CN100398373C - 循环球式电动助力转向器 - Google Patents

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Abstract

一种循环球式电动助力转向器，除了包括螺杆、螺母、齿扇、钢球等机械零件外，还包括转矩传感装置、助力电动机、减速机构、电子控制单元等。电子控制单元根据转向盘转矩与车速确定电动机的目标电流，然后对电动机电流进行反馈跟踪控制。减速机构输入端与电动机连接，减速机构输出端与循环球转向器中的螺杆或齿扇轴连接。本发明可节约能量、在各种行驶工况下提供合适的助力、零件少、质量轻、结构紧凑、装配自动化程度高，是一种节能、安全、环保的车辆动力转向器。

Description

循环球式电动助力转向器
所属技术领域
本发明属汽车部件技术领域，具体涉及一种车辆用循环球式电动助力转向器。
背景技术
目前车辆用转向器主要分齿轮齿条式和循环球式两种。常用的动力转向为液压动力转向，助力大小通过滑阀或转阀加以控制。传统液压动力转向存在以下问题：在选定参数完成设计后，助力特性也就确定了，不能进行调节与控制，不仅转向盘回正能力差，而且难以协调低速转向轻便性与高速转向“路感”的矛盾；存在能量损失，即使不转向，油泵也一直工作，增加了能量消耗；由于液压系统本身存在漏油与维护问题，提高了维修成本，而液压油还会对环境造成污染。油泵、皮带轮、液压管路等元件占用空间，不好布置；低温工作性能较差。
电动助力转向系统直接由电动机提供助力，取消了液压系统，系统由转向盘转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电动机及减速机构等组成。基本原理是控制器接受转向盘转矩信号和车速信号，经过判断和处理后，根据事先确定好的助力特性输出控制信号，控制电动机输出助力扭矩。电动助力转向系统能很好的克服液压动力转向存在的问题，具有节能，提高安全性，有利于环保等许多优点，有逐步取代液压动力转向的趋势，是未来动力转向技术的发展方向之一。但是目前世界范围内的电动助力转向系统还只是应用在轿车上，且都为齿轮齿条式转向器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效节能、低速转向轻便、高速转向路感强、以及回正能力好的循环球式电动助力转向器。
本发明的上述目的是通过这样的技术方案实现的，即一种循环球式电动助力转向器，除了包括螺杆、螺母、齿扇、循环钢球等机械零件外，还包括：
(一)助力电动机，用于提供辅助转向力矩；
(二)减速机构，输入端与助力电动机联接，起降速增扭的作用；
(三)转矩传感装置，用于检测作用在转向盘上的力矩；
(四)电子控制单元，用于根据采集到的转向盘转矩、车速等信号，控制助力电动机电流。
所述减速机构的输入端与助力电动机连接，根据助力位置的不同，输出端与循环球转向器中的螺杆或齿扇轴连接。具体结构可以为蜗轮蜗杆机构或行星齿轮机构。对蜗轮蜗杆机构，蜗杆可以带动蜗轮转动，蜗轮也可以带动蜗杆转动，蜗轮蜗杆的传动是可逆的；蜗杆与助力电动机连接，蜗轮与螺杆或齿扇轴连接；另外从蜗杆强度考虑，蜗杆应设计成双头。对行星齿轮机构，行星轮支架与助力电动机连接，太阳轮与螺杆或齿扇轴连接，齿圈在壳体上。
所述转矩传感装置中设有一扭杆，通过一套精密的机械装置，将扭杆的变形放大成角位移或线位移，由角位移或线位移传感器间接测得扭杆的变形，根据扭杆刚度即可得转矩。
所述电子控制单元主要由CPU、信号采集与处理电路、驱动电路、监测电路等组成。其中CPU为8位或16位单片机，也可以为16位数字信号处理器。电动机驱动电路中设置有电子开关，当系统出现异常后，迅速切断开关，以保证系统安全。
本发明的有益效果是，只在转向时电动机才提供助力，不像液压动力转向，即使在不转向时，油泵也一直运转，因而能减少能量消耗；能在各种行驶工况下提供合适的助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性，且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要；取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比液压动力转向大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声；没有液压回路，比液压动力转向更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期；不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染；比液压动力转向具有更好的低温工作性能。
