CN102700611A

CN102700611A - 一种电驱动履带车辆转向电机与单侧驱动电机耦合转向系统

Info

Publication number: CN102700611A
Application number: CN2012101665342A
Authority: CN
Inventors: 翟丽; 王倩男; 柳龙
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: CN102700611B

Abstract

本发明涉及一种电驱动履带车辆转向电机与单侧驱动电机耦合转向系统，用于双侧电机驱动履带车辆的转向行驶。转向系统包括机械系统和电气系统，其中电气系统又包括动力系统和控制系统。当转向所需功率小于单侧电机最大功率时，采用电子差速转向方式。当转向所需功率大于单侧驱动电机最大功率时，采用机械耦合实现转向。综合电子控制器通过CAN总线控制内侧电磁离合器的分离和外侧电磁离合器的结合，使得转向电机依次通过外侧电磁离合器和外侧行星耦合器，通过外侧行星耦合器与外侧驱动电机的动力进行耦合，驱动外侧主动轮，来满足转向电机功率需求。

Description

一种电驱动履带车辆转向电机与单侧驱动电机耦合转向系统

技术领域

本发明涉及一种电驱动履带车辆转向电机与单侧驱动电机耦合转向系统，用于双侧电机驱动履带车辆的转向行驶。

背景技术

履带车辆转向不同于轮式车辆，对于履带车辆而言，转向通过改变两条履带的速度，常规的高速履带车辆虽然依靠的是两套独立的自动变速器来改变两条履带的速度，但是其原理仍然是离合-制动式的转向机构，这样的机构存在着造价高昂、结构复杂、笨重、磨损快、负载能力低等缺点，针对这样的情况出现了一种格里斯曼系统结构，这种结构采用的是动力系统与转向系统分开，可是这样的结构仍然存在着结构比较复杂、转向可控性不理想等问题。

在能源日益严峻的今天，高效环保的电动车辆越来越受到重视，电子控制差速转向的电传动履带车辆的得到了越来越多的发展，如《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)、《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)等等文章都对双侧驱动电机独立驱动履带车辆的转向进行分析。电子控制差速转向系统转向机动性能好，能够实现无级转向和无级调速，转向灵活，有较高的平均转向行驶速度，没有机械换挡冲击，驾驶员操控简单省力等等优点。但是该转向系统需要两侧驱动电机功率较大，通常所需驱动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“车辆防滑驱动装置”(美国专利，申请号：6953408B2)。但是这种转向方式由于双侧驱动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。除此之外，如国内专利“一种双侧电机驱动履带车辆转向系统”(申请号：201210116909.4)。这种结构采用了2个驱动电机、1个转向电机以及1个可控差速器的结构，该结构比起双电机独立驱动电子差速转向的好处是：减小了两侧驱动电机的峰值功率的同时，也提高了整个电传动系统功率的利用率，描述了转向控制策略，但是这种结构的可控差速器机械机构和可控性相对复杂。

发明内容

本发明的目的是针对双侧驱动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驱动电机功率过大的问题，针对横轴式双侧驱动电机驱动履带车辆实现无级转向困难，设计出一种可减少单侧驱动电机功率的、通过转向电机与外侧驱动电机动力耦合提高外侧主动轮的转矩和功率满足转向所需功率、能够实现无级转向的电驱动履带车辆转向电机与单侧驱动电机耦合驱动转向系统。这种转向系统设计能够充分利用两侧驱动电机功率，实现履带车辆无级转向。其基本思想是：在转向过程中，在低功率转向时可实现双电机独立驱动电子差速无级转向；在高功率转向和小半径困难时，转向电机开始工作，通过电磁离合器和行星齿轮耦合器将转向电机和外侧驱动电机的转矩和功率进行耦合，满足转向外侧履带所需的转矩和功率。这两种转向方式的转换是通过电磁离合器的接通和断开来实现的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

电驱动履带车辆转向电机与单侧驱动电机耦合转向系统包括：机械系统和电气系统，其中电气系统又包括动力系统和控制系统；

其中，机械系统，如附图1所示，包括主动轮1a、1b，制动器2a、2b，行星齿轮耦合器3a、3b，驱动电机4a、4b，电磁离合器5a、5b，转向电机6，转向电机控制器7；其中，行星齿轮耦合器3a、3b如图2所示，太阳轮外齿轮18a、18b，太阳轮内齿轮19a、19b，外齿圈20a、20b，行星轮21a、21b，齿轮22a、22b，行星架23a、23b，行星架轴24a、24b。

