CN104175861A - 一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统及控制方法，包括车架(E)，车架(E)通过悬架系统(B)连接轮毂，每个轮毂均设有一组轮毂驱动系统(A)和转向系统(C)；还包括为车辆提供电力的动力系统；所有车轮都可以独立旋转、转向，叉车可以灵活地平移和原地转向，取消减速机构、简化驱动系统。

Description

一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车的设计与制造领域，尤其涉及一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统及控制方法。 

背景技术

驱动系统是电动叉车的关键系统之一，现有电动叉车在驱动系统的结构上存在很大的差别，电机布置形式上也存在差别，如国内一些叉车，其电机轴与驱动桥为丁字型结构，而国外TOYOTA和BALKANCAR等叉车的驱动电机轴与驱动桥是一体化布置的，结构紧凑。LINDE的E20电动叉车和CARER的P50叉车的前轮驱动是由两个独立的电机来完成，电机与驱动轴平行放置，结构紧凑，加速和爬坡性能好，牵引力大，并采用了电子差速系统，替代原来的机械差速系统，使性能得到了很大的提高。 

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：总结现有电动叉车的驱动形式，无论是交流电机驱动系统还是直流电机驱动系统，其驱动系统布置都存在以下问题：(1)前桥作为驱动桥，叉车负载时轴荷容易超载；(2)采用一个或两个电机，电机输出轴直接安装于前桥上的减速器，减速器的应用增加了汽车的制造成本和整车自重；(3)后桥作为转向桥，采用横置液压缸式转向桥或拉杆式转向桥，这套转向系统增加了汽车的制造成本；(4)前后桥均与承载式车身固定连接，无悬架，减振缓冲能力差，舒适性不好。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种所有车轮都可以独立旋转、转向，叉车可以灵活地平移和原地转向，取消减速机构、简化驱动系统的全轮驱动全 轮转向电动叉车底盘驱动系统及控制方法。 

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，包括车架，所述车架通过悬架系统连接轮毂，每个轮毂均设有一组轮毂驱动系统和转向系统；还包括为车辆提供电力的动力系统； 

所述轮毂驱动系统包括轮毂电机，所述轮毂电机与轮毂连接并能驱动轮毂转动； 

所述悬架系统包括转向节和转向横拉杆，所述转向横拉杆一端与转向节连接，另一端与轮毂电机连接； 

所述转向系统包括转向电机和转向主轴，所述转向主轴可转动地安装在车架上，转向电机与车架连接；转向主轴与转向节固定连接，转向主轴上设有推力调心滚子轴承，转向主轴通过推力调心滚子轴承与车架连接；所述转向电机的主轴上设有转向主动小齿轮，转向主轴上固定设有转向从动大齿轮，所述转向主动小齿轮与转向从动大齿轮相啮合。 

所述轮毂电机一端设有前连接板，另一端设有后连接板，所述前连接板通过连接螺栓与轮毂固定连接；所述后连接板上设有连接支座，所述连接支座与转向横拉杆连接。 

所述后连接板上设有减震连接座，所述悬架系统上还设有减震机构，所述减震机构包括减震器，所述减震器一端与转向节铰接，另一端与减震连接座固定连接，减震器上套装有螺旋弹簧；所述转向横拉杆一端与转向节铰接，另一端与连接支座固定连接。 

所述转向主轴下端通过推力调心滚子轴承与车架连接，上端通过推力球轴承与车架连接并通过紧固螺母压紧推力球轴承；还包括外套筒和内套筒，所述 外套筒固定在车架上，内套筒固定在转向主轴上，内套筒和外套筒之间通过轴承连接。 

