CN112937681A - 一种差速电动转向系统及其电动汽车 - Google Patents

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游维
颜正英
马小燕
王新
李纯杰
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Abstract

本发明扬弃通过转动汽车前轮来实现汽车转向的工作方式，提供一种差速电动转向系统及其电动汽车，通过应用霍尔传感器、速度控制器、电动车轮、电源、换向杆等组成电动汽车的动力系统、差速电动转向系统；当方向盘不偏转时，车辆沿直线前进；当方向盘偏转时，随方向盘转角的增大而平缓增大左右两前电动车轮的速度差使汽车转向；与传统的转向系统相比，本发明转向性能好、机动灵活、结构简单、重量轻、体积小、故障率低、成本低、易于制作和装配、无需维护、实用性好，车辆能原地转向，驾驶操作轻松简单。

Description

一种差速电动转向系统及其电动汽车
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，特别是涉及一种差速电动转向系统及其一种具有该差速电动转向系统的电动汽车。
背景技术
现有汽车的转向，是通过转动汽车前车轮来实现的。这种转向方式导致现有汽车的转向系统结构复杂、加工精度要求高、制造难度大、成本高、故障率高。这种转向系统集笨重、所需空间大、易磨损、稳定性差、维护成本高等缺陷于一身。随着电动车轮制造工艺日趋成熟，质量稳定，电气控制技术日新月异的发展，为汽车转向采用差速电动转向提供了可靠技术和设备保障。
发明内容
本发明提供一种差速电动转向系统及其电动汽车。本发明将扬弃通过转动汽车前轮来实现汽车转向的工作方式，提供一种结构简单、易于制作、工作稳定可靠、转向性能好、机动灵活、体积小、成本低、操作简单、轻松方便的差速电动转向系统及其具有该差速电动转向系统的电动汽车。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种差速电动转向系统及其电动汽车，包括汽车外壳、车架底盘、座椅、车轮、照明、电源、动力系统、制动系统、转向系统等，其特征在于：所述车架底盘下方前后两侧固定对称设有最少四根与前进方向垂直的车轮轴；所述车轮为电动车轮，电动车轮的个数与车架底盘下方的车轮轴个数相等；所述电动车轮包括轮毂以及安装于轮毂上的轮胎和安装于轮毂中的电机组件；电动车轮固定安装在车架底盘下方的车轮轴上。
所述动力系统由速度控制座、霍尔传感器5、速度控制器5、后电动车轮、电源组成；所述速度控制座由速度控制座座体、转轴、齿轮、齿条、复位簧等组成；所述速度控制座座体是圆筒和长方体的组合体；速度控制座座体中的长方体部分固定于车架底盘上方，圆筒位于长方体的上方；所述转轴与速度控制座座体中的圆筒相匹配，转轴位于圆筒中可以同轴自由转动；所述齿轮固定连接在转轴的一端；所述齿条与齿轮啮合，复位簧连接于车架底盘与齿条上，齿条在车架底盘约束下与车架底盘成一角度且受力时可上下移动一段距离；当齿条受向下外力时向下移动，并啮合转轴上的齿轮带动转轴转动，同时复位簧产生弹性形变；撤除外力后在复位簧弹性力作用下齿条啮合齿轮反向转动转轴复位到转轴的初始位置；所述霍尔传感器5上的霍尔芯片固定嵌入速度控制座座体的圆筒内壁上，霍尔芯片的表面与圆筒内壁形成光滑曲面；霍尔传感器上的圆弧状磁钢嵌入转轴外壁上，磁钢表面与转轴外表面形成光滑曲面；所述速度控制器5和电源固定在汽车车架底盘上，电源与速度控制器5电连接；霍尔传感器5上电源线、信号线与速度控制器5电连接；后电动车轮上的电机M3、M4与速度控制器5输出端电连接；当齿条向下运动带动转轴转动时，转轴上的磁钢与速度控制座座体中霍尔芯片相对位置的变化改变了霍尔芯片周围的磁场，使霍尔传感器的输出电压增大；霍尔传感器5上的电压信号传递给速度控制器5，速度控制器5向后轮电机M3、M4输出电压与电流也随之增大；齿条向上运动时，霍尔传感器5的输出电压减小；速度控制器5向后轮电机M3、M4输出电压与电流随之减小；速度控制器5向后电动车轮电机M3、M4输出电压与电流的变化控制着电动汽车的动力，使电动汽车的前进速度随之发生变化。所述转向系统为差速电动转向系统。
