CN1027878C - 由电动机驱动的汽车列车 - Google Patents

Abstract

一种汽车列车，它有一个牵引车(1)，一个通过牵引杆(14)拖动的挂车(2)，牵引车(1)至少有一根轴是可操纵的，其左侧和右侧至少在一根轴上装有驱动轮(3，4)，车轮由分别装在其上的电动机(7，8)驱动，并通过电子控制器(11)将电流分送至电动机(7，8)。

Description

本发明涉及一种如权利要求1所述的广义上的电动机驱动的汽车列车。

在已公开的“VDI”报告Nr.578，1971”中已介绍了“电力传动”的汽车。这种汽车上装的内燃机不象通常那样通过变速装置与机械式驱动系相连，而是驱动发电机的。这种汽车的驱动轮由装在轴上或轮上的电动机驱动，其电流来自于发电机，发电 机的发电以及电动机的供电都由一个电子控制器控制。电动机和发动机都用的是“多路电子永磁电机”。这种电机内部有一个定子，这个定子由许多呈星形状的定子叠片组成，其上绕有线圈，每个线圈或每组串联或并联线圈都配有与电子控制器相联的变频装置，即“多路电流控制器”，定子外侧一周是转子，它采用内装含稀土钴、铁的永磁材料制成的导磁环形成的。电子控制器控制着线圈电流整流器，使它能在正确的时刻换向并输出所需幅值的电流，由于采用了外转子式结构，且转子的径向尺寸很薄，所以与传统的直流电机相比，同样的外径尺寸，多路电子电机传递的扭矩和功率能提高两倍。

这种汽车从内燃机到驱动轮的能量传递采用了纯电力方式，效率很高。几乎完全避免了设计传动的机械传动系时不得不考虑的结构问题。

各种汽车列车，如带挂车的卡车，载拖式汽车或铰接式公共汽车的特征在于其牵引车上装有驱动用的内燃机。铰接式公共汽车则采用了特殊的方式，将内燃机装在了由车辆前部牵引的车辆尾部，驱动轮也安装在汽车上挂车的部位。这些汽车列车的行驶性能还可以大大地加以改进，特别是改善其牵引力，因为牵引车上至多也只是某一根轴上的轮子是驱动轮。更确切地说，只是在特殊情况下（尤其是由于制造成本高）才采用双轴或三轴驱动，除了铰接式公共汽车采用“推式驱动”外，汽车列车的挂车上（除了特种汽车）都没有自身的驱动机构。所以汽车列车上的车轮中只有一部分用来传递动力，此外带着传统式挂车很不容易倒车，特别是挂车的轴是可转动式的更是如此，因为汽车列车的倒车与前进是不一样的，倒车时易相互挤撞，即挂车极易偏离所希望的行驶方向。当行驶条件较差时，这种相互挤撞的现象在汽车列车制动时也时有发生。

DE3045115A1介绍了一种铰接式公共汽车，其从轴由内燃机通过一个带有变速器的普通传动系驱动，铰接式汽车的另一种驱动形式是，其中轴装有由电网供电的电力驱动或电液驱动装置，在此专利中没有考虑同时采用这两种方式驱动的方案。

DE-A2705318介绍了一种野营汽车，其中轮由电动机驱动，电动机的用电由电池或外部电源提供，但是电力驱动只有在与牵引车脱离并调度野营车时才工作。为了使转向行驶容易进行，可以用相应的不同转速来驱动轮子。

另外在DE3907763A1还介绍了一种装置，采用它可以控制由牵引车和挂车组成的具有中性行驶特性的汽车列车的制动系统，并且在牵引车挂钩处测量牵引杆的受力。但是它没有提及利用所测得的牵引杆拉力可能达到的其它目的。

另外DE-AS2010594介绍了在用电动机通过传动机构驱动驱动轮的汽车上，通过传感器给出一个与转弯半径成比例的信号，并给出各个车轮的转速，但此文献没有叙述如何将此技术应用于汽车列车上。

最后在DE3725620中介绍了一种用于汽车列车的驱动构思和制动构思。这种汽车列车采用内燃机/发电机机组，供给驱动车轮的电动机的用电，它采用了驱动防滑装置和制动防抱死控制装置，但没有提到挂车传动的问题。

