CN105313956B - 一种具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统。装置由方向盘模块(21)、液压传动系统(18)、液压转向执行模块(15)、电子控制模块(13)、方向盘(1)、转向轴(2)、齿轮(19)、齿条(3)、活塞(20)、液压油缸(4)、油管(6)、流量控制阀(17)、电动三通阀(7)、执行油缸(8)、电磁控制装置(9)、补偿油箱(10)、开关式控制阀(14)、转向横拉杆(16)、电子控制单元(12)、转角传感器(22)、力矩传感器(5)、电控线束(11)组成。该装置充分利用液压传动方向可变的优点，实现了前轮独立转向及精确控制。当控制系统产生故障，通过液压通路的连接使方向盘动力直接对转向轮进行控制，具有容错功能。
Description
技术领域
本发明属于汽车转向技术领域。具体涉及一种具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统。具体可应用但不仅应用于SUV等大型商用车或重型汽车。
背景技术
线控转向系统具有反应速度快、舒适性好、控制精确、占用车内空间少等优点。
容错控制技术和路感模拟技术是目前线控转向系统的两大关键技术。针对容错控制，现有的线控转向系统一般采取硬件及软件的方法实现冗余功能，即通过对重要部件及易发生故障部件进行备份，以及通过软件控制进行容错。但是备用一套转向系统虽然能实现冗余功能，但其硬件布置复杂，成本较高，硬件利用率低。针对路感模拟，现有的线控转向系统多采取电机模拟路感，但方向盘回正力矩电机功率约50～80W，电源负荷较沉重。
本发明公布了一种以液压为媒介的线控转向系统。在具有线控转向装置可变传动比、易于布置、舒适性好等优点同时，也具有液压系统能够缓和冲击，作用力稳定等优点。可实现电子控制单元独立地控制两轮转角的功能，减少转向时轮胎的侧滑。
本系统正常工作时的路感反馈通过液压回路里的流量控制阀控制，相比传统的反馈电机耗能较少，降低电池的负荷。而本系统的冗余容错功能则通过液压系统直接将方向盘转矩传递给转向轮来实现。且两种功能的油路共用，通过电动三通阀互相切换。在保证系统功能及可靠性的同时，精简了结构，方便布置，提高了零件利用率。
发明内容
本发明的目的是通过如下措施以实现汽车前转向轮偏转角度的独立精确控制，及在转向系统故障发生时的冗余功能。为实现上述功能，在左、右转向轮处分别独立设置有液压转向执行模块(15)，其主要驱动部件为电磁控制装置(9)、活塞及执行油缸(8)。当线控转向系统正常工作时，驾驶员通过方向盘模块(21)输入转角信号，信号输入电子控制单元(12)之中分析、处理，并分别独立控制活塞的行程，带动转向横拉杆(16)的移动，完成转向轮偏角的精确控制。而当线控转向系统产生故障时，在电动三通阀(7)的控制作用下，通过油路的接通使方向盘(1)的动力通过液压传动系统(18)接入液压转向执行模块(15)中,直接对转向轮进行控制，以完成冗余功能的实现。
该具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其组成包括方向盘模块(21)、液压传动系统(18)、液压转向执行模块(15)、电子控制模块(13)、方向盘(1)、转向轴(2)、齿轮(19)、齿条(3)、活塞(20)、液压油缸(4)、油管(6)、流量控制阀(17)、电动三通阀(7)、执行油缸(8)、电磁控制装置(9)、补偿油箱(10)、开关式控制阀(14)、转向横拉杆(16)、电子控制单元(12)、转角传感器(22)、力矩传感器(5)、电控线束(11)。方向盘模块(21)与力矩传感器(5)及转角传感器(22)连接，用以接受方向盘(1)输入的角信号及力矩大小。力矩传感器(5)及转角传感器(22)的信号通过电控线束(11)传递进入电子控制单元(12)并进行分析计算，进而传入液压转向执行模块(15)中，对其进行控制，完成对左、右两轮转角的精确控制。方向盘模块(21)与液压传动系统(18)通过活塞(20)与液压油缸(4)的配合进行连接，实现液压动力的输入。同时，液压传动系统(18)通过油管(6)与液压转向执行模块(15)连接。
在一些实施方式中，其中方向盘模块(21)中，包括转向轴(2)、齿轮(19)、齿条(3)、活塞(20)；转向轴(2)与齿轮(19)通过焊接工艺连接，齿轮(19)与齿条(3)相啮合；左右两个活塞(20)通过螺纹进行连接，随着齿轮(19)的转动，齿条(3)横向位移，同时带动两个活塞(20)的左右运动。通过方向盘模块(21)，将回转运动转变为直线方向的移动，实现了整个过程中信号、动力的输入及反馈受力的输出。
