CN104309684B - 一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置及控制方法，在循环球转向器壳体内部设置磁流体驱动的转向螺母齿条活塞机构驱动扇形齿轮带动转向摇臂，电子控制单元通过调节电极板两端的电压值和电源极性，实现磁流体电控液压助力转向装置的助力大小和方向的控制，与电动助力转向系统相比，省去了助力电机和复杂的减速机构，结构简单，运行可靠、故障率低、体积小、便于在整车上的布置。而且，循环球式磁流体电控液压助力转向装置在性能和功能上都能达到电动助力转向系统所能够完成的功能，由于采用液压系统助力，避免了电动助力转向系统由助力电机带来的力矩波动，可靠性更高。

Description

一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置及控制方法

技术领域

本发明属于车辆工程技术领域，具体涉及助力转向技术。

背景技术

常用的转向器主要由齿轮齿条式、蜗杆曲柄销式和循环球式。循环球式转向器由于更多依靠滚动摩擦，所以具有较高的传动效率，操纵起来比较轻便舒适，机械部件的磨损较小，使用寿命相对较长，在中、大型商用汽车上循环球式转向器扮演着重要角色。

在循环球转向器中常采用的是循环球液压助力转向器，循环球式液压助力转向器主要由循环球转向器、液压转阀、进油管、回油管、储油罐、转向油泵等组成，转向油泵由汽车发动机驱动并通过进油管向循环球液压助力转向器提供助力液压油，回油则由回油管流回储油罐。传统的液压助力转向系统中的转向油泵转速是由汽车发动机转速决定的，不管方向盘是否需要转向，只要发动机工作，转向油泵就在工作，没有调速功能，所以，燃油消耗较大，占汽车总燃油消耗的3％。在传统的液压助力转向系统中，由于使用发动机动力驱动，油泵输出液压油流量不能调节，通过方向盘转角来控制转阀内的油液的流量，如果设计的油液流量较大则可以满足低速时的轻便性的要求但是这样会造成高速时路感变差，如果设计的油液流量较小则与上述情况相反，这样很难协调转向系统的轻便性和“路感”之间的矛盾。

电动循环球式液压助力转向系统采用电机对转向油泵进行驱动向液压助力转向系统提供液压油。该系统通过电控单元采集方向盘扭矩传感器、方向盘角度传感器、里程车速传感器和发动机转速传感器的信号并反馈给驱动电机以实现对转向油泵泵入液压助力转向器的液压油流量进行调控，在转阀开启程度一定时，通过电机调节液压缸内油液的压力，从而实现转向助力力度的大小调节，满足高、低速时的转向助力要求。电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点，同时还降低了能耗，反应也更加灵敏，转向助力大小也能根据转角、车速等参数自行调节。

但是电动循环球式液压助力转向系统由于引入了很多电子单元，结构较为复杂，其制造、维修成本也会相应增加，使用稳定性也不如机械式液压助力转向系统牢靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置及控制方法，简化结构，降低成本，提升可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置，包括循环球转向器壳体，所述循环球转向器壳体内部包括直筒腔以及突出设置于直筒腔中部下侧的下突出腔，所述直筒腔内设有转向螺杆，所述转向螺杆两端支撑于轴承上，所述转向螺杆上套装转向螺母齿条，所述转向螺母齿条的内螺纹与转向螺杆的外螺纹之间设有钢球和钢球导管组成钢球循环滚道，在下突出腔内设有一个扇形齿轮与转向螺母齿条啮合传动，所述扇形齿轮带动转向摇臂摆动，所述循环球转向器壳体内在转向螺母齿条的左右两侧分别设有绝缘密封的磁流体腔，所述磁流体腔内设有导电液体，两侧的磁流体腔通过导液管连通，在磁流体腔的上下内表面平行设置一对电极板，两个电极板之间通过上电产生一个上下垂直方向的电场，两个电极板与电子控制单元电连接，电子控制单元通过控制两个电极板之间的电压值和电源极性改变电场的强度和方向，磁流体腔的内表面水平对称布置两块磁性相反的强磁体，两块强磁体在磁流体腔内形成水平方向的强磁场，该强磁场和电场的方向相互垂直。

