CN101716954B - 各轮独立转向及驱动的电动汽车及其转向与驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种各轮独立转向及驱动的电动汽车及其转向与驱动方法，该电动汽车包括车身、悬架系统、车轮转向系统、若干个车轮总成及驱动控制系统。车轮转向系统包括转向操纵装置、转向控制子系统及数量与车轮总成相同且通过悬架系统装于车身上的转向机构，悬架系统外侧及前后两端留有避位空间，各转向机构包括主销杆及车轮轴，转向控制子系统包括转向控制器、设于主销杆顶端且与主销杆传动连接的转向舵机及转向传感器；各车轮总成包括装于车轮轴上的车轮及轮毂电机；驱动控制系统包括车速控制踏板及控制轮毂电机的驱动控制器。本发明在各车轮处均装有转向舵机及轮毂电机，各车轮都可独立进行大角度转向及驱动，汽车行驶的稳定性和机动性更佳，且传动效率高。

Description

各轮独立转向及驱动的电动汽车及其转向与驱动控制方法

技术领域

本发明涉及电动车辆技术领域，尤其是指各轮独立转向及驱动的电动汽车及其转向控制方法。

背景技术

目前，传统四轮汽车绝大部分采用前轮转向后轮驱动或者前轮转向、前后轮驱动的设计。随着对驾驶性能和舒适性能的要求提高，四轮转向已经成为四轮汽车技术的发展方向，四轮转向系统成为研究热点，如美国德尔福公司就开发出Quadrasteer四轮转向系统。

目前也已经有部分高档轿车采用了四轮转向系统，如宝马新7系、日产风雅350GT、马自达929型等轿车都采用了四轮转向技术。现有市场上汽车的四轮转向技术，主要是以前轮转向为主，以后轮调节为辅，提高转弯行驶时的稳定性，改善操作轻便性。

目前在汽车上应用的四轮转向系统主要有两种：

一种是集中驱动四轮转向系统。用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机构，从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机械联系。其原理框图如图1所示，其中前后转向轮偏转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供的辅助动力。

另一种是分散驱动四轮转向系统。在图2所示的分散驱动四轮转向系统原理框图中，前轮转向动力由转向盘直接提供，前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机械传动链形成确定关系；后转向轮偏转的操纵由专门的液压系统或电动机提供动力，至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感器获取的转向盘转动方向与转角信息以及车速等其他信息由控制单元综合确定。分散驱动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现预设关系，因此后轮转向控制相对灵活、方便，能够获得较精确和复杂的转向特性。

但是，从上述仍然可以看出，目前在汽车上运用的四轮转向系统均要采用转向器、转向机构等机械部件，且前后轮的偏转角度有限，无法实现大角度的偏转。因此限制了转向灵活性的提高，因此汽车的机动性能受到很大限制。

此外，现有的电动汽车在驱动系统方面，仍主要采用集中驱动方式，即由一电动机通过变速箱、传动轴、驱动桥等机械传动部件来驱动各驱动轮，不仅结构复杂，而且传动效率有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种各轮独立转向及驱动的电动汽车，其能方便灵活地实现汽车的各车轮独立的转向及驱动，提高车辆机动性能。

本发明进一步所要解决的技术问题是，提供各轮独立转向及驱动的电动汽车的转向与驱动控制方法，以实现方便灵活的各轮独立转向及驱动，提高车辆机动性能。

为解决上述第一方面的技术问题，本发明采用如下技术方案：一种各轮独立转向及驱动的电动汽车，包括车身、悬架系统、车轮转向系统、若干个车轮总成以及驱动控制系统。所述车轮转向系统包括转向操纵装置、转向控制子系统及数量与车轮总成数量相同的转向机构，所述各转向机构分别通过悬架系统安装于车身上，在悬架系统的外侧及前后两端均分别留有供容置整个车轮总成的避位空间，各转向机构均包括竖向安装于悬架系统上的主销杆以及与主销杆垂直固定相连的车轮轴，所述转向控制子系统包括转向控制器、转向舵机以及用于监测主销杆的转向角度的转向传感器，所述转向舵机安装于主销杆顶端，其输出轴与主销杆传动连接；所述每个车轮总成均包括安装于车轮轴上的车轮及用于驱动对应的车轮行驶的轮毂电机；所述驱动控制系统包括车速控制踏板以及与车速控制踏板相连以根据车速控制踏板的信号控制所述轮毂电机的驱动控制器；所述悬架系统包括上支撑板、下支撑板、减振器、扭杆弹簧及扭杆弹簧调节螺钉；所述上支撑板、下支撑板上下对应地分别固定于车身上；减振器的底端固定于车身上，顶端固定于上支撑板的下表面；而扭杆弹簧的一端与下支撑板的朝车身中段的一端相连，另一端通过扭杆弹簧调节螺钉固定于车身的中段。

