一种多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置及其转向方法与流程

本发明涉及多轴车辆转向技术领域，具体涉及一种多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置及其转向方法。

背景技术：

多轴汽车是指整车轴数多于两根的汽车。重型的运载车辆为了提高其动力性以及载重量，降低对路面的损坏，通常采用多轴驱动的方式。多数重型车辆的转向轴多于两轴，且一般为了保证车辆高速行驶时的稳定性，以及低速行驶时能够缩短转弯半径，分别采用同相位转向以及逆向位转向，其转向性能直接影响到整车的机动灵活性、操纵稳定性和使用经济性。同时21世纪，人类面临着严峻的环境和能源挑战，所以多轴车辆也在朝着电动化趋势发展。

汽车转向系统的主要目标是保证各车轮以理想的转向角转向，减少轮胎磨损，同时解决驾驶员的转向轻便性问题，即以适当的转向手力转向并得到舒适的转向路感。而目前大部分多轴驱动车辆主要采用机械式液压助力转向或电控液压转向两种方式，但相较于应用在电动轮驱动汽车上的驱动助力转向技术，它们均存在不足。

驱动助力转向技术是电动轮驱动汽车关键技术的一部分，利用左右轮轮毂电机输出转矩差来实现助力转向。结构上，减轻整车质量和生产成本，使转向系的布置空间更大，且避免了助力电机噪音及其散热等问题。动态特性上，驱动助力转向省掉了助力电机及其减速机构，可以有效提高转向系统动态特性，改善助力控制效果。

多轴车辆转向时，后轮的偏转角度要与前轮的偏转角度相协调。传统上多采用机械式传动连接，在前后轴之间增加许多连接部件，使整车体底盘结构的复杂程度大大增加，且同时增加转弯时驾驶员所需手力；而采用传统的线控转向技术，虽摆脱机械传动结构的限制，但需要在各转向轴上布置转向电机，使整车成本大大增加。同时，其难以回馈精确的路感，稳定性和可靠性也尚不能完全保证。

有鉴于此，有必要提供一种针对多轴轮毂电机驱动车辆的后轮转向驱动装置及实现方法。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置，本发明的目的是取消传统多轴车辆后轴转向时，前后轴之间复杂的机械传动结构，同时在采用线控转向技术时，不需要增加额外的转向电机等驱动部件，更好的使后轮随动转向。

本发明设计开发了一种多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置的转向方法，本发明的目的之一是解决多轴车辆转向过程中后轴转向驱动装置机械结构复杂及转向力矩分配精确度差的问题。

本发明的目的之二是解决多轴驱动车辆在转向过程中对后轮转角进行合理计算的方法。

本发明提供的技术方案为：

一种多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置，包括：

后轴转向梯形臂，其分别与所述后轴相对转动连接；

后轴转向横拉杆，其分别与所述后轴转向梯形臂相对转动连接；

转角传感器，其分别安装于转向系中的转向柱和各后轮转向主销上；

后轮转向控制器，其分别电联所述转角传感器和后轴轮毂电机，用于对后轮转角进行控制；

其中，所述后轴转向梯形臂与所述后轴转向横拉杆形成可变形梯形，所述后轴上的后轮在所述可变形梯形的作用下进行偏转，所述转角传感器用于监测转向盘转角以及后轮的偏转角度，并将信号传递给所述后轮转向控制器。

优选的是，前轴与所述后轴数量设置为2组。

优选的是，所述后轴转向梯形臂与所述后轴转向横拉杆相连，进行相对转动连接。

一种多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置的转向方法，使用所述的多轴轮毂电机驱动车辆后轮线控转向驱动装置，包括如下步骤：