所述差速电动转向系统由方向盘、方向盘座、转向霍尔传感器、转向速度控制器、前电动车轮、电源、换向杆组成；所述方向盘由转盘和方向杆、弹性扭杆组成；所述方向杆一端固定连接于转盘下方另一端固定连接弹性扭杆；所述方向盘座为一圆筒，圆筒的一端固定于车架底盘上方形成封闭端；所述方向杆的外径与方向盘座圆筒内径相匹配，方向杆插入方向盘座中，方向杆底部的弹性扭杆与方向盘座底部固定连接；在外力作用下方向杆可随转盘从起始位置顺时针或逆时针转动一定的角度，此时弹性扭杆同步发生弹性形变；外力撤除后方向杆在弹性扭杆的作用下恢复到起始位置；所述差速电动转向系统的转向霍尔传感器为一对或二对；所述转向霍尔传感器上的霍尔芯片固定嵌入方向盘座圆筒内壁上，位于方向杆起始位置所在的竖直平面两侧，芯片表面与方向盘座圆筒内壁形成光滑曲面；转向霍尔传感器上的圆弧状磁钢固定嵌入方向杆外壁上，位于方向杆起始位置竖直平面两侧，磁钢表面与方向杆外表面形成光滑曲面；所述转向速度控制器的数量与转向霍尔传感器的数量相同，转向速度控制器固定在汽车车架底盘上，电源与转向速度控制器电连接；转向霍尔传感器上电源线、信号线与转向速度控制器电连接；前电动车轮上的电机M1、M2分别与对应的转向速度控制器输出端电连接；当方向盘不偏转时，左右两侧的前轮转速相同，车辆沿直线前进；当方向盘偏转时，方向杆上的磁钢与方向盘座中相对应的霍尔芯片相对位置变化改变了霍尔芯片周围的磁场，使转向霍尔传感器的输出电压随之改变；转向霍尔传感器上的电压信号传递给对应的转向速度控制器，改变转向速度控制器的输出电压和电流，从而改变与该转向速度控制器电连接的前电动车轮上电机M1、M2的转速，由于左右两前电动车轮所对应的霍尔芯片位置不同，方向盘转动时对应转向霍尔传感器上产生的输出电压信号不同，对应转向速度控制器根据接收到的不同电压信号输出给前左右两电动车轮的电压和电流也不同，左右前电动车轮将产生速度差，使汽车转向。在方向盘转动的过程中，随方向盘转角的增大而平缓增大左右两前电动车轮的速度差。
所述换向杆与电路中的电路换向开关SW连接，电路换向开关SW分别与各速度控制器和电动车轮中各电机电连接，改变换向杆的位置，将改变电路换向开关SW在电路中的连接状态，使汽车在前进、倒车、切断汽车的动力(空档)三种运动状态中切换；在电路换向开关SW作用下，倒车时原来的前后电动车轮交换各自原先承担的动力和转向任务。
采用上述技术方案后，本发明具有显著的技术效果：扬弃现有通过转动汽车前轮来实现汽车转向的工作方式，与传统的转向系统相比，本发明转向性能好、机动灵活、结构简单、重量轻、体积小、故障率低、成本低、易于制作和装配，实用性好，维修方便、车辆能原地转向，驾驶操作轻松简单。
附图说明
图1：本发明主要结构示意图；
图2：速度控制座座体、方向盘座解剖展开后霍尔传感器各部件位置示意图；
图3：差速电动转向系统采用1对霍尔传感器时电路图；
图4：差速电动转向系统采用2对霍尔传感器时电路图；
图中：1、车架底盘；11、电源；2、电动车轮；21、左前电动车轮；22、右前电动车轮；23、左后电动车轮；24、右后电动车轮；3、动力系统；31、速度控制器5；32、速度控制座；321、速度控制座座体；3211、圆筒；322、转轴；323、齿轮；324、齿条；325、复位簧；33、霍尔传感器5；331、霍尔芯片；332、磁钢；4、差速电动转向系统；41、方向盘；411、转盘；412、方向杆；413、弹性扭杆；42、方向盘座；43、换向杆；44、转向霍尔传感器；441、霍尔芯片；442、磁钢；45、转向速度控制器；46、电路换向开关SW。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例的具体实施方式做进一步的详细阐述。
