CN104773201A - 一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统。当驾驶员驾驶车辆进行低速、大转向盘转角的转向运动时，布置在后两桥车轮的驱动电机将提供横摆力矩辅助车辆转向，从而显著减小车辆最小转向半径，提高多轴轮式车辆机动性能。该复合转向辅助系统包括整车控制器、固连在车辆的转向柱上的转向盘转角传感器、针对每个后桥车轮设置的驱动电机及电机控制器，驱动电机经减速器驱动对应的后桥车轮；整车控制器在判定“车速小于设定车速阈值”及“转向盘转角大于设定转向角阈值”同时满足时进入复合转向模式，计算当前转向盘转角与所述转向角阈值之差，并将该差值乘以设定增益值以得到电机转矩数值，并下发至每个后桥车辆的电机控制器。

Description

一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统

技术领域

本发明属于车辆电子辅助系统领域，具体涉及一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统。

背景技术

多轴轮式车辆具有载荷分配合理、动力性强、通过性好等突出优点，被广泛应用于军用轮式车辆及民用重载轮式车辆。

对于军用多轴轮式车辆而言，最小转向半径是其重要的战技指标，其反应了军用轮式车辆的战场机动能力，现代战场环境对军用轮式车辆的转向机动能力提出了越来越高的要求。但是，对于传统军用多轴轮式车辆而言，其采用阿克曼转向形式，转向轮必须产生偏转从而使车辆发生转向，由于动力舱体积较大、阿克曼转向几何原理限制等原因，传统军用多轴轮式车辆最小转向半径难以进一步减小，成为了制约军用多轴轮式车辆机动性能提高的重要瓶颈。

故而出现了如公布号CN100475591C所提出的速差转向军用轮式车辆，其不采用阿克曼转向形式，而是通过两侧车轮的转速差、力矩差使车辆发生转向，与履带车辆转向原理类似。与阿克曼转向车辆相比，速差转向车辆不需转向轮偏转，可实现原地转向等功能从而大幅度提高转向机动性，同时节省了轮舱空间。但是，速差转向车辆存在着操纵稳定性较差、轮胎寿命周期大幅缩短等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统，能够在显著减小车辆最小转向半径的同时，提高多轴分布式机电驱动车辆操纵稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统，适用于n轴轮式车辆，该方案在前n₁桥车轮仍采用阿克曼转向形式的基础上，采用驱动电机经减速器驱动后n₂桥车轮，n₁+n₂＝n；所述复合转向辅助系统包括针对后n₂桥车轮中每个后桥车轮设置的驱动电机及电机控制器，每个驱动电机经一个减速器驱动对应的后桥车轮；整车控制器安装在车体上，转向盘转角传感器固连在车辆的转向柱上；电机控制器、转向盘转角传感器与整车控制器之间由通讯网络实现信息传递；

所述整车控制器包括复合转向模式的判断模块和电机辅助力矩的计算模块；其中，

所述判断模块，用于根据车速和转向盘转角传感器采集的转向盘转角，判断同时满足“车速小于设定车速阈值”及“转向盘转角大于设定转向角阈值”的条件，如果是，则确定进入复合转向模式，通知计算模块工作；

所述计算模块，用于在接收到判断模块的工作通知时，计算当前转向盘转角与所述转向角阈值之差，并将该差值乘以设定增益值后得到电机转矩下发至后n₂桥车轮中每个后桥车辆的电机控制器，由电机控制器控制驱动电机产生驱动力经由减速器减速后施加到车轮；其中，左侧后桥车轮与右侧后桥车轮的增益值互为相反数。

有益效果：

(1)本发明在传统阿克曼转向的基础上，利用驱动电机独立驱动后桥或后几桥车轮，在低速、大转向盘转角的工况下，利用内侧电机提供制动力矩，外侧电机提供驱动力矩，为整车提供辅助横摆力矩。那么车辆在低速转向时，主要靠转向机构所提供的横摆力矩克服转向阻力矩，转向机构所提供的横摆力矩越大，车辆就可以达到越小的转向半径。传统车辆只能通过转向轮偏转产生横摆力矩，但是该方案可以使两侧驱动电机一侧制动、一侧驱动，提供额外的横摆力矩，所以本发明可以使车辆获得更小的转向半径。

(2)本发明具有阿克曼转向机构，与纯速差转向车辆相比，它在转向时的操纵稳定性、轨迹可控性比速差转向车辆好；而且，在转向时有运动学几何关系约束，所以轮胎没有很大的侧向滑动。因此本发明作为阿克曼转向加速差转向的复合转向形式，在减小纯阿克曼转向车辆的最小转向半径的基础上，又避免了纯速差转向车辆操纵性能差且轮胎易磨损的缺点。

附图说明

图1为本发明用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向系统硬件结构示意。

图2为传统阿克曼转向及复合转向形式最小转向半径对比。

其中，1：三桥右侧车轮；2：四桥右侧车轮；3：三桥左侧车轮；4：四桥左侧车轮；5:三桥右侧减速器；6：四桥右侧减速器；7：三桥左侧减速器；8：四桥左侧减速器；9:三桥右侧驱动电机；10：四桥右侧驱动电机；11：三桥左侧驱动电机；12：四桥左侧驱动电机；13：整车控制器；14：转向盘转角传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明基于分布式机电驱动车辆提出了一种复合转向的辅助系统。本发明以8×8军用轮式车辆为例，其前两桥仍采用阿克曼转向形式，后两桥车轮由电机独立驱动，当车辆以低速、大转向盘转角转向时，前轮产生阿克曼摆角的同时，后两桥驱动电机辅助产生驱动力矩及制动力矩，从而为整车提供横摆力矩，减小车辆最小转向半径。

