一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电动汽车车轮线控模块领域，具体是一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统及其控制方法。


背景技术：

2.车轮线控模块是电动汽车线控底盘领域的核心问题，车轮线控模块的研究直接影响到电动汽车的发展进程。车轮线控模块具有结构紧凑、集成度高的特点，提高了电动汽车
3.轮边的空间利用率。同时，车轮线控模块灵敏度高，对比传统车辆，其实现转向、制动等功能所需的响应时间更短。车轮线控模块以其自身的优势在电动汽车领域有着良好的发展和应用前景。
4.电动汽车的车轮线控模块常采用“steer-by-wi re”线控转向技术进行转向，其最早出现在20世纪60年代的德国，随着数十年的技术发展和革新，sbw技术给汽车转向特性的设计带来了巨大的空间，同时具备了一定的可靠性和安全性。
5.单个电机驱动转向如若电机出现故障，则会对驾驶员的安全造成严重的后果，应用双电机驱动可以很好地解决这个问题。双电机提高了单个电机驱动的容错性，能够通过冗余和同步驱动提高线控转向系统的安全性。目前，双电机驱动主要应用在电动汽车线控转向系统中。此外，双电机驱动还被应用到线控制动系统中，使其具有备份制动功能，提高了车辆制动的安全性。双电机技术虽然能提高单个电机驱动的容错性，能够通过冗余提高线控转向系统和线控制动系统的安全性，但是如果车轮线控模块中线控转向系统和线控制动系统均使用双电机，则会使得车轮线控模块中电机数量过多，使得部件繁多，降低了车轮线控模块的结构紧凑度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下一种技术方案：
8.一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统，包括第一动力机构、第二动力机构、转向装置、制动总成和拨叉装置；
9.所述第一动力机构包括第一电机和第一减速机构，所述第一电机与第一减速机构传动连接，所述第一减速机构与转向装置传动连接；
10.所述第二动力机构包括第二电机和第二减速机构，所述第二电机与第二减速机构传动连接，所述第二减速机构与制动总成传动连接；
11.所述第一电机通过第一减速机构和第二减速机构与制动总成传动连接；所述第二电机通过第二减速机构和第一减速机构通与转向装置传动连接；
12.所述拨叉装置用于改变第一动力机构和第二动力机构的传力方向，使得第一动力
机构能够驱动制动总成，使得第二动力机构能够驱动转向装置。
13.作为本发明进一步的方案：所述第一动力机构还包括第一联轴器，所述第一联轴器两端分别连接在第一电机和第一减速机构上；
14.所述第一减速机构，其动力输入轴与所述第一联轴器的另一端相连接，通过轴承固定在箱体上；
15.转向装置，其与所述第一减速机构的动力输出轴相连接；
16.第二动力机构还包括第二联轴器，其一端与所述第二电机的动力输出轴相连接；
17.第二减速机构，其动力输入轴与所述第二联轴器的另一端相连接，通过轴承固定在箱体上。
18.作为本发明再进一步的方案：所述第一减速机构包括：第一齿轮，其齿轮轴与所述第一联轴器的另一端相连接；
19.第二齿轮，其与所述第一齿轮相啮合；
20.第一蜗杆，其设置在所述第二齿轮的齿轮轴上；
21.第一蜗轮，其与所述第一蜗杆啮合，蜗轮轴用于传递转向动力；
22.第六齿轮，其设置在所述第二齿轮的齿轮轴末端。
23.作为本发明再进一步的方案：所述转向装置包括：
24.离合装置，其设置在所述第一蜗轮的动力输出轴上，用于传递或中断转向动力的传递；
25.转向节320，其与所述第一蜗轮的动力输出轴相连接，接收转向动力，实现车轮转向功能。
26.作为本发明再进一步的方案：所述第二减速机构包括：第一花键毂，其轴与所述第二联轴器的另一端相连接；
27.第一同步环，其设置在所述第一花键毂的轴上，便于第一花键毂与第三齿轮的结合；
28.第三齿轮，其设置在所述第一花键毂的轴上，与第一花键毂的轴有空隙，不直接接触；
29.第四齿轮，其与所述第三齿轮相啮合，第四齿轮的齿轮轴输出制动动力；
30.第二花键毂，其设置在所述第一花键毂轴的末端；
31.第二同步环，其设置在所述第一花键毂轴的末端，便于第二花键毂与第五齿轮的结合；
32.第五齿轮，其设置在所述第一花键毂轴的末端，与第一花键毂的轴有空隙，不直接接触；第五齿轮用于与第六齿轮啮合。
33.作为本发明再进一步的方案：所述拨叉装置包括：第一结合套，用于将所述第一花键毂与第三齿轮相结合；
34.第二结合套，用于将所述第二花键毂与第五齿轮相结合；
35.线控推杆装置530，用于推动所述第一结合套或第二结合套，调整动力传递路线，使得双电机轮边转向制动集成系统输出所需的转向力矩或制动力矩。