优选的，在导液管上连接有带有单向阀的导电液体存储器。

优选的，在磁流体腔的两端分别设置有密封环，在循环球转向器壳体的内表面、转向螺母齿条及转向螺杆外表面均设置一层绝缘层。

优选的，所述循环球转向器壳体磁流体工作腔的横截面为长方形或正方形截面。

优选的，所述电子控制单元包括信号采集电路及电极板驱动电路，所述信号采集处理电路采集的信号包括方向盘扭矩信号、方向盘转速信号、车速信号、发动机转速信号、点火信号和电极板两端的电压信号，所述电子控制单元根据信号采集电路采集的信息控制电极板驱动电路工作。

此外，本发明还提供了一种循环球式磁流体电控液压助力转向控制方法：

在车辆行驶过程中，磁流体电控液压助力转向装置通电，电子控制单元通过调节电极板两端的电压值和电源极性，实现磁流体电控液压助力转向装置的助力大小和方向的控制，具体控制方法如下：

当转向机构向右助力时，电子控制单元控制磁流体循环球转向器壳体上端的电极板为正极、下端的电极板为负极时，在磁流体循环球转向器壳体内形成一个垂直方向的电场，电场方向为由上至下，磁流体循环球转向器壳体内水平布置的强磁体形成与转向螺母齿条运动方向垂直的水平方向的强磁场，导电液体在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向右的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下导电液体推动转向螺母齿条向右侧移动，右侧磁流体腔内的导电液体通过导液管向左侧的磁流体腔内流动，转向螺母齿条通过转向螺母齿条推动扇形齿轮带动转向摇臂向右移动，完成对转向机构的向右助力动作；

当转向机构向左助力时，电子控制单元控制磁流体循环球转向器壳体下端的电极板为正极、上端电极板为负极，导电液体受到的电场作用的方向为从下至上，磁流体循环球转向器壳体内水平布置的强磁体形成与转向螺母齿条运动方向垂直的水平方向的强磁场，导电液体在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向左的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，导电液体推动转向螺母齿条向左侧移动，左侧磁流体腔内的导电液体通过导液管向右侧的磁流体腔内流动，转向螺母齿条通过转向螺母齿条推动扇形齿轮带动转向摇臂向左移动，完成对转向机构的向左助力动作；

在上述助力过程中，磁流体电控液压助力转向装置的助力大小通过控制电极板两端的电压值来调节。

本发明循环球式磁流体电控液压助力转向装置，在循环球转向器壳体内部设置磁流体驱动的转向螺母齿条活塞机构驱动扇形齿轮带动转向摇臂，电子控制单元通过调节电极板两端的电压值和电源极性，实现磁流体电控液压助力转向装置的助力大小和方向的控制，与电动助力转向系统相比，省去了助力电机和复杂的减速机构，结构简单，运行可靠、故障率低、体积小、便于在整车上的布置。而且，循环球式磁流体电控液压助力转向装置在性能和功能上都能达到电动助力转向系统所能够完成的功能，由于采用液压系统助力，避免了电动助力转向系统由助力电机带来的力矩波动，可靠性更高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明循环球式磁流体电控液压助力转向装置的结构图；

