CN101125557A - 汽车整体式电动助力转向管柱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车整体式电动助力转向管柱系统。其解决了现有电动助力转向管柱系统结构复杂、加工精度要求高、使用寿命短、长时间使用后输出信号不一致，且所感应的信号在传输的过程中受到的干扰大、衰减厉害，影响到伺服电机所提供的助力的缺陷。所采取的技术措施：一种汽车整体式电动助力转向管柱系统，包括转向管柱、扭矩传感器、扭矩传感器线路板单片机、伺服电机、控制模块，所述转向管柱包括端部联接在一起的输出轴和输入轴，输出轴与输入轴的轴向上设有连接两者的扭力杆，其特征在于，所述扭矩传感器线路板单片机、控制模块设置在转向管柱上，所述扭矩传感器为磁感应非接触式扭矩传感器。

Description

汽车整体式电动助力转向管柱系统

技术领域

本发明涉及一种汽车电动助力转向装置，尤其涉及一种汽车整体式电动助力转向管柱系统。

背景技术

为了提高汽车驾驶的舒适性，在现有中高档汽车上与方向盘相连接的转向管柱上一般都设有电动助力转向系统。电动助力转向系统是采用控制模块，对两段式转向管柱上所设的扭矩传感器和感应汽车速度的传感器所发出的信号进行分析处理，从而进一步对加装在转向管柱上的伺服电机进行控制，使伺服电机实现正转或反转，以对转向管柱提供合适大小的辅助扭力，提高驾驶安全性和舒适性。要想使伺服电机能及时、准确地提供辅助扭力，其中最重要的一点就是转动轴位置传感器所发出的信号必须真实地反映转动轴的转动方向和转动角度。

中国专利200420110889.0中公开了一种电动助力转向管柱总成，在该转向管柱上设有一机械接触式扭矩传感装置，其设置在两段式的转向管柱的端部联接处，所述转向管柱的是由端部联接在一起的输入轴和输出轴构成，输入轴的上端部与方向盘固定连接。该扭矩传感装置的结构包括套接在输入轴上的滑套、设于滑套与输入轴之间的几个钢球、设于滑套外侧并与滑套相联接的扭矩传感器。所述钢球与输入轴端部外周面上所设的螺旋凹槽相配合，并且与设于滑套中的环状凹槽相配合，在输出轴的联接端固连有一圆筒状的套筒，该套筒的端部开有与所述钢球数目相一致的开口，输出轴与输入轴相联接时，钢球位于所述的开口内。当与方向盘直接固连的输入轴在方向盘的带动下发生转动时，由于输出轴与输入轴之间设有扭力杆，输入轴与输出轴之间具有一个相对的转动角度，而输出轴相对不动，这样，输入轴在周向转动时，螺旋凹槽会促使钢球轴向滑动，钢球轴向滑动时会进一步促使滑套进行轴向滑动，进而会使扭矩传感器上的力臂发生转动，使扭矩传感器输出信号，促使助动电机通过控制模块适时而动，为汽车的转向提供助力。

这种扭矩传感器具有一定的缺陷，首先，结构复杂，输出轴上的螺旋凹槽及滑套上的环状凹槽加工精度要求高。其次，由于钢球是在相应的凹槽中进行滑动，当本扭矩感应装置工作时间过久后钢球与凹槽之间会出现磨损的现象，这样输入轴与输出轴之间偏转相同的角度时，扭矩传感器所感应信号的强弱不一致，这会影响到伺服电机提供辅助力的准确性，需要重新设定信号处理模块或更换相应的部件。

另外，这种电动助力转向装置中的控制单元(ECU)即控制模块是分体式的，其安装在驾驶室内，必然占用驾驶室内较多的空间，而控制单元与扭矩传感器之间以及控制单元与伺服电机之间需要通过较长的线路进行连接。过长的连接线路势必造成扭矩传感器信号经受更多、更强烈的干扰。这会造成控制模块对伺服电机的驱动信号产生相对较大的衰减，使得伺服电机功率降低。伺服电机的连接线越长，其电阻越大，热损耗也就越大，同时相对降低了伺服电机的功率。

