CN100336692C - 机电一体化电驱动控制的车辆转向机构 - Google Patents

Abstract

机电一体化电驱动控制的车辆转向机构涉及车辆机电控制转向机构或系统，该转向机构包括左转向锁位器(1)、左刚柔转换连接器(2)、直流直线电机(3)、右刚柔转换连接器(4)、左转向横拉杆接头(5)、右转向锁位器(8)、右转向横拉杆接头(9)；整个机构以直流直线电机(3)为中心，在直流直线电机(3)的两侧分别连接有左刚柔转换连接器(2)和右刚柔转换连接器(4)；在左刚柔转换连接器(2)的外侧连接有左转向锁位器(1)，在左转向锁位器(1)的外侧是左转向横拉杆接头(5)；在右刚柔转换连接器(4)的外侧连接有右转向锁位器(8)，在右转向锁位器(8)的外侧是右转向横拉杆接头(9)。

Description

机电一体化电驱动控制的车辆转向机构

技术领域

本发明涉及车辆机电控制转向机构或系统，尤其是直线电机驱动技术与机械传动机构或系统以及主动转向控制技术相结合的一个综合应用，属于机电一体化控制的技术领域。

背景技术

在车辆转向过程中，通过比较发现当前国内外车辆转向技术中主要采用如下几种转向系统或机构以便实现一般路上行驶车辆的转向。

主动转向机构的基本形式有：电液助力式转向系统；电机助力驱动转向系统(齿条安装电机助力驱动转向系统；转向柱安装电机助力驱动转向系统；齿轮电机助力驱动转向系统)。目前这类助力驱动转向系统的基本特点是：转向助力类型不是通过液压来驱动齿轮齿条转向机构就是通过电机加减速齿轮机构来驱动齿轮齿条转向机构来实现转向的。

随动(从动)转向机构的基本形式有：旋转电机加减速变换机构的转向系统从它们的单元构成中可以发现：系统构成复杂；性能价格比不高，转向系统能耗比较大，系统工作可靠性不理想等。

为了解决系统性能和成本之间的矛盾，同时考虑机电系统绿色设计的发展方向和特点而形成的独特的发明设计，相信这类技术和产品会对车辆及其相关技术发展起到一定的推动作用。到目前为止，还没有在转向系统中使用直线电机驱动技术与机械传动机构或系统以及主动转向控制技术相结合的综合应用方式或结构。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种机电一体化电驱动控制的车辆转向机构，该系统架构单元的构成成本比较低，工作可靠，性能够用好用，布局灵活，可以适用于独立悬架系统和非独立悬架车辆底盘系统。

技术方案：本发明的出发点就是利用电机驱动技术(直流直线电机)结合车辆转向使用性能特点以及对转向机构使用性能的具体要求设计新型转向机构，该转向系统采用当今较为成熟先进的控制系统架构策略和算法，从而可以克服传统车辆转向机构的不足和弱点，提升先进车辆转向系统的技术水平和和智能化水准。本发明的机电一体化电驱动控制的车辆转向机构中，包括左转向锁位器、左刚柔转换连接器、直流直线电机、右刚柔转换连接器、左转向横拉杆接头、左筒状安装支架、系统右筒状安装支架、右转向锁位器、右转向横拉杆接头；整个机构以直流直线电机为中心，在直流直线电机的两侧分别连接有左刚柔转换连接器和右刚柔转换连接器；在左刚柔转换连接器的外侧连接有左转向锁位器，在左转向锁位器的外侧是左转向横拉杆接头；在右刚柔转换连接器的外侧连接有右转向锁位器，在右转向锁位器的外侧是右转向横拉杆接头。

本发明转向系统的设计主要采用机电技术集成构架为主，直流直线电机直接驱动为动力源，复合机构作为辅助功能，采用简单实用控制策略来实现主动随动转向功能，并且，系统架构单元的构成成本比较低，工作可靠，性能够用好用，布局灵活，可以适用于独立悬架系统和非独立悬架车辆底盘系统。

根据主动随动转向机构的工作特点设定所发明的这个系统应该具有如下功能：当系统所有单元都处于良好状态的时候，主动随动转向系统根据转向控制信号的要求，直流直线电机驱动复合机构左右直线运动，实现既定的转向特性。当系统局部有故障无法正常工作的时候，机电一体化电驱动控制转向系统可以使车辆转向车轮的状态由转向状态变为非转向状态(即使得所控制的转向车轮处于直线行驶状态)。