图3为本发明循环球转向器壳体的A-A剖面示意图；

图4为本发明循环球转向器壳体的B-B剖面示意图；

图5为本发明电子控制单元原理图；

图6为本发明中电子控制单元的主程序流程图；

图7为本发明中电子控制空单元中定时中断程序流程；

图8为本发明中控制模式选择和各控制模式流程图；

图中：1、转向器输入轴，2、转向螺杆，3、转向螺母齿条，4、扇形齿轮，5、钢球，6、钢球导管，7、转向摇臂轴，8、第一轴承，9、第二轴承，10、第一转向器壳体绝缘层，11、第二转向器壳体绝缘层，12、第一螺杆表面绝缘层，13、第二螺杆表面绝缘层，14、第一转向螺母齿条绝缘层，15、第二转向螺母齿条绝缘层，16、第一密封圈，17、第二密封圈，18、第三密封圈，19、第四密封圈，20、第一电极板，21、第二电极板，22、第三电极板，23、第四电极板，24、右侧磁流体腔，25、左侧磁流体腔，26、导液管，27、单向阀，28、导电液体存储器，29、导电液体，30、循环球转向器壳体，31、第一强磁体(N极)，32、第二强磁体(S极)，33、转向管柱，34、方向盘扭矩传感器，35、方向盘角度传感器，36、转向器传动轴，37、转向器螺杆与螺母传动副，38、转向器齿条与齿扇传动副，39、循环球转向器，40、转向摇臂，41、转向横拉杆，42、转向车轮，43、汽车电子控制单元(ECU)，44、方向盘，45、第三强磁体(N极)，46、第四强磁体(S极)。

具体实施方式

本发明主要有控制组件、循环球转向器及转向执行组件，其中控制组件包括机械控制单元和电子控制单元。

如图1所示，方向盘44、转向管柱33、转向柱传动轴36为机械控制单元，方向盘44、转向管柱33、转向柱传动轴36、循环球转向器39、转向横拉杆41、转向车轮42依次相接，在转向管柱33上安装有方向盘扭矩传感器34和方向盘角度传感器35，汽车电子控制单元43通过方向盘扭矩传感器34、方向盘角度传感器35采集方向盘扭矩信号、方向盘角度信号，并综合车速信号、发动机转速信号、点火信号等进行处理并最终控制循环球转向器39。循环球转向器39主要由转向器螺杆与螺母传动副37、转向器齿条与齿扇传动副38组成，车辆的转向执行组件包括转向摇臂40、转向横拉杆41、转向车轮42。

如图2所示，循环球转向器39主要由循环球转向器壳体30、转向螺杆2、转向螺母齿条3、扇形齿轮4、转向摇臂轴7构成。转向螺杆2的左右两端分别通过第一轴承8和第二轴承9安装在循环球转向器壳体30的内部，转向螺杆2上套装转向螺母齿条3，转向螺母齿3的内螺纹与转向螺杆2的外螺纹之间用钢球5和钢球导管6进行连接，形成钢球循环滚道，钢球循环滚道内装有多个钢球5，转向螺母齿条3外侧的齿条与其下方的转向摇臂轴7上安装的扇形齿轮4相啮合，转向摇臂40通过花键固定安装在转向摇臂轴7上。

在循环球转向器壳体30内在转向螺母齿条3的左右两侧分别设有绝缘密封的磁流体腔，即右侧磁流体腔24，左侧磁流体腔25，磁流体腔内设有导电液体29，两侧的磁流体腔通过导液管26连通，在磁流体腔的上下内表面平行设置一对电极板，两个电极板之间通过上电产生一个上下垂直方向的电场，两个电极板与汽车电子控制单元43电连接，汽车电子控制单元通过控制两个电极板之间的电压值和电源极性改变电场的强度和方向，磁流体腔的内表面水平对称布置两块磁性相反的强磁体，两块强磁体在磁流体腔内形成水平方向的强磁场，该强磁场和电场的方向相互垂直。

如图3至图4所示，在两对电极板(第一电极板20，第二电极板21，第三电极板22，第四电极板23)中，第一电极板20，第二电极板21位于右侧磁流体腔24上下两端，第三电极板22，第四电极板23位于左侧磁流体腔25上下两端。在两对强磁体中，第一强磁体31和第二强磁体32位于左侧磁流体腔25水平两侧，第三强磁体45和第四强磁体46位于右侧磁流体腔24水平两侧。

