CN105329313A - 一种转向管柱式电动助力装置 - Google Patents

Abstract

一种转向管柱式电动助力装置，包括壳体，壳体内安装中空式内转子无刷电机，中空式内转子无刷电机的线圈定子与壳体内壁连接，中空式内转子无刷电机的磁钢转子中心设置轴套，轴套内安装中间轴，轴套与中间轴固定连接，中间轴一端的壳体上安装上盖，上盖与车辆转向管柱的转向轴连接，转向轴与中间轴之间安装扭杆和力矩角度传感器，扭杆一端与转向轴固定连接，扭杆另一端与中间轴固定连接。它占用空间小，不会与周围部件发生干涉，拆卸安装操作简便，电机的动作通过行星齿轮减速器放大扭矩，与现有的电动助力装置相比，机械传动效率得到大幅提升，能够使车辆的转向操作更加灵活、轻便，稳定性更强等。

Description

一种转向管柱式电动助力装置

技术领域

本发明涉及一种汽车转向装置，具体的说是一种转向管柱式电动助力装置。

背景技术

目前各种车辆上使用的电动转向助力系统大都是在转向管柱上安装蜗轮蜗杆减速装置实现的，这类结构受自身尺寸所限，传动比相对较低，传动效率较为低下，并且需要和外置电机一起安装在转向管柱的侧面，占用空间较大，由于车辆仪表台下分布着多种总成、部件，因此现有车辆的转向管柱与周边部件在装配、维修时经常发生干涉，安装和拆卸操作难度较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型转向管柱式电动助力装置，它能够解决现有技术存在的问题。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：包括壳体，壳体内安装中空式内转子无刷电机，中空式内转子无刷电机的线圈定子与壳体内壁连接，中空式内转子无刷电机的磁钢转子中心设置轴套，轴套内安装中间轴，轴套与中间轴固定连接，中间轴一端的壳体上安装上盖，上盖与车辆转向管柱的转向轴连接，转向轴与中间轴之间安装扭杆和力矩角度传感器，扭杆一端与转向轴固定连接，扭杆另一端与中间轴固定连接，上盖与轴套之间的位置设置隔板，隔板与壳体或上盖连接，隔板与中间轴之间设置定位轴承，中间轴另一端的壳体上安装行星齿轮减速器，中间轴与行星齿轮减速器的输入端连接，行星齿轮减速器上设置输出轴。所述中空式内转子无刷电机的磁钢转子与壳体或行星齿轮减速器的外壳之间安装位置传感器。所述位置传感器是增量编码器式位置传感器，增量编码器式位置传感器的双磁环随中空式内转子无刷电机的磁钢转子同步转动，增量编码器式位置传感器的感应电路板与壳体或行星齿轮减速器或中空式内转子无刷电机的线圈定子连接。所述增量编码器式位置传感器的双磁环通过支撑环与中间轴连接，支撑环包括安装在中间轴上的连接套，连接套远离磁钢转子的一端设置环形折边，增量编码器式位置传感器的双磁环安装在环形折边上。所述中间轴靠近转向轴的一端设置凹孔，凹孔内安装凸柱，凸柱与转向轴连接，凹孔内侧壁与凸柱外侧壁之间安装滚针轴承。滚针轴承与转向轴之间的凸柱外壁两侧均设置凸面，各凸面均由两个互成钝角的平面构成，凹孔内与凸柱两侧的两个凸面对应的位置设置两个相互平行的限位平台。壳体远离上盖的一端设置下盖，行星齿轮减速器固定安装在下盖内，下盖与壳体连接。

本发明的优点在于：采用中空的内转子无刷电机和行星齿轮减速器与转向管柱同轴布置，占用空间小，不会与周围部件发生干涉，拆卸安装操作简便，电机的动作通过行星齿轮减速器放大扭矩，与现有的电动助力装置相比，机械传动效率得到大幅提升，能够使车辆的转向操作更加灵活、轻便，稳定性更强等。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是安装本发明所述助力装置的车辆转向管柱总成结构示意图；

