CN109591888A - 一种五轴半挂车主动转向差角控制系统 - Google Patents

一种五轴半挂车主动转向差角控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，可以产生独立于驾驶员转向操作意图的额外转向角；主要包括换向机构和差角机构，换向机构将转动方向盘的旋转运动转化成与左右两侧转向轮中心线平行的直线运动，差角机构通过电机控制产生独立于驾驶员转向操作的额外转向轮转向角；提供适用于五轴半挂车转向系统主动差角控制的四种转向模式，减少轮胎磨损模式、前轴控制模式、前轴与挂车轴控制模式、挂车轴额外转向角控制模式。

Description

一种五轴半挂车主动转向差角控制系统
技术领域
本发明涉及汽车主动转向系统技术领域，更具体的是，本发明涉及一种五轴半挂车主动转向差角控制系统。
背景技术
传统车辆转向时，左右侧车轮转角相同，本发明提出一种五轴半挂车主动转向差角控制系统可以实现车辆转向时左右两侧车轮的不同转向角。随着社会的发展，车辆数量不断增加，报废的轮胎难以回收再利用，对环境造成很大危害，因此，一种五轴半挂车主动转向差角控制系统转向时，通过独立控制左右两侧电机可以独立改变左右两侧转向轮转向角的大小，使内外转向轮的转向中心指向相同的几何圆心，减少轮胎磨损。随着车辆保有量的增加，交通事故也频繁增加，主动安全系统为人车安全提供了一定的保障，成为防止交通事故频发的重要手段，一种五轴半挂车主动转向差角控制系统有不同的转向模式，前轴控制模式、前轴与挂车轴控制模式、挂车轴额外转向角控制模式，保障车辆转向的安全性；同时可以为各种主动转向控制器提供转向系统的硬件基础，实现主动转向，保障车辆的操纵稳定性。
发明内容
本发明的目的是设计一种五轴半挂车主动转向差角控制系统解决车辆转向时两侧转向轮以不同的转向角转向的问题，同时设计了不同的转向模式，实现主动转向。
本发明提供的技术方案为：
一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，包括，
换向机构和差角机构，可以实现前轴和挂车轴左右侧车轮的不同转向角；
该系统提出了不同转向模式，包括，
减少轮胎磨损模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角实现各转向轮转向角输出，通过各个车轮载荷、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对转向角进行修正，使前轴和挂车轴实现转向轮交于同一转向中心；
前轴控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现前轴额外转向角输出，通过各个车轮载荷、牵引车车身侧倾角、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对前轴额外转向角进行修正；
前轴与挂车轴控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现前轴和挂车轴转向角输出，通过各个车轮载荷、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对前轴和挂车轴转向角进行修正；
挂车轴额外转向角控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现挂车轴额外转向角输出，通过各个车轮载荷、挂车车身侧倾角、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对挂车轴额外转向角进行修正。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，换向机构组成及其连接方式：
换向机构组成：主动锥齿轮、从动锥齿轮、转向滚圈、滚轴和滚圈固定端；
主动锥齿轮，承接来自方向盘的转动；将输入的转动方向通过从动锥齿轮转换成沿与两侧转向轮中心连线平行的方向转动；与从动锥齿轮两轴之间的交角为90度；
从动锥齿轮，与主动锥齿轮齿轮啮合传动；与转向滚圈同轴转动；通过滚圈固定端与转向滚圈同轴相连；
转向滚圈，内侧有滚槽，滚槽内置滚轮，滚轮与滚轴啮合，带动滚轴转动；通过四个螺栓固定于滚圈固定端；通过从动锥齿轮带动其同轴转动；将旋转运动转化成滚轴的直线运动；
滚轴，外侧有滚槽，与转向滚圈内置滚轮啮合，由转向滚圈通过滚轮带动滚轴转动；两侧端部有固定端子，端子为空心球形，用于与差角齿轮杆的连接；
滚圈固定端，用于连接从动锥齿轮和转向滚圈，通过8个螺栓固定在从动锥齿轮。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，差角机构组成及其连接方式：
差角机构组成为差角齿轮杆、电机、差角主动齿轮、差角从动齿轮、差角套杆；
差角齿轮杆，其端部一侧为球头，用于与滚轴连接；另一侧为外螺纹，用于与差角套杆螺纹连接；其与滚轴连接的一侧上有凸台，用于固定差角从动齿轮；
电机，其输出轴与差角主动齿轮相连，带动差角主动齿轮转动；
差角主动齿轮，通过齿轮啮合传动带动差角从动齿轮转动；
差角从动齿轮，与差角齿轮杆为过渡配合，带动差角齿轮杆转动；
差角套杆，一端内圈为螺纹，与差角齿轮杆通过螺纹连接；一端与车轮相连；
当电机起作用时，带动差角主动齿轮转动，差角主动齿轮带动差角从动齿轮转动，差角从动齿轮带动差角齿轮杆转动，当差角齿轮杆转动时，差角齿轮杆会沿着与差角套杆的螺纹运动，旋进或旋出，改变差角齿轮杆和差角套杆的整体长度，产生额外的转向轮转向角；
当电机不工作时，差角主动齿轮、差角从动齿轮以及差角齿轮杆没有旋转运动，则差角齿轮杆和差角套杆的整体长度不改变，驾驶员的转向操作即为实际的转向轮转向角。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，减少轮胎磨损模式，以前轴内侧转向轮为驾驶员意图转向的转向角，后轴为非转向轴，其延长线为转向中心，