所述动力系统为蓄电池组，所述蓄电池组包括电池模框和单体蓄电池，所述电池模框固定在车架上，所述单体蓄电池固定在电池模框内。 

一种上述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统的控制方法： 

1)车辆启动后，系统工作，车内显示系统会提示驾驶人员选择启动四轮转向系统或者常用的前轮转向系统，系统根据选择，执行是否启动四轮转向系统； 

2)ECU实时采集转向盘转角信号和车速信号； 

3)车轮转角传感器实时将采集信号输送至ECU，ECU根据车轮应转角度和实转角度进行比较，并驱动转向电机修正车轮的转向角度； 

4)车辆转向时，转向盘转角传感器将转向盘的转向信号传入ECU，车速传感器将车辆的速度信号传入ECU，ECU进行分析运算之后，向转向电机输入信号，转向电机根据ECU传来的信号值做出相应的转动； 

5)当ECU发出转向信号后，转向电机直接驱动转向主动小齿轮旋转，带动与之啮合的转向从动大齿轮，进而使转向主轴转动，驱动转向节旋转，使车轮完成转向动作； 

6)ECU同时还通过横摆角速度传感器，前、后轮转角传感器对车辆的状态进行实时监测，将前、后轮转角的理想值与实际转角之间的差值，反馈给转向电机，以实时协调前、后轮转角，从而实现汽车的四轮转向。 

转向电机的转动角度与转向盘转动角度呈非线性比例；车速越高，二者的转动角度比例越小，以增加叉车高速行驶的安全性。 

转向电机的转向主动小齿轮与转向主轴上的从动大齿轮相啮合，转向主动小齿轮的齿数要小于从动大齿轮的齿数，在减小转速的同时增大转向力矩。 

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，1、减少了减速机构，减少机械连接，零部件少、重量轻，设计紧凑，所占的空间相对较小，可以更有利于整车的总布置设计；2、驱动系统每个车轮均配有轮毂电机及电动转向机构，因此每个车轮都可以独立旋转、转向，可以实现叉车的平移和原地转向，从而减小叉车转弯半径，提高了叉车的在仓储场所工作时的灵活性；3、驱动系统不采用机械传动，不会有传动轴的振动及其引起的整车振动、噪声问题，更适合叉取、运存精密电子器件及贵重易碎货物；4、随着轮毂电机及步进电机技术的发展，本发明基于1t叉车的叉车驱动系统设计也能运用在载荷更大的3t或5t电动叉车上，并且本驱动系统也能运用在轿车或其它对灵活性要求高的特种车辆上。除此之外，本发明集成转向系的驱动系统设计方案也可用于多轴车辆设计，如6×6车辆，8×8车辆等，运用范围还包括叉车、工程车辆、架桥车辆及特殊大型器件运输平台。 

附图说明

图1为本发明实施例中提供的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统的结构示意图； 

图2为图1的轮毂电机的结构示意图； 

图3为图2的轮毂电机的背视图； 

图4为图1的悬架系统的结构示意图； 

图5为图1的转向系统的结构示意图； 

图6为图5的转向主轴的结构示意图； 

图7为图1的蓄电池组的结构示意图； 

图8为图7的蓄电池组的单体蓄电池的结构示意图； 

图9为图7的蓄电池组的电池模框的结构示意图； 

图10为图1的车架的结构示意图； 

上述图中的标记均为：A、轮毂驱动系统；B、悬架系统；C、转向系统；D、蓄电池组；E、车架； 

A-1、轮毂电机；A-2、前连接板；A-3、连接螺栓；A-4、连接支座；A-5、后连接板；A-6、减震连接座； 

B-1、转向节；B-2、螺旋弹簧；B-3、转向横拉杆；B-4、减震器； 

C-1、紧固螺母；C-2、推力球轴承；C-3、转向电机；C-4、转向主动小齿轮；C-5、转向主轴；C-6、深沟球轴承；C-7、外套筒；C-8、内套筒；C-9、推力调心滚子轴承；C-10、转向从动大齿轮； 

D-1、单体蓄电池；D-2、电池模框。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

参见图1，一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，包括车架E，车架E通过悬架系统B连接轮毂，每个轮毂均设有一组轮毂驱动系统A和转向系统C；还包括为车辆提供电力的动力系统； 

轮毂驱动系统A包括轮毂电机A-1，轮毂电机A-1与轮毂连接并能驱动轮毂转动；轮毂电机A-1驱动轮是指一体化轮毂电机A-1系统，电机输出轴直接驱动车轮旋转，中间不加装任何减速机构，轮毂电机A-1采用低速外转子电机，电机功率根据叉车的起重重量设计选定。 

