CN106114614A - 一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构。由转向助力机构、转向传动机构、液压锁止机构和电子控制单元组成，左右转向电机动力流经蜗杆、蜗轮、齿轮带动左右齿条平移，所述左右齿条外端分别通过球铰链与左右转向横拉杆相连，所述左右齿条内端分别通过球铰链与活塞杆和缸筒相连；所述液压缸的左右腔通过电控液压阀与储油室相连，所述左右转向电机的转向电机控制器以及电控液压阀控制器通过CAN总线通信。所述机构可实现左右轮转向轮独立运动，通过协调控制减少轮胎磨损，并可对汽车行驶姿态进行修正，保证汽车良好的操纵稳定性，必要时通过液压对左右转向轮进行锁止。该装置总体尺寸小，布置紧凑，结构简单，便于安装应用。

Description

一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构
技术领域
本发明属机械工程领域，具体涉及一种带液压锁止机构的左右轮独立转向装置。
背景技术
伴随汽车智能化和电动化的趋势，汽车传统的机械机构发生改变，左右车轮独立转向机构应运而生，这种转向机构可应用于各种结构形式的汽车中，特别适用于分布式驱动电动汽车，这种车辆能够实现四轮独立驱动，具有很高的控制自由度，通过合理的控制算法可以提高汽车的安全性、动力性和稳定性，因此得到广泛的研究。分布式驱动电动汽车结构实现上，每个车轮配有一个轮毂/轮边驱动系统，转向系统可以采用传统的转向机构，也可以采用独立转向机构，从而通过四轮独立转向独立驱动实现对汽车运动的更好控制。
专利CN 205075885 U中，转向电机垂直布置于车轮上方，虽然能满足四轮独立驱动，并且改善转向机构的受力状态，但左右车轮没有锁止机构，一旦某个转向电机出现故障，将无法实现转向功能。专利CN 205113422 U中，通过卡槽和卡齿的接合来实现由独立转向到整体转向的切换，但接合过程不够平顺，响应较慢，影响驾驶感觉，并且由于缺乏自锁机构以及和方向盘的机械连接，在外界干扰下不利于行驶方向的保持，抗干扰性较差。
左右轮独立转向为汽车的控制带来很大的灵活性，通过分别修正左右转向轮转角，减少轮胎磨损，改善汽车行驶稳定性，然而仍有一些技术性问题需要解决。转向电机抵抗外界干扰能力较差，需要采用特殊的机械结构或者逆效率较高的传动装置，在一些特定工况下，需要左右转向轮由独立运动切换成整体运动，由于左右轮独立转向系统取消了方向盘和转向横拉杆的机械连接，因此当一侧转向电机发生故障时，转向系统无法正常工作，因此需要对转向系统进行冗余设计，提高系统的容错能力。
发明内容
为解决背景技术中提出的问题，本发明提出了一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，旨在独立控制左右转向轮运动的同时，能在特定工况下通过液压锁止机构使左右转向轮通过机械连接一起运动，适用于传统的轿车，混合动力汽车，电动汽车的转向系统，然而，从系统布置和设计初衷来考虑，本装置主要适用于四轮独立驱动独立转向的分布式电动车辆。
应用本发明所提供的转向系统，通过左右轮的独立转向，可以满足汽车特殊转向工况的要求，比如原地转向，并且可以通过电机的精确控制，在原有转向梯形的基础上，对转向轮的位置进行修正，减少轮胎的磨损，在转向电机发生故障时通过液压装置对左右齿条进行锁死，采用冗余设计提高系统的工作可靠性，并且电子液压控制响应快，满足汽车快速响应的需求。
本发明所提供的装置功能的实现主要依靠转向助力机构，转向传动机构，液压锁止机构，电子控制单元，主要包括转向电机，蜗轮蜗杆减速器，齿轮齿条传动机构，液压缸，电磁阀，转向横拉杆，电磁离合器，电机以及电磁阀控制器。