发明内容

为克服现有用于汽车上的助力转向装置所具有的上述缺陷，本发明需要解决的一个技术问题是：提供一种新型结构的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其结构简单、紧凑、不会占用驾驶室内的空间、成本低，工作过程中所产生的信号受外界干扰小，伺服电机能够为管柱提供较准确的助力。

本发明需要解决的另一个技术问题：提供一种汽车整体式电动助力转向管柱系统，其相关的部件不易磨损，使用寿命长，能够较准确地感应管柱的转向。

为解决所述技术问题，本发明的技术方案：一种汽车整体式电动助力转向管柱系统，包括转向管柱、扭矩传感器、扭矩传感器线路板单片机、伺服电机、控制模块，所述转向管柱包括端部联接在一起的输出轴和输入轴，输出轴与输入轴的轴向上设有连接两者的扭力杆，其特征在于，所述扭矩传感器线路板单片机、控制模块设置在转向管柱上，所述扭矩传感器为磁感应非接触式扭矩传感器。上述扭矩传感器线路板单片机、控制模块直接装配在转向管柱上的相应位置处并连接在一起，整体结构紧凑，单片机及控制模块之间的连接导线较短，从扭矩传感器中产生出的信号不会受到较大的干扰，便于单片机对扭矩传感器上产生的信号进行准确的处理。另外，可对转向管柱产生助力的伺服电机一般也是直接安装在转向管柱上，控制模块与伺服电机之间的导线连接也较短，控制模块上所产生的控制信号传输到伺服电机上的过程中衰减小，伺服电的功率能够得到保证。所述磁感应非接触式扭矩传感器一般为至少两个感应线圈，该感应线圈间隙套接在由可导磁的磁敏材料制成的金属元器上。该金属元器件可响应转向管柱的偏转，或者该金属元器件直接为转向管柱，转向管柱发生偏转后可使线圈内的磁通发生改变，从而产生一个感应电动势，该感应电动势以电流的形式被传递到单片机上进行处理。

为提高本电动助力转向管柱系统的使用寿命，以及能够很好地感应管柱的转向，所述的扭矩传感器设置在输出轴与输入轴的联接处，包括固连在输入轴上的、由非磁敏材料制成的滤磁环，在滤磁环的外侧并列间隙地套接有至少两个感应线圈，在滤磁环上对应于每个感应线圈的位置处设有一组周向设置的通透的窗口，每组窗口之间在滤池环上的周向位置相互错开，所述输出轴的端部间隙地插在滤磁环内，在输入轴的插接端的外周面上设有若干轴向设置的凸体。本扭矩传感器装配在汽车上后，输出轴的上端与方向盘固定连接，输入轴的下端与汽车上的转向系统相联接。所述的滤磁环一般由铜、铝等非磁敏材料制成的，而转向管柱则由铁等导磁材料制成的。上述的感应线圈上通有直流电，并且感应线圈上设有导线与电动助力转向装置中的信号处理模块电连接。当输出轴在方向盘的带动下与输入轴发生相对转动时，输出轴上所设的凸体也与滤磁环发生相对转动，这样滤磁环上所设通透的窗口就会与凸体之间发生相对位置变化，所述不同的感应线圈之间的磁场会产生变化，该磁场的变化可以电流的形式产生一个电信号，该电信号通过导线被传导到信号处理模块上，从而为电动助力转向装置中的伺服电机的转动控制提供准确的信号源。处理模块通过预先设定的方式对所述的电信号进行处理，并使所述伺服电机为转向管柱的转动提供适时的辅助动力。

作为优选，所述感应线圈为两个，所述的窗口为两组，且每组中窗口的数目相等，每组窗口周向均布在滤磁环上。感应线圈为两个，加之两组窗口中的数目一致，结构简单，且两个感应线圈之间所产生的电信号足够的强。