则各车轴内外轮转向角为：
式中：k＝1,3,4,5分别代表前轴和挂车轴三个轴，δki分别为δ3i、δ4i、δ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角，δko分别为δ1o、δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，Bk分别为B1、B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距，L1为前轴到后轴轴距，Lk分别为L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m1i、m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m1o、m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷，μ为路面附着系数；
各车轴内外轮转向角范围为：
式中：δ1i、δ3i、δ4i、δ5i表示前轴和挂车轴三个轴内转向轮转向角，δ1o、δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，L1为前轴到后轴轴距，L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，B1、B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，提供一种前轴控制模式，具体步骤如下所述：
步骤一：前轴控制模式时挂车轴不转向，将车速分为四个区间：{正小，正中，正大，极大}，前轴转向角与前轴额外转向角分为五个区间：{负大，负小，零，正小，正大}，将车速与转向角通过模糊语句得到对应的额外转向角：
i.前轴转向角较大车速较大，输出与前轴转向角反向的较大额外转向角；
ii.前轴转向角较小车速较大，输出与前轴转向角反向的较小额外转向角；
iii.前轴转向角较大车速较小，输出与前轴转向角同向的较大额外转向角；
iv.前轴转向角较小车速较小，输出与前轴转向角同向的较小额外转向角；
前轴额外转向角的取值范围为：
式中：Δδ1i表示前轴内转向轮额外转向角，Δδ1o表示前轴外转向轮额外转向角；L1为前轴到后轴轴距，B2表示前轴的轮距；
步骤二：前轴额外转向角根据路面附着系数、车轮载荷、铰接角、牵引车侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及车轴位置进行修正，前轴内外转向轮修正因子为：
式中：ξ1i表示前轴内转向轮转向角修正因子，ξ1o表示前轴外转向轮转向角修正因子，μ为路面附着系数，为挂车轴侧倾角，L1、L5表示前轴距后轴的距离和挂车轴第三轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，m1i为前轴内侧转向轮载荷，m1o为前轴外侧转向轮载荷。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，提供一种前轴与挂车轴控制模式，具体步骤如下所述：
步骤一：前轴与挂车轴同时转向，将挂车轴转向分为挂车轴转角控制与挂车轴额外转角控制，挂车轴转角控制时，将车速分为四个区间，前轴转向角分为五个区间，挂车轴转向角分为七个区间：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，将车速与前轴转向角通过模糊语句得到对应的挂车轴转向轮转向角：
i.前轴转向角较大车速较大，输出与前轴转向角同向的较大挂车轴转向角；
ii.前轴转向角较小车速较大，输出与前轴转向角同向的较小挂车轴转向角；
iii.前轴转向角较大车速较小，输出与前轴转向角异向的较大挂车轴转向角；
iv.前轴转向角较小车速较小，输出与前轴转向角异向的较小挂车轴转向角；
步骤二：挂车轴转向角转向因子为
式中：ξki分别为ξ3i、ξ4i、ξ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角转向因子，ξko分别为ξ1o、ξ3o、ξ4o、ξ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角转向因子，μ为路面附着系数，为牵引车侧倾角，Lk分别为L3、L4、L5表示挂车轴三个轴距后轴的距离，L1表示前轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，提供一种挂车轴额外转向角控制模式：
步骤一：将车速分为四个区间，前轴转向轮转向角和挂车轴额外转向角分为五个区间，将车速与前轴转向角通过模糊语句得到对应的挂车轴额外转向角：
前轴转向角较大车速较大，输出与挂车轴转向角同侧的较大额外转向角；
前轴转向角较大车速较小，输出与挂车轴转向角异侧的较大额外转向角；
前轴转向角较小车速较大，输出与挂车轴转向角同侧的较小额外转向角；
前轴转向角较小车速较小，输出与挂车轴转向角异侧的较小额外转向角；
挂车轴额外转向角范围为：
式中：δ3i、δ4i、δ5i表示前轴和挂车轴三个轴内转向轮转向角，δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距；
步骤二：挂车轴额外转向角根据路面附着系数、车轮载荷、铰接角、挂车侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及车轴位置进行修正，挂车轴内外转向轮修正因子为：
