直列式電動車后輪轉向自平衡控制裝置及方法與流程

本發明專利涉及直列式兩輪電動車領域，尤其涉及一種直列式兩輪電動車后輪轉向自平衡控制裝置和一種直列式電動車后輪轉向自平衡控制方法。

背景技術：

直列式兩輪電動車因其經濟性和簡便性仍然是人們出行時偏愛的選擇。普通兩輪電動車在直線運行時比較安全，但在轉彎時，因為其特定的機械結構，決定了其前輪的轉角必須依靠騎乘人員根據速度保持在固定的角度上，不能發生變化，否則將無法保持車輛平衡。這時如果運行前方出現障礙物或突發情況，利用前輪過度轉向或者急剎車進行閃避，往往導致車輛側翻，騎乘人員受傷。

普通兩輪電動車在停駛情況下，需要騎乘人員下放雙腳，以保證車輛和人員平衡。低速行駛時，也必須拖曳雙腿進行輔助平衡，這時容易和旁邊車輛發生剮蹭，安全性比較低。

技術實現要素：

鑒于此，本發明提供一種直列式電動車后輪轉向自平衡控制裝置及控制方法，在車輛轉彎時，如果車輛必須避讓險情，前輪改變轉角導致車輛失衡，控制后輪進行輔助轉向，維持車輛平衡；在車輛超低速行駛或者停駛等待過程中，運用后輪轉向改變整體重心來保持平衡，無需放下雙腳拖行，提高了超低速行駛的安全性和停駛等待的舒適性。

為了達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種直列式電動車后輪轉向自平衡控制裝置，包括轉速傳感器、車身傾斜度傳感器、前輪轉角傳感器、控制器和后輪轉向系，所述轉速傳感器設置在電動車后輪電機處，車身傾斜度傳感器和控制器均固定設置在電動車車架上，前輪轉角傳感器設置在方向柱與車架前管的鉸接處，轉速傳感器、車身傾斜度傳感器和前輪轉角傳感器分別連接至控制器，所述后輪轉向系的兩端分別固定連接電動車車架和電動車后輪。

所述后輪轉向系包括后輪轉向弧板、轉向架、轉向驅動電機、齒輪、避震撐桿、后輪支承和多個轉向架限位輪，所述后輪轉向弧板前端與電動車車架固定連接、后端呈圓弧形向后彎曲，所述轉向架為剛性結構，轉向架前端固定設有多個轉向架限位輪，后輪轉向弧板的上下端面分別與轉向架限位輪的輪槽相嚙合，呈夾持狀態，轉向架的后端分別鉸接有避震撐桿和后輪支承，避震撐桿的另一端鉸接在后輪支承的撐體上，后輪支承的另一端與電動車后輪電機芯軸鉸接，所述轉向架上固定設有轉向驅動電機，轉向驅動電機的輸出端設有齒輪，后輪轉向弧板凹面設有與齒輪相嚙合的齒條。

所述轉向驅動電機縱向設置、且有上、下兩個輸出端，兩個輸出端分別設有齒輪，后輪轉向弧板凹面設有與兩個齒輪分別相嚙合的齒條。

所述轉向架限位輪的數量為4個，其中兩個轉向架限位輪的輪槽與轉向弧板的上端面嚙合，另外兩個轉向架限位輪的輪槽與轉向弧板的下端面嚙合，轉向架上、用以固定四個轉向架限位輪的臂分別水平指向后輪轉向弧板的弧心。

所述避震撐桿和和后輪支承的數量均為2個。

所述避震撐桿上設有彈簧。

所述轉向驅動電機連接至控制器。

所述控制器內還設有電子油門接口，電子油門接口連接至電動車后輪電機調速器。

本發明還提供一種直列式電動車后輪轉向自平衡控制方法，其特征在于，控制器實時讀取轉速傳感器、車身傾斜度傳感器、前輪轉角傳感器的信息，得到行駛速度V、車身傾斜度B和前輪轉角A的數據，根絕經典力學原理不難得出三個數據滿足如下關系：V·A∝B，控制步驟如下：

步驟一：控制器綜合計算行駛速度V與前輪轉角A的數據，衡量車身傾斜度B是否在適合維持車輛平衡的正常范圍內：若是，則不進行控制；若否，則進行步驟二；

步驟二：控制器對后輪轉向系的轉向驅動電機進行控制，改變后輪轉角：

若車身傾斜度B小于正常范圍，則控制器驅動轉向驅動電機轉動，后輪向前輪轉向方向動作；

若車身傾斜度B大于正常范圍，則控制器驅動轉向驅動電機轉動，后輪向前輪轉向反方向動作；

步驟三：經過后輪轉向系調整后輪轉向后，車身傾斜度B和前輪轉角A、行駛速度V趨于匹配狀態，車輛維持平衡，控制器通過控制轉向驅動電機逐漸減小后輪轉向角，直至后輪轉向角為零。

