CN202320495U - 双电机前轮独立驱动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

一种双电机前轮独立驱动助力转向系统，由转向器总成、等速万向传动轴、驱动电机、驱动转向轮、主销、控制器、方向盘转矩转角传感器等组成。转向器总成由转向器齿轮连接转向器齿条组成，在转向轴上安装方向盘转矩转角传感器；驱动电机通过等速万向传动轴与转向驱动轮连接；控制器由左、右电机控制器和整车控制器组成，整车控制器与电机控制器之间通过CAN总线连接，整车控制器接收来自传感器信号，左右电机控制器输出线分别与左右电机连接。根据驾驶人员的转向信号，通过分配左右转向轮的驱动转矩，利用产生的驱动转矩差值实现助力转向的作用，从而解决转向轻便性问题，并且充分考虑驾驶人员的路感。

Description

双电机前轮独立驱动助力转向系统

技术领域

本实用新型涉及一种电动汽车的转向系统，尤其涉及电动汽车的助力转向系统。 

技术背景

专利申请号：US20070051554(A1)，专利名称为“Differential steering assist system for utility vehicle”公开了一种应用于非公路多功能车的差动转向辅助系统(Differential SteeringAssist System)。该系统是依赖于检测到的前轮转向角位置及两个后驱动轮的转速信号，实时控制内侧后驱动轮的转速来为前轴转向轮提供转向辅助的。这种转向干预方法在该多功能车后轴载重量较大时改善了车辆的转向性能，增强了入弯出弯能力。 

专利申请号：CN200720184281.6，专利名称为“超小型电传差动转向装置”公开了一种超小型电传差动转向装置，包括主动力输入轴(10)、左右两个转向电机(30，40)、左右动力输出轴(70，80)，其特征在于：该装置还包括电机PWM控制器(20)、零轴换向器(90)和左右两个行星式机械差动机构(50，60)，其中左右两个转向电机(30，40)分别安装在左右两个行星式机械差动机构(50，60)上，且左右两个转向电机(30，40)为并联连接，两者之间设置电机PWM控制器(20)，主动力输入轴(10)与左右两个行星式机械差动机构(50，60)连接，左右动力输出轴(70，80)分别设置在左右两个行星式机械差动机构(50，60)上。该实用新型综合了电机良好的控制性和行星差动机构动作准确的特性，同时还使系统在一定程度上得到了简化，使系统的可靠性和稳定性得以加强。 

使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。现有的动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的体力和发动机(或电动机)，其中发动机(或电动机)占主要部分，通过转向加力装置提供。 

目前绝大多数商用汽车及现代轿车绝大多数都配备有动力转向，其主要原因为减轻低速行驶和原地转向的驾驶员转向负担，以及减轻中等车速下急速转向时的手力。另一方面，动力转向也提高了行驶安全性，主要表现在避障时和一侧轮胎爆裂时的驾驶员转向操作情况。而提供这种辅助转向动力的方式也是各式各样，其代表性的有液压助力转向、电控液压助力转向、电动液压助力转向、电动助力转向、以及主动前轮转向和线控转向技术等。 

液压助力转向助力效果明显、平滑，有效的减轻了驾驶员转向操作时的体力负担。但其存在助力特性难以调节，能耗大，液压元件繁多，渗油造成的环境污染和对工作环境要求高等缺点。随之出现的电控液压助力转向，改进了液压助力转向助力特性难以调节的缺点，使助力大小可以随车速调节，提高了高速行驶时的转向路感和行驶稳定性。但其本质还是液压助力转向，所以仍具备一些缺点。线控转向技术，由于没有机械机构的连接，精确的路感回馈和稳定可靠的转向角控制以及法律法规的限制仍是约束其推广应用的主要原因。 

