CN104709342B - 双电机电动助力转向系统及其助力转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法，所述转向系统中主助力电机和辅助助力电机通过单向离合器总成连接；单向离合器总成输出轴和方向盘下方连接的转向轴通过转矩耦合器并联，转矩耦合器的输出端连接转向器；单向离合器总成输出轴通过减速器、过载保护器、常闭电磁离合器连接转矩耦合器；方向盘转矩转角传感器的输出端、主助力电机的控制端、辅助助力电机的控制端和常闭电磁离合器的控制端连接控制单元。本发明通过设置两台通过单向离合器总成相连的助力电机，根据车速信号、方向盘转角转矩信号，通过控制单元控制单个助力电机或者两台助力电机同时输出转矩，满足商用车等需要较大助力转矩的需求，并且提高了商用车的燃油经济性，降低运行成本。

Description

双电机电动助力转向系统及其助力转向方法

【技术领域】

本发明涉及助力转向技术领域，特别涉及一种电动助力转向系统及其助力转向方法。

【背景技术】

现有电动助力转向系统安全性、可靠性高，转向特性曲线较理想。同时，由于采用直流电机，不需发动机提供高压油，整车燃油经济性好。但是受汽车用电池供电电压，安装尺寸等方面的限制，电动助力转向输出转矩较小，无法满足商用车辆转向助力的要求，目前应用领域仍限于乘用车或轻型商用车。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法，以解决电动助力转向输出转矩过小，无法满足在商用车上应用的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

双电机电动助力转向系统，包括方向盘、方向盘转矩转角传感器、控制单元、转矩耦合器、转向器、主助力电机和辅助助力电机、单向离合器总成、常闭电磁离合器；方向盘转矩转角传感器设置于方向盘下方，用于实时采集方向盘的转矩、转角信号；主助力电机和辅助助力电机通过单向离合器总成连接；单向离合器总成输出轴和方向盘下方连接的转向轴通过转矩耦合器并联，转矩耦合器的输出端连接转向器；单向离合器总成输出轴通过常闭电磁离合器连接转矩耦合器；方向盘转矩转角传感器的输出端、主助力电机的控制端、辅助助力电机的控制端和常闭电磁离合器的控制端连接控制单元。

优选的，单向离合器总成包括主助力电机输入轴、辅助助力电机输入轴、输出轴、第一单向离合器、第二单向离合器、第三单向离合器和第四单向离合器；第一单向离合器、第二单向离合器的内圈固定在辅助电机输入轴上，第三单向离合器、第四单向离合器的内圈固定在主电机的输入轴上；第一单向离合器与第三单向离合器通过外圈上的轮齿啮合，第二单向离合器和第四单向离合器通过外圈上的轮齿啮合，输出轴上固定的第二齿轮与主助力电机输入轴上的固定的第一齿轮啮合。

优选的，第一单向离合器、第二单向离合器的安装方向相反；第三单向离合器、第四单向离合器的安装方向相反。

优选的，第一单向离合器、第四单向离合器内圈正转锁止；第二单向离合器、第三单向离合器内圈反转锁止。

优选的，单向离合器总成的输出端连接有减速器。

优选的，减速器输出端连接过载保护器；过载保护器的输出端连接电磁离合器的一端；常闭电磁离合器的另一端连接转矩耦合器。

优选的，过载保护器包括上法兰盘和下法兰盘；上法兰盘和下法兰盘中开有若干对相对应的孔，并通过橡胶连接销连接。

优选的，控制单元根据车速、方向盘转矩、转角信号控制主助力电机和辅助助力电机的输出转矩；当所需助力转矩小于或等于主助力电机能够输出的最大转矩时，控制单元控制辅助助力电机在低转速输出或者停机状态；当所需助力转矩大于主助力电机能够输出的最大转矩时，控制单元提高辅助助力电机的转矩输出，通过单向离合器总成实现两助力电机的转矩耦合输出。

