CN101973311A - 整体主动式电动助力转向机械结构 - Google Patents

Abstract

整体主动式电动助力转向机械结构，包括电动助力转向系统、转向系变速比系统、后轮转向系统，其中电动助力转向系统、转向系变速比系统由一转向系变传动比的电动助力转向系统来实现，而后轮转向系统则为一专门为后轮提供转向力的装置系统，所述转向系变传动比的电动助力转向系统，在转向盘和下传动轴之间装有一个电子控制的谐波齿轮变速器来实现，后轮转向系统由支撑轴环，外壳体，电机定子线圈，永磁转子，电机角度传感器，中心空心轴，循环滚珠式减速机构，锁止套，齿条轴组成。本发明在转向过程中调节电机与助力电机柔性控制，相互补偿，从而将转向的灵敏性、轻便性和操纵稳定性完美结合，提高了操纵性能和安全性能。

Description

整体主动式电动助力转向机械结构

技术领域

本发明涉及转向转向，尤其涉及一种应用于汽车四轮转向的整体主动式电动助力转向机械结构。

背景技术

现有的电动助力转向系统是在原有传统机械转向系统发展起来的，传统的机械转向系统的角传动比是固定不变的，目前电动助力转向也不能改变转向系的角传动比，而只能减小转向的转矩，因而在低速、原地泊车时不能用减小转向行程(转向角度)的方式来减轻驾驶员的劳动强度，在高速时不能满足转向稳重(低灵敏度)的要求。

换句话说，不论是在市区窄小的街道缓行或是高速公路上奔驰，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性，所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。

另外，当前大部分汽车都是前轮转向，当转向系变传动比技术应用后能解决转角随车速改变，大大地减少了转向行程，减少了原地泊车和低速转向时的劳动强度，但汽车转向的灵活性没有得到大的提升。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供了一种整体主动式电动助力转向机械结构，彻底改变了传统的转向过程，使前车轮的转向角度可以完全按照驾驶者的意愿进行。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

整体主动式电动助力转向机械结构包括三部分：电动助力转向系统、转向系变速比系统、后轮转向系统，其中电动助力转向系统、转向系变速比系统由一转向系变传动比的电动助力转向系统来实现，而后轮转向系统则为一专门为后轮提供转向力的装置系统。

所述转向系变传动比的电动助力转向系统，彻底改变了传统的转向过程，使前车轮的转向角度可以完全按照驾驶者的意愿进行。该系统中，在转向盘和下传动轴之间装有一个电子控制的谐波齿轮变速器，其中的谐波齿轮变速器由波发生器(转臂与滚轮)，柔性齿轮，刚轮三个基本构件组成。刚轮与蜗轮蜗杆相连，蜗轮蜗杆和转角速比调节电机相连，从而带动刚轮旋转，波发生器与转向管柱相连，也就是与转向盘相连，柔性齿轮与下传动轴相连输出，

转向盘和转角速比调节电机为转角输入，通过控制器里变速比模块控制转角速比调节电机的转速，可以得出柔性齿轮变传动比的输出。最终从下传动轴传出的整体转向角度是由驾驶者输入的转向盘角度和转角速比调节电机通过波齿轮变速器变速后叠加的角度。

此外，转向系变传动比的电动助力转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的稳定控制单元和多个传感器，另外，转向系变传动比的电动助力转向系统始终通过车载网络与动态稳定控制单元联网。

通常情况下，刚轮与转角速比调节电机是共同工作的，车轮角度的转动是转向盘转角和转角速比调节电机共同作用下产生的一个运动：低速时，转角速比调节电机驱动刚轮与转向盘相反，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向角度的需求；高速时，转角速比调节电机驱动刚轮与转向盘相同，叠加后减少了实际的转向角度，汽车转向灵敏度降低，从而提高了汽车的稳定性和安全性。

由于转角速比调节电机转速过大，电机输出端采用蜗轮蜗杆减速，所述蜗轮蜗杆具有自锁功能。如果转角速比调节电机出现故障，蜗轮蜗杆自锁，刚轮将静止固定，只有转向盘一个输入，丧失转向系变速功能，但转向系同样能工作，因而降低了整个系统的冗余性。