本发明的目的是，改善这类汽车列车的行驶性能，特别是提高其牵引力，并且所需的费用并不很高。

采用本发明权利要求1所述的汽车列车即可达到此目的。本发明的其它优点参见权利要求2至12。

下面参照图1至4对本发明进行详细说明：

图1.带有双轴挂车汽车列车的侧视图。

图2.带有双轴挂车的汽车列车在转弯行驶时的示意图。

图3.本发明的汽车列车的驱动方案示意图。

图4.牵引车和挂车的转向角随时间的变化曲线。

在图1中示意地画出了卡车式的牵引车1和挂车2，挂车2通过一牵引杆14与牵引车1上的挂钩13形成机械联接，当汽车列车以一定的速度V（如箭头所示）运动时，在其上就作用了一系列的力，这些力可以看作是阻力或驱动力，在牵引车1上还作用有驱动挂车2的拉力F₂：

F_E-F_WG-F_WR-F_WS-F_WL-F_WB＝F₂（1）

其中

F_E＝牵引车驱动系统瞬间发出的驱动力;

F_WG＝牵引车传动系统的阻力;

F_WR＝牵引车的滚动阻力;

F_WL＝牵引车的空气阻力;

F_WS＝牵引车的爬坡阻力;

F_WB＝牵引车的加速阻力;

作用在牵引车1上的阻力F₂与通过挂钩13作用在挂车2牵引杆14上的牵引力F_Z′绝对值相等，F_Z′的方向是与运动方向相同的。

F_Z＝F_Z′

对于自身不带驱动机构的传统式挂车来说，在拉动时有以下关系式：

F_Z′＝F_WR′+F_WL′+F_WS′+F_WB′（3）

符号中加一撇所表示的运动阻力是作用在挂车上的，它们的意义与前面所述的作用在牵引车上的运动阻力的意义相同。

由于行驶稳定性的原因，向前行驶时通过挂车上的牵引杆所传递的力应尽可能地只地牵引力，也就是说，要绝对避免挂车推牵引车的情况发生。这就意味着，F_Z和F_Z′的作用方向如图1所示，其值永远大于零，而不能变成负值（压力），但是传统式挂车在制动或下坡行驶时是很不容易做到这一点的。

如图3所示，本发明是以一个可控的牵引车为出发点的，在它上面至少一根轴上的驱动轮4是由单独的电动机8驱动的，在牵引车的每侧都有至少一个由电动机8驱动的驱动轮4，电动机8的用电电能18是由电子控制器11控制的，并通过线路16由直流电源15提供。直流电源15可以采用如用内燃机驱动的发电机，或者蓄电池，或者是其它类似的设备。一种非常有利的方式是采用多路电子永磁电机作电动机8来驱动车辆，也可作为发电机，当它用作发电机时，电子控制器采用多路电流控制时对发电机进行控制，为了给牵引车1提供尽可能大的牵引力，可以给所有的驱动轮装上电动机驱动装置，在图3中已清楚地用虚线表示出了轮子3上装的电动机7和线路16，将普通传动系的汽车列车改造成这类全轮驱动形式所需要的费用与只驱动单根驱动轴上的车轮相比还是较低的。

本发明与已有的汽车列车的最大不同之处在于，不仅牵引车1有驱动轮，而且挂车2也有驱动轮5，在特定的条件下，如能将挂车2所有的车轮5、6都作为驱动轮将会更加有利，这样使汽车列车具有了最大牵引力，车轮5、6由分别装在其上的电动机9、10驱动，使转速和驱动扭矩能够单独进行调节，这也是由于电子控制器11控制的，它将电能通过线路16相应地分送至电动机9、10。

图3用虚线表示出车轮6上可选择安装的电动机10和线路16。虚线17表示电子控制器11按顺序地接收到控制电动机所需要的有关电动机7、8、9、10的实际工作状况的信号。

图1和图2的例子中二轴挂车2有一个可转向前轴（付车架），因为与牵引杆14刚性联接的前轴能绕一旋转中心转动。从原则上来讲，挂车2可以是单轴的，也可以是多轴的（例如后面的轴串联）。