如图1、图2所示，一种差速电动转向系统及其电动汽车，包括汽车外壳、车架底盘、座椅、车轮、照明、电源、动力系统、制动系统、转向系统等，所述车架底盘1下方前后两侧固定对称设有最少四根与前进方向垂直的车轮轴；所述车轮为电动车轮2，电动车轮2的个数与车架底盘1下方的车轮轴个数相等；所述电动车轮2包括轮毂以及安装于轮毂上的轮胎和安装于轮毂中的电机组件；电动车轮2固定安装在车架底盘1下方的车轮轴上；所述动力系统由速度控制座32、霍尔传感器5、速度控制器5、后电动车轮上的电机M3、M4、电源11组成；所述速度控制座32由速度控制座座体321、转轴322、齿轮323、齿条324、复位簧325等组成；所述速度控制座座体321是圆筒3211和长方体的组合体；速度控制座座体321中的长方体部分固定于车架底盘1上方，圆筒3211位于长方体的上方；所述转轴322与速度控制座座体321中的圆筒3211相匹配，转轴322位于圆筒3211中可以同轴自由转动；所述齿轮323固定连接在转轴322的一端；所述齿条324与齿轮323啮合，复位簧(图中未画出)连接于车架底盘1与齿条324上，齿条324在车架底盘1约束下与车架底盘1成一角度且受力时可上下移动一段距离；当齿条324受向下外力时向下移动，啮合转轴上的齿轮323带动转轴322转动，同时复位簧325产生弹性形变；撤除外力后在复位簧325弹性力作用下齿条324啮合齿轮323反向转动转轴322复位到转轴的初始位置；所述霍尔传感器5上的霍尔芯片5固定嵌入速度控制座座体321的圆筒3211内壁上，霍尔芯片5的表面与圆筒3211内壁形成光滑曲面；霍尔传感器5上的圆弧状磁钢5嵌入转轴322外壁上，磁钢5表面与转轴322外表面形成光滑曲面；所述速度控制器5和电源11固定在汽车车架底盘1上，如图3、图4所示，电源11与速度控制器5电连接；霍尔传感器5上电源线Vi2、信号线V05与速度控制器5电连接；后电动车轮上的电机M3、M4与速度控制器5输出端电连接；当齿条324向下运动带动转轴322转动时，转轴上的磁钢5与速度控制座座体中霍尔芯片5相对位置的变化改变了霍尔芯片5周围的磁场，使霍尔传感器5向速度控制器5的输出电压增大，速度控制器5向两后电动轮电机M3、M4输出电压与电流也随之增大；同理齿条324向上运动时，速度控制器5向后轮电机M3、M4输出电压与电流随之减小直至复位后电压与电流输出为零；速度控制器5向后电动车轮电机输出电压与电流的变化控制着电动汽车的动力，使电动汽车的前进速度随之发生变化。
所述转向系统为差速电动转向系统；所述差速电动转向系统由方向盘41、方向盘座42、转向霍尔传感器44、转向速度控制器45、前电动车轮上的电机M1、M2、电源11、换向杆43组成；图3、图4中所述转向霍尔传感器分别为霍尔传感器1、霍尔传感器2、霍尔传感器3、霍尔传感器4；所述转向速度控制器分别为速度控制器1、速度控制器2、速度控制器3、速度控制器4。所述方向盘41由转盘411和方向杆412、弹性扭杆413组成；所述方向杆412一端固定连接于转盘411下方另一端固定连接弹性扭杆413；所述方向盘座42为一圆筒，圆筒的一端固定于车架底盘1上形成封闭端；所述方向杆412的外径与方向盘座圆筒内径相匹配，方向杆412插入方向盘座42中，方向杆412底部的弹性扭杆413与方向盘座42底部固定连接；在外力作用下方向杆412可随转盘411从起始位置顺时针或逆时针转动一定的角度，此时弹性扭杆413同步发生弹性形变；外力撤除后方向杆412在弹性扭杆413的作用下恢复到起始位置；
所述转向霍尔传感器44上的霍尔芯片分别固定嵌入方向盘座圆筒内壁上，位于方向杆412起始位置所在的竖直平面两侧，芯片表面与方向盘座圆筒内壁形成光滑曲面；转向霍尔传感器44上的圆弧形磁钢分别固定嵌入方向杆412外壁上位于方向杆起始位置竖直平面两侧，磁钢表面与方向杆412外表面形成光滑曲面；同一转向霍尔传感器44上的霍尔芯片与磁钢的位置相对应以保证转向霍尔传感器44能正常工作；方向杆412转动时，方向杆上的磁钢与方向盘座中相对应霍尔芯片相对位置的变化改变了霍尔芯片周围的磁场使各转向霍尔传感器44的输出信号电压随之改变；所述转向速度控制器45的数量与转向霍尔传感器44的数量相同，转向速度控制器45固定在汽车车架底盘1上，所述差速电动转向系统的转向霍尔传感器44为一对或二对。