悬架系统B包括转向节B-1和转向横拉杆B-3，转向横拉杆B-3一端与转向节B-1连接，另一端与轮毂电机A-1连接；转向横拉杆B-3包括上、下双臂横拉杆、减震器B-4及套装于减震器B-4外圆周上端的螺旋弹簧B-2，悬架系统 B增强叉车行驶的平顺性，可缓和叉车户外行驶时路面对车体的冲击，提高驾驶舒适性。 

转向系统C包括转向电机C-3和转向主轴C-5，转向主轴C-5可转动地安装在车架E上，转向电机C-3与车架E连接；转向主轴C-5与转向节B-1固定连接，转向主轴C-5上设有推力调心滚子轴承C-9，转向主轴C-5通过推力调心滚子轴承C-9与车架E连接；转向电机C-3的主轴上设有转向主动小齿轮C-4，转向主轴C-5上固定设有转向从动大齿轮C-10，转向主动小齿轮C-4与转向从动大齿轮C-10相啮合。转向电机C-3是一种低速大扭矩步进电机，电机功率根据叉车的起重重量设计选定，步进电机输出端主动小齿轮与转向主轴C-5上的从动大齿轮相啮合，从动大齿轮带动转向节B-1旋转，从而实现叉车转向。 

通过两端的推力球轴承C-2推力调心滚子轴承C-9将转向主轴C-5压紧在车架E上，并能相对车架E转动，通过紧固螺母C-1压紧推力球轴承C-2，将转向主轴C-5固定，防止转向主轴C-5松脱，既实现了固定作用，又满足了转向主轴C-5相对车架E能够转动的需求。 

如图2和图3所示，轮毂电机A-1一端设有前连接板A-2，另一端设有后连接板A-5，前连接板A-2通过连接螺栓A-3与轮毂固定连接；后连接板A-5上设有连接支座A-4，连接支座A-4与转向横拉杆B-3连接。连接螺栓A-3焊接在前连接板A-2上，用于连接轮毂。连接支座A-4焊接在后连接板A-5上，连接悬架系统B的双臂横拉杆和减震器B-4。 

后连接板A-5上设有减震连接座A-6，悬架系统B上还设有减震机构，如图4所示，减震机构包括减震器B-4，减震器B-4一端与转向节B-1铰接，另一端与减震连接座A-6固定连接，减震器B-4上套装有螺旋弹簧B-2；转向横拉杆B-3一端与转向节B-1铰接，另一端与连接支座A-4固定连接，转向横拉杆B-3 可相对转向节B-1转动，便于减震机构的缓冲减震。 

如图5和图6所示，转向主轴C-5下端通过推力调心滚子轴承C-9与车架E连接，上端通过推力球轴承C-2与车架E连接并通过紧固螺母C-1压紧推力球轴承C-2；还包括外套筒C-7和内套筒C-8，外套筒C-7固定在车架E上，内套筒C-8固定在转向主轴C-5上，内套筒C-8和外套筒C-7之间通过轴承连接。采用内外套筒的形式，减小转向主轴C-5与车架E之间的摩擦，转向更加灵活，且不易损坏转向主轴C-5和车架E。 

转向电机C-3为步进电机，通过固定螺栓固定在车架E上，转向电机C-3的转向主动小齿轮C-4与转向节B-1上的从动大齿轮相啮合，转向主动小齿轮C-4的齿数要小于从动大齿轮的齿数，从动大齿轮水平设置，其齿轮轴顶端通过推力调心滚子轴承C-9固定在车架E上，推力调心滚子轴承C-9与车架E上的圆形沟槽贴合，转向主轴C-5底端与转向节B-1固定连接。 