在一些实施方式中，其中液压传动系统(18)为一闭合回路；液压油路中通过油管(6)将液压油缸(4)，电动三通阀(7)、流量控制阀(17)进行串联；通过该装置完成了两种功能的实现：当独立控制线控转向系统正常工作时，方向盘(1)转动，使齿轮(19)带动齿条(3)推动活塞(20)移动。在液压传动系统(18)中的回路中建立油压，液压油在其中流动。这时，通过电子控制单元(12)对流量控制阀(17)的开度的控制，对油压阻力进行调节，提供反馈手力。当线控转向系统发生故障时，控制电动三通阀(7)，使液压传动系统(18)接入液压转向执行模块(15)中，由于方向盘(1)转动时回路中建立有油压，动力直接输入执行油缸(8)中，完成对转向轮的控制，保证系统继续安全工作。
在一些实施方式中，其中液压转向执行模块(15)包括左、右两个执行油缸(8)。油缸中装配有活塞并将其分为两个部分，其中活塞头部所对应部分的执行油缸中充满液压油。电磁控制装置(9)与活塞头通过螺纹连接，两者横向移动的位移相同。电磁控制装置(9)的原理为：当通过电磁控制装置(9)的电流变化时，装置中电磁铁的吸力大小、方向发生变化，使装置的行程发生改变，实现可调的功能。电子控制单元(12)通过电控线束(11)与电磁控制装置(9)连接，运算得到的最佳偏转角及最佳行程通过其转换为电信号并输入电磁控制装置(9)中，实现对其的精确控制。
左、右两执行油缸上接有补偿油箱(10)。在执行油缸(8)与补偿油箱(10)之间连接开关式控制阀(14)。随着活塞沿执行油缸(8)中的移动，补偿油箱(10)中的液压油进出油缸，以补偿油缸中液压油的体积变化；当冗余功能实现时，开关式控制阀(14)关闭，补偿油箱(10)的补偿作用消失，执行油缸(8)中的活塞被油压推动，使行程发生变化，实现容错控制。
在一些实施方式中，其中液压转向执行模块(15)，活塞中的活塞杆通过球铰与转向横拉杆(16)连接；同时转向横拉杆(16)与转向节臂通过球铰进行连接；当活塞杆横向移动时，带动转向横拉杆(16)移动，同时推动转向节转动，以实现转向过程。当冗余功能实现时，为使转向的过程中更加平顺，设计时转向执行模块(15)的位置、转向横拉杆(16)的长度，转向节臂的长度应按阿克曼转向几何设计，使其在线控转向系统失效时保持较为理想的内外轮转角关系。
在一些实施方式中，其中电子控制模块(13)，当独立控制线控转向系统正常工作时，电子控制单元(12)接受来自转角传感器(22)及力矩传感器(5)的信号；通过对转角传感器(22)信号的处理，及已有数据的分析计算，得到液压转向执行模块(15)的电磁控制装置(9)的行程，并对其进行控制，进而完成转向轮偏转角度独立精确控制；通过对力矩传感器(5)信号的处理，通过分析计算得到驾驶员手力反馈力矩的大小，控制流量控制阀(17)开度调节实现对液压传动系统(18)中的油压的调节，进而对反馈手力进行模拟。
附图说明
附图给出了一种具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统的结构及原理示意图
图1是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统的总体示意图。
图2是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统的三维图。
图3是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统中液压转向执行模块的三维图。
图4是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统中线控装置工作示意图。
图5是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统在正常工作状态下的油路示意图。
图6是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统在冗余功能下的油路示意图。
图7是本发明具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统中电子控制单元的控制路线图。
具体实施方式