而所述后轮转向系统是把齿轮齿条转向器和电机集成一起的一个部件，它由支撑轴环，外壳体，电机定子线圈，永磁转子，电机角度传感器，中心空心轴，循环滚珠式减速机构，锁止套，齿条轴组成。当控制器发出指令给电机，电机产生旋转运动，由于外壳体与车体刚性连接，固定不动，电机永磁转子产生旋转，永磁转子嵌入在中心空心轴上，制成一体。滚珠丝杠和齿条轴做成一体，中心空心轴与齿条轴通过循环滚珠式减速装置相连。采取了与电机转子内壳配套的循环滚珠式减速装置，是为了降低转向电机的转速，以获得更大的力矩。

另外，有小钢珠在四个极光滑的槽内循环滚动减速，将动力传递给齿条轴作直线运动，推动两个后轮左右摆动，以驱动汽车进行转向。由于钢珠较小，在精细加工的导槽内循环滚动，故传动噪声极微。电机角度传感器属于电磁感应式传感器，能将转向电机的转向角度信号输出到控制单元。这个传感器转子为凸极式，转子与电机转子是连成一体的。定子线圈呈圆环状，套在转子外，通过电磁感应原理，检测出转子的转角。

有益效果：

本发明可通过调整后轮的转向角度来提高汽车的安全性、稳定性和舒适性(对后排乘客而言更是如此)。在高速变线和过弯时，它能确保舒适且优异的路面响应，在低速行驶时，它可减小转向半径使车辆行动更灵活敏捷。此外，主动转向系统还能在车辆制动时带来更好的可控性和操控感。

电动助力转向系统则是主动地控制后轮的转向角协助车辆改变行驶方向，采用电动助力转向系统方式，后轮与前轮偏转方向同时称为同相位转向；当后轮与前轮偏转方向相反时，称为逆相位转向。

电动助力转向系统车辆同相位转向时，车身方向与实际的行进方向没有很大的区别，在高速行驶时具有稳定感。电动助力转向系统的逆相位转向时，可以转小弯，起到了缩短轴距的效果，以需要反复倒车转弯多次才能通过的地方采用这种方式可以轻松通过。

在低速时，控制器转向模块控制前轮转向系统、后轮转向系统逆相位转向、转向力矩补偿，转角变速比模块控制适当的转向系传动比，从而获得优良的操控性能——轻便，转向直接，可减小转向半径使车辆行动更灵活敏捷。

在高速变线和过弯时，控制器转向模块控制前轮转向系统，转角变速比模块控制适当的转向系传动比、转角补偿，转向稳定模块可通过调整后轮的转向角度(同相位转向时)来提高汽车的安全性、稳定性和舒适性(对后排乘客而言更是如此)。它能确保舒适且优异的路面响应，在车辆制动时带来更好的可控性和操控感，即使在两种不同的路面上行驶也能自如的向车辆施加更大的制动力，制动距离更为缩短。

该系统与汽车电子稳定控制系统共同作用，可以自动进行车辆控制，但如果依靠手动掌握这种技巧，需驾驶员练习相当长的时间。转向系变传动比的主动电动助力转向系统也有助于在多种路面共存的情况下完成减速。如果这时要制动，即使装备了ABS，也必需实施轻微的反转向，才能保证车辆直线行驶，而现在转向系变传动比的主动电动助力转向系统可以通过电动机调整车辆，代替驾驶员实施反转向，可确保稳定性。

整体主动式电动助力转向机械结构可以在车辆转向过度时，主动对后轮进行反转向调整。除了更舒适、更灵活之外，整体主动式电动助力转向机械结构还有很重要的一点就是更安全，这一点主要体现在车辆高速行驶中的突然转向。在公路上高速行驶时突然变线以超越另一辆车然后回到车道时，或者高速行驶中突然发现前方有障碍物需要急转弯时，很容易出现转向不足或者转向过度，车辆将偏离自己预定的方向，可能失去控制。在这种情况下，通常的汽车电子稳定控制系统系统通过干预制动过程控制车辆的稳定，行车速度将大幅度降低，增加能量的损耗。而转向系变传动比的主动电动助力转向系统从转向一开始就会判断转向后出现的情况，通过电子控制的谐波齿轮变速器自动修正转向角度，干预降低偏航情况的发生。而汽车电子稳定控制系统系统不必像在其他车辆中那样干预驾驶，保证车辆行驶的平稳性。