该机构的左右转向电机1、6分别固定在助力机构壳体9上，左右转向电机1、6的输出轴分别通过联轴器与蜗杆7相连，蜗轮8和齿轮12轴线在一条直线上并通过电磁离合器20相连，通过轴承固定在助力机构壳体9上，左右转向电机动力流经蜗杆7、蜗轮8、齿轮12带动左右齿条19、10平移，所述左右齿条19、10外端分别通过球铰链Ⅰ18a和球铰链Ⅳ18d与左右转向横拉杆17、11相连，所述左右齿条19、10内端分别通过球铰链Ⅱ18b和球铰链Ⅲ18c与活塞杆4a和液压缸4的缸筒4b相连，所述助力机构壳体9和转向机构连接底板16固定在副车架上；
所述液压缸4的左右腔油液出口与电控液压阀3相连，电控液压阀3的另一端与固定在车身上的储油室5相连，所述电控液压阀3由电控液压阀控制器14控制通断实现左右转向轮独立运动和整体运动；
所述左右转向电机1、6的左右转向电机控制器15、13以及电控液压阀控制器14通过CAN总线通信。
所述壳体9和底板16之间装有橡胶衬套，以减少外界对转向系统的冲击。
所述蜗轮8和齿轮12轴线在一条直线上，并通过电磁离合器20的分离和接合实现二者一起转动和独立转动。
所述球铰链Ⅰ18a、球铰链Ⅱ18b、球铰链Ⅲ18c、球铰链Ⅳ18d和左右齿条19、10处有润滑剂，在球铰链Ⅰ18a、球铰链Ⅱ18b、球铰链Ⅲ18c、球铰链Ⅳ18d和左右齿条19、10处以及助力机构壳体9和左右齿条19、10连接处配有防尘罩2。
方向盘转角，转矩，以及车速信息由传感器发送到CAN总线上，左右转向电机控制器15、13以及电控液压阀控制器14从CAN总线上接收到对应的报文从而发出相应的指令，控制左右转向电机1、6转动和电控液压阀3、电磁离合器20动作。
本发明上述方案与传统的转向机构相比具有以下技术效果：
车辆行驶过程中，转向轮会受到路面的干扰，传统的转向机构中驾驶员会通过握紧方向盘来抵抗路面的干扰，而本发明中由于取消了齿轮齿条和方向盘之间的机械连接，如果转向电机处采用普通的齿轮减速机构，转向轮会在外界的干扰下改变原来的位置，由于电机控制中存在的滞后性和超调，即使通过对电机力矩调节使转向轮回到预期位置，也会造成转向轮在外界干扰下不断摆动，使系统不稳定，这在汽车设计中是不允许的，因此，要在转向系统中采用自锁装置，从而使外界的干扰不会对转向轮的位置产生大的影响。从这方面考虑，在转向电机处采用蜗轮蜗杆减速装置，蜗杆的螺旋角一般较小，很容易产生自锁，并且蜗轮蜗杆的减速比较大，有利于减少电机的尺寸，传动平稳，噪音低。提高驾驶舒适性。但这种结构系统的逆效率低，车轮无法自动回正，因此回正过程需要转向电机的参与。
传统的转向机构通过转向梯形控制左右转向车轮的相对位置关系，这转向梯形的设计是一种折衷的设计，不能保证左右转向轮任意时刻都绕同一个圆心运动，而左右轮独立转向系统可以分别控制左右轮的转角，保证左右转向轮更好地协调运动，减少轮胎磨损。
当主动改变某个转向轮转角时，地面对轮胎的作用力也会发生相应的改变，汽车的转弯轨迹也会发生相应的改变，因此左右轮独立转向可以对汽车轨迹进行修正，当汽车发生紧急情况，比如失去方向稳定性时，可以和ESP结合起来，提高汽车行驶安全性。
助力机构壳体机构通过橡胶衬套和连接底板相连，橡胶衬套可以减少路面干扰对转向机构的冲击，液压缸和齿条之间通过球铰链连接，防止左右齿条相对位置发生变化时对液压缸产生额外的力和力矩。
当独立转向系统需要由独立运动切换为整体运动时，比如一侧转向电机发生故障时，电控液压阀通电，液压缸左右两腔没有液体流通，左右齿条一起运动。
附图说明
图1是本发明所提供装置的示意图；
图2是本发明所提供装置的蜗轮处传动轴示意图；
图3是本发明所提供装置锁止时液压系统的示意图。
上述图中编号所对应的零部件名称为：
