CN104401388A - 一种智能电液转向系统 - Google Patents

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张宝义
施国标
王帅
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Abstract

本发明为一种用于车辆的智能电液转向系统，主要包括电动助力装置、循环球式液压助力转向装置，控制器和转向油泵等，是一种集成液压助力和电动助力的智能转向系统。电动助力装置布置在转向盘和循环球式液压助力转向装置之间，可实现三种工作模式，即液压助力与电动助力同时工作模式、电动助力单独工作模式和液压助力单独工作模式。通过控制电动助力装置的助力特性可以实现随车速变助力控制，并能实现自动泊车和主动回正的功能。还可根据智能辅助驾驶系统的指令，通过控制电动助力装置进行车辆行驶方向的修正，实现车道辅助保持功能，通过控制电动助力装置驱动转向盘实现车辆无人智能驾驶。

Description

一种智能电液转向系统
技术领域
本发明属汽车转向领域，具体涉及一种将循环球式液压助力转向和电动助力转向相结合的车辆智能转向系统。
背景技术
对于车辆转向系统，特别是前轴载荷较大的商用车，目前普遍采用的是液压助力转向(HPS)，这是因为液压系统具有能量密度大，滞后时间短，转向随动特性好，抵抗路面冲击强，转向手力均匀平稳等优点。从易于驾驶和安全性方面考虑，理想的车辆转向操纵是低速时转向轻便，高速时有适当的手感。对于传统的液压助力转向系统，其与车速无关的助力增益成为液压助力转向系统的一大缺点。为此人们开发出了电控液压助力转向系统，在液压助力转向的基础上增设电磁阀、车速传感器和电子控制单元(ECU)等，ECU检测车速信号以控制电磁阀开度，使助力增益可调实现随速变化。传统液压助力转向系统的另一大缺点是转向油泵在发动机点火后一直不停运转，即使在怠速停车或直线行驶过程中不转向的情况下，也存在一定的能量消耗，这种能量的寄生损失是一种能量的浪费。
随着车辆转向技术的发展，电动助力转向(EPS)在车辆上的应用日益增多，它利用电机输出转矩直接提供助力，由转向盘转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、助力电机及其减速机构等组成，驾驶员转动转向盘时，转矩传感器检测转向盘转矩的大小和方向，电子控制单元根据转向盘转矩大小进行助力控制。该系统具有可随车速控制助力大小、系统结构紧凑、不转向基本不消耗能量等优点，比较适用于轴荷较小的乘用车。
对于客车和载重货车等前轴较大的商用车，由于转向负荷大，电动助力转向系统难以应用，基本还是采用传统的液压助力转向系统。商用车的驾驶员一般为职业司机，长期从事车辆驾驶工作，必须能够让他们极为轻松舒适地操纵车辆，使得低速时转向轻便，高速时稳定安全。在商用车高速化、智能化的发展趋势下，迫切需要一种安全、节能、舒适的智能电液转向系统。现今在车辆上应用的助力转向系统或者采用液压助力，或者采用电动助力，还没有既有液压助力又有电动助力的转向系统在车辆上得到采用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于为商用车辆提供一种能够实现高效节能、助力可随车速控制、主动回正、辅助驾驶及自动泊车的智能电液转向系统。
本发明的上述目的是通过这样的技术方案实现的，即一种集成循环球式液压助力转向与电动助力转向的智能电液转向系统，主要包括：
(一)电动助力转向装置：用于根据转向盘转矩大小控制循环球式液压助力转向器的输入转矩，并在循环球式液压助力转向不工作时提供电动助力；
(二)循环球式液压助力转向装置：输入端与电动助力转向装置输出端联接，根据电动助力转向装置的输出扭矩通过液压控制阀控制液压助力的大小；
(三)电子控制单元(ECU)：用于根据采集到的转向盘转矩、车速等信号，控制助力电机电流；
(四)转向油泵：是循环球式液压助力转向系统的动力源。
其中，所述电动助力转向装置由助力电机、蜗轮蜗杆减速机构、扭矩与转角传感器装置等组成；其中，助力电机为有刷直流电机或交流同步电机，电压制式为DC12V或DC24V；蜗轮蜗杆减速机构起减速增扭的作用，主动件即可以是蜗杆，也可以是蜗轮，即蜗轮蜗杆机构可以双向传动，减速机构的输入端与助力电机连接，电机的输出转矩经过蜗轮蜗杆减速机构传递到循环球式液压助力转向装置的输入端；扭矩传感器装置布置在电动助力转向装置的输入端，用于测量输入扭矩的大小，该转矩传感装置中设有一扭杆，经一个传感器将扭杆的变形转换成电信号。
所述循环球式液压助力转向装置由液压控制阀、扭杆、螺杆、螺母、齿扇、循环钢球、摇臂及摇臂轴等零件组成，工作原理与传统循环球式液压助力转向器相同。
所述电子控制单元主要由MCU、信号采集与处理电路、驱动电路、监测电路等组成。其中MCU为单片机或数字信号处理器(DSP)。电机驱动电路中设置有电子开关(如继电器)，当系统出现故障后，可切断开关保证系统安全。
所述转向油泵由发动机或电动机驱动，为循环球式液压助力转向系统提供一定流量的液压油，转向油泵输出端布置有电磁离合器，通电时电磁离合器吸合，断电时电磁离合器吸合。
