全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法
【专利摘要】本发明提供一种全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，属于工程机械技术领域。本发明所针对的铰接车结构主要包括前后车体及铰接体、独立电驱动轮及控制器、线控铰接液压转向系统、主控制器、转向盘系统等。其中，主控制器为整车上层控制器，其接受转向盘系统的转向信号，通过控制铰接液压转向系统及各电驱动轮动作实现铰接车前后车体的转动，完成转向。本发明以铰接车全轮独立驱动可控为基础，通过差动转向与线控液压转向之间的配合，解决现有的铰接液压转向方式中存在的响应速度慢、转向角度受转向结构限制、轮胎磨损严重及转向能耗高的问题。
【专利说明】
全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法
技术领域
[0001]本发明涉及工程机械技术领域，特别是指一种全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法。
【背景技术】
[0002]铰接式工程车辆是一种适宜在恶劣环境下工作的工程机械设备，其可通过前后车体的转动实现灵活转向，通过性较强。新型的多轴铰接式工程车辆，如六轮交流驱动铰接式自卸车，各轮采用独立电机驱动，转向方式为铰接液压转向。然而，分析其转向结构特点可以看出，铰接液压转向机构在其转向过程中还存在着一些问题，其主要包括以下几方面，其一:由于转向系统中液力传动机构存在响应延迟，驾驶员难以根据实时路况及时对车辆的转向进行调整，铰接车路径跟随能力及转向稳定性较弱;其二:受转向油缸自身结构特点的影响，铰接车前后车体之间的折腰角度一般限制在45°左右，整车转向性能提升空间不大。同时，随着铰接车载重量与操作速度的不断提高，转向负荷随之增大，应用传统铰接液压转向的铰接车轮胎磨损较为严重，转向所消耗功率占整车功率的比重越来越高(通常占到7%?14%)。因此，结合现有铰接车运行环境及各轮可独立控制的特点，研究一种稳定性较高、响应速度较快、高效节能的转向方式对降低转向过程中的轮胎磨损、提高整车经济性及转向性能具有十分重要的意义。
[0003]现有研究，如专利号为US6283237B1的美国专利公开了一种铰接车差动转向方法，省去了传统的液力及机械转向结构。其以转向盘转动角度为转向输入信号，通过前后车体两侧车轮的不同转速实现车体的转向。应用此转向方式的铰接车转向角度不受转向结构限制，轮胎可在侧偏的状态下完成转向，磨损较小。然而其车体横向刚度不足，不平整路面条件下容易出现蛇形行驶现象，稳定性不高。
[0004]专利号为2008100507383的中国专利公开了一种用于转向轮独立驱动电动车的差动助力转向系统。其利用转向轮各轮可独立控制的特点，设计差动辅助机械转向方式，在避免转向系统惯量增加的同时，又能与电动助力转向系统一样满足整车转向的轻便性。但此专利所提出的差动辅助转向系统针对的是拥有机械转向结构及转向轮可独立驱动的车辆，而不适用于全轮独立电驱动的铰接车，不可直接用于铰接车差动辅助转向系统中。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，以铰接车全轮独立驱动可控为基础，讨论差动转向与线控液压转向的配合方式，解决现有的铰接液压转向方式中存在的响应速度慢、转向角度受转向结构限制、轮胎磨损较为严重及转向能耗较高的问题。