1—左转向电机，2—防尘罩，3—电控液压阀，4—液压缸，4a—活塞杆，4b—缸筒，5—储油室，6—右转向电机，7—蜗杆，8—蜗轮，9—助力机构壳体，10—右齿条，11—右转向横拉杆，12—齿轮，13—右转向电机控制器，14—电控液压阀控制器，15—左转向电机控制器，16—转向机构连接底板，17—左转向横拉杆，18a—球铰链Ⅰ，18b—球铰链Ⅱ，18c—球铰链Ⅲ，18d—球铰链Ⅳ，19—左齿条，20—电磁离合器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体内容及实施方式作进一步的说明。
参阅图1、图2。图为本发明所提供机构的一种结构实现方案，包括左转向电机1，防尘罩2，电控液压阀3，液压缸4，活塞杆4a，缸筒4b，储油室5，右转向电机6，蜗杆7，蜗轮8，助力机构壳体9，右齿条10，右转向横拉杆11，齿轮12，右转向电机控制器13，电控液压阀控制器14，左转向电机控制器15，转向机构连接底板16，左转向横拉杆17，球铰链，左齿条19，电磁离合器20。
参阅图1、图2。左右转向电机1、6固定在助力机构壳体9上，蜗轮8和齿轮12通过电磁离合器20相连，通过轴承固定在助力机构壳体9上，电机动力流经蜗杆7、蜗轮8和齿轮12带动左右齿条19、10平移，左齿条19左端通过球铰链18a与左转向横拉杆17相连，右端通过球铰链18b与活塞杆4a相连，右齿条10左端通过球铰链18c与液压缸4的缸筒4b相连，右端通过球铰链18d和右转向横拉杆11相连，球铰链增加系统运动的自由度，防止车轮跳动和转向时产生运动干涉，助力机构壳体9和转向机构连接底板16之间装有橡胶衬套，从而减少外界对转向系统的冲击，通过电控液压阀3的通断来控制实现左右转向轮独立运动和整体运动，整套转向系统通过转向机构连接底板16固定在副车架上。
在电控液压阀3不通电时，参阅图1所示，液压缸4的左右腔和储油室5相连，活塞杆4a可以相对缸筒4b自由运动，左右齿条19、10可以相对运动，从而左右车轮可实现独立转向。电控液压阀3通电时，在电磁力的作用下，克服弹簧阻力，电控液压阀3达到图3所示的工作状态，此时液压缸4左右腔以及储油室5相互之间没有液体流动，活塞杆4a相对缸筒4b静止，左右齿条19、10没有相对位移，左右转向轮由独立运动切换为整体运动。当左右转向轮需要从整体运动切换为独立运动时，电控液压阀3断电，在回位弹簧的作用下，液压阀恢复到图1所示的工作状态。
参阅图1，在一般工况下，电控液压阀3不通电，在汽车直线行驶时，由于蜗轮蜗杆机构的自锁性，在外界的干扰下，汽车依然具有保持直线行驶的能力。
参阅图1，在汽车转弯时，电控液压阀3不通电，左右转向电机控制器15、13从CAN总线上接收车速以及方向盘传来的转角、转矩等信号，根据事先制定的控制算法，算出左右转向电机1、6转过的角度，对左右转向电机1、6进行位置控制，使其转过相应的转角，转向电机通过蜗杆7带动蜗轮8转动，此时电磁离合器20处于接合状态，蜗轮8带动齿轮12转动，齿轮带动齿条做直线运动，通过活塞杆4a和缸筒4b相对运动，实现左右齿条19、10有不同的位移，左右齿条19、10分别带动左右转向横拉杆17、11运动，转向横拉杆和转向节相连，转向节带动转向轮绕主销转动从而实现转向运动。
在汽车转弯时，左右转向电机控制器15、13从CAN总线上接收方向盘转角、车速等信息，在原有的转向梯形的几何结构基础上，考虑轮胎的侧偏特性，通过分别调整左右转向车轮转角，尽量保证二者运动轨迹的圆心重合，从而减少轮胎的磨损。
当汽车遇到紧急工况时，比如紧急避障、过度转向造成汽车横摆角速度急剧增加，驾驶员失去对汽车的控制时，左右转向电机控制器15、13通过从CAN总线接收到的汽车横摆角速度、车速等信息，判断异常情况的发生，控制转向电机的转角，从而对汽车行驶轨迹的修正，和ESP结合起来，提高汽车的主动安全性能。