图3是图1中I部放大结构示意图；

图4是图3的A-A剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种转向管柱式电动助力装置包括壳体1，壳体1内安装中空式内转子无刷电机，中空式内转子无刷电机的线圈定子2与壳体1内壁连接，中空式内转子无刷电机的磁钢转子3中心设置轴套4，轴套4内安装中间轴5，轴套4与中间轴5固定连接，中间轴5一端的壳体1上安装上盖6，上盖6上安装转向轴7，转向轴7与中间轴5之间安装扭杆10和力矩角度传感器12，扭杆10一端与转向轴7固定连接，扭杆10另一端与中间轴5固定连接，上盖6与轴套4之间的位置设置隔板23，隔板23与壳体1或上盖6连接，隔板23与中间轴5之间设置定位轴承24，中间轴5另一端的壳体1上安装行星齿轮减速器8，中间轴5与行星齿轮减速器8的输入端连接，行星齿轮减速器8上设置输出轴11。

本发明使用的中空式内转子无刷电机是采用了内转子式无刷电机结构，中空式内转子无刷电机的定子是线圈，其与管柱壳体内壁固定相连为一体。中空式内转子无刷电机的转子是一圈瓦形磁钢组、瓦形磁钢组固定在一个圆筒形轴套4上，轴套4固定在中间轴5上。本发明所述力矩角度传感器12可采用非接触式EPS传感器，力矩角度传感器12主要用于向控制器ECU传递转动方向盘扭矩信号和方向盘转向角度的信号使控制器ECU控制电动转向管柱助力转向。本发明所述扭杆10两端扭杆两端可均采用圆柱销与转向轴7和中间轴5固定，也可一端用花键压入中间轴5的杯形孔内，另一端通过圆柱销与转向轴7固定。本发明所述助力装置可制作成独立的助力机头装置，转向轴7和输出轴11分别通过万向节与车辆方向盘的转向轴和下传动轴连接。也可制作成整体转向管柱总成，即传统的转向管柱与机头助力装置设计成一体，所述转向轴7上端直接与车辆方向盘连接，所述输出轴11通过转向传动轴直接与车辆的转向机输入端连接。车辆转向时，驾驶员转动方向盘带动转向轴7旋转，转向轴7带动扭杆10一端转动，使扭杆10扭转变形，力矩角度传感器12将扭杆10扭转的力矩和角度数据转化为电信号发送至控制器ECU，控制器ECU根据该信号向中空式内转子无刷电机发出指令，驱动中空式内转子无刷电机的磁钢转子3向方向盘的旋转方向助力转动，磁钢转子3带动中间轴5旋转，行星齿轮减速器8将中间轴5旋转动作的扭矩放大后传递给车辆的转向机，行星齿轮减速器8能够通过内部多级变速达到增大输出力矩的效果，同时提高了传动效率。本发明中电机与转向管柱同轴设置，占用空间小，不会与周围部件发生干涉，拆卸安装操作简便，电机的动作通过行星齿轮减速器8放大扭矩，与现有的电动助力装置相比，机械传动效率得到大幅提升，能够使车辆的转向操作更加灵活、轻便，稳定性更强，并可以实现转向机构的主动回正。本发明所述助力装置的安装位置与现有的车辆一致，不需改动车辆转向机结构，并且助力装置设置在驾驶舱内，采用了无刷电机、减少了电磁兼容的影响，不受环境影响，故障率低、使用寿命长，同样尺寸大小，输出力矩大。本发明采用行星齿轮减速器可实现输出轴与管柱同轴设置，与传统的转向管柱中输出轴的安装位置相同，可直接替换现有的转向管柱产品，不需对车辆其它部件进行改造。本发明中使用的行星齿轮减速器8可采用多种现有的行星齿轮减速器结构，例如双行星齿轮减速器、少齿差行星齿轮减速器等。当然本发明也可采用其它形式的减速机构来对中间轴5的旋转动作增大扭矩，但其它减速机构一方面难以实现输出轴与管柱同轴安装，另一方面自身体积也均大于行星齿轮减速器，因此本发明中的行星齿轮减速器虽可以使用其它类型的减速机构替换，但使用效果会大打折扣。本发明所述定位轴承24通过隔板23固定在壳体1或上盖6上，并通过挡圈或其它连接件与中间轴5实现轴向定位，该结构用于对中间轴5形成支撑，并且防止中间轴5轴向移动，确保转向装置内部各部件精密配合，不会对各传感器的检测数据造成影响。所述隔板23可以与壳体1或上盖6制成一体，也可通过螺栓等连接件与壳体1或上盖6连接。车辆装配时，可将用于接收传感器信号以及控制无刷电机动作的传感器整合安装在壳体1上，也可将传感器独立固定在车辆其它部件上。