刚柔变换连接器工作原理：

非工作(加电)时候，电磁阀没有推力产生，这时，凸轮卡钳推杆中的凸轮在压紧弹簧的轴向推力作用下处于与压紧卡钳弧形内表面下端面相接触状态，从而使得凸轮转向推拉杆不受压紧卡钳弧形内表面的约束可以轴向移动。

正常工作时，电磁阀通电产生轴向推力，该推力作用于凸轮卡钳推杆的一端，当推力大于另一端预紧弹簧的弹力以及压紧卡钳所引起的阻力的时候，凸轮卡钳推杆向压缩预紧弹簧的方向移动，这样使得凸轮卡钳推杆中的凸轮脱离了与压紧卡钳弧形内表面的接触，使得压紧卡钳的弧形内表面压向凸轮转向推拉杆的凸轮凹槽。这样就使得凸轮转向推拉杆无法相对于连接器壳体移动，使得凸轮转向推拉杆和连接体可以一起移动。若直流直线电机产生输出，推动刚柔变换连接器中凸轮转向推拉杆，由于凸轮转向推拉杆中的凸轮凹槽受到压紧卡钳的作用从而导致了整个连接器成为一个刚性连接装置而整体随着直线电机的移动而移动。

当电磁阀失电或根据控制指令而断电的时候，由于压缩的预紧弹簧的弹性恢复力大于压紧卡钳对凸轮拨叉推杆作用所产生的阻力，凸轮卡钳推杆中的凸轮将推开合拢的压紧卡钳下端面，从而使得压紧卡钳的弧形内表面与凸轮转向推拉杆的凸轮凹槽表面脱离接触，这样凸轮转向推拉杆就可以在变换连接器的两支撑轴承端的线性方向上产生移动，这样原来是刚性连接的凸轮转向推拉杆和连接器就成为了具有柔性的连接机构。

贯通式电控锁位器工作原理：

当锁位器不加电的时候，促动机构中的卡钳推拉杆上的凸轮在平衡弹簧的作用下不与锁位卡钳下端面相接触，这样，凸轮转向推拉杆的凹槽可以被锁位卡钳约束也可不约束，这取决于凹槽和卡钳的相对位置。当所连接的转向车轮在回正力矩的作用下恢复到直线行驶位置的时候，设计保证这个时候凸轮转向推拉杆的凹槽正好和锁位卡钳的弧形表面相接触，从而保证锁位器断电或控制指令下使得原来所控制的转向车轮可以快速变为非转向车轮。

当系统正常工作的时候，锁位器加电，其中的电磁阀产生推力，该推力与平衡弹簧推力共同作用下，凸轮转向推拉杆上的凸轮外表面处于和锁位卡钳圆弧内表面不接触的状态，从而使得锁位卡钳不对转向推拉杆产生锁位限位效应，这样转向推拉杆在直线电机驱动下可以按既定运行特征的工作要求来横向直线移动。

复位机构：保证系统在有突发故障的时候(掉电或失电)，转向车轮变为非转向状态。通过直线驱动电机(直流直线电机)非带电状态可以在轴向外力推动下轴杆可以双向运动来实现的，其外界推力来自于转向滚动车轮的回正力矩来提供。当驱动电机(直流直线电机)由于其它非电因素不正常工作的时候，通过解除转向刚性连接保证在回正力矩的作用下使得转向车轮变为非转向状态。转向刚柔性连接变换的实现是由刚柔变换连接器完成的。

电控电驱动直线运动转向系统的工作过程：

1)、转向系统加电，系统首先进行状态自检。

2)、当系统经过控制检测模块检测(通过有关参数的分析推断)认为转向系统处于完好状态的时候，直流直线驱动电机在转向控制器的有关动作指令控制下，按着既定程序首先直流直线电机一侧推力杆产生向该侧方向的线性直线运动。然后带动复合机构实现所要求的转向车轮转动。

3)、当系统初始检测发现系统存在有关故障的时候，系统提醒驾驶车辆人员注意，并尽快将转向状态变成非转向状态。

当车辆行驶过程中发现该主动转向系统产生故障后，系统控制模块会发出相应指令使得转向车轮变为非转向车轮，待故障排除后系统可以在控制指令的指挥下恢复正常的转向车轮应有的基本功能，在发现故障的同时系统会将有关故障特征进行必要的存贮和报警提示。若系统掉电，转向车轮在回正力矩作用下，回到直线行驶状态并保持，直到故障排除。