如图2至图4所示，循环球转向器壳体30构成磁流体液压缸体，该磁流体液压缸体的横截面为长方形或者正方形，该磁流体液压缸体内被转向螺母齿条3(相当于活塞)分成左右两个独立的磁流体腔(即右侧磁流体腔24，左侧磁流体腔25，实际上也相当于活塞腔A和活塞腔B)。在四块电极板中，其中第一电极板20、第三电极板22通过电源线连接导通并保持相同的电压值，第二电极板21、第四电极板23也由电源线连接导通并保持相同的电压值。在右侧磁流体腔24内由电极板产生一个垂直方向的电场，电场的强度和方向由电极板之间的电压值的电源极性来控制；同理在左侧磁流体腔25也会产生一个由电极板控制的电场，该电场的方向与右侧磁流体腔24内的电场方向相同，电场强度由电极板之间的电压值来决定。两个磁流体腔的垂直端面都对称平行放置两块强磁体，其中第一强磁体31、第三强磁体45为强磁体的N极，第二强磁体32、第四强磁体46为磁铁的S极，两个磁流体腔内产生与转向螺母齿条7(活塞)的轴向垂直的水平方向的强磁场；两个磁流体腔内充满导电液体29，两个磁流体腔里面的导电液体29由导液管26连接，并保证导电液体29能在两个磁流体腔内自由流动；在每个磁流体腔的两端分别装有密封圈(第一密封圈16，第二密封圈17，第三密封圈18，第四密封圈19)，保证导电液体29在工作时不会泄露；为了保证液压助力装置绝缘，在磁流体液压缸体的内表面、转向螺杆2的外表面和转向螺母齿条3的外表面中能够接触到导电液体的部分都分别设置了绝缘层(第一转向器壳体绝缘层10，第二转向器壳体绝缘层11，第一螺杆表面绝缘层12，第二螺杆表面绝缘层13，第一转向螺母齿条绝缘层14，第二转向螺母齿条绝缘层15)；为了保证磁流体液压缸体里面的磁流体腔内始终充满导电液体29，在循环球转向器的外部设置了一个带有单向阀27的导电液体存储器28。

当驾驶员转动方向盘时44时，转向管柱33、方向盘扭矩传感器34、方向盘角度传感器35、转向器传动轴36和转向器输入轴1会与方向盘44以相同的方向和相同的角度一起转动，此时转向器输入轴1带动转向螺杆2在转向螺母齿条3内转动，使转向螺母齿条3沿着转向螺杆2的轴向方向移动，转向螺母齿条3外侧的齿条与转向摇臂轴7上安装的扇形齿轮4相啮合，扇形齿轮4带动转向摇臂40摆动，转向摇臂拉动转向横拉杆41驱动转向车轮42完成转向动作。循环球转向器工作时所需的转向力矩较大，需要助力系统帮助系统完成转向工作。本发明就是采用了一种新型的磁流体电控液压助力系统帮助循环球式转向器完成转向工作。

在循环球式磁流体电控液压助力转向系统中，方向盘扭矩传感器34、方向盘角度传感器35、转向器传动轴36和转向管柱33同轴；循环球转向器壳体30制成液压活塞缸体，将转向螺母齿条3的两端制成与液压缸体相配合的活塞，活塞和转向螺母齿条为一体的，液压缸内的液体推动活塞即转向螺母齿条3沿着转向螺杆2的轴向方向在液压缸体内移动。

循环球转向器的机械构选用的是车辆上现有的技术成熟的结构形式；方向盘扭矩传感器34和方向盘角度传感器35采用的也是成熟的技术产品，这两个传感器能够分别将方向盘的扭矩值和方向盘的角度值转化成相应的线性的电压信号传递给汽车电子控制单元43。