进一步地，所述转向操纵装置包括与转向控制器相连且用于产生常规转向指令的操纵杆或转向盘。

进一步地，所述转向操纵装置还包括与转向控制器相连且用于产生斜向行驶指令的斜向行驶选择器。

进一步地，所述转向控制系统还包括与转向控制器相连且用于产生转向中心选定指令的转向中心位置选择器。

进一步地，所述车身的供安装车轮总成的位置各设有一缺口，所述上支撑板及下支撑板自缺口的中段朝车身外侧伸出，上支撑板和下支撑板的外侧以及前后两端的缺口部分即分别形成所述避位空间。

进一步地，所述上支撑板及下支撑板的侧边处分别设有主销杆安装块，所述主销杆穿设于所述两主销杆安装块上。

进一步地，所述转向传感器安装于主销杆底端。

另一方面，本发明还提供一种基于任一项上述的各轮独立转向及驱动的电动汽车的转向与驱动控制方法，其包括如下步骤：

由转向操纵装置产生转向指令；

由转向控制器根据所述转向指令而计算获得各车轮总成应偏转的方向及角度并发出执行转向信号；

由转向舵机根据所述执行转向信号带动相应的车轮总成朝对应的方向偏转相应的角度，从而实现转向；

根据车速控制踏板的车速控制信号，由驱动控制器控制对应的轮毂电机来驱动对应的车轮。

进一步地，所述转向操纵装置产生的转向指令包括如下指令中的任意一种：常规转向指令、横向行驶指令、斜向行驶指令、转向中心选定指令。

本发明的有益效果如下：本发明在各车轮处分别安装有转向舵机，每个车轮总成都能进行180度转向（正向及反向各90度），从而可以实现车辆的横向行驶、斜向行驶、原地转向和绕选定的任意中心点转向等，在转向方式上取得了重大突破，实现全方位转向，极大改善汽车行驶的稳定性和机动性，并大大降低驾驶员泊车难度。而且通过在各车轮处设置轮毂电机来分别独立驱动对应的车轮，改变了常规电动汽车集中驱动的方式，提高车辆的传动效率。此外，本发明无需常规电动汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件以及传统的转向杆、转向臂等转向机构，汽车结构大大简化，极大地减轻车重，改善车辆的空间布置。

附图说明

图1是现有的集中驱动四轮转向系统的原理框图。

图2是现有的分散驱动四轮转向系统的原理框图。

图3是本发明的各轮独立转向及驱动的电动汽车的结构示意图。

图4是本发明的各轮独立转向及驱动的电动汽车的横向行驶模式示意图。

图5是本发明的各轮独立转向及驱动的电动汽车的斜向行驶模式示意图。

图6A、图6B是本发明的各轮独立转向及驱动的电动汽车的两种绕转向中心转向模式的示意图。

图7是本发明的各轮独立转向及驱动的电动汽车的原地转向模式示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供一种各轮独立转向及驱动的电动汽车，包括车身1、悬架系统、车轮转向系统、若干个车轮总成4以及驱动控制系统5。图3中所示的是四轮电动汽车的架构，但是可以理解地，这只是为了方便说明而做的举例而已，本发明除了可适用于四轮电动汽车之外，同样可以适用于其他诸如两轮、三轮等各种电动汽车。

如图3所示，所述车身1的需安装车轮总成4的位置各设有一缺口10，用于安装悬架系统2、车轮转向系统3以及车轮总成4。

所述悬架系统包括上支撑板20、下支撑板22、减振器24、扭杆弹簧26及扭杆弹簧调节螺钉28。所述上支撑板20、下支撑板22上下对应地分别固定于车身1上，且是分别自车身1的缺口10的中段朝车身1外侧伸出，上支撑板20和下支撑板22的末端外侧及前后两端的缺口部分即分别形成一个供容置整个车轮总成的避位空间，使车轮总成4不会与悬架系统或车身1发生干涉，在车辆正常向前直线行驶时，车轮总成4是位于上支撑板20、下支撑板22末端外侧的避位空间内，而当需要转向时，车轮总成4即发生偏转而位于上支撑板20、下支撑板22前端或后端的避位空间内，由于前后两端的避位空间可以完全容置下车轮总成4，使得车轮总成4最大可实现了正反向90度偏转，这是传统的带转向器和转向机构的转向系统无法实现的功能。减振器24的底端固定于车身1上，顶端固定于上支撑板20的下表面。而扭杆弹簧26的一端与下支撑板22的朝车身1中段的一端相连，另一端通过扭杆弹簧调节螺钉28固定于车身1的中段。减振器24和扭杆弹簧26分别在上下方向和前后方向上起到缓冲减振的作用。

