CN103832467B - 紧凑型电动助力转向管柱、管柱式电动助力转向器和汽车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型电动助力转向管柱，其包括固连于上套管和下套管的壳体、套设于上套管中的上转向轴、套设于下套管中的下转向轴、设置于上转向轴和下转向轴之间并与二者相连的扭杆，还包括：电机，其装设于壳体内并且包括以与上转向轴相同轴向进行布置的电机转子和电机定子；行星齿轮机构，其装设于壳体内并且其输入端、输出端分别与电机的输出端和下转向轴相连，用于放大由电机输出的助力扭矩；扭矩传感器，其装设于扭杆上用于检测该处的扭矩信号；控制器，其被设置成用于接收并根据所述扭矩信号来控制电机的运转，从而使得由电机输出的助力扭矩经由行星齿轮机构放大后再从下转向轴输出。它还涉及管柱式电动助力转向器和汽车。

Description

紧凑型电动助力转向管柱、管柱式电动助力转向器和汽车

技术领域

本发明涉及电动助力转向系统技术领域，尤其涉及一种紧凑型电动助力转向管柱、装设有该紧凑型电动助力转向管柱的管柱式电动助力转向器和汽车。

背景技术

近年来，具备环保节能功能且性能优越的电动助力转向系统(EPS)在整车上的应用逐渐增多。而管柱助力式电动助力转向管柱由于结构简单、可移植性强，因此较其他形式(如齿条助力式)的EPS应用要更为广泛一些。管柱助力式电动助力转向管柱的输出扭矩可达到60—100Nm，而EPS由于受到布置空间限制等原因，它的电机扭矩一般在3—5Nm，这就需要一个大传动比(至少在20以上)的减速机构，起到降(转)速升扭(矩)的作用。

目前EPS上选用的减速机构多为蜗轮蜗杆机构，但存在着以下一些缺点：(1)正效率低，目前最高只有85%，也就是说一个传动比为20的蜗轮蜗杆损失15%的能量后折算得到的有效传动比只有17，这就需要实际增加蜗轮蜗杆传动比至23以上，因此需要额外增加减速机构的尺寸；(2)逆效率低下，一般只有20%左右，就是说在EPS不工作(或EPS功能丧失时)，如果要转向时则转动方向盘，由蜗轮来驱动蜗杆(此时为逆传动，传动效率极低)，这就需要很大的力矩才能转动方向盘、转动车轮，因此是极不方便的；(3)由于蜗轮一般采用尼龙材料，而蜗杆采用钢材制造，从而在EPS使用一段时间后，蜗轮就会被磨损，从而在蜗轮蜗杆之间会产生间隙，使得传动平顺性受到影响，还会出现更大的力矩波动(力矩波动原本在正常情况下就大)，还会产生蜗轮蜗杆的齿由于间隙而敲击产生噪音；(4)由于采用了蜗轮蜗杆减速机构，就必然使得助力电机轴线必须垂直于转向管柱轴线，这样就等于在转向管柱的径向上增加了电机占用空间，致使EPS体积在径向上变为大块头，这样就造成在一些驾驶舱布置空间本来就比较狭小的车辆上根本无法布置下管柱式EPS，从而迫使选取价格更高的齿条助力式EPS，这无疑造成成本浪费或者直接弃用EPS。

如图1、图2所示，当前采用蜗轮蜗杆减速机构及助力电机的管柱式电动助力管柱的主要由上转向轴100、上套管111、支架112、扭杆113、蜗轮蜗杆壳体114、蜗轮115、下转向轴116、下套管117、电机118、蜗杆119、扭矩传感器120、线束(未图示)、控制器(未图示)等零件组成。由图2可以看出，由于电机118的轴线与蜗轮115的轴线(即上转向轴100)垂直，并且需要布置在转向轴(或称为转向管柱)的旁侧，所以占用空间较大，造成有些车型可能无法布置。此外，由于蜗轮蜗杆之间的运动形式为滑动，因此能量损失较大且逆效率尤其低下，所以在相同的有效传动比下，蜗轮尺寸要额外增大一些。另外，蜗轮蜗杆之间长期磨损之后，啮合间隙会增大，这样传动噪音及扭矩波动就会增大。

发明内容

有鉴于此，本发明主要目的是提供一种紧凑型电动助力转向管柱，其目的还在于提供装设有所述紧凑型电动助力转向管柱的管柱式电动助力转向器以及汽车，以便有效解决现有技术中存在的上述问题以及其他方面的问题。

