CN102180194B - 适时四轮驱动电动轮汽车自适应转向系统及其控制方法 - Google Patents

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一种适时4WD电动轮汽车自适应转向系统及其控制方法，属于4WD电动轮汽车差动助力转向系统。本发明在主转向管柱与后转向管柱间安装有转向离合器，转向伺服电机，以及在转向离合器与转向伺服电机间安装有行星齿轮机构，适时4WD电动轮汽车自适应转向系统可在完成原有电动轮汽车差动助力转向的基础上，实现转向模式的自适应选择、适时4WD的自适应变传动比的四轮差动助力转向功能，实现变传动比控制和主动转向干预。

Description

适时四轮驱动电动轮汽车自适应转向系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种适时4WD（四轮驱动：Four-Wheel Drive）电动轮汽车自适应转向系统及其控制方法，属于4WD电动轮汽车差动助力转向系统。
 背景技术
线控转向系统利用控制器综合驾驶员转角输入、车辆状态和路面状况确定合理的前轮转角，并决定位移控制电机的输出电流，最终驱动前轮转动并完成转向操作，实现转向系统的智能控制。线控转向与前轮主动转向系统的最大区别在于：取消了方向盘与车轮间的机械联接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，可以更加自由地设计汽车转向系统的力矩传递特性和角位移传递特性。但线控转向系统发生故障时，转向系统就不能进行有效的转向操作。此外，线控转向系统只能通过系统主要零部件的冗余设计来保证车辆的安全性，且由于存在安全性和可靠性方面的缺陷，现有的法规至今还不允许线控转向系统实现产品化。
电动助力转向系统通过助力、回正及阻尼控制，控制系统的力传递特性，使汽车的转向轻便性和路感协调统一；而前轮主动转向系统通过变传动比控制和主动转向干预控制，控制系统的位移传递特性，使汽车获得较理想的转向特性，改善汽车的操纵稳定性。但无论是电动助力转向，还是主动转向，都不能使汽车的转向轻便性、驾驶员路感和汽车操纵稳定性得到协调统一；此外，两种转向系统均须增加助力或位移执行机构，这会使系统结构复杂、成本提高。
发明内容
本发明提出了一种适时4WD电动轮汽车自适应转向系统及其控制方法，在实现原有电动轮汽车差动助力转向的基础上，实现转向模式的自适应选择、适时4WD的自适应变传动比的四轮差动助力转向功能、变传动比控制和主动转向干预，提高了汽车的操纵稳定性和行车安全性，实现汽车安全性和灵活性的完美融合。
本发明为解决其技术问题采用如下技术问题：
一种适时4WD电动轮汽车自适应转向系统，包括转向盘、主转矩传感器、转向伺服电机、行星齿轮机构、转向离合器、后转向一级小齿轮、前齿条、电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)、前轮轮毂电机、后轮轮毂电机、前转向摇臂、后齿条、后转矩传感器、主转向管柱、后转向管柱、万向节、行星轮、太阳轮、齿圈；主转矩传感器位于转向盘的下方并与转向盘相连，转向离合器的主动盘与后转向一级小齿轮啮合，转向伺服电机通过行星齿轮机构与转向离合器的从动盘相连，后转向管柱上的万向节与行星齿轮机构相连，在主转向管柱与后转向管柱间安装有转向离合器，在转向离合器与后转向管柱间安装有行星齿轮机构，该行星齿轮机构由行星轮、太阳轮、齿圈组成，行星轮与齿圈内啮合，太阳轮与行星轮外啮合，行星轮为公用齿轮，行星齿轮机构太阳轮与转向离合器的从动盘相连、行星齿轮机构行星轮与后转向管柱相连、行星齿轮机构齿圈与转向伺服电机相连，前、后轮的轮毂电机分别安装于电动轮汽车前轮、后轮内，前齿条通过前转向摇臂与前轮内的轮毂电机相连，后转向管柱上的后转矩传感器与万向节相连，后齿条通过后转向摇臂与后轮内的轮毂电机相连，电子控制单元ECU通过信号分别与主转矩传感器、转向伺服电机、转向离合器、前、后轮的轮毂电机、后转矩传感器相连。
 一种适时4WD电动轮汽车自适应转向系统的控制方法，包括以下步骤：
（1）车辆行驶中，电子控制单元ECU根据路况信息以及车速传感器获得的车速信号判断电动轮汽车进行两驱或四驱模式，电子控制单元ECU通过控制前、后轮的轮毂电机的电流信号，实现电动轮汽车驱动模式的选择；
（2）当驾驶员转动转向盘时，车速信号、电动轮汽车驱动模式信号、主转矩传感器获得的主转矩信号以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号，传递给电子控制单元ECU，电子控制单元ECU根据上述信号给转向离合器发送一个转向离合器控制信号，即通过控制转向离合器的接合与断开实现适时4WD电动轮自适应转向模式的选择；