[0006]该方法针对的铰接车结构主要包括前车体、后车体、前左电驱动轮、前右电驱动轮、后左电驱动轮、后右电驱动轮、前左电驱动轮控制器、前右电驱动轮控制器、后左电驱动轮控制器、后右电驱动轮控制器、整车主控制器、整车转向盘系统、铰接体及折腰角度传感器、左转向油缸、右转向油缸、左转向油缸控制器和右转向油缸控制器，其中，整车转向盘系统为驾驶员信号输入端，输出转向盘角度及角速度大小到整车主控制器中，整车主控制器结合当前车速大小、折腰角度大小进行计算得出差动转向中前左电驱动轮、前右电驱动轮、后左电驱动轮和后右电驱动轮的转速及转矩大小以及左转向油缸和右转向油缸作动行程大小，而后通过前左电驱动轮电机控制信号、前右电驱动轮电机控制信号、后左电驱动轮电机控制信号和后右电驱动轮电机控制信号及左转向油缸控制信号和右转向油缸控制信号分别对前左电驱动轮控制器、前右电驱动轮控制器、后左电驱动轮控制器和后右电驱动轮控制器以及左转向油缸控制器和右转向油缸控制器进行控制，从而完成差动与铰接液压机构之间的配合，实现车体的复合转向；
[0007]该方法具体步骤如下:
[0008]一、驾驶员根据实时路况信息对整车转向盘系统进行控制；
[0009]二、整车转向盘系统采集驾驶员控制信号，并传递给整车主控制器；
[0010]三、整车主控制器结合当前车速信号及折腰角度信号对差动转向及线控液压转向进行合理分配，并通过电信号将分配结果传递给前左电驱动轮控制器、前右电驱动轮控制器、后左电驱动轮控制器和后右电驱动轮控制器与左转向油缸控制器和右转向油缸控制器；
[0011]四、前左电驱动轮控制器、前右电驱动轮控制器、后左电驱动轮控制器和后右电驱动轮控制器与左转向油缸控制器和右转向油缸控制器根据整车主控制器的控制分配信号，作用前左电驱动轮、前右电驱动轮、后左电驱动轮和后右电驱动轮以及左转向油缸和右转向油缸，通过配合完成车体的转向。
[0012]差动辅助线控液压转向方法以线控液压转向为主，差动转向为辅。差动转向是一种不依靠转向设备，通过两侧车轮的不同输出转速或者转矩实现车体转向的转向方式。在差动转向过程中，以转向盘转动角度及角速度为信号输入对整车转向系统进行控制。其中整车主控制器接受整车转向盘系统信号、车速信号及当前折腰角度信号等，经过处理后向前后车体两侧电驱动轮控制器发出控制信号，通过电驱动轮控制器控制前后车体两侧车轮转速或转矩，使其满足一定的关系，从而实现车体的差动转向。在一定的转向角度范围内，差动转向方式可使轮胎在侧偏状态下完成车体转向，从而减少了转向过程中的轮胎拖滑磨损现象。
[0013]铰接车线控液压转向是指以电信号进行转向控制的方式，其控制信号来源于整车主控制器。在铰接车转向过程中，以整车转向盘系统输入角度、角速度以及整车车速、当前折腰角度等为参考信号，通过主控制器的计算得出铰接车转向油缸的作动信号，从而控制转向油缸控制器实现转向油缸的作动，完成转向。与传统的全液压或机械转向方式相比，线控液压转向方式省去了中间的机械或液力传动装置，响应速度相对较快，但由于液力传动存在作用延迟，单独的线控液压转向的转向精度及响应速度还受转向油缸的影响。
[0014]差动辅助线控液压转向方法的技术重点在于差动转向与线控液压转向方式之间的配合方式，现根据铰接车的转向特点分别对其进行描述。
[0015]其一，铰接车大转弯半径行驶工况，也可说是直线避障工况，其表现为转向盘系统的输入角度及角速度较小。此种转向工况下，为减少转向时的轮胎磨损，以差动转向方式为主。转向过程中以铰接体受力最小为原则或以铰接车前、后车体运动轨迹为参考，控制左右两侧前左电驱动轮、前右电驱动轮、后左电驱动轮和后右电驱动轮的转速或者转矩，使其满足一定的差动关系。此时，轮胎可在侧偏的状态下完成车体的转向及回正，在减少轮胎磨损的同时实现铰接车的避障行驶。
[0016]其二，铰接车急转弯行驶工况，表现为转向盘系统输入角度较小但角速度较大。此种转向工况下，为提高铰接车的转向响应速度，以差动转向方式为主。通过输入转向角度及角速度的大小控制铰接车前后车体两侧前左电驱动轮、前右电驱动轮、后左电驱动轮和后右电驱动轮的转速及转矩大小，实现铰接车的快速紧急转向。
[0017]其三，铰接车小转弯半径行驶工况，表现为转向盘系统输入角度较大，但角速度较小。此种转向工况下，为提高转向的稳定性，减小轮胎磨损，以线控铰接液压转向方式为主，辅助以差动转向。