本發明的有益效果是：電動車在日常行駛過程中，在車輛轉彎時，如果車輛必須避讓險情，前輪改變轉角導致車輛失衡，控制后輪進行輔助轉向，維持車輛平衡；在車輛超低速行駛或者停駛等待過程中，運用后輪轉向改變整體重心來保持平衡，無需放下雙腳拖行，從而顯著提高了直列式兩輪車在轉彎避讓險情時的安全性，又能提高停駛和超低速行駛時的安全性和舒適性。

附圖說明：

圖1為本發明總體結構示意圖；

圖2為本發明后輪轉向系的局部放大剖面示意圖；

圖3為本發明后輪轉向系的局部放大俯視示意圖；

具體實施方式：

依照以下的附圖詳細說明關于本發明的示例性實施例。

圖中序號所代表的含義為：1-電動車車架，2-控制器，3-車身傾斜度傳感器，4-方向柱，5-前輪轉角傳感器，6-前輪，7-轉速傳感器，8-避震撐桿，9-后輪支承，10-后輪轉向系，11-后輪轉向弧板，12-轉向架限位輪，13-轉向架，14-齒輪，15-轉向驅動電機，16-齒條，20-電動車后輪電機。

以下結合具體情況說明本發明的示例性實施例：

如圖1、圖2和圖3所示的一種直列式電動車后輪轉向自平衡控制裝置，包括轉速傳感器7、車身傾斜度傳感器3、前輪轉角傳感器5、控制器2和后輪轉向系10，所述轉速傳感器7設置在電動車后輪電機20處，車身傾斜度傳感器3和控制器2均固定設置在電動車車架1上，前輪轉角傳感器5設置在方向柱4與車架前管的鉸接處，轉速傳感器7、車身傾斜度傳感器3和前輪轉角傳感器5分別連接至控制器2，所述后輪轉向系10的兩端分別固定連接電動車車架1和電動車后輪。

所述后輪轉向系10包括后輪轉向弧板11、轉向架13、轉向驅動電機15、齒輪14、避震撐桿8、后輪支承9和多個轉向架限位輪12，所述后輪轉向弧板11前端與電動車車架1固定連接、后端呈圓弧形向后彎曲，所述轉向架13為剛性結構，轉向架13前端固定設有多個轉向架限位輪12，后輪轉向弧板11的上下端面分別與轉向架限位輪12的輪槽相嚙合，呈夾持狀態，轉向架13的后端分別鉸接有避震撐桿8和后輪支承9，避震撐桿8的另一端鉸接在后輪支承9的撐體上，后輪支承9的另一端與電動車后輪電機20的芯軸鉸接，所述轉向架13上固定設有轉向驅動電機15，轉向驅動電機15的輸出端設有齒輪14，后輪轉向弧板11凹面設有與齒輪14相嚙合的齒條16。

所述轉向驅動電機15縱向設置、且有上、下兩個輸出端，兩個輸出端分別設有齒輪14，后輪轉向弧板11凹面設有與兩個齒輪14分別相嚙合的齒條16。

所述轉向架限位輪12的數量為4個，其中兩個轉向架限位輪12的輪槽與轉向弧板11的上端面嚙合，另外兩個轉向架限位輪12的輪槽與轉向弧板11的下端面嚙合，轉向架13上、用以固定四個轉向架限位輪12的臂分別水平指向后輪轉向弧板11的弧心。

所述避震撐桿8和和后輪支承9的數量均為2個。所述避震撐桿8上設有彈簧。所述轉向驅動電機15連接至控制器2。

所述控制器2內還設有電子油門接口，電子油門接口連接至電動車后輪電機調速器。

本發明實施例還提供本發明還提供一種直列式電動車后輪轉向自平衡控制方法，其特征在于，控制器實時讀取轉速傳感器、車身傾斜度傳感器、前輪轉角傳感器的信息，得到行駛速度V、車身傾斜度B和前輪轉角A的數據，根絕經典力學原理不難得出三個數據滿足如下關系：V·A∝B，控制步驟如下：

步驟一：控制器綜合計算行駛速度V與前輪轉角A的數據，衡量車身傾斜度B是否在適合維持車輛平衡的正常范圍內：若是，則不進行控制；若否，則進行步驟二；

步驟二：控制器對后輪轉向系的轉向驅動電機進行控制，改變后輪轉角：

若車身傾斜度B小于車身傾斜度的正常范圍，則控制器驅動轉向驅動電機轉動，后輪向前輪轉向方向動作；

若車身傾斜度B大于車身傾斜度的正常范圍，則控制器驅動轉向驅動電機轉動，后輪向前輪轉向反方向動作；

步驟三：經過后輪轉向系調整后輪轉向后，車身傾斜度B和前輪轉角A、行駛速度V趨于匹配狀態，車輛維持平衡，控制器通過控制轉向驅動電機逐漸減小后輪轉向角，直至后輪轉向角為零。

