CN110539798A - 一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法，属于机械工程技术领域。该方法所针对的整车结构特点为：省去转向油泵等相关供油部件、以电磁阀代替传统的转向器等部件，简化转向系统结构。该方法主要是通过传感器采集驾驶员转向输入信号、车体运动姿态信号、转向油缸动作及油压信号等，并发送给整车主控制器，进而完成决策并控制电磁阀阀口开度及不同电动轮的输出驱动力，从而产生等效横摆力矩，改变车体折腰角度，完成整车的转向过程。本发明基于分布驱动铰接车各轮可独立驱动控制的特点，通过提供一种独立差动转向方法及相匹配的转向结构，解决分布驱动铰接车转向过程中能耗较高、响应速度较慢及运动稳定性较差的问题。

Description

一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，特别是指一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法。

背景技术

分布驱动铰接式工程车辆，简称分布驱动铰接车，其各轮配备轮边电机，整车在独立驱动及稳定行驶等方面具有显著的优势，是未来铰接式工程车辆的主要发展方向。现有分布驱动铰接车大多采用全液压的转向方式，其通过前后车体之间的转向油缸及铰接体的耦合作用改变折腰角度，完成转向过程。但由于转向液压系统的回油背压及油液可压缩特性的影响，车体转向过程存在着转向能耗较高、响应速度较慢及运动稳定性较差的问题，不利于提高整车的转向经济性、行驶安全性及操纵稳定性，整车的转向方式有待进一步优化。

具体分析铰接车的全液压转向过程可以看出，其主要是通过液压转向系统提供转向驱动力，利用其在前后车体处产生的主动横摆力矩，克服地面转向阻力矩，完成转向过程。而对于各轮可独立驱动控制的分布驱动铰接车而言，当同一车体的两侧车轮输出不同驱动力时，其亦可产生等效的横摆力矩用于克服地面转向阻力矩，完全代替液压转向系统，驱动车辆进行转向，此即为铰接车差动转向方式。铰接车差动转向方式主要是利用车轮的驱动力差产生的等效横摆力矩改变折腰角度，实现车体转向，其不存在上述全液压转向过程中所存在的问题。因此，结合现有基础技术条件，可利用铰接车差动转向方式优化其整车的转向过程。

现有专利，如专利号为US 6283237B1的美国专利，早在2001年就公开了分布驱动铰接车独立差动转向方式的相关专利。其利用差动转向方式完全代替液压转向系统，省去了所有的液力及机械转向机构。但由于铰接车结构的特殊性，当忽略转向油缸时，车体横向刚度为0，外界激励条件下，整车横摆较为严重，稳定性极差。

现有专利，如专利号为201610221568.5的中国专利，公开了分布驱动铰接车差动辅助液压转向方式的相关专利。其利用差动转向方式辅助液压转向系统完成整车转向过程，可在一定程度上解决分布驱动铰接车液压转向方式中存在的转向能耗较高、响应速度较慢及稳定性较差的问题。但由于液压系统中油液回流特性的影响，其系统的回油背压不可避免的产生一定的能量损失；同时，在利用差动转向方式调节车体响应速度及维持稳定行驶的过程中，容易与液压系统产生运动干涉消耗过多能量，调节效果不佳。因此，分布驱动铰接车的独立差动转向方法需结合自身结构特点进行具体研究。

发明内容

本发明基于分布驱动铰接车各轮可独立驱动控制的特点，为解决分布驱动铰接车转向过程中能耗较高、响应速度较慢及运动稳定性较差的问题，提供一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法。

该方法包括步骤如下：

S1：驾驶员根据转向需求操纵方向盘；

S2：旋转编码器检测方向盘的转向角度信号，并传递给整车主控制器；

S3：整车主控制器根据旋转编码器信号及用于检测车体运动状态的各传感器信号，计算各电动轮输出转矩，并通过电信号控制相应的电动轮控制器，进而控制各电动轮，使车辆产生等效的横摆力矩；同时，整车主控制器控制电磁阀的阀口开度，用于连通转向油缸的进回油腔；