（3）当转向离合器断开时，电子控制单元ECU根据车速信号、轮毂电机的电压信号、电动轮汽车驱动模式信号、主转矩传感器获得的主转矩信号以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号，通过预先制定的前轮轮毂电机电流图，确定电流控制策略，即通过电流信号，控制电动轮汽车左右前轮内的前轮轮毂电机的转矩，左右前轮轮毂电机形成的转矩差与主转矩信号经过前齿条与前转向摇臂而形成的齿条位移转矩叠加，共同作用于前轮，从而实现电动轮汽车的前轮差动助力转向功能；
（4）当转向离合器接合时，电子控制单元ECU根据车速信号、轮毂电机的电压信号、电动轮汽车驱动模式信号、主转矩传感器获得的主转矩信号以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号、后转矩传感器获得的后转矩信号以及后转角传感器获得的后转角信号、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号，一方面通过预先制定的理想传动比图，确定转向伺服电机控制信号,即通过行星齿轮机构齿圈提供转向伺服电机转角转矩，转向伺服电机转角转矩与来自转向盘经过后转向一级小齿轮传递到行星齿轮机构行星轮的主转矩，经过行星齿轮机构的作用得到后轮转向的后转矩信号，后转矩信号通过行星齿轮机构太阳轮传递到后齿条上经过转向摇臂得到齿条位移转矩，实现后轮转向的变传动比控制；另一方面电子控制单元ECU再结合转向伺服电机传递的传动比信号，通过预先制定的四轮转向电流图，确定电流信号，主转矩信号经过行星齿轮机构形成作用在后轮上的齿条位移转矩与后轮内的轮毂电机形成的转矩差共同决定后轮的转向姿态，主转矩信号形成的作用在前轮的齿条位移转矩与前轮内的轮毂电机形成的转矩差共同决定前轮的转向姿态，从而决定电动轮汽车4WD四轮转向姿态，实现电动轮汽车4WD变传动比的四轮差动助力转向功能。
本发明的有益效果如下：
1、该系统在主转向管柱与后转向管柱间安装有转向离合器、转向伺服电机，在转向离合器与转向伺服电机间安装有行星齿轮机构，因此，该转向系统可在完成原有电动轮汽车差动助力转向的基础上，实现转向模式的自适应选择、适时4WD的自适应变传动比的四轮差动助力转向功能，实现变传动比控制和主动转向干预。
2、在电动轮汽车和传统动力转向技术基础上，发展电动轮汽车差速助力转向系统，不仅能实现汽车转向轻便性和转向路感的完美融合，而且还能将汽车的安全性与灵活性有机的融合在一起，是一种理想的汽车动力转向技术，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为适时4WD电动轮汽车自适应转向系统前视图。
图2为适时4WD电动轮汽车自适应转向系统俯视图。
图3适时4WD电动轮汽车自适应转向控制方法。
图1中标号名称：1.转向盘，2.主转矩传感器，3.转向伺服电机，4.行星齿轮机构，5.转向离合器，6.后转向一级小齿轮，7.前齿条，8.电子控制单元ECU，91.前轮轮毂电机，92..后轮轮毂电机，10.前转向摇臂，11.转向盘转角信号，12.主转矩信号，13.转向离合器控制信号，14.转向伺服电机控制信号，15. 传动比信号，16.电流信号，17.电压信号，18.横摆角速度信号，19.侧向角速度信号，20.后转角信号，21.后转矩信号，22.后齿条，23.后转矩传感器，24.万向节，25.行星齿轮机构行星轮，26. 行星齿轮机构太阳轮，27. 行星齿轮机构齿圈，28.前转向小齿轮，29.转向伺服电机转角转矩，30.转向离合器转角转矩，31.齿条位移转矩，32.电动轮汽车驱动模式信号，33.车速信号，34.主转向管柱，35.后转向管柱，36.前轮，37.后轮。
 具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如图1、图2所示，适时4WD电动轮汽车自适应转向系统，其特征在于包括转向盘1、主转矩传感器2、转向伺服电机3、行星齿轮机构4、转向离合器5、后转向一级小齿轮6、前齿条7、电子控制单元ECU8、前轮轮毂电机91、后轮轮毂电机92、前转向摇臂10、后齿条22、后转矩传感器23、主转向管柱34、后转向管柱35、万向节24、行星轮25、太阳轮26、齿圈27；主转矩传感器2位于转向盘1的下方并与转向盘1相连，转向离合器5的主动盘与后转向一级小齿轮6啮合，转向伺服电机3 通过行星齿轮机构4与转向离合器5的从动盘相连，后转向管柱35上的万向节24与行星齿轮机构4相连，在主转向管柱34与后转向管柱35间安装有转向离合器5，在转向离合器5与后转向管柱35间安装有行星齿轮机构4，该行星齿轮机构4由行星轮25、太阳轮26、齿圈27组成，行星轮25与齿圈27内啮合，太阳轮26与行星轮25外啮合，行星轮25为公用齿轮，行星齿轮机构太阳轮26与转向离合器5的从动盘相连、行星齿轮机构行星轮25与后转向管柱35相连、行星齿轮机构齿圈27与转向伺服电机3相连，前、后轮的轮毂电机91、92分别安装于电动轮汽车前轮36、后轮37内，前齿条7通过前转向摇臂10与前轮36内的前轮轮毂电机91相连，后转向管柱35上的后转矩传感器23与万向节24相连，后齿条22通过后转向摇臂与后轮37内的后轮轮毂电机92相连，电子控制单元ECU8通过信号分别与主转矩传感器2、转向伺服电机3、转向离合器5、前、后轮的轮毂电机91、92、后转矩传感器23相连。
