CN107878170B - 机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，包括前驱动桥、中间驱动桥和后驱动桥；所述前驱动桥的两个驱动轮和后驱动桥的两个驱动轮均通过机械式差速器接受来自驱动电机的动力；所述中间驱动桥的驱动轮通过与其一一对应的轮毂电机或轮边驱动电机进行分布式驱动；所述前后驱动桥的驱动电机与中间驱动桥的轮毂电机或轮边驱动电机的高效转速区不同，所述前驱动桥的两个驱动轮通过机械式转向系统进行转向；所述中间驱动桥的驱动轮通过电子差速转向系统进行转向；所述后驱动桥的两个驱动轮通过电控转向系统进行转向；本底盘结构可实现原地转向，具有可靠性高，机动性好，控制灵活，宽域高效等优点。

Description

机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构

技术领域

本发明涉及车辆底盘结构领域，特别涉及一种机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构。

背景技术

运输车辆、特种车辆等由于承担着特殊的工作任务，其体积和重量通常都很大，往往采用多轴多轮的底盘以提高其承载能力，并且根据车辆驱动和转向形式的不同，其底盘有多种组合结构形式。

现有技术中，运输车辆、特种车辆的电驱动方式一般分为分布式电驱动和集中式电驱动两种，分布式电驱动指的是利用轮边驱动电机或轮毂驱动电机来进行独立驱动，而集中式电驱动指的是驱动电机通过机械式差速器将动力分配至驱动桥的两个驱动轮上；分布式驱动的驱动轮采用电子差速转向，对两侧驱动轮的转速和扭矩分配更加合理，提高车辆的操纵性能，同时由于大大减小机械传动部件，其具有传动效率高，空间布置灵活，易于实现底盘系统的电子化和主动化等优点，但缺点是控制算法相对复杂，可靠性较差。集中式电驱动常采用传统机械差速器，能自动分配两侧驱动轮的转速和扭矩，安全可靠，但车辆在复杂多变的工况下行驶时，其表现并非让人满意，无法达到既差速又差力的目的，同时传动效率相对而言较低。

现有多轴多轮式运输车辆、特种车辆的转向形式一般分为机械转向、电控转向和电子差速转向三种，机械转向由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成，操纵机构通过转向器带动转向传动机构动作，从而使两个车辆联动偏转实现转向；这种转向系统结构简单、可靠性高，但是其转向操纵机构和转向轮之间的距离不宜过远；而电控转向是利用传感器采集转向操纵机构的动作，通过控制器接收传感器的信号，并利用电机、气缸或液压缸等作为动力源驱动转向机构动作带动两个车轮实现联动偏转；这种转向方式可以实现转向操纵机构对转向轮的远距离操纵，其可靠性介于机械式转向和电子差速转向之间；电子差速转向是通过控制器控制两个车轮独立转动，通过控制二者的转速差实现转向，这种转向形式可以大大缩短车辆的转向半径，但其操纵稳定性与可靠性较差，对轮胎的磨损较为严重。

目前市面上最常见的八轮四桥客车如公开号CN205971464U中所提到的在正常行驶下，其前两车桥为转向桥，后两车桥为驱动刚性桥，不带转向功能。当客车转向时，前两桥发生转向，整车的转动中心点就在前两桥中心轴和后两桥中心轴的延长线交点处，但是由于后两桥是刚性驱动桥，所以后桥轮胎与地面的滑动摩擦会较大，从而加速轮胎的磨损。

又比如轮式装甲车，复杂的战场环境需要装甲车具有高机动性，所以必须要具有转弯半径小，原地360度调头等转向能力。目前装甲车多采用全轮驱动全轮转向，如公开号CN201021135所提到的差速转向军用轮式车辆，其通过控制两侧车轮的转速差来实现机械差速转向，以及如公开号CN104773201A所提到的前桥为转向桥，后两桥为分布式电驱动，并通过电子差速转向来提供辅助横摆力矩，这些方案都有着车轮离转向过程中的转动中心点太远且存在拖滑现象而加剧轮胎磨损的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决现有相关技术中，多轴多轮车辆存在的控制复杂，可靠性差，转弯半径大等难点，创新性地提出组合型式的车辆底盘结构，实现高可靠性，机动性好，控制灵活，宽域高效等优点。

