；

可控差速器内事先存储有转向控制策略，该转向控制策略表示对应不同角度信号θ时，输出转矩的类型是制动转矩还是驱动转矩；可控差速器接收控制系统传输过来的角度信号θ，根据所述θ对接收的转矩T进行分配，根据所述θ和转向控制策略对转矩的类型进行分配；

离合器在控制系统的控制下，用于使可控差速器与耦合器之间连通或断开，当控制系统控制离合器接通时，其将可控差速器分配的转矩传输给耦合器；

耦合器用于对离合器传输过来的转矩和驱动电机输出的转矩进行耦合，将耦合后的转矩为履带车辆主动轮提供动力。

进一步地，本发明所述控制系统对转向所需功率进行判断，当判定转向所需功率小于驱动电机最大功率时，则在控制系统的控制下，仅通过所述驱动电机为车辆主动轮提供能量，当判定转向所需功率大于驱动电机最大功率时，则在控制系统的控制下，通过耦合器对驱动电机输出的转矩和转向电机输出的、可控差速器分配后的转矩进行耦合，将耦合后的转矩为车辆主动轮提供能量。

有益效果

本发明通过在机械系统中设置转向电机，通过耦合器对转向电机和驱动电机所提供的转矩进行耦合，这样可以降低驱动电机的最大功率，使得驱动电机的功率得到充分利用。

其次，本发明根据转向所需功率的大小，采用驱动电机单独提供能量或驱动电机和转向电机一起提供能量的形式，这样可以保证转向系统的稳定性并实现无极转向。

附图说明

图1是本实施例中给出的履带车辆的转向系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供的双侧电机驱动履带车辆转向系统，该转向系统工作的原理为：在低功率转向时(当转向所需功率小于驱动电机最大功率时)，采用电子差速无级转向，即两个驱动电机2a、2b单独提供能量的形式；在高功率转向和小半径困难路面转向时(当转向所需功率大于驱动电机最大功率时)，采用中央差速器横轴式转向，即两个驱动电机2a、2b和转向电机9一起提供能量的形式；这两种方式的转换是通过电磁式离合器的接通和断开来实现的。

如图1所示，该转向系统包括控制系统、动力系统及机械系统。

控制系统包括综合电子控制器16，以及与综合电子控制器分别相连的加速踏板及其位移传感器17、制动踏板及其位移传感器18、电子挡位采集单元19及方向盘及其角位移传感器20，其中控制系统中的各器件与综合电子控制器16之间是通过信号线相连，各器件将采集到的信号通过信号线传输给综合电子控制器16，综合电子控制器16对接收到的信号进行处理分析，进而对车辆的各部件进行控制，该过程为现有技术。由于本发明只涉及车辆的转向系统，所分析的信号为方向盘及其角位移传感器20所采集的信号，因此在本实施例只对所应用到的信号进行描述，不对其它器件所采集到的、未在转向系统中应用的信号进行逐一说明。

控制系统根据其上方向盘及其角位移传感器20传输过来的信号生成角度信号θ并传输给可控差速器7，同时根据该角度信号θ生成转矩信号传输给转向电机控制器10。

方向盘及其角度位移传感器20是车辆上用于采集外部操作方向盘希望车辆主动轮达到所需转角的装置，控制系统中的综合电子控制器16将方向盘及其角度位移传感器20所感应到的信号转换成角度信号θ，根据该角度信号θ其判断出此时转向所需要的功率。

在现有技术中，由于采用功率较大的驱动电机，其足以满足转向的需求，因此综合电子控制器16只需要告知两驱动电机所应输出的功率即可，但是驱动电机的功率较大，使得其功率得不到充分利用。

在本发明中为了使驱动电机的功率得到充分利用，选取较小功率的驱动电机，同时通过综合电子控制器16判断出转向所需的功率是大于还是小于驱动电机的最大功率，当转向所需的功率大于驱动电机最大功率，则其生成转矩信号传输给转向电机，该转矩信号表示此时需要转向电机9提供多大的转矩来弥补驱动电机功率不足的问题，这样就可以使驱动电机和转向电机的协同工作来实现对车轮转向的驱动，从而保证驱动电机功率的充分利用。

动力系统包括能量变换控制单元12、两个电机控制器11a、11b、能量吸收装置13、发动机-发电机组14及电池组15；该系统与现有车辆中动力系统的组成相同，其不为本发明的重点，因此以下仅对其进行简单说明。在动力系统中发动机—发电机组14通过三相交流电源线将三相交流电传递给能量变化控制单元12，电池组15将直流电通过电池组直流母线传递给能量变化控制单元12，能量变换单元12将三相交流电源和电池组直流母线电源变换成车辆直流母线所需的直流电，能量变化单元12可以将车辆直流母线上反馈的电能量输入能量吸收装置13，能量变换控制单元12通过车载直流电源母线将直流电输入电机控制器11a、电机控制器11b和转向电机控制器10供电，同时能量变换控制单元12也通过车载直流电源母线依次给两个驱动电机2a、2b、转向电机9等供电，为了减小附图的复杂性，该供电线未在图1中标注。