所述车轮转向系统包括转向操纵装置30、转向机构32及转向控制子系统34。所述转向操纵装置30包括用于产生常规转向指令和横向行驶指令的操纵杆或转向盘，图3所示为操纵杆300；所述转向操纵装置30还可进一步包括用于产生斜向行驶指令的斜向行驶选择器302及/或用于产生转向中心选定指令的转向中心位置选择器304。所述转向机构32数量与车轮总成4数量相同，各转向机构32分别通过悬架系统2安装于车身1上，各转向机构32均包括竖向安装于悬架系统2上的主销杆320以及与主销杆320垂直固定相连的车轮轴322，为安装所述主销杆320，所述悬架系统的上支撑板20及下支撑板22的侧边处分别设有主销杆安装块200、220，所述主销杆320穿设于所述两主销杆安装块200、220上。所述转向控制子系统34包括转向控制器340、转向舵机342以及转向传感器344，所述转向控制器340分别连接所述转向操纵装置30的操纵杆300、斜向行驶选择器302以及转向中心位置选择器304，其用于根据所述各种转向操纵装置30产生的转向指令进行计算而获得各车轮总成应偏转的方向及角度并发出相应的执行转向信号给转向舵机342，所述转向控制器340可采用AT89C2051单片机；所述转向舵机342安装于主销杆320顶端，其输出轴与主销杆320传动连接，从而可以带动主销杆320绕中心轴线旋转，所述转向传感器344安装于主销杆320底端以监测主销杆320的转动角度。

所述每个车轮总成4均包括安装于车轮轴322上的车轮（图未标号）及用于驱动对应的车轮行驶的轮毂电机（图未标号）。本发明是通过轮毂电机来驱动车轮旋转来使得车辆行驶。

所述驱动控制系统5包括车速控制踏板50以及与车速控制踏板50相连以根据车速控制踏板50的信号控制所述轮毂电机的驱动控制器52。

和常规汽车一样地，在车身1上还需设有制动踏板6。

通过采用上述结构，本发明不仅可以方便地实现车辆的常规转向，还可实现横向行驶、斜向行驶、原地转向和绕选定的任意中心点转向等各种常规电动汽车难以实现的驾驶模式。对此，本发明提供一种各轮独立转向及驱动的电动汽车的转向与驱动控制方法，其包括如下步骤：

由转向操纵装置30产生转向指令；

由转向控制器340根据所述转向指令而计算获得各车轮应偏转的方向及角度并发出执行转向信号；

由转向舵机342根据所述执行转向信号带动相应的车轮总成4朝对应的方向偏转相应的角度，从而实现转向；

根据车速控制踏板的车速控制信号，由驱动控制器控制对应的轮毂电机来驱动对应的车轮。

所述转向操纵装置产生的转向指令包括如下指令中的任意一种：由操纵杆或转向盘的产生常规转向指令和横向行驶指令、由斜向行驶选择器302产生的斜向行驶指令、由转向中心位置选择器304产生的转向中心选定指令。

下面以具体的操作例来说明本发明各轮独立转向及驱动的电动汽车的转向过程。

操作例一   常规转向

驾驶员转动操纵杆300（也可采用转向盘），将驾驶员的转向意图输送给转向控制器340，转向控制器340即可通过相应程序计算获得各车轮总成应偏转的方向及角度，并根此向转向舵机342发出执行控制信号，各转向舵机342均按照各自获得的执行控制信号而启动，带动主销320旋转，联接在主销320上的车轮轴322即带动车轮总成4产生相应的偏转，当转向传感器344监测到主销杆320转动到位时转向舵机342停止，从而使整个车辆实现常规转向。

操作例二   横向行驶

驾驶员将操纵杆300直立，向左或向右摆动，则转向控制器340根据操纵杆300向左或向右的信号，向转向舵机342发出执行控制信号，使各车轮总成4均相应偏转至避位空间内与车身垂直，如图4所示，此时再踩下车速控制踏板50，则驱使车体总成7相应向左或向右横向行驶。

操作例三   斜向行驶

驾驶员将斜向行驶选择器302向某一方向摆动即发出斜向行驶指令，则转向控制器340根据该斜向行驶指令确定偏转角度，再向各转向舵机342发出执行控制信号，由转向舵机342带动相应车轮总成4同向朝该方向偏转所确定的偏转角度，此时，再踩下车速控制踏板50，则车辆在车体总成7方向不变的情况下实现斜向行驶，如图5所示。