作为优选，所述输出轴上所设的凸体的数目与所述每组窗口中窗口的数目相等，且该凸体周向均布在输出轴的外周面上。凸体与窗口的数目相等，便于对控制模块的处理方式进行预先设定，使控制模块上输出的信号准确一致。

作为优选，所述每个窗口宽度相等，两组窗口错开的距离等于窗口的宽度，且所述凸体的宽度等于每个窗口的宽度。对于窗口与凸体的宽度要求，使得凸体在与窗口之间发生相对转动时，凸体能够从完全被遮盖住到完全与窗口重合的转变。

作为优选，所述的输出轴与输入轴的端部之间设有凸头凹孔结构，所述的凸头间隙地插接在所述凹孔中，所述扭力杆分别穿过所述的凸头和凹孔。凸头设置在输出轴或输入轴的端部，其与输出轴或输入轴连为一体，当输出轴在方向盘的作用下发生转动时，刚开始凸头会在所述的凹孔内发生相对转动，当完全转动到位后，输出轴上的扭矩会通过凸头凹孔结构而传输到输入轴上。

作为优选，所述的凸头设于输出轴的端部，所述凹孔设于输入轴的端部。凸头一体成型在输出轴的端部，凹孔成型在输入轴的端，所述的扭力杆分别穿过凹孔和凸头。

作为优选，所述输入轴的端部外周面周向设有环状凹槽、轴向上设有若干条状凹槽，所述滤磁环上设有与这些凹槽相配合的压坑。滤磁环在与输入轴相连接时，通过冲压加工的方式在滤磁环上形成若干压坑，该压坑顶压在所述的凹槽内，从而使滤磁环与输入轴的端部之间保持良好的周向和轴向固定。

作为优选，所述的伺服电机为电磁离合器伺服电机。电磁离合器在没有接收到控制模块上所产生的电信号时，与伺服电机相脱离，这样伺服电机不会影响到转向管柱的正常转动；当接收到控制模块上所产生的电信号时，电磁离合器与伺服电机相联接，从而使伺服电机产生转动，对转向管柱产生助力。

作为优选，所述伺服电机与转向管柱之间设有蜗轮蜗杆减速机构，所述的控制模块安装在蜗轮的外罩壳上。控制模块安装在蜗轮的外罩壳上，有利于节少空间。

因此，本发明的有益效果：

1、由于本汽车电动助力转向装置中的扭矩传感器之间采取的是非接触式结构，其内的各相关可动作部件之间没有磨损，产品的使用寿命长相比于接触式扭矩传感器具有更小的延时和滞后性，受轴的偏转和轴向偏移的影响更小。

2、由于本扭矩传感器中各相关可动作部件之间没有磨损，因此便于产生较稳定的电信号，所输出的电信号不会随着产品的使用时间的推离而发生改变，便于对信号处理模块进行预先的设定。

3、由于采用感应线圈磁通的变化产生电信号，各零部件便于加工，安装方便、快捷。

4、本扭矩传感器结构简单，制造成本低于现行的扭杆电位计式扭矩传感器。

5、矩传感器线路板单片机及控制模块装配在转向管柱上，使得产品结构紧凑，不会占用驾驶室内的空间。

6、扭矩传感器与所述的单片机之间的连接导线短，扭矩传感器上所产生的信号在传输过程中受到的干扰小，便于单片机对该信号进行处理，从而能够为控制模块发出准确的信号。控制模块与伺服电机之间的连接导线短，从控制模块上发出的信号传输到伺服电机的过程中衰减小，便于伺服电机向转向管柱提供较为准确的助力。