为了实现上述的发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种紧凑型电动助力转向管柱，其包括固连于上套管和下套管的壳体、套设于所述上套管中的上转向轴、套设于所述下套管中的下转向轴、以及设置于所述上转向轴和所述下转向轴之间并与二者相连的扭杆，所述紧凑型电动助力转向管柱还包括：

电机，其装设于所述壳体内，并且包括与所述上转向轴沿着相同轴向布置的电机转子和电机定子；

行星齿轮机构，其装设于所述壳体内，并且其输入端、输出端分别与所述电机的输出端和所述下转向轴相连，用于放大由所述电机输出的助力扭矩；

扭矩传感器，其装设于所述扭杆上用于检测该处的扭矩信号；以及

控制器，其被设置成用于接收并根据所述扭矩信号来控制所述电机的运转，从而使得由所述电机输出的助力扭矩经由所述行星齿轮机构放大后再从所述下转向轴输出。

在上述的紧凑型电动助力转向管柱中，优选地，所述行星齿轮机构为3K型行星齿轮机构，其包括：

第一齿圈，其固连于所述壳体的内壁；

第一行星齿轮，其与所述第一齿圈相啮合；

太阳齿轮，其固连于所述电机转子并且与所述第一行星齿轮相啮合；

第二齿圈，其固连于所述下转向轴；

第二行星齿轮，其与所述第二齿圈相啮合；

行星架，其套设于所述扭杆上并被设置成由所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮二者共用；以及

行星齿轮轴，其被设置成由所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮二者共用。

在上述的紧凑型电动助力转向管柱中，优选地，所述固连的形式包括焊接、螺栓连接、铆接。

在上述的紧凑型电动助力转向管柱中，优选地，所述行星齿轮机构为2K-H型行星齿轮机构。

在上述的紧凑型电动助力转向管柱中，优选地，所述行星齿轮机构为具有复合轮系的行星齿轮机构，所述复合轮系包含复合的行星轮系和定轴轮系。

一种管柱式电动助力转向器，所述管柱式电动助力转向器中设置有如以上任一项所述的紧凑型电动助力转向管柱。

一种汽车，所述汽车上装设置有如上所述的管柱式电动助力转向器。

本发明的有益效果在于：通过巧妙地采用行星齿轮机构(例如3K型、2K-H型等)作为电动助力管柱的减速机构，使得本发明具有结构更为紧凑、传动比大、正逆效率均很高、齿轮传动时更为平稳、力矩波动极小、齿轮啮合磨损小等诸多优点。而且，本发明更为巧妙将助力电机定子和转子轴线与转向管柱轴线同向布置，使得电机与转向管柱浑然一体，电机转子空套于管柱轴上，电机丝毫不用占用额外的空间，使得在前舱较小的车辆内布置EPS成为可能，这样就从根本上解决了目前管柱式EPS在布置上及减速机构方面所有不足之处(例如正效率只有85%、逆效率只有20%左右、电机布置于管柱旁侧而需要占用额外空间、力矩波动大、长期工作磨损大)。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1是现有的电动助力管柱的剖视结构示意图。

图2是沿着图1中A-A方向的剖视图。

图3是3K型行星齿轮机构的结构简图。

图4是本发明的紧凑型电动助力转向管柱一个实施例的剖视结构示意图。

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的紧凑型电动助力转向管柱的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。

为了更为清楚地说明本发明所采用减速机构，有必要介绍一下行星齿轮机构的结构。通常，由两组(或两排)及以上的行星齿轮机构组成的机构被称为复合式或者多排行星齿轮机构，常用的有3K型及2K-H型行星齿轮机构。3K型行星齿轮机构有三个中心轮(太阳齿轮或内齿圈均可称为中心轮)，2K-H型行星齿轮机构有两个中心轮及一个行星架。下面将以3K型行星齿轮机构为例进行传动比说明，本发明在图4中即采用了这种类型的行星齿轮机构作为一种示例性实施方式。

图3为3K型行星齿轮机构的结构简图，其主要由大齿圈a、行星齿轮b、太阳齿轮c、行星架d、行星齿轮e、大齿圈f等组成，其中大齿圈a被固定，行星齿轮b与大齿圈a及太阳齿轮c啮合，行星齿轮b与行星齿轮e共用一个行星架d，行星齿轮e与大齿圈f啮合，动力由太阳齿轮c输入，最后由大齿圈f输出。由太阳齿轮c到大齿圈f的传动比为：

i_cf=Zb*Zf*(Zc+Za)∕Zc*(Zb*Zf-Za*Ze)(1)