本发明为了对中空式内转子无刷电机的磁钢转子3进行精确定位，从而实现对中空式内转子无刷电机的工作状态实施精确监控，可在所述中空式内转子无刷电机的磁钢转子3与壳体1或行星齿轮减速器8的外壳之间安装位置传感器13。位置传感器13能够实时对监测磁钢转子3进行精确定位，当中空式内转子无刷电机出现故障未能准确执行控制器ECU的指令时，位置传感器13能够立即发现异常并提醒控制器ECU采取紧急措施，避免车辆行驶中出现事故。

本发明所述位置传感器13可采用增量编码器式位置传感器、旋转变压器式位置传感器、光电式位置传感器等多种类型的位置传感器，其中优选的结构为：所述位置传感器13是增量编码器式位置传感器，增量编码器式位置传感器的双磁环随中空式内转子无刷电机的磁钢转子3同步转动，增量编码器式位置传感器的感应电路板与壳体1或行星齿轮减速器8或中空式内转子无刷电机的线圈定子2连接。增量编码器式位置传感器的优点是自身具有中空式结构，便于在中间轴上直接固定安装，降低生产成本。

本发明为了在安装位置有限的条件下尽量增大双磁环的旋转半径，使增量编码器式位置传感器的检测信号更加精确，可采用下述结构：所述增量编码器式位置传感器的双磁环通过支撑环与中间轴5连接，支撑环包括安装在中间轴5上的连接套14，连接套14远离磁钢转子3的一端设置环形折边15，增量编码器式位置传感器的双磁环安装在环形折边15上。该结构还能够使双磁环远离磁钢转子3的磁钢片，避免增量编码器式位置传感器受到磁场干扰。

本发明为了增强转向轴7的稳定性，可在所述中间轴5靠近转向轴7的一端设置凹孔16，凹孔16内安装凸柱17，凸柱17与转向轴7连接，凹孔16内侧壁与凸柱17外侧壁之间安装滚针轴承26。该结构能够通过中间轴5对转向轴7的端部实现限位，防止转向轴7发生摆动而影响力矩角度传感器12采集的数据，同时还有利于进一步缩小助力装置自身的体积。

本发明为限制中间轴5与转向轴7之间的相对旋转角度，可在滚针轴承26与转向轴7之间的凸柱17外壁两侧均设置凸面27，各凸面27均由两个互成钝角的平面构成，凹孔16内与凸柱17两侧的两个凸面27对应的位置设置两个相互平行的限位平台28。转向轴7转动至一定角度时，凸面27中的一个平面与限位平台28接触，此时中间轴5随转向轴7一同旋转，转向轴7反向转动至一定角度时，凸面27中的另一个平面与限位平台28接触，此时中间轴5随转向轴7一同反转。该结构具有加工方便、不影响滚针轴承26等其它部件安装的优点，除上述结构外，本发明还可采用带有间隙的花键等结构来限制中间轴5与转向轴7之间的转角间隙，但这些结构可能会增加其它部件的安装难度，并且加工步骤相对复杂。