7、控制模块只需要一个接插件的电缆线和整车线束连在一起，便于布线，且可以减少整车装配时的总装故障。

附图说明

图1是本电动助力转向管柱系统中扭矩传感器的结构示意图；

图2是本电动助力转向管柱系统中扭矩传感器装配在转向管柱上时一种工作状态的剖视结构图；

图3是本电动助力转向管柱系统中，扭矩传感器装配在转向管柱上时另一种工作状态的剖视结构图；

图4是本电动助力转向管柱系统工作过程中各种信号的流程图。

具体实施方式

图中示出，本汽车整体式电动助力转向管柱系统的结构包括转向管柱、扭矩传感器、扭矩传感器线路板单片机、伺服电机、控制模块。转向管柱由输入轴6和输出轴1构成。在输入轴6与输出轴1之间设有扭力杆3，该扭力杆3的两端分别固连在输入轴6和输出轴1上，扭力杆3沿转向管柱的轴向位置设置。所述扭矩传感器线路板单片机、控制模块设置在转向管柱上，所述扭矩传感器为磁感应非接触式扭矩传感器。

在扭力杆3的一端设有扭力孔11，输出轴1上设有输出轴孔13，该扭力杆3穿入到输出轴1中后，所述的扭力孔11可与输出轴孔13重合，在两者的重合处可以设有一个固定销分别穿过输出轴孔13和扭力孔11，从而使扭力杆3与输出轴1之间实现固连。在输入轴6的端部还设有一个与其连为一体的凹孔10，该凹孔10套接在输入轴6端部所设的凸头12中，且凹孔10与凸头12之间为间隙配合。上述的扭力杆3分别穿过凸头12和凹孔10。

在输入轴6的端部带固连有一个圆筒状的滤磁环7，该滤磁环7一般由铜、铝等非磁敏材料制成的。相应地，在输出轴1的端部的外周面上沿其轴向设有若干与其连为一体的凸体2，凸体12沿输出轴1端部的外周面周向均布。当输出轴1与输入轴6的端部联接在一起时，凸体2与圆筒状的滤磁环7间隙配合。所述滤磁环7的外周间隙地并列套接有一上感应线圈4和下感应线圈5，在滤磁环7上对应于上、下感应线圈的位置处分别设有通透的上窗口9和下窗口8。上、下窗口的数目与前述凸体2的数目一致，两者均沿滤磁环7的周向上均布，并且每个上窗口9在滤磁环7上的周向位置均与每个下窗口8在滤磁环7上的周向位置相互错开，也即是说，每个上窗口9与每个下窗口8在滤磁环7周向上具有一定的间隔。该间隔在滤磁环7周向上的尺寸优选等于所述凸体2的宽度，这样，在本扭矩传感器工作过程中，滤磁环7可完全遮挡住凸体2。对于上、下窗口的宽度，两者宽度应相等，并且可等于或略大于凸体2的宽度。所述的上窗口9设置在滤磁环7的开口端，其是由在滤磁环7上所设的若干缺口而形成的。

为了实现滤磁环7与输入轴6之间的固定连接，在输入轴6的端部的外周面上设有一环状凹槽和至少一条轴向设置的条状凹槽，滤磁环7套接在输入轴6的端部后，可通过冲压的方式在所述凹槽的位置处形成若干压坑14，这样滤磁环7与输入轴6端部之间可实现径向和轴向上的固定。

