直列式电动车后轮转向自平衡控制装置及方法与流程

本发明专利涉及直列式两轮电动车领域，尤其涉及一种直列式两轮电动车后轮转向自平衡控制装置和一种直列式电动车后轮转向自平衡控制方法。

背景技术：

直列式两轮电动车因其经济性和简便性仍然是人们出行时偏爱的选择。普通两轮电动车在直线运行时比较安全，但在转弯时，因为其特定的机械结构，决定了其前轮的转角必须依靠骑乘人员根据速度保持在固定的角度上，不能发生变化，否则将无法保持车辆平衡。这时如果运行前方出现障碍物或突发情况，利用前轮过度转向或者急刹车进行闪避，往往导致车辆侧翻，骑乘人员受伤。

普通两轮电动车在停驶情况下，需要骑乘人员下放双脚，以保证车辆和人员平衡。低速行驶时，也必须拖曳双腿进行辅助平衡，这时容易和旁边车辆发生剐蹭，安全性比较低。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种直列式电动车后轮转向自平衡控制装置及控制方法，在车辆转弯时，如果车辆必须避让险情，前轮改变转角导致车辆失衡，控制后轮进行辅助转向，维持车辆平衡；在车辆超低速行驶或者停驶等待过程中，运用后轮转向改变整体重心来保持平衡，无需放下双脚拖行，提高了超低速行驶的安全性和停驶等待的舒适性。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种直列式电动车后轮转向自平衡控制装置，包括转速传感器、车身倾斜度传感器、前轮转角传感器、控制器和后轮转向系，所述转速传感器设置在电动车后轮电机处，车身倾斜度传感器和控制器均固定设置在电动车车架上，前轮转角传感器设置在方向柱与车架前管的铰接处，转速传感器、车身倾斜度传感器和前轮转角传感器分别连接至控制器，所述后轮转向系的两端分别固定连接电动车车架和电动车后轮。

所述后轮转向系包括后轮转向弧板、转向架、转向驱动电机、齿轮、避震撑杆、后轮支承和多个转向架限位轮，所述后轮转向弧板前端与电动车车架固定连接、后端呈圆弧形向后弯曲，所述转向架为刚性结构，转向架前端固定设有多个转向架限位轮，后轮转向弧板的上下端面分别与转向架限位轮的轮槽相啮合，呈夹持状态，转向架的后端分别铰接有避震撑杆和后轮支承，避震撑杆的另一端铰接在后轮支承的撑体上，后轮支承的另一端与电动车后轮电机芯轴铰接，所述转向架上固定设有转向驱动电机，转向驱动电机的输出端设有齿轮，后轮转向弧板凹面设有与齿轮相啮合的齿条。

所述转向驱动电机纵向设置、且有上、下两个输出端，两个输出端分别设有齿轮，后轮转向弧板凹面设有与两个齿轮分别相啮合的齿条。

所述转向架限位轮的数量为4个，其中两个转向架限位轮的轮槽与转向弧板的上端面啮合，另外两个转向架限位轮的轮槽与转向弧板的下端面啮合，转向架上、用以固定四个转向架限位轮的臂分别水平指向后轮转向弧板的弧心。

所述避震撑杆和和后轮支承的数量均为2个。

所述避震撑杆上设有弹簧。

所述转向驱动电机连接至控制器。

所述控制器内还设有电子油门接口，电子油门接口连接至电动车后轮电机调速器。

本发明还提供一种直列式电动车后轮转向自平衡控制方法，其特征在于，控制器实时读取转速传感器、车身倾斜度传感器、前轮转角传感器的信息，得到行驶速度V、车身倾斜度B和前轮转角A的数据，根绝经典力学原理不难得出三个数据满足如下关系：V·A∝B，控制步骤如下：

步骤一：控制器综合计算行驶速度V与前轮转角A的数据，衡量车身倾斜度B是否在适合维持车辆平衡的正常范围内：若是，则不进行控制；若否，则进行步骤二；

步骤二：控制器对后轮转向系的转向驱动电机进行控制，改变后轮转角：

若车身倾斜度B小于正常范围，则控制器驱动转向驱动电机转动，后轮向前轮转向方向动作；

若车身倾斜度B大于正常范围，则控制器驱动转向驱动电机转动，后轮向前轮转向反方向动作；

步骤三：经过后轮转向系调整后轮转向后，车身倾斜度B和前轮转角A、行驶速度V趋于匹配状态，车辆维持平衡，控制器通过控制转向驱动电机逐渐减小后轮转向角，直至后轮转向角为零。