如图3所示，适时4WD电动轮汽车自适应转向系统的控制方法是：车辆行驶中，电子控制单元ECU8根据路况信息以及车速传感器获得的车速信号33判断电动轮汽车进行两驱或四驱模式，电子控制单元ECU8通过控制前、后轮的轮毂电机91、92的电流信号17，实现电动轮汽车驱动模式的选择；当驾驶员转动转向盘1时，车速信号33、电动轮汽车驱动模式信号32、主转矩传感器2获得的主转矩信号12以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号11、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号18和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号19，传递给电子控制单元ECU8，电子控制单元ECU8根据上述信号给转向离合器5发送一个转向离合器控制信号13，即通过控制转向离合器5的接合与断开实现适时4WD电动轮汽车自适应转向模式的选择；当转向离合器5断开时，电子控制单元根据车速信号33、轮毂电机的电压信号17、电动轮汽车驱动模式信号32、主转矩传感器2获得的主转矩信号12以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号11、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号18和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号19，通过预先制定的前轮轮毂电机电流图，确定电流控制策略，即通过电流信号16，控制电动轮汽车左右前轮36内的前轮轮毂电机91的转矩，左右前轮轮毂电机91形成的转矩差与主转矩信号12经过前齿条7与前转向摇臂10而形成的齿条位移转矩31叠加，共同作用于前轮36，从而实现电动轮汽车的前轮差动助力转向功能；当转向离合器5接合时，电子控制单元ECU8根据车速信号33、轮毂电机的电压信号17、电动轮汽车驱动模式信号32、主转矩传感器2获得的主转矩信号12以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号11、后转矩传感器23获得的后转矩信号21以及后转角传感器获得的后转角信号20、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号18和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号19，一方面通过预先制定的理想传动比图，确定转向伺服电机控制信号14,即通过行星齿轮机构齿圈27提供转向伺服电机转角转矩29，转向伺服电机转角转矩29与来自转向盘1经过后转向一级小齿轮6传递到行星齿轮机构行星轮25的主转矩，经过行星齿轮机构4的作用得到后轮转向的后转矩信号21，后转矩信号21通过行星齿轮机构太阳轮26传递到后齿条22上经过转向摇臂得到齿条位移转矩31，实现后轮转向的变传动比控制；另一方面电子控制单元ECU8再结合转向伺服电机3传递的传动比信号15，通过预先制定的四轮转向电流图，确定电流信号16，主转矩信号12经过行星齿轮机构(4)形成作用在后轮37上的齿条位移转矩31与后轮37内的后轮的轮毂电机92形成的转矩差共同决定后轮37的转向姿态，主转矩信号12形成的作用在前轮36的齿条位移转矩31与前轮36内的前轮轮毂电机91形成的转矩差共同决定前轮36的转向姿态，从而决定电动轮汽车4WD四轮转向姿态，实现电动轮汽车4WD变传动比的四轮差动助力转向功能。 

Claims (2)

1.一种适时4WD电动轮汽车自适应转向系统，其特征在于包括转向盘（1）、主转矩传感器（2）、转向伺服电机（3）、行星齿轮机构（4）、转向离合器（5）、后转向一级小齿轮（6）、前齿条（7）、电子控制单元ECU（8）、前轮轮毂电机（91）、后轮轮毂电机（92）、前转向摇臂（10）、后齿条(22)、后转矩传感器(23)、主转向管柱（34）、后转向管柱（35）、万向节(24)、行星轮(25)、太阳轮(26)、齿圈(27)、前轮（36）、后轮（37）；主转矩传感器（2）位于转向盘（1）的下方并与转向盘（1）相连，转向离合器(5)的主动盘与后转向一级小齿轮(6) 啮合，转向伺服电机(3) 通过行星齿轮机构(4)与转向离合器(5)的从动盘相连，后转向管柱（35）上的万向节(24) 