本发明所述行星齿轮减速器8可采用多种结构与壳体1连接，例如在行星齿轮减速器8的外壳上加工螺栓孔，行星齿轮减速器8通过螺栓直接与壳体1连接等，其中优选的结构为：壳体1远离上盖6的一端设置下盖9，行星齿轮减速器8固定安装在下盖9内，下盖9与壳体1通过螺栓或其它连接件连接。该结构不需对现有行星齿轮减速器8产品的外壳结构进行改造，生产成本低廉，并且下盖9能够对行星齿轮减速器8起到保护作用，防止转向管柱安装或拆卸过程中行星齿轮减速器8与车辆其它部件发生磕碰而受损。另外，当行星齿轮减速器8中的润滑脂出现轻微渗漏现象时，下盖9还能够避免润滑脂直接接触车辆内饰，有利于保持车内清洁。

图中18是力矩角度传感器插头、19是无刷电机插头、20是位置传感器插头，车辆装配时，矩角度传感器插头、无刷电机插头和位置传感器插头均通过导线与车辆的控制器ECU及车辆电源连接。21是转向管柱、22是下传动轴、25是控制器。

Claims (7)

1.一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：包括壳体（1），壳体（1）内安装中空式内转子无刷电机，中空式内转子无刷电机的线圈定子（2）与壳体（1）内壁连接，中空式内转子无刷电机的磁钢转子（3）中心设置轴套（4），轴套（4）内安装中间轴（5），轴套（4）与中间轴（5）固定连接，中间轴（5）一端的壳体（1）上安装上盖（6），上盖（6）与车辆转向管柱的转向轴（7）连接，转向轴（7）与中间轴（5）之间安装扭杆（10）和力矩角度传感器（12），扭杆（10）一端与转向轴（7）固定连接，扭杆（10）另一端与中间轴（5）固定连接，上盖（6）与轴套（4）之间的位置设置隔板（23），隔板（23）与壳体（1）或上盖（6）连接，隔板（23）与中间轴（5）之间设置定位轴承（24），中间轴（5）另一端的壳体（1）上安装行星齿轮减速器（8），中间轴（5）与行星齿轮减速器（8）的输入端连接，行星齿轮减速器（8）上设置输出轴（11）。

2.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述中空式内转子无刷电机的磁钢转子（3）与壳体（1）或行星齿轮减速器（8）的外壳之间安装位置传感器（13）。

3.根据权利要求2所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述位置传感器（13）是增量编码器式位置传感器，增量编码器式位置传感器的双磁环随中空式内转子无刷电机的磁钢转子（3）同步转动，增量编码器式位置传感器的感应电路板与壳体（1）或行星齿轮减速器（8）或中空式内转子无刷电机的线圈定子（2）连接。

4.根据权利要求3所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述增量编码器式位置传感器的双磁环通过支撑环与中间轴（5）连接，支撑环包括安装在中间轴（5）上的连接套（14），连接套（14）远离磁钢转子（3）的一端设置环形折边（15），增量编码器式位置传感器的双磁环安装在环形折边（15）上。

5.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述中间轴（5）靠近转向轴（7）的一端设置凹孔（16），凹孔（16）内安装凸柱（17），凸柱（17）与转向轴（7）连接，凹孔（16）内侧壁与凸柱（17）外侧壁之间安装滚针轴承（26）。

6.根据权利要求5所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：滚针轴承（26）与转向轴（7）之间的凸柱（17）外壁两侧均设置凸面（27），各凸面（27）均由两个互成钝角的平面构成，凹孔（16）内与凸柱（17）两侧的两个凸面（27）对应的位置设置两个相互平行的限位平台（28）。

7.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：壳体（1）远离上盖（6）的一端设置下盖（9），行星齿轮减速器（8）固定安装在下盖（9）内，下盖（9）与壳体（1）连接。