36.作为本发明再进一步的方案：所述制动总成包括：制动油泵，其与所述第四齿轮的动力输出轴相连接；
37.制动油箱，其与所述的制动油泵集成在一起；
38.制动阀体，其与所述的制动油泵通过硬管相连接，设置在轮边转向制动集成系统的箱体上；
39.制动器，其与所述制动阀体通过软管相连接，通过油压实现制动功能。
40.为实现上述目的，本发明提供如下另一种技术方案：
41.一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统的控制方法，具体包括如下步骤：
42.步骤一、采集第一动力机构和第二动力机构的转速信号，并将转速信号传递给vcu；
43.步骤二、vcu(整车控制器)处理转速信号，判断第一动力机构和第二动力机构工作是否正常；
44.步骤三、根据第一动力机构、第二动力机构的工作状况和驾驶员发出的指令，vcu控制拨叉装置，选择不同的转矩输出模式，调整动力传递路线，输出所需的转向力矩或制动力矩。
45.作为本发明再进一步的方案：所述转矩输出模式包括如下模式：第一动力机构不参与传动，所述第二动力机构至少为转向装置和制动总成两者任一提供动力；
46.第二动力机构不参与传动，所述第一动力机构至少为转向装置和制动总成两者任一提供动力；
47.所述第一动力机构和第二动力机构均参与传动，所述第一动力机构为转向装置提供动力；所述第二动力机构为制动总成提供动力。
48.与现有技术相比，本发明的有益效果是：在第一动力机构和第二动力机构均正常时，第一动力机构和第二动力机构可单独驱动转向装置和制动总成互不影响，单个电机也可以按照驾驶员意图通过不同的传递路线输出不同的转向力矩或者制动力矩。在双电机中某一电机异常时，单个电机依然可以按照驾驶员的意图单独转向、单独制动、同时制动和转向，输出不同的转向力矩或制动力矩。
附图说明
49.图1为具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统一侧的结构示意图。
50.图2为具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统另一侧的结构示意图。
51.图3为具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统箱体内部一侧的结构示意图。
52.图4为具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统箱体内部的另一侧结构示意图。
53.图5为具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统的控制方法流程图
54.图6为具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统的转矩输出模式表。
55.图7为所述转矩输出模式一中第一电机单独驱动转向时功率流图。
56.图8为所述转矩输出模式一中第二电机单独驱动制动时功率流图。
57.图9为所述转矩输出模式一中第一电机、第二电机同时驱动转向制动时功率流图。
58.图10为所述转矩输出模式五中第一电机单独驱动制动时功率流图。
59.图11为所述转矩输出模式三中第二电机单独驱动转向时功率流图。
60.图12为所述转矩输出模式四中第二电机同时驱动转向制动时功率流图。
61.图13为所述转矩输出模式二中第一电机同时驱动转向制动时功率流图。
62.图中：第一动力机构-100；
63.第一电机-110、第一减速机构-120、第一联轴器-130；
64.第一齿轮-121、第二齿轮-122、第一蜗杆-123、第一蜗轮-124、第六齿轮-125；
65.第二动力机构-200；
66.第二电机-210、第二减速机构-220、第二联轴器-230；
67.第一花键毂-221、第一同步环-222、第三齿轮-223、第四齿轮-224、第二花键毂-225、第二同步环-226、第五齿轮-227；
68.转向装置-300；
69.离合装置-310、转向节-320；
70.制动总成-400；
71.制动油泵-410、制动油箱-420、制动阀体-430、制动器-440；
72.拨叉装置-500；
73.第一结合套-510、第二结合套-520、线控推杆装置-530；
74.车架-600。
具体实施方式
75.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
76.实施例1