S4：整车在等效横摆力矩及已连通的转向油缸的配合下，改变折腰角度，完成转向过程。

其中，S3中传感器主要包括旋转编码器、GPS、油压传感器、拉线传感器及铰接角度传感器等。

电磁阀的通断代表转向油缸进回油腔油液循环过程的通断；结合电动轮的差动驱动控制，能够实现车体的转向过程。

该方法适用的铰接车包括前车体、后车体、铰接体、左转向油缸、右转向油缸、电动轮一、电动轮二、电动轮三、电动轮四、电动轮控制器一、电动轮控制器二、电动轮控制器三、电动轮控制器四、整车主控制器和方向盘；方向盘位于前车体，前车体和后车体通过铰接体相连，前车体和后车体能够绕铰接体中心相对转动，左转向油缸和右转向油缸分别位于铰接体两侧，左转向油缸和右转向油缸的两端分别连接前车体和后车体，电动轮一和电动轮二设置在前车体两侧，电动轮三和电动轮四设置在后车体两侧，电动轮一、电动轮二、电动轮三、电动轮四分别通过电动轮控制器一、电动轮控制器二、电动轮控制器三、电动轮控制器四控制，左转向油缸、右转向油缸、电磁阀、溢流阀一和溢流阀二组成整车转向控制部件，整车主控制器为上层控制器，整车主控制器接收传感器信号并控制电磁阀及电动轮控制器一、电动轮控制器二、电动轮控制器三、电动轮控制器四。

电动轮一、电动轮二、电动轮三和电动轮四为整车提供驱动力，但不可相对于车体转动。

整车主控制器通过控制电磁阀及电动轮控制器一、电动轮控制器二、电动轮控制器三、电动轮控制器四来控制左转向油缸、右转向油缸及电动轮一、电动轮二、电动轮三、电动轮四。

电动轮控制器一、电动轮控制器二、电动轮控制器三、电动轮控制器四为下层控制器，主要用于接收上层控制器信号，控制电动轮输出相应的驱动力矩；旋转编码器用于测量方向盘转向角度；GPS用于测量车体运动姿态，如，纵向、横向及横摆运动速度及角速度等；油压传感器用于测量转向油缸内部油压；拉线传感器用于测量转向油缸长度；铰接角度传感器用于测量前后车体折腰角度。对于整车转向控制部件，需结合本发明所研究的整车独立差动转向方法进行具体设计。

整车主控制器直接控制电磁阀，其通断特性可快速响应整车转向需求，提高车体的转向响应速度；同时，电磁阀的快速通断响应，可减小车体稳定性调节时，等效横摆力矩与转向液压系统的运动干涉，进一步提高整车转向过程的稳定性及经济性。

该铰接车具体工作过程如下：

旋转编码器接收方向盘的转向角度信号，作为车体转向的输入信号，并发送给整车主控制器；整车主控制器除接收旋转编码器信号外，还会接收用于检测车体运动状态的GPS信号、用于检测整车转向角度的铰接角度传感器信号、用于检测转向油缸动作长度的拉线传感器信号和用于检测油缸油压的油压传感器信号；当整车主控制器接收到各传感器信号后，整车主控制器进行决策，计算电动轮一、电动轮二、电动轮三、电动轮四的需求驱动力，并将控制信号发送给电动轮控制器一、电动轮控制器二、电动轮控制器三、电动轮控制器四，进而控制电动轮一、电动轮二、电动轮三、电动轮四输出相应的驱动力，产生等效横摆力矩，改变车体折腰角度，控制整车进行转向。

本发明铰接车转向系统中省去了液压油泵、转向器等相关部件，简化了系统结构；通过控制电动轮输出不同驱动力，产生等效横摆力矩，改变车体折腰角度，驱动整车进行转向；通过增加电磁阀结构，利用其阀口开度控制油液的循环，从而完成转向过程。