步骤一、转角传感器采集转角信号、根据方向盘转角信号值及各轮轮速信号值，得出实际车速；

步骤二、后轮转向控制器根据转向柱上转角传感器的信号值及各轴与整车质心的位置关系，计算各后轮实际需要的偏转角度；

步骤三、根据所述转角信号变化方向判断驾驶员行驶状态：

若驾驶员为转向过程：则后轮转向控制器中驱动助力转向模块依据当前实际车速和计算得到的各后轮偏转角信号，经助力特性曲线插值获得各后轴驱动转向力矩；

若驾驶员为回正过程：则驱动助力转向模块根据后轮实际偏转信号与转向盘转角信号的实时差值，经pid控制器计算，输出对应的差动回正转矩；

其中，后轮实际偏转信号来自各后轮转向主销上的转角传感器，转向盘转角信号来自转向系中转向柱上的转角传感器；

步骤四、若为所述转向过程，根据所述驱动转向力矩得到各后轴两侧车轮分别绕各自转向主销轴线的驱动力转矩差值，平分后与根据整车动力性及安全性计算得出的后轴各车轮驱动电机目标转矩分别求代数和，之后作为两侧后轮电机控制器的目标输出转矩；

步骤五、在车辆行驶过程中，各后轮转向主销上的转角传感器实时向后轮转向控制器反馈各后轮的实际角度偏转情况，以确保各后轴车轮能够时刻与各前轴车轮的偏转相适应，完成随动转向。

优选的是，在所述步骤二中对后轮实际需要的偏转角度的计算过程包括如下步骤：

步骤a、采集车辆行驶的纵向速度u、车身的质心侧偏角β、第一前轴上前轮转角δm以及第二前轴上前轮转角δn；

步骤b、建立后轮偏移角度操纵模型：

式中，m为车辆总质量，u为车辆行驶的纵向速度，iz为车辆绕z轴的转动惯量，ci为i轴的侧偏刚度，li为第i轴到质心的距离，ωr为车身的横摆角速度，β为车身的质心侧偏角，δi为i轴上车轮转角；

步骤c、通过所述操纵模型得出后轴上后轮转角公式为

式中，lp为后轴到质心的距离，lm为第一前轴到质心的距离，ln为第二前轴到质心的距离，δp为后轴上后轮转角，δm为第一前轴上前轮转角，δn为第二前轴上前轮转角。

优选的是，在所述步骤c中，对所述后轮转角公式进行近似取值，得到公式为

式中，lp为后轴到质心的距离，lm为第一前轴到质心的距离，ln为第二前轴到质心的距离，δp为后轴上后轮转角，δm为第一前轴上前轮转角，δn为第二前轴上前轮转角。

优选的是，在所述步骤四中，所述后轮的驱动力转矩差值公式为式中，δt为左右转向轮驱动转矩之差，tst为转向力矩，rω为滚动半径，a为转向轮的主销偏移距。

优选的是，在所述步骤四中，所述输出转矩的公式为式中，ti为内侧车轮的驱动转矩，to为外侧车轮的驱动转矩，td为驾驶员踏板输入的总驱动转矩，di为第i轴驱动转矩占总驱动转矩的比例。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、采用本发明的驱动装置使整车结构得到较大程度上的优化，转向传动机构构件受力得到大大改善，前轴与后轴之间减少了机械连接结构，有利于实现整车的轻量化，在摆脱机械系统限制的同时，能够回馈精确的路感；

2、本发明的后轮偏转角度计算方法和后轮转向方法，能够充分利用电动轮驱动汽车的驱动特点，在兼顾转向轻便性与驾驶路感的同时，有效控制多轴车辆转向过程中的后轮转向，提升了多轴车辆的机动转向性以及稳定性。

附图说明

图1为本发明所述的多轴车辆全轮转向结构示意图。

图2为本发明所述的驱动助力转向力矩分析主视图。

图3为本发明所述的驱动助力转向力矩分析俯视图。

图4为本发明所述的多轴车辆全轮转向示意图。

图5为本发明所述的多轴车辆线性二自由度模型图。

图6为后轴转向控制流程图。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明针对现有技术存在的问题与不足，实现基于轮毂电机驱动的多轴车辆后轮线控转向。