深沟球轴承C-6有两个，下方轴承安装于主轴轴肩上，上方轴承安装于内套筒C-8上。外套筒C-7套在内套筒C-8外。 

如图7-10所示，动力系统为蓄电池组D，蓄电池组D包括电池模框D-2和单体蓄电池D-1，电池模框D-2固定在车架E上，单体蓄电池D-1固定在电池模框D-2内。蓄电池组D安装在车架E后方。单体蓄电池D-1安装于电池模框D-2中，电池模框D-2通过定位孔与车架E上的销固定，从而安装于叉车后车架E上，电池模框D-2的安装位置位于车架E后方，即后轮上方，兼起到配重作用。 

一种上述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统的控制方法： 

1)车辆启动后，系统工作，车内显示系统会提示驾驶人员选择启动四轮转向系统或者常用的前轮转向系统，系统根据选择，执行是否启动四轮转向系统； 

2)ECU实时采集转向盘转角信号和车速信号； 

3)车轮转角传感器实时将采集信号输送至ECU，ECU根据车轮应转角度和实转角度进行比较，并驱动转向电机C-3修正车轮的转向角度； 

4)车辆转向时，转向盘转角传感器将转向盘的转向信号传入ECU，车速传感器将车辆的速度信号传入ECU，ECU进行分析运算之后，向转向电机C-3输入信号，转向电机C-3根据ECU传来的信号值做出相应的转动； 

5)当ECU发出转向信号后，转向电机C-3直接驱动转向主动小齿轮C-4旋转，带动与之啮合的转向从动大齿轮C-10，进而使转向主轴C-5转动，驱动转向节B-1旋转，使车轮完成转向动作； 

6)ECU同时还通过横摆角速度传感器，前、后轮转角传感器对车辆的状态进行实时监测，将前、后轮转角的理想值与实际转角之间的差值，反馈给转向电机C-3，以实时协调前、后轮转角，从而实现汽车的四轮转向。 

转向电机C-3的转动角度与转向盘转动角度呈非线性比例；车速越高，二者的转动角度比例越小，以增加叉车高速行驶的安全性。 

转向电机C-3的转向主动小齿轮C-4与转向主轴C-5上的从动大齿轮相啮合，转向主动小齿轮C-4的齿数要小于从动大齿轮的齿数，在减小转速的同时增大转向力矩。 

采用上述的结构后，1、减少了减速机构，减少机械连接，零部件少、重量轻，设计紧凑，所占的空间相对较小，可以更有利于整车的总布置设计；2、驱动系统每个车轮均配有轮毂电机A-1及电动转向机构，因此每个车轮都可以独立旋转、转向，可以实现叉车的平移和原地转向，从而减小叉车转弯半径，提高了叉车的在仓储场所工作时的灵活性；3、驱动系统不采用机械传动，不会有传动轴的振动及其引起的整车振动、噪声问题，更适合叉取、运存精密电子器 件及贵重易碎货物；4、随着轮毂电机A-1及步进电机技术的发展，本发明基于1t叉车的叉车驱动系统设计也能运用在载荷更大的3t或5t电动叉车上，并且本驱动系统也能运用在轿车或其它对灵活性要求高的特种车辆上。除此之外，本发明集成转向系的驱动系统设计方案也可用于多轴车辆设计，如6×6车辆，8×8车辆等，运用范围还包括叉车、工程车辆、架桥车辆及特殊大型器件运输平台。 

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，包括车架(E)，所述车架(E)通过悬架系统(B)连接轮毂，其特征在于，每个轮毂均设有一组轮毂驱动系统(A)和转向系统(C)；还包括为车辆提供电力的动力系统；

所述轮毂驱动系统(A)包括轮毂电机(A-1)，所述轮毂电机(A-1)与轮毂连接并能驱动轮毂转动；

所述悬架系统(B)包括转向节(B-1)和转向横拉杆(B-3)，所述转向横拉杆(B-3)一端与转向节(B-1)连接，另一端与轮毂电机(A-1)连接；

所述转向系统(C)包括转向电机(C-3)和转向主轴(C-5)，所述转向主轴(C-5)可转动地安装在车架(E)上，转向电机(C-3)与车架(E)连接；转向主轴(C-5)与转向节(B-1)固定连接，转向主轴(C-5)上设有推力调心滚子轴承(C-9)，转向主轴(C-5)通过推力调心滚子轴承(C-9)与车架(E)连接；所述转向电机(C-3)的主轴上设有转向主动小齿轮(C-4)，转向主轴(C-5)上固定设有转向从动大齿轮(C-10)，所述转向主动小齿轮(C-4)与转向从动大齿轮(C-10)相啮合。