本发明的机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，包括前驱动桥、中间驱动桥和后驱动桥；所述前驱动桥的两个驱动轮和后驱动桥的两个驱动轮均通过机械式差速器接受来自驱动电机的动力；所述中间驱动桥的驱动轮通过与其一一对应的轮毂电机或轮边驱动电机进行分布式驱动；所述前驱动桥的两个驱动轮通过机械式转向系统进行转向；所述中间驱动桥的驱动轮通过电子差速转向系统进行转向；所述后驱动桥的两个驱动轮通过电控转向系统进行转向；本发明中，前驱动桥指的是位于底盘最前侧的一个驱动桥；后驱动桥指的是位于底盘最后侧的一个驱动桥；而中间驱动桥指的是位于前驱动桥和后驱动桥之间的一个或者多个驱动桥；

进一步，所述前后驱动桥的驱动电机和所述中间驱动桥的轮毂电机或轮边驱动电机的高效转速区间不同；所述中间驱动桥的轮毂电机或轮边驱动电机的高效转速区在中低转速，采用电子差速，适于中低速行驶，而所述前后桥的驱动电机的高效转速区在中高转速，采用机械差速，适于中高速行驶；整车控制器根据车速选择不同电机进行驱动，低速行驶时由中间驱动桥的轮毂电机独立驱动，高速行驶时由前后驱动桥独立驱动，而在急加速等特殊工况下则采用全轮驱动，从而实现整车的宽域高效；

进一步，所述整车控制器可根据驾驶员行驶模式的选择来控制所述驱动电机和轮毂电机以及电控转向系统，以实现正常驱动和转向功能以及原地转向功能；在实现所述正常驱动和转向功能时，所述整车控制器控制所述前后驱动桥的驱动电机旋转方向相同，并控制前驱动桥和后驱动桥逆向转向；在实现所述原地转向功能时，所述整车控制器能够控制前驱动桥和后驱动桥同向转向，并控制前后桥驱动轮旋转方向相反，以产生驱动车辆原地转向的力偶，从而驱动车辆原地转向；

进一步，所述机械式转向系统包括方向盘、前轮转向梯形机构以及用于带动所述前轮转向梯形机构动作的前轮转向器；

进一步，所述电控转向系统包括后轮转向梯形机构、用于带动所述后轮转向梯形机构动作的后轮转向器、用于向后轮转向器输入转向动力的电机或液压缸、用于采集方向盘转角信号的转角传感器以及用于向电机或液压缸发出控制命令的转向控制器；本发明的机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，还包括发动机、利用所述发动机输出的动力进行发电的发电机以及用于储存电能的动力电池和根据汽车行驶状态对所述发电机的工作状态进行控制的发电机控制器。

本发明的有益效果：

1.安全可靠性高。电驱动包括分布式电驱动和集中式电驱动两种类型，其中分布式电驱动是有控制器单独控制的，其又可以分为轮边电驱动和轮毂电驱动两种形式，均能通过控制两侧轮的转速和转矩以实现电子差速转向，且相比于机械差速转向，其能够更加准确的实现两侧车轮的扭矩和转速分配，具有传动效率高，空间布置灵活，但是由于分布式驱动中其驱动电机的工作环境较为恶劣，使得可靠性无法保障，所以不宜在高速下使用。而集中式电驱动的驱动电机能通过机械差速器自动分配左右侧车轮的扭矩和转速，控制起来相对简单，可靠性高。本发明采用集中式驱动和分布式驱动相结合的方式，前后桥采用集中式驱动，中部桥采用分布式驱动，在低速时采用分布式驱动，提高车辆的操纵性能，而在高速时采用集中式驱动，保证车辆的行驶安全性，将两种驱动方式的优点相结合，即增强了车轮扭矩分配的精准性，又提高了底盘的安全可靠性，从而克服现有的电动轮全驱动的技术缺陷。

2.整车效率高。本底盘结构采用的前后桥驱动电机和中间桥驱动电机的高效转速区是不同的。中间驱动桥轮毂电机的高效转速区间为中低转速，前后驱动桥的驱动电机的高效转速区在中高转速，根据汽车行驶速度的不同，采用不同的电机进行驱动，从而始终让底盘结构工作在高效区，并且当需要大驱动力时，所以驱动电机共同驱动，以获得大加速度，从而增大车辆的机动性能。