整车独立差动转向过程中，电磁阀的通断过程代表了转向油缸进回油腔的通断过程，此时，油腔的回油背压作为进驱动油压存在，即将转向阻力转化为了转向驱动力，可解决因系统背压较大而造成的转向能量损失，提高整车的转向经济性。

在整车结构中保留了转向油缸等部件，增大了车体的横向刚度，可在实现整车独立差动转向的基础上，提高外界干扰时的稳定性。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明可从根本上解决铰接车液压转向过程中因自身的油液回流特性而产生的能量消耗，提高整车转向经济性；

(2)本发明可利用驱动轮差动控制时产生的等效横摆力矩调节车体转向过程及稳态行驶时的车体振荡，提高整车行驶稳定性；

(3)本发明可利用电机的快速响应特性解决传统液压转向过程中车体响应速度较慢的问题，提高其行驶安全性。

附图说明

图1为本发明的分布驱动铰接车的独立差动转向方法控制方法框图；

图2为本发明的独立差动转向的分布驱动铰接车结构示意图。

其中：11-电动轮一；12-电动轮二；13-电动轮三；14-电动轮四；21-电动轮控制器一；22-电动轮控制器二；23-电动轮控制器三；24-电动轮控制器四；3-整车主控制器；4-方向盘；5-铰接体；61-左转向油缸；62-右转向油缸；7-电磁阀；81-溢流阀一；82-溢流阀二；91-前车体；92-后车体。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

1)驾驶员根据转向需求操纵方向盘4；

2)旋转编码器检测方向盘4的转向角度信号，并将其传递给整车主控制器3；

3)整车主控制器3根据旋转编码器信号及用于检测车体运动状态的各传感器信号，计算各电动轮输出转矩，并通过电信号控制相应的电动轮控制器，进而控制各电动轮，使得车辆产生等效的横摆力矩；同时，整车主控制器3控制电磁阀7的阀口开度，用于连通转向油缸的进回油腔；

4)整车在等效横摆力矩及已连通的转向油缸的配合下，改变折腰角度，完成转向过程。

如图2所示，该方法所适用的铰接车包括前车体91、后车体92、铰接体5、左转向油缸61、右转向油缸62、电动轮一11、电动轮二12、电动轮三13、电动轮四14、电动轮控制器一21、电动轮控制器二22、电动轮控制器三23、电动轮控制器四24、整车主控制器3和方向盘4；方向盘4位于前车体91，前车体91和后车体92通过铰接体5相连，前车体91和后车体92能够绕铰接体5中心相对转动，左转向油缸61和右转向油缸62分别位于铰接体5两侧，左转向油缸61和右转向油缸62的两端分别连接前车体91和后车体92，电动轮一11和电动轮二12设置在前车体91两侧，电动轮三13和电动轮四14设置在后车体92两侧，电动轮一11、电动轮二12、电动轮三13、电动轮四14分别通过电动轮控制器一21、电动轮控制器二22、电动轮控制器三23、电动轮控制器四24控制，左转向油缸61、右转向油缸62、电磁阀7、溢流阀一81和溢流阀二82组成整车转向控制部件，整车主控制器3为上层控制器，整车主控制器3接收传感器信号并控制电磁阀7及电动轮控制器一21、电动轮控制器二22、电动轮控制器三23、电动轮控制器四24。