77.请参阅图1、2，本发明实施例1中，为本发明实施例提供的一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统的结构图，所述具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统统包括第一动力机构100、第二动力机构200、转向装置300、制动总成400和拨叉装置500；
78.所述第一动力机构100包括第一电机110和第一减速机构120，所述第一电机110与第一减速机构120传动连接，所述第一减速机构120与转向装置300传动连接；
79.所述第二动力机构200包括第二电机210和第二减速机构220，所述第二电机210与第二减速机构220传动连接，所述第二减速机构220与制动总成400传动连接；
80.所述第一电机110通过第一减速机构120和第二减速机构220与制动总成400传动连接；所述第二电机210通过第二减速机构220和第一减速机构120通与转向装置300传动连接；
81.所述拨叉装置500用于改变第一动力机构100和第二动力机构200的传力方向，使得第一动力机构100能够驱动制动总成400，使得第二动力机构200能够驱动转向装置300。
82.所述拨叉装置500用于使得第一动力机构100不参与传动，所述第二动力机构200至少为转向装置300和制动总成400两者任一提供动力；
83.所述拨叉装置500用于第二动力机构200不参与传动，所述第一动力机构100至少
为转向装置300和制动总成400两者任一提供动力；
84.所述拨叉装置500用于所述第一动力机构100和第二动力机构200均参与传动，所述第一动力机构100为转向装置300提供动力；所述第二动力机构200为制动总成400提供动力。
85.本发明在第一动力机构100和第二动力机构200均正常时，第一动力机构100和第二动力机构200可单独驱动转向装置300和制动总成400互不影响，单个电机也可以按照驾驶员意图通过不同的传递路线输出不同的转向力矩或者制动力矩。在双电机中某一电机异常时，单个电机依然可以按照驾驶员的意图单独转向、单独制动、同时制动和转向，输出不同的转向力矩或制动力矩。
86.所述第一动力机构100还包括第一联轴器130，所述第一联轴器130两端分别连接在第一电机110和第一减速机构120上。如此实现了第一电机110与第一减速机构120之间的连接。
87.所述第一减速机构120，其动力输入轴与所述第一联轴器130的另一端相连接，通过轴承固定在箱体上。
88.转向装置300，其与所述第一减速机构120的动力输出轴相连接。
89.第二动力机构200还包括第二联轴器230，其一端与所述第二电机210的动力输出轴相连接。
90.第二减速机构220，其动力输入轴与所述第二联轴器230的另一端相连接，通过轴承固定在箱体上。
91.制动总成400，其与所述第二减速机构220的动力输出端相连接，接收动力，实现制动功能。
92.拨叉装置500，其可改变集成系统的动力传递路线，实现多种功能；
93.此外，拨叉装置500箱体连接安装在轮边转向制动集成系统的箱体上，而轮边转向制动集成系统箱体安装在车架600上。拨叉装置500箱体可以通过螺纹连接安装在轮边转向制动集成系统的箱体上，而轮边转向制动集成系统箱体安装在车架600上。
94.如图3、4所示，所述第一减速机构120包括：第一齿轮121，其齿轮轴与所述第一联轴器130的另一端相连接；第二齿轮122，其与所述第一齿轮121相啮合；第一蜗杆123，其设置在所述第二齿轮122的齿轮轴上；第一蜗轮124，其与所述第一蜗杆123啮合，蜗轮轴用于传递转向动力；第六齿轮125，其设置在所述第二齿轮122的齿轮轴末端；
95.所述转向装置300包括：
96.离合装置310，其设置在所述第一蜗轮124的动力输出轴上，用于传递或中断转向动力的传递；
97.转向节320，其与所述第一蜗轮124的动力输出轴相连接，接收转向动力，实现车轮转向功能；
98.所述第二减速机构220包括：第一花键毂221，其轴与所述第二联轴器230的另一端相连接；第一同步环222，其设置在所述第一花键毂221的轴上，便于第一花键毂221与第三齿轮223的结合；第三齿轮223，其设置在所述第一花键毂221的轴上，与第一花键毂221的轴有空隙，不直接接触；第四齿轮224，其与所述第三齿轮223相啮合，第四齿轮224的齿轮轴可以输出制动动力；第二花键毂225，其设置在所述第一花键毂221轴的末端；第二同步环226，
其设置在所述第一花键毂221轴的末端，便于第二花键毂225与第五齿轮227的结合；第五齿轮227，其设置在所述第一花键毂221轴的末端，与第一花键毂221的轴有空隙，不直接接触；第五齿轮227用于与第六齿轮125啮合。