3.控制难度低。现有分布式全驱动的底盘中，由于每个电动轮都是单独控制的，且不同车轮接触的路况是存在差异的，为了实现车辆的良好操纵性，各个车轮的驱动协同要求要很高，控制难度较大。而本发明中前后桥采用集中式驱动，并通过机械式差速器分配扭矩，机械式差速器能够自动、及时的分配左右侧车轮的扭矩大小，大大减小了车辆的控制难度。

4.转弯半径小，且能实现原地转向。本发明可被理解为阿克曼转向加电子差速转向的原理形式。在车辆正常行驶过程中，前后驱动桥逆向转动，中间驱动桥产生辅助驱动力矩及制动力矩，从而为整车提供辅助横摆力矩，以减小车辆的转弯半径，并且避免了纯电子差速转向的操纵稳定性差，轮胎磨损严重的缺点。在原地转向过程中，前后驱动桥同向转向并且其驱动轮旋转方向相反，以产生驱动车辆原地转向的力偶，同时中间驱动桥辅助提供横摆力矩，从而实现车辆原地360度转向，提高车辆的机动性能，这对于特种车辆如多轮装甲车而言是十分重要的。并且，由于本发明中，采用轮边驱动或轮毂驱动的驱动轮均采用电子差速转向，因此，能够避免转向时悬架与转向机构发生干涉的问题，转向轮所能达到的转角幅度更大，这也进一步减小了转弯半径。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的底盘结构的示意图；

图2为本发明的底盘结构进行正常转向的示意图；

图3为本发明的底盘结构进行原地转向的示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图；如图所示：本实施例的一种机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，包括前驱动桥、中间驱动桥和后驱动桥；其中，中间驱动桥为两个，使整个底盘形成8×8的驱动形式，其中，所述前驱动桥的两个驱动轮和后驱动桥的两个驱动轮均通过机械式差速器1接受来自驱动电机的动力；所述中间驱动桥的驱动轮通过与其一一对应的轮毂电机2进行分布式驱动；所述前驱动桥的两个驱动轮通过机械式转向系统进行转向,其中，机械式转向系统包括方向盘、前轮转向梯形机构以及用于带动所述前轮转向梯形机构动作的前轮转向器9；所述中间驱动桥的驱动轮通过电子差速转向系统进行转向；所述后驱动桥的两个驱动轮通过电控转向系统进行转向，其中所述电控转向系统包括后轮转向梯形机构、用于带动所述后轮转向梯形机构动作的后轮转向器14、用于向后轮转向器14输入转向动力的电机或液压缸13、用于采集方向盘转角信号的转角传感器12以及用于接收整车控制器16的信号并向电机或液压缸发出控制命令的转向控制器15；本实施例中的驱动电机和电动轮由发电机6供电，发电机控制器8根据汽车行驶状态对所述发电机的工作状态进行控制。当采用本底盘结构的车辆正常行驶时，发动机5带动发电机6发电，电流经过整流器7整流以后将电能输送给前驱动桥的驱动电机4和后驱动桥的驱动电机11以及中间驱动桥的各个轮毂电机2，其中前驱动桥和后驱动桥的均通过差速器1直接将驱动电机输出的动能分配到两个车轮，而中间驱动桥的各个电动轮由电动轮控制器3控制其转动，从而实现整车全轮驱动，提供足够的动力以满足需要。动力电池10将储存发电机6发出的多余的电能，并将车辆制动过程中的能量回收于其中。

本实施例的底盘结构的驱动系统为集中式与分布式电驱动相结合的形式，且前驱动桥的驱动电机4和后驱动桥的驱动电机11的高效转速区间与中间驱动桥的轮毂电机2的高效转速区间是不同的，前后桥的驱动电机4和11的高效转速区在中高转速，中间驱动桥轮毂电机的高效转速区间为中低转速。整车控制器16根据车辆行驶速度，在低速时控制中间驱动桥的轮毂电机2单独驱动，在高速时控制前后驱动桥的驱动电机4和11单独驱动，急加速时所有驱动电机共同驱动，以此保证电机始终工作在高效区和车辆所需的机动性能。