传统的铰接车液压转向基本原理为：利用转向油泵驱动油液循环，并通过转向油缸推动前后车体运动，完成转向过程。在此过程中，整车无论是向左还是向右运动，转向驱动力总是通过油缸进油腔油液推动活塞产生主动力，在压缩回油腔油液回流的过程中，利用进回油腔内部的油压差产生转向驱动力。但为保证转向过程的可控性，在转向系统结构设计中，回油阀孔设计开度较小，由此造成系统回油腔背压较大。进油腔内部的驱动油液除克服地面的转向阻力外，还需克服系统回油背压，转向能量消耗较为严重。同时，由于转向过程的反复性，油液内部不可避免的会混杂一定的气体，造成转向系统等效弹性模量较低，车体横向刚度较弱，转向过程或外界激励条件下容易产生车体振荡，影响整车行驶稳定性。再者，由于油液的可压缩性及转向机构动作传递的延时特性，传统的液压转向过程存在着响应速度较慢的特点。现有研究，通过差动辅助转向的方式，可在一定程度上提高分布驱动铰接车的转向能量利用率、车体稳定性及转向响应速度。但由于液压转向系统的存在，辅助转向力矩的施加过程中容易与液压系统产生干涉，影响整车的正常行驶过程，且容易产生附加的能量消耗。因此，本发明通过设计分布驱动铰接车的独立差动转向方法，解决以上所述技术问题，具体内容如下：

(1)本发明主要是通过控制前后车体左右两侧电驱动轮的不同力矩输出，利用其产生等效的主动横摆力矩，完全代替液压系统的转向驱动力矩作用，改变车体折腰角度，实现整车转向过程，省去液压油泵等系统结构，简化转向系统结构；同时，直接连通转向油缸进回油油路，将回油腔油液引入进油腔，并利用上述主动横摆力矩产生的等效液压驱动力，实现转向过程中油液在两油腔内部的自循环。其中，在油液自循环过程中，可实现两油腔油压的自平衡，解决传统的液压转向过程中，因回油腔背压较大而造成的转向能量损失。最后，为满足铰接车转向过程的可控性要求，在连通油路间引入电磁阀结构，通过电磁阀的阀口开度控制，实现油液的循环及车体的转向控制。

(2)本发明主要是通过控制前后车体左右两侧电驱动轮的不同力矩输出，利用其等效的主动横摆力矩，抵消车体振荡时产生的附加横摆力矩，主动调节车体运行姿态，解决整车转向过程及稳态行驶时的不稳定问题；利用上述电磁阀的通断特性，解决电驱动轮调节车体姿态时与液压系统的转向力矩干涉问题；同时，利用转向油缸增大车体的横向刚度，提高整车在外界干扰时的稳定性。

(3)本发明主要是利用电驱动轮的快速响应特性，同时结合上述电磁阀结构对整车转向过程的可控性特点，使得车体可快速响应驾驶员的转向意图，解决整车转向响应速度较慢的问题。

如图1所示，该铰接车涉及的传感器包括旋转编码器、GPS、油压传感器、拉线传感器及铰接角度传感器。旋转编码器用于接收方向盘4的转向角度信号，作为车体转向的输入信号将其发送给整车主控制器3。整车主控制器3除接收旋转编码器信号外，还会接收用于检测车体运动状态的GPS信号、用于检测整车转向角度的铰接角度传感器信号、用于检测转向油缸动作长度的拉线传感器信号及用于检测转向油缸油压的油压传感器信号。当接收到各传感器信号后，整车主控制器3进行决策，计算各电动轮的驱动力，并将控制信号发送给电动轮控制器，进而控制各电动轮输出相应的驱动力，产生等效横摆力矩，改变车体折腰角度，控制整车进行转向。

与传统的铰接车全液压转向系统相比，本发明所提出的独立差动转向方式省去了液压油泵等相关部件，简化了系统结构；利用电磁阀7代替转向器等部件，通过电磁阀7的阀口开度控制油液的循环，进而控制转向过程；在转向过程中，转向油缸的进回油腔直接连通，使得回油背压作为转向驱动油压存在，即将阻力转化为了驱动力，降低了因系统背压较大而造成的转向能量损失。

与现有的分布驱动铰接车独立差动转向方式相比，本发明所提出的独立差动转向方式在车体结构上增加了转向油缸，增大了整车的横向刚度，可在实现整车独立差动转向的基础上，提高外界干扰情况下的稳定性；在稳定性控制方面，增加了转向控制部件，整车可根据车体稳定性需求，控制电动轮的驱动力输出及电磁阀7的阀口开度，实现铰接车的稳定性控制。