优选的，方向盘通过下方依次连接的第一转向轴和第二转向轴连接转矩耦合器。

一种双电机电动助力转向系统的助力转向方法，其特征在于，包括以下步骤：车速传感器采集的车速信号、方向盘转矩转角传感器采集的转角信号输出至控制单元，由控制单元根据车速、方向盘转角信号计算出侧向加速度，并与控制单元中存储的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，控制单元将计算得出的方向盘应当具有的转向力矩与方向盘转矩转角传感器测出的方向盘转矩进行比较，得出助力电机应当输出的转矩；控制单元对助力电机应当输出转矩进行判断，若助力电机应当输出的转矩小于或等于主助力电机所能提供的最大转矩，控制单元控制辅助助力电机处于低转矩、低转速或停机状态，通过控制单元控制主助力电机的输出转矩完成转向助力；若助力电机应当输出的转矩大于主助力电机所能提供的最大转矩，控制单元提高辅助助力电机的输出转矩和输出转速，由控制单元控制主助力电机和辅助助力电机共同输出转矩完成转向助力。

优选的，当所需助力转矩小于主电机能够输出的最大转矩时，控制单元控制辅助电机处于低转速或停机状态，第一单向离合器F1、第二单向离合器F2、第三单向离合器F3不锁止，第四单向离合器F4锁止；当所需助力转矩大于主电机能够输出的最大转矩时，控制单元提高辅助电机的输出转矩，此时第一单向离合器F1、第三单向离合器F3不锁止，第二单向离合器F2、第四单向离合器F4锁止，实现主电机和辅助电机的转矩耦合；同理，当主助力电机反转时，无转矩耦合时，第一单向离合器F1、第二单向离合器F2、第四单向离合器F4不锁止，第三单向离合器F3锁止，当需要转矩耦合时，第一单向离合器F1、第三单向离合器F3锁止，第二单向离合器F2、第四单向离合器F4不锁止。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明通过设置两台通过单向离合器总成实现转矩耦合的助力电机，根据所需助力转矩的大小，控制单个助力电机或者两台助力电机同时输出转矩，满足商用车等需要较大转向助力转矩的需求，采用大输出转矩的电动助力转向系统对于提高商用车的燃油经济性，降低运行成本具有积极意义。本发明通过设置减速器起到减速增扭的作用，进一步提高助力电机输出转矩；本发明通过设置过载保护器，当电机和控制模块故障，发生自动转向时，由于转矩过大，橡胶连接销将发生断裂，切断转矩传递，起到过载保护的作用。

本发明中，单向离合器总成用于控制辅助助力电机的输出转矩是否与主助力电机的输出转矩耦合；电磁离合器(电磁离合器为常闭状态)起到故障保护作用，当电机故障时，电磁离合器开启，防止车辆自动转向发生重大事故；本发明包含过载保护器和电磁离合器的双重保护，保证电动助力转向故障下的转向可靠性。

同时，本发明提供了该双电机电动助力转向系统的助力转向方法：将车速传感器采集的车速信号，方向盘转角传感器采集的转矩、转角信号送人控制单元，计算得到车辆侧向加速度，并与控制单元中存储的我国驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线(通过驾驶模拟实验得到)进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，与方向盘转矩转角传感器测出的方向盘转矩进行比较，得出助力电机应当输出转矩；接着对助力电机应当输出转矩进行判断，若输出转矩小于或等于主助力电机所能提供的最大转矩，控制单元控制辅助电机的处于低速或停机状态；若输出转矩大于主助力电机所能提供的最大转矩，控制单元会提高辅助电机的输出转矩及转速，通过单向离合器总成完成主电机和辅助电机的转矩耦合；当转向助力系统故障时，控制单元将控制电磁离合器断开，切断转向助力输出。