操作例四   绕任意设置的转向中心转向

驾驶员操纵转向中心位置选择器304，摆动到某一位置，指示出转向中心离车体中心的位置，则转向控制器340即计算得出各车轮总成4应转向的方向及角度，并根此向各转向舵机342发出执行控制信号，由各转向舵机342分别控制对应的车轮总成转动相应的角度，使各车轮具有同一个转向中心，即通过转向中心位置选择器304所选定的转向中心O，此时，踩下车速控制踏板50，则车辆的车体总成7即绕该选定的转向中心O实现转向，图6A、图6B分别示出了转向中心O位于车体总成7左侧方以及车体总成7前方的两种情况。

操作例五   原地转向

本操作例可视为操作例四的一种特殊情况，即：所选定的转向中心O的位置位于车体总成7的中心位置处。此时，转向舵机342带动对应的车轮总成4偏转成图7所示的状态，此时，踩下车速控制踏板50，则车体总成即绕位于车体中心处的转向中心O实现原地转向。

在上述操作例二~操作例五所对应的图4~图7中，实线箭头为各车轮行进方向，点划线箭头为车体总成7的行进方向，而图6A及图6B中的虚线所示为各车轮的转向半径。

本专利通过轮毂电机分别独立驱动各车轮，并在此基础上导入线控车轮独立转向技术，且针对每个车轮总成4均采用一个转向电机进行驱动，根据转向操纵装置30产生的转向指令，执行转向功能，从而可实现全方位转向，极大提高汽车的灵活性有效提高车辆转向行驶性能，并有效减小转向半径，甚至零转向半径，大大增加转向灵便性，同时取消了传统的转向杆、转向臂等转向机构，大大减轻车重，改善车辆的空间布置。

Claims (9)

1.一种各轮独立转向及驱动的电动汽车，包括车身、悬架系统、车轮转向系统、若干个车轮总成以及驱动控制系统，其特征在于：所述车轮转向系统包括转向操纵装置、转向控制子系统及数量与车轮总成数量相同的转向机构，所述各转向机构分别通过悬架系统安装于车身上，在悬架系统的外侧及前后两端均分别留有供容置整个车轮总成的避位空间，各转向机构均包括竖向安装于悬架系统上的主销杆以及与主销杆垂直固定相连的车轮轴，所述转向控制子系统包括转向控制器、转向舵机以及用于监测主销杆的转向角度的转向传感器，所述转向舵机安装于主销杆顶端，其输出轴与主销杆传动连接；所述每个车轮总成均包括安装于车轮轴上的车轮及用于驱动对应的车轮行驶的轮毂电机；所述驱动控制系统包括车速控制踏板以及与车速控制踏板相连以根据车速控制踏板的信号控制所述轮毂电机的驱动控制器；所述悬架系统包括上支撑板、下支撑板、减振器、扭杆弹簧及扭杆弹簧调节螺钉；所述上支撑板、下支撑板上下对应地分别固定于车身上；减振器的底端固定于车身上，顶端固定于上支撑板的下表面；而扭杆弹簧的一端与下支撑板的朝车身中段的一端相连，另一端通过扭杆弹簧调节螺钉固定于车身的中段。

2.如权利要求1所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车，其特征在于：所述转向操纵装置包括与转向控制器相连且用于产生常规转向指令及横向行驶指令的操纵杆或转向盘。

3.如权利要求2所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车，其特征在于：所述转向操纵装置还包括与转向控制器相连且用于产生斜向行驶指令的斜向行驶选择器。

4.如权利要求2或3所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车，其特征在于：所述转向控制系统还包括与转向控制器相连且用于产生转向中心选定指令的转向中心位置选择器。

5.如权利要求1所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车，其特征在于：所述车身的供安装车轮总成的位置各设有一缺口，所述上支撑板及下支撑板自缺口的中段朝车身外侧伸出，上支撑板和下支撑板的外侧以及前后两端的缺口部分即分别形成所述避位空间。

6.如权利要求1所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车，其特征在于：所述上支撑板及下支撑板的侧边处分别设有主销杆安装块，所述主销杆穿设于所述两主销杆安装块上。

7.如权利要求1所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车，其特征在于：所述转向传感器安装于主销杆底端。

8.一种基于权利要求1~7中任一项所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车的转向与驱动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

由转向操纵装置产生转向指令；

由转向控制器根据所述转向指令而计算获得各车轮总成应偏转的方向及角度并发出执行转向信号；

由转向舵机根据所述执行转向信号带动相应的车轮总成朝对应的方向偏转相应的角度，从而实现转向；

根据车速控制踏板的车速控制信号，由驱动控制器控制对应的轮毂电机来驱动对应的车轮。

9.如权利要求8所述的各轮独立转向及驱动的电动汽车的转向控制方法，其特征在于：所述转向操纵装置产生的转向指令包括如下指令中的任意一种：常规转向指令、横向行驶指令、斜向行驶指令、转向中心选定指令。

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