当驾驶员转动方向盘44时，汽车电子控制单元43会采集方向盘扭矩传感器34、方向盘角度传感器35、车速传感器和发动机转速传感器的数据，根据车辆的行驶信息确定磁流体液压助力系统的作用力的大小和方向，通过调节磁流体液压缸内部电极板两对电极板之间电压值和电源极性来控制磁流体液压缸体内导电液体29的受到的洛伦兹力的大小和方向，导电液体29在洛伦兹力的作用下推动活塞(转向螺母齿条3)沿着转向螺杆2的轴向方向移动，转向螺母齿条3外侧的齿条与转向摇臂轴7上安装的扇形齿轮4相啮合，扇形齿轮4带动转向摇臂轴7转动，帮助机械式循环球转向机完成转向动作。转向机的转向力可以根据不同车速进行调节，既能减轻驾驶员的操纵负担，又不能使驾驶员失去路感。

本发明循环球式磁流体电控液压助力转向装置在循环球机械转向装置的基础上只采用了一个简单的液压缸，液压缸的内部左右活塞腔的内表面上各布置一对电极板和强磁体，保证产生的电场和磁场相互垂直；省去了传统液压助力转向系统的转向油泵、转向控制阀等复杂的液压控制油路，结构简单，制造成本低。

本发明循环球式磁流体电控液压助力转向装置的方向盘与转向轮之间全部是机械部件连接，操控精准，路感直接，转向动力充分，并且可以根据车速信息调节转向系统的助力大小，还可以实现转向系统的主动回正功能。本发明实现了转向轻便、节能、响应迅速地目标，兼具多种优点，极具市场前景。

如图5所示，汽车电子控制单元43主要由CPU、信号采集处理电路、H桥驱动电路、继电器驱动电路、故障监测电路、故障报警电路、CAN总线通讯电路和电源处理电路等组成。其中CPU为8位或16位单片机，电极板的驱动电路采用的是H桥电路，液压缸体内的两对电极之间的电压和电源极性都由H桥电路的4个Mosfet管Q1、Q2、Q3和Q4来控制，通过调节两对电极之间的电压值和极性来控制磁流体液压助力装置助力的大小和方向。电子控制单元43在控制电极两端的电压的驱动电路中设置了电子开关(继电器)，当系统出现异常时，迅速切断开关，保证系统的安全。故障监测电路和故障报警电路主要用于对系统工作状态的监测和报警，提高系统的安全可靠性。CAN总线数据通讯电路主要用于本系统的电控单元与其他设备之间的数据通讯。所述电极板驱动电路采用H桥电路。所述汽车电子控制单元还设有检测电路和继电器开关驱动电路，在检测电路检测到磁流体电控液压助力转向装置出现故障后控制继电器开关驱动电路切断该磁流体电控液压助力转向装置的开关。该磁流体电控液压助力转向装置由车载电源蓄电池直接供电。

在车辆行驶过程中，驾驶员转动方向盘44时，方向盘扭矩传感器34和方向盘角度传感器35会给出相应的信号。扭矩传感器输出扭矩信号并将扭矩信号转换为电压信号，电压信号的幅值与方向盘的扭矩值成正比例关系，方向盘扭矩信号的零位对应于电压值的2.5V；方向盘角度传感器输出方向盘的角度信号并将方向盘的角度信号转换为电压信号，电压信号的幅值与方向盘的角度值成正比例关系，方向盘角度信号的零位对应于电压值的2.5V。方向盘扭矩信号、方向盘角度信号、车速信号和发动机转速信号输入到电子控制单元43，电子控制单元43根据方向盘扭矩、方向盘转角和车速等信息判断助力系统的工作模式并确定助力系统助力的大小和方向，循环球式磁流体液压助力转向装置一共可以实现三种控制模式：助力控制、回正控制和阻尼控制，其中助力控制是基本控制模式。助力控制：车辆在不同车速下转向时，磁流体电控液压助力转向系统能够提供不同的转向助力，进行助力控制时既要减轻驾驶员的操纵负担，又不能使驾驶员失去路感；需要兼顾车辆低速时的操纵轻便性和高速时的操纵稳定性。阻尼控制：在高速转向和快速转向时能进行阻尼控制，通过对助力系统施加较小的反作用力，使方向盘变沉重，模拟电动助力转向系统在阻尼控制中电机短接产生的阻尼效果，防止车辆侧滑和翻车现象的发生；回正控制：车辆在低速行驶转向后，转向车轮能够自动回正，保持车辆能够继续直线行驶的状态，同时能够抑制车辆高速时回正超调和振荡的趋势，从而提高车辆的直线行驶性能；