式中：ξki分别为ξ3i、ξ4i、ξ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角转向因子，ξko分别为ξ3o、ξ4o、ξ5o表示挂车轴三个轴外转向轮转向角转向因子，μ为路面附着系数，为挂车侧倾角，Lk分别为L3、L4、L5表示挂车轴三个轴距后轴的距离，L1表示前轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，所述转向滚圈长10厘米，所述滚轮8个，所述滚轴纹路长度35厘米，所述滚轮外形为：
式中：d为滚轴的直径，D为转向滚圈的直径。
上述的技术方案有益效果如下：
1.一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，可以使左右两车轮的转向角不同，产生独立于驾驶员转向操作意图的额外转向角。
2.一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，兼容性强，可以与不同车型的不同转向操纵系统、转向助力系统、不同功能的控制器相匹配，实现前轮转向、后轮转向以及多轴转向等，实现减少轮胎磨损的转向中心交于一点的功能，实现主动转向保证车辆操纵稳定性的功能，实现高速低灵敏性低速高灵敏性的可变转向系角传动比的功能等。
3.一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，综合考虑路面附着系数、车重、车轴位置、侧倾角等对转向的影响，实现不同的转向轮转向角，实现对车辆的主动转向控制。
附图说明
图1为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的转向滚圈203与内置滚轮。
图2为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的滚轴204。
图3为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的差角齿轮杆301。
图4为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的转向滚圈203与差角齿轮杆301的连接。
图5为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的差角套杆305。
图6为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的差角齿轮杆301与差角套杆305的连接。
图7为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的换向机构200。
图8为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的额外转向角控制方式。
图9为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的转向原理示意图。
图10为一种五轴半挂车主动转向差角控制系统的整体三维图。
图10中，201为主动锥齿轮，202为从动锥齿轮，203为转向滚圈，204为滚轴，205为滚圈固定端，301为差角齿轮杆，302为电机，303为差角主动齿轮，304为差角从动齿轮，305为差角套杆。
具体实施方式
下面结合附图进行详细描述：
一种五轴半挂车前轴、三个挂车轴安装如图10所示的主动转向差角控制系统作为转向轴，后轴为驱动轴，可以实现前轴和挂车轴左右侧车轮的不同转向角以及不同转向角的控制。
一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，包括，
换向机构(200)和差角机构(300)，可以实现前轴和挂车轴左右侧车轮的不同转向角；
该系统提出了不同转向模式，包括，
减少轮胎磨损模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角实现各转向轮转向角输出，通过车重、车身侧倾角、车轴位置和路面附着系数对转向角进行修正，使前轴和挂车轴实现转向轮交于同一转向中心。
前轴控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句以及实现前轴额外转向角输出，通过车重、车身侧倾角、车轴位置和路面附着系数对前轴额外转向角进行修正。
前轴与挂车轴控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现前轴和挂车轴转向角输出，通过车重、车身侧倾角、车轴位置和路面附着系数对前轴和挂车轴转向角进行修正。
挂车轴额外转向角控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现挂车轴额外转向角输出，通过车重、车身侧倾角、车轴位置和路面附着系数对挂车轴额外转向角进行修正。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，换向机构200组成及其连接方式：
换向机构200组成为主动锥齿轮201、从动锥齿轮202、转向滚圈203、滚轴204和滚圈固定端205。
主动锥齿轮201，通过转向万向节105与转向传动轴104相连接；将输入的转动方向通过从动锥齿轮202转换成沿与两侧转向轮中心连线平行的方向转动；与从动锥齿轮202两轴之间的交角为90度。
从动锥齿轮202，与主动锥齿轮201齿轮啮合传动；与转向滚圈203同轴转动；通过滚圈固定端205与转向滚圈203同轴相连。
转向滚圈203，通过四个螺栓固定于滚圈固定端205；通过从动锥齿轮202带动其同轴转动；将旋转运动转化成滚轴204的直线运动。
滚轴204，两侧端部有固定端子，端子为空心球形，用于与差角齿轮杆301的连接；由转向滚圈203通过滚轮带动滚轴204转动。
滚圈固定端205，通过8个螺栓固定在从动锥齿轮202。
所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，差角机构300组成及其连接方式：