本发明的有益效果是，将电动助力装置布置在转向盘和循环球式液压助力转向装置的之间，循环球式液压助力转向装置可以提供大部分的助力，电动助力装置也可以提供部分的助力，当车辆在原地转向或低速行驶转向需要较大转向助力时，液压助力和电动助力共同克服转向阻力；当车辆高速行驶需要较小转向助力时，液压助力停止，仅由电动助力克服转向阻力，从而可以减小转向系统的能量消耗，达到节能的目的。通过控制电动助力装置的助力特性可以实现随车速变助力控制，并能实现自动泊车和主动回正的功能。当车辆高速直线行驶时由于侧向风或路面不平导致车辆偏离直线行驶方向时，可根据道路图像识别系统，通过控制电动助力装置进行车辆行驶方向的主动修正，实现车道辅助保持功能；同时当车辆进入无人智能驾驶模式时，也可以根据上位机的指令通过控制电动助力装置实现车辆无人智能驾驶。除上述优点外，由于电动助力可以提供部分的助力，所以液压助力油缸的缸径可以设计得更小。
该智能转向器根据液压助力与电动助力的功率分配共有三种工作模式：
1)液压助力与电动助力同时工作模式。当汽车低速或原地转向时，转向阻力矩非常大，需要液压助力与电动助力共同来提供助力以满足转向轻便性要求。
2)电动助力单独工作模式。汽车在中速或高速转向时，转向阻力矩较小，助力电机独立工作即可满足转向需求，此时与常用的电动助力转向系统情况类似。
3)液压助力单独工作模式。当汽车高压供电系统正常断电或出现故障断电时电机不能正常工作，可由液压助力单独提供转向助力，此时与常用的液压助力转向系统情况类似。
考虑不同车辆的不同转向需求可以对于液压系统和电力系统进行匹配，设计不同型号的系列产品；考虑传统车辆与电动车辆的区别亦可以把转向油泵用电动油泵代替，进一步优化系统特性。
附图说明
本发明的上述结构可以通过附图作进一步说明。
图1是本发明智能电液转向系统结构图；
图2是本发明智能电液转向系统中的电动助力转向装置；
图3是本发明智能电液转向系统所用扭矩传感器；
图4是本发明智能电液转向系统所用循环球式液压助力转向器剖面图；
图5是本发明智能电液转向系统的整体式结构示意图。
图6是本发明智能电液转向系统的分置式结构示意图。
图7是本发明智能电液转向系统的原理框图。
图8是本发明智能电液转向系统的转向盘角度控制原理框图。
上述图1中，1为扭杆；2为扭矩传感器输入轴；3为电液装置连接壳体；4为阀芯(扭矩传感器输出轴)；5为转阀扭杆；6为转向螺杆(转阀阀套)；7为转向螺母(助力活塞)；8为齿扇(转向摇臂)；9为电动机；10为扭矩传感器。
图2中，11为蜗轮；12为蜗杆。
具体实施方式
如图1所示，当驾驶员转动转向盘时，电动助力转向装置中的扭矩传感器的扭杆1将产生变形，该变形由分别与输入轴2和输出轴4相连的扭矩传感器10测得，经计算后获得扭矩大小。电机9的输出力矩经蜗杆12和蜗轮11输出到电动助力转向装置的输出轴上与驾驶员的手力耦合后传递到循环球式液压助力转向装置的输入轴上，蜗轮蜗杆传动副为可逆传动。结合图4所示，该智能电液转向系统的机械部分以循环球式液压动力转向装置为基础，转向器壳体相当于液压缸，转向螺母7作为液压活塞集成设计于转向器中。循环球式液压动力转向装置中扭杆的变形使分别连接于扭杆两端的阀芯与阀套产生相对转动，从而控制液压油道的通、断及流动方向，扭矩依次经螺杆-钢球-螺母传动副和齿条-齿扇传动副输出至转向摇臂8。转向阻力由三个力来克服：驾驶员手力、电机助力、液压助力，并且液压助力的大小由驾驶员手力和电机助力共同确定。
附图2为电动助力装置与减速机构的装配图，采用蜗轮蜗杆传动副，具有较大的传动比，该传动副为可逆传动，防止电机不工作时蜗杆锁住蜗轮而影响转向功能。
附图3为转向盘转矩与转角传感器，它能够根据电动助力装置中的扭杆变形量测量出扭矩大小，即把模拟量转化为数字量传递给电子控制单元(ECU)。
附图5为智能电液转向系统的整体式结构示意，电动助力转向装置直接布置在循环球式液压助力转向装置的输入端，构成整体式结构。
附图6为智能电液转向系统的分置式结构示意，电动助力转向装置布置在转向管柱上，与循环球式液压助力转向装置分开布置，构成分置式结构。
附图7所示，ECU根据车速和转向盘转矩判断车辆的行驶状态，并依据嵌入的转向助力特性曲线数据确定所需的助力大小，由目标助力进一步判断决定系统的工作模式。当汽车低速或原地转向时，转向阻力矩非常大，液压助力与电动助力同时工作，电机可以根据车辆行驶状态调整电机本身的助力大小以及液压助力的大小；汽车在中速或高速转向时，转向阻力矩较小，电动助力单独工作；当电动助力转向装置出现故障断电时，液压助力单独工作也能保证一定的转向助力。此外，电子控制单元可根据自动泊车系统上位机的指令控制电动助力转向装置上的电机作动，完成车辆自动泊车；根据智能辅助驾驶系统上位机的指令控制电动助力转向装置上的电机作动，完成车辆直线行驶辅助保持以及智能驾驶。
附图8为自动泊车或智能辅助驾驶时，转向盘位置控制逻辑框图，采用位置环和电流环双闭环控制，ECU根据转向盘实际角度反馈和目标角度指令的差值，进行目标参考电流的计算，然后依据实际电流反馈，进行电机驱动占空比的计算，实现对转向盘位置的闭环控制。

