CN106218710B - 一种汽车转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车转向技术领域，尤其是涉及一种汽车转向系统，包括驱动转向部和助力转向部；所述驱动转向部包括转向管柱和驱动转向器，所述转向管柱通过第一电动机构与所述驱动转向器连接；所述驱动转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度；所述助力转向部包括第二电动机构和助力转向器，所述第二电动机构与所述助力转向器连接；所述助力转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度。本发明具有稳定性强，易于维护、成本低的特点。

Description

一种汽车转向系统

技术领域

本发明涉及汽车转向技术领域，尤其是涉及一种汽车转向系统。

背景技术

汽车转向系统经历了传统的机械式转向、液压助力转向、电控液压动力转向和电动助力转向、主动转向的发展过程。主动转向是自动驾驶汽车的重要环节。

目前，基于主动转向系统的设计包括两个方向：①线控转向(Steering by WireSystem，SBW)；②机械式主动转向器设计。

线控转向的基本原理为：控制器对传感器的信号进行分析处理并作出判断，计算出需要的车轮转向角和方向盘的转动力矩，作为转向电机的控制信号来驱动电机实现主动转向。SBW的优势在于取消了方向盘和转向器之间的机械连接，电机占据空间小，消除了方向盘的路面冲击；缺点是安全性差，由于无机械连接，当控制系统断电时，驾驶员无法操控。

机械式主动转向器的设计内容广，例如：现有的机械式叠加转向系统，利用双行星排机构可分别实现变传动比转向和主动转向，该转向系统的可靠性好，但是体积大，液压和电机驱动并用，成本高，布置繁琐；现有技术中还有利用丝杠螺母和惰轮改变主动盘和从动盘的传动比，这种主动转向的传动机构优势在于体积小，由于惰轮与主动盘和从动盘之间采用摩擦结合的方式，缺乏稳定性；另外现有技术中利用液压驱动的主动转向器，主要是通过油缸推动转向器沿滑轨运动实现主动转向，但是该技术的不足之处是油缸占据较大空间，同时滑轨的密封大大增加了设计成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车转向系统，以解决现有技术中存在的主动转向系统的稳定性差、不便于维护以及成本高的技术问题。

本发明提供了一种汽车转向系统，包括驱动转向部和助力转向部；所述驱动转向部包括转向管柱和驱动转向器，所述转向管柱通过第一电动机构与所述驱动转向器连接；所述驱动转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度；所述助力转向部包括第二电动机构和助力转向器，所述第二电动机构与所述助力转向器连接；所述助力转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度。

进一步地，所述第一电动机构包括驱动电机和驱动减速器，所述驱动电机的转轴与所述驱动减速器的第一输入轴连接，所述转向管柱与所述驱动减速器的第二输入轴连接，所述驱动转向器与所述驱动减速器的第三输出轴连接。

进一步地，所述驱动电机连接有第一控制器。

进一步地，所述第二电动机构包括助力电机和助力减速器，所述助力电机的转轴与所述助力减速器的第一输入轴连接，所述助力转向器与所述助力减速器的第二输入轴连接；

进一步地，所述助力电机连接有第二控制器。

进一步地，所述驱动电机设置有霍尔电流传感器和温度传感器，所述霍尔电流传感器用于检测所述驱动电机的工作电流，所述温度传感器用于检测所述驱动电机的工作温度；

所述助力电机设置有第二霍尔电流传感器和第二温度传感器，所述第二霍尔电流传感器用于检测所述助力电机的工作电流，所述第二温度传感器用于所述检测助力电机的工作温度。

进一步地，所述转向管柱上设置有转矩传感器和转角传感器。

进一步地，所述驱动转向部还包括方向盘，所述方向盘与所述转向管柱连接。

进一步地，所述驱动转向器和所述助力转向器均为齿轮齿条式转向器。

进一步地，所述助力电机为永磁式直流无刷电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的汽车转向系统，包括驱动转向部和助力转向部；驱动转向部包括转向管柱和驱动转向器，转向管柱通过第一电动机构与驱动转向器连接；驱动转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度；助力转向部包括第二电动机构和助力转向器，第二电动机构与助力转向器连接；助力转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度。本发明具有稳定性强，易于维护、成本低的特点；通过第一电动机构可以实现驱动转向部的手动转向和主动转向，并且通过第二电动机构来辅助驱动转向部以实现助力转向；另外可实现两种工作模式的转向，并且两种工作模式相互补偿，任意一种工作模式出现故障仍能进行正常行驶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的汽车转向系统结构示意图；

附图标记：

101-转向管柱；102-驱动转向器；103-助力转向器；

104-驱动电机；105-驱动减速器；106-第一控制器；

107-助力电机；108-助力减速器；109-第二控制器；

110-方向盘；111-第一中间轴；112-第二中间轴。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见图1所示，本发明实施例提供了一种汽车转向系统，包括驱动转向部和助力转向部；驱动转向部包括转向管柱101和驱动转向器102，转向管柱101通过第一电动机构与驱动转向器102连接；驱动转向器102用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度；助力转向部包括第二电动机构和助力转向器103，第二电动机构与助力转向器103连接；助力转向器103用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度，也就是说，助力转向器103能够与驱动向器一起作用，来调节汽车车轮的转动角度，实现汽车的转向。