电驱动控制的转向系统结构：

1)系统构成逻辑框图：

总的系统架构逻辑组成是由直流直线驱动电机和转向复合机构加上转向控制模块组成。当系统各个单元状态正常时，直线驱动电机在控制模块指令控制下实现既定的转向状态(左右转向及其转向程度)；当系统中的任何一个功能单元出现故障时，系统能诊断故障性质并存储和显示故障特征，与此同时，转向车轮可以恢复非转向状态(即直线行驶时候的车轮状态)

2)系统机电结构单元：

系统基本功能结构单元由四个基本模块组成：直线电机动力源；刚柔变换连接器；转向锁位器和转向复位功能单元以及控制器模块。这五个基本硬件单元的位置关系是直线电机位于中间左右分别依次连接刚柔变换连接器，连接器和锁位器连接，锁位器的输出轴和车轮转向横拉杆连接，这样主动随动系统在既定的控制指令程序的统一协调指挥下可以实现正常转向功能以及在非正常转向状态(故障状态)的时候都可以实现安全可靠的工作状态。

3)控制单元架构：

控制单元是由有关位置和状态传感器及其控制电磁阀和控制芯片构成。

控制单元的作用实现正常的转向功能，同时对系统中的有关执行器件的工作状态进行监控并生成相应动作指令，还要对相关信息进行必要的存储和显示。要保护的内容是：系统架构与逻辑关系，执行机构单元结构与工作原理，控制逻辑策略。

有益效果：采用所设计的车辆转向控制系统，整个系统结构的机电一体化方案简洁实用，具有较高的智能控制水准，并且性能价格比高。符合环保、低能耗和可靠性高等基本技术性能评价指标。并且和整车的技术性能匹配性良好。是一种值得推广的高级主动随动控制转向系统。该系统架构单元的构成成本比较低，工作可靠，性能够用好用，布局灵活，可以适用于独立悬架系统和非独立悬架车辆底盘系统。

附图说明

图1是本发明机电一体化电驱动控制的车辆转向机构的总体结构示意图。

图2是转向锁位器的剖面结构示意图。

图3是刚柔转换连接器的剖面结构示意图。

图4是本发明电驱动控制的车辆转向机构的总体的机电一体化电驱动控制转向系统功能逻辑模块框图。

以上的图中有：左转向锁位器1；左刚柔转换连接器2；直流直线电机3；右刚柔转换连接器4；左转向横拉杆接头5；右转向锁位器8；右转向横拉杆接头9；左法兰连接头10；左横拉杆管连接头11；右横拉杆管连接头12；右法兰连接头13。法兰14；连接端盖15；连接器壳体凹壳体16；轴向定位管17；压紧弹簧20；卡钳支撑轴21；连接器壳体凸壳体22；预紧弹簧调整螺钉23；预紧弹簧24；压紧卡钳25；凸轮卡钳推杆26；电磁阀安装支架27；凸轮转向推拉杆28。压紧卡钳压力弹簧33；压紧卡钳支撑轴34；锁位器凸壳体35；壳体法兰盘36；连接法兰37；预紧力调整螺钉38；平衡弹簧39；凸轮卡钳推拉杆40；锁位卡钳41；定位套管42；凸轮转向推拉杆43；锁位器凹壳体44；轴承法兰座45；预紧弹簧定位座46；锁位卡钳轴向垫片47；电磁阀支座48。

具体实施方式

本发明的机电一体化电驱动控制的车辆转向机构，其特征在于该转向机构包括左转向锁位器1、左刚柔转换连接器2、直流直线电机3、右刚柔转换连接器4、左转向横拉杆接头5、右转向锁位器8、右转向横拉杆接头9；整个机构以直流直线电机3为中心，在直流直线电机3的两侧分别连接有左刚柔转换连接器2和右刚柔转换连接器4；在左刚柔转换连接器2的外侧连接有左转向锁位器1，在左转向锁位器1的外侧是左转向横拉杆接头5；在右刚柔转换连接器4的外侧连接有右转向锁位器8，在右转向锁位器8的外侧是右转向横拉杆接头9。

1)、当系统工作状态正常时候，直流直线电机动力源发出推拉力，经中间复合转向传动系统，推动终端执行机构/执行器，执行机构使得同轴的左右车轮按既定规律偏转一个要求的转向角。