其中Za、Zb、Zc、Ze、Zf分别为大齿圈a、行星齿轮b、太阳齿轮c、行星齿轮e、大齿圈f的齿数，所以只要选取合适的齿轮齿数，很容易就得到需要的传动比。例如在电动助力管柱中，蜗轮蜗杆减速机构的传动比一般选20左右，那么选用3K型行星齿轮机构就可以选取Za=54，Zb=20，Zc=14，Ze=14，Zf=48，则带入上述传动比计算公式(1)就计算得到行星齿轮机构的传动比i_cf=22.8，满足电动助力管柱对减速比的要求。由此看来采用3K型行星齿轮机构实现电动助力管柱所需的大传动比是非常容易的，在后文中即以3K型行星齿轮机构为例来说明本发明的工作原理的。

总体而言，本发明的紧凑型电动助力转向管柱主要包括：与上套管和下套管固定连接的壳体、分别套设在上套管和下套管中的上转向轴和下转向轴、用来连接上转向轴和下转向轴的扭杆、装设在壳体内的电机和行星齿轮机构、装设在扭杆上用来检测该处扭矩信号的扭矩传感器、用来接收并根据扭矩信号来控制电机的运转控制器。其中，电机包括与上转向轴采用同一轴向进行布置的电机转子和电机定子，而行星齿轮机构的输入端、输出端分别与电机的输出端和下转向轴相连以便放大由电机输出的助力扭矩，并且通过控制器来使得经由行星齿轮机构放大后额电机输出助力扭矩从下转向轴输出。

在图4中，它示意性地图示出了本发明的紧凑型电动助力转向管柱一个实施例的剖视结构。如该图所示，主要设置有上转向轴1、上套管2、支架3、电机定子4、电机转子5、扭杆6、第一齿圈7、第一行星齿轮8、第二齿圈9、行星架10、第二行星齿轮11、行星齿轮轴12、下套管13、太阳齿轮14、下转向轴15、扭矩传感器16、电机及减速器壳体17。其中，电机及减速器壳体17、电机定子4、电机转子5共同组成电机18，第一齿圈7、第一行星齿轮8、太阳齿轮14、行星齿轮轴12、第二行星齿轮11、第二齿圈9共同组成行星齿轮机构19，其中上转向轴1与方向盘(未图示)固定连接上套管2空套于上转向轴1上，并且支架3与上套管2固定连接，上套管2与电机及减速器壳体17固定连接，电机及减速器壳体17与下套管13固定连接，电机定子4和电机转子5均与转向轴1沿着同轴方向进行布置。电机转子5为空心状，空套于转向轴1和扭杆6上，扭杆6的一端与转向轴1固定连接，另一端与下转向轴15固定连接(下转向轴15的下端还连接有中间轴、转向器等，均未予以图示)，电机转子5与太阳齿轮14固定连接，太阳齿轮14与第一行星齿轮8啮合，电机及减速器壳体17的内壁固定连接有第一齿圈7，第一齿圈7与第一行星齿轮8啮合，第二行星齿轮11与第二齿圈9啮合，第二齿圈9与下转向轴15固定连接，第一行星齿轮8与第二行星齿轮11共用一个行星架10及一个行星齿轮轴12，行星架10空套于扭杆6上，扭矩传感器16固定于扭杆6上。在本文中所提到的“固定连接”或“固连”的形式均不作限制，例如采用焊接、螺栓连接、铆接等均可以，而且所有零件的材料不作限制。为了使得方案清楚明了，图中略去了用于控制电机的控制器以及可能存在的相关连接线束、轴承、螺栓等。

下面将结合图4的示例来详细说明本发明的工作原理。当上转向轴1接受来自方向盘的转角和转向力矩时，转向力矩将被依次传递至扭杆6、下转向轴15、转向器(未图示)等(注意：该转向力矩只是总转向力矩的极小的一部分，大部分转向力矩还需要由电机18经过行星齿轮机构19来提供)，扭矩传感器16将从扭杆6上测得扭矩信号输入给控制器，控制器根据扭矩信号对电机18发出指令，使得电机18动作，从而输出助力扭矩，该助力扭矩经太阳齿轮14，第一行星齿轮8、行星齿轮轴12、第二行星齿轮11、第二齿圈9，最终传至下转向轴15，这样，实际上该助力扭矩就经过了由第一齿圈7、第一行星齿轮8、太阳齿轮14、行星齿轮轴12、第二行星齿轮11、第二齿圈9共同组成的行星齿轮机构19的放大(关于传动比的计算已在上文中做过详述)，这经过放大几十倍(一般为20倍左右)的助力扭矩与来自方向盘的很小的转向力矩叠加后，将用来共同驱动转向器，从而完成了转向操作，这样就能极大地降低驾驶者操作方向盘的强度和手力，从而给驾驶者带来了极大的便利性。