本发明的有益效果是：电动车在日常行驶过程中，在车辆转弯时，如果车辆必须避让险情，前轮改变转角导致车辆失衡，控制后轮进行辅助转向，维持车辆平衡；在车辆超低速行驶或者停驶等待过程中，运用后轮转向改变整体重心来保持平衡，无需放下双脚拖行，从而显著提高了直列式两轮车在转弯避让险情时的安全性，又能提高停驶和超低速行驶时的安全性和舒适性。

附图说明：

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明后轮转向系的局部放大剖面示意图；

图3为本发明后轮转向系的局部放大俯视示意图；

具体实施方式：

依照以下的附图详细说明关于本发明的示例性实施例。

图中序号所代表的含义为：1-电动车车架，2-控制器，3-车身倾斜度传感器，4-方向柱，5-前轮转角传感器，6-前轮，7-转速传感器，8-避震撑杆，9-后轮支承，10-后轮转向系，11-后轮转向弧板，12-转向架限位轮，13-转向架，14-齿轮，15-转向驱动电机，16-齿条，20-电动车后轮电机。

以下结合具体情况说明本发明的示例性实施例：

如图1、图2和图3所示的一种直列式电动车后轮转向自平衡控制装置，包括转速传感器7、车身倾斜度传感器3、前轮转角传感器5、控制器2和后轮转向系10，所述转速传感器7设置在电动车后轮电机20处，车身倾斜度传感器3和控制器2均固定设置在电动车车架1上，前轮转角传感器5设置在方向柱4与车架前管的铰接处，转速传感器7、车身倾斜度传感器3和前轮转角传感器5分别连接至控制器2，所述后轮转向系10的两端分别固定连接电动车车架1和电动车后轮。

所述后轮转向系10包括后轮转向弧板11、转向架13、转向驱动电机15、齿轮14、避震撑杆8、后轮支承9和多个转向架限位轮12，所述后轮转向弧板11前端与电动车车架1固定连接、后端呈圆弧形向后弯曲，所述转向架13为刚性结构，转向架13前端固定设有多个转向架限位轮12，后轮转向弧板11的上下端面分别与转向架限位轮12的轮槽相啮合，呈夹持状态，转向架13的后端分别铰接有避震撑杆8和后轮支承9，避震撑杆8的另一端铰接在后轮支承9的撑体上，后轮支承9的另一端与电动车后轮电机20的芯轴铰接，所述转向架13上固定设有转向驱动电机15，转向驱动电机15的输出端设有齿轮14，后轮转向弧板11凹面设有与齿轮14相啮合的齿条16。

所述转向驱动电机15纵向设置、且有上、下两个输出端，两个输出端分别设有齿轮14，后轮转向弧板11凹面设有与两个齿轮14分别相啮合的齿条16。

所述转向架限位轮12的数量为4个，其中两个转向架限位轮12的轮槽与转向弧板11的上端面啮合，另外两个转向架限位轮12的轮槽与转向弧板11的下端面啮合，转向架13上、用以固定四个转向架限位轮12的臂分别水平指向后轮转向弧板11的弧心。

所述避震撑杆8和和后轮支承9的数量均为2个。所述避震撑杆8上设有弹簧。所述转向驱动电机15连接至控制器2。

所述控制器2内还设有电子油门接口，电子油门接口连接至电动车后轮电机调速器。

本发明实施例还提供本发明还提供一种直列式电动车后轮转向自平衡控制方法，其特征在于，控制器实时读取转速传感器、车身倾斜度传感器、前轮转角传感器的信息，得到行驶速度V、车身倾斜度B和前轮转角A的数据，根绝经典力学原理不难得出三个数据满足如下关系：V·A∝B，控制步骤如下：

步骤一：控制器综合计算行驶速度V与前轮转角A的数据，衡量车身倾斜度B是否在适合维持车辆平衡的正常范围内：若是，则不进行控制；若否，则进行步骤二；

步骤二：控制器对后轮转向系的转向驱动电机进行控制，改变后轮转角：

若车身倾斜度B小于车身倾斜度的正常范围，则控制器驱动转向驱动电机转动，后轮向前轮转向方向动作；

若车身倾斜度B大于车身倾斜度的正常范围，则控制器驱动转向驱动电机转动，后轮向前轮转向反方向动作；

步骤三：经过后轮转向系调整后轮转向后，车身倾斜度B和前轮转角A、行驶速度V趋于匹配状态，车辆维持平衡，控制器通过控制转向驱动电机逐渐减小后轮转向角，直至后轮转向角为零。