动力系统如图1所示，包括电机控制器8a、8b，能量变换控制单元9，能量吸收装置10，发动机-发电机组11，电池组12；

控制系统如图1所示，包括综合电子控制器13，加速踏板及其位置传感器14，制动踏板及其位移传感器15，电子挡位采集单元16，方向盘及其角位移传感器17。

机械系统的连接关系为：

转向电机控制器7通过三相交流电源线控制转向电机6，转向电机6的输出轴动力通过离合器5a、5b分别将动力传给行星齿轮耦合器3a、3b的齿轮22a、22b，齿轮22a、22b将动力传给太阳轮外齿轮18a、18b，太阳轮内齿轮19a、19b经由行星轮21a、21b，将动力传递给行星架23a、23b；驱动电机4a、4b将动力传至外齿圈20a、20b，外齿圈20a、20b经由行星齿轮21a、21b，将动力传递给行星架23a、23b，至此两路动力经由行星架轴24a、24b将动力传到制动器2a、2b，制动器2a、2b将动力传到主动轮1a、1b。

动力系统的连接关系为：

发动机-发电机组11通过三相交流电源线将三相交流电传给能量变换控制单元9，电池组12将直流电通过电池组直流母线传递给能量变换控制单元9，能量变换控制单元9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，能量变换控制单元9可以将车辆直流母线上剩余反馈的电能量输入能量吸收装置10，车载直流电源母线将直流电输入电机控制器8a、8b和转向电机控制器7供电，输入电机控制器8a、8b和转向电机控制器7分别输出交流电依次给驱动电机4a、4b和转向电机6供电；

控制系统的连接关系为：

加速踏板及其位置传感器14，制动踏板及其位移传感器15，电子挡位采集单元16，方向盘及其角位移传感器17分别通过第一信号线L1、第二信号线L2、第三信号线L3、第四信号线L4输入到综合电子控制器13；综合控制器13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、第六CAN总线N6、第七CAN总线N7、第八CAN总线N8分别与电机控制器8a、转向电机控制器7、离合器5a、电池组12、能量变换控制单元9、发动机-发电机组11、电机控制器8b和离合器5b连接。

本发明涉及的工作过程主要包括电子差速转向和机械耦合转向，当转向所需功率小于单侧驱动电机最大功率时，采用第一种电子差速转向；当转向所需功率大于单侧驱动电机最大功率时，采用第二种机械耦合转向。电子差速转向时，综合电子控制器13通过N3和N8控制离合器5a、5b断开，切断转向电机的动力传输，通过N2控制转向电机控制器7不工作。综合电子控制器13根据转向控制策略，通过N1和N7向电机控制器8a、8b发送转向时两侧驱动电机的转矩信号，控制内侧驱动电机4a输出制动转矩或牵引转矩或零转矩，控制外侧驱动电机4b输出牵引转矩，履带车辆通过转向机构使两侧履带获得不同的速度实现转向。

当转向所需功率大于单侧驱动电机最大功率时，采用机械耦合转向。综合电子控制器13通过方向盘及其角位移传感器判断车辆是左转还是右转，以左转为例，综合电子控制器13通过N3控制电磁离合器5a使其断开，切断转向电机的动力输入，综合电子控制器13根据转向控制策略，通过N1向电机控制器8a发送转向时电机的转矩信号，控制内侧驱动电机4a输出制动转矩或牵引转矩或零转矩；综合电子控制器13通过N8控制离合器5b使其结合，综合电子控制器通过N2控制转向电机控制器7工作，转向电机控制器7控制转向电机6工作，综合电子控制器13根据转向控制策略，通过N7向电机控制器8b发送转向时电机的转矩信号，控制驱动电机4b输出驱动转矩，此时，转向电机6和驱动电机4b输出的动力通过行星齿轮耦合器3b耦合传到制动器2b，由制动器2b传到右侧主动轮1b。

采用机械耦合转向具体机械耦合方式如附图2所示，转向电机6通过电磁离合器5b驱动齿轮22b，经由太阳轮外齿轮18b和内齿轮19b传给行星齿轮21b，然后传到行星架23b；驱动电机4b输出动力由驱动电机4b输出轴传至外齿圈20b，由外齿圈20b传至行星轮21b，最后传到行星架23b；转向电机6输出的动力与驱动电机4b输出的动力通过外侧行星耦合器3b耦合后，依次通过行星耦合器输出轴24b和制动器2b，驱动外侧主动轮1b。

附图说明

附图1为转向系统结构图

附图2为转向系统机械耦合示意图

附图3为角位移输入信号图

具体实施方式

根据方向盘转角如图3所示，判断车辆是左转还是右转，以车辆左侧转向为例：

根据加速踏板和方向盘传感器采集的信号，由加速踏板及其位置传感器14将车辆期望转速送入综合控制器，方向盘及其角位移传感器17将期望转向半径传入到综合电子控制器13，综合电子控制器13根据角位移进行判断，分配相对转向半径，分别给内侧驱动电机控制器8a输入转矩信号T1和外侧驱动电机控制器8b输入转矩信号T2。在此首先定义转矩的正负：若转矩与转速或转速的变化趋势方向一致，那么该转矩为正转矩，为驱动转矩；同理，若转矩与转速或转速的变化趋势方向相反，那么该转矩为负转矩，为制动转矩。