本发明可被理解为阿克曼转向加速差转向的原理形式，在减小阿克曼转向车辆最小转向半径的基础上，又避免了纯速差转向车辆操纵稳定性差、轮胎磨损率高的缺点。基于虚拟样机技术仿真的结果表明，以传统阿克曼转向的8×8轮式车辆为例，本发明可减小最小转向半径15％左右，可大幅度提高多轴轮式车辆的机动能力。

如图1所示的8×8多轴轮式车辆，本发明在传统由发动机驱动前两桥车轮的基础上，采用驱动电机经减速器驱动后两桥车轮。那么，本发明的复合转向辅助系统包括针对后两桥车轮中每个后桥车轮设置的驱动电机9,10,11,12及电机控制器(图1中未示出)，每个驱动电机经一个减速器驱动对应的后桥车轮1,2,3,4。整车控制器13安装在车体上，转向盘转角传感器14固连在车辆的转向柱上。电机控制器、转向盘转角传感器14与整车控制器13之间由CAN网络实现通讯。

整车控制器13包括复合转向模式的判断模块和电机辅助力矩的计算模块；其中，

判断模块，用于根据车速和转向盘转角传感器14采集的转向盘转角，判断同时满足“车速小于设定车速阈值”及“转向盘转角大于设定转向角阈值”的条件，如果是，则确定进入复合转向模式，通知计算模块工作；否则，进入行进间控制模式。其中，车速是根据电机转速获得，或者通过车速传感器获得。设置两个判断条件是为了防止驾驶员进行高速时大幅度转向的危险操作，故当车速较小且转向较大时，才让车辆进入复合转向模式。

计算模块，用于在接收到判断模块的工作通知时，计算当前转向盘转角与所述转向角阈值之差，以此表征驾驶员对转向半径的需求，并将此差值乘以设定增益值后得到电机转矩下发至后两桥车轮中每个后桥车辆的电机控制器，由电机控制器控制驱动电机产生驱动力经由减速器减速后施加到车轮。

该计算模块的计算方法可描述为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{3L}=T_{4L}=-K\·(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}^{\′})\\ T_{3R}=T_{4R}=K\·(\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}^{\′})\end{array}\right.$

上式中：T_3L、T_4L、T_3R、T_4R分别为三桥左侧、四桥左侧、三桥右侧、四桥右侧电机的辅助转矩；δ为转向盘转角；δ’为设定的转向角阈值。K为用于计算辅助力矩的增益，且该增益K可调节，以表征转向时后两桥轮边电机所提供的辅助转向力矩大小。K的具体调节方式为：设电机最大转矩是N_max＝1000Nm，转向盘转角最大值是θ_max＝550°，转向角阈值θ_△＝500°，那么这个K就应该等于N_max/max(θ_max，θ_△)＝1000/50＝20。换言之，转向盘打到最大时，电机转矩达到最大，二者呈线性对应关系，而K正是这个线性对应系数。

最终，整车控制器将后两桥各车轮驱动电机转矩指令下发至各电机控制器，由电机控制器控制驱动电机产生驱动力经由减速器减速后施加到车轮。

同时，结合表1中所列出的实车参数进行了虚拟样机仿真，仿真结果表明，所提出的复合转向系统极大程度降低了多轴轮式车辆的最小转向半径，提高了车辆机动性能。

表1.整车相关参数

参数	数值	参数	数值
				整车质量	25000kg	1、4轴距	2.7m
质心高度	1.5m	轮距	1.7m
				车轮半径	0.4m	转向系传动比	14
电机峰值功率	60kW	电机峰值转矩	350Nm

图2反应了车辆在不同车速下(5-10km/h)下转向盘转角由90％增大至100％时的转向半径变化，并且对比了传统阿克曼车辆和采用复合转向形式的车辆。仿真结果表明，采用复合转向形式后，车辆的最小转向半径可降低15％左右。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于多轴分布式机电驱动车辆的复合转向辅助系统，适用于n轴轮式车辆，其特征在于，在前n₁桥车轮采用阿克曼转向形式的基础上，采用驱动电机经减速器驱动后n₂桥车轮，n₁+n₂＝n；所述复合转向辅助系统包括针对后n₂桥车轮中每个后桥车轮设置的驱动电机(9,10,11,12)及电机控制器，每个驱动电机(9,10,11,12)经一个减速器(5,6,7,8)驱动对应的后桥车轮；整车控制器(13)安装在车体上，转向盘转角传感器(14)固连在车辆的转向柱上；电机控制器、转向盘转角传感器(14)与整车控制器(13)之间由通讯网络实现信息传递；

所述整车控制器(13)包括复合转向模式的判断模块和电机辅助力矩的计算模块；其中，

所述判断模块，用于根据车速和转向盘转角传感器(14)采集的转向盘转角，判断同时满足“车速小于设定车速阈值”及“转向盘转角大于设定转向角阈值”的条件，如果是，则确定进入复合转向模式，通知计算模块工作；

所述计算模块，用于在接收到判断模块的工作通知时，计算当前转向盘转角与所述转向角阈值之差，并将该差值乘以设定增益值后得到电机转矩下发至后n₂桥车轮中每个后桥车辆的电机控制器，由电机控制器控制驱动电机产生驱动力经由减速器减速后施加到车轮；其中，左侧后桥车轮与右侧后桥车轮的增益值互为相反数。