CN101229819B - 用于汽车上的线控转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车上的线控转向系统。旨在克服现有技术结构复杂、成本高或安全性存在极大隐患的问题。转向系统由转向盘机构、转向电机控制器与转向执行机构组成。转向盘机构的接线端与转向电机控制器接线端口电线连接，转向执行机构的接线端与转向电机控制器接线端口电线连接。转向执行机构包括1号与2号转向电机、1号与2号蜗轮蜗杆减速机构、力传感器、转角传感器、转向器与位移传感器。两电机分别与两蜗轮蜗杆减速机构的输入端固定连接，两蜗轮蜗杆减速机构之间固定连接有力传感器与转角传感器，2号蜗轮蜗杆减速机构输出端与转向器输入端固定连接，位移传感器的芯轴固定在转向器齿条伸出端上，位移传感器的壳体固定在转向器壳体上。

Description

用于汽车上的线控转向系统

技术领域

本发明涉及一种应用于汽车上的线控转向机构，更具体地说，它涉及一种用于汽车上的线控转向系统。

背景技术

传统转向系统(机械式、液压助力或电动助力转向系统)能够保证汽车按照驾驶员的意志进行转向行驶，但是，由于其转向传动比固定，汽车的转向响应特性随车速和转向盘转角而变化。因此驾驶员就必须提前针对汽车转向特性的幅值和相位变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶，这在很大程度上影响了汽车的操纵稳定性和驾驶舒适性。因此，伴随着汽车技术和电子技术的飞速发展，线控转向的概念应运而生。汽车线控转向系统取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，它可以自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来很大的自由发展空间。但是因为其取消了方向盘与转向机构之间的机械连接，也使其在安全性方面存在着极大的隐患。目前，世界各大汽车厂商和研究机构都在研究安全可靠的线控转向系统。很多线控转向机构采用双套转向机构或在转向盘机构和转向执行机构之间加装离合器，以保证线控转向的可靠性。双套线控转向执行机构需要对汽车转向器重新设计，机构过于复杂且成本高。加装安全离合器的线控转向系统，由于保留了原有的机械装置，不能充分体现线控转向系统的优势。目前还没有可在原机械式转向器上改装为双电机冗余的线控转向执行机构的先例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题，提供一种用于汽车上的线控转向系统。使其充分保证线控转向系统继续具有操纵性和舒适性优势的前提下降低系统的复杂程度和生产成本，提高其可靠性。

参阅图4，为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现。在现有转向盘机构与转向电机控制器的基础之上，它还有一个经过改进的转向执行机构，转向执行机构的接线端与转向电机控制器的接线端口电线连接。

所述的转向执行机构包括有转向器、1号转向电机、转角传感器、2号转向电机、1号蜗轮蜗杆减速机构、位移传感器、2号蜗轮蜗杆减速机构与力传感器。

1号转向电机的输出端与1号蜗轮蜗杆减速机构的输入端固定连接，2号转向电机的输出端与2号蜗轮蜗杆减速机构的输入端固定连接，1号蜗轮蜗杆减速机构与2号蜗轮蜗杆减速机构之间依次固接有力传感器与转角传感器，2号蜗轮蜗杆减速机构蜗轮轴的输出端与转向器的输入端固定连接，转向器的输出端与位移传感器一端固定连接，位移传感器另一端固定在转向器壳体上。

技术方案中所述的1号转向电机的输出端与1号蜗轮蜗杆减速机构的蜗杆输入端通过连轴器连接，2号转向电机的输出端与2号蜗轮蜗杆减速机构的蜗杆输入端通过连轴器连接，穿过1号蜗轮蜗杆减速机构的蜗轮的蜗轮轴同时穿过2号蜗轮蜗杆减速机构的蜗轮成固定连接，在两蜗轮之间的蜗轮轴上依次套装力传感器的芯轴与转角传感器的芯轴成固定连接，力传感器与转角传感器的外壳体固定在驾驶室的前挡板上；所述的转向执行机构的接线端与转向电机控制器的接线端口电线连接是指转向执行机构中的1号转向电机、力传感器、转角传感器、2号转向电机与位移传感器的接线端和转向电机控制器的接线端口电线连接；所述的转向器包括转向器壳体、转向器小齿轮与转向器齿条。转向器小齿轮与转向器齿条是啮合连接，转向器小齿轮输入端与2号蜗轮蜗杆减速机构蜗轮轴的输出端通过花键轴副连接，转向器齿条的伸出端与位移传感器的芯杆固定连接，位移传感器的壳体固定在转向器壳体上，转向器固定在驾驶室的前挡板上；所述的1号转向电机与2号转向电机采用型号为DFL的电机，1号转向电机与2号转向电机固定在驾驶室的前挡板上。