附图说明
本发明的上述结构可以通过附图和实施例作进一步说明。
图1是本发明的控制原理图。
图2是本发明采用蜗轮蜗杆减速机构且布置在螺杆上的机械结构图。
图3是本发明采用蜗轮蜗杆减速机构且布置在齿扇轴上的机械结构图。
图4是本发明采用行星齿轮减速机构且布置在螺杆上的机械结构图。
图5是本发明采用直流永磁有刷电动机的电子控制单元原理图。
上述图2中，1为传动销；2为滑套；3为钢球；4为转向器输入轴；5为扭杆；6为角位移传感器；7为螺杆；8为螺母；9为齿扇；10为蜗轮；11为蜗杆；12为助力电动机。
上述图3中，1为传动销；2为滑套；3为钢球；4为转向器输入轴；5为扭杆；6为角位移传感器；7为螺杆；8为螺母；9为齿扇；10为蜗轮；11为蜗杆；12为助力电动机；13为齿扇轴。
上述图4中，1为传动销；2为滑套；3为钢球；4为转向器输入轴；5为扭杆；6为角位移传感器；7为螺杆；8为螺母；9为齿扇；10为行星轮；11为太阳轮；12为助力电动机；13为行星轮托架。
具体实施方式
如图1所示，电子控制单元根据采集到的转向盘转矩Ts与车速V确定助力电动机的目标电流Icmd，然后根据助力电动机的实际电流I与目标电流Icmd对助力电动机电流进行反馈跟踪控制。
如图2所示，扭杆5的一端与转向器输入端4连接，另一端与螺杆7过盈配合刚性连接，扭杆5的扭转变形通过钢球3传递给滑套2，传动销1与螺杆7刚性连接，并通过与滑套2上的螺旋槽配合，在滑套2转动的同时，产生轴向移动，通过角位移传感器6测量滑套2的轴向移动量，将扭杆5的相对变形，即转向器输入端4与螺杆7的相对转角，转换为表示转矩的电信号输入给电子控制单元。螺杆7与螺母8构成循环球传动副。螺母8上的齿条与齿扇轴上的齿扇9相啮合，将转向力矩输出。蜗轮10通过花键与螺杆7连接。电动机12的输出轴与蜗杆11通过花键连接，经过蜗轮10与蜗杆11组成的蜗轮蜗杆减速机构将电动机输出的转向力矩传递到螺杆7上。
如图3所示，蜗轮10通过键与齿扇轴13(即：摇臂轴)连接，电动机12的输出轴与蜗杆11通过花键连接，经过蜗轮10与蜗杆11组成的减速机构将电动机输出的转向力矩传递到齿扇轴13上。
如图4所示，电动机12的输出轴与行星托架13通过花键连接，经过太阳轮11、行星轮10及行星轮托架13组成的行星齿轮减速机构将助力电动机输出的转向力矩传递到螺杆7上。其中太阳轮11通过花键与螺杆7连接。
如图5所示，电子控制单元主要由CPU、信号采集与处理电路、驱动电路、监测电路等组成。CPU为8位或16位单片机，也可以为16位数字信号处理器(DSP)。信号采集与处理电路用于采集电动机电流信号，以及处理转矩信号、车速信号、发动机转速信号等。驱动电路包括电子开关(如继电器)、状态指示灯和电动机的驱动。其中电动机的驱动是一个H型PWM功率转换电路，由MOSFET管G1、G2、G3、G4组成。MOSFET管的开关由PWM信号的高低电平控制，PWM信号的频率为20kHz。电动机驱动电路中还设置有电子开关(如继电器)，当系统出现异常后，迅速切断开关，以保证系统安全。监测电路用于对系统进行保护，提高系统的安全可靠性。

Claims (1)

1.一种电动助力转向器，采用循环球式转向机构，包括：
(一)助力电动机，用于提供辅助转向力矩，
(二)减速机构，输入端与助力电动机联接，起降速增扭的作用，
(三)转矩传感装置，用于检测作用在转向盘上的力矩，
(四)电子控制单元，用于控制助力电动机输出力矩，
其特征在于：采用助力电动机直接提供助力，根据助力位置的不同，减速机构输出端与循环球式转向机构中的螺杆或齿扇轴连接，减速机构为蜗轮蜗杆机构或行星齿轮机构；对蜗轮蜗杆机构，蜗杆与电动机连接，蜗轮与螺杆或齿扇轴连接；对行星齿轮机构，行星轮支架与电动机连接，太阳轮与螺杆或齿扇轴连接，齿圈在电动助力转向器壳体上。
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