CN207631329U - 一种基于电助力的多轮转向系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于电助力的多轮转向系统,包括前桥和其它桥,前桥采用桥转向形式,即左右轮通过主横拉杆连接,其他桥采用轮独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,各桥之间无杆系连接;前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器。本实用新型以电动转向器为核心执行部件,无需液压管路,结构简单,空间占用少;桥转向单元与轮独立转向单元配合和实现多种转向形式,转向机动性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及轮式车辆转向技术领域,适用于采用独立悬架的分布式电驱动多轴车辆。
背景技术
分布式电驱动车辆可以通过差速实现转向,但存在高速稳定性差,控制精度低,轮胎磨损严重等问题。目前,多轴车辆一般采用液压式和电控液压式多轮转向系统,如专利“CN 201721498 U一种大型专用运输车辆多轮转向装置”采用液压缸和电液比例阀的形式,专利“CN 203427870 U一种多模式多轮转向装置”采用电控液压的形式。以上方案存在液压管路复杂,杆系较多,空间占用大等问题。
对于电助力的方式,专利CN203186409U也是采用电助力的形式,但是专利CN203186409U存在多轮独立转向、专利CN203186409U未提及行走驱动与转向驱动间的匹配等缺陷。
实用新型内容
为解决现有技术存在的上述问题,本实用新型设计一种采用电助力的形式,以电动转向器为核心执行部件,具有结构简单,空间占用少的特点,可实现多种灵活的转向形式,提升车辆的转向机动性。
为了实现上述目的,本实用新型的技术方案如下:
一种基于电助力的多轮转向系统,包括前桥和其它桥,前桥采用桥转向形式,即左右轮通过主横拉杆连接,其他桥采用轮独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,各桥之间无杆系连接;前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器。
作为优选,所述前桥转向单元包括第一节臂、第一副横拉杆、第一摇臂、主横拉杆、电动转向器、立轴、第二摇臂、第二副横拉杆、第二节臂;第一节臂通过螺栓与轮边转向节相连,第一副横拉杆两端通过球头销与第一节臂和第一摇臂相连,第一摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连,主横拉杆通过球头销与第一摇臂和第二摇臂相连,立轴的一端通过花键与第二摇臂相连,立轴的另一端安装在车体附座上。
作为优选,其它桥转向单元采用独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,独立转向单元主要包括节臂、副横拉杆、摇臂和电动转向器,节臂通过螺栓与轮边转向节相连,副横拉杆两端通过球头销与节臂和摇臂相连,摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连。
作为优选,所述其它桥包括后桥。
作为优选,所述其它桥包括后桥和中桥。
作为优选,包括转向控制器,转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令,或通过方向盘输入转向指令,转向控制器根据控制策略,控制伺服电机驱动器,伺服电机驱动器驱动转向伺服电机,经减速机构减速增距后驱动摇臂转动,摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂,最终推动车轮,实现转向。
作为优选,包括如下步骤:
步骤一、故障检测,检测系统是否存在故障,如果存在故障,系统中断向下执行并将故障代码上传至上位计算机,如果无故障,程序向下执行;
步骤二、转向指令及车辆状态读取,系统读取方向盘或是上位机发出的转角指令,同时由总线读取车辆运行状态信息;
步骤三、模式判别,依据控制策略,选择转向模式,基于转向模式,向各转向单元发送对应的转角指令;
步骤四、命令执行及状态反馈,各转向单元由电动转向器执行转角命令,同时绝对角度传感器检测实际的转角值,并将该转角值反馈,形成闭环。
作为优选,所述多轮转向系统应用于两轴车辆,采取如下策略:
转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令,转角φ,或通过方向盘输入转角指令φ,转向控制器依据控制策略向各转向单元发出转角指令,前桥转向器转角为φf,后轮转向器转角为φlr,后轮转向器转角为φrr,转向控制器根据如下数据判断是否达到目标值,即完成转向过程:
原地转向模式:此时各转向角为0,由驱动电机差速实现转向。
φf=φlr=φrr=0
前桥转向模式:
φf=if·φ,if为转动比
φlr=φrr=0
多轮转向模式:
φf=if·φ,if为前桥传动比
φlr=ilr·φ,ilr为左后轮转向单元传动比
φrr=irr·φ,irr为右后轮转向单元传动比
作为优选,所述多轮转向系统应用于三轴车辆,采取如下策略:
B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离,L1、L2、L3为各轴到瞬心的距离,R1in、R2in、R3in为各轴内侧车轮转弯半径,R1out、R2out、R3out为各轴外侧车轮转弯半径,α为前桥外侧车轮转角,β为前桥内侧车轮转角,x、y分别为瞬心到内侧车轮、质心的距离。
w1in、w2in、w3in为各轴内侧车轮角速度,w1out、w2out、w3out为各轴外侧车轮角速度,m、n分别为前后轴轴距,令R1out=R,由几何运动关系可得:
与现有技术相比较,本实用新型的具有如下的优点:
1)以电动转向器为核心执行部件,无需液压管路,结构简单,空间占用少;
2)桥转向单元与轮独立转向单元配合和实现多种转向形式,转向机动性高;
3)可用于两轴或多轴车辆,有人车辆与无人车辆,扩展性好;
4)通过控制策略,有车轮独立驱动与转向的匹配算法,可保证各转向轮间的同步协调,高速稳定性好,轮胎磨损小。
相对于专利CN203186409U等现有技术的优点在于:
1)专利CN203186409U是多轮独立转向,独立转向的不足在于高速稳定性底,本专利是前桥转向与独立转向的组合,高速时采用前桥转向,稳定性好;
2)本专利以电动转向器为核心执行部件,专利CN203186409U的转向驱动机构未指明什么形式;
3)专利CN203186409U车轴处装有角度传感器、位置传感器、速度传感器,占用轮舱空间大,防护性差,本专利将角度传感器集成在电动转向器中,防护性好。
4)专利CN203186409U未提及行走驱动与转向驱动间的匹配,若二者不协调,会造成轮胎磨损。本专利有车轮独立驱动与转向的匹配算法,减小轮胎磨损。
附图说明
图1为本实用新型的前桥转向示意图;
图2为本实用新型的其它桥转向示意图;
图3是本实用新型的转向控制器结构示意图;
图4为本实用新型的3轴车为例的转向形式示意图;
图5为本实用新型的控制流程图;
图6为本实用新型的三轴车转向模型图。
其中,节臂1、副横拉杆2、摇臂3、主横拉杆4、电动转向器5、立轴6、摇臂7、副横拉杆8、节臂9;
节臂11、副横拉杆12、摇臂13、电动转向器15。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
如图1-2所示,一种基于电助力的多轮转向系统,包括前桥和其它桥,前桥采用桥转向形式,即左右轮通过主横拉杆4连接,其他桥采用轮独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,各桥之间无杆系连接;前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器5,15。
本实用新型桥转向单元与轮独立转向单元配合和实现多种转向形式,转向机动性高,高速时采用前桥转向,稳定性好;若采用各轮独立转向的形式,如专利CN203186409U,高速稳定性差,对控制系统的控制精度要求高,专利CN203186409U主要应用叉车,速度较低。采用前桥转向+其它轮独立转向,特点是高速稳定性高,可用于高速车辆。本专利中,高速时采用前桥转向,此时独立转向单元锁止,若均采用独立转向,对越野车辆而言,前桥的冲击载荷较大,一般需配有机械锁止机构,系统相对复杂。若全部采用桥转向单元,则存在转向结构复杂,转向控制不方便。
本实用新型以电动转向器为核心执行部件,无需液压管路,结构简单,空间占用少。
作为优选,前桥转向单元主要包括节臂1、副横拉杆2、摇臂3、主横拉杆4、电动转向器5、立轴6、摇臂7、副横拉杆8、节臂9等组成。节臂1通过螺栓与轮边转向节相连,副横拉杆2两端通过球头销与节臂1和摇臂3相连,摇臂3通过花键与电动转向器5的输出轴相连,主横拉杆4通过球头销与左右摇臂3和7相连,立轴6的一端通过花键与摇臂7相连,另一端安装在车体附座上。
作为优选,电动转向器主要包括转向伺服电机、循环球机械转向器、角度传感器等。本专利将角度传感器集成在电动转向器中,节省空间,防护性好
作为优选,其它桥转向单元采用独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,独立转向单元主要包括节臂11、副横拉杆12、摇臂13、电动转向器15。节臂11通过螺栓与轮边转向节相连,副横拉杆12两端通过球头销与节臂11和摇臂13相连,摇臂13通过花键与电动转向器15的输出轴相连。
作为优选,所述其它桥包括后桥。即所述车辆为两轴车辆。
作为优选,所述其它桥包括后桥和中桥,例如如图3所示。即所述车辆为三轴或者三轴以上的车辆。
因此,本实用新型可以广泛应用于多轴车辆,有人车辆与无人车辆,扩展性好。
作为优选,参见图3,包括转向控制器,转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令,或通过方向盘输入转向指令,转向控制器根据控制策略,控制伺服电机驱动器,伺服电机驱动器驱动转向伺服电机,经减速机构减速增距后驱动摇臂转动,摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂,最终推动车轮,实现转向。
本专利公开的多轮转向系统采用桥转向和轮独立转向相结合的形式,前桥采用桥转向形式,即左右轮通过主横拉杆连接,内外轮转角满足阿克曼原理,其他桥采用轮独立转向形式,各桥之间无杆系连接,减少空间占用。
转向系统工作原理为:转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令,或通过方向盘输入转角指令,转向控制器根据控制策略,控制伺服电机驱动器,伺服电机驱动器驱动转向伺服电机,经减速机构减速增距后驱动摇臂转动,摇臂经主横拉杆、副拉杆、转向节臂,最终推动车轮,实现转向。角度传感器采集当前转向角度信息并反馈给转向控制器,形成闭环控制。
转向控制器主要包括转向中央处理单元(转向ECU)、伺服电机驱动单元等,主要完成车轮协同控制,整车动力学计算,转向系统状态检测与管理,电动转向器的驱动以及与上位机的信息交换等功能。电动转向器为转向执行机构,包括转向伺服电机、循环球机械转向器、角度传感器等。转向杆系为转向传动机构,包括摇臂、拉杆、节臂等。
该方案可现实前桥转向、前后桥同向转向、前后桥逆向转向、蟹行转向。低速时,为减小转弯半径,采用前后桥逆向转向形式;在狭小地区、巷道等特殊工况采用前后桥同向转向形式;高速行驶时,为保证行驶安全性,采用前桥转向形式,此时后桥锁止。
作为优选,如图5所示,包括如下步骤:
步骤一、故障检测,检测系统是否存在故障,如果存在故障,系统中断向下执行并将故障代码上传至上位计算机,如果无故障,程序向下执行;
步骤二、转向指令及车辆状态读取,系统读取方向盘或是上位机发出的转角指令,同时由总线读取车辆运行状态信息;
步骤三、模式判别,依据控制策略,选择转向模式,基于转向模式,向各转向单元发送对应的转角指令;
步骤四、命令执行及状态反馈,各转向单元由电动转向器执行转角命令,同时绝对角度传感器检测实际的转角值,并将该转角值反馈,形成闭环。
转向系统通过控制策略可实现前桥转向、多轮转向、原地转向三种转向模式。助力转向模式即前桥阿克曼转向,适用于车速较高情况;多轮转向模式,此时转向半径最小,转向机动性强,需配合电机控制策略;原地转向即转向半径为零的转向。
作为优选,多轮转向系统应用于两轴车辆,采取如下工作过程:转向控制器通过总线接受上位机发出的转向指令,转角φ,或通过方向盘输入转角指令φ,转向控制器依据控制策略向各转向单元发出转角指令,前桥转向器5转角为φf,后轮转向器14转角为φlr,后轮转向器18转角为φrr,同时依据动力学模型,计算各驱动轮期望转速,并由总线传至驱动控制单元,各电动转向器中的角度传感器检测是否达到目标值,若达到目标值,即完成转向过程。
目标值如下:
原地转向模式:此时各转向角为0,由驱动电机差速实现转向。
φf=φlr=φrr=0
前桥转向模式:
φf=if·φ,if为转动比
φlr=φrr=0
多轮转向模式:
φf=if·φ,if为前桥传动比
φlr=ilr·φ,ilr为左后轮转向单元传动比
φrr=irr·φ,irr为右后轮转向单元传动比
为减小轮胎磨损,提升操纵稳定性,各驱动轮转速需要转向单元匹配,匹配模型。
如图6所示,以3轴车辆为例。图中,B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离,L1、L2、L3为各轴到瞬心的距离,R1in、R2in、R3in为各轴内侧车轮转弯半径,R1out、R2out、R3out为各轴外侧车轮转弯半径,α为前桥外侧车轮转角,β为前桥内侧车轮转角,x、y分别为瞬心到内侧车轮、质心的距离。
w1in、w2in、w3in为各轴内侧车轮角速度,w1out、w2out、w3out为各轴外侧车轮角速度,m、n分别为前后轴轴距,令R1out=R,由几何运动关系可得:
可以看出,各轮的角速度与轮距、轴距、转弯半径、转角有确定的函数关系。轮距、轴距参数是整车参数,为常数。转向ECU接到的上位机指令一般为曲率或转角,因此,利用阿克曼差速转向模型,就可得到各轮间的差速匹配关系。通过上述的公式,本专利提出了车轮独立驱动与转向的匹配算法,减小轮胎磨损。
虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上,但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本实用新型的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (5)
1.一种基于电助力的多轮转向系统,包括前桥和其它桥,其特征在于,前桥采用桥转向形式,即左右轮通过主横拉杆连接,其他桥采用轮独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,各桥之间无杆系连接;前桥转向单元和其它桥转向单元分别设置独立的电动转向器。
2.如权利要求1所述的基于电助力的多轮转向系统,其特征在于,所述前桥转向单元包括第一节臂、第一副横拉杆、第一摇臂、主横拉杆、电动转向器、立轴、第二摇臂、第二副横拉杆、第二节臂;第一节臂通过螺栓与轮边转向节相连,第一副横拉杆两端通过球头销与第一节臂和第一摇臂相连,第一摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连,主横拉杆通过球头销与第一摇臂和第二摇臂相连,立轴的一端通过花键与第二摇臂相连,立轴的另一端安装在车体附座上。
3.如权利要求1所述的基于电助力的多轮转向系统,其特征在于,其它桥转向单元采用独立转向形式,每个转向车轮装有独立转向单元,独立转向单元主要包括节臂、副横拉杆、摇臂和电动转向器,节臂通过螺栓与轮边转向节相连,副横拉杆两端通过球头销与节臂和摇臂相连,摇臂通过花键与电动转向器的输出轴相连。
4.如权利要求1-3之一所述的基于电助力的多轮转向系统,其特征在于,所述其它桥包括后桥。
5.如权利要求4所述的基于电助力的多轮转向系统,其特征在于,所述其它桥包括后桥和中桥。
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CN201721439372.XU CN207631329U (zh) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | 一种基于电助力的多轮转向系统 |
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CN107826164A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-03-23 | 中国北方车辆研究所 | 一种基于电助力的多轮转向系统及控制方法 |
CN113650674A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-16 | 上海西井信息科技有限公司 | 无人车功能组件的多轴转向系统、方法、设备及存储介质 |
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CN107826164B (zh) * | 2017-11-01 | 2023-11-10 | 中国北方车辆研究所 | 一种基于电助力的多轮转向系统及控制方法 |
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