2)、当整个系统处于非正常工作状态的时候，有两个基本工况要考虑：

(1)动力源(直流直线电机)工作正常时候，其中间传动与执行复合单元有故障，保证动力安全和系统非故障单元体的状态完好；

(2)动力源工作状态不正常，其他子系统正常，保证动力源不对系统产生负面影响，确保转向车轮处于所要的状态(即使得转向车轮变为非转向车轮)，使得原来四轮转向车辆系统顺利过渡到两轮转向系统，保证车辆的安全性不被破坏。

3)、当系统无法实现四轮转向功能的时候，要有可靠的机构或子系统使得转向车轮顺利过渡到非转向车轮(恢复直线行驶功能)，并且当系统有关系统修复后可以手动恢复转向轮确定初始状态(所谓确定的初始状态是指电动电控正常的工作状态或初始状态)

4)、整个主动随动转向系统的运行都是在控制模块根据设定的控制指令来实现所要求的转向功能等功能。

系统技术方案实现：

本项发明申请仅仅涉及机电系统机械部分硬件设计，控制模块与控制器系统的发明设计另行完成。

直流直线驱动电机：

本发明设计中所采用的直流直线电机采用符合车辆使用性能要求的标准系列的产品，这种直流直线电机可以是直流直线步进电机也可以采用直流伺服直线电机(推荐使用直流伺服直线驱动电机为好)。电机工作时候的状态是由有关控制指令来控制的，通过适当的控制程序可以保证正常转向功能实现，另外还可以参与车辆操作稳定性的优化及其实现。

电控转向刚柔变换连接器：

当系统其他单元状态正常的时候，变换器使得其连接的左右推拉杆成为刚性连接关系，当直线驱动电机由于掉电(失电)或机械故障无法工作时候，可以保证转向车轮在回正力矩作用下很快回到直线行驶时的车轮状态；另外，当左右转向车轮转向时候遇到转向阻力超过预定数值的时候，可以起到辅助保护直线转向驱动电机免受由于过载而损坏的后果。在系统有关故障排除后可以在控制指令作用下，可以使得左右推拉杆由柔性连接转换为刚性连接，从而满足既定的转向系统的功能实现。

电控转向刚柔变换连接器包括刚柔变换执行机构、刚柔变换触动机构、连接器输出输入机构。

刚柔变换执行机构：

压紧卡钳25通过耳环套在压紧支撑轴21上，支撑轴的两端分别位于凹壳体16和凸壳体22的相应支撑孔中，在一端的压紧卡钳耳环和支撑孔之间的压紧支撑轴处安装有定位套管17。压紧弹簧20位于两压紧卡钳耳环之间，并套在压紧支撑轴21上，卡钳组在压紧弹簧的作用下，有使得压紧卡钳内表面压向凸轮推拉杆中的凸轮凹槽趋势，由于压紧卡钳的下端面和凸轮拨叉推杆的轴表面或凸轮表面接触，从而使得压紧卡钳对凸轮转向推拉杆产生在凸轮转向推拉杆轴向约束或非约束作用。

刚柔变换触动机构：

电磁阀支架27位于凹壳体16的内端面并与凹壳体的下端轴孔同心，凸轮卡钳推杆26一端位于凹壳体中的轴孔中，另外一端位于凸壳体22的下端的轴孔中，在凸轮卡钳推杆的一端安装有预紧弹簧24和预紧弹簧调节螺钉23，不同的压紧调节螺钉旋入深度表示凸轮卡钳推杆的移动难易程度大小。

连接器输出输入机构：

凸轮转向推拉杆28的一端支撑在凸壳体22的中心轴孔中，另外一端位于凹壳体16的中心轴孔中，连接端盖15一端和凹壳体16的端面座通过固定螺栓来连接，端盖的另外一端和法兰相配合连接，凸轮转向推拉杆28在没有压紧卡钳的约束下可以轴向线性移动，法兰14和锁位器对应法兰盘通过螺栓固定相连接。

贯通式电控锁位器：

当转向系统的其他组成单元状态正常时候，贯通式锁位器在控制指令的控制下，对在其中直线运动的凸轮转向推拉杆不产生锁位功能，当系统其他单元有故障并在控制指令的控制下，当转向推拉杆直线滑移到使左右转向车轮处于直线行驶状态的时候，将同侧的转向车轮变成非转向车轮，当系统故障排除后，在相应控制指令的控制下，锁位器不起锁位功能，从而保证同侧转向车轮恢复可以正常转向功能。