如图3所示，当所述差速电动转向系统的转向霍尔传感器44为一对时，电源11与速度控制器1、速度控制器2电连接；霍尔传感器1上电源线Vi2、信号线V01与速度控制器1电连接；左前电动车轮21上的电机M1与速度控制器1电连接；霍尔传感器2上电源线Vi2、信号线V02与速度控制器2电连接；右前电动车轮22上的电机M2与速度控制器2电连接；当方向盘41不偏转时，左右两侧的前轮转速相同，车辆沿直线前进；若车辆需要左转时，只需将方向盘41向左偏转，方向杆412上的磁钢与相对应的霍尔芯片相对位置变化改变了霍尔芯片周围的磁场；此时霍尔传感器1由于霍尔芯片与磁钢分离，其输出电压信号V01无变化，对应的速度控制器1输出电压和电流不变，与速度控制器1电连接的左前电动车轮21上电机M1的转速也不变；霍尔传感器2上的输出电压V02随方向盘41转动角度的增加而增大，与之电连接的速度控制器2的输出到右前电动车轮22电机M2上的电压V2和电流也随之增大使得右前电动车轮22转速提高，左前轮21和右前轮22将产生速度差，实现汽车的左转，反之亦然。在方向盘41转动的过程中，左右两前轮随方向盘41转角的增大而平缓增大左右两前轮的速度差。当车辆处于静止状态时若转动方向盘41可以实现车辆的原地转向。
如图4所示，当所述差速电动转向系统的转向霍尔传感器44为二对时，电源11与速度控制器1、速度控制器2、速度控制器3、速度控制器4电连接；霍尔传感器1、霍尔传感器4上电源线Vi2、信号线V01、信号线V04与速度控制器1、速度控制器4电连接；左前电动车轮21上的电机M1与速度控制器1输出端正向电连接、与速度控制器4输出端反向电连接；霍尔传感器2、霍尔传感器3上电源线Vi2、信号线V02、信号线V03与速度控制器2、速度控制器3电连接；右前电动车轮22上的电机M2与速度控制器2输出端正向电连接、与速度控制器3输出端反向电连接；当方向盘41不偏转时，左右两侧的前轮转速相同，车辆沿直线前进；若车辆需要左转时，只需将方向盘41向左偏转，方向杆412上的磁钢与相对应的霍尔芯片相对位置变化改变了霍尔芯片周围的磁场，使转向霍尔传感器44的输出电压随之改变；此时霍尔传感器1、霍尔传感器3由于霍尔芯片与磁钢分离，其输出电压信号V01、V03无变化，对应的速度控制器1、速度控制器3输出电压和电流不变，霍尔传感器2、霍尔传感器4上的输出电压V02、V04随方向盘41转动角度的增加而增大，与之电连接的速度控制器2、速度控制器4的输出到左、右前电动车轮22电机M2、M1上的电压V2、V4和电流也随之增大使得左右前电动车轮转速同步提高，由于速度控制器4输出电压是反向与左前电动车轮21电机M1电连接的，速度控制器4工作时，左前电动车轮21受反向转矩作用，车辆左右前车轮的速度差改变更快，转向更灵活。反之亦然。在方向盘41转动的过程中，左右两前轮随方向盘41转角的增大而平缓增大左右两前轮的速度差。
所述换向杆43与电路中的电路换向开关SW连接，所述电路换向开关SW控制着速度控制器与各电动车轮2上电机的电连接状态，改变换向杆43的位置，将改变电路换向开关SW在电路中的连接状态使汽车在前进、倒车、切断汽车的动力(空档)三种运动状态中切换；电路换向开关SW、速度控制器和电动车轮2电机按图3、图4电路图中所示的连接方式电连接，控制着速度控制器与各电动车轮2上电机的电连接状态，倒车时原来的前后电动车轮将交换各自原先承担的动力和转向任务。
在以上所举实施例中，速度控制座32、方向盘41、方向盘座42所采用的材料以非铁磁性材料为好，这样可保证各霍尔芯片和磁钢之间不会产生信号干扰；各个霍尔传感器之间的距离也要尽可能大，以防止彼此之间信号产生干扰。由于速度控制器、霍尔传感器可选型号很多，选型号时应根据电动车轮2中的电机功率来配置。

