CN115158033A - 一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车辆控制领域，涉及一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，转向系统具有第一前轮和第二前轮，第一前轮和第二前轮分别连接第一半轴和第二半轴，第一半轴和第二半轴分别具有第一电力驱动组件和第二电力驱动组件，第一电力驱动组件具有第一扭矩，第二电力驱动组件具有第二扭矩，第一电力驱动组件和第二电力驱动组件组成模块化独立驱动桥；第一电力驱动组件通过第一半轴单独驱动第一前轮，第二电力驱动组件通过第二半轴单独驱动第二前轮。本发明提供的车辆转向系统尤其适用于特种车辆，能够匹配于复杂地形和路况的要求。

Description

一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统
技术领域
本发明属于车辆控制领域，尤其涉及一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统。
背景技术
现有技术中存在一种分离式车辆转向装置用于车辆的转向操作，用于转向的致动器被连接到转向机构的一部分上，使得该致动器能根据转向装置的操作方向和操作量的检测结果进行操作，并且将转向力施加到转向机构上以执行转向操作。车辆转向装置通常包括电动转向设备，电动转向设备通过驱动电动机帮助转向以减小司机转向时的负担。该设备一般包括连接到转向构件，如方向盘的输入轴，通过小齿轮和齿条或类似装置连接到转向控制轮的输出轴，以及用于连接输入轴和输出轴的连接轴，其中扭矩检测装置利用连接轴处所产生的扭转角检测施加到输入轴的转向扭矩，并且根据所检测的转向扭矩值执行对用于转向的电动机的驱动控制。以上所述的某些车辆转向装置包括两个用于转向的电动机，在这种情况下，可以在互相相反的方向上控制两个电动机。
但是目前车辆转向装置普遍存在不能适应复杂地形和路况，且难以避免在某些转向角度时前轮组产生制动力的问题。
发明内容
本发明提供一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，使得车辆在转弯时通过电驱动的前轮组件提供驱动力并实现转向，适合于特种车辆所处复杂地形，同时还可以避免在某些转向角度时前轮组产生制动力。
本发明提供一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，所述转向系统具有第一前轮和第二前轮，所述第一前轮和第二前轮分别连接第一半轴和第二半轴，所述第一半轴和第二半轴分别具有第一电力驱动组件和第二电力驱动组件；所述第一电力驱动组件具有第一扭矩，所述第二电力驱动组件具有第二扭矩，所述第一电力驱动组件和第二电力驱动组件组成模块化独立驱动桥；所述第一电力驱动组件通过所述第一半轴单独驱动所述第一前轮，所述第二电力驱动组件通过所述第二半轴单独驱动所述第二前轮。
进一步地，所述转向系统具有第一后轮和第二后轮，所述第一后轮和第二后轮由车辆机械驱动组件驱动。
进一步地，还包括扭矩计算模块，所述第一扭矩和第二扭矩根据车辆所需操作状态决定；具体地，所述扭矩计算模块根据车辆实际行驶状态和期望行驶状态计算得出所述第一扭矩和第二扭矩。
进一步地，还包括偏航传感组件，所述偏航传感组件能够检测出车辆偏航数据，并将所述车辆偏航数据输入至所述扭矩计算模块，所述扭矩计算模块还根据所述车辆偏航数据计算所述第一扭矩和第二扭矩。
进一步地，所述第一电力驱动组件和第二电力驱动组件均包括大功率异步电机。
进一步地，所述第一前轮、第二前轮、第一后轮和第二后轮均设置有转速传感器用于检测车轮当前转速，所述转速数据被输入至所述扭矩计算模块，所述扭矩计算模块还根据车轮的转速数据计算所述第一扭矩和第二扭矩。
进一步地，通过非线性方式控制所述第一电力驱动组件和第二电力驱动组件，以实现针对不同转向路径弯道半径时的最优轮胎磨损。
进一步地，通过设定所述第一扭矩和第二扭矩的差值，能够实现车辆期望转向。
进一步地，所述车辆期望转向包括直行、蟹行、大半径和零半径转向。
进一步地，还包括导航系统，所述导航系统能把预设行驶路线路况信息反馈给车辆控制系统。
本发明至少具有如下技术效果：