行驶过程中，本发明的工作原理如下：

如图1所示，本发明包括转速传感器、车身倾斜度传感器、前轮转角传感器、控制器、后轮转向系、电子油门接口等器件。

转速传感器安装于电动车后轮电机侧，用于感知电机转速，通过车轮半径进行计算，可以得到车辆的行驶速度。

车身倾斜度传感器安装于电动车车架的大梁，可以感知车身的倾斜角度。

前轮转角传感器安装于方向柱与车架的铰接部位，可以感知前轮的转角。

控制器在综合计算行驶速度与前轮转角后，衡量车身倾斜角度是否在适合维持车辆平衡的正常范围内：如果倾斜度匹配，则不进行控制；如果倾斜度超出了正常范围，则对后轮转向系进行控制，改变后轮转角，必要时可以通过电子油门接口在短时间内加大后轮推力以实现控制效果。

如图2和图3所示，后轮转向系包括后轮转向弧板、转向架、转向架限位轮、转向驱动电机及齿轮、避震撑杆及后轮支承。

在车辆等待红灯以及超低速行驶时，亦可以通过改变后轮转角来改变车辆和骑乘人员的重心位置，来保持平衡，无需骑乘人员再下放双脚，提高安全性的同时，也提高了骑乘的舒适性。

控制器控制方法如下：

在保持车辆行驶速度相同的情况下，靠骑乘人员自主保持平衡时，转弯时的方向转角和车身倾斜度会保持一定的匹配度，根绝经典力学原理可知，其匹配关系和车辆重量以及骑乘人员重量无关，不同的车身倾斜度B和前轮转角A之间属于固定搭配。如果弯道趋于平缓，则前轮转角A偏小，车身倾斜度B亦小；反之如果弯道是急弯，则前轮转角A偏大，车身倾斜度B亦偏大。且前轮转角必然会和车身倾斜度同向，否则无法保持车辆平衡。因此，不难得出行驶速度V、车身倾斜度B和前轮转角A三个数据满足如下关系：V·A∝B，在已知V和A的前提下，再根据车辆过弯的物理模型计算，不难得出维系车辆平衡所需的理论车身倾斜度B’， 理论车身倾斜度B’再加上或减去一定数值或百分比，记为车身倾斜度的正常范围的上限和下限，从而控制器将得到车身倾斜度的正常范围与车身倾斜度B进行对比，对后轮转向系进行控制。

根据上述原理，本发明的控制方法还可以延伸为：

控制器实时监测任一行驶速度下，前轮转角和车身倾斜度的匹配，如果属于正常搭配，则不做附加动作，正常行驶时，不会干扰骑乘人员的正常控制。如果出现道路状况，骑乘人员刻意改变前轮转角大小时，前轮转角和车身倾斜度不再匹配，控制器检测前轮转角超过设定的前轮转角匹配阈值时，控制后轮转向系进行动作。前轮转角小于匹配值时，后轮向车身倾斜方向动作，前轮转角大于匹配值时，后轮反向动作，车身倾斜度会在短暂时间内过零，进入另一侧。

经过后轮转向系调整后，车身倾斜度会和转角近似匹配，这时控制器会逐渐减小后轮转向角，直到车辆转角和倾斜度恢复匹配后回零。

同理地，本发明的控制方法还可以延伸为：

在车辆前轮转角相同的情况下，车速增大时，车辆需要更大的车身倾斜度；车速减慢时，相同车辆转角需要更小的车身倾斜度。

车辆停驶时，后轮调整方向亦和行驶时相同。当车辆左向倾斜时，后轮会做逆时针方向旋转，将骑乘人员和车辆的重心推向右侧，此时将会拥有反方向的加速度，直至进入反向倾斜，相应地调整后轮角度后维持倾斜度始终在垂直方向附近。

本发明能够应用于普通两轮电动车，显著提高了直列式两轮电动车在转弯避让险情时的安全性，又能提高静止和超低速行驶时的安全性和舒适性。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。