行駛過程中，本發明的工作原理如下：

如圖1所示，本發明包括轉速傳感器、車身傾斜度傳感器、前輪轉角傳感器、控制器、后輪轉向系、電子油門接口等器件。

轉速傳感器安裝于電動車后輪電機側，用于感知電機轉速，通過車輪半徑進行計算，可以得到車輛的行駛速度。

車身傾斜度傳感器安裝于電動車車架的大梁，可以感知車身的傾斜角度。

前輪轉角傳感器安裝于方向柱與車架的鉸接部位，可以感知前輪的轉角。

控制器在綜合計算行駛速度與前輪轉角后，衡量車身傾斜角度是否在適合維持車輛平衡的正常范圍內：如果傾斜度匹配，則不進行控制；如果傾斜度超出了正常范圍，則對后輪轉向系進行控制，改變后輪轉角，必要時可以通過電子油門接口在短時間內加大后輪推力以實現控制效果。

如圖2和圖3所示，后輪轉向系包括后輪轉向弧板、轉向架、轉向架限位輪、轉向驅動電機及齒輪、避震撐桿及后輪支承。

在車輛等待紅燈以及超低速行駛時，亦可以通過改變后輪轉角來改變車輛和騎乘人員的重心位置，來保持平衡，無需騎乘人員再下放雙腳，提高安全性的同時，也提高了騎乘的舒適性。

控制器控制方法如下：

在保持車輛行駛速度相同的情況下，靠騎乘人員自主保持平衡時，轉彎時的方向轉角和車身傾斜度會保持一定的匹配度，根絕經典力學原理可知，其匹配關系和車輛重量以及騎乘人員重量無關，不同的車身傾斜度B和前輪轉角A之間屬于固定搭配。如果彎道趨于平緩，則前輪轉角A偏小，車身傾斜度B亦小；反之如果彎道是急彎，則前輪轉角A偏大，車身傾斜度B亦偏大。且前輪轉角必然會和車身傾斜度同向，否則無法保持車輛平衡。因此，不難得出行駛速度V、車身傾斜度B和前輪轉角A三個數據滿足如下關系：V·A∝B，在已知V和A的前提下，再根據車輛過彎的物理模型計算，不難得出維系車輛平衡所需的理論車身傾斜度B’， 理論車身傾斜度B’再加上或減去一定數值或百分比，記為車身傾斜度的正常范圍的上限和下限，從而控制器將得到車身傾斜度的正常范圍與車身傾斜度B進行對比，對后輪轉向系進行控制。

根據上述原理，本發明的控制方法還可以延伸為：

控制器實時監測任一行駛速度下，前輪轉角和車身傾斜度的匹配，如果屬于正常搭配，則不做附加動作，正常行駛時，不會干擾騎乘人員的正常控制。如果出現道路狀況，騎乘人員刻意改變前輪轉角大小時，前輪轉角和車身傾斜度不再匹配，控制器檢測前輪轉角超過設定的前輪轉角匹配閾值時，控制后輪轉向系進行動作。前輪轉角小于匹配值時，后輪向車身傾斜方向動作，前輪轉角大于匹配值時，后輪反向動作，車身傾斜度會在短暫時間內過零，進入另一側。

經過后輪轉向系調整后，車身傾斜度會和轉角近似匹配，這時控制器會逐漸減小后輪轉向角，直到車輛轉角和傾斜度恢復匹配后回零。

同理地，本發明的控制方法還可以延伸為：

在車輛前輪轉角相同的情況下，車速增大時，車輛需要更大的車身傾斜度；車速減慢時，相同車輛轉角需要更小的車身傾斜度。

車輛停駛時，后輪調整方向亦和行駛時相同。當車輛左向傾斜時，后輪會做逆時針方向旋轉，將騎乘人員和車輛的重心推向右側，此時將會擁有反方向的加速度，直至進入反向傾斜，相應地調整后輪角度后維持傾斜度始終在垂直方向附近。

本發明能夠應用于普通兩輪電動車，顯著提高了直列式兩輪電動車在轉彎避讓險情時的安全性，又能提高靜止和超低速行駛時的安全性和舒適性。

以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式，并非用以限定本發明的范圍，任何本領域的技術人員在不脫離本發明構思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應屬于本發明保護的范圍。