Claims (2)

1.一种差速电动转向系统及其电动汽车，包括汽车外壳、车架底盘、座椅、车轮、照明、电源、动力系统、制动系统、转向系统等，其特征在于：所述车架底盘(1)下方前后两侧固定对称设有最少四根与前进方向垂直的车轮轴；所述车轮为电动车轮(2)，电动车轮(2)的个数与车架底盘(1)下方的车轮轴个数相等；所述电动车轮(2)包括轮毂以及安装于轮毂上的轮胎和安装于轮毂中的电机组件；电动车轮(2)固定安装在车架底盘(1)下方的车轮轴上；所述动力系统由速度控制座(32)、霍尔传感器5、速度控制器5、后电动车轮、电源(11)组成；所述速度控制座(32)由速度控制座座体(321)、转轴(322)、齿轮(323)、齿条(324)、复位簧(325)等组成；所述速度控制座座体(321)是圆筒(3211)和长方体的组合体；速度控制座座体(321)中的长方体部分固定于车架底盘(1)上方，圆筒(3211)位于长方体的上方；所述转轴(322)与速度控制座座体(321)中的圆筒(3211)相匹配，转轴(322)位于圆筒(3211)中可以同轴自由转动；所述齿轮(323)固定连接在转轴(322)的一端；所述齿条(324)与齿轮(323)啮合，复位簧(325)连接于车架底盘(1)与齿条(324)上，齿条(324)在车架底盘(1)约束下与车架底盘(1)成一角度且受力时可上下移动一段距离；当齿条(324)受向下外力时向下移动，并啮合转轴上的齿轮带动转轴(322)转动，同时复位簧(325)产生弹性形变；撤除外力后在复位簧(325)弹性力作用下齿条(324)啮合齿轮(323)反向转动转轴(322)复位到转轴的初始位置；所述霍尔传感器5上的霍尔芯片(331)固定嵌入速度控制座座体的圆筒(3211)内壁上，霍尔芯片(331)的表面与圆筒(3211)内壁形成光滑曲面；霍尔传感器5上的圆弧状磁钢(332)嵌入转轴(322)外壁上，磁钢表面与转轴(322)外表面形成光滑曲面；所述速度控制器5和电源(11)固定在汽车车架底盘(1)上，电源(11)与速度控制器5电连接；霍尔传感器5上电源线、信号线与速度控制器5电连接；后电动车轮上的电机M3、M4与速度控制器5输出端电连接；所述转向系统为差速电动转向系统。
2.如权利要求1所述一种差速电动转向系统及其电动汽车，其特征在于：所述差速电动转向系统由方向盘(41)、方向盘座(42)、转向霍尔传感器(44)、转向速度控制器(45)、前电动车轮、电源(11)、换向杆(43)组成；所述方向盘(41)由转盘(411)和方向杆(412)、弹性扭杆(413)组成；所述方向杆(412)一端固定连接于转盘(411)下方另一端固定连接弹性扭杆(413)；所述方向盘座(42)为一圆筒，圆筒的一端固定于车架底盘(1)上方形成封闭端；所述方向杆(412)的外径与方向盘座圆筒内径相匹配，方向杆(412)插入方向盘座(42)中，方向杆底部的弹性扭杆(413)与方向盘座底部固定连接；所述差速电动转向系统的转向霍尔传感器(44)为一对或二对；所述转向霍尔传感器(44)上的转向霍尔芯片(441)固定嵌入方向盘座(42)圆筒内壁上，位于方向杆起始位置所在的竖直平面两侧，芯片表面与方向盘座(42)圆筒内壁形成光滑曲面；转向霍尔传感器(44)上的圆弧状磁钢(442)固定嵌入方向杆(412)外壁上，位于方向杆(412)起始位置竖直平面两侧，磁钢表面与方向杆外表面形成光滑曲面；所述转向速度控制器(45)的数量与转向霍尔传感器(44)的数量相同，转向速度控制器(45)固定在汽车车架底盘(1)上，电源(11)与转向速度控制器(45)电连接；转向霍尔传感器(44)上电源线、信号线与转向速度控制器(45)电连接；前电动车轮上的电机M1、M2分别与对应的转向速度控制器(45)输出端电连接；所述换向杆(43)与电路中的电路换向开关SW连接，电路换向开关SW分别与各速度控制器和电动车轮各电机电连接。
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