99.所述拨叉装置500包括：第一结合套510，用于将所述第一花键毂221与第三齿轮223相结合；第二结合套520，用于将所述第二花键毂225与第五齿轮227相结合；线控推杆装置530，用于推动所述第一结合套510或第二结合套520，调整动力传递路线，使得双电机轮边转向制动集成系统输出所需的转向力矩或制动力矩；
100.如图2所示，所述制动总成400包括：制动油泵410，其与所述第四齿轮224的动力输出轴相连接；制动油箱420，其与所述的制动油泵410集成在一起；制动阀体430，其与所述的制动油泵410通过硬管相连接，设置在轮边转向制动集成系统的箱体上；制动器440，其与所述制动阀体430通过软管相连接，通过油压实现制动功能；
101.实施例2
102.如图5所示，本发明还提供一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统统的控制方法，使用上述具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统统，具体包括如下步骤：
103.步骤一、采集第一动力机构100和第二动力机构200的转速信号，并将转速信号传递给vcu；
104.步骤二、vcu(整车控制器)处理转速信号，判断第一动力机构100和第二动力机构200工作是否正常；
105.步骤三、根据第一动力机构100、第二动力机构200的工作状况和驾驶员发出的指令，vcu控制拨叉装置500，选择不同的转矩输出模式，调整动力传递路线，输出所需的转向力矩或制动力矩；
106.具体的，所述步骤一为、采集第一电机110和第二电机210的转速信号，并将转速信号传递给vcu；
107.所述步骤二为、vcu处理转速信号，判断第一电机110和第二电机210工作是否正常；
108.所述步骤三为、根据第一电机110、第二电机210的工作状况和驾驶员发出的指令，vcu控制拨叉装置500，选择不同的转矩输出模式，调整动力传递路线，输出所需的转向力矩或制动力矩；
109.优选的是，所述转矩输出模式包括如下模式：第一动力机构100不参与传动，所述第二动力机构200至少为转向装置300和制动总成400两者任一提供动力；
110.第二动力机构200不参与传动，所述第一动力机构100至少为转向装置300和制动总成400两者任一提供动力；
111.所述第一动力机构100和第二动力机构200均参与传动，所述第一动力机构100为转向装置300提供动力；所述第二动力机构200为制动总成400提供动力。
112.进一步的，所述转矩输出模式包括如下模式：
113.如表6所示，转矩输出模式一、vcu控制线控拨叉推杆推动第二结合套520，使得第二花键毂225与第五齿轮227分离，第五齿轮227与第六齿轮125之间没有动力传递；线控拨叉推杆推动第一结合套510，使得第一花键毂221与第三齿轮223结合。
114.如图5所示，转矩输出模式一适用于如下情况：1、第一电机110正常、第二电机210正常时，驾驶员想要第一电机110单独实现转向功能；2、第一电机110正常、第二电机210正常时，驾驶员想要同时实现转向和制动功能3、第一电机110正常、第二电机210异常时，驾驶员想要第一电机110单独实现转向功能4、第一电机110异常、第二电机210正常时，驾驶员想要第二电机210单独实现制动功能；5、第一电机110正常、第二电机210正常时，驾驶员想要第二电机210单独实现制动功能。
115.如图7、8、9所示，此时箱体内转向转矩传递路线为：第一电机110——第一联轴器130——第一齿轮121——第二齿轮122——第一蜗杆123——第一蜗轮124——离合装置310——转向动力输出轴；箱体内制动转矩传递路线为：第二电机210——第二联轴器230——第三齿轮223——第四齿轮224——制动动力输出轴；此时车轮转角和输出的转向力矩、输出的制动力矩分别为：其中
116.如表6所示，转矩输出模式二、vcu控制线控拨叉推杆推动第一结合套510，使得第一花键毂221与第三齿轮223结合；线控拨叉推杆推动第二结合套520，使得第二花键毂225与第五齿轮227结合。
117.如图5所示，转矩输出模式二适用的情况：第一电机110正常，第二电机210异常，驾驶员想要第一电机110同时实现转向和制动功能。
118.如图13所示，此时箱体内转向转矩传递路线为：第一电机110——第一联轴器130——第一齿轮121——第二齿轮122——第一蜗杆123——第一蜗轮124——离合装置310——转向动力输出轴；箱体内制动转矩传递路线为：第一电机110——第一联轴器130——第一齿轮121——第二齿轮122——第六齿轮125——第五齿轮227——第二花键毂225——第一花键毂221——第三齿轮223——第四齿轮224——制动动力输出轴；此时车轮转角和输出的转向力矩、输出的制动力矩分别为：转角和输出的转向力矩、输出的制动力矩分别为：其中