差角机构300组成为差角齿轮杆301、电机302、差角主动齿轮303、差角从动齿轮304、差角套杆305。
差角齿轮杆301，其端部一侧为球头，用于与滚轴204连接；另一侧为外螺纹，用于与差角套杆305螺纹连接；其与滚轴204连接的一侧上有凸台，用于固定差角从动齿轮304。
电机302，其输出轴与差角主动齿轮303相连，带动差角主动齿轮303转动。
差角主动齿轮303，通过齿轮啮合传动带动差角从动齿轮304转动。
差角从动齿轮304，与差角齿轮杆301为过渡配合，带动差角齿轮杆301转动。
差角套杆305，与差角齿轮杆301通过螺纹连接。
当电机302起作用时，带动差角主动齿轮303转动，差角主动齿轮303带动差角从动齿轮304转动，差角从动齿轮304带动差角齿轮杆301转动，当差角齿轮杆301转动时，差角齿轮杆301会沿着与差角套杆305的螺纹运动，旋进或旋出，改变差角齿轮杆301和差角套杆305的整体长度，产生额外的转向轮转向角；当电机302不工作时，差角主动齿轮303、差角从动齿轮304以及差角齿轮杆301没有旋转运动，则差角齿轮杆301和差角套杆305的整体长度不改变，驾驶员的转向操作即为实际的转向轮转向角。
换向机构200中，主动锥齿轮201与车辆中的转向传动轴连接，接收来自驾驶员转动转向盘的转角和扭矩，主动锥齿轮201和从动锥齿轮202通过齿轮啮合传动将旋转轴线方向改变成与左右两侧转向轮中心线连线方向平行，通过固结在从动锥齿轮202上的转向滚圈203带动滚轴204运动，将旋转运动转化成直线运动。
所述的主动锥齿轮201通过转向万向节105与转向传动轴104相连接，转向传动轴104带动主动锥齿轮201转动。所述的从动锥齿轮202与主动锥齿轮201相连接，通过主动锥齿轮201齿轮传动带动从动锥齿轮202转动，实现转向传动轴104的输入方向转换成与转向轮中心线平行的方向。如图2所示，所述的转向滚圈203，内含滚动钢珠，可以带动滚轴204运动，将旋转运动转化成直线运动，转向滚圈203通过滚圈固定端205上的螺栓与从动锥齿轮202相固定，通过从动锥齿轮202带动其转动。所述的滚轴204通过转向滚圈203带动其直线移动，滚轴左右两端均有固定端子，用来与差角机构300中的差角齿轮杆301连接。所述的滚圈固定端205，通过8个螺栓与从动锥齿轮201固定，通过4个螺栓与转向滚圈203固定。
差角机构300中，通过电机302带动的主从动直齿轮303和304和差角齿轮杆301以及差角套杆305。当电机起作用时，通过电机302带动差角主从动直齿轮303和304转动，固结在从动直齿轮304上的差角齿轮杆301做与从动直齿轮304相同的旋转运动，旋进与差角齿轮杆301通过螺纹连接的差角套杆305螺纹孔中，改变差角齿轮杆301与差角套杆305的整体长度，进而改变转向轮转向角度，产生独立于驾驶员转动转向盘101意图的转向轮转角的额外转向角。当电机不起作用时，差角主从动直齿轮303和304不转动，则差角齿轮杆301与差角套杆305没有相互运动，转向轮转向角为驾驶员转动转向盘101想要传递的大小。
差角机构300包括差角齿轮杆301、电机302、差角主动齿轮303、差角从动齿轮304和差角套杆305组成。如图3所示，所述的差角齿轮杆301的一端有球形连接头，另一端有内螺纹，球形连接头的一端与滚轴204顶端的固定端子相连接，由于驾驶员转动方向盘的速度属于低速范围，差角齿轮杆301和滚轴204的球形包络连接方式可以降低摩擦和磨损，同时保证了差角齿轮杆301绕其自身轴线的旋转运动与滚轴204绕其轴线的旋转运动相互独立。所述的差角主动齿轮303通过与电机302相连，由电机302输出动力带动差角主动齿轮303转动。所述的差角从动齿轮304与差角齿轮杆301轴向固定连接，带动差角齿轮杆301转动，差角从动齿轮304的动力来自于差角主动齿轮303通过齿轮啮合传递。所述的差角套杆305一端通过内螺纹与差角齿轮杆301外螺纹相连接，另一端与转向轮相连，差角齿轮杆301转动时会沿着旋转方向固定的差角套杆305内螺纹横向移动，达到额外增加转向轮转角的目的，由于左右两侧的差角齿轮杆可以由两个电机可以分别控制，则可以达到左右两侧转向轮的转角互不相同的目的。
具体的传递方式为：当驾驶员转动转向盘后，转向盘带动转向轴转动，转向轴带动转向传动轴，转向传动轴与转向机构200中的主动锥齿轮201连接，带动主动锥齿轮201转动。主动锥齿轮通过齿轮啮合传动带动从动锥齿轮202转动，同时将转动方向转换成沿两侧转向轮中心连线平行方向。从动锥齿轮202通过螺栓固定的滚圈固定端205带动固结在其上的转向滚圈203一同转动，滚圈轴线方向与从动锥齿轮202一致。转向滚圈203通过钢珠带动滚轴204转动，将旋转运动转换成滚圈轴线方向的平移运动。滚轴204左右两侧的固定端子与差角齿轮杆301相连接，将平移运动传递给差角齿轮杆301。由于差角齿轮杆301和滚轴204的旋转运动可以互不干扰，则差角齿轮杆301也可以进行绕其轴线的旋转运动。当电机302工作时将带动差角主动齿轮303转动，差角主动齿轮303通过齿轮啮合传动带动差角从动齿轮304转动。差角从动齿轮304带动固定其上的差角齿轮杆301转动，当差角齿轮杆301转动时，与差角齿轮杆301通过螺纹相连接的差角套杆305由于与转向轮相连接只能平移运动而没有转动运动，则差角齿轮杆301会在电机起作用时差角主动齿轮303转动带动差角从动齿轮304转动时沿着差角齿轮杆301与差角套杆305的内外螺纹副平移，改变了差角套杆305与差角齿轮杆301的整体长度，进而改变了转向轮转向的角度。当电机302不工作时，差角主动齿轮303不转动，将不会带动差角从动齿轮304和差角齿轮杆301转动，则差角齿轮杆301和差角套杆305整体长度不发生改变，不会产生额外的转向轮转向角。由于左右两侧均设置有电机可以提供动力，调节左右两侧的电机以不同的输出转速转动时，则左右两侧的差角齿轮杆可以以不同的转速转动，则左右两侧的转向轮可以实现不同的转向角，实现两轮独立转向。