1.本发明通过设置具有第一电力驱动组件、第一半轴、第二电力驱动组件、第二半轴等相关部件，在执行转向操作过程中，保证转向路径外侧前轮圆周速度大于转向路径内侧前路的圆周速度下，通过模块化独立驱动桥控制传递至转向路径弯道外侧的前轮的扭矩增大，同时控制传递至转向路径弯道内侧的前轮(对应的是第二前轮或第一前轮)的扭矩(对应的是第二扭矩或第一扭矩)减小，在获取更加合适的驱动力的同时，能获得更小的转弯半径，防止转弯半径过大而产生侧滑或侧翻，也能防止转向角过大导致第一前轮和/第二前轮产生制动扭矩，影响车辆的正常转弯。
2.本发明通过模块化独立驱动桥通过电力驱动组件非线性控制弯道外侧车轮扭矩增大且弯道内侧车轮减小以获得较小转弯半径的同时，通过车辆附着力计算模块能够根据测得车身重量、设置的轮胎特性参数、路面情况等与车辆附着力相关参数，计算车辆在该路况下的附着力，进而保证电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力不大于附着力，以防止车轮打滑而产生侧翻，提高车辆行驶的安全性。
3.本发明在转弯爬坡路段行驶时，把坡度参数传入车辆附着力计算模块中，车辆附着力计算模块进一步计算纳入坡度参数后的车辆附着力，进而计算出车辆最终的附着力，以使得模块化独立驱动桥通过电力驱动组件非线性控制弯道外侧车轮扭矩增大且弯道内侧车轮减小以获得较小转弯半径的同时，保证电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力不大于附着力，同时控制电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力的大小，使得车辆具有足够的驱动力以牵引车辆在拐弯的同时平稳的爬坡，提高了车辆的通过性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种模块化独立驱动桥的示意图；
图2是根据本发明实施例的车辆后轮驱动模块的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，本发明提供一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，该车辆转向系统尤其适用于特种车辆，能够匹配于复杂地形和路况的要求。具体的，该转向系统具有第一前轮和第二前轮，第一前轮与第一半轴相连接，第二前轮与第二半轴相连接；第一半轴具有第一电力驱动组件，第二半轴具有第二电力驱动组件。第一电力驱动组件具有第一扭矩，第二电力驱动组件具有第二扭矩；第一电力驱动组件和第二电力驱动组件组成模块化独立驱动桥。车辆的控制系统通过对模块化独立驱动桥的控制，能够使得车辆在不同工况下适应不同的复杂地形与路况。通过设定第一扭矩和第二扭矩的差值，能够实现车辆期望转向和通过性。
其中，第一电力驱动组件通过所述第一半轴单独驱动第一前轮，第二电力驱动组件通过第二半轴单独驱动第二前轮；通过单独对第一前轮和第二前轮的分别控制，能使得车辆操控的更加灵活，以应对不同的地形和路况行驶需求。一般情况下，在执行转向操作过程中，保证转向路径外侧前轮圆周速度大于转向路径内侧前路的圆周速度下，通过模块化独立驱动桥控制传递至转向路径弯道外侧的前轮(可以是第一前轮或第二前轮)的扭矩(可以是第一力矩或第二力矩)增大，同时控制传递至转向路径弯道内侧的前轮(对应的是第二前轮或第一前轮)的扭矩(对应的是第二力矩或第一力矩)减小，在获取更加合适的驱动力的同时，能获得更小的转弯半径，防止转弯半径过大而产生侧滑或侧翻，也能防止转向角过大导致第一前轮和/第二前轮产生制动扭矩，影响车辆的正常转弯。同时车辆的第一前轮和第二前轮均由单独的电力驱动组件驱动，无需通过传统的车辆机械驱动装置的变速机构来驱动车辆前轮，避免了复杂且昂贵的机械传动装置。另外，由于车辆前轮的扭矩和速度由电力控制(基于电驱动器消耗的功率以及车辆转速等实现)，易于实现，且能够保证快速调节第一前轮和第二前轮的扭矩差，提高车辆操控的灵活性。通过第一电力驱动组件或第二电力驱动组件对应的的第一半轴或第二半轴单独驱动对应的第一前轮或第二前轮，保证了第一前轮和第二前轮的扭矩和速度调节的灵活性，提升车辆总体性能。
其中，转向系统还具有第一后轮和第二后轮；具体的，第一后轮和第二后轮由车辆机械驱动组件驱动，该车辆机械驱动组件可选择现有技术中的成熟产品。