另一方面，本实施例底盘结构为混合转向，其前驱动桥采用机械转向，后驱动桥采用电控转向，两个中间驱动桥采用差速转向。对于前驱动桥而言，由于其离方向盘距离较近，所以采用传统的机械转向机构，结构简单且可靠性高。而对于后驱动桥，因整车轴距较长，若再采用机械式转向机构将使结构变得复杂，为此后桥采用电控转向，整车控制器16通过接收转角传感器12采集方向盘的转角信号，根据驾驶员行驶模式的选择向转向控制器15发出控制信号，使得转向控制器15按照对应行驶模式下的预定控制策略向电机或液压缸13发出控制命令，驱动后轮转向器14以带动车轮转向。中间两桥采用的是电动轮，可以通过电动轮控制器3单独驱动控制两侧车轮的转速和扭矩，以实现差速转向。

如图2所示，当车辆在正常行驶转向时，驾驶员通过转动方向盘来带动前驱动桥转向，转角传感器12采集到方向盘转动的角度并将其传递到整车控制器16，整车控制器16根据当前车辆行驶模式为正常转向，向后桥的转向控制器15发出控制信号，使其按照正常行驶模式下的预定控制策略控制电机或液压缸13来驱动后轮转向器14，使得驱动桥的两个车轮相对于前桥逆向转向，同时，电动轮控制器3接收整车控制器16的控制信号，按照预定策略向电动轮发出控制信号，使两侧车轮产生辅助驱动力矩及制动力矩，从而为整车提供辅助横摆力矩，减小车辆最小转弯半径。由于转弯半径的减小，中间驱动桥的轮胎拖滑减小，从而，提高了轮胎的使用寿命。

如图3所示，当需要进行原地360度转向时，只需要驾驶员将行驶模式按钮切换到原地转向模式，整车控制器16将接收转角传感器12的信号，并根据当前车辆行驶模式为原地转向，向后桥的转向控制器15发出控制信号，使其按照原地转向模式下的预定控制策略控制电机或液压缸13来驱动后轮转向器14，使得后驱动桥的两驱动轮与前驱动桥同向转向。同时整车控制器16向后桥电机11发出控制信号，控制其旋转方向使得后驱动桥车轮与前驱动桥车轮反向转动，以产生一对力偶距。因为电机本身的功率就很大，加之总轴距较长，使得该力偶距可以很大。同时，通过控制中间驱动桥的两侧轮毂电机差速工作，也能提供两个辅助横摆力矩M1，M2，这样总的横摆力矩就是由前后驱动桥的力偶距和中间驱动桥的辅助横摆力矩叠加而成，这足以驱动车辆原地360度掉头转向，并且大大减小了轮胎的滑动摩擦。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，其特征在于：包括前驱动桥、中间驱动桥和后驱动桥；所述前驱动桥的两个驱动轮和后驱动桥的两个驱动轮均通过机械式差速器接受来自驱动电机的动力；所述中间驱动桥的驱动轮通过与其一一对应的轮毂电机或轮边驱动电机进行分布式驱动；所述前驱动桥的两个驱动轮通过机械式转向系统进行转向；所述中间驱动桥的驱动轮通过电子差速转向系统进行转向；所述后驱动桥的两个驱动轮通过电控转向系统进行转向；

所述中间驱动桥的轮毂电机或轮边驱动电机的高效转速区在中低转速，且采用电子差速；所述前驱动桥和后驱动桥的驱动电机的高效转速区在中高转速，且采用机械差速。

2.根据权利要求1所述的机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，其特征在于：还包括整车控制器；所述整车控制器可根据驾驶员行驶模式的选择来控制所述驱动电机和轮毂电机或轮边驱动电机以及电控转向系统，以实现正常驱动和转向以及原地转向功能。

3.根据权利要求1所述的机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，其特征在于：所述机械式转向系统包括方向盘、前轮转向梯形机构以及用于带动所述前轮转向梯形机构动作的前轮转向器。

4.根据权利要求1所述的机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，其特征在于：所述电控转向系统包括后轮转向梯形机构、用于带动所述后轮转向梯形机构动作的后轮转向器、用于向后轮转向器输入转向动力的电机或液压缸、用于采集方向盘转角信号的转角传感器以及用于向电机或液压缸发出控制命令的转向控制器。

5.根据权利要求1所述的机械与电控转向、集中与独立电驱动组合型车辆底盘结构，其特征在于：还包括发动机、利用所述发动机输出的动力进行发电的发电机以及用于电能储存的动力电池和根据汽车行驶状态对所述发电机的工作状态进行控制的发电机控制器。