Francis B.Hoogterp和William R.Meldrum，Jr.首次用差动转矩转向(Differential Steering)的概念命名车轮独立驱动的轮式军用车辆的滑动转向系统，它由传统履带车辆的滑动转向系统发展而来，是对车辆行走速度和全地面通过性要求的折中。但是，该系统只是应用在不具备可转向车轮的军用装甲车等要求大的乘员空间和载货空间的其他车辆上。W.Li针对没有转向机构的 车轮转矩可独立控制的四轮驱动电动车，同样借鉴履带车辆的滑动转向，提出了基于差动转矩集成控制的助力转向方法，仿真结果表明具备该功能的轮式车辆与传统前轮转向的车辆行驶轨迹接近。但是在大曲率路径跟踪，及在考虑轮胎滑转控制及横摆补偿控制的时候，转弯半径较传统前轮转向有较大增加。以上差动驱动都是滑动转向的概念的延伸，都是应用在无机械几何转向机构的轮式驱动车辆上的实例，并非是利用左右轮驱动转矩差来提供转向助力的例证。 

以上提到的研究者的文章或专利都只是利用某个驱动轴的差动驱动或差动制动来辅助和校正转向特性的，而并非利用这种差动转矩来为驾驶员转向时提供助力，从而提高转向轻便性，可以说与本实用新型双电机前轮独立驱动主力转向系统不一致，但是对于本实用新型有很大的启发、指导意义。本实用新型提出了新的转向方法，用于有转向机构的车辆，通过左、右转向驱动轮的驱动力矩差和转向梯形机构的约束使各转向驱动轮绕各自主销转动形成协调的转向角而使车辆转向行驶，无需增加额外辅助机构，转向机构简单，转向能耗小，稳定性强。 

发明内容

本实用新型的目的是，设计一种用于实现由双电机前轮独立驱动电动汽车的助力转向系统，在原有的机械转向机构和双电机前轮驱动机构条件下，无需增加额外动力机构；根据驾驶人员的转向信号，利用产生的驱动转向力矩差实现助力转向的作用，从而解决转向轻便性问题，并且充分考虑驾驶人员的路感。 

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案： 

一种双电机前轮独立驱动助力转向系统，是由转向器总成、等速万向传动轴、驱动电机、驱动转向轮、主销、控制器、方向盘转矩转角传感器等组成，其特征在于：转向器齿轮连接转向器齿条组成转向器总成，方向盘转矩转角传 感器安装在转向轴上，左驱动电机通过左等速万向传动轴与左转向驱动轮连接，右驱动电机通过右等速万向传动轴与右转向驱动轮连接；所述控制器由左驱动电机控制器、右驱动电机控制器和整车控制器组成，整车控制器与驱动电机控制器之间通过CAN总线连接，左驱动电机控制器通过输出线与左驱动电机连接，右驱动电机控制器通过输出线与右驱动电机连接，转矩协调模块与助力控制模块组成整车控制器，转矩协调模块与助力控制模块通过信号线连接，仪表盘连接到助力控制模块。 

根据所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的控制器由左驱动电机控制器、右驱动电机控制器和整车控制器组成。 

根据所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的整车控制器由转矩协调模块与助力控制模块组成，整车控制器接收方向盘转矩转角传感器信号。 

根据所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的转向器总成连接转向轴，在转向轴上安装了方向盘转矩转角传感器用以测量驾驶员的转向转矩和转向角输入。 

根据所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的左驱动电机通过左等速万向传动轴与左驱动转向轮连接，所述的右驱动电机通过右等速万向传动轴与右驱动转向轮连接，实现独立直接驱动的结构形式。 

根据所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的左驱动电机控制器与所述的右驱动电机控制器的输出信号是相互独立的，并独立而直接控制左、右驱动电机。 

根据所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的CAN总线，是把整车控制器，左、右驱动电机控制器，左、右驱动电机之间采用CAN 总线连接，整车控制器接收方向盘转矩转角传感器测量的驾驶员操纵方向盘信号、车速仪表盘的行驶速度信号、加速信号。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为本实用新型控制策略示意图。 

附图中：1、左驱动转向轮，2、左主销，3、左横拉杆，4、转向器齿条，5、方向盘，6、转向轴，7、方向盘转矩转角传感器，8、转向器齿轮，9、右横拉杆，10、右主销，11、右驱动转向轮，12、整车控制器，13、左驱动电机控制器，14、右驱动电机控制器，15、右驱动电机，16、右等速万向传动轴，17、CAN总线，18、左驱动电机，19、左等速万向传动轴，20、仪表盘，21、转矩协调模块，22、助力控制模块。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本实用新型做进一步说明。 