本发明的有益效果是：

1.用于汽车上的线控转向系统可以有效地提高线控转向系统的可靠性，由于采用了双电机的设计，转向系统正常工作时，两个电机中一个电机实现转向，另一个电机实现助力。当其中一台电机出现故障时(通过故障诊断确定)，可以屏蔽故障电机，由另一个电机独立完成转向操作。

2.用于汽车上的线控转向系统由两个电机共同完成转向操作任务，对电机的技术要求可以降低，即电机的正常工作功率可以降低，只是在一个电机出现故障时，另一个电机可以保证在相对较短的时间内以最大功率工作就可以了，这样可以有效降低转向系统的成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是用于汽车上的线控转向系统的控制逻辑框图；

图2是用于汽车上的线控转向系统中的1号转向电机出现故障时的控制逻辑框图；

图3是用于汽车上的线控转向系统中的2号转向电机出现故障时的控制逻辑框图；

图4是用于汽车上的线控转向系统的结构示意图；

图中：1.汽车，2.转向电机控制器，3.转向盘机构，4.转向器，5.电机故障诊断控制器，6.1号转向电机，7.转角传感器，8.2号转向电机，9.1号蜗轮蜗杆减速机构，10.转向器壳体，11.转向器小齿轮，12.转向器齿条，13.位移传感器，14.2号蜗轮蜗杆减速机构，15.力传感器，V.车速信号，W.方向盘转角信号，T.方向盘力矩信号，I.电流信号，R.电机故障信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图4，本发明所采用的技术方案是在一个转向系统中采用两台电机，在充分体现线控转向系统优势的情况下，通过计算机程序(控制算法)提高线控转向系统的可靠性，同时解决单个电机功率不足的问题。计算机程序所起的作用是：用于汽车上的线控转向系统正常工作时，两台电机共同工作以完成转向操作；当其中一台电机出现故障时(采用故障诊断方法判断)，由另一个电机独立工作以完成转向操作。

用于汽车上的线控转向系统是由转向盘机构3、转向电机控制器2与转向执行机构组成。其中，转向盘机构3包括有方向盘总成与各种传感器。方向盘总成由方向盘和转向柱组成，方向盘总成被固定在驾驶室内，方向盘可在与水平面成30度角的方位内自由转动。转向盘机构3的数字信号输出端应与转向电机控制器2的数字信号端口电线连接，如方向盘转角信号W，因为，车速信号V和方向盘转角信号W属于数字信号；转向盘机构3的模拟信号输出端应与转向电机控制器2的模拟信号端口电线连接，如方向盘力矩信号T，因为，方向盘转矩信号T属于模拟信号。转向盘机构3的主要功能是提供驾驶员驾驶环境以及模拟路感信息(指传统转向器中由机械结构传递给驾驶员的路面信息)。

转向电机控制器2将转向盘机构3与转向执行机构有机的结合成一个完整的用于汽车上的线控转向系统。转向电机控制器2是由硬件部分和自行设计的计算机程序(控制算法)部分所组成。计算机程序部分装入转向电机控制器2中的单片机中。由汽车1输出的车速信号V输入给转向电机控制器2，车速信号V是由安装在车轴上的车速传感器提供，由转向盘机构3输出的信号(方向盘转角信号W、方向盘力矩信号T)输入给转向电机控制器2，转向电机控制器2中的电机故障诊断控制器5实时诊断1号转向电机6与2号转向电机8是否出现电机故障，如出现电机故障，电机故障信号R输入给转向电机控制器2。经计算机程序部分运算和处理，向1号转向电机6、2号转向电机8与两电机中自带的离合器发出控制信号(电流信号I)。反馈位移传感器13的信息，经计算机程序部分运算和处理，调整并再次向1号转向电机6、2号转向电机8与两电机中自带的离合器发出控制信号，这个过程反复进行，维持用于汽车上的线控转向系统正常运行。

转向执行机构包括有转向器4、1号转向电机6、转角传感器7、2号转向电机8、1号蜗轮蜗杆减速机构9、位移传感器13、2号蜗轮蜗杆减速机构14与力传感器15，其中转向器4又包括有转向器壳体10、转向器小齿轮11与转向器齿条12。所述的1号转向电机6与2号转向电机8采用型号为DFL的电机，此种电机的输出轴上自带电控离合器，一台电机中控制离合器的两根接线与控制电机的两根接线安装在一个插头上，这个插头和转向电机控制器2的相应端口插接，1号转向电机6与2号转向电机8固定在驾驶室的前挡板上，1号转向电机6与2号转向电机8输出轴的回转轴线相互平行，且同时平行于驾驶室的前挡板。1号转向电机6的输出轴端与1号蜗轮蜗杆减速机构9的蜗杆输入端通过连轴器固定连接，2号转向电机8的输出轴端与2号蜗轮蜗杆减速机构14的蜗杆输入端通过连轴器固定连接，1号转向电机6输出轴与1号蜗轮蜗杆减速机构9蜗杆的回转轴线共线，2号转向电机8输出轴与2号蜗轮蜗杆减速机构14蜗杆的回转轴线共线，1号蜗轮蜗杆减速机构9的壳体与2号蜗轮蜗杆减速机构14的壳体通过螺钉固定在驾驶室的前挡板上。本具体实施方式中所述1号蜗轮蜗杆减速机构9、2号蜗轮蜗杆减速机构14分别与1号转向电机6、2号转向电机8集成在一起的，不需要再单独固定两个蜗轮蜗杆减速机构。1号蜗轮蜗杆减速机构9与2号蜗轮蜗杆减速机构14的两蜗轮采用同一根蜗轮轴，即这根蜗轮轴依次穿过1号蜗轮蜗杆减速机构9与2号蜗轮蜗杆减速机构14的蜗轮成固定连接。在1号蜗轮蜗杆减速机构9与2号蜗轮蜗杆减速机构14之间的或者说在两蜗轮之间的蜗轮轴上依次套装力传感器15的芯轴(属于空心芯轴)与转角传感器7的芯轴(也属于空心芯轴)成固定连接，而力传感器15与转角传感器7的外壳体则固定在驾驶室的前挡板上。2号蜗轮蜗杆减速机构14蜗轮轴的输出端与转向器4的输入端可采用键与同心套装轴的形式固定连接。所述的同心套装轴的形式是指在2号蜗轮蜗杆减速机构14的蜗轮轴的输出端的端面上，在并沿着蜗轮轴的轴线的方向加工一个盲孔，在盲孔的内圆柱面上沿轴向加工一个键槽，再在转向器4的转向器小齿轮11的齿轮轴输入端的外圆柱面上沿轴向加工一个键槽，将安装有键的转向器小齿轮11的齿轮轴输入端插入2号蜗轮蜗杆减速机构14的蜗轮轴上的盲孔里，即实现2号蜗轮蜗杆减速机构14蜗轮轴的输出端与转向器4的输入端采用键与同心套装轴的形式的固定连接。本具体实施方式中采用的是花键轴副连接。即在转向器4的转向器小齿轮11的齿轮轴输入端的外圆柱面上沿轴向加工外花键，在2号蜗轮蜗杆减速机构14的蜗轮轴输出端的盲孔内圆柱面上沿轴向加工与外花键轴同心配装的内花键，两者插装在一起，即实现2号蜗轮蜗杆减速机构14蜗轮轴的输出端与转向器4的输入端的花键轴副连接。所述的转向器4包括有转向器壳体10、转向器小齿轮11与转向器齿条12。转向器小齿轮11与转向器齿条12是啮合连接，转向器小齿轮11输入端与2号蜗轮蜗杆减速机构14蜗轮轴的输出端通过花键轴副固定连接，转向器齿条12通过一组滑轨与滑槽沿转向器壳体10的纵向固定在转向器壳体10内，转向器齿条12在转向器小齿轮11的带动下可以在转向器壳体10内往复移动，从而实现转向的目的。转向器齿条12的伸出端的端部与位移传感器13的芯杆固定连接，位移传感器13的壳体固定在转向器壳体10上，转向器4固定在驾驶室的前挡板上。转向执行机构中的1号转向电机6、力传感器15、转角传感器7、2号转向电机8与位移传感器13的接线端和转向电机控制器2相应端口电线连接。

参阅图1，转向执行机构则用于实现转向功能，也是本发明的重点所在。驾驶员通过方向盘输入转向指令后，转向盘机构3将信号传递给转向电机控制器2，转向电机控制器2根据预先设定好的算法，输出电流信号I控制电机进行转向操作。正常转向时，1号转向电机6与2号转向电机8均参与工作，这样既可以使电机在较低的负荷下工作，又可以起到冗余的作用，即其中一个电机出现故障时，就切断其电源使其空转，由另一个电机单独完成转向操作。

计算机程序(控制算法)的实质作用是使两个电机协调工作。为了避免两个电机工作时出现相对延迟的现象(型号完全相同的两台电机的特性不可能完全一样，若同时对两台电机进行位移控制，将会产生干涉现象)。正常工作时，1号转向电机6采用位移作为控制目标，即1号转向电机6通过转向器小齿轮11控制转向器齿条12的位移；2号转向电机8采用力作为控制目标，即当作用在转向器小齿轮11轴上的力小于一定值时，2号转向电机8开始工作。当1号转向电机6出现故障停止工作时，2号转向电机8则转为以位移为控制目标，完成基本的转向操作。当2号转向电机8出现故障停止工作时，1号转向电机6仍以位移为控制目标，完成基本的转向操作。