具体的运动传递方向为：驾驶员→转向盘→转向轴→转向传动轴→主动锥齿轮201→从动锥齿轮202→滚圈固定端205→转向滚圈203→滚轴204→差角齿轮杆301→差角套杆305。
当电机工作时，电机302→差角主动齿轮303→差角从动齿轮304→差角齿轮杆301→差角套杆305。
所述的转向滚圈203长10厘米，所述滚轮8个，所述滚轴纹路长度35厘米，所述滚轮外形为：
式中：d为滚轴204的直径，D为转向滚圈203的直径。
提供一种五轴半挂车主动转向差角控制系统减少轮胎磨损模式，以前轴内侧转向轮为驾驶员意图转向的转向角，后轴为非转向轴，其延长线为转向中心，则各车轴内外轮转向角为：
式中：k＝1,3,4,5分别代表前轴和挂车轴三个轴，δki分别为δ3i、δ4i、δ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角，δko分别为δ1o、δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，Bk分别为B1、B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距，L1为前轴到后轴轴距，Lk分别为L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，，mki分别为m1i、m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m1o、m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷，μ为路面附着系数；
各车轴内外轮转向角范围为：
式中：δ1i、δ3i、δ4i、δ5i表示前轴和挂车轴三个轴内转向轮转向角，δ1o、δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，L1为前轴到后轴轴距，L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，B1、B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距。
提供一种五轴半挂车主动转向差角控制系统前轴控制模式，前轴转向挂车轴不转向，采用模糊控制的方式，不同的车速与前轴转向角对应不同的前轴额外转向角，高速时反向小额外转角，增加转弯半径，低速时同向大额外转角，减小转弯半径。具体步骤如下所述：
步骤一：前轴控制模式时挂车轴不转向，将车速分为四个区间：{正小，正中，正大，极大}，前轴转向角与前轴额外转向角分为五个区间：{负大，负小，零，正小，正大}，将车速与转向角通过模糊语句得到对应的额外转向角：
前轴转向角较大车速较大，输出与前轴转向角反向的较大额外转向角；
前轴转向角较小车速较大，输出与前轴转向角反向的较小额外转向角；
前轴转向角较大车速较小，输出与前轴转向角同向的较大额外转向角；
前轴转向角较小车速较小，输出与前轴转向角同向的较小额外转向角；
前轴额外转向角的取值范围为：
式中：Δδ1i表示前轴内转向轮额外转向角，Δδ1o表示前轴外转向轮额外转向角；L1为前轴到后轴轴距，B2表示前轴的轮距；
步骤二：前轴额外转向角根据路面附着系数、车轮载荷、铰接角、牵引车侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及车轴位置进行修正，前轴内外转向轮修正因子为：
式中：ξ1i表示前轴内转向轮转向角修正因子，ξ1o表示前轴外转向轮转向角修正因子，μ为路面附着系数，为挂车轴侧倾角，L1、L5表示前轴距后轴的距离和挂车轴第三轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，m1i为前轴内侧转向轮载荷，m1o为前轴外侧转向轮载荷。
所述的前轴控制模式中，模糊控制器的输入为车速与前轴转向角，将前轴转向角与额外转向角分为五个区间：{负大，负小，零，正小，正大}，分别表示为：{NB，NS，ZE，PS，PB}；将车速分为四个区间：{正小，正中，正大，极大}，分别表示为：{PS，PM，PB，PL}。将车速与前轴转向角采用高斯分布隶属度函数转化：
模糊语句为：If u is PS andδis NB thenΔδis NB；If u is PM andδis NBthenΔδis NS；If u is PB andδis NB thenΔδis PS；If u is PL andδis NB thenΔδisPB；If u is PS andδis NS thenΔδis NS；If u is PM andδis NS thenΔδis NS；If uis PB andδis NS thenΔδis PS；If u is PL andδis NS thenΔδis PS；If u is PS andδis ZE thenΔδis ZE；If u is PM andδis ZE thenΔδis ZE；If u is PB andδis ZEthenΔδis ZE；If u is PL andδis ZE thenΔδis ZE；If u is PS andδis PS thenΔδisPS；If u is PM andδis PS thenΔδis PS；If u is PB andδis PS thenΔδis NS；If uis PL andδis PS thenΔδis NS；If u is PS andδis PB thenΔδis PB；If u is PM andδis PB thenΔδis PS；If u is PB andδis PB thenΔδis NS；If u is PL andδis PBthenΔδis NB。
采用重心法去模糊化：
