CN1071628A - 无轨汽车的操向辅助装置 - Google Patents

Abstract

一个由内燃发动机-发电机一组合单元(16)混 合驱动的汽车(2)，在作曲线行驶时，产生一个积极的 辅助操向过程，其外侧和内侧轮的单独驱动装置(8， 10)随着被操向轮(4，6)的操向角(δA)的变化被操 纵，一个力矩差被如下调节，使实际的车轮转速差百 分比接近于标定的车轮转速差百分比，从而在曲线运 行的外侧轮(4)所受到的驱动大于内侧轮(6)，使用于 被操向轮转向而由操向装置(20，22，12)所获得的力 大大小于没有所述力矩差的情况。

Description

本发明涉及一种无轨汽车，具有至少两对车轮，每对包括一个左侧轮和一个右侧轮，这些轮中至少有一对车轮是由方向盘调节的，并且至少有一对车轮中每个轮均由单独的传动装置驱动。

无轨车辆包括轿车、卡车、公共汽车及类似车辆，一般采用内燃发动机驱动。常带有操向辅助手段（伺服控制）。一个由内燃发动机驱动的液压泵起到动力源作用，它提供所需的能源，用以增强由驾驶人员通过方向盘作用到被操向轮上的力。除了液压泵外，控制阀、操向阀、操向汽缸、油箱以及电流引线均是必要组成部件。因此到目前为止通用的操向辅助装置需要相当多的工程消耗。

近年来人们已开发了一些新的汽车驱动方案，大大改变了延续数十年之久的通用内燃发动机驱动方式。例如无轨汽车可采用由电池馈电的电机驱动方式。此外还有利用混合驱动的建议。这里在汽车上装有一个内燃发动机-发电机-组合单元，由所述发电机输出的电能经过大功率电子学方式传输到与驱动轮牢牢接合的电动机上，这种驱动形式的显而易见的优点是：比纯内燃发动机驱动方式允许进行多种细微变化的控制。

采用电机驱动的汽车的一个重要特征是在至少两个轮子上，即这些驱动轮的每一个上均装有一个单独驱动装置。

人们从只由内燃发动驱动的动力车辆逐渐改进为由电机驱动或混合驱动的汽车，因此这种新型汽车的操纵控制与只由内燃发动机驱动的汽车的操纵控制相匹配上具有重要意义的。特别是驾驶操纵应使用一个操向辅助器或操向支持装置，尤其是针对具有橡胶轮胎的重型汽车在操纵时必须克服显著增大的阻力情况。这里先提供常规的操向支持用技术，也就是说，人们可以采用电动液压发动机进行通用的伺服操纵。人们也可以采用电子式操向，即电动机的运转取决于操向轮位置，以推动操向杠杆机构。可是这种操向辅助方式仍然导致较大的工程开销。

日本专利文献JP62-181918A公开了一种汽车驱动装置，其中汽车后桥上装有一个液压离合的受操纵的机械传动装置，在两个驱动轮之间作用到该后桥的左侧和右侧的转矩分配取决于汽车的速度、驱动轮的角度和动作速度，曲线外侧驱动轮具有比曲线内侧驱动轮高的转矩，这样导致用于必要结构的花销超乎寻常的高，而且关于对力矩调节所用的调整策略没有给出详细说明。

本发明的目的是提供一种本方开头所述的无轨汽车，它具有一个高效且成本很低的操向辅助装置。

本发明的目的是这样实现的，一种具有至少两对车轮的无轨汽车，车轮中包括一个左侧轮和一个右侧轮（4，6），这些轮中至少有一对车轮是由方向盘（20）调节的，并且至少有一对车轮中每一个轮均由单独的驱动装置（8，10）驱动，为在曲线行驶时辅助导向，对曲线外侧轮（4）的单独驱动力矩被调大，而对曲线内侧的轮（6）的单独驱动力矩被调小，该操向辅助助随方向盘转角（δ）的变化而变化，其中所述的分离驱动装置为电动机（8，10），所述分离驱动装置是这样调节的，在车速低的情况下，外侧和内侧轮之间的以百分比表示的车轮转速差基本满足“阿克曼”（Ackermann）理论几何学关系，在车速高的情况下，随着车速增长而增在的以百分比表示的转速差被调整低于理论的车轮转速差，以使代表分离驱动调节的调节量的实际车轮转速差和标定车轮转速差间的差值被拉近。