控制系统与动力系统之间的连接关系为：综合控制器16通过第一CAN总线N1、第二CAN总线N2、第三CAN总线N3、第四CAN总线N4、第五CAN总线N5分别与电机控制器11a、电池组15、能量变换控制单元12、发动机—发电机组14、电机控制器11b连接；该连接关系皆为现有技术，不是本发明的重点，因此只采用以上的连接关系对其进行简单说明。

机械系统包括两个驱动电机2a、2b、两个制动器4a、4b及两个减速器5a、5b，两个减速器5a、5b与车辆上的两个主动轮6a、6b相连；该机械系统进一步包括转向电机控制器10、转向电机9、可控差速器7、两个离合器1a、1b以及两个耦合器3a、3b；其中转向电机控制器10通过三相交流电源线与转向电机9相连，转向电机9的输出轴与可控差速器7的输入端相连，可控差速器7两输出端分别连接一个离合器1a、1b，每一离合器1a、1b分别连入一个耦合器3a、3b的输入端A，每一耦合器3a、3b的输入端B连接一驱动电机2a、2b，每一耦合器3a、3b的输出端与一制动器4a、4b相连，，转向电机控制器9、可控差速器7及离合器1a、1b进一步与控制系统通过CAN总线相连。

本发明机械系统中的转向电机控制器10、转向电机9、可控差速器7、两个离合器1a、1b以及两个耦合器3a、3b的设计为本发明的重点，以下对该器件进行详细说明：

转向电机控制器10用于根据控制系统(即控制系统中的综合电子控制器)传输过来的转矩信号，对转向电机9的输出转矩的大小(此处也可以称为转向电机的输出力)进行控制。

转向电机9在转向电机控制器10的控制下，通过输出轴输出转矩T给可控差速器7。

可控差速器7内事先存储有转向控制策略，，该转向控制策略表示对应不同角度信号θ时，确定输出转矩的类型是制动转矩还是驱动转矩；可控差速器7接收控制系统传输过来的角度信号θ，根据所述θ对接收的转矩T进行分配，根据所述θ和转向控制策略对转矩的类型进行分配。例如该根据角度θ的大小对转矩T的大小进行分配为：在转向的过程中，为内侧轮分配T₁的转矩，为外侧轮分配T₂的转矩；

$\begin{array}{cc}{T}_1=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}T& T_2=(1-\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }})T\end{array}$

其中θ_max为方向盘的最大转角。

转向控制策略为：将方向盘最大转角范围分成多个子范围，在每一子范围内确定应该为内侧轮和外侧轮提供制动力(力的方向与速度方向相反)还是驱动力(力的方向与速度方向相同)；针对于不同的车辆，该转向控制策略之间存在差异，当车辆选定后，其对应的转向控制策略的获取对于本领域的技术人员来说为现有技术，下面列举一转向控制策略的实例对其进行说明。

例如，方向盘最大转角为θ_max，当所述θ位于0～θ₁之间时，则内、外侧轮的所给的转矩皆为驱动转矩；当所述θ等于θ₁时，则内侧轮所给的转矩为0，外侧轮所给的转矩为驱动转矩；当所述θ位于θ₁～θ₂之间时，则内侧轮所给的转矩为制动转矩，外侧轮所给的转矩为驱动转矩；当所述θ等于θ₂时，则内、外侧轮的所给的转矩皆为驱动转矩；当所述θ位于θ₂～θ₃时，则内、外侧轮的所给的转矩皆为驱动转矩；当所述θ等于θ₃时，则内、外侧轮的所给的转矩皆为驱动转矩；当所述θ位于θ₃～θ_max时，则内、外侧轮的所给的转矩皆为驱动转矩。

本发明根据所述角度θ和转向控制策略对转矩的类型进行分配为：确定为内侧轮提供的转矩T₁是制动转矩还是驱动转矩，同样确定为内侧轮提供的转矩T₂是制动转矩还是驱动转矩。

所述两个离合器1a、1b在控制系统的控制下，用于使可控差速器7与所述两个耦合器3a、3b之间连通或断开，当控制系统控制所述两个离合器1a、1b处于断开状态时，此时所述两个离合器1a、1b不传递转矩，当控制系统控制所述两个离合器1a、1b处于闭合状态时，此时所述两个离合器1a、1b进入工作状态，其将可控差速器7传递过来的转矩传输给所述两个耦合器3a、3b。