本发明的另一个重要的特征是，由电子控制器将电流分配给电动机9以及10，使挂车2施加给牵引车1的永远是拉力，也就是说，前进行驶中不能存在推挤工况（如下坡时）。为此电流流向可以反过来，即在需要的时候将电动机9、10转为发电机，这样就产生了一个负的驱动力矩（制动力矩）。采用相应的传感器（图中未表示出，如电阻应变片）可以监测牵引杆14的拉力大小，其信号与电子控制器11接通，调节传动功率即可达到以下理想状态，即牵引杆14上的拉力能尽可能地小。但是还应考虑到行驶状况速度高时的最小拉力值F_Z比速度低时的最小拉力值F_Z要大。

本发明的汽车列车还采用了一些装置（如在牵引车1的悬架上或转向轮3的转向器上安装传感器），在电子控制器11的控制下，测量右前转3的转向角α或左前轮3的转向角β，或同时测量这两个转向角α、β，此外，电控器还一直监测着汽车列车的实际运动速度V，采用如测速发电机就可达到此目的，但是让电子控制器根据所测的驱动轮3、4、5、6的转速也能很容易地计算出运动速度V。

本发明的其它重要特征有，在电子控制器11中以表列值方式或计算公式方式贮存着由转向角α、β之一或由两个转向角α、β计算出的挂车2的理论转向角或能代表此理论转向角的某一参数值。参看图2，转向角α、β为转向轮3所在的转轴与非转向轮4所在的转轴之间的夹角。挂车2的转向角ζ为轮5、6所在的转轴之间的夹角，它等于牵引杆14与挂车2纵轴之间的夹角（转动角），对于单轴挂车来说，牵引杆（即挂车纵轴）与牵引车纵轴的夹角就等于挂车的转动角。

挂车做所谓的理想运动时，即在干燥防滑路面 上行驶时，若挂车上无驱动轮，则汽车列车的转弯行驶如图2所示，是遵循着确定的几何规律的。其中有以下几个关系式：

γK (L-S_L/2×tanα)/(tanα) （4）

γ=arctan (L_K)/(γK) （5）

γKK＝γK²+LK²（6）

ζ＝arcsin γKK²-L² _D（7）

其中

γK＝转向半径，即牵引车纵轴与转向中心P之间的距离;

L＝牵引车上转向轴与非转向轴之间的距离;

SL＝牵引车上的转向轮旋转中心点之间的距离;

γKK＝牵引车上的挂钩与转向中心P之间的水平距离。

L_K＝挂车挂钩的连接轴与牵引车非转向后轮的转轴之间的水平距离;

L_D＝挂车牵引杆的有效长度，即挂车转向轴与挂车挂钩连接轴之间的水平距离。

L_H＝挂车的转向轴与非转向轴之间的距离。

γ＝牵引车的非转向后轮轴与γKK间的夹角;

α、β＝牵引车的转向角;

ζ＝挂车的转向角。

从关系式（4）至（7）可以计算出对应于每一个牵引车1转向角α的挂车2转向角ζ，可以看出，此组关系式同样也适合于牵引车1的第二转向角β，将它代入后，可以计算出代表转向角的参数值（如电子测量信号或控制信号）。本发明的根本之处在于，电子控制器11用由理论计算的转向角ζ或代表此角度的参数值来控制挂车2驱动轮5和6上的电动机9或10的转速和扭矩，使挂车尽可能地沿挂车理想的运动路线运动。

因为转弯时外侧车轮5、6比内侧车轮所经过的路程要长，所以前者的转速要高一些，同样牵引车1的驱动轮3和4也是这样。电子控制器必须考虑到挂车2转向角ζ和牵引车1转向角α、β之间有一个与运动速度相关的时间延迟tpt，图4示意地表示出了转向角与时间t的关系曲线α＝f（t），ζ＝f（t）。

下面举一个转向不稳定、即汽车过多转向的例子来解释这种参数关系。改变牵引车1方向盘的角度，也就改变了转向角α、β的值，电子控制器11通过转向角传感器采集到它们的值，如前所述，根据实际的转向角α、β就可以计算出挂车2转向角ζ的理论值，若在前面所述的情况下，也就计算出了带有车轮5的挂车转向轴的转动角。电子控制器11根据下面的关系式可由此挂车理论转向角计算出相位移tph：

tph＝（S/V）×C    （8）

其中

S＝牵引车与挂车的转向轴之间的距离;