自然，汽车沿曲线行驶时，曲线外侧轮比内侧轮具有较高的轮转速，这里使用所谓单线模型作为计算基础，根据“Ackermann”图1上所示的取决于驱动轮角度的操向角δA由下列公式可计算：

$\tan \mathrm{\δA}=1/\sqrt{R^2-{1_2}^2}---\left(1\right)$

以及

1₂＝（m_v/mg）.1 （2）

其中1＝轴矩

1₂＝从后桥的重心SP的中心距

R＝标定曲线半径

δA＝操向角

mv＝估量的前车轮压重

mg＝汽车总重量

由此可见，根据这一单线模型，考虑到汽车的轨距宽度，即可掌握外侧和内侧轮之间的车轮转速百分比。

人们通过每个车轮的操向角反映外侧和内侧轮之间的用百分比表示的车轮转速，因此从理论上说存在一个线轮关系，即车轮上的一个大约10℃的操向角得出一个大约10%的车轮转速差百分比。

对于具有车轮分开驱动的汽车，在行驶中，驱动功率是由驾驶人员通过操作脚踏接触器实现的，这个驱动功率必须整个儿被传递到各驱动轮上。这个由驾驶人员提供的总驱动功率也是各车轮单独驱动功率的和。

根据本发明，在曲线外侧车轮上传递的取决于方向盘的操向角度和操向角的力矩或所传递的功率（该功率与关于转速线性相关的力矩相联系）提高了，同时在曲线内侧车轮上的力矩以及功率以同样数量减小了。

而对于汽车的驾驶人员来说，明显可感觉到从外侧和内铡车轮的驱动力矩的变化所带来的变轻松的汽车操纵性能。

本发明的一个主要优点是，对各驱动轮的分开驱动是由电动机完成的，并且无需分离控制。因此对各驱动电动机的电流输入只需以极简单的方式考虑所述操向角。

根据本发明的基本思想，提高或降低所述驱动轮上产生的力矩，首先取决于理论上的分杆，取决于操向角的以百分比形式表示的车轮转速差值。这一分析尤其适用于比较低的行驶速度（例如50km/h以下），这时理论值几乎完全或相当接近实际值（例如达到80%或90%）。

一方面根据普遍的经验，另一方面根据本发明的构思，在高行驶速度时出现一个与理论上的根据“Ackermann”的线性曲线不断增大的偏离现象，这一情况在下面将进一步解释。

图3用一根直线A的形式显示了根据“Ackermann”的操向轮角δ与右及左车轮间的车轮转速差的百分比之间的理论上的关系曲线。在曲线行驶情况下，驾驶人员使汽车的方向盘偏转，从而设定某一确定转速和在操向车轮中的转速差，通过传感器人们能测到这些车轮的转速，由此人们能根据图3计算实际差值和标定差值之间的偏差。这一偏差作为调节参数产生，用于提高以及降小每个曲线外侧及曲线内侧驱动轮的驱动力矩。

众所周知，在特别慢的行驶速度情况下，实际的轮转速差与理论上的数值偏差很小。随着汽车行驶速度不断增大，实际的轮转速差与标定值的偏差也不断增大。这种现象在图3中用一根用速度参数V表示的曲线说明。

图3中曲线B表示速度为每小时50公里时取决于操向轮角度变化的定性的实际车轮转速差，曲线C和D则分别定性的表示速度为每小时100公里及150公里的情况。

如果人们只以理论上的曲线A为准则对外侧和内侧车轮的不同驱动力矩进行调节，在高速行驶时将出现一个过高的驱动力矩差值，对于驾驶人员则造成一个异常的转向辅助，这将被认为是过度操纵。

本发明因此认为，分开驱动的调节这样进行，至少在低速行驶时在外侧和内铡车轮间的以百分比表示的车轮转速差大致满足理论上的“Ackermann”几何图形关系，在高速行驶时具有一个几何图形关系上的越来越大的偏离过程，则将实际车轮转速差和理论上的标定车轮转速差的差值用作分开驱动调节的调节参数。