Claims (10)

1.一种智能电液转向系统，其特征在于：该车辆转向系统同时集成有电动助力转向装置和循环球式液压助力转向装置，通过控制电动助力转向装置实现节能、随车速变助力特性控制、自动泊车、主动回正、直线行驶辅助保持以及智能驾驶。
2.根据权利要求1所述智能电液转向系统，其特征在于：电动助力转向装置布置在转向盘和循环球式液压助力转向装置之间，电动助力装置根据转向盘输入力矩控制电动助力大小，电动助力作用到循环球式液压助力转向装置的输入轴上，使循环球式液压助力转向装置中的控制阀打开产生液压助力。
3.根据权利要求1所述智能电液转向系统，其特征在于：电动助力转向装置可布置在转向管柱上，与循环球式液压助力转向装置分开布置，构成分置式结构；电动助力转向装置也可直接布置在循环球式液压助力转向装置的输入端，构成整体式结构。
4.根据权利要求1所述的智能电液转向系统，还包含有电子控制单元，其特征在于：电子控制单元采集转向盘转矩与转角信号、车速信号、电机电流信号，通过控制电机电流实现对电机输出力矩和转向盘主动回正的调节。
5.根据权利要求1所述的智能电液转向系统，还包含有转向油泵，其特征在于：转向油泵上设有电磁离合器，通过控制电磁离合器的吸合与分离，控制转向油泵的启停；转向油泵可由发动机通过皮带驱动，也可由电机直接驱动。
6.根据权利要求1所述智能电液转向系统，其特征在于：根据车辆行驶状态有液压助力与电动助力同时工作、电动助力单独工作、液压助力单独工作三种模式。
7.根据权利要求1所述智能电液转向系统，其特征在于：电子控制单元可根据自动泊车系统上位机的指令控制电动助力转向装置上的电机作动，完成车辆自动泊车。
8.根据权利要求1所述智能电液转向系统，其特征在于：电子控制单元可根据智能辅助驾驶系统上位机的指令控制电动助力转向装置上的电机作动，完成车辆直线行驶辅助保持以及智能驾驶。
9.根据权利要求1所述的电助力转向装置，其特征在于：助力电机采用永磁有刷直流电动机或永磁交流电机，电压制式为DC12V或DC24V。
10.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：电机输出力矩经可逆传动的蜗轮蜗杆传动副传递到电动助力转向装置的转出轴上。
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