参照附图1及附图2所示，本发明为一种具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统。该系统由方向盘模块(21)、液压传动系统(18)、液压转向执行模块(15)、电子控制模块(13)、方向盘(1)、转向轴(2)、齿轮(19)、齿条(3)、活塞(20)、液压油缸(4)、油管(6)、流量控制阀(17)、电动三通阀(7)、执行油缸(8)、电磁控制装置(9)、补偿油箱(10)、开关式控制阀(14)、转向横拉杆(16)、电子控制单元(12)、转角传感器(22)、力矩传感器(5)、电控线束(11)组成。其中电动三通阀，开关式控制阀(14)，转角传感器，力矩传感器可以从市场上直接购买并应用。
参照附图3所示，为液压转向执行模块(15)的三维图。液压转向执行模块(15)由执行油缸(8)、油管(6)、补偿油箱(10)、电磁控制装置(9)、活塞组成。如附图3，油管(6)的一端与补偿油箱(10)相连接，另一端接入执行油缸(8)中，液压油可通过油管进行流动。附图3中所示的区域1即为液压油充满区域。电磁控制装置(9)设计为通过电流对其运动方向及行程进行控制，具体操作为设置两个电磁铁，即如图所示电磁铁1及电磁铁2。其中电磁铁2与车架固连。通过对通入其中电流的方向及大小的控制，以改变磁场的极性及大小，进而完成对行程方向及大小的精确控制。
参照附图4所示，为线控装置工作示意图。当方向盘(1)转动时，转角传感器(22)接受到传来的转角信号，并将其通过电控线束(11)传入电子控制单元(12)中，同时通过电子控制单元(12)综合数据分析、计算得出前转向轮的最佳偏角，及推动转向横拉杆所需的行程。电子控制单元(12)将信号通过电控线束(11)传到电磁控制装置(9)中，实现对移动距离的精确控制。同时，通过力矩传感器(5)得到此时方向盘(1)的反馈受力大小，并以此为依据控制回路中的流量控制阀(17)，以改变阻力大小，实现路感反馈的模拟。当线控转向系统发生故障时，电子控制单元(12)控制电动三通阀(7)，使液压传动系统接入执行油缸(8)中，直接将油压力接入其中，并控制补偿油箱(10)处开关式控制阀(14)闭合。
参照附图5所示，为系统在正常工作状态下的油路示意图。液压传动系统(18)由液压油缸(4)、电动三通阀(7)、流量控制阀(17)、油管(6)组成。闭合油路的连接路线为：左侧的液压油缸、左侧电动三通阀、流量控制阀(17)、右侧电动三通阀、右侧的液压油缸。以方向盘(1)右打为例，齿条(3)向右移动，活塞推动液压油缸(4)内的液压油流动，附图5中箭头即为液压油流动路线，液压油流至电动三通阀(7)时经过通路2。当流量控制阀(17)不工作时，由于回路中负荷很小，所以反馈手力很小。通过对流量控制阀(17)开度的控制，使油压阻力改变，实现对反馈手力的控制。
参照附图6所示，为系统在冗余功能下的油路示意图。当线控转向系统发生故障，以方向盘(1)右打时，右侧轮偏转的过程为例，当冗余功能实现时，电子控制单元控制电动三通阀(7)，使通路2断开，通路1连接。为防止补偿油箱(10)中的液压油对油压建立产生影响，使开关式控制阀(14)闭合，此时通过活塞移动建立的油压力经通路1接入执行油缸(8)中，执行油缸(8)活塞受力移动，实现对右侧转向轮的控制。同理，左侧轮偏转的原理与之相同，仅为液压油流动方向的不同，如附图6箭头所示。通过方向盘(1)对转向轮的直接控制，以实现冗余容错功能。在该过程中，两种功能的油路共用，通过三通阀互相切换。在保证系统功能及可靠性的同时，精简了结构，方便布置，提高了零件利用率。
参照附图7所示，为系统电子控制单元的控制路线图。电子控制单元接收来自方向盘转角传感器的信号，并通过车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器对车辆状况进行实时的检测，通过分析计算得到两转向轮的最佳偏转角，分别控制左、右轮的电磁控制装置，完成对转向轮的控制。电子控制单元通过方向盘力矩传感器得到驾驶员在某一时刻的手力大小，通过分析处理，对流量控制装置进行控制，以对驾驶员手力反馈进行控制调节。当电子控制单元通过对上述传感器得到数据进行分析处理，并发现电控系统出现故障时，通过控制电动三通阀改变液压回路中压力方向，并及时控制闭合补偿油箱处的开关式控制阀。通过液压传动的直接控制维持转向功能的实现，以实现冗余功能。
Claims (7)