提供一种五轴半挂车主动转向差角控制系统前轴与挂车轴控制模式，前轴与挂车轴同时转向，不同的车速和前轴转向角对应不同的挂车轴转向轮转向角，高速时挂车轴与前轴同向转向，防止过多转向，低速时挂车轴与前轴异向转向，减小转弯半径，增加在狭小空间的机动性。具体步骤如下所述：
步骤一：前轴与挂车轴同时转向，将挂车轴转向分为挂车轴转角控制与挂车轴额外转角控制，挂车轴转角控制时，将车速分为四个区间，前轴转向角分为五个区间，挂车轴转向角分为七个区间：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，将车速与前轴转向角通过模糊语句得到对应的挂车轴转向轮转向角：
前轴转向角较大车速较大，输出与前轴转向角同向的较大挂车轴转向角；
前轴转向角较小车速较大，输出与前轴转向角同向的较小挂车轴转向角；
前轴转向角较大车速较小，输出与前轴转向角异向的较大挂车轴转向角；
前轴转向角较小车速较小，输出与前轴转向角异向的较小挂车轴转向角；
步骤二：挂车轴转向角转向因子为
式中：ξki分别为ξ3i、ξ4i、ξ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角转向因子，ξko分别为ξ1o、ξ3o、ξ4o、ξ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角转向因子，μ为路面附着系数，为牵引车侧倾角，Lk分别为L3、L4、L5表示挂车轴三个轴距后轴的距离，L1表示前轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷。
所述的前轴与挂车轴控制模式中，模糊控制器的输入为车速与前轴转向角，将前轴转向角分为五个区间：{负大，负小，零，正小，正大}，分别表示为：{NB，NS，ZE，PS，PB}；将车速分为四个区间：{正小，正中，正大，极大}，分别表示为：{PS，PM，PB，PL}；将挂车轴转向角分为七个区间：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，分别表示为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。将车速与前轴转向角采用高斯分布隶属度函数转化，采用重心法去模糊化。模糊语句为：If u is PS andδf is NB thenδg is PB；If u is PM andδf is NB thenδg is PM；If u is PB andδf is NB thenδg is NM；If u is PL andδf is NB thenδg is NB；If uis PS andδf is NS thenδg is PM；If u is PM andδf is NS thenδg is PS；If u is PBandδf is NS thenδg is NS；If u is PL andδf is NS thenδg is NM；If u is PS andδfis ZE thenδg is ZE；If u is PM andδf is ZE thenδg is ZE；If u is PB andδf is ZEthenδg is ZE；If u is PL andδf is ZE thenδg is ZE；If u is PS andδf is PS thenδgis NM；If u is PM andδf is PS thenδg is NS；If u is PB andδf is PS thenδg is PS；If u is PL andδf is PS thenδg is PM；If u is PS andδf is PB thenδg is NB；If uis PM andδf is PB thenδg is NM；If u is PB andδf is PB thenδg is PM；If u is PLandδf is PB thenδg is PB。
提供一种五轴半挂车主动转向差角控制系统挂车轴额外转向角控制模式，挂车轴额外转向角控制中模糊语句与前轴控制中模糊语句相同，控制系数不同。具体实现步骤如下：
步骤一：将车速分为四个区间，前轴转向轮转向角和挂车轴额外转向角分为五个区间，将车速与前轴转向角通过模糊语句得到对应的挂车轴额外转向角：
前轴转向角较大车速较大，输出与挂车轴转向角同侧的较大额外转向角；
前轴转向角较大车速较小，输出与挂车轴转向角异侧的较大额外转向角；
前轴转向角较小车速较大，输出与挂车轴转向角同侧的较小额外转向角；
前轴转向角较小车速较小，输出与挂车轴转向角异侧的较小额外转向角；
挂车轴额外转向角范围为：
式中：δ3i、δ4i、δ5i表示前轴和挂车轴三个轴内转向轮转向角，δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距；
步骤二：挂车轴额外转向角根据路面附着系数、车轮载荷、铰接角、挂车侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及车轴位置进行修正，挂车轴内外转向轮修正因子为：
式中：ξki分别为ξ3i、ξ4i、ξ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角转向因子，ξko分别为ξ3o、ξ4o、ξ5o表示挂车轴三个轴外转向轮转向角转向因子，μ为路面附着系数，为挂车侧倾角，Lk分别为L3、L4、L5表示挂车轴三个轴距后轴的距离，L1表示前轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，包括，
换向机构(200)和差角机构(300)，可以实现前轴和挂车轴左右侧车轮的不同转向角；
该系统提出了不同转向模式，包括，