当θ＜θ₂，转向半径偏大，外侧驱动电机驱动转矩可以满足转向需求，采用电子差速转向方式。

当θ角为0～θ₁时，表示车辆直驶，此时两侧电极均输出驱动转矩T1、T2，他们的关系为：T1＝T2；

当θ角为θ₁～θ₂时，对应的转向半径为ρ₁＜ρ＜∞，采用电子差速转向方式，其中(ρ＝B/L，其中B为履带中心距，L为接地端长度)控制T2大于零，使外侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮1b，此时转矩与转速方向一致，同时控制T1大于零，使内侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动内侧主动轮1a，此时T1与T2的关系为：T1＜T2，克服转向阻力矩；

当θ角为θ₂时，对应的转向半径为ρ＝ρ₁，控制T2大于零，使外侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，控制T1等于零，此时内侧主动轮速度方向与外侧主动轮速度方向一致；

当θ₂＜θ＜θ₃，转向半径较小，采用采用机械耦合转向方式。

当θ角为θ₂～θ₃时，对应的转向半径为0.5＜ρ＜ρ₁，控制T2大于零，使外侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，内侧驱动电机此时T1小于0，综合电子控制器给内侧制动器提供制动力矩，若外侧驱动电机提供的转矩不足以实现转向，转向驱动电机工作，通过电磁离合器和行星齿轮耦合器将转向和外侧驱动电机的转矩和功率进行耦合，满足转向外侧履带所需的转矩和功率需求。

当θ角为θ₃时，对应的转向半径为ρ＝0.5，控制T2大于零，使外侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，综合电子控制器控制内侧制动器制动，若外侧驱动电机提供的转矩不足以实现转向，转向电机工作，通过电磁离合器和行星齿轮耦合器将转向电机和外侧驱动电机的转矩和功率进行耦合，满足转向外侧履带所需的转矩和功率需求。

当θ角为θ₃～θ₄时，对应的转向半径为0＜ρ＜0.5，控制T2大于零，使外侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，控制T1大于零，使内侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动内侧主动轮，此时内侧履带主动轮的转速方向与外侧主动轮转速方向相反，若外侧驱动电机提供的转矩不足以实现转向，转向电机工作，通过电磁离合器和行星齿轮耦合器将转向电机和外侧驱动电机的转矩和功率进行耦合，满足转向外侧履带所需的转矩和功率需求。

当θ角为θ₄时，对应的转向半径为ρ＝0，此时采用电子差速式转向，控制T2大于零，使外侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，控制T1大于零，使内侧驱动电机产生驱动转矩，从而驱动内侧主动轮，此时内侧履带主动轮转速方向与外侧履带主动轮转速方向相反。

Claims

1.一种电驱动履带车辆双侧电机耦合驱动转向系统，包括：机械系统和电气系统，其中电气系统又包括动力系统和控制系统；机械系统的连接关系为：转向电机控制器7通过三相交流电源线控制转向电机6，转向电机6的输出轴动力通过离合器5a、5b分别将动力传给行星齿轮耦合器3a、3b的齿轮22a、22b，齿轮22a、22b将动力传给太阳轮外齿轮18a、18b，太阳轮内齿轮19a、19b经由行星轮21a、21b，将动力传递给行星架23a、23b；驱动电机4a、4b将动力传至外齿圈20a、20b，外齿圈20a、20b经由行星齿轮21a、21b，将动力传递给行星架23a、23b，至此两路动力经由行星架轴24a、24b将动力传到制动器2a、2b，制动器2a、2b将动力传到主动轮1a、1b。

2.根据权利要求1电驱动履带车辆双侧驱动电机耦合驱动转向系统所述，其特征在于，当转向所需功率大于单侧驱动电机最大功率时，采用机械耦合转向；综合电子控制器13通过方向盘及其角位移传感器判断车辆是左转还是右转，以左转为例，综合电子控制器13通过N3控制电磁离合器5a使其断开，切断转向电机的动力输入，综合电子控制器13根据转向控制策略，通过N1向电机控制器8a发送转向时电机的转矩信号，控制内侧驱动电机4a输出制动转矩或牵引转矩或零转矩；综合电子控制器13通过N8控制离合器5b使其结合，综合电子控制器通过N2控制转向电机控制器7工作，转向电机控制器7控制转向电机6工作，综合电子控制器13根据转向控制策略，通过N7向电机控制器8b发送转向时电机的转矩信号，控制驱动电机4b输出驱动转矩，此时，转向电机6和驱动电机4b输出的动力通过行星齿轮耦合器3b耦合传到制动器2b，由制动器2b传到右侧主动轮1b；

采用机械耦合转向具体机械耦合方式：转向电机6通过电磁离合器5b驱动齿轮22b，经由太阳轮外齿轮18b和内齿轮19b传给行星齿轮21b，然后传到行星架23b；驱动电机4b输出动力由驱动电机4b输出轴传至外齿圈20b，由外齿圈20b传至行星轮21b，最后传到行星架23b；转向电机6输出的动力与驱动电机4b输出的动力通过外侧行星耦合器3b耦合后，依次通过行星耦合器输出轴24b和制动器2b，驱动外侧主动轮1b。