一种双电机耦合驱动履带车辆转向系统

摘要

本发明提供一种双电机耦合驱动履带车辆转向系统，包括控制子系统、动力子系统及机械子系统；该机械子系统包括驱动电机、离合器及制动器，制动器与履带车辆主动轮相连，其中所述机械子系统进一步包括可控耦合器、电磁离合器摩擦盘制动装置及中央电磁离合器；中央电磁离合器通过电磁离合器摩擦盘制动装置与可控耦合器相连；可控耦合器进一步与驱动电机和离合器分别相连。本发明采用可控耦合器实现双电机耦合对车辆主动轮提供能量，即利用转向所需转矩较小的一侧电机去支援转向所需转矩较大一侧的电机，采用该分配方式可以大大降低对单侧驱动电机功率的要求，因此其可以保证驱动电机能量得充分利用同时实现无极转向。

说明书

技术领域

本发明涉及一种车辆转向系统，具体涉及一种双电机耦合驱动履带车辆转 向系统。

背景技术

转向是履带车辆行驶理论中的核心问题，转向的灵活性和可控性是评价履 带车辆机动性能的重要指标。履带车辆通过转向机构使两侧履带获得不同速度 实现转向，这与轮式车辆的转向原理及转向机构有着根本的不同。履带车辆的 转向方式一般分为转向离合器-制动器转向、机械式双功率流转向、液压机械差 速转向和电子控制差速转向。双侧电机独立驱动履带车辆通常采用电子控制差 速转向，如翟丽，孙逢春，谷中丽，张承宁.《电传动履带车辆电子差速转向控 制策略》(北京理工大学学报，2009.02：13～118)；翟丽，孙逢春，谷中丽.《电子 差速履带车辆转向转矩神经网络PID控制》(农业机械学报，2009.02：1～6)。

电子控制差速转向系统转向机动性能优良，能够实现无级转向和无级调速， 其转向灵活，并具有较高的平均转向行驶速度，同时该系统没有机械换挡冲击， 驾驶员操控简单省力。但是该转向系统需要两侧电机功率较大，通常是单电机 驱动的两倍，使得电机的功率得不到充分利用。为了解决这种问题，通常采用 横轴式双电机驱动履带车辆通过中央减速器和转向电机来实现。如车辆防滑驱 动结构(美国专利，申请号6953408B2)，但是这种转向方式由于双侧电机之间 存在机械约束，很难实现无级转向，同时这种转向系统的转向稳定性没有电子 差速转向好。

发明内容

本发明的目的是针对双侧电机驱动履带车辆实现电子控制低速转向转矩过 大，中速转向和高速转向时需要单侧电机功率过大的问题，针对横轴式双侧电 机驱动履带车辆实现无级转向困难，设计出一种可减少单侧电机功率的、能够 实现无级转向的双电机耦合驱动履带车辆转向系统。

实现本发明的技术方案如下：

一种双电机耦合驱动履带车辆转向系统，包括控制子系统、动力子系统及 机械子系统；该机械子系统包括两个驱动电机、两个离合器及两个制动器，两 个制动器与履带车辆两主动轮相连，其中所述机械子系统进一步包括两个可控 耦合器、两个电磁离合器摩擦盘制动装置及中央电磁离合器；中央电磁离合器 的两端分别通过一电磁离合器摩擦盘制动装置与一可控耦合器相连；每个可控 耦合器进一步连接一个驱动电机和一个离合器；

可控耦合器接收驱动电机输出的转矩T和控制子系统传输过来的转角信号 θ，并在控制子系统的控制下，一可控耦合器对接收的转矩进行耦合，另一可控 耦合器对接收的转矩进行分配；

当控制子系统控制一可控耦合器对所述转矩T进行分配时，则该可控耦合器 根据所述θ将转矩T分配成转矩T₁和转矩T₂，并将转矩T₁传输给与其相连的离合 器，为一侧的主动轮提供能量，将转矩T₂传输给与其相连的电磁离合器摩擦盘 制动装置，并进一步通过中央电磁离合器及另一电磁离合器摩擦盘制动装置传 输给另一可控耦合器；

当控制子系统控制一可控耦合器对所述转矩T进行耦合时，则该可控耦合器 对转矩T和与其相连的电磁离合器摩擦盘制动装置传输过来的转矩T₂进行耦合， 并将耦合后的转矩传输给与其相连的离合器为另一侧的主动轮提供能量；

电磁离合器摩擦盘制动装置与中央电磁离合器共同构成一转矩传输机构； 当控制系统控制电磁离合器摩擦盘制动装置抱紧中央电磁离合器的摩擦盘，并 控制中央电磁离合器处于断开状态时，中断对转矩T₂的传输；当控制系统控制 电磁离合器摩擦盘制动装置不抱紧中央电磁离合器的摩擦盘，并控制中央电磁 离合器处于连通状态时，则实现对转矩T₂的传输。

进一步地，本发明所述控制子系统对转向所需功率进行判断，当判定转向 所需的功率小于单侧驱动电机最大功率时，则控制系统控制所述传输转矩的机 构处于断开状态，当判定转向所需的功率大于单侧驱动电机最大功率时，则控 制系统控制所述传输转矩的机构处于连通状态。

有益效果

本发明采用可控耦合器实现双电机耦合对车辆主动轮提供能量，即利用转 向所需转矩较小的一侧电机去支援转向所需转矩较大一侧的电机，采用该分配 方式可以大大降低对单侧驱动电机功率的要求，因此其可以保证驱动电机能量 得充分利用同时实现无极转向。

附图说明

图1为本实施例给出的转向系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对发明进行进一步详细说明。

本发明提供的双电机耦合驱动履带车辆转向系统，该转向系统工作的原理 为：在低功率转向时(当转向所需功率小于驱动电机最大功率时)，采用电子差 速无级转向，即驱动电机分别提供能量的形式；在高功率转向和小半径困难路 面转向时(当转向所需功率大于驱动电机最大功率时)，通过接合中央电磁离合 器，使得两侧电机的转矩通过耦合的方式实现转向。本发明两种方式的转换是 通过中央电磁离合器接通和断开来实现的，这种转向系统设计能够最大限度的 利用两侧电机功率，实现履带车辆无极转向。

如图1所示，该转向系统包括控制系统、动力系统及机械系统。

控制系统包括综合电子控制器12，加速踏板及其位移传感器16，制动踏板 及其位移传感器15，电子挡位采集单元14和方向盘及其角位移传感器13；其中 控制系统中的各器件与综合电子控制器12之间是通过信号线相连，各器件将采 集到的信号通过信号线传输给综合电子控制器12，综合电子控制器12对接收到 的信号进行处理分析，进而对车辆的各部件进行控制，该过程为现有技术。由 于本发明只涉及车辆的转向系统，所分析的信号为方向盘及其角位移传感器13 所采集的信号，因此在本实施例只对所应用到的信号进行描述，不对其它器件 所采集到的、未在转向系统中应用的信号进行逐一说明。

控制系统根据其上的方向盘及其角位移传感器13传输过来的信号生成角度 信号θ并传输给两可控耦合器4a、4b，并根据该角度信号θ控制可控耦合器4a、 4b对接收的转矩进行耦合或分配；同时控制系统进一步根据转向角度信号θ控 制对中央电磁离合器6和电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b所构成的转矩传输 机构的通断进行控制。

方向盘及其角度位移传感器13是车辆上用于采集外部操作方向盘以使履带 车辆达到期望转向装置，控制系统中的综合电子控制器12将方向盘及其角度位 移传感器13所感应到的信号转换成转向角度信号θ，根据该转向角度信号θ判 断出此时转向所需要的功率。

在现有技术中，由于驱动电机的最大功率足以满足转向的需求，因此综合 电子控制器12只需要告知两驱动电机所应输出的功率即可，但是驱动电机的功 率较大，使其功率得不到充分利用。

在本发明中为了使驱动电机的功率得到充分利用，选取较小功率的驱动电 机，同时通过综合电子控制器12根据转向角度信号θ，判断出此时转向所需的 功率是大于还是小于驱动电机的最大功率；当转向所需的功率大于驱动电机最 大功率，则其控制转向所需功率较小一侧的可控耦合器对接收的转矩进行分配， 控制转向所需功率较大一侧的可控耦合器对接收的转矩进行耦合；这样就可以 使两驱动电机之间的协同工作来实现对车轮转向的驱动，从而保证驱动电机功 率的充分利用。

动力系统包括两电机控制器8a、8b，能量变换控制单元9，能量吸收装置 10，发动机-发电机组11及电池组17；该系统与现有车辆中动力系统的组成相同， 其不为本发明的重点，因此以下仅对其进行简单说明。在动力系统中发动机-发 电机组11通过三相交流电源线将三相交流电传递给能量变化控制单元9，电池 组17将直流电通过电池组直流母线传递给能量变化控制单元9，能量变换单元9 将三相交流电源和电池组直流母线电源变换成车辆直流母线所需的直流电，能 量变化单元9可以将车辆直流母线上反馈的电能量输入电池组17，若电池组17 电量饱和则将多余的回收能量传递给能量吸收装置10，车载直流电源母线将直 流电输入两电机控制器8a、8b，两电机控制器8a、8b分别输出交流电给两驱 动电机7a、7b来实现对两驱动电机7a、7b输出转矩(此处转矩也可以称为驱动 电机的输出力)的控制。

控制系统与动力系统之间的连接关系为：综合控制器16通过第一CAN总 线N1、第二CAN总线N2、第三CAN总线N3、第四CAN总线N4、第五CAN 总线N5分别与电机控制器11a、电池组15、能量变换控制单元12、发动机发 电机组14、电机控制器11b连接；该连接关系皆为现有技术，不是本发明的重 点，因此只采用以上的连接关系对其进行简单说明。

控制系统与动力系统之间的连接关系为：综合控制器12通过CAN总线分 别与动力系统中的电机控制器8b、电池组17、能量变换控制单元9、发动机- 发电机组11等连接。该连接关系皆为现有技术，不是本发明的重点，因此只采 用以上的连接关系对其进行简单说明。

机械子系统包括两个驱动电机7a、7b、两个离合器3a、3b及两个制动器2a、 2b，两个制动器2a、2b与履带车辆两主动轮相连；该机械子系统进一步包括两 个可控耦合器4a、4b、两个电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b及中央电磁离合 器6；其中两个电机控制器8a、8b通过三相交流电源线分别控制两驱动电机7a、 7b，驱动电机与可控耦合器、离合器及制动器顺次连接，同时中央电磁离合器6 的两端分别通过一电磁离合器摩擦盘制动装置与一可控耦合器相连，每个可控 耦合器(4a、4b)进一步连接一个驱动电机和一个离合器。

控制系统与机械系统之间的连接关系为：控制系统中的综合电子控制器12 通过CAN总线分别与两个制动器2a、2b、两个电磁式离合器3a、3b、两个电磁 离合器摩擦盘制动装置5a、5b、中央电磁离合器6以及两个可控耦合器4a、4b 分别连接。

本发明机械系统中的两个可控耦合器4a、4b、两个电磁离合器摩擦盘制动 装置5a、5b及中央电磁离合器6为本发明的重点，以下对该器件进行详细说明：

可控耦合器4a、4b接收驱动电机7a、7b输出的转矩F和控制子系统传输过 来的转角信号θ，并在控制子系统的控制下，一可控耦合器对接收的转矩进行耦 合，另一可控耦合器对接收的转矩进行分配。

当控制子系统控制一可控耦合器对所述转矩T进行分配时，则该可控耦合器 根据所述θ将转矩T分配成转矩T₁和转矩T₂，并将转矩T₁传输给与其相连的离合 器，为一侧的主动轮提供能量，将转矩T₂传输给与其相连的电磁离合器摩擦盘 制动装置，并进一步通过中央电磁离合器及另一电磁离合器摩擦盘制动装置传 输给另一可控耦合器；其中，

$T_1=\frac{\theta }{{\theta }_{\max }}T$$T_2=(1-\frac{\theta }{{\theta }_{\max }})T$

其中θ_max为方向盘的最大转角。

当控制子系统控制一可控耦合器对所述转矩T进行耦合时，则该可控耦合器 对转矩T和与其相连的电磁离合器摩擦盘制动装置传输过来的转矩T₂进行耦合， 并将耦合后的转矩传输给与其相连的离合器为另一侧的主动轮提供能量。

电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b与中央电磁离合器6共同构成一转矩传 输机构；当控制系统控制电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b抱紧中央电磁离合 器6的摩擦盘，并控制中央电磁离合器6处于断开状态时，则中断对转矩F2的 传输；当控制系统控制电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b不抱紧中央电磁离合 器6的摩擦盘，并控制中央电磁离合器6处于连通状态时，则实现对转矩F2的 传输。

本发明根据转向所需功率的大小，对其具体的工作过程进行详细说明：

控制子系统对转向所需功率进行判断，当判定转向所需功率小于单侧驱动 电机最大功率时，例如转向过程中内侧轮所需的功率为P₁，外侧轮所需的功率 为P₂，驱动电机最大功率为P，且P₁和P₂均小于P，则两驱动电机可分别对两 侧轮单独提供能量，则采用电子差速转向，即控制系统控制所述传输转矩的机 构处于断开状态。综合电子控制器12通过CAN总线控制中央电磁离合器6，使 得中央电磁离合器6的左右摩擦盘断开，综合控制器12通过CAN总线分别控 制电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b，使得电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b 抱死中央电磁离合器6的左右摩擦盘输出轴，此时由控制电磁离合器摩擦盘制 动装置5a、5b和中央电磁离合器6构成的转矩传输机构处于断开状态；综合电 子控制器12通过CAN总线分别控制左右电磁离合器3a、3b接合，同时综合电 子控制器12根据转向控制策略，通过CAN总线分别向左右侧电机8a、8b发送 转向时电机的转矩信号，控制内侧电机7b输出制动转矩或牵引转矩或零转矩， 控制外侧电机7a输出牵引转矩，履带车辆通过转向机构使两侧履带获得不同速 度实现转向。

控制子系统对转向所需功率进行判断，当判定转向所需的功率大于单侧驱 动电机最大功率时，例如转向过程中内侧轮(左侧主动轮)所需的功率为P₁， 外侧轮(右侧主动轮)所需的功率为P₂，驱动电机最大功率为P，P₁＞P且P₂＜P， 则两驱动电机耦合后对两侧轮单独提供能量，则采用第二种耦合式机械差速转 向，即控制系统控制所述传输转矩的机构处于连通状态。综合电子控制器12通 过CAN总线控制中央电磁离合器6，使得中央电磁离合器6接合，同时综合电 子控制器12通过CAN总线分别控制电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b，使得 电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b松开，此时由控制电磁离合器摩擦盘制动装 置5a、5b和中央电磁离合器6构成的转矩传输机构处于接通状态，此时左右两 侧的可控耦合器实现耦合。此时综合电子控制器通过CAN总线控制可控耦合器 4b对驱动电机7b传输过来的转矩F分配成转矩F₁和转矩F₂，其中转矩F₁通过离 合器3b、制动器2b为外侧轮提供能量；同时综合电子控制器通过CAN总线控 制可控耦合器4a对驱动电机7a传输过来的转矩F和通过转矩传输机构传输过来 的转矩F₂进行耦合，并将耦合后的转矩通过离合器3a、制动器2a为内侧轮提供 能量。本实施例中两驱动电机所输出的转矩可以相同也可以不同，但是上述为 了表述方法都用同一符号F来表示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。