[0018]其四，铰接车较小转弯半径行驶工况，表现为转向盘系统要求的整车转向角度超出铰接液压转向的最大转向角度。此种转向工况为特殊的转向工况，铰接车转向受到转向油缸最大行程的限制，前后车体最大折腰角度较小，最小转向半径固定。此时为进一步减小整车的转向半径，锁死转向油缸，铰接车以等效刚性车的姿态，通过控制左右两侧前左电驱动轮、前右电驱动轮、后左电驱动轮和后右电驱动轮的转速或转矩，以差动转向方式满足铰接车的转向要求。
[0019]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0020]本发明提供了一种以线控液压转向方式为主，差动转向方式为辅的铰接车复合转向方式，从而提高了紧急转弯工况下整车的转向响应速度及路径跟随能力。全轮独立电驱动铰接车差动辅助线控液压转向方法以差动转向作为辅助转向方式，可在一定的转向工况下减少轮胎磨损，降低转向过程的功率消耗，对提高整车经济性具有一定的意义。全轮独立电驱动铰接车差动辅助线控液压转向方法可在原有铰接车转向半径达到极限的情况下通过差动转向方式继续转向，从而进一步提高整车的转向及通过能力。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法所适用的铰接车结构示意图；
[0022]图2为本发明的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法差动转向过程中右前轮胎动力学分析示意图；
[0023]图3为本发明的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法差动转向与线控铰接液压转向复合控制流程图；
[0024]图4为本发明的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法特殊转向工况下整车转向过程示意图。
[0025]其中:11-前左电驱动轮；12-前右电驱动轮；13-后左电驱动轮；14-后右电驱动轮；21-前左电驱动轮控制器;22-前右电驱动轮控制器;23-后左电驱动轮控制器;24-后右电驱动轮控制器;3-整车主控制器;4-整车转向盘系统;5-铰接体及折腰角度传感器;61-左转向油缸;62-右转向油缸;71-左转向油缸控制器;72-右转向油缸控制器;8-折腰角度传感器反馈信号;91 -前左电驱动轮电机控制信号;92-前右电驱动轮电机控制信号;93-后左电驱动轮电机控制信号;94-后右电驱动轮电机控制信号；11-左转向油缸控制信号；102-右转向油缸控制信号；111-前车体;112-后车体;IF-滚动阻力;2F-侧偏力;3F-驱动力;4F-侧向力；5F-转向阻力矩;6w-轮胎理论中心线;7w-轮胎实际状态;Pl-铰接车正常行驶状态;P2-铰接车转向角度受限状态;P3-铰接车差速转向状态;02-铰接车理论转向中心;03-铰接车实际转向中心。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0027]本发明提供一种全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法。
[0028]如图1所示，该方法针对的铰接车结构包括前车体111、后车体112、前左电驱动轮