循环球式磁流体电控液压助力转向装置的具体工作过程如下：

当系统没有通电时，磁流体液压缸体内的电极板没有通电，导电液体29贮存在活塞(转向螺母齿条3)两侧的活塞腔内，导电液体29在磁流体液压缸内只会受到水平方向的磁场作用，而没有受到垂直方向的电场作用，因此不会产生洛伦兹力，此时液压缸内的活塞(转向螺母齿条3)处于自由不受力状态，这时磁流体液压助力系统不会对转向系统产生助力作用。

系统通电时，磁流体液压助力系统开始对机械转向装置助力。当液压缸上端的电极板为正极、下端的电极板为负极时，在液压缸体内形成一个垂直方向的电场，电场方向为由上至下；磁流体液压缸体内壁水平布置的强磁体形成与活塞(转向螺母齿条3)运动方向垂直的水平方向的强磁场；导电液体29在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向右的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下导电液体29推动活塞(转向螺母齿条3)向右侧移动。右侧活塞腔A内的导电液体29通过油管向左侧的活塞腔B内流动。转向螺母齿条3在转向螺杆2和导电液体29的共同作用下向右方向移动，转向螺母齿条3外侧的齿条与转向摇臂轴7上安装的扇形齿轮4相啮合，扇形齿轮4带动转向摇臂40摆动，转向摇臂拉动转向横拉杆41驱动转向车轮42完成转向动作。

当液压缸上端的电极板为负极、下端的电极板为正极时，在液压缸体内形成一个垂直方向的电场，电场方向为由下至上；磁流体液压缸体内壁垂直端面上水平布置的强磁体形成与活塞(转向螺母齿条3)运动方向垂直的水平方向的强磁场；导电液体29在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向左的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下导电液体29推动活塞(转向螺母齿条3)向左侧移动。左侧活塞腔B内的导电液体29通过油管向右侧的活塞腔A内流动。转向螺母齿条3在转向螺杆2和导电液体29的共同作用下向左方向移动，转向螺母齿条3外侧的齿条与转向摇臂轴7上安装的扇形齿轮4相啮合，扇形齿轮4带动转向摇臂40摆动，转向摇臂拉动转向横拉杆41驱动转向车轮42完成转向动作。

上述两种工作情况下，导电液体29在液压缸体内受到的磁场的强度和方向是固定的，但是电场的方向和强度可以改变，所以通过改变电极两端的电压数值和电源的极性来调节导电液体29对活塞(转向螺母齿条3)推力的大小和方向，从而控制液压助力装置对转向系统助力的大小和助力的方向。电极两端的电压值和电源极性由电子控制单元43来控制和切换。

循环球式磁流体电控液压助力转向系统的控制器的主程序流程图如图6所示，控制器加电后进入主程序，首先对系统的Timer、PLL、A/D、I/O、PWM、CAN等模块进行初始化操作，并对各模块进行自检，系统自动检测成功后，开启看门狗功能。之后系统进一步检测点火开关和发动机是否启动(点火开关不打开或发动机没有启动，助力系统不工作)，如果都已经打开，则控制主电路中的继电器闭合，最后系统开启定时器中断功能，本文采用了定时4ms的中断，系统每隔4ms进入一次中断程序，在中断程序中完成控制模式的选择和控制量的刷新。

定时中断程序的流程图如图7所示，每次进入定时中断程序后，系统检测点火开关是否打开，发动机是否启动，若系统正常则闭合主电路继电器，采集扭矩、转角、电压和车速信号，然后根据传感器信号判断应该进入那种工作模式，调用相应的工作模式程序后，退出定时中断程序。

磁流体电控液压助力转向系统有三种工作模式：助力模式、阻尼模式和回正模式。系统按照图8所示流程判断系统进入那种工作模式。若转矩大于2Nm，则进入助力模式；转矩小于等于2Nm，在判断方向盘扭矩和方向盘转动方向是否相反以及车速是否小于60km/h，如果方向盘扭矩和方向盘转动方向相反而且车速不小于60km/h，进入阻尼控制模式；如果方向盘扭矩和方向盘转动方向相反而且车速在5km/h至60km/h之间，则系统进入回正控制模式。

系统进入助力控制模式时，按照图8所示，首先对方向盘的扭矩信号进行相位补偿，解决相位迟滞问题，然后进入基本助力控制模块。控制系统首先根据方向盘扭矩信号和车速信号在基本助力特性图表查出电极两端的基本助力电压值，然后计算出系统摩擦补偿的电压值，之后将电极两端的基本助力电压值与系统摩擦补偿的电压值相加计算出总的目标电压值，然后根据助力特性控制策略程序实现电极板两端的电压的跟随控制，最后退出助力控制模式。

系统进入阻尼控制模式时，系统首先根据车速确定对系统需要施加阻尼的电压值，系统施加的力较小，并且与方向盘的转动方向相反，以增加驾驶员的路感。系统根据目标电压值控制电极两端的电压，实现系统的阻尼控制，帮助系统产生阻尼。

系统进入回正控制模式时，系统先检测方向盘转角信号和车速信号，然后根据方向盘转角和车速的数值按照系统回正控制时电极电压特性表查出相应的电极两端的目标电压值，并控制电极两端的电压和电源极性，最后退出回正控制模式程序。

无论传统的液压助力转向系统还是电控液压助力转向系统都是依靠转向轮的自身的定位参数完成转向系统的自动回正，在汽车结构参数一定的情况下，回正力矩的大小还与前轮负荷、路面条件、轮胎气压、车速等有着密切的关系。汽车高速行驶时，回正力矩较大，容易产生“回正超调”。回正超调会引起转向盘在中位附近振荡，从而大大降低了汽车的操纵稳定性。汽车低速行驶时，回正力矩较小，容易产生“回正不足”。回正不足时，需要驾驶员对转向盘位置进行修正，从而增加了驾驶员的劳动强度。磁流体是电控液压助力转向系统通过控制电极两端的电压就可以调节对转向系统的助力，就可以实现主动回正功能。回正控制策略研究包含两部分的内容：一部分是确保转向盘回到中位的控制策略，称为“回正控制”；另一部分是调节转向盘回正时系统阻尼的控制策略，称为“主动阻尼控制”。回正控制的作用是用来克服转向系统的阻尼、摩擦，确保转向盘能快速、准确地回到中位。阻尼控制策略用来调节转向盘的回正速度。

本发明的理论依据是带电粒子在磁场中会受到洛伦兹作用，这是磁流体的理论基础。本发明一种新型的循环球式磁流体电控液压助力转向装置省去了传统的循环球式液压助力转向系统上必备的转向油泵、转向控制阀等复杂等油路控制部分部件，只采用了一个简单中间带有一个活塞的液压缸，充满活塞两端液压腔体的导电液体由一根油管简单的连接在一起，使得产品的结构简单、系统的体积变小、便于维护。本发明一种新型的循环球式磁流体电控液压助力转向装置助力的大小和方向由液压缸体内的左右液压腔内上下端的两对平行的电极板之间的电压值和电源极性所决定，整个系统的动力源由车载电源蓄电池直接供电。该系统只需要在工作时由车载电源蓄电池提供电源即可，电子控制单元ECU通过调节两对电极板两端的电压值和电源极性，可以控制该循环球式电控液压助力系统的助力大小和方向。电子控制单元结合车速、方向盘扭矩和方向盘转角等信息，通过分别控制两对电极两端的电压值和电源极性，可以根据车辆的车速对转向系统提供不同的助力，并且可以实现机械式液压助力转向系统和常规的电控液压助力转向系统中所不能实现的主动回正功能。