本发明实施例提供的汽车转向系统具有稳定性强，易于维护、成本低的特点；通过第一电动机构可以实现驱动转向部的手动转向和主动转向，并且通过第二电动机构来辅助驱动转向部以实现助力转向；另外本发明可实现两种工作模式的转向，并且两种工作模式相互补偿，任意一种工作模式出现故障仍能进行正常行驶。

该实施例中，第一电动机构包括驱动电机104和驱动减速器105，驱动电机104的转轴与驱动减速器105的第一输入轴连接，转向管柱101与驱动减速器105的第二输入轴连接，驱动转向器102与驱动减速器105的第三输出轴连接。

具体而言，驱动转向器102与驱动减速器105的第三输出轴通过第一中间轴111连接，其中，第一中间轴111的一端与驱动转向器102通过联轴器铰接，第一中间轴111的另一端与驱动减速器105的第三输出轴通过联轴器铰接；转向管柱101转动时，能够通过驱动减速器105和第一中间轴111使驱动转向器102运动。第一中间轴和联轴器能够保证两轴平稳的传递扭矩和转速。驱动减速器105为蜗轮蜗杆减速机，需要说明的是，该实施例中，驱动减速器不仅局限于蜗轮蜗杆减速机，也可以采用其它类型的减速机，对于其他类型的减速机本实施例不再一一具体赘述。

该实施例中，驱动电机104连接有第一控制器106，通过第一控制器106来控制驱动电机104的转动。

具体而言，驱动电机104为永磁式直流无刷电机。采用永磁式直流无刷电机能够很好的适应长期低速运转、频繁启停的汽车转向系统，永磁式直流无刷电机具有稳定性好，易于维护，可靠性好，成本低的特点。

该实施例中，驱动电机104设置有霍尔电流传感器和温度传感器，霍尔电流传感器用于检测驱动电机104的工作电流，温度传感器用于检测驱动电机104的工作温度，也就是说，霍尔电流传感器检测驱动电机104的工作电流信息，例如工作电流的大小及变化量，温度传感器检测驱动电机104的工作温度信息，例如，工作温度的大小及变化量。

具体而言，霍尔电流传感器和温度传感器分别与第一控制器106连接，第一控制器106用于接收到霍尔电流传感器发送的工作电流信息和温度传感器发送的工作温度信息。温度传感器为热电偶式温度传感器。需要说明的是，该实施例中，温度传感器不仅局限于热电偶式温度传感器，也可以采用其它类型的温度传感器，用于检测检测驱动电机的工作温度的功能，例如：热电阻温度传感器；对于其他类型的温度传感器本实施例不再一一具体赘述。

该实施例中，驱动转向部还包括方向盘110，方向盘110与转向管柱101连接。转向管柱101上设置有转矩传感器和转角传感器。通过转矩传感器来测量转向管柱101的转矩，通过转角传感器来测量转向管柱101的转角，也即在汽车转向时，驾驶员转动方向盘110，通过转矩传感器和转角传感器分别测出方向盘110输出的转矩和转角。

该实施例中，第二电动机构包括助力电机107和助力减速器108，助力电机107的转轴与助力减速器108的第一输入轴连接，助力转向器103与助力减速器108的第二输入轴连接。

具体而言，助力转向器103与助力减速器108的第二输入轴通过第二中间轴112连接，其中，第二中间轴112的一端与助力转向器103通过联轴器铰接，第二中间轴112的另一端与助力减速器108的第二输入轴通过联轴器铰接。助力减速器108为蜗轮蜗杆减速机，需要说明的是，该实施例中，助力减速器不仅局限于蜗轮蜗杆减速机，也可以采用其它类型的减速机，对于其他类型的减速机本实施例不再一一具体赘述。

该实施例中，联轴器为十字轴式万向联轴器。需要说明的是，该实施例中，联轴器不仅局限于十字轴式万向联轴器，也可以采用其它类型的联轴器，对于其他类型的联轴器本实施例不再一一具体赘述。

该实施例中，助力电机107连接有第二控制器109。通过第二控制器109来控制助力电机107的转动。

具体而言，助力电机107为永磁式直流无刷电机。该实施例中，助力电机107设置有第二霍尔电流传感器和第二温度传感器，第二霍尔电流传感器用于检测助力电机107的工作电流，第二温度传感器用于检测助力电机107的工作温度，也就是说，第二霍尔电流传感器检测助力电机107的工作电流信息，例如工作电流的大小及变化量，第二温度传感器检测助力电机107的工作温度信息，例如，工作温度的大小及变化量。

第二霍尔电流传感器和第二温度传感器分别与第二控制器109连接，第二控制器109用于接收到第二霍尔电流传感器发送的工作电流信息和第二温度传感器发送的工作温度信息。第二温度传感器为热电偶式温度传感器。需要说明的是，该实施例中，第二温度传感器不仅局限于热电偶式温度传感器，也可以采用其它类型的温度传感器，用于检测检测驱动电机的工作温度的功能，例如：热电阻温度传感器；对于其他类型的温度传感器本实施例不再一一具体赘述。