本实用新型的双电机前轮独立驱动助力转向系统，如附图1、图2所示，其中包括：左驱动转向轮1、左主销2、左横拉杆3、转向器齿条4、方向盘5、转向轴6、方向盘转矩转角传感器7、转向器齿轮8、右横拉杆9、右主销10、右驱动转向轮11、整车控制器12、左驱动电机控制器13、右驱动电机控制器14、右驱动电机15、右等速万向传动轴16、CAN总线17、左驱动电机18、左等速万向传动轴19、仪表盘20、转矩协调模块21、助力控制模块22。 

装配关系： 

转向器齿轮8与转向器齿条4通过齿轮辐连接，组成转向器总成；方向盘5经转向轴6连接到转向器总成，方向盘转矩转角传感器7安装在转向轴6上，用 来检测转向盘上的转矩大小和方向，方向盘转矩转角传感器7通过电线连接整车控制器12；转向器齿条4的左端连接左横拉杆3，转向器齿条4的右端连接右横拉杆9，左横拉杆3通过左主销2连接左驱动转向轮1，右横拉杆9通过右主销10连接右驱动转向轮11，使得左驱动转向轮1可以围绕左主销2转动，右驱动转向轮11可围绕右主销10转动；左驱动电机18固定在车体上，右驱动电机15固定在车体上；左驱动转向轮1经左等速万向传动轴19与左驱动电机18的输出轴连接，右驱动转向轮11经右等速万向传动轴16与右驱动电机15的输出轴连接；左驱动电机控制器13通过CAN总线17与左驱动电机18连接，右驱动电机控制器14通过CAN总线17与右驱动电机15连接；整车控制器12上的电源接口与12V直流电源连接，所述的12V直流电源是12V蓄电池，电压是10.5V-14.8V；整车控制器12通过电线连接左驱动电机控制器13，整车控制器12通过电线连接右驱动电机控制器14，方向盘转矩转角传感器7通过信号线与整车控制器12连接；转矩协调模块21与助力控制模块22组成整车控制器12，转矩协调模块21与助力控制模块22通过信号线连接，仪表盘20连接到助力控制模块22。控制器由左驱动电机控制器13、右驱动电机控制器14和整车控制器12组成，整车控制器接12收方向盘转矩转角传感器7测量的驾驶员操纵方向盘信号、车速仪表盘20的行驶速度信号、加速信号。 

本实用新型对比已有技术具有以下优点效果： 

本实用新型双电机前轮独立驱动助力转向系统，特别适合在原地转向或非常低速大角度转弯的情况下助力，克服了转弯半径大，转弯空间不足，转向力不够的问题，效果明显。 

当车辆驱动转弯时，整车控制器12依据检测到的转向盘转矩转角信号以及车速信号，并依据一定控制规律共同决定左、右驱动转向轮转矩差，并通过CAN 总线将最初的分配转矩指令发送到左、右两个驱动电机控制器13、14控制左、右驱动电机18、15输出相应转矩，产生转矩差值实现助力。由驱动转矩差产生的助力与推动转向横拉杆的驾驶员转向手力之和，按照转向几何约束克服转向轮回正力矩及转向系摩擦力矩产生所需的转向轮转角，实现驱动助力转向。 

由于电动轮驱动汽车各轮可独立驱动，使其驱动转矩可以按任意比例进行控制。驱动助力转向技术利用这一特点，根据理想转向手力特性，通过分配左右转向轮的驱动转矩控制其与实际转向手力的差值从而减小转向时驾驶员手力。这一技术使电动轮驱动汽车在不增加任何转向助力机构的前提下实现了可与电动助力转向相比的转向助力性能。 

对于电动轮驱动汽车，所提出的差动助力转向方法满足了转向轻便和驾驶路感要求，可以在保留传统机械转向系的前提下，应用于前轮独立驱动的电动汽车，提高电动轮汽车整车性能优势并降低成本。 

在传统汽车上采用电动助力转向已成为转向助力技术的发展趋势以获得良好的转向性能，而电动轮驱动汽车的驱动助力转向技术可实现与电动助力转向相同的转向性能，而且该技术可与电动轮驱动汽车的其他底盘控制技术如主动稳定性控制等集成从而提高汽车主动安全性。该技术在电动轮驱动汽车具有广阔应用前景。 