当调整转向系变传动比后无法完成对车辆的控制时(此时已经发生轻微转向过度和转向不足)，后轮反转向调整，以确保汽车稳定性要求。不过，当转向系变传动比的主动电动助力转向系统无法完成对车辆的控制时，汽车电子稳定控制系统系统将参与到工作中来。因此，使用整体主动式电动助力转向机械结构后，汽车电子稳定控制系统系统开启的频率将减少，大大提高了车辆行驶的平稳性。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的示意图；

图2为本发明的谐波齿轮变速器结构示意图；

图3为本发明的后轮转向系统结构示意图；

图4为本发明的控制系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1的整体主动式电动助力转向机械结构，前轮电动助力转向系统由转向盘1、转向盘角度传感器2、转向管柱3、力矩传感器7、蜗轮蜗杆I 12、助力电机11、下传动轴23、齿轮齿条转向器10、前轮9组成。转向盘1和转向盘角度传感器2安装在转向管柱3的上端，谐波齿轮变速器5安装转向管柱3的下端，转向力矩和转角由谐波齿轮变速器5传递到下传动轴23，下传动轴23与齿轮齿条转向器10相连，最后齿轮齿条转向器10推动前轮9摆动，完成汽车的转向运动。力矩传感器7安装在齿轮齿条转向器10上，转动转向盘时，力矩传感器7和转向盘角度传感器2发送转角信号17和力矩信号18到控制器6。

转向系变传动比系统由转角速比调节电机4、蜗轮蜗杆22、谐波齿轮变速器5组成，转角速比调节电机4和蜗轮蜗杆22安装在谐波齿轮变速器5的外壳体上，其中谐波齿轮变速器5又由柔性齿轮25、波发生器28(包括滚轮26、转臂27)、刚轮24组成。在谐波齿轮变速器中有两个输入，一个是方向盘1输入到转向管柱3，转向管柱3和转臂27刚性连接，

转角速比调节电机4通过蜗轮蜗杆22与刚轮24相连，刚轮24和柔性齿轮25啮合，带动柔性齿轮25旋转；转角速比调节电机4转动时带动刚轮24，转向盘1转动时带动转臂27转动，滚轮26绕谐波齿轮变速器5中心轴线自转和公转，滚轮26与柔性齿轮25啮合，带动柔性齿轮25旋转，最后由下传动轴23输出前轮9，方向盘1和转角速比调节电机4转速差异越大，转向系传动比变化越大。

后轮转向系统主要结构为一常规齿轮齿条转向器内嵌电机，再由变速机构传递到齿条轴37上，齿条轴37左右运动推动后轮左右摆动，完成转向运动。

电机定子线圈35固定在后轮转向器外壳体30上，永磁转子33通过轴承也连接到外壳体30上，两者同轴，当控制器6发出信号推动永磁转子33旋转时，永磁转子33通过循环滚珠式减速机构35带动齿条轴37左右移动，支撑轴环29支撑齿条轴37左右移动以免产生间隙。锁止套36防止循环滚珠式减速机构35左右移动，让其只作旋转运动。后轮电机转角传感器31记录永磁转子33旋转的角度来控制齿条轴37左右行程。后轮转向系统在低速时由控制器6转向控制模块14控制，在高速时由控制器6中车身稳定性控制模块16控制。