V＝汽车列车的运动速度;

C＝0～1间的修正因数。

修正因数C可以使此关系式适用于挂车2的不同转向方式。强制转向时，C的值约为零，牵引转向时，如图2所示，C的值接近于1，C值可以参照非驱动挂车在干燥路面（理想的挂车运动）的行驶状态来选择。为了能调节挂车转向角ζ的时间延迟，电子控制器11就必须连续地对牵引车1的转向角α以及β的时间历程进行采样并贮存，其采样及贮存的时间范围要大于tph。当通过牵引车1的转向角传感器得知一转向过程开始时，再过tph的时间后就开始一系列的α＝f（t），ζ＝f（t）的函数值比较，其中ζ＝f（t）是由挂车2上相应的角度传感器测得并送至电子控制器11的，当确知挂车转向角ζ对时间的函数与转向角α对时间的函数之间没达到相位移tph时，电子控制器11就对驱动进行修正。这样最好是减小挂车2车轮5、6的驱动功率，再就是在转弯时外侧车轮与内侧车轮之间采用了转速差调节装置，使实际转向角ζ接近于理论转向角。当然用牵引车1的转向角β代替转向角α也可以完成相应的工作。从原则上来讲，由牵引车1和/或挂车的横向加速度和运动速度可计算出转向角的理论值。在这种情况下，还必须用相应的传感器测量横向加速度。

由于电动机7、8、9、10的转速、扭矩以及驱动功率都由电子控制器11监测着，所以本发明汽车列车的驱动打滑调节量不会很大，每个驱动轮 3、4、5、6超过允许值的打滑通过车轮转速之间的比较即可很容易地得知，因为电子控制器11不到1秒钟就比较一下电动机7、8、9、10的参数，能及时地分别降低其驱动功率和驱动扭矩，使每一个车轮3、4、5、6不再有过高的打滑量，也避免了轮胎磨损并节约了能量。

将汽车列车的驱动力分配到挂车2的驱动轮5、6上，使牵引车1上一直单独传递驱动力的车轮4和3减轻了负荷，同时也提高了这些车轮传递侧滑力的可能性。相反地，当车轮3、4、5、6作用在路面上的驱动力总值恒定时，挂车2上侧滑力的传递性自然就减小了。由电子控制器11可知（例如通过比较牵引车1与挂车2的转向角或/和通过作用在挂车钩（13）上的力的平衡），挂车2的侧滑力不再由车轮5、6传递给路面，这样减小了这些工作轮的驱动力，同时也减小了汽车列车的速度V，此外还能通过声音或视觉信号给司机以警告。这样除了能提前得知已出现的车轮上侧滑力的损耗，还能对此进行修正。例如，假如汽车列车在转弯时或在摩擦系数较小的路面上行驶时速度太大，则首先是驱动轮的打滑最严重，电子控制器11通过比较电动机的转速和/或扭矩，即可很容易地得知此较大量的打滑，电子控制器11不仅能做到上面提到的减小相应的驱动力矩，而且能将驱动力分配至处于“非临界状态”的驱动轮，使整个汽车列车建立起一个有效的防侧滑措施。

当电子控制器采用的是作用在牵引杆14上的拉力F_Z和/或挂车2的转向角ζ周期性波动时随时间的变化值时就更体现出了这种防侧滑措施的优点。这样还能得出有关转向侧滑的信息，当周期过长幅值过大时，就向司机发出警告信号或者同时减小汽车列车的速度。此外，将牵引力尽可能地均匀分配至所有的驱动轮也是本发明的一个优点。

供给电动机7、8、9、10的电流可用如蓄电池，但最好还是用内燃机带动发电机发电。此发电机同样也采用与电动机7、8、9、10相同的型式，即多路电子控制的永磁电机。

汽车列车的倒车由于“相互挤撞”一直是个问题，但本发明对其进行了根本的改善，电子控制器11很容易就能把驱动能量分配至牵引1和挂车2，使实际运动中牵引车永远拉着挂车2，也就是说，倒车时牵引杆14上一直作用着一个最小拉力，当挂车2为多轴时，建议作用在挂车2转向轴上的车轮5上的驱动力总和要小于作用在挂车2非转向轴上的驱动力总和。