该系统两电机通过单向离合器总成实现两电机的转矩耦合，并且无论主助力电机正反转，都能实现辅助助力电机拖动主助力电机，而主助力电机不会拖动辅助助力电机。

【附图说明】

图1为本发明双电机助力转向系统的结构原理图；

图2为本发明双电机助力转向系统中的单向离合器总成传动示意图；

图3a为过载保护器的结构图；图3b为图3a的俯视图；

图4为本发明双电机电动助力转向系统的控制策略图；

图5为吉林大学实验得到的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线。

图中各个标号的含义为：1-方向盘，2-方向盘转矩转角传感器，3-控制单元，4-第二转向轴，5-转矩耦合器，6-转向器，7-第一转向轴，8-主助力电机，9-辅助助力电机，10-单向离合器总成，11-减速器，12-过载保护器，13-电磁离合器，14-过载保护器上法兰盘，15-橡胶连接销，16-过载保护器下法兰盘，101-主助力电机输入轴，100-辅助助力电机输入轴，102-第一齿轮，103-第二齿轮，104-输出轴，F1-第一单向离合器，F2-第二单向离合器，F3-第三单向离合器，F4-第四单向离合器。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本发明一种双电机电动助力转向系统，包括：方向盘1、方向盘转矩转角传感器2、控制单元3、第二转向轴4、转矩耦合器5、转向器6、第一转向轴7、主助力电机8、辅助助力电机9、单向离合器总成10、减速器11、过载保护器12、常闭电磁离合器13。

方向盘1下方连接第一转向轴7，第一转向轴7通过万向节连接第二转向轴4(对于转向轴的数量，可以根据具体的布置关系选择，此处以两个转向轴为例)；方向盘转矩转角传感器2设置于方向盘1下方，用于实时采集方向盘1的转矩、转角信号；主助力电机8和辅助助力电机9通过单向离合器总成10实现转矩耦合；单向离合器总成10的输出端连接减速器11的输入端，用于降低单向离合器总成输出转速，增大输出转矩；减速器11输出端连接过载保护器12；过载保护器12后接一常闭电磁离合器13；常闭电磁离合器13和第二转向轴4经过转矩耦合器5实现转矩耦合；转矩耦合器5的输出转矩作用于转向器6，实现汽车转向。方向盘转矩转角传感器2、主助力电机8、辅助助力电机9和常闭电磁离合器13连接控制单元3。

请参阅图2所示，单向离合器总成包括主助力电机输入轴101、辅助助力电机输入轴100、输出轴104、第一单向离合器F1、第二单向离合器F2、第三单向离合器F3、第四单向离合器F4和相应的壳体和支撑机构。第一单向离合器F1、第二单向离合器F2的内圈通过花键或平键固定在辅助电机输入轴100上，第三单向离合器F3、第四单向离合器F4的内圈通过花键或平键固定在主电机的输入轴101上；第一单向离合器F1与第三单向离合器F3通过外圈上的轮齿啮合，第二单向离合器F2和第四单向离合器F4通过外圈上的轮齿啮合，输出轴104上固定的第二齿轮103与主助力电机输入轴上的固定的第一齿轮102啮合，实现转矩输出。第一单向离合器F1、第二单向离合器F2的安装方向相反，即单向离合器锁止时输入轴旋转方向相反。同理，第三单向离合器F3、第四单向离合器F4的安装方向也相反。其中，第一单向离合器F1、第四单向离合器F4内圈正转锁止，第二单向离合器F2、第三单向离合器F3内圈反转锁止，两助力电机同时助力时的旋转方向相反。以主助力电机8需要正转提供助力转矩为例，当辅助助力电机9的输出转矩和反转转速较小或处于停机状态时，第四单向离合器F4锁止、第三单向离合器F3不锁止，而由于辅助助力电机9输入轴的转速过低，第二单向离合器F2不锁止，同时第一单向离合器F1不锁止；当辅助助力电机9的输出转矩和反转转速较大时，第一单向离合器F1、第三单向离合器F3不锁止，第二单向离合器F2、第四单向离合器F4锁止，通过第二单向离合器F2、第四单向离合器F4的外圈轮齿啮合实现转矩耦合；当辅助助力电机9的输出转矩和反转转速过大时，第一单向离合器F1、第三单向离合器F3不锁止，第二单向离合器F2锁止，带动第四单向离合器F4的外圈转动，此时第四单向离合器F4外圈转速比内圈大，相当于内圈反转，此时第四单向离合器F4不锁止，只能实现主助力电机8通过主助力电机8输入轴和单向离合器总成10输出轴上的固定齿轮啮合提供输出转矩。同理，当主助力电机8需要反转提供助力转矩时，辅助助力电机9需正转提供助力转矩；当辅助助力电机9的输出转矩和正转转速较小或处于停机状态时，第三单向离合器F3锁止、第四单向离合器F4不锁止，而由于辅助助力电机9输入轴的转速过低，第一单向离合器F1不锁止，同时第二单向离合器F2不锁止；当辅助助力电机9的输出转矩和反转转速较大时，第二单向离合器F2、第四单向离合器F4不锁止，第一单向离合器F1、第三单向离合器F3锁止，通过第一单向离合器F1、第三单向离合器F3的外圈轮齿啮合实现转矩耦合；当辅助助力电机9的输出转矩和反转转速过大时，第二单向离合器F2、第四单向离合器F4不锁止，第一单向离合器F1锁止，带动第三单向离合器F3的外圈转动，此时第三单向离合器F3外圈转速比内圈大，相当于内圈正转，此时第三单向离合器F3不锁止，只能实现主助力电机8通过主助力电机8输入轴和单向离合器总成10输出轴上的固定齿轮啮合提供输出转矩。

