CN103625544A - 电动液压助力转向油泵双电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电动液压助力转向油泵双电机驱动装置。主驱动电机（直流无刷电机）直接驱动油泵转动，辅驱动电机（直流有刷电机）适时工作，双电机的转速和转矩等工作状态根据电子控制单元ECU采集转向盘转速、车速及两电机的电流等信号而调整，两者通过同步带及带轮借助单向离合器实现动力的耦合。双电机、动力传递与耦合机构、转向油泵及转向控制器采用整体式结构，实现双电机电动油泵的集成设计。本发明双电机分布式的控制方案，提高了系统控制的自由度；低速转向轻便，高速路感好；电机只在需要助力时才高速工作，不转向时低速运转，系统能耗低；当一个电机出现故障时另一电机仍能提供一定的转向助力，提高了系统的安全性。

Description

电动液压助力转向油泵双电机驱动装置

所属技术领域

本发明属汽车部件技术领域，具体涉及一种车用电动液压助力转向系统的油泵双电机驱动装置。

背景技术

包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车在内的新能源汽车技术快速发展的同时，动力电池寿命及成本、续驶里程等电动汽车产业化瓶颈问题还没有得到彻底解决，因此迫切需要对电动汽车转向、制动、空调等各种电动化部件进行节能设计和控制，以减少各个部件对动力电池的电能消耗，增加电动汽车的续驶里程，提高动力电池的使用寿命。

尽管油电混合动力汽车还布置有发动机，但是这类汽车为降低能量消耗存在停车关发动机和低速关发动机工况，要求转向、制动、空调等部件实现电动化；而对于传统动力汽车，从易于驾驶和安全性方面考虑，理想的操纵状态是低速时转向轻快，高速时有适当的手感且运行平稳，传统的液压动力转向系统助力大小依赖于发动机转速，其固定的放大倍率难以满足转向特性要求，且转向油泵持续工作使得能耗较高。

电动助力转向（Electric Power Steering,EPS）具有节能、环保、安全等诸多优点，是当前助力转向电动化的研究热点。但电动助力转向由于受到现有整车电压体制（DC12V、DC24V）的限制，当整车前轴负荷较大时为了达到转向轻便的目的，助力电机的电流会很大，有时甚至要超过100A，这对助力转向系统的性能、可靠性等带来很多不利影响。对电动汽车而言，虽然EPS系统也可以采用动力电池（最高可达DC388V）供电，但是过高的电压导致电机的电流过小（转向助力电机一般小于2KW），不利于通过电流的控制实现对助力电机输出力矩的控制。另外，EPS的转向阻力完全经机械传动装置来传递，导致对机械传动机构强度和刚度的要求极高，当汽车前轴负荷较大时，如采用电动助力转向不仅转向机构过于庞大，而且系统的惯性也很大。相比之下液压助力转向的转向阻力主要经液压传动装置传递，液压传动具有功率密度大、空间小布置灵活、传递均匀平稳，负载变化时速度较稳定等优势。因此前轴负荷较大的电动商用车难以采用电动助力转向，现有技术下只能采用液压助力转向。

目前国内电动客车、电动货车以及部分前轴负荷较大的电动轿车均采用电动液压助力转向系统（Electric-hydraulic Power Steering System,EHPS），其中转向油泵采用电机驱动，但是存在以下问题：

①电动汽车转向油泵由单交流异步电机驱动，动力电池电能要经过多次能量转换（蓄电池—DC/AC逆变器—交流异步电机—油泵）才能转换成用于转向助力的液压能，整个系统效率低于70%，能量损失大；

②当原地停车和高速直线行驶时，并不需要转向助力，但电动汽车的转向油泵在汽车起动后便一直工作，即使不需要助力时交流异步电机也一直在高速运转，消耗了电动汽车中宝贵的电能，浪费了约占液压助力转向系统能量消耗的60%的能量；

③电动汽车采用的转向油泵还是传统汽车的转向油泵，油泵转速在600r/min—800r/min以上后，油泵的流量特性基本保持不变，即使控制系统引入车速信号，无法获得随车速变化的流量特性来提高汽车高速行驶时的操纵稳定性；