本发明的驱动方式应用于单轴挂车的汽车列车或例如铰接式公共汽车时还有以下优点：因为本发明汽车列车上的电动机用电是由插塞式连接采用简单且最灵活的方式供电的，所以不管内燃机/发电机组安装在挂车2上还是前部车辆上，都不会增加驱动技术的难度。对于本发明的铰接式公共汽车，其牵引杆本体与由前部拖动的后车辆底部直接合并在一起。本发明首创了使铰接式公共汽车采用同样的方式进行弯路前驶和倒车，当城市交通拥挤且要调车时这就具有很大的意义。

Claims (12)

1、一种汽车列车，具有一个牵引车(1)，一个通过牵引杆(14)拖动的挂车(2)，牵引车(1)至少有一根轴是可操纵的，其左侧和右侧至少在一根轴上装有驱动轮(3，4)，车轮由分别装在其上的电动机(7、8)驱动，并通过电子控制器(11)将电流分配至电动机(7、8)，其特征在于，

挂车(2)至少在与牵引杆(14)刚性相连的轴上于挂车的左侧和右侧设有驱动轮(5)，各驱动轮上分别设有由电子控制器(11)配电的电动机(9)以及与控制器(11)相连的用于在行驶时测量牵引杆(14)上的牵引力从而控制电动机(9)的驱动力不会超过最小的作用于牵引杆(14)上的拉力的传感器；

用于直线或间接测得至少一个转向角(α、β)和牵引车(1)的速度并将其传给电子控制器(11)的装置；

电子控制器(11)具有用于由牵引车(1)的至少一个转向角(α、β)计算出挂车的理论转向角或能代表此理论转向角的某一参数值(在理论的挂车驱动条件下)的表列值方式和计算公式；

电子控制器(11)根据至少一个所获得的转角(α、β)角以一个与牵引车速度(V)相关的时间延迟(t_ph)使与牵引杆(14)相连的轴上的驱动轮(5)的电动机(9)的转速在转弯外侧相对于转弯内侧增加到在理论运动时与挂车(2)的理论运动转向角相应的值。

2、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，挂车（2）所有的车轮（5，6）都由电动机（9，10）驱动，电子控制器（11）将电流分送至各电动机。

3、如权利要求1或2所述的汽车列车，其特征在于，牵引车（1）所有的车轮（3，4）都由电动机（7，8）驱动，电子控制器（11）将电流分送至各电动机。

4、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，提出了通过电子控制器（11）直接地或间接地得知挂车（2）的实际转向角（）偏离理论转向角时，能调节与牵引杆（14）相联轴上的车轮（5）的电动机（9）转速，使偏差减小。

5、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，电子控制器（11）根据车轮（5，6）的实际驱动力矩或根据车轮（5，6）的转速差或根据这两个基准监测挂车（2）驱动轮（5，6）的打滑，并且电子控制器（11）通过降低电流而减小驱动轮（5，6）的驱动力矩，从而调节了过大的打滑量。

6、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，牵引车（1）装有一个内燃机驱动的发电机，用以给电动机（7，8，9，10）供电。

7、如权利要求1的汽车列车，其特征在于，电动机（7，8，9，10）以及发电机组都是多路电子控制的永磁电机。

8、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，倒车行驶时，由电子控制器（11）控制电动机（7，8，9，10）的用电，使挂车（2）通过牵引杆（14）施加给牵引车（1）一个拉力。

9、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，当挂车（2）为多轴式时，电子控制器11在倒车行驶时向电动机（9，10）供电，使与牵引杆（14）相联轴的车轮（5）驱动力总和小于挂车（2）其它轴上的驱动力之和。

10、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，电子控制器（11）采用了作用在牵引杆（14）上的拉力和/或挂车（2）的转向角的周期性波动值，在调节过大的周期性波动时减小了汽车列车的速度V，并将牵引力尽可能均匀地分配到了全部驱动轮（3，4，5，6）上。

11、如权利要求1所述的汽车列车，其特征在于，挂车（2）是单轴式的。

12、如权利要求11所述的汽车列车，其特征在于，牵引车（1）和挂车（2）组成了铰接式公共汽车。

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