过载保护器12的结构如图3a和图3b所示，过载保护器12包括上法兰盘14和下法兰盘16；上法兰盘14和下法兰盘16中开有四个相对应的孔，通过橡胶连接销15连接，当电动助力转向系统故障时，转矩过大会时橡胶连接销15断裂，使电动助力转向失效，起到过载保护的作用。上法兰盘14连接减速器11的输出端，下法兰盘16连接电磁离合器13的一端。电磁离合器13的另一端与第二转向轴4通过转矩耦合器5实现转矩耦合，耦合转矩通过转向器6实现车辆转向。

当助力电机故障时，由控制单元3控制，断开电磁离合器13，防止自动转向的发生；电磁离合器13输出转矩通过转矩耦合器5与第二转向轴4相连，将合成后的转向转矩输出到转向器6，从而实现助力转向过程。

控制单元3根据车速信号，方向盘转矩、转角信号，对比控制单元3中存储的转向力矩、方向盘转角和车速变化曲线以吉林大学国家重点实验室利用开放型驾驶模拟器得出驾驶员平均所偏好的转向力矩侧向加速度和车速变化曲线为例，如图5；该曲线公开于基于驾驶模拟器的驾驶员所偏好的转向盘力矩特性研究一文，中国机械工程，2007年08期；当然也可自己做实验得出不同车速下的方向盘转角与驾驶员偏好的转向力矩曲线控制主助力电机8和辅助助力电机9的输出转矩。

请参阅图4所示，本发明一种双电机电动助力转向系统的助力转向方法，包括以下步骤：

车速传感器采集的车速信号，方向盘转矩转角传感器2采集的转角、转矩信号输出至控制单元3，由控制单元3根据车速、方向盘转角信号计算出侧向加速度，并与控制单元3中存储的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，控制单元3将计算的应当具有的转向力矩与方向盘转矩转角传感器2测出的方向盘转矩进行比较，计算得出助力电机应当输出的转矩；接着对助力电机应当输出转矩进行判断，若助力电机应当输出的转矩小于或等于主助力电机8所能提供的最大转矩，控制单元3控制辅助助力电机9处于低转矩、低转速输出或者停机状态，通过控制单元3控制主助力电机8的输出转矩完成转向助力；若输出转矩大于主助力电机8所能提供的最大转矩，控制单元3控制辅助助力电机9处于高转矩、高转速输出状态，通过单向离合器总成耦合助力转矩完成转向助力。该双电机电动助力转向系统需实时采集方向盘转角转矩信号，车速信号，调节两电机输出转矩和转速，对两电机转速进行连续修正，实现闭环控制。

Claims (7)

1.双电机电动助力转向系统，其特征在于，包括方向盘(1)、方向盘转矩转角传感器(2)、控制单元(3)、转矩耦合器(5)、转向器(6)、主助力电机(8)和辅助助力电机(9)、单向离合器总成(10)、减速器(11)、过载保护器(12)和常闭电磁离合器(13)；