④当车辆出现故障高压断电后，转向油泵停止工作，液压助力转向失效，因此高压断电对转向助力有影响，存在安全隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明目的在于提供一种高效节能、转向特性好、利于电动控制的新型电动油泵式液压助力转向结构，发明了电动液压助力转向油泵双电机驱动装置。

为了实现上述发明目的，该新型电动油泵式液压助力转向系统主要包括以下结构：

（一）直流无刷与有刷双电机驱动装置，经带传动实现双电机的动力耦合输出，通过控制双电机的转速和转矩等工作状态，满足转向助力的需求；

（二）电动液压助力系统中的转向油泵，用于将双电机输出的机械能转化为液压助力转向所需要的液压能，其转速的大小直接影响流量进而决定液压缸内的压强。

新型电动液压助力转向系统结构主要包括两直流电机（有刷、无刷）和齿轮式转向油泵。主驱动电机为直流无刷电机采用电动汽车动力电池的高压（DC388V）供电，兼有良好的调速特性、较高的起制动扭矩和过载能力，无需电刷换向，效率高寿命长的特点，满足在助力系统中使用频繁的要求；直流有刷电机作为辅助驱动电机采用车载低压（DC12V、DC24V）供电，采用电刷换向，转速范围小，寿命较短，但控制简单，助力系统中工作时间短。两电机通过同步带及带轮借助单向离合器等机械结构实现动力的耦合后驱动以结构简单、转速范围宽、工作平稳可靠、工作噪声小的齿轮油泵，实现电动油泵的集成设计。本系统结合电控系统可根据车速和转向角速度信号等转向条件控制主辅电机的工作状态：

①车辆静止及正常直线行驶时，仅有主驱动电机以最低的转速工作维持最低的怠速状态以满足快速响应转向指令，降低转向系统助力部件的能耗；

②低速转向或急转弯时，主驱动电机和辅驱动电机均以高转速工作以提供较大助力，克服较大的转向阻力；

③在高速行驶工况下转向时，主驱动电机以适当的转速工作以提供较小助力，提高高速行驶时转向的路感和操纵稳定性，而辅驱动电机停止工作，以降低能量消耗；

④当车辆行驶中，主驱动电机出现故障而停止工作时，辅驱动电机介入驱动油泵工作以提供一定的转向所需助力，提高系统的安全性，避免事故的发生。

所述电动液压助力转向油泵双电机驱动装置匹配以液压助力转向器的设计具有诸多优势：

①采用双电机分布式的控制方案，提高了系统控制的自由度，动力耦合方式使得最大助力由两个电机分担，可以适当减小单个电机的功率和尺寸；

②助力大小可变，达到低速时操作轻便，高速时对车身的控制性高，平衡了助力转向系统对操作性和稳定性的要求，改善汽车的转向特性；

③系统能耗低，系统由电机驱动液压泵，不转向时电机在怠速状态以极低速度运转，只在需要助力时系统才高速工作，且辅驱动电机在汽车行驶时处于停机工况，极大地节省了能源的消耗；

④转向特性的获得取决于两个电机的工作状态，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，适应于不同车型；

⑤安全性提高，双电机驱动装置的设计，当单个电机出现故障时另一电机仍能提供必要的转向助力，维持驾驶员对车辆的正常操控。

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是本电动油泵式液压助力转向系统框图；

图2是本助力转向油泵双电机驱动装置的装配图；

图3是本助力转向油泵双电机驱动装置的主视图；

图4是本助力转向油泵双电机驱动装置的侧剖切视图；

图5是本双电机驱动装置同步带传动的机械结构图；

图6是本电动液压助力转向系统的油泵结构图；

图7是本助力转向油泵双电机驱动装置的爆炸视图。

上述图1中，1为辅驱动电机；2为单向滚针离合器；3为主驱动电机；4为同步带；5为转向油泵；6为油罐；7为液压动力转向器。

上述图2、3中，1为底座盖；2为底座；3为主驱动电机（直流无刷电机）；4为电机固定法兰；5为电机输出轴联轴器；6为主驱动电机输出轴；7为从动同步带轮；8为轴用套筒；9为油泵输入轴联轴器；10为齿轮式转向油泵；11为齿形同步带；12为滚动轴承；13为主动同步带轮；14为单向轴承（单向滚针离合器）；15为辅驱动电机输出轴；16为弹性卡簧；17为螺栓；18为辅驱动电机（直流有刷电机）。