曲线外侧和曲线内侧轮之间的力矩差在本发明中将有效的进一步研究：

a）在较高的方向盘一角速度情况和/或

b）当方向盘角度较大时较高。

在较高的车速时通过较小的力矩差来调节较小的车轮转速差与图3中的曲线来相匹配。其结果在图4中绘出所述理论标定车轮转速差的调节量的汽车驱动控制过程。大靠近车速为零的范围内，车轮转速差相对于理论曲线A的调节率为100%，或者也可以说明相应于图3中只略微偏离一点儿的曲线A′。随着车速的增长，与理论曲线的偏离也加大。所述各转速差也越来越小，也就是说，从该理论的标定转速差将仅有一较小部分被调节。在高速行驶速度时实际上没有任何转向辅助，所述导向几乎是“直接的”。

这里低速可理解为每小时低于40公里的速度，所述争取达到的转速差值（标定车轮转速差）允许最多低于根据“Ackermann”和理论转速差的20%，而对于车速低于每小时25公里的情况，所述偏差应低于10%，对于车速每小时低于10公里时，所谓转速差值尽可能包含在根据“Ackermann”的理论曲线上，相反在高车速时将调整一个“Ackermann”理论差值的极限部分，例如在每小时超过100公里时，该偏差小于60%。

根据上述形式a），在升高方向盘角速度情况下各驱动轮上产生的驱动力矩的并值升高，这也就是说，当方向盘被快速旋转，则产生一极强的操向辅助过程。这一关系可参见图6，图中力矩差值是方向盘一角度速度δ和定量函数。这又是一个持续上升的函数走向（例如另一个依从关系是力矩差值作为方向盘角度的变量。根据上述形式b），在方向盘偏转或方向盘角度大时，在外侧和内侧轮之间的力矩差就更大，从图7可看出这个因变关系不是线性的，而是在大方向盘角度量曲线变平滑。例如在汽车调车时则显示出优越性能，当方向盘大角度偏转时会产生一个很强的操向辅助过程，证实了此时的停车非常容易且不费力气。如果方向盘还被快速移动，则由于所述时间限定的超比例操向辅助过程伴随有曲线外侧和曲线内侧的驱动轮间的短时高力矩差，从而实现操向辅助的高动作灵敏度。

图7也表示力矩变化量与汽车车速的因变关系，曲线X代表低车速情况，曲线Y代表中速曲线Z则代表高车速的情况。

人们可以概括上述的构思，对应一个方向盘角δ的时间变化，产生一个曲线个侧和曲线内侧轮之间的力矩差δM，如图5中所示，首先慢慢地但持续改变方向盘角δ，并且取一固定不变的中等车速，则力矩差也相应变化，即操向辅助的程度也相应改变，在一个△t间隔内，该方向盘的转动应加速，从而根据图6可见力矩差△M升高，即操向辅助程度变大，这是因为方向盘的角度升高了，此外从图7可看出，通过驾驶较大的偏转，还产生操向辅助过程的又一附加增高，在图5中所述力矩差△M的特征是具有一明显上升段。当方向盘再次放慢移动时，从图5可看到，曲线δ呈现又一次逐渐上升真切向，所述操向辅助程度下降，图7中的曲线束说明，当方向盘角δ继续且持续增大时，所述操向辅助程度几乎不再增加，正如图7中曲线束朝δ的增大方平滑的趋势。

通过本发明还由于分开轮驱动，可使操向辅助系统的成本极低，同时实现了在各种可能的情况下提供一个轻松而可靠的汽车驾驶控制。

下面将根据附图进一步描述本发明的实施例。附图包括：

图1用图说明对一个在曲线上行驶的汽车的车轮转速差的计算，

图2具有本发明操向辅助系统的内燃发动机-发电机-组合单元（VGE）的示意图，

图3车轮转数差随方向盘角变化的曲线图，

图4车轮转数差取决于汽车车速的均衡曲线示意图，

图5根据图2的汽车的分开驱动的车轮上所产生的力矩差取决于时间及方向盘角和操向辅助系统的关系的曲线示意图，

图6各单独驱动车轮的方向盘角速度和力矩差之间关系的曲线示意图，及

图7在各分开驱动的车轮上产生的力矩差随车速参数及方向盘角变化的曲线图。

图2表示一个具有一对从动后轮和一对驱动前轮汽车2，该车被设定以一个操向角δA向左作曲线行驶。

曲线个侧的前轮4是由一个与其交接的电机8驱动，曲线内侧的前轮6是由一个与其交接的电机10驱动，一个常规的导向杠杆机构经由操向传动装置12和操向柱22与方向盘20相连接。每当方向盘偏转一个δ角，前轮4和6就产生一个操向角δA。