方向盘转矩转角传感器(2)设置于方向盘(1)下方，用于实时采集方向盘(1)的转矩、转角信号；主助力电机(8)和辅助助力电机(9)通过单向离合器总成(10)连接；单向离合器总成(10)输出轴和方向盘(1)下方连接的转向轴通过转矩耦合器(5)并联，转矩耦合器(5)的输出端连接转向器(6)；

单向离合器总成(10)输出轴通过减速器(11)、过载保护器(12)和常闭电磁离合器(13)连接转矩耦合器(5)；方向盘转矩转角传感器(2)的输出端、主助力电机(8)的控制端、辅助助力电机(9)的控制端和常闭电磁离合器(13)的控制端连接控制单元(3)；

单向离合器总成包括主助力电机输入轴(101)、辅助助力电机输入轴(100)、输出轴(104)、第一单向离合器(F1)、第二单向离合器(F2)、第三单向离合器(F3)和第四单向离合器(F4)；第一单向离合器(F1)、第二单向离合器(F2)的内圈固定在辅助电机输入轴(100)上，第三单向离合器(F3)、第四单向离合器(F4)的内圈固定在主电机的输入轴(101)上；第一单向离合器(F1)与第三单向离合器(F3)通过外圈上的轮齿啮合，第二单向离合器(F2)和第四单向离合器(F4)通过外圈上的轮齿啮合，输出轴(104)上固定的第二齿轮(103)与主助力电机输入轴上的固定的第一齿轮(102)啮合。

2.根据权利要求1所述的双电机电动助力转向系统，其特征在于，第一单向离合器(F1)、第二单向离合器(F2)的安装方向相反；第三单向离合器(F3)、第四单向离合器(F4)的安装方向相反。

3.根据权利要求1所述的双电机电动助力转向系统，其特征在于，第一单向离合器(F1)、第四单向离合器(F4)内圈正转锁止；第二单向离合器(F2)、第三单向离合器(F3)内圈反转锁止。

4.根据权利要求1所述的双电机电动助力转向系统，其特征在于，过载保护器(12)包括上法兰盘(14)和下法兰盘(16)；上法兰盘(14)和下法兰盘(16)中开有若干对相对应的孔，并通过橡胶连接销(15)连接。

5.根据权利要求1所述的双电机电动助力转向系统，其特征在于，控制单元(3)根据车速、方向盘转矩、转角信号控制主助力电机(8)和辅助助力电机(9)的输出转矩；当所需助力转矩小于或等于主助力电机(8)能够输出的最大转矩时，控制单元(3)控制辅助助力电机(9)在低转速输出或者停机状态；当所需助力转矩大于主助力电机(8)能够输出的最大转矩时，控制单元(3)提高辅助助力电机(9)的转矩输出，通过单向离合器总成实现两助力电机的转矩耦合输出。

6.根据权利要求1所述的双电机电动助力转向系统，其特征在于，方向盘(1)通过下方依次连接的第一转向轴(7)和第二转向轴(4)连接转矩耦合器(5)。

7.一种双电机电动助力转向系统的助力转向方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一项所述的双电机电动助力转向系统，包括以下步骤：车速传感器采集的车速信号、方向盘转矩转角传感器(2)采集的转角信号输出至控制单元(3)，由控制单元(3)根据车速、方向盘转角信号计算出侧向加速度，并与控制单元(3)中存储的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，控制单元(3)将计算得出的方向盘应当具有的转向力矩与方向盘转矩转角传感器(2)测出的方向盘转矩进行比较，得出助力电机应当输出的转矩；控制单元(3)对助力电机应当输出转矩进行判断，若助力电机应当输出的转矩小于或等于主助力电机(8)所能提供的最大转矩，控制单元(3)控制辅助助力电机(9)处于低转矩、低转速或停机状态，通过控制单元(3)控制主助力电机(8)的输出转矩完成转向助力；若助力电机应当输出的转矩大于主助力电机(8)所能提供的最大转矩，控制单元(3)提高辅助助力电机(9)的输出转矩和输出转速，由控制单元(3)控制主助力电机(8)和辅助助力电机(9)共同输出转矩完成转向助力。