用于汽车上的线控转向系统的工作原理：

参阅图1，正常工作时，驾驶员通过转向盘向汽车1输入方向盘转角信号W和方向盘力矩信号T，通过油门踏板向汽车1输入车速信号V。转向盘机构中的转角传感器和转矩传感器以及基于轮速的车速估计算法将转角、转矩、车速信号传递给转向电机控制器2的模拟量和数字量输入口(转角和车速为数字量，转矩为模拟量)，转向电机控制器2根据相关算法将目标电流信号I传递给两个转向电机，转向电机通过蜗轮蜗杆的减速增扭作用后，对转向器4进行控制。在整个过程中，电机故障诊断控制器5对两个电机的电流信号I进行跟踪，电机故障诊断控制器5通过监视两个电机的输入输出差实现监视1号转向电机6和2号转向电机8的工作情况，以确定电机是否出现异常。若其中的一个电机出现异常，马上将电机故障信号R传递给转向电机控制器2，转向电机控制器2停止对故障电机供应电流信号I，同时故障电机的离合器由于没有电流而自动分离。从而，故障电机停止工作，与其对应的蜗轮蜗杆减速器空转，由另一个电机独立完成转向操作。

参阅图2与图3，若1号转向电机6出现故障时，屏蔽1号转向电机6，由2号转向电机8实现基本的转向功能；若2号转向电机8出现故障时，屏蔽2号转向电机8，由1号转向电机6独立完成转向任务。这样既可以保证线控转向系统较之传统转向系统的优势，又可以充分提高线控转向系统的可靠性。

Claims (3)

1.一种用于汽车上的线控转向系统，包括有转向盘机构(3)、转向电机控制器(2)与转向执行机构，转向盘机构(3)的接线端与转向电机控制器(2)的接线端口电线连接，转向执行机构的接线端与转向电机控制器(2)的接线端口电线连接；所述的转向执行机构包括有转向器(4)、1号转向电机(6)、转角传感器(7)、2号转向电机(8)、1号蜗轮蜗杆减速机构(9)、位移传感器(13)、2号蜗轮蜗杆减速机构(14)与力传感器(15)；1号转向电机(6)的输出端与1号蜗轮蜗杆减速机构(9)的输入端固定连接，2号转向电机(8)的输出端与2号蜗轮蜗杆减速机构(14)的输入端固定连接，1号蜗轮蜗杆减速机构(9)与2号蜗轮蜗杆减速机构(14)之间依次固接有力传感器(15)与转角传感器(7)，2号蜗轮蜗杆减速机构(14)蜗轮轴的输出端与转向器(4)的输入端固定连接，转向器(4)的输出端与位移传感器(13)一端固定连接，位移传感器(13)另一端固定在转向器壳体(10)上，其特征在于，所述的1号转向电机(6)的输出端与1号蜗轮蜗杆减速机构(9)的蜗杆输入端通过连轴器连接，2号转向电机(8)的输出端与2号蜗轮蜗杆减速机构(14)的蜗杆输入端通过连轴器连接，穿过1号蜗轮蜗杆减速机构(9)的蜗轮的蜗轮轴同时穿过2号蜗轮蜗杆减速机构(14)的蜗轮成固定连接，在两蜗轮之间的蜗轮轴上依次套装力传感器(15)的芯轴与转角传感器(7)的芯轴成固定连接，力传感器(15)与转角传感器(7)的外壳体固定在驾驶室的前挡板上。

2.按照权利要求1所述的用于汽车上的线控转向系统，其特征在于，所述的转向执行机构的接线端与转向电机控制器(2)的接线端口电线连接是指转向执行机构中的1号转向电机(6)、力传感器(15)、转角传感器(7)、2号转向电机(8)与位移传感器(13)的接线端和转向电机控制器(2)的接线端口电线连接。

3.按照权利要求1所述的用于汽车上的线控转向系统，其特征在于，所述的转向器(4)包括转向器壳体(10)、转向器小齿轮(11)与转向器齿条(12)；

转向器小齿轮(11)与转向器齿条(12)是啮合连接，转向器小齿轮(11)输入端与2号蜗轮蜗杆减速机构(14)蜗轮轴的输出端通过花键轴副连接，转向器齿条(12)的伸出端与位移传感器(13)的芯杆固定连接，位移传感器(13)的壳体固定在转向器壳体(10)上，转向器(4)固定在驾驶室的前挡板上。

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