本实用新型对比已有技术具有以下创新点： 

本实用新型的双电机前轮独立驱动助力转向系统，主要用于双电机前轮独立驱动型电动汽车的助力转向系统。所述的双电机直接驱动前转向轮，所述的左右电机由两个相同规格的控制器分别控制，在同一电源下、由同一整车控制器控制各控制器，实现了双电机独立而直接驱动方式。根据电动轮汽车的各轮独立直接驱动(电机转速转矩与车轮获得的转速转矩相同)特点，汽车在转向运 动时，通过控制器控制左右转向轮的驱动转向力矩的分配，将可以利用驱动转向力矩产生的转向的作用提供助力，它与驾驶员输入转向力矩一起克服车轮的回正力矩及转向系摩擦力矩，产生驾驶员期望的车轮转向角，完成助力过程。从而解决转向轻便性问题。 

本实用新型的设计原理如下： 

本实用新型的电动汽车采用双电机前轮独立驱动，总质量为m＝1200kg，最小转弯半径：Rmin＝10m，质心高度H＝0.55m，轮距为B＝1.380m，轴距为L＝2.340m，驱动轮半径为r＝0.26m，主销内倾角α＝5°，主销偏置b＝50mm。 

本实用新型的参数确定 

(1)转向盘最大输入转矩T_dmax

受驾驶员极限体力的限制，T_dmax一般不能过大，国家标准规定转向盘的最大切向力不能大于50N。另外，还需要根据驾驶员对转向轻便性的要求确定出合理的数值，取T_dmax＝7Nm 

(2)转向阻力矩值T_R

汽车原地转向时，转向阻力矩最大，一般根据该阻力矩确定最大助力电流。原地转向阻力矩值可通过试验测得，也可通过经验公式计算获得。在沥青或者混凝土路面上转向轮绕主销最大阻力矩经验计算公式为 

$T_R=\frac{f}{3}\sqrt{\frac{G_1^3}{p}}$

式中：f为轮胎与路面间的滑动摩擦系数，一般取0.7；G₁为汽车前轴负荷，单位N；P为轮胎气压，单位MPa。 

(3)转向柱受力形成扭矩T_s

研究的驱动助力转向系统是转向柱助力式转向系统，驾驶员手力T_sw通过方向盘施加到转向轴的上部；驱动助力T连接机构加到转向轴的下部，旋转方向与 T_sw相同；路面阻力T_R由传动结构作用于转向轴的下部，旋转方向与T_sw相反；转向轴上的扭矩传感器反映了转向轴的形变，转向轴上、下部的作用力矩差值决定转向柱的形变角Δ，扭矩T_s由角度Δ决定。 

当T_sw增大，Δ增大，T_s增大；当T增大，Δ减小，T_s减小；当T_R增大，Δ增大，T_s增大。即：在转向柱上，T_s＝T_sw+T_R-T 

(4)助力特性的确定 

助力特性是指转向盘转矩与助力转矩(或助力电流)之间的关系。直线型形式简单，容易调节，被广泛采用。但对不同车型和不同路感要求的车辆不一定具有通用性等整个系统设计好后，在试验台或实车上进行各特征车速的路感试验，并根据实际情况对特征车速的车速系数进行修正。总的规律是：两驱动轮转矩差值ΔT′随转向手T_sw的增大而增大，ΔT′随车速V的增大而减小 

本实用新型的功能分析 

对于传统汽车，由于左右转向轮上的纵向力通常大致相等，故驱动转向力矩近似为零。在研究转向特性时一般将该力矩忽略，而对于电动轮驱动汽车，由于每个车轮的驱动力可以单独控制，故而电控单元可以通过电机控制器独立精确地控制左右驱动轮转矩产生较大差值，从而经车轮动力学及轮胎力学产生左右两侧纵向驱动力差，由于两转向轮是通过转向梯形相连接的，驱动转向力矩将会驱动两转向轮转向。因此对电动轮驱动的汽车在转向运动时，通过控制器控制左右转向轮的驱动转向力矩的分配，将可以利用驱动转向力矩产生的转向的作用提供助力，它与驾驶员输入转向力矩一起克服车轮的回正力矩及转向系摩擦力矩，产生驾驶员期望的车轮转向角，完成助力过程。从而解决转向轻便性问题。 