11、前右电驱动轮12、后左电驱动轮13、后右电驱动轮14、前左电驱动轮控制器21、前右电驱动轮控制器22、后左电驱动轮控制器23、后右电驱动轮控制器24、整车主控制器3、整车转向盘系统4、铰接体及折腰角度传感器5、左转向油缸61、右转向油缸62、左转向油缸控制器71和右转向油缸控制器72。其中，整车转向盘系统4为驾驶员信号输入端，输出转向盘角度及角速度大小到整车主控制器3中，整车主控制器3结合当前车速大小、折腰角度大小进行计算得出差动转向中前左电驱动轮11、前右电驱动轮12、后左电驱动轮13和后右电驱动轮14的转速及转矩大小以及左转向油缸61和右转向油缸62作动行程大小，而后通过前左电驱动轮电机控制信号91、前右电驱动轮电机控制信号92、后左电驱动轮电机控制信号93和后右电驱动轮电机控制信号94及左转向油缸控制信号101和右转向油缸控制信号102分别对前左电驱动轮控制器21、前右电驱动轮控制器22、后左电驱动轮控制器23和后右电驱动轮控制器24以及左转向油缸控制器71和右转向油缸控制器72进行控制，从而完成差动与铰接液压机构之间的配合，实现车体的复合转向，其中，铰接体及折腰角度传感器5给出折腰角度传感器反馈信号8。
[0029]铰接车差动辅助线控液压转向方法是以线控液压转向为主，差动转向为辅的复合转向方式。差动转向是一种不依靠转向设备，通过车体两侧前左电驱动轮11、前右电驱动轮
12、后左电驱动轮13和后右电驱动轮14的不同输出转速或者转矩实现转向的转向方式。在差动转向过程中，以整车转向盘系统4转动角度及角速度为信号输入对整车转向系统进行控制。其中整车主控制器3接受整车转向盘系统4信号、车速信号及当前折腰角度信号等，经过处理后向前左电驱动轮控制器21、前右电驱动轮控制器22、后左电驱动轮控制器23和后右电驱动轮控制器24发出控制信号，通过电驱动轮控制器控制前后车体两侧车轮转速或转矩，使其满足一定的关系，从而实现车体的差动转向。在差动转向过程中，轮胎主要受到滚动阻力1F、侧偏力2F、驱动力3F、侧向力4F、转向阻力矩5F等，轮胎实际状态7w的中心线与轮胎理论中心线6w不重合，如图2所示，在所受力的作用下轮胎偏转α角度。在一定转向角度下铰接车差动转向时，轮胎可在侧偏α角度的状态下完成转向，从而减少了转向过程中的轮胎拖滑磨损现象。
[0030]铰接车线控液压转向是指以电信号进行转向控制的转向方式，其控制信号来源于整车主控制器3 ο在铰接车线控液压转向过程中，以整车转向盘系统4的输入角度、角速度，整车车速、当前折腰角度等为参考信号，通过整车主控制器3的计算得出铰接车左转向油缸61和右转向油缸62的作动信号，控制左转向油缸控制器71和右转向油缸控制器72实现左转向油缸61和右转向油缸62的动作，通过铰接体及折腰角度传感器5、左转向油缸61和右转向油缸62以及前车体111、后车体112之间的相互作用完成车体转向。如图1所示，线控铰接液压转向方式与传统的全液压或机械转向方式相比，省去了中间的机械或液力传动装置，其通过线控方式传递转向信号，响应速度相对较快。但由于线控铰接液压转向方式中仍存在着左转向油缸61和右转向油缸62，转向过程存在作用延迟，因此，单独的线控液压转向的转向精度及响应速度还受左转向油缸61和右转向油缸62的影响。
[0031 ]差动辅助线控液压转向方法结合了差动转向方式响应速度快、轮胎磨损较少及线控液压转向稳定性高的特点，其技术重点在于两者之间的复合过程，如图3所示，根据铰接车的转向控制特点对转向过程中轮胎差动控制铰接液压缸的动作控制及复合控制流程进行描述。
[0032]该方法具体步骤如下:
[0033]—、驾驶员根据实时路况信息对整车转向盘系统4进行控制；
[0034]二、整车转向盘系统4采集驾驶员控制信号，并传递给整车主控制器3;
[0035]三、整车主控制器3结合当前车速信号及折腰角度信号对差动转向及线控液压转向进行合理分配，并通过电信号将分配结果传递给前左电驱动轮控制器21、前右电驱动轮控制器22、后左电驱动轮控制器23和后右电驱动轮控制器24与左转向油缸控制器71和右转向油缸控制器72;
[0036]四、前左电驱动轮控制器21、前右电驱动轮控制器22、后左电驱动轮控制器23和后右电驱动轮控制器24与左转向油缸控制器71和右转向油缸控制器72根据整车主控制器3的控制分配信号，作用前左电驱动轮11、前右电驱动轮12、后左电驱动轮13和后右电驱动轮14以及左转向油缸61和右转向油缸62，通过配合完成车体的转向。