所述两个耦合器3a、3b用于对所述两个离合器1a、1b传输过来的转矩和所述两个驱动电机2a、2b输出的转矩进行耦合，将耦合后的转矩为履带车辆主动轮提供动力。

本发明根据转向所需功率的大小，采用驱动电机单独提供能量或驱动电机和转向电机一起提供能量的形式，具体的工作过程为：

当转向所需功率小于单侧电机最大功率，通过所述驱动电机2a、2b为车辆主动轮提供能量，即两侧驱动电机2a、2b通过机械连接将转矩(动力)分别传给耦合器3a、3b，耦合器3a、3b通过机械连接将动力分别传给制动器4a、4b，制动器4a、4b通过机械连接将动力分别传给减速器5a、5b，减速器5a、5b通过机械连接将动力分别传到两侧主动轮6a、6b。

当转向所需功率大于单侧电机最大功率，通过耦合器对驱动电机2a、2b输出的转矩和转向电机9输出的、可控差速器7分配后的转矩进行耦合，将耦合后的转矩为车辆主动轮提供能量，即驱动电机2a、2b通过机械连接将转矩(动力)传输给耦合器3a、3b，可控差速分配器7通过离合器1a、1b将转矩(动力)传输给耦合器3a、3b，耦合器3a、3b对接收的转矩进行耦合，并将耦合后的转矩将动力分别传给减速器5a、5b，减速器5a、5b通过机械连接将动力分别传到两侧主动轮6a、6b。

上述工作过程都是在控制系统中的综合电子控制器的协同控制下进行的。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双侧电机驱动履带车辆转向系统，包括控制系统、动力系统及机械系统，该机械系统包括两个驱动电机(2a、2b)、两个制动器(4a、4b)及两个减速器(5a、5b)，两个减速器(5a、5b)分别与车辆的两主动轮相连；控制系统包括方向盘及其角位移传感器；该双侧电机驱动履带车辆转向系统特征在于，该机械系统进一步包括转向电机控制器(10)、转向电机(9)、可控差速器(7)、两个离合器(1a、1b)以及两个耦合器(3a、3b)；其中转向电机控制器(10)、转向电机(9)及可控差速器(7)的输入端顺次连接；可控差速器(7)的两输出端分别连接一个离合器(1a、1b)，每一离合器(1a、1b)连入一个耦合器(3a、3b)的输入端A，每一耦合器(3a、3b)的输入端B连接一驱动电机(2a、2b)，每一耦合器(3a、3b)的输出端与一制动器(4a、4b)相连，转向电机控制器(10)、可控差速器(7)及离合器(1a、1b)进一步与控制系统相连；其中，

控制系统根据其上方向盘及其角位移传感器传输过来的信号生成角度信号θ并传输给可控差速器(7)，同时根据该角度信号θ生成转矩信号传输给转向电机控制器(10)；

转向电机控制器(10)用于根据控制系统传输过来的转矩信号，对转向电机(9)的输出转矩的大小进行控制；

转向电机(9)在转向电机控制器(10)的控制下，通过输出轴输出转矩T给可控差速器(7)；

可控差速器(7)内事先存储有转向控制策略，该转向控制策略表示对应不同角度信号θ时，输出转矩的类型是制动转矩还是驱动转矩；可控差速器(7)接收控制系统传输过来的角度信号θ，根据所述θ对接收的转矩T进行分配，根据所述θ和转向控制策略对转矩的类型进行分配；

所述两个离合器(1a、1b)在控制系统的控制下，用于使可控差速器(7)与所述两个耦合器(3a、3b)之间连通或断开，当控制系统控制所述两个离合器(1a、1b)接通时，其将可控差速器(7)分配的转矩传输给所述两个耦合器(3a，3b)；

所述两个耦合器(3a、3b)用于对所述两个离合器(1a、1b)传输过来的转矩和所述两个驱动电机(2a、2b)输出的转矩进行耦合，将耦合后的转矩为履带车辆主动轮提供动力。

2.根据权利要求1所述双侧电机驱动履带车辆转向系统，其特征在于，所述控制系统对转向所需功率进行判断，当判定转向所需功率小于所述两个驱动电机(2a、2b)最大功率时，则在控制系统的控制下，仅通过所述两个驱动电机(2a、2b)为车辆主动轮提供能量，当判定转向所需功率大于所述两个驱动电机(2a、2b)最大功率时，则在控制系统的控制下，通过所述两个耦合器(3a、3b)对所述两个驱动电机(2a、2b)输出的转矩和转向电机(9)输出的、可控差速器(7)分配后的转矩进行耦合，将耦合后的转矩为车辆主动轮提供能量。