与行星齿轮机构(4)相连，在主转向管柱（34）与后转向管柱（35）间安装有转向离合器(5)，在转向离合器(5)与后转向管柱（35）间安装有行星齿轮机构(4)，该行星齿轮机构(4)由行星轮(25)、太阳轮(26)、齿圈(27)组成，行星轮(25)与齿圈(27)内啮合，太阳轮(26)与行星轮(25)外啮合，行星轮(25)为公用齿轮，行星齿轮机构太阳轮(26)与转向离合器(5)的从动盘相连、行星齿轮机构行星轮(25)与后转向管柱（35）相连、行星齿轮机构齿圈(27)与转向伺服电机(3)相连，前、后轮的轮毂电机（91、92）分别安装于电动轮汽车前轮（36）、后轮（37）内，前齿条（7）通过前转向摇臂（10）与前轮（36）内的前轮轮毂电机（91）相连，后转向管柱（35）上的后转矩传感器（23）与万向节(24)相连，后齿条（22）通过后转向摇臂与后轮（37）内的后轮轮毂电机（92）相连，电子控制单元ECU（8）通过信号分别与主转矩传感器（2）、转向伺服电机（3）、转向离合器（5）、前、后轮的轮毂电机（91、92）、后转矩传感器(23)相连。
2.一种根据权利要求1所述适时4WD电动轮汽车自适应转向系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）车辆行驶中，电子控制单元ECU(8)根据路况信息以及车速传感器获得的车速信号(33)判断电动轮汽车进行两驱或四驱模式，电子控制单元ECU(8)通过控制前、后轮的轮毂电机（91、92）的电流信号(17)，实现电动轮汽车驱动模式的选择；
（2）当驾驶员转动转向盘(1)时，车速信号(33)、电动轮汽车驱动模式信号(32)、主转矩传感器(2)获得的主转矩信号(12)以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号(11)、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号(18)和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号(19)，传递给电子控制单元ECU(8)，电子控制单元ECU(8)根据上述信号给转向离合器(5)发送一个转向离合器控制信号(13)，即通过控制转向离合器(5)的接合与断开实现适时4WD电动轮自适应转向模式的选择；
（3）当转向离合器(5)断开时，电子控制单元ECU(8)根据车速信号(33)、轮毂电机的电压信号(17)、电动轮汽车驱动模式信号(32)、主转矩传感器(2)获得的主转矩信号(12)以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号(11)、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号(18)和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号(19)，通过预先制定的前轮轮毂电机电流图，确定电流控制策略，即通过电流信号(16)，控制电动轮汽车左右前轮（36）内的前轮轮毂电机（91）的转矩，左右前轮的轮毂电机（91）形成的转矩差与主转矩信号(12)经过前齿条(7)与前转向摇臂(10)而形成的齿条位移转矩(31)叠加，共同作用于前轮（36），从而实现电动轮汽车的前轮差动助力转向功能；
（4）当转向离合器(5)接合时，电子控制单元ECU（8）根据车速信号(33)、轮毂电机的电压信号(17)、电动轮汽车驱动模式信号(32)、主转矩传感器(2)获得的主转矩信号(12)以及方向盘转角传感器获得的转向盘转角信号(11)、后转矩传感器(23)获得的后转矩信号(21)以及后转角传感器获得的后转角信号(20)、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号(18)和侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号(19)，一方面通过预先制定的理想传动比图，确定转向伺服电机控制信号(14),即通过行星齿轮机构齿圈(27)提供转向伺服电机转角转矩(29)，转向伺服电机转角转矩(29)与来自转向盘(1)经过后转向一级小齿轮(6)传递到行星齿轮机构行星轮(25)的主转矩，经过行星齿轮机构(4)的作用得到后轮转向的后转矩信号(21)，后转矩信号(21)通过行星齿轮机构太阳轮(26)传递到后齿条(22)上经过转向摇臂得到齿条位移转矩(31)，实现后轮转向的变传动比控制；另一方面电子控制单元ECU(8)再结合转向伺服电机(3)传递的传动比信号(15)，通过预先制定的四轮转向电流图，确定电流信号(16)，主转矩信号(12)经过行星齿轮机构(4)形成作用在后轮（37）上的齿条位移转矩(31)与后轮（37）内的后轮的轮毂电机（92）形成的转矩差共同决定后轮（37）的转向姿态，主转矩信号(12)形成的作用在前轮（36）的齿条位移转矩(31)与前轮（36）内的前轮轮毂电机（91）形成的转矩差共同决定前轮（36）的转向姿态，从而决定电动轮汽车4WD四轮转向姿态，实现电动轮汽车4WD变传动比的四轮差动助力转向功能。
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