[0037]其差动转向与线控液压转向的分配原则如下分析所示；
[0038]其一，铰接车大转弯半径行驶工况，也可说是直线避障工况，其表现为整车转向盘系统4的输入角度及角速度较小。此种转向工况下，为减少转向时的轮胎磨损，以差动转向方式为主。转向过程中以铰接体受力最小为原则或以铰接车前、后车体运动轨迹为参考，控制左右两侧前左电驱动轮11、前右电驱动轮12、后左电驱动轮13和后右电驱动轮14的转速或者转矩，使其满足一定的差动关系。此时，轮胎可在侧偏的状态下完成车体的转向及回正，从而实现铰接车的避障行驶。
[0039]其二，铰接车急转弯行驶工况，表现为整车转向盘系统4输入角度较小但角速度较大。此种转向工况下，为提高铰接车的转向响应速度，以差动转向为主。通过输入转向角度及角速度的大小控制铰接车前后车体两侧前左电驱动轮11、前右电驱动轮12、后左电驱动轮13和后右电驱动轮14的转速及转矩大小，实现铰接车的快速紧急转向。
[0040]其三，铰接车小转弯半径行驶工况，表现为整车转向盘系统4输入角度较大，但角速度较小。此种转向工况下，为提高转向的稳定性，减小轮胎磨损，以线控铰接液压转向为主，辅助以差动转向。
[0041]其四，铰接车较小转弯半径行驶工况，表现为整车转向盘系统4要求的整车转向角度超出铰接液压转向的最大转向角度。如图4所示，此种转向工况为特殊的转向工况，铰接车转向受到转向油缸最大行程的限制，前后车体最大折腰角度较小，最小转向半径固定，处于铰接车转向角度受限状态P2 ο此时为进一步减小整车的转向半径，锁死转向油缸，铰接车以等效刚性车的姿态，通过控制左右两侧前左电驱动轮11、前右电驱动轮12、后左电驱动轮13和后右电驱动轮14的转速或转矩，以差动转向方式满足铰接车的转向要求，强铰接车的转向中心由铰接车理论转向中心02转变为铰接车实际转向中心03，使其从铰接车转向角度受限状态P2到铰接车差速转向状态P3，最终达到铰接车正常行驶状态Pl。
[0042]以上所述的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法仅仅是对本发明的优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定。例如:整车转向盘系统4可为驾驶员操作，也可采用智能操作方式;所针对的车辆亦可为各轮独立驱动的其他类型铰接车；在差动与线控液压转向的分配过程中，某些转向工况下可采用铰接液压转向单独控制整车转向的方式;在差动与线控液压转向的应用中，也可通过两者之间的配合提高铰接车直线行驶稳定性等。
[0043]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，其特征在于:该方法针对的铰接车结构包括前车体(111)、后车体(112)、前左电驱动轮(11)、前右电驱动轮(12)、后左电驱动轮(13)、后右电驱动轮(14)、前左电驱动轮控制器(21)、前右电驱动轮控制器(22)、后左电驱动轮控制器(23)、后右电驱动轮控制器(24)、整车主控制器(3)、整车转向盘系统(4)、铰接体及折腰角度传感器(5)、左转向油缸(61)、右转向油缸(62)、左转向油缸控制器(71)和右转向油缸控制器(72)，其中，整车转向盘系统(4)为驾驶员信号输入端，输出转向盘角度及角速度大小到整车主控制器(3)中，整车主控制器(3)结合当前车速大小、折腰角度大小进行计算得出差动转向中前左电驱动轮(11)、前右电驱动轮(12)、后左电驱动轮(13)和后右电驱动轮(14)的转速及转矩大小以及左转向油缸(61)和右转向油缸(62)作动行程大小，而后通过前左电驱动轮电机控制信号(91)、前右电驱动轮电机控制信号(92)、后左电驱动轮电机控制信号(93)和后右电驱动轮电机控制信号(94)及左转向油缸控制信号(1I)和右转向油缸控制信号(102)分别对前左电驱动轮控制器(21)、前右电驱动轮控制器(22)、后左电驱动轮控制器(23)和后右电驱动轮控制器(24)以及左转向油缸控制器(71)和右转向油缸控制器(72)进行控制，从而完成差动与铰接液压机构之间的配合，实现车体的复合转向； 