2.如权利要求1所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，其特征在于，所述轮毂电机(A-1)一端设有前连接板(A-2)，另一端设有后连接板(A-5)，所述前连接板(A-2)通过连接螺栓(A-3)与轮毂固定连接；所述后连接板(A-5)上设有连接支座(A-4)，所述连接支座(A-4)与转向横拉杆(B-3)连接。

3.如权利要求2所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，其特征在于，所述后连接板(A-5)上设有减震连接座(A-6)，所述悬架系统(B)上还设有减震机构，所述减震机构包括减震器(B-4)，所述减震器(B-4)一端与转向节(B-1)铰接，另一端与减震连接座(A-6)固定连接，减震器(B-4)上套装有螺旋弹簧(B-2)；所述转向横拉杆(B-3)一端与转向节(B-1)铰接，另一端与连接支座(A-4)固定连接。

4.如权利要求3所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，其特征在于，所述转向主轴(C-5)下端通过推力调心滚子轴承(C-9)与车架(E)连接，上端通过推力球轴承(C-2)与车架(E)连接并通过紧固螺母(C-1)压紧推力球轴承(C-2)；还包括外套筒(C-7)和内套筒(C-8)，所述外套筒(C-7)固定在车架(E)上，内套筒(C-8)固定在转向主轴(C-5)上，内套筒(C-8)和外套筒(C-7)之间通过轴承连接。

5.如权利要求4所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统，其特征在于，所述动力系统为蓄电池组(D)，所述蓄电池组(D)包括电池模框(D-2)和单体蓄电池(D-1)，所述电池模框(D-2)固定在车架(E)上，所述单体蓄电池(D-1)固定在电池模框(D-2)内。

6.一种如权利要求5所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统的控制方法，其特征在于：

1)车辆启动后，系统工作，车内显示系统会提示驾驶人员选择启动四轮转向系统(C)或者常用的前轮转向系统(C)，系统根据选择，执行是否启动四轮转向系统(C)；

2)ECU实时采集转向盘转角信号和车速信号；

3)车轮转角传感器实时将采集信号输送至ECU，ECU根据车轮应转角度和实转角度进行比较，并驱动转向电机(C-3)修正车轮的转向角度；

4)车辆转向时，转向盘转角传感器将转向盘的转向信号传入ECU，车速传感器将车辆的速度信号传入ECU，ECU进行分析运算之后，向转向电机(C-3)输入信号，转向电机(C-3)根据ECU传来的信号值做出相应的转动；

5)当ECU发出转向信号后，转向电机(C-3)直接驱动转向主动小齿轮(C-4)旋转，带动与之啮合的转向从动大齿轮(C-10)，进而使转向主轴(C-5)转动，驱动转向节(B-1)旋转，使车轮完成转向动作；

6)ECU同时还通过横摆角速度传感器，前、后轮转角传感器对车辆的状态进行实时监测，将前、后轮转角的理想值与实际转角之间的差值，反馈给转向电机(C-3)，以实时协调前、后轮转角，从而实现汽车的四轮转向。

7.如权利要求6所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统的控制方法，其特征在于，转向电机(C-3)的转动角度与转向盘转动角度呈非线性比例；车速越高，二者的转动角度比例越小，以增加叉车高速行驶的安全性。

8.如权利要求7所述的全轮驱动全轮转向电动叉车底盘驱动系统的控制方法，其特征在于，转向电机(C-3)的转向主动小齿轮(C-4)与转向主轴(C-5)上的从动大齿轮相啮合，转向主动小齿轮(C-4)的齿数要小于从动大齿轮的齿数，在减小转速的同时增大转向力矩。