其中，车辆转向系统还包括扭矩计算模块；第一扭矩和第二扭矩根据车辆所需操作状态决定，比如车辆行驶在不同的地形和路况，需要不同的操作方式；具体地，扭矩计算模块根据车辆实际行驶状态和期望行驶状态计算得出第一扭矩和第二扭矩，进而为第一前轮和第二前轮的转动提供动力。
本发明还提供了用于控制第一电力驱动组件和第二电力驱动组件输出功率的控制器。具体的，第一电力驱动组件和第一电力驱动组件的扭矩可以从车辆的当前运行状态中得出。当前的运行状态可以是车辆的行驶方向、速度、加速度等数据，还可以包括路况状态、车辆牵引负载等数据，还可以包括车辆的性质等。
为了更好的控制车辆安全行驶，还包括偏航传感组件，其中偏航传感组件包括多组传感器，能够检测出车辆偏航数据，并将车辆偏航数据输入至扭矩计算模块，扭矩计算模块能根据所述车辆偏航数据计算所需要调整的第一扭矩和第二扭矩，当车辆的行驶路线偏离预期路线时，通过对第一扭矩和第二扭矩的调整，及时对车辆进行纠偏。通过设置的偏航传感组件，能够检测车辆的偏航数据，借助于偏航传感组件能够有利的避免偏航导致的危险驾驶动作。
为了保证未车辆前进提供足够的动力，其中第一电力驱动组件和第二电力驱动组件均包括大功率异步电机。异步电机制作成本较低，且可以提供较大的牵引功率，在异步电机和与之关联的车轮之间设置有至少一个减速齿轮，以保证对车辆速度的控制。
为进一步精确控制车辆行驶速度，第一前轮、第二前轮、第一后轮和第二后轮均设置有转速传感器，以用于检测、记录对应车轮的当前转速，并把转速数据输入至扭矩计算模块，扭矩计算模块能根据车轮的转速数据计算第一扭矩和第二扭矩。转速传感器可以记录车辆的当前运行状态，第一电力驱动组件和第二电力驱动组件提供的扭矩能根据所检测的单个车轮的转速来计算，车辆调整转向以车辆速度调整的转向和扭矩调整的转向的组合计算方式。如果与后轴相关的机械驱动轮的圆周速度大于前轮的圆周速度，则前轮上的扭矩将重新调节所有车轮相对于彼此和前轮的圆周速度，以增加前轴的驱动力分配，保证车辆平稳运行。如果前轮以比后轮更大的圆周速度旋转，则减小前轮的扭矩。为了保证车辆平稳运行，通过上述调节方式使两个驱动轴上的车轮的圆周速度之间的差最小。而转弯期间，弯道外侧的车轮比弯道内侧的车轮可以具有更高的圆周速度，以防止转向角过大导致第一前轮和/第二前轮产生制动扭矩，影响车辆的正常转弯。
为了更加平稳的控制车辆前进状态，本发明技术方案通过非线性方式控制第一电力驱动组件和第二电力驱动组件，以对应的输出非线性变化的第一扭矩和第二扭矩，以实现针对不同转向路径弯道半径时最佳的力矩以及最优轮胎磨损。
本发明技术方案中车辆期望转向包括直行、蟹行、大半径和零半径转向，以保证车辆能够适应于不同的地形和路况，提高车辆的通过性，进而提升车辆的性能。
在车辆实际进行过程中，往往要应对各种不同的地形和路况，包括但不限于大直径弯道、小直径弯道、上坡路段、下坡路段、易结冰路段、大风路段等。在应对上述地形和路况时，尤其着重需要考虑车辆行驶的稳定性与安全性。为应对该问题，还包括导航系统，具体采用北斗导航系统，导航系统能把预设行驶路线路况信息反馈给车辆控制系统内，包括不限于道路的弯道信息、上下坡信息、结冰信息等；在进入大直径弯道路段，通过模块化独立驱动桥，在保证弯道外侧前轮圆周速度大于弯道内侧前轮的圆周速度的前提下，通过模块化独立驱动桥控制弯道外侧车轮对应的电力驱动组件非线性增大扭矩，同时控制弯道内侧车轮对应的电力驱动组件非线性减小扭矩，进而使车辆获取较小的转弯半径，防止车辆在大直径弯道高速行驶时由于离心力的作用而被甩出车道，造成侧滑或侧翻；而通过上述方式获得更优的较小转弯半径，更利于车辆通过小直径弯道，进而提高车辆应对各种路况的通过性。
进一步的，在上述调整弯道外侧前轮和内侧前轮扭矩的过程中，还应当考虑车辆在弯道行驶时的附着力，比如行驶在结冰的弯道路况；还包括车辆附着力计算模块。其中车辆附着力计算模块能够根据测得车身重量、设置的轮胎特性参数(包括但不限于轮胎的材质、类型、胎压、纹路等)、路面情况(包括但不限于湿滑、结冰、路面材质等)等与车辆附着力相关参数，计算车辆在该路况下的附着力。在上述通过模块化独立驱动桥通过电力驱动组件非线性控制弯道外侧车轮扭矩增大且弯道内侧车轮减小以获得较小转弯半径的同时，保证电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力不大于附着力，以防止车轮打滑而产生侧翻，提高车辆行驶的安全性。