减少轮胎磨损模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角实现各转向轮转向角输出，通过各个车轮载荷、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对转向角进行修正，使前轴和挂车轴实现转向轮交于同一转向中心，根据各个车轴的位置与轮距确定转向角范围；
前轴控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现前轴额外转向角输出，通过各个车轮载荷、牵引车车身侧倾角、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对前轴额外转向角进行修正，根据各个车轴的位置与轮距确定额外转向角范围；
前轴与挂车轴控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现前轴和挂车轴转向角输出，通过各个车轮载荷、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对前轴和挂车轴转向角进行修正；
挂车轴额外转向角控制模式，通过主动转向差角控制系统以及驾驶员意图转向角和车速模糊语句实现挂车轴额外转向角输出，通过各个车轮载荷、挂车车身侧倾角、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对挂车轴额外转向角进行修正，根据各个车轴的位置与轮距确定额外转向角范围。
2.按照权利要求1所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，换向机构(200)组成及其连接方式如下：
换向机构(200)组成为主动锥齿轮(201)、从动锥齿轮(202)、转向滚圈(203)、滚轴(204)和滚圈固定端(205)；
主动锥齿轮(201)，承接来自方向盘的转动；将输入的转动方向通过从动锥齿轮(202)转换成沿与两侧转向轮中心连线平行的方向转动；与从动锥齿轮(202)两轴之间的交角为90度；
从动锥齿轮(202)，与主动锥齿轮(201)齿轮啮合传动；与转向滚圈(203)同轴转动；通过滚圈固定端(205)与转向滚圈(203)同轴相连；
转向滚圈(203)，内侧有滚槽，滚槽内置滚轮，滚轮与滚轴(204)啮合，带动滚轴(204)转动；通过四个螺栓固定于滚圈固定端(205)；通过从动锥齿轮(202)带动其同轴转动；将旋转运动转化成滚轴(204)的直线运动；
滚轴(204)，外侧有滚槽，与转向滚圈(203)内置滚轮啮合，由转向滚圈(203)通过滚轮带动滚轴(204)转动；两侧端部有固定端子，端子为空心球形，用于与差角齿轮杆(301)的连接；
滚圈固定端(205)，用于连接从动锥齿轮(202)和转向滚圈(203)，通过8个螺栓固定在从动锥齿轮(202)上。
3.按照权利要求1所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，差角机构(300)组成及其连接方式如下：
差角机构(300)组成为差角齿轮杆(301)、电机(302)、差角主动齿轮(303)、差角从动齿轮(304)、差角套杆(305)；
差角齿轮杆(301)，其端部一侧为球头，用于与滚轴(204)连接；另一侧为外螺纹，用于与差角套杆(305)螺纹连接；其与滚轴(204)连接的一侧上有凸台，用于固定差角从动齿轮(304)；
电机(302)，其输出轴与差角主动齿轮(303)相连，带动差角主动齿轮(303)转动；
差角主动齿轮(303)，通过齿轮啮合传动带动差角从动齿轮(304)转动；
差角从动齿轮(304)，与差角齿轮杆(301)为过渡配合，带动差角齿轮杆(301)转动；
差角套杆(305)，一端内圈为螺纹，与差角齿轮杆(301)通过螺纹连接；一端与车轮相连；
i.当电机(302)起作用时，带动差角主动齿轮(303)转动，差角主动齿轮(303)带动差角从动齿轮(304)转动，差角从动齿轮(304)带动差角齿轮杆(301)转动，当差角齿轮杆(301)转动时，差角齿轮杆(301)会沿着与差角套杆(305)的螺纹运动，旋进或旋出，改变差角齿轮杆(301)和差角套杆(305)的整体长度，产生额外的转向轮转向角；
ii.当电机(302)不工作时，差角主动齿轮(303)、差角从动齿轮(304)以及差角齿轮杆(301)没有旋转运动，则差角齿轮杆(301)和差角套杆(305)的整体长度不改变，驾驶员的转向操作即为实际的转向轮转向角。
4.按照权利要求1所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，减少轮胎磨损模式，以前轴内侧转向轮为驾驶员意图转向的转向角，后轴为非转向轴，其延长线为转向中心，根据各个车轮载荷、铰接角、横摆角速度、侧向加速度、车轴位置和路面附着系数对转向角进行修正，根据各个车轴的位置与轮距确定转向角范围，
a)则各车轴内外轮转向角为：
式中：k＝1,3,4,5分别代表前轴和挂车轴三个轴，δki分别为δ3i、δ4i、δ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角，δko分别为δ1o、δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，Bk分别为B1、B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距，L1为前轴到后轴轴距，Lk分别为L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m1i、m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m1o、m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷，μ为路面附着系数；