与现有的分布驱动铰接车差动辅助转向方式相比，本发明所提出的独立差动转向方式简化了转向系统结构，油液回流速度较快，能量损失较小；电磁阀7的通断特性可快速响应整车转向需求，减小车体稳定性调节时差动控制与转向液压系统的运动干涉，进一步提高其转向经济性及行驶稳定性。

同时，本发明可通过电磁阀7及电动轮的快速响应特性实现车体的转向控制，提高整车转向过程的响应速度，解决整车转向响应速度较慢的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：驾驶员根据转向需求操纵方向盘(4)；

S2：旋转编码器检测方向盘(4)的转向角度信号，并传递给整车主控制器(3)；

S3：整车主控制器(3)根据旋转编码器信号及用于检测车体运动状态的各传感器信号，计算各电动轮输出转矩，并通过电信号控制相应的电动轮控制器，进而控制各电动轮，使车辆产生等效的横摆力矩；同时，整车主控制器(3)控制电磁阀(7)的阀口开度，用于连通转向油缸的进回油腔；

S4：整车在等效横摆力矩及已连通的转向油缸的配合下，改变折腰角度，完成转向过程。

2.根据权利要求1所述的分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：所述S3中传感器包括旋转编码器、GPS、油压传感器、拉线传感器及铰接角度传感器。

3.根据权利要求1所述的分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：该方法所适用的分布驱动铰接车中不设置液压油泵、转向器，设置电磁阀(7)。

4.根据权利要求1所述的分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：所述电磁阀(7)的通断代表转向油缸进回油腔油液循环过程的通断；结合电动轮的差动驱动控制，能够实现车体的转向过程。

5.根据权利要求1所述的分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：该方法所适用的分布驱动铰接车包括前车体(91)、后车体(92)、铰接体(5)、左转向油缸(61)、右转向油缸(62)、电动轮一(11)、电动轮二(12)、电动轮三(13)、电动轮四(14)、电动轮控制器一(21)、电动轮控制器二(22)、电动轮控制器三(23)、电动轮控制器四(24)、整车主控制器(3)和方向盘(4)；方向盘(4)位于前车体(91)，前车体(91)和后车体(92)通过铰接体(5)相连，前车体(91)和后车体(92)能够绕铰接体(5)中心相对转动，左转向油缸(61)和右转向油缸(62)分别位于铰接体(5)两侧，左转向油缸(61)和右转向油缸(62)的两端分别连接前车体(91)和后车体(92)，电动轮一(11)和电动轮二(12)设置在前车体(91)两侧，电动轮三(13)和电动轮四(14)设置在后车体(92)两侧，电动轮一(11)、电动轮二(12)、电动轮三(13)、电动轮四(14)分别通过电动轮控制器一(21)、电动轮控制器二(22)、电动轮控制器三(23)、电动轮控制器四(24)控制，左转向油缸(61)、右转向油缸(62)、电磁阀(7)、溢流阀一(81)和溢流阀二(82)组成整车转向控制部件，整车主控制器(3)为上层控制器，整车主控制器(3)接收传感器信号并控制电磁阀(7)及电动轮控制器一(21)、电动轮控制器二(22)、电动轮控制器三(23)、电动轮控制器四(24)。

6.根据权利要求5所述的分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：所述电动轮一(11)、电动轮二(12)、电动轮三(13)和电动轮四(14)为整车提供驱动力，但不可相对于车体转动。

7.根据权利要求5所述的分布驱动铰接车的独立差动转向方法，其特征在于：所述整车主控制器(3)通过控制电磁阀(7)及电动轮控制器一(21)、电动轮控制器二(22)、电动轮控制器三(23)、电动轮控制器四(24)来控制左转向油缸(61)、右转向油缸(62)及电动轮一(11)、电动轮二(12)、电动轮三(13)、电动轮四(14)。