贯通式电控锁位器包括锁位机构、锁位促动机构、锁位器壳体。

锁位机构：其中压紧弹簧33与锁位卡钳41的耳环同轴，并且位于压紧卡钳支撑轴34上处于两个锁位卡钳41中间，压紧弹簧两端对锁位卡钳产生闭合压紧效应。定位套管42使得锁位卡钳有确定的轴向定位。轴向垫片47使得锁位卡钳端面与壳体内端面相脱离，从而使得压紧卡钳的工作阻力较小。

锁位促动机构：预紧调整螺钉38通过弹簧垫圈46给平衡弹簧39产生轴向压紧力。凸轮卡钳推拉杆一端位于电磁阀轴孔中，另外一端和平衡弹簧相接触。

锁位器壳体：锁位器壳体：凸轮转向推拉杆43一端通过车轮转向拉杆和转向车轮形成转向运动关系。

Claims (3)

1、一种机电一体化电驱动控制的车辆转向机构，其特征在于该转向机构包括左转向锁位器(1)、左刚柔转换连接器(2)、直流直线电机(3)、右刚柔转换连接器(4)、左转向横拉杆接头(5)、右转向锁位器(8)、右转向横拉杆接头(9)；整个机构以直流直线电机(3)为中心，在直流直线电机(3)的两侧分别连接有左刚柔转换连接器(2)和右刚柔转换连接器(4)；在左刚柔转换连接器(2)的外侧连接有左转向锁位器(1)，在左转向锁位器(1)的外侧是左转向横拉杆接头(5)；在右刚柔转换连接器(4)的外侧连接有右转向锁位器(8)，在右转向锁位器(8)的外侧是右转向横拉杆接头(9)。

2、根据权利要求1所述的机电一体化电驱动控制的车辆转向机构，其特征在于左转向锁位器(1)、右转向锁位器(8)采用贯通式电控锁位器，包括锁位机构、锁位促动机构、锁位器壳体；在锁位机构中，压紧弹簧(33)与锁位卡钳(41)的耳环同轴，并且位于压紧卡钳支撑轴(34)上处于两个锁位卡钳(41)中间，压紧弹簧两端对锁位卡钳产生闭合压紧效应，定位套管(42)使得锁位卡钳有确定的轴向定位，轴向垫片(47)使得锁位卡钳端面与壳体内端面相脱离；在锁位促动机构中，预紧调整螺钉(38)通过弹簧垫圈(46)给平衡弹簧(39)产生轴向压紧力，凸轮卡钳推拉杆一端位于电磁阀轴孔中，另外一端和平衡弹簧相接触；凸轮转向推拉杆(43)一端通过车轮转向拉杆和转向车轮形成转向运动关系。

3、根据权利要求1所述的机电一体化电驱动控制的车辆转向机构，其特征在于左刚柔转换连接器(2)、右刚柔转换连接器(4)采用电控转向刚柔变换连接器，包括刚柔变换执行机构、刚柔变换触动机构、连接器输出输入机构；在刚柔变换执行机构中，两压紧卡钳(25)分别通过耳环套在压紧支撑轴(21)上，支撑轴的两端分别位于连接器壳体凹壳体(16)和连接器壳体凸壳体(22)的相应支撑孔中，在一端的压紧卡钳耳环和支撑孔之间的压紧支撑轴处安装有定位套管(17)，压紧弹簧(20)位于两压紧卡钳耳环之间，并套在压紧支撑轴(21)上；在刚柔变换触动机构中，电磁阀支架(27)位于连接器壳体凹壳体(16)的内端面并与凹壳体的下端轴孔同心，凸轮卡钳推杆(26)一端位于凹壳体中的轴孔中，另外一端位于连接器壳体凸壳体(22)的下端的轴孔中，在凸轮卡钳推杆的一端安装有预紧弹簧(24)和预紧弹簧调节螺钉(23)；在连接器输出输入机构中，凸轮转向推拉杆(28)的一端支撑在连接器壳体凸壳体(22)的中心轴孔中，另外一端位于连接器壳体凹壳体(16)的中心轴孔中，连接端盖(15)一端和连接器壳体凹壳体(16)的端面座通过固定螺栓来连接，端盖的另外一端和法兰相配合连接，凸轮转向推拉杆(28)在没有压紧卡钳的约束下可以轴向线性移动，法兰(14)和锁位器对应法兰盘通过螺栓固定相连接。

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