1.一种具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于:其组成包括方向盘模块(21)、液压传动系统(18)、液压转向执行模块(15)、电子控制模块(13)、方向盘(1)、转向轴(2)、齿轮(19)、齿条(3)、活塞(20)、液压油缸(4)、油管(6)、流量控制阀(17)、电动三通阀(7)、执行油缸(8)、电磁控制装置(9)、补偿油箱(10)、开关式控制阀(14)、转向横拉杆(16)、电子控制单元(12)、转角传感器(22)、力矩传感器(5)、电控线束(11)；方向盘模块(21)与力矩传感器(5)及转角传感器(22)通过轴套连接，过盈装配；力矩传感器(5)及转角传感器(22)通过电控线束(11)与电子控制单元(12)连接，将信号传递进入其中并进行分析计算；通过电控线束(11)将电子控制单元(12)与液压转向执行模块(15)进行连接，完成对左、右两轮转角的精确控制；方向盘模块(21)与液压传动系统(18)通过活塞(20)与液压油缸(4)的配合进行连接，实现液压动力的输入；同时，液压传动系统(18)通过油管(6)与液压转向执行模块(15)连接。
2.按照权利要求1所述的具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于：所述方向盘模块(21)中，包括转向轴(2)、齿轮(19)、齿条(3)、活塞(20)；转向轴(2)与齿轮(19)通过焊接工艺连接，齿轮(19)与齿条(3)相啮合；左右两个活塞(20)通过螺纹进行连接，随着齿轮(19)的转动，齿条(3)横向位移，同时带动两个活塞(20)的左右运动。
3.按照权利要求1所述的具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于：所述液压传动系统(18)为一闭合回路；液压油路中通过油管(6)将液压油缸(4)，电动三通阀(7)、流量控制阀(17)进行串联；通过该装置完成了两种功能的实现：当独立控制线控转向系统正常工作时，通过电子控制单元(12)对流量控制阀(17)的开度进行控制，以调节油压阻力的大小，以起提供反馈手力的作用；当线控转向系统发生故障时，控制电动三通阀(7)，使液压传动系统(18)接入液压转向执行模块(15)中，通过方向盘(1)的动力输入直接完成对转向轮的控制，保证系统继续安全工作。
4.按照权利要求1所述的具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于：所述液压转向执行模块(15)由执行油缸(8)、活塞、电磁控制装置(9)、补偿油箱(10)、开关式控制阀(14)组成；左、右两个执行油缸(8)中装配有活塞并将其分为两个部分，其中活塞头所对应部分的执行油缸(8)中充满液压油；电磁控制装置(9)与活塞头部通过螺纹连接，两者若进行横向移动将会一同进行；该电磁控制装置(9)的作用原理为：当控制其的电流大小发生改变时，控制装置的行程发生改变；将电子控制单元(12)通过电控线束(11)与之连接，通过其进行控制，可以实现电磁控制装置(9)即活塞行程的精确控制。
5.按照权利要求4所述的具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于：所述液压转向执行模块(15)中，左、右两执行油缸(8)上接有补偿油箱(10)；在执行油缸(8)与补偿油箱(10)之间连接开关式控制阀(14)；随着活塞沿执行油缸(8)中的移动，补偿油箱(10)中的液压油进出油缸，以补偿油缸中液压油的体积变化；当冗余功能实现时，开关式控制阀(14)关闭，补偿油箱(10)的补偿作用消失，执行油缸(8)中的活塞被油压推动，实现行程的变化，实现容错控制。
6.按照权利要求4所述的具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于：所述液压转向执行模块(15)中，活塞中的活塞杆通过球铰与转向横拉杆(16)连接；同时转向横拉杆(16)与转向节臂通过球铰进行连接；当活塞杆横向移动时，带动转向横拉杆(16)移动，同时推动转向节转动，以实现转向过程。
7.按照权利要求1所述的具有冗余功能的汽车前轮独立控制液压转向系统，其特征在于：所述电子控制模块(13)中，当独立控制线控转向系统正常工作时，电子控制单元(12)接受来自转角传感器(22)及力矩传感器(5)的信号；通过对转角传感器(22)信号的处理，及已有数据的分析计算，得到液压转向执行模块(15)中电磁控制装置(9)的行程，并对其进行控制，进而完成转向轮偏转角度独立精确控制；通过对力矩传感器(5)信号的处理，通过分析计算得到驾驶员手力反馈力矩的大小，通过流量控制阀(17)开度的控制，实现对液压传动系统(18)中油压的调节，进而完成路感反馈的模拟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171201 Termination date: 20181118 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |