一种电传动履带车辆双侧电机耦合驱动转向系统

摘要

本发明涉及一种电传动履带车辆双侧电机耦合驱动转向系统，用于双侧电机驱动履带车辆的转向行驶。转向系统包括机械系统和电气系统，其中电气系统又包括动力系统和控制系统。当转向所需功率小于单侧电机最大功率时，采用双侧电机独立驱动电子控制差速转向；当转向所需功率大于单侧电机最大功率时，采用双侧电机耦合驱动方式实现转向，这种情况下外侧电机提供的转矩不能满足转向所需转矩，此时内侧电机通过内侧行星齿轮耦合器，将动力依次传递给中央电磁离合器和外侧行星齿轮耦合器，通过外侧行星齿轮耦合器与来自外侧驱动电机的动力耦合，驱动外侧主动轮，为外侧主动轮提供转向所需转矩。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电传动履带车辆双侧电机耦合驱动转向系统，用于双侧电机驱动履带车辆的转向行驶。 

背景技术

履带车辆转向不同于轮式车辆，对于履带车辆而言，转向通过改变两条履带的速度，常规的高速履带车辆虽然依靠的是两套独立的自动变速器来改变两条履带的速度，但是其原理仍然是离合-制动式的转向机构，这样的机构存在着造价高昂、结构复杂、笨重、磨损快、负载能力低等缺点，针对这样的情况出现了一种格里斯曼系统结构，这种结构采用的是动力系统与转向系统分开，可是这样的结构仍然存在着结构比较复杂、转向可控性不理想等问题。 

在能源日益严峻的今天，高效环保的电动车辆越来越受到重视，电子控制差速转向的电传动履带车辆的得到了越来越多的发展，如《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)、《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)等等文章都对双侧电机独立驱动履带车辆的转向进行分析。电子控制差速转向系统转向机动性能好，能够实现无级转向和无级调速，转向灵活，有较高的平均转向行驶速度，没有机械换挡冲击，驾驶员操控简单省力等等优点。但是该转向系统需要两侧电机功率较大，通常所需电机的功率是单电机驱动的两倍，其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差速器和转向电机来实现，如“车辆防滑驱动装置”(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。除此之外，如国内专利“一种双侧电机驱动履带车辆转向系统”(申请号：201210116909.4)。这种结构采用了2个驱动电机、1个转向电机以及1个可控差速器的结构，该结构比起双电机独立驱动电子差速转向的好处是：减小了两侧驱动电机的峰值功率的同时，也提高了整个电传动系统功率的利用率，但是这种结构的可控差速器机械机构和可控性相对复杂。国内专利“一种双侧电机耦合驱动履带车辆转向系统”(申请号：201210124087.4)介绍了一种双侧电机耦合驱动履带车辆转向系统的控制策略，但是没有具体描述转向系统的机械结构以及双电机耦合驱动具体工作方式。 

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，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峰值功率、能够实现无级转向的电驱动履带车辆双侧电机耦合驱动转向系统。这种转向系统设计能够最大限度的利用两侧电机功率，单侧电机峰值功率比双侧电机独立驱动单侧电机峰值功率降低一半，充分利用整车的能量，同时具有无级转向的功能。其基本思想是：在转向过程中，在低功率转向时可实现双电机独立驱动电子差速无级转向；在高功率转向和小半径困难路面转向时，通过接合中央电磁离合器和行星齿轮耦合器，使得两侧电机的功率耦合实现转向所需功率。这两种方式的转换是通过中央电磁离合器的接通和断开，以及双侧电机行星齿轮耦合器来实现的。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。 

双侧电机耦合驱动履带车辆转向系统包括：机械系统和电气系统，其中电气系统又包括动力系统和控制系统； 

机械系统，如附图1所示，包括主动轮1a、1b，制动器2a、2b，电磁离合器3a、3b，行星齿轮耦合器4a、4b，电磁离合器摩擦盘制动机构5a、5b，中央电磁离合器6，驱动电机7a、7b；其中，行星齿轮耦合器4a、4b(如附图2所示)，包括从驱动电机到主动轮的机械结构如附图2所示。包含主动轮1a、1b，制动器2a、2b，电磁离合器3a、3b，行星架轴23a、23b，太阳轮内齿轮18a、18b，行星架21a、21b，行星轮22a、22b，外齿圈20a、20b，太阳轮外齿轮19a、19b，齿轮24a、24b，电机7a、7b，制动器5a、5b，中央电磁离合器6。 

动力系统，如附图1所示，包括：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，电池组17； 

控制系统，如附图1所示，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，方向盘及其角位移传感器13。 

机械系统的连接关系为： 

电机控制器8a、8b通过三相交流电源线控制驱动电机7a、7b，驱动电机7a、7b通过机械连接分别与行星齿轮耦合器4a、4b连接，行星齿轮耦合器4a、4b一路通过传动轴分别将动力传递给电磁离合器3a、3b，另一路通过传动轴与电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b连接，电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b通过传动轴将动力传递给中央电磁离合器6，电磁离合器3a、3b通过传动轴将动力分别传给制动器2a、2b，制动器2a、2b通过传动轴将动力分别传到两侧主动轮1a、1b，。 

行星齿轮耦合器4a、4b的机械连接关系是：电机7a、7b经由齿轮24a、24b将动力传递给太阳轮外齿轮19a、19b，太阳轮内齿轮18a、18b经由行星轮22a、22b，将动力传递给行星架21a、21b，动力一路经由行星架轴23a、23b传递给电 磁离合器3a、3b，电磁离合器3a、3b与制动器2a、2b是通过传动轴连接，最后将动力传动给主动轮1a、1b，另一路行星轮22a、22b与外齿圈20a、20b啮合，外齿圈20a、20b通过机械装置与电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b连接，电磁离合器摩擦盘制动装置5a、5b通过传动轴将动力传递给中央电磁离合器6。 

动力系统的连接关系为： 

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电机控制器8a、电机控制器8b，电机控制器8a、电机控制器8b分别输出交流电依次给电机7a、7b供电； 

控制系统的连接关系为： 

加速踏板及其位置传感器16、制动踏板及其位移传感器15、电子挡位采集单元14、方向盘及其角位移传感器13分别通过第一信号线L1、第二信号线L2、第三信号线L3、第四信号线L4输入到综合电子控制器12；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、第六CAN总线N6、第七CAN总线N7、第八CAN总线N8、第九CAN总线N9、第十CAN总线N10、第十一CAN总线N11、第十二CAN总线N12分别与制动器2b、电磁离合器3b、电机控制器8b、电池组17、电磁离合器摩擦盘制动装置5a、能量变换控制单元9、发动机-发电机组11、中央电磁离合器6、电磁离合器摩擦盘制动装置5b、电机控制器8a、电磁离合器3a以及制动器2a连接。 

本发明涉及的工作过程主要包括电子差速转向方式和机械耦合转向方式，当转向所需功率小于单侧电机最大功率时，采用第一种电子差速转向；当转向所需功率大于单侧电机最大功率时，采用第二种耦合式机械差速转向。电子差速转向时，如附图1中介绍，综合电子控制器12通过N8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N5和N9控制电磁离合器摩擦盘制动装置5a和5b，使得电磁离合器摩擦盘制动装置5a和5b抱死中央电磁离合器6的左右摩擦盘输出轴，综合电子控制器12通过N2和N11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N3和N10向左右侧电机控制器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。 

如附图2所描述的，此时左右两侧电磁离合器2a、2b接合，中央电磁离合器6分开，电磁离合器摩擦盘制动装置5a和5b抱死中央电磁离合器6的左右摩擦盘输出轴，同时也固定了左右减速器的外齿圈20a、20b，那么此时转矩经由驱动电机7a、7b传递给齿轮24a、24b，然后经由太阳轮外齿轮19a、19b以及太阳轮内齿轮18a、18b传递给行星齿轮22a、22b，然后经由行星架21a、21b以及行星架轴23a、23b传递给左右电磁离合器3a、3b，经过传动轴将动力传递给主动轮1a、1b。 

当转向所需功率大于单侧电机最大功率时，采用第二种机械耦合转向方式。如附图1，综合电子控制器12通过方向盘及其角位移传感器13判断车辆是左转还是右转，以左转为例，综合电子控制器12分别通过N2、N4、N11控制离合器3b、中央电磁离合器6、离合器3a，使得离合器3b松开，中央电磁离合器6接合，离合器3a结合，同时综合电子控制器12通过N5和N9控制电磁离合器摩擦盘制动装置5a和5b，使得电磁离合器摩擦盘制动装置5a和5b松开，此时 左右两侧的行星齿轮耦合器实现耦合。具体耦合方式如附图2所示，外侧车轮需求转矩较高，内侧电机提供转矩，经由外侧行星齿轮耦合器与外侧电机输出转矩进行耦合。此时离合器3b断开，制动器2b控制内侧车轮1b的制动力，内侧电机7b驱动齿轮24b，经过太阳轮外齿轮19b和内齿轮18b进行动力传递，由于离合器3b是断开的，此时内侧电机7b的动力通过行星齿轮22b传递给外齿圈20b；外侧电机7a驱动齿轮24a，经过太阳轮外齿轮19a和内齿轮18a进行动力传递。内侧电机的动力经过中央电磁离合器6传递给外侧行星齿轮耦合器的外齿圈20a，通过行星齿轮22a与传递到内齿轮18a的外侧电机的动力耦合，内外侧电机动力耦合之后，通过行星齿轮架21a依次传递给行星齿轮轴23a、电磁离合器3a、制动器2a，驱动外侧主动轮1a。 

附图说明

附图1为转向系统结构图 

附图2为转向系统机械耦合示意图 

附图3为角位移输入信号图，其中，θ角为角位移输入信号 

具体实施方式

根据方向盘转角如附图3所示，判断车辆是左转还是右转，以车辆左侧转向为例： 

根据加速踏板和方向盘传感器采集的信号，由加速踏板及其位置传感器16和方向盘及其位置传感器13将车辆期望转速送入综合控制器12，同时方向盘及其角位移传感器13将期望转向半径传入到综合电子控制器12，综合电子控制器12根据角位移(如附图3所示)进行判断分配相对转向半径，分别给内侧电机控制器8b输入转矩信号T1和外侧电机控制器8a输入转矩信号T2。在此首先定义转矩的正负：若转矩与转速或转速的变化趋势方向一致，那么该转矩为正转 矩，为驱动转矩；同理，若转矩与转速或转速的变化趋势方向相反，那么该转矩为负转矩，为制动转矩。具体情况如下： 

当θ角为0～θ₁时，表示车辆直驶，此时工作方式为电子差速行驶；两侧电机均输出驱动转矩T1、T2，他们的关系为：T1＝T2，两侧主动轮转速的大小和方向均相同； 

当θ角为θ₁～θ₂时对应的转向半径为：ρ₁＜ρ＜∞(ρ＝R/B，其中R为车辆转向半径，B为履带中心距)，采用电子差速转向方式；控制T2大于零，使外侧电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，同时控制T1大于零，使内侧电机产生驱动转矩，从而驱动内侧主动轮，此时T1与T2的关系为：T1＜T2，内外侧主动轮转速方向相同； 

当θ角为θ₂时，对应的转向半径为ρ＝ρ₁，采用电子差速转向方式；控制T2大于零，使外侧电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，控制T1等于零，此时内侧主动轮速度方向与外侧主动轮速度方向一致； 

当θ角为θ₂～θ₃时，对应的转向半径为0.5＜ρ＜ρ₁，采用电子差速转向方式，控制T2大于零，使外侧电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，同时综合电子控制器控制内侧制动器产生制动力矩，阻碍内侧车轮往前行驶。该种情况下内侧履带主动轮转速方向与外侧主动轮转速方向一致； 

当θ角为θ₃时，对应的转向半径为ρ＝0.5，采用机械耦合转向方式；控制T2大于零，使外侧电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，该种情况下外侧主动轮所需驱动转矩较大，外侧电机提供的转矩不足以实现转向，此时综合电子控制器控制内侧电磁离合器断开，控制内侧制动器制动，内侧电机通过内侧行星齿轮耦合器，将动力依次传递给中央电磁离合器和外侧行星齿轮耦合器，通过外侧行星齿轮耦合器与来自外侧驱动电机的动力耦合，驱动外侧主动轮， 为外侧主动轮提供转向所需转矩，从而为外侧主动轮提供足以转向的力矩，该种情况的内侧主动轮转速为零； 

当θ角为θ₃～θ₄时，对应的转向半径为0＜ρ＜0.5，采用机械耦合转向方式；控制T2大于零，使外侧电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，控制T1大于零，使内侧电机产生驱动转矩，从而驱动内侧主动轮，此时内侧履带主动轮的转速方向与外侧主动轮转速方向相反，若外侧电机提供的转矩不足以实现转向，此时中央电磁离合器接合，内侧电机通过内侧行星齿轮耦合器，将动力依次传递给中央电磁离合器和外侧行星齿轮耦合器，通过外侧行星齿轮耦合器与来自外侧驱动电机的动力耦合，驱动外侧主动轮，为外侧主动轮提供转向所需转矩，从而为外侧主动轮提供转向所需力矩； 

当θ角为θ₄时，对应的转向半径为ρ＝0，此时工作方式为电子差速，控制T2大于零，使外侧电机产生驱动转矩，从而驱动外侧主动轮，控制T1大于零，使内侧电机产生驱动转矩，从而驱动内侧主动轮，此时内侧履带主动轮转速方向与外侧履带主动轮转速方向相反。