119.如表6所示，转矩输出模式三、vcu控制线控拨叉推杆推动第一结合套510，使得第一花键毂221与第三齿轮223分离，第三齿轮223与第四齿轮224之间没有动力传递；线控拨叉推杆推动第二结合套520，使得第二花键毂225与第五齿轮227结合。
120.如图5所示，转矩输出模式三适用的情况：第一电机110异常，第二电机210正常时，驾驶员想要第二电机210单独实现转向功能。
121.如图11所示，此时箱体内转向转矩传递路线为：第二电机210——第二联轴器230——第二花键毂225——第五齿轮227——第六齿轮125——第一蜗杆123——第一蜗轮124——离合装置310——转向动力输出轴；此时车轮转角和输出的转向力矩分别为：
122.如表6所示，转矩输出模式四、vcu控制线控拨叉推杆推动第一结合套510，使得第一花键毂221与第三齿轮223结合；线控拨叉推杆推动第二结合套520，使得第二花键毂225与第五齿轮227结合。
123.如图5所示，转矩输出模式四适用的情况：第一电机110异常，第二电机210正常时，驾驶员想要第二电机210同时实现转向和制动功能。
124.如图12所示，此时箱体内转向转矩传递路线为：第二电机210——第二联轴器230——第二花键毂225——第五齿轮227——第六齿轮125——第一蜗杆123——第一蜗轮124——离合装置310——转向动力输出轴；箱体内制动转矩传递路线为：第二电机210——第二联轴器230——第三齿轮223——第四齿轮224——制动动力输出轴；此时输出的转角、转向力矩和制动力矩分别为：其中
125.如表6所示，转矩输出模式五、线控拨叉推杆推动第一结合套510，使得第一花键毂221与第三齿轮223结合；线控拨叉推杆推动第二结合套520，使得第二花键毂225与第五齿轮227结合；
126.如图5所示，转矩输出模式五适用的情况：第一电机110正常、第二电机210异常时，驾驶员想要第一电机110单独实现制动功能；
127.如图10所示，此时箱体内制动转矩传递路线为：第一电机110——第一联轴器130——第一齿轮121——第二齿轮122——第六齿轮125——第五齿轮227——第二花键毂225——第一花键毂221——第三齿轮223——第四齿轮224——制动动力输出轴；此时输出的制动力矩为：其中
128.上述式中，ts为双电机轮边转向制动集成系统输出的转向力矩；m
μ
为双电机轮边转向制动集成系统输出的制动力矩；p1为第一电机110的功率；p2为第二电机210的功率；n1为第一电机110的转速；θ2为第二电机210的转速；θ为车轮转角；α为第一电机110在一定时间内的转角；b为第二电机210在一定时间内的转角；i
12
为第一齿轮121和第二齿轮122之间的传动比；i
78
为第一蜗杆123和第一蜗轮124之间的传动比；i
56
为第五齿轮227和第六齿轮125之间的传动比；η
12
为第一齿轮121和第二齿轮122之间的传动效率；η
78
为第一蜗杆123和第一蜗轮124之间的传动效率；η
56
为第五齿轮227和第六齿轮125之间的传动效率；α为第一电机110同时实现转向和制动功能时，转向转矩分配系数，其值小于1；β为第二电机210同时实现转向和制动功能时，转向转矩分配系数，其值小于1；γ为第二电机210同时实现转向和制动功能时，制动转矩分配系数，其值小于1；δ为第一电机110同时实现转向和制动功能时，制动转矩分配系数，其值小于1；τ为制动损失效率；λ为机械效率，主要受联轴器、轴承及其个数、输出轴传动方式影响；f为摩擦系数；r为摩擦作用半径；s为摩擦有效接触面积；v为制动泵的流量；tb代表制动泵的理论转矩。
129.本发明的工作原理是：
130.本发明设计的一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统统，在保证车轮
线控模块的安全性的前提条件下，为减少车轮线控模块中电机的数量，同时进一步提高车轮线控模块的集成度，本发明提供一种具有备份模式的双电机轮边转向制动集成系统统及其控制方法。将轮边转向系统与轮边制动系统中的传动部分相集成，结构紧凑，提高了集成度。将双电机驱动的轮边转向制动集成系统设置在转向节320上方，避免了转向时车轮的运动干涉，增大了车轮的理论最大转角。同时，第一电机110与第二电机210可以实现安全冗余功能。
131.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
132.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
133.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。