以四轴轮毂电机驱动汽车为例，其中，两前轴为主转向轴，转向系统与传统车辆相同，两后轴为辅助转向轴，与前轴之间无机械结构连接，两侧车轮仅由转向梯形臂与转向横拉杆所连接，整车利用轮毂电机驱动助力转向技术实现前轴的转向助力与后轴的主动、随动转向控制。

多轴轮毂电机驱动车辆的后轮线控转向控制系统，主要由控制部分和执行机构组成，为解决现有技术存在的问题与不足，本发明采用如下技术方案实现：整车采用轮毂电机独立驱动，8个车轮均配置有转向主销；前两轴为主转向轴，转向系统与传统车辆相同，驾驶员通过转向操纵机构、转向器和转向传动机构改变前轴车轮的偏转，通过分别对两侧轮毂电机的驱动转矩控制，实现前轴的驱动助力转向，以减少驾驶员手力；后两轴为辅助转向轴，其与主转向轴无机械连接，两侧车轮只通过转向梯形臂及转向横拉杆相连接，在后轴转向控制器的控制下，通过对各轮毂电机驱动力矩的控制，实现后轮主动转向、主动回正的功能。

主转向轴基于现有车辆转向机构上，从转向盘偏转到转向轮偏转，运动传递依次经过转向盘，转向轴，转向万向节，转向传动轴，转向器，转向摇臂，转向直拉杆，分别传递给前两轴的梯形臂及转向横拉杆，以带动第一轴和第二轴两侧车轮的偏转；作为一种优选，根据电动轮汽车驱动助力转向技术特点，重新进行结构与系统优化，为得到实际转向盘转角，在转向柱上安装有转角传感器，同时根据此信号可以通过实车的转向系传动比标定曲线测算得到前轴各车轮实际偏转角，以控制各后轮跟随前轮进行偏转。

辅助转向轴与主转向轴之间无机械结构连接，同一轴上的两侧车轮只通过转向梯形臂及转向横拉杆构成的转向梯形所约束，辅助转向轴上的车轮主动跟随前轮转向以提升车辆机动性和稳定性，其偏转通过辅助转向轴转向控制单元控制，辅助转向轴上的车轮偏转所需力矩不需要驾驶员通过方向盘提供，而依靠后轴控制单元通过转向柱转角信号、车速信号等，调节两侧车轮内轮毂电机驱动转矩的差值来提供驱动转向力矩，实现主动转向，主动回正的功能，并通过电子控制实现主转向轴和辅助转向轴的转向角根据车辆转弯半径、转向车速等参数自动匹配，各辅助转向轴主销上安装有向控制器输入反馈信号的车轮转角传感器，用以实时反馈各车轮实际转角。

辅助转向轴转向控制单元的控制器分为中低速转向控制模块和高速转向时的稳定性控制模块，根据实际车速，选择不同的转向控制模块；中低速时控制后轮偏转方向与前轮偏转方向相反，采用逆相位转向，中低速控制模块主要解决车辆转弯机动性、轻便性的问题，使多轴车辆转弯半径减小；高速时，则采用同相位转向，高速控制模块主要解决车辆转向稳定性问题，通过同相位转向减小车身与行驶方向的偏转角，减少了汽车行驶转向时的旋转和侧滑，提高汽车整体操纵稳定性。

控制策略是利用转向柱上布置的转角传感器信号，根据实车的转向系传动比标定曲线测算得到前轴车轮实际偏转角，并以此通过汽车二自由度操纵模型计算得到各后轮应该偏转的角度；此外，再结合当前实际车速信号经助力特性曲线插值，获得各轴驱动转向力矩，进而得到后轴两侧车轮驱动转矩差值的大小，通过电子控制单元分别计算得到各辅助转向轴两侧车轮实际需要提供的驱动转矩；最后将控制信号对应发送给各车轮内的轮毂电机进行驱动，同时，各后轴转向主销上的转角传感器实时向转向控制器反馈各车轮实际偏转角度；具体的系统工作过程如下：