该方法具体步骤如下: 一、驾驶员根据实时路况信息对整车转向盘系统(4)进行控制； 二、整车转向盘系统(4)采集驾驶员控制信号，并传递给整车主控制器(3); 三、整车主控制器(3)结合当前车速信号及折腰角度信号对差动转向及线控液压转向进行合理分配，并通过电信号将分配结果传递给前左电驱动轮控制器(21)、前右电驱动轮控制器(22)、后左电驱动轮控制器(23)和后右电驱动轮控制器(24)与左转向油缸控制器(71)和右转向油缸控制器(72); 四、前左电驱动轮控制器(21)、前右电驱动轮控制器(22)、后左电驱动轮控制器(23)和后右电驱动轮控制器(24)与左转向油缸控制器(71)和右转向油缸控制器(72)根据整车主控制器(3)的控制分配信号，作用前左电驱动轮(11)、前右电驱动轮(12)、后左电驱动轮(13)和后右电驱动轮(14)以及左转向油缸(61)和右转向油缸(62)，通过配合完成车体的转向。2.根据权利要求1所述的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，其特征在于:当铰接车大转弯半径行驶工况，也即直线避障工况时，表现为整车转向盘系统(4)的输入角度及角速度较小，此时以差动转向方式为主;转向过程中以铰接体受力最小为原则或以铰接车前车体(111)、后车体(112)运动轨迹为参考，控制前车体(111 )、后车体(112)左右两侧前左电驱动轮(U)、前右电驱动轮(12)、后左电驱动轮(13)和后右电驱动轮(14)的转速或者转矩，轮胎在侧偏的状态下完成车体的转向及回正，从而实现铰接车的避障行驶。3.根据权利要求1所述的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，其特征在于:当铰接车急转弯行驶工况时，表现为整车转向盘系统(4)输入角度较小但角速度较大，为提高铰接车的转向响应速度，以差动转向方式为主，通过输入转向角度及角速度的大小控制铰接车前车体(111)和后车体(112)两侧前左电驱动轮(11)、前右电驱动轮(12)、后左电驱动轮(13)和后右电驱动轮(14)的转速及转矩大小，实现铰接车的快速紧急转向。4.根据权利要求1所述的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，其特征在于:当铰接车小转弯半径行驶工况时，表现为整车转向盘系统(4)输入角度较大，但角速度较小，为提高转向的稳定性，减小轮胎磨损，以线控铰接液压转向方式为主，辅助以差动转向。5.根据权利要求1所述的全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法，其特征在于:当铰接车较小转弯半径行驶工况时，表现为整车转向盘系统(4)要求的整车转向角度超出铰接液压转向的最大转向角度，铰接车转向受到转向油缸最大行程的限制，前车体(111)和后车体(112)最大折腰角度较小，最小转向半径固定，为进一步减小整车的转向半径，锁死转向油缸，铰接车以等效刚性车的姿态，通过控制前左电驱动轮(11 )、前右电驱动轮(12)、后左电驱动轮(13)和后右电驱动轮(14)的转速或转矩，以差动转向方式满足铰接车的转向要求。
【文档编号】B62D12/00GK105857393SQ201610221568
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】申焱华, 徐涛, 高 玉, 杨耀东, 金纯
【申请人】北京科技大学