当然，以上仅具体描述了3K型行星齿轮机构在本发明上的应用，然而应当理解的是本发明中提及的行星齿轮机构是包括但并不局限于3K型行星齿轮机构，亦可采用其他类型的行星齿轮机构来实现，例如可以采用2K-H型或者复合轮系(行星轮系和定轴轮系的复合)等。

显然，与现有技术相比，本发明的紧凑型电动助力转向管柱的结构是更为紧凑的，这是因为本发明充分利用了行星齿轮机构的特点，巧妙地将电机18与上转向轴1布置为同轴结构，由此节省出了大块空间，使得不必像现有技术那样需要刻意为电机占用其他的空间。由此，即便是在驾驶舱空间比较狭小的车辆内，也可以布置和使用管柱式电动助力转向系统。

此外，还需要特别指出的是，与现有技术相比，采用本发明可以使得减速机构的正逆效率都很高，这是由于本发明采用了行星齿轮机构，而该机构实为齿轮传动，其正逆效率都可达到95%以上。由于行星齿轮机构效率很高、传动平稳且不存在力矩波动，这也保证了在同样的有效减速比下本发明相对于现有结构更具有尺寸优势，而且也不会产生因为有间隙而产生的敲击噪音，整个系统运行更加安全、可靠。因此，非常适于将本发明的紧凑型电动助力转向管柱应用到管柱式电动助力转向器中，并且将这样的管柱式电动助力转向器装设到汽车上，以便充分发挥出本发明的上述这些技术优势。

以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明的紧凑型电动助力转向管柱、管柱式电动助力转向器和汽车，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种紧凑型电动助力转向管柱，其包括固连于上套管和下套管的壳体、套设于所述上套管中的上转向轴、套设于所述下套管中的下转向轴、以及设置于所述上转向轴和所述下转向轴之间并与二者相连的扭杆，其特征在于，所述紧凑型电动助力转向管柱还包括：

电机，其装设于所述壳体内，并且包括与所述上转向轴沿着相同轴向布置的电机转子和电机定子；

行星齿轮机构，其装设于所述壳体内并且其输入端、输出端分别与所述电机的输出端和所述下转向轴相连，用于放大由所述电机输出的助力扭矩；

扭矩传感器，其装设于所述扭杆上用于检测该处的扭矩信号；以及

控制器，其被设置成用于接收并根据所述扭矩信号来控制所述电机的运转，从而使得由所述电机输出的助力扭矩经由所述行星齿轮机构放大后再从所述下转向轴输出。

2.根据权利要求1所述的紧凑型电动助力转向管柱，其特征在于，所述行星齿轮机构为3K型行星齿轮机构，其包括：

第一齿圈，其固连于所述壳体的内壁；

第一行星齿轮，其与所述第一齿圈相啮合；

太阳齿轮，其固连于所述电机转子并且与所述第一行星齿轮相啮合；

第二齿圈，其固连于所述下转向轴；

第二行星齿轮，其与所述第二齿圈相啮合；

行星架，其套设于所述扭杆上并被设置成由所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮二者共用；以及

行星齿轮轴，其被设置成由所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮二者共用。

3.根据权利要求1或2所述的紧凑型电动助力转向管柱，其特征在于，所述固连的形式包括焊接、螺栓连接、铆接。

4.根据权利要求1所述的紧凑型电动助力转向管柱，其特征在于，所述行星齿轮机构为2K-H型行星齿轮机构。

5.根据权利要求1所述的紧凑型电动助力转向管柱，其特征在于，所述行星齿轮机构为具有复合轮系的行星齿轮机构，所述复合轮系包含复合的行星轮系和定轴轮系。

6.一种管柱式电动助力转向器，其特征在于，所述管柱式电动助力转向器中设置有如权利要求1-5中任一项所述的紧凑型电动助力转向管柱。

7.一种汽车，其特征在于，所述汽车上装设置有如权利要求6所述的管柱式电动助力转向器。