当汽车需要特殊的转向工况时，比如原地转向、前轴后轴共同转向时，控制器根据预先设定好的控制策略控制转向电机的转角即可。
参阅图2、图3，当一侧的转向电机发生故障时，由于蜗轮蜗杆传动的自锁性，齿条不能通过齿轮12、蜗轮8带动蜗杆7转动，此时发生故障一侧电磁离合器20断开，同时电控液压阀3通电，左右齿条19、10锁止在一起，由未发生故障的转向电机带动左右转向轮转动。
综上，本发明所提供装置可实现左右轮独立转向，并且可在特定的工况下实现锁止，整个转向系统具有很好的可控性和工作可靠性。

Claims (6)

1.一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，由转向助力机构、转向传动机构、液压锁止机构和电子控制单元组成，其特征在于：
左右转向电机(1、6)分别固定在助力机构壳体(9)上，左右转向电机(1、6)的输出轴分别通过联轴器与蜗杆(7)相连，蜗轮(8)和齿轮(12)轴线在一条直线上并通过电磁离合器(20)相连，通过轴承固定在助力机构壳体(9)上，左右转向电机动力流经蜗杆(7)、蜗轮(8)、齿轮(12)带动左右齿条(19、10)平移，所述左右齿条(19、10)外端分别通过球铰链Ⅰ(18a)和球铰链Ⅳ(18d)与左右转向横拉杆(17、11)相连，所述左右齿条(19、10)内端分别通过球铰链Ⅱ(18b)和球铰链Ⅲ(18c)与活塞杆(4a)和液压缸(4)的缸筒(4b)相连，所述助力机构壳体(9)和转向机构连接底板(16)固定在副车架上；
所述液压缸(4)的左右腔油液出口与电控液压阀(3)相连，电控液压阀(3)的另一端与固定在车身上的储油室(5)相连，所述电控液压阀(3)由电控液压阀控制器(14)控制通断实现左右转向轮独立运动和整体运动；
所述左右转向电机(1、6)的左右转向电机控制器(15、13)以及电控液压阀控制器(14)通过CAN总线通信。
2.根据权利要求1所述的一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，其特征在于：
所述壳体(9)和底板(16)之间装有橡胶衬套，以减少外界对转向系统的冲击。
3.根据权利要求1或2所述的一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，其特征在于：
采用蜗杆(7)、蜗轮(8)作为减速机构，利用机构的自锁性提高抵抗外界干扰能力。
4.根据权利要求1或2所述的一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，其特征在于：
所述蜗轮(8)和齿轮(12)轴线在一条直线上，并通过电磁离合器(20)的分离和接合实现二者一起转动和独立转动。
5.根据权利要求1或2所述的一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，其特征在于：
所述球铰链Ⅰ(18a)、球铰链Ⅱ(18b)、球铰链Ⅲ(18c)、球铰链Ⅳ(18d)和左右齿条(19、10)处有润滑剂，在球铰链Ⅰ(18a)、球铰链Ⅱ(18b)、球铰链Ⅲ(18c)、球铰链Ⅳ(18d)和左右齿条(19、10)处以及助力机构壳体(9)和左右齿条(19、10)连接处配有防尘罩。
6.根据权利要求1或2所述的一种可控液压锁止式左右轮独立转向机构，其特征在于：
方向盘转角，转矩，以及车速信息由传感器发送到CAN总线上，左右转向电机控制器(15、13)以及电控液压阀控制器(14)从CAN总线上接收到对应的报文从而发出相应的指令，控制左右转向电机(1、6)转动和电控液压阀(3)、电磁离合器(20)动作。
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