如图1所示，转向轮主销内倾角为α，左右转向轮主销轴线延长线与地面的交点到轮胎中线的距离即为主销偏移距为b。左右转向轮驱动力分别为F1、F2。 转向轮驱动力对主销的力矩为分别为： 

T₁＝F₁bcosα                (1) 

T₂＝F₂bcosα                (2) 

式中T₁、T₂的作用是分别驱动左右转向轮绕主销转动，这两个力矩方向相反，在有转向梯形存在的情况下，其差值是驱动两转向轮同时转向的助力力矩即 

ΔT＝T₁-T₂＝(F₁-F₂)cosα    (3) 

这里的ΔT就是本设计中所需要的转向助力力矩，当车辆转弯时，电控单元依据检测到的转向盘转矩转角信号T_s、δ_s以及通过车轮轮速信号计算得出的车速确定驾驶员驾驶意图。由此根据式(3)分配左右轮驱动转矩。驱动转矩差产生的驱动助力转向转矩与经转向器传递的驾驶员的转向转矩之和，克服转向轮转向阻力实现转向。把这种依靠转向轮驱动力实现转向助力的技术称之为驱动助力转向技术。驱动助力转向则是直接驱动转向轮绕主销转向，是对驾驶员转向手力的直接辅助，这与转向助力的概念是一致的。 

本实用新型的控制策略 

本实用新型控制策略示意图如图2所示，当车辆驱动转弯时，转矩转角传感器在驾驶员输入方向盘的转矩Tsw、转向阻力矩T_R作用下输出转矩信号Ts和转角信号δs，助力控制模块接受来自仪表盘的车速信号v和转矩转角传感器的转矩信号Ts和转角信号δs，助力控制模块依据制定好的助力特性图给出对应于Ts和v的左右转向轮目标驱动转矩差ΔT′，再经转矩协调模块判断转向盘方向来决定哪个轮增大扭矩，哪个轮减小扭矩；最终将分配好的扭矩通过左驱动电机控制器控制左电机，通过右驱动电机控制器控制右电机，以产生驱动助力转矩ΔT，实现控制转向盘手力的目的。 

Claims (7)

1.一种双电机前轮独立驱动助力转向系统，是由转向器总成、等速万向传动轴、驱动电机、驱动转向轮、主销、控制器、方向盘转矩转角传感器等组成，其特征在于：转向器齿轮连接转向器齿条组成转向器总成，方向盘转矩转角传感器安装在转向轴上，左驱动电机通过左等速万向传动轴与左转向驱动轮连接，右驱动电机通过右等速万向传动轴与右转向驱动轮连接；所述控制器由左驱动电机控制器、右驱动电机控制器和整车控制器组成，整车控制器与驱动电机控制器之间通过CAN总线连接，左驱动电机控制器通过输出线与左驱动电机连接，右驱动电机控制器通过输出线与右驱动电机连接，转矩协调模块与助力控制模块组成整车控制器，转矩协调模块与助力控制模块通过信号线连接，仪表盘连接到助力控制模块。

2.根据权利要求1所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的控制器由左驱动电机控制器、右驱动电机控制器和整车控制器组成。

3.根据权利要求1所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的整车控制器由转矩协调模块与助力控制模块组成，整车控制器接收方向盘转矩转角传感器信号。

4.根据权利要求1所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的转向器总成连接转向轴，在转向轴上安装了方向盘转矩转角传感器用以测量驾驶员的转向转矩和转向角输入。

5.根据权利要求1所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的左驱动电机通过左等速万向传动轴与左驱动转向轮连接，所述的右驱动电机通过右等速万向传动轴与右驱动转向轮连接，实现独立直接驱动的结构形式。 

6.根据权利要求1所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的左驱动电机控制器与所述的右驱动电机控制器的输出信号是相互独立的，并独立而直接控制左、右驱动电机。

7.根据权利要求1所述的双电机前轮独立驱动助力转向系统，其特征在于：所述的CAN总线，是把整车控制器，左、右驱动电机控制器，左、右驱动电机之间采用CAN总线连接，整车控制器接收方向盘转矩转角传感器测量的驾驶员操纵方向盘信号、车速仪表盘的行驶速度信号、加速信号。 

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