Claims (6)

1.一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置，其特征在于：包括循环球转向器壳体，所述循环球转向器壳体内部包括直筒腔以及突出设置于直筒腔中部下侧的下突出腔，所述直筒腔内设有转向螺杆，所述转向螺杆两端支撑于轴承上，所述转向螺杆上套装转向螺母齿条，所述转向螺母齿条的内螺纹与转向螺杆的外螺纹之间设有钢球和钢球导管组成钢球循环滚道，在下突出腔内设有一个扇形齿轮与转向螺母齿条啮合传动，所述扇形齿轮带动转向摇臂摆动，所述循环球转向器壳体内在转向螺母齿条的左右两侧分别设有绝缘密封的磁流体腔，所述磁流体腔内设有导电液体，两侧的磁流体腔通过导液管连通，在磁流体腔的上下内表面平行设置一对电极板，两个电极板之间通过上电产生一个上下垂直方向的电场，两个电极板与电子控制单元电连接，电子控制单元通过控制两个电极板之间的电压值和电源极性改变电场的强度和方向，磁流体腔的内表面水平对称布置两块磁性相反的强磁体，两块强磁体在磁流体腔内形成水平方向的强磁场，该强磁场和电场的方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置，其特征在于：在导液管上连接有带有单向阀的导电液体存储器。

3.根据权利要求1所述的一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置，其特征在于：在磁流体腔的两端分别设置有密封环，在循环球转向器壳体的内表面、转向螺母齿条及转向螺杆外表面均设置一层绝缘层。

4.根据权利要求1所述的一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置，其特征在于：所述循环球转向器壳体的横截面为长方形或正方形截面。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种循环球式磁流体电控液压助力转向装置，其特征在于：所述电子控制单元包括信号采集电路及电极板驱动电路，所述信号采集电路采集的信号包括方向盘扭矩信号、方向盘转速信号、车速信号、发动机转速信号、点火信号和电极板两端的电压信号，所述电子控制单元根据信号采集电路采集的信息控制电极板驱动电路工作。

6.一种循环球式磁流体电控液压助力转向控制方法，其特征在于：

在车辆行驶过程中，磁流体电控液压助力转向装置通电，电子控制单元通过调节电极板两端的电压值和电源极性，实现磁流体电控液压助力转向装置的助力大小和方向的控制，具体控制方法如下：

当转向机构向右助力时，电子控制单元控制磁流体循环球转向器壳体上端的电极板为正极、下端的电极板为负极时，在磁流体循环球转向器壳体内形成一个垂直方向的电场，电场方向为由上至下，磁流体循环球转向器壳体内水平布置的强磁体形成与转向螺母齿条运动方向垂直的水平方向的强磁场，导电液体在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向右的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下导电液体推动转向螺母齿条向右侧移动，右侧磁流体腔内的导电液体通过导液管向左侧的磁流体腔内流动，转向螺母齿条通过转向螺母齿条推动扇形齿轮带动转向摇臂向右移动，完成对转向机构的向右助力动作；

当转向机构向左助力时，电子控制单元控制磁流体循环球转向器壳体下端的电极板为正极、上端电极板为负极，导电液体受到的电场作用的方向为从下至上，磁流体循环球转向器壳体内水平布置的强磁体形成与转向螺母齿条运动方向垂直的水平方向的强磁场，导电液体在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向左的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，导电液体推动转向螺母齿条向左侧移动，左侧磁流体腔内的导电液体通过导液管向右侧的磁流体腔内流动，转向螺母齿条通过转向螺母齿条推动扇形齿轮带动转向摇臂向左移动，完成对转向机构的向左助力动作；

在上述助力过程中，磁流体电控液压助力转向装置的助力大小通过控制电极板两端的电压值来调节。