上述的输出轴1的外端部与方向盘固定连接，而输出轴6的外端部与汽车上的转向系统相联接，所述的上、下感应线圈固定在汽车上。本扭矩传感器在工作时，设于输出轴1端部上的凸体2与设于输入轴6端部上的滤磁环7中的上、下窗口之间具有几个相对的工作位置。见图2，此时所述的凸体2与所述上窗口9完全重合。见图3，输入轴6转动一个角度后，凸体2与下窗口8完全重合。本扭矩传感器从图2的位置处旋转到图3的位置处时，上、下感应线圈中的磁通量会发生改变，相应地，上、下感应线圈之间会产生一个感应电动势，从而上、下感应线圈会以电流的形式向信号处理模块输送一个电信号。当然，在实际的工作过程中，所述凸体2与上、下窗口之间并不限于图4、图5中所示的相对位置，该凸体2可以处于上、下窗口之间的位置处，即凸体2完全不与上、下窗口重合，也可以只与上窗口9或下窗口8部分重合。凸体2与上、下窗口之间的极限相对位置与扭力杆3的极限扭力或凸头12与凹孔10之间的间隙有关。一旦扭力杆3的极限扭力和凸头12与凹孔10之间的间隙，以及上、下感应线圈的大小被确定后，即可以对所述的信号处理模块进行设定，以确定信号处理模块处理信号的方式和处理参数，便于确定对伺服电机输出合适大小和方向的直流电流。

见图4、本汽车整体式电动助力转向管柱系统在工作过程中，所述的控制模块不仅仅是接受扭矩传感器线路板单片机所处理过的扭矩传感器信号，其还通过接口电路接受发动机信号、车速传感器信号等。控制模块依据这些信号并对其进行处理，从而的对伺服电机进行合理的控制，以实现“按需助力”。及时接受发动机、车速、轴重、点火开关电源、电磁离合器、扭矩传感器、伺服电动机、持续电源保险盒等电流电压反馈信号，以诊断相关信号和部件是否出现不正常工作的状况，进行闭环保护(工作或取消工作)，以提高汽车转向的安全性。

Claims (10)

1.一种汽车整体式电动助力转向管柱系统，包括转向管柱、扭矩传感器、扭矩传感器线路板单片机、伺服电机、控制模块，所述转向管柱包括端部联接在一起的输出轴和输入轴，输出轴与输入轴的轴向上设有连接两者的扭力杆，其特征在于，所述扭矩传感器线路板单片机、控制模块设置在转向管柱上，所述扭矩传感器为磁感应非接触式扭矩传感器。

2.根据权利要求1所述的汽车整石墙体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述的扭矩传感器设置在输出轴与输入轴的联接处，包括固连在输入轴(6)上的、由非磁敏材料制成的滤磁环(7)，在滤磁环(7)的外侧并列间隙地套接有至少两个感应线圈，在滤磁环(7)上对应于每个感应线圈的位置处设有一组周向设置的通透的窗口，每组窗口之间在滤池环(7)上的周向位置相互错开，所述输出轴(1)的端部间隙地插在滤磁环(7)内，在输出轴(1)的插接端的外周面上设有若干轴向设置的凸体(2)。

3.根据权利要求2所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述感应线圈为两个，所述的窗口为两组，且每组中窗口的数目相等，每组中窗口周向均布在滤磁环(7)上。

4.根据权利要求3所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述输出轴(1)上所设的凸体的数目与所述每组窗口中窗口的数目相等，且该凸体(2)周向均布在输出轴(1)的外周面上

5.根据权利要求4所述的的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述每个窗口宽度相等，两组窗口错开的距离等于窗口的宽度，且所述凸体(2)的宽度等于每个窗口的宽度。

6.根据权利要求2或3或4或5所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述的输出轴(1)与输入轴(6)的端部之间设有凸头凹孔结构，所述的凸头(12)间隙地插接在所述凹孔(10)中，所述扭力杆(3)分别穿过所述的凸头(12)和凹孔(10)。

7.根据权利要求6所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述的凸头(12)设于输出轴(1)的端部，所述凹孔(10)设于输入轴(6)的端部。

8.根据权利要求2或3或4或5所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述输入轴(6)端部外周面周向设有环状凹槽、轴向上设有若干条状凹槽，所述滤磁环(7)上设有与这些凹槽相配合的压坑(14)。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述的伺服电机为电磁离合器伺服电机。

10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的汽车整体式电动助力转向管柱系统，其特征在于，所述伺服电机与转向管柱之间设有蜗轮蜗杆减速机构，所述的控制模块安装在蜗轮的外罩壳上。

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