具体实施方式

如图1所示，新型电动油泵式液压助力转向系统中的转向油泵采用了主、辅两个电机的结构，主电机（3）为直流无刷电机，具有良好的调速特性、较高的起制动扭矩和过载能力，效率高，寿命长；辅电机（1）为直流有刷电机，采用电刷换向，转速范围小，寿命较短，控制简单。主电机（3）与辅电机（1）之间采用同步带轮啮合同步带（4）连接，辅电机输出轴通过单向滚针离合器（2）与同步带轮连接，离合器的作用只允许辅电机向主电机输出轴单向传递转速和扭矩。这样，辅电机（1）不转时，主电机（3）转动时直接驱动转向油泵（5）工作；主电机（3）出现故障停止工作时，可以由辅电机（1）通过带传动驱动转向油泵（5）工作；主辅电机同时转动时，动力通过耦合共同驱动转向油泵（5）工作。

具体结构及装配关系如图2、3、4、6所示，主驱动电机（3）与辅驱动电机（18）通过电机固定法兰（4）由螺栓固定在底座上，实现良好的定位。电机输出端通过各自连接一输出轴将动力输出，输出端与输出轴之间通过十字联轴器（5）实现动力的传递，电机输出轴（6、15）两端各通过两滚动轴承（12）支撑在底座上，轴承结合轴肩、套筒（6）及卡簧（16）实现定位。主驱动电机输出轴（6）输出端与转向油泵（10）输入端亦通过十字联轴器（9）实现动力的传递，在主驱动电机输出轴上通过平键固连一同步带轮（7），将辅驱动电机（18）经辅驱动电机输出轴（15）传递来的动力经同步带（11）传递给转向油泵（10）。主动同步带轮（13）通过单向滚针轴承（14）与辅驱动电机输出轴（15）结合，单向滚针轴承（14）的外圈与主动同步带轮（13）过盈配合，轴承内圈与输出轴也是过盈配合，此结构实现了仅允许动力由辅驱动电机向主驱动电机输出轴的传递方向。

附图6为齿轮油泵的具体结构，主动齿轮靠啮合带动从动齿轮转动，两齿由啮合逐渐分离，工作空间逐渐增大形成真空，储油罐中的液压油在大气压作用下，经进口被吸入油泵，由主从动齿轮外侧的齿槽处带入高压腔，经出油口进入高压管路，到达液压缸实现转向助力。

Claims (5)

1.一种车用电动液压助力转向系统的电动油泵的集成装置，采用双电机驱动方式。其特征是：采用主、辅两个电机经带传动实现双电机的动力耦合输出，通过控制双电机的转速和转矩等工作状态，驱动转向油泵工作以满足不同工况的转向助力需求。

2.根据权利要求1所述的电动液压助力转向油泵双电机驱动装置，其结构特征是：直流无刷电机作为主驱动电机采用电动汽车动力电池的高压供电，直流有刷电机作为辅助驱动电机采用车载低压供电，两者通过同步带及带轮借助单向离合器实现动力的耦合后驱动转向油泵工作。

3.根据权利要求1所述的电动液压助力转向油泵双电机驱动装置，其功能特征是：主驱动电机直接驱动油泵转动，辅驱动电机适时工作，并且双电机的转速和转矩根据电子控制单元ECU采集转向盘转速、车速及两电机的电流等信号而调整。车辆静止及正常行驶时，仅有主驱动电机以低的转速工作以满足快速响应转向指令；在高速行驶转向时，主驱动电机以较小的转速工作以提供较小助力以提高转向的路感和操纵稳定性；低速转向或急转弯时，主驱动电机和辅驱动电机均以高转速工作以克服较大的转向阻力；车辆行驶中单个电机出现故障而停止工作时，另一电机介入驱动油泵工作以提供转向所需助力以提高系统的安全性。

4.根据权利要求1所述的电动液压助力转向油泵双电机驱动装置，其转向油泵特征是：转向油泵采用齿轮泵结构，转向油泵流量与转速成线性变化关系，转向油泵最高转速达到3000rpm以上。

5.根据权利要求1所述的电动液压助力转向油泵双电机驱动装置，其特征还在于：双电机（直流有刷、无刷电机）、动力传递与耦合机构、转向油泵及转向控制器采用整体式结构，实现双电机电动油泵的集成设计。

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