汽车2的动力源是内燃发动机一发电机一组合单元（VGE）16。发电机组件将电能输送到一个具有大功率电子性能的能源分配器4，所述电流输入经过导线L1和L2送入分别操纵的两个电机8和10。一个装有微处理机的控制器18负责控制能源分配器14，组合单元（VGE）16和其它本发明不关心的汽车2的组件，该控制器还负责接收从不同的传感器发来的敏感信号。

所述控制器18特别是接收从与电机8及10连接的前轮4和6上发送的车;轮转速信号，该信号通道在图2中用虚线表示。

此外该控制器18通过一个装在操向区内的传感器24捕获到位置信号，它专门用于测出方向盘角或方向盘转过角δ。

控制器18从一个图中未示出的驾驶杆接到一个信号，它代表由驾驶人员激发的功率。控制器18相应地控制组合单元VGE16和能源分配器14，以便将该由司机激发的功率通过电机8和10传到轮4和6上，根据操向角δA和方向盘角δ，控制器18通过能源分配器14产生一个相应于驱动力矩差的外轮4和内轮6之间的以百分比表示的轮的运转差值，接着基于总的驱动功率，在连接外侧轮4的电机8上的功率及转矩将提高一定的数值，同时（例如等量地）在连接内侧轮6的电机10上的功率将减小。

在一个变化的实施方式中，可以在汽车的四个轮子上均装有单独的电机，这样当汽车在曲线上行驶时各轮均可分开受操纵。

在另一个实施方式中，汽车的后轮可驱动，而前轮只从动运动，并与操向装置连接，这些轮可分开单独被操纵，但不必与操向的轮一样。

在图2中简略地在方向盘处表示的传感器24被装在操向传动装置12上或装在操向杠杆机构上。

如上所述，相应于图3的曲线行驶情况下理论直线A上的车轮转速差百分比，当车速低时，一根据方向盘转角δ变化-力矩的分配如下进行，在分开驱动的车轮上产生的驱动力矩调节和达到图3直线A所代表的标定车轮速差值。换句话说，调节量是图3直线A代表的标定车轮转速由电机8和10上的传感器送到控制器18分析得出的实际车轮转速差之间的差值。

通过调节沿曲线行驶时的驱动力矩差，汽车和外侧受到比内侧大的驱动力，在极端情况下，这一力矩分配导致内侧的车轮或内侧某个车轮制动，这一力矩分配起到辅助操向的作用：如果曲线行驶中没有力矩差要被调节的话，驱动操向杠杆机构所具有的力明显变小。

正如上面已经描述的，力矩差的调整取决于汽车车速，车速越低，所述的差越小。这一规律从图3和图4可看出。

此外所述操向辅助程度，即力矩差的范围取决于方向盘所处位置和方向盘角速度，正如图7及图6中所示。

这里可以理解为，本发明同样适用于蛤有不只一对被操向的车轮的汽车，例如可用在前、后轮轴均被操向的载重卡车上。

Claims (4)

1、具有至少两对车轮的无轨汽车，每对车轮包括一个左和一个右轮(4，6)，其中至少有一个对车轮是由方向盘(20)转向的，并且至少有一对车轮中每一个均分开由单独的驱动装置(8，10)驱动，为在曲线行驶时辅助操向，对曲线外侧轮(4)的单独驱动力矩被调大，而对曲线内侧的轮(6)的单独驱动力矩被调小，该操向辅助随方向盘转角(δ)的变化而变化，其特征在于：

所述分离驱动装置为电动机(8，10)，

所述分离驱动装置是这样调节的，在车速低的情况下，外侧和内侧轮之间的以百分比表示的车轮转速差基本满足“阿克曼”(Ackermann)理论几何学关系，在车速高的情况下，随着车速增大而增大的以百分比表示的转速差调整低于理论的车轮转速差，以使代表分离驱动调节的调节量的实际车轮转速差和标定车轮转速差间的差值被拉近。

2、根据权利要求1的汽车，其特征在于：所述分离驱动装置是这样调节的，即方向盘一角速度越高和/或方向盘转角越大，外侧和内铡轮之间的力矩差也越高。

3、根据权利要求2的汽车，其特征在于，所述汽车装有一内燃发动机-发电机-组合单元（16），发电机的电功率输送至一个大功率电子能源分配器（14），再由该分配器将功率分配到各电动机（8，10）上。

4、根据权利要求1至3中任一个的汽车，共特征在于，每一个方向盘的位置是由方向盘传感器（24）测出的。

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