整体主动式电动助力转向机械结构是这样工作的：

汽车点火发动后，转动转向盘1时，转角信号38、转矩信号18、轮速信号19、陀螺仪信号13(横摆角速度信号、车身质心侧偏角信号、侧向加速度信号)、当前转向系传动比信号(由转角速比调节电机转速40和转向盘转角信号17获得)传输到控制器6。其中转角信号38、转矩信号18、轮速信号19、后轮电机转角信号38传递给转向控制模块14，从而控制助力电机进行助力、回正、阻尼、前后轮转向控制。轮速信号19和陀螺仪信号13传递给转向系变速比模块15，根据汽车的轮速信号19控制转角速比调节电机4，调整至合适的转向系传动比，以获得最佳手感，其次根据陀螺仪信号13判断汽车是否有失稳趋势，适当地调节转向系传动比，使得转向在保持汽车稳定的情况下获得最大的传动比，同时对转角进行补偿，使转向更灵活、精确。当改变转向系传动比后，转向力矩会发生变化，这时转向系变速比模块15会向转向控制模块14发送信号，请求转向控制模块14对转矩进行补偿。当转角信号38和陀螺仪信号13传递给转向稳定性模块14，控制器6接受转角速比调节电机转速40确认当前传动比，通过轮速19和转向盘转角信号17能判断汽车理论轨迹，通过陀螺仪信号13能得出汽车实际行驶轨迹，把理论轨迹与实际轨迹相比较，从而使汽车调整到稳定状态。

在实施例一中：汽车在低速行驶状态：

控制器6中转向控制模块14驱动前轮转向系统、后轮转向系统21逆相位转向，由于在低速时转向系变速比模块15提供小的转向传动比，故转向力矩增大，控制器6中转向控制模块6必须对助力电机11施加转向力矩补偿，从而获得优良的操控性能——轻便，转向直接，可减小转向半径使车辆行动更灵活敏捷。

在实施例二中：汽车处于高速变线行驶状态，并进行过弯操作：

控制器6转向控制模块14前轮转向系统，转角变速比模块15提供大的转向传动比、转向迟钝，进而控制器6转向控制模块14进行转角补偿，车身稳定性控制模块16可通过调整后轮的转向角度(同相位转向时)来提高汽车的安全性、稳定性和舒适性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.整体主动式电动助力转向机械结构，包括电动助力转向系统、转向系变速比系统、后轮转向系统，其中电动助力转向系统、转向系变速比系统由一转向系变传动比的电动助力转向系统来实现，而后轮转向系统则为一专门为后轮提供转向力的装置系统，所述转向系变传动比的电动助力转向系统，在转向盘和下传动轴之间装有一个电子控制的谐波齿轮变速器，转向盘和转角速比调节电机为转角输入，通过控制器里变速比模块控制转角速比调节电机的转速；所述后轮转向系统由支撑轴环，外壳体，电机定子线圈，永磁转子，电机角度传感器，中心空心轴，循环滚珠式减速机构，锁止套，齿条轴组成，其中外壳体与车体刚性连接，固定不动，永磁转子嵌入在中心空心轴上，制成一体，同时滚珠丝杠和齿条轴做成一体，中心空心轴与齿条轴通过循环滚珠式减速装置相连，并且，电机角度传感器属于电磁感应式传感器，能将转向电机的转向角度信号输出到控制单元。

2.根据权利要求1所述的整体主动式电动助力转向机械结构，其特征在于，所述谐波齿轮变速器由波发生器，柔性齿轮，刚轮三个基本构件组成，刚轮与蜗轮蜗杆相连，蜗轮蜗杆和转角速比调节电机相连，波发生器与转向管柱相连，柔性齿轮与下传动轴相连。

3.根据权利要求1所述的整体主动式电动助力转向机械结构，其特征在于，所述转向系变传动比的电动助力转向系统还包括稳定控制单元和多个传感器。

4.根据权利要求1所述的整体主动式电动助力转向机械结构，其特征在于，所述转向系变传动比的电动助力转向系统始终通过车载网络与动态稳定控制单元联网。

5.根据权利要求1所述的整体主动式电动助力转向机械结构，其特征在于，刚轮与转角速比调节电机是共同工作的。

6.根据权利要求1所述的整体主动式电动助力转向机械结构，其特征在于，电机输出端采用具有自锁功能蜗轮蜗杆结构。

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