b)各车轴内外轮转向角范围为：
式中：δ1i、δ3i、δ4i、δ5i表示前轴和挂车轴三个轴内转向轮转向角，δ1o、δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，L1为前轴到后轴轴距，L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，B1、B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距。
5.按照权利要求1所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，提供一种前轴控制模式，具体步骤如下所述：
步骤一：前轴控制模式时挂车轴不转向，将车速分为四个区间：{正小，正中，正大，极大}，前轴转向角与前轴额外转向角分为五个区间：{负大，负小，零，正小，正大}，将车速与转向角通过模糊语句得到对应的额外转向角：
i.前轴转向角较大车速较大，输出与前轴转向角反向的较大额外转向角；
ii.前轴转向角较小车速较大，输出与前轴转向角反向的较小额外转向角；
iii.前轴转向角较大车速较小，输出与前轴转向角同向的较大额外转向角；
iv.前轴转向角较小车速较小，输出与前轴转向角同向的较小额外转向角；
前轴额外转向角的取值范围为：
式中：Δδ1i表示前轴内转向轮额外转向角，Δδ1o表示前轴外转向轮额外转向角；L1为前轴到后轴轴距，B2表示前轴的轮距；
步骤二：前轴额外转向角根据路面附着系数、车轮载荷、铰接角、牵引车侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及车轴位置进行修正，前轴内外转向轮修正因子为：
式中：ξ1i表示前轴内转向轮转向角修正因子，ξ1o表示前轴外转向轮转向角修正因子，μ为路面附着系数，为挂车轴侧倾角，L1、L5表示前轴距后轴的距离和挂车轴第三轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，m1i为前轴内侧转向轮载荷，m1o为前轴外侧转向轮载荷。
6.按照权利要求1所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，提供一种前轴与挂车轴控制模式，具体步骤如下所述：
步骤一：前轴与挂车轴同时转向，将挂车轴转向分为挂车轴转角控制与挂车轴额外转角控制，挂车轴转角控制时，将车速分为四个区间，前轴转向角分为五个区间，挂车轴转向角分为七个区间：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，将车速与前轴转向角通过模糊语句得到对应的挂车轴转向轮转向角：
i.前轴转向角较大车速较大，输出与前轴转向角同向的较大挂车轴转向角；
ii.前轴转向角较小车速较大，输出与前轴转向角同向的较小挂车轴转向角；
iii.前轴转向角较大车速较小，输出与前轴转向角异向的较大挂车轴转向角；
iv.前轴转向角较小车速较小，输出与前轴转向角异向的较小挂车轴转向角；
步骤二：挂车轴转向角通过转向因子进行修正，转向因子为
式中：ξki分别为ξ3i、ξ4i、ξ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角转向因子，ξko分别为ξ1o、ξ3o、ξ4o、ξ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角转向因子，μ为路面附着系数，为牵引车侧倾角，Lk分别为L3、L4、L5表示挂车轴三个轴距后轴的距离，L1表示前轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷。
7.按照权利要求1所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，提供一种挂车轴额外转向角控制模式：
步骤一：将车速分为四个区间，前轴转向轮转向角和挂车轴额外转向角分为五个区间，将车速与前轴转向角通过模糊语句得到对应的挂车轴额外转向角：
i.前轴转向角较大车速较大，输出与挂车轴转向角同侧的较大额外转向角；
ii.前轴转向角较大车速较小，输出与挂车轴转向角异侧的较大额外转向角；
iii.前轴转向角较小车速较大，输出与挂车轴转向角同侧的较小额外转向角；
iv.前轴转向角较小车速较小，输出与挂车轴转向角异侧的较小额外转向角；
挂车轴额外转向角范围为：
式中：δ3i、δ4i、δ5i表示前轴和挂车轴三个轴内转向轮转向角，δ3o、δ4o、δ5o表示前轴和挂车轴三个轴外转向轮转向角，L3、L4、L5为挂车轴到转向中心的轴距，B3、B4、B5代表前轴和挂车轴三个轴的轮距；
步骤二：挂车轴额外转向角根据路面附着系数、车轮载荷、铰接角、挂车侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及车轴位置进行修正，挂车轴内外转向轮修正因子为：
式中：ξki分别为ξ3i、ξ4i、ξ5i表示挂车轴三个轴内转向轮转向角转向因子，ξko分别为ξ3o、ξ4o、ξ5o表示挂车轴三个轴外转向轮转向角转向因子，μ为路面附着系数，为挂车侧倾角，Lk分别为L3、L4、L5表示挂车轴三个轴距后轴的距离，L1表示前轴距后轴的距离，Γ为牵引车与挂车之间的铰接角，ay为车身侧向加速度，ω为车身横摆角速度，mki分别为m3i、m4i、m5i表示前轴和挂车轴内侧转向轮载荷，mko分别为m3o、m4o、m5o表示前轴和挂车轴外侧转向轮载荷。
8.按照权利要求2所述的一种五轴半挂车主动转向差角控制系统，其特征在于，所述转向滚圈(203)，所述滚轮外形为：
式中：d为滚轴(204)的直径，D为转向滚圈(203)的直径。
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