(1)驾驶员转动方向盘，主转向轴各轮在转向操纵机构、转向器和转向传动机构的作用下实现绕主销的偏转，转角传感器采集转向柱的转角信号，并将信号发送给后轮转向控制器；

(2)根据方向盘转角信号值及各轮轮速信号值，估算实际车速；

(3)后轴转向控制器根据主转向轴上车轮的偏转角，利用二自由度操纵模型，分别计算各后轮需要的目标偏转角度；

(4)根据检测到的转向柱转角信号变化方向判断驾驶员是转向过程还是回正过程；

(5)若为转向过程：则后轴转向控制器驱动助力转向模块依据当前实际车速和计算得到的各后轮偏转角信号，经助力特性曲线插值获得驱动转向力矩；

若是回正过程：则驱动助力转向模块根据后轮实际偏转信号与转向柱转角信号的实时差值，经pid控制器计算，输出对应的差动回正转矩；其中，后轮实际偏转信号来自个后轮转向主销上的转角传感器，转向盘转角信号来自转向系中转向柱上的转角传感器；

驱动助力转向技术，是通过控制同一轴上两侧车轮内轮毂电机的驱动转矩不同，使两侧车轮驱动力绕主销轴线产生的力矩不等，即产生了驱动转向力矩，驱使两侧车轮在转向梯形的约束下，向驱动力矩小的一侧转向，其驱动转矩公式为：式中，δt为左右转向轮驱动转矩之差，tst为转向力矩，rω为滚动半径，a为转向轮的主销偏移距。

根据上式计算得到辅助转向轴两侧车轮驱动力转矩差值δt，平分后与根据整车动力性及安全性计算得出的辅助转向轴各车轮驱动电机目标转矩分别求代数和，之后作为两侧车轮电机控制器的目标输出转矩。

实施例

本发明提供一种多轴驱动车辆后轮线控转向的驱动装置及实现方法，实现多轴车辆全轮转向以减少转弯半径，取消传统多轴转向车辆主转向轴与辅助转向轴之间的机械结构，也不需要额外增加转向电机等部件，同时减少转向时方向盘所需手力，并保持精确地路感回馈。

具体结构包括底盘110，对称布置在车体两侧由轮毂电机驱动的8个车轮120，前轴为主转向轴，转向系统与普通车辆基本相同，转向盘130通过转向轴140，转向万向节150，转向传动轴160，转向器170，转向摇臂180，转向直拉杆190，转向节臂220，分别与两前轴转向梯形臂230相连接，梯形臂230与转向横拉杆240相连构成转向梯形，两侧车轮120在转向梯形的约束下，绕转向主销偏转；此外为了测量实际转向盘130转角，在转向系统的转向柱上安装有转角传感器，该转角传感器信号作为整车转向控制的输入信号，是8个车轮120转向角控制的基础，主转向轴上的车轮120的实际偏转角则是通过实车的转向系传动比标定曲线进行测算得到的。

两后轴为辅助转向轴，与主转向轴之间没有机械连接，辅助转向轴两侧的车轮120仅由梯形臂250和转向横拉杆260相连。整体后轮线控转向的控制部分由后轮转向控制器完成，其输入端与车身上的各状态传感器以及转向柱和各后轮转向主销270上的转角传感器相连，输出端与各后轮轮毂电机控制器相连，直接对电机驱动转矩进行控制，使两侧车轮产生绕各自转向主销轴线的转矩差，形成驱动转矩，进而使后轮120进行主动转向及主动回正。在各转向主销270上安装的转角传感器，实时向后轮转向控制器反馈车轮120的偏转情况，以保证各后轮120的偏转角能时刻与前轮120偏转角相协调。