进一步的，还应当考虑本方案中的转向系统在不同类型车辆通过转弯爬坡路况时的驱动力的问题，因为弯道的坡度会使附着力发生变化。按着上述描述，通过模块化独立驱动桥通过电力驱动组件非线性控制弯道外侧车轮扭矩增大且弯道内侧车轮减小以获得较小转弯半径且保证电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力不大于附着力的基础上，在转弯爬坡路段，导航系统能把弯道的坡度参数反馈给控制系统，控制系统把坡度参数传入车辆附着力计算模块中，车辆附着力计算模块进一步计算纳入坡度参数后的车辆附着力，进而计算出车辆最终的附着力，以使得模块化独立驱动桥通过电力驱动组件非线性控制弯道外侧车轮扭矩增大且弯道内侧车轮减小以获得较小转弯半径的同时，保证电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力不大于附着力，同时控制电力驱动组件输出的扭矩产生的驱动力的大小，使得车辆具有足够的驱动力以牵引车辆在拐弯的同时平稳的爬坡，最终顺利通过上述路段。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：
所述转向系统具有第一前轮和第二前轮，所述第一前轮和第二前轮分别连接第一半轴和第二半轴，所述第一半轴和第二半轴分别具有第一电力驱动组件和第二电力驱动组件；
所述第一电力驱动组件具有第一扭矩，所述第二电力驱动组件具有第二扭矩，所述第一电力驱动组件和第二电力驱动组件组成模块化独立驱动桥；
所述第一电力驱动组件通过所述第一半轴单独驱动所述第一前轮，所述第二电力驱动组件通过所述第二半轴单独驱动所述第二前轮。
2.根据权利要求1所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：所述转向系统具有第一后轮和第二后轮，所述第一后轮和第二后轮由车辆机械驱动组件驱动。
3.根据权利要求2所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：还包括扭矩计算模块，所述第一扭矩和第二扭矩根据车辆所需操作状态决定；具体地，所述扭矩计算模块根据车辆实际行驶状态和期望行驶状态计算得出所述第一扭矩和第二扭矩。
4.根据权利要求3所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：还包括偏航传感组件，所述偏航传感组件能够检测出车辆偏航数据，并将所述车辆偏航数据输入至所述扭矩计算模块，所述扭矩计算模块还根据所述车辆偏航数据计算所述第一扭矩和第二扭矩。
5.根据权利要求1所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：所述第一电力驱动组件和第二电力驱动组件均包括大功率异步电机。
6.根据权利要求4所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：所述第一前轮、第二前轮、第一后轮和第二后轮均设置有转速传感器用于检测车轮当前转速，转速数据被输入至所述扭矩计算模块，所述扭矩计算模块还根据车轮的转速数据计算所述第一扭矩和第二扭矩。
7.根据权利要求5所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：通过非线性方式控制所述第一电力驱动组件和第二电力驱动组件，以实现针对不同转向路径弯道半径时的最优轮胎磨损。
8.根据权利要求7所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：通过设定所述第一扭矩和第二扭矩的差值，能够实现车辆期望转向。
9.根据权利要求8所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：所述车辆期望转向包括直行、蟹行、大半径和零半径转向。
10.根据权利要求9所述的一种基于模块化独立驱动桥的车辆转向系统，其特征在于：还包括导航系统，所述导航系统能把预设行驶路线路况信息反馈给车辆控制系统。
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