如图2所示，采用驱动助力转向技术，即通过左右两侧轮毂电机提供大小不同的驱动转矩形成驱动车轮120绕辅助转向轴主销270轴线转动的转向力矩，设左右车轮120的驱动转矩分别为tl、tr，驱动力分别为ftl、ftr，则通过辅助转向轴上的驱动转向力矩与左右车轮120驱动转矩的关系公式计算得到辅助转向轴上的两侧车轮转向轮的驱动转矩差，式中，tst为转向力矩，δt为左右转向轮驱动转矩之差，rω为车轮的滚动半径，a为转向轮的主销偏移距。

再依据如下公式分配左、右转向轮驱动转矩，式中，ti为内侧车轮的驱动转矩，to为外侧车轮的驱动转矩，td为驾驶员踏板输入的总驱动转矩，di为第i轴驱动转矩占总驱动转矩的比例。

只要合理调整两侧车轮120驱动力矩，就可以保证整车总驱动力矩不变的情况下形成合适的驱动转向力矩，并利用该驱动转向力矩使辅助转向轮120实现主动偏转及随动转向；辅助转向轴两侧车轮120在梯形臂250和转向横拉杆260形成的转向梯形的约束下，保证左右车轮120按一定比例转过一个角度。同时利用后轮120转向主销上的转角传感器信号作为反馈，实时修正其与后轮目标偏转角的偏差。

辅助转向轴的控制部分由后轴转向控制器负责，后轮120的偏转角根据转向柱上转角传感器的信号值及各轴与整车质心的位置关系等参数确定，并实时更新，再利用两侧轮毂电机的差动驱动力矩形成的转向力矩实际控制后轮120的偏转，并结合各后轮转向主销270上转角传感器的信号值，实时调节两侧轮毂电机驱动转矩的差值，使各后轮120实际偏转角能与控制器计算得到的目标偏转角相一致，实现随动转向。

后轮转向控制器对后轮转角的计算原理是基于二自由度操纵模型，建立多轴转向车辆二自由度操纵模型为：

式中，m为车辆总质量，u为车辆行驶的纵向速度，iz为车辆绕z轴的转动惯量，ci为i轴的侧偏刚度，li为第i轴到质心的距离，ωr为车身的横摆角速度，β为车身的质心侧偏角，δi为i轴上车轮转角；

如图4所示，x轴平行于地面指向车辆前方，y轴指向车辆左侧，通过转向柱上的转角传感器可以测算出主转向轴m上车轮转角δm，主转向轴n上的车轮转角δn，则车辆的转向中心便可确定，为保证辅助转向轴上的车轮120做纯滚动，则需要保证辅助转向轴p上的车轮120转角δp能够实时跟随前轴车轮120的转角δm和δn，其关系为：

因为多轴转向车辆车轮120的转向角较小，故上式可以近似表示为：

式中，车轴m、n上的车轮转角δm、δn是根据转向柱上传感器测得的实际转角，lm、ln、lp分别为主转向轴m、主转向轴n和辅助转向轴p到质心的距离，再利用实车转向系传动比标定曲线进行测算得到的，通过后轴转向控制器计算便可以得到各后轴实际需要的目标偏转角度；再结合当前实际车速等参数经助力特性曲线插值获得需要的差动助力转矩，通过转向控制器计算得到两侧车轮120需要分配的不同驱动转矩信号以形成转向力矩，将此控制信号发送给各后轮120上的轮毂电机，驱动各后轴两侧车轮在转向梯形的约束下完成偏转。同时，各转向主销上的转角传感器实时向转向控制器反馈各后轮的实际偏转角度，以实现后轮能够准确主动跟随前轮进行偏转。

采用本发明的结构和后轮转向控制策略，使整车结构得到较大程度上的优化，转向传动机构构件受力得到大大改善，有利于实现整车的轻量化，充分利用电动轮驱动汽车的驱动特点，并且在兼顾转向轻便性与驾驶路感的同时，提升了多轴车的机动转向性以及高速时的稳定性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。