该实施例中，驱动转向器102和助力转向器103均为齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器的结构简单、紧凑，转向器的壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90％；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；制造成本低。

该实施例中，助力电机107为永磁式直流无刷电机。

本发明提供的汽车转向系统可以分为两种工作模式，分别为手动转向模式和主动转向模式。

需要说明的是，在手动转向模式下，驾驶员通过方向盘110输入转角和转矩的，在主动转向模式下通过转向管柱101和驱动电机104输入转角和转矩，并且驱动减速器105与驱动电机104配合使用，助力减速器108和助力电机107相结合，提供助力转矩。

本发明实施例提供的汽车主动转向系统的两种工作模式的具体工作原理为：

(1)手动转向模式

进入手动转向模式有两种方式：①驾驶员选择；②故障检测，在自动驾驶模式下，实时利用霍尔电流传感器和温度传感器检测驱动电机104的工作电流和工作温度，并且驱动电机104的工作电流、工作温度采用“或”的逻辑运算方式，当工作电流或工作温度超过界定数值时，发出警报提醒，同时自动驾驶模式转至手动驾驶模式，也即由主动转向模式转至手动转向模式。

手动转向模式下，驱动电机104和驱动减速器105不工作，采用助力转向部进行辅助。在汽车转向时，驾驶员转动方向盘110，输出转矩和转角，使驱动转向器102运动；通过转矩传感器和转角传感器检测，同时转矩传感器和转角传感器与第二控制器109通讯，第二控制器109综合处理点火信号(本质上是开关信号)、车速信号(转向助力特性曲线增益)和转矩、转角信号(其中转矩是以差分信号的形式传输，转角信号是通过车载CAN网络进行通讯)，输出助力电机107的控制指令，来控制助力电机107带动助力减速器108运动，助力减速器108再带动助力转向器103运动，助力转向器103再带动汽车转向拉杆运动，以辅助方向盘110调节汽车车轮的转动角度。

(2)主动转向模式

驾驶员选择自动驾驶时，转向模式由手动转向模式切换到主动转向模式。第一控制器106是驱动电机104的控制单元，为了充分保证自动驾驶的转向安全性，第一控制器106烧录了一套具有冗余效果的算法，算法以“0”和“1”作为助力电机107的是否发生故障的判断代码，故障的评判标准为助力电机107的工作电流和工作温度，助力电机107的工作电流、工作温度采用“或”逻辑运算。

未发生故障时，代码为“0”，此时主动转向有助力电机107的助力作用，简称为主动转向助力模式

发生故障时，代码为“1”，此时主动转向无助力电机107的作用，简称为主动转向无助力模式。利用驱动电机104完成汽车转向的整个过程。

驱动电机1043采用永磁式无刷直流电机。

(2.1)主动转向助力模式

主动转向助力模式的工作过程如下：驱动电机104作为第一控制器106的执行部件，第一控制器106接收来自车载传感器、GPS、摄像头、雷达车载智能部件的信号，综合处理横摆角速度、侧向加速度等汽车状态信息，驱动电机104接收第一控制器106的控制指令，输出转矩和转角，并向第二控制器109发送转矩信号和转角信号，第二控制器109将该转矩信号和转角信号作为输入指令，结合车速信号和点火信号，输出助力电机107的控制指令，来控制助力电机107带动助力减速器108运动，助力减速器108再带动助力转向器103运动，助力转向器103再带动汽车转向拉杆运动，以辅助方向盘110调节汽车车轮的转动角度。

在主动转向助力模式下，驱动电机104充当驾驶员的角色，输出转矩和转角。

(2.2)主动转向无助力模式

主动转向无助力模式在助力电机107失效时发挥作用，此时驱动电机104单独驱动汽车转向，其输出的转矩等于手动转向模式下的助力力矩与驾驶员的输入力矩之和，也等于主动转向助力模式下的助力力矩和驱动电机104的输出力矩之和，此时驱动电机104可采用大功率电机，即采用功率为600w的永磁式直流无刷电机。

在主动转向无助力模式下，代码为“1”，第一控制器106接收车载传感器、GPS、摄像头、雷达等车载智能部件的信号和车载CAN网络的车身状态信息，输出控制驱动电机104的指令，结合驱动减速器105驱动转向管柱101进行主动转向。

综上所述，本发明采用手动转向模式、主动转向助力模式和主动转向无助力模式，该三种模式相互补偿，任意一种模式出现故障汽车仍能进行正常行驶，继承性好，能够借鉴电动助力转向系统的机械结构。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

Claims (7)

1.一种汽车转向系统，其特征在于，包括驱动转向部和助力转向部；所述驱动转向部包括转向管柱和驱动转向器，所述转向管柱通过第一电动机构与所述驱动转向器连接；所述驱动转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度；所述助力转向部包括第二电动机构和助力转向器，所述第二电动机构与所述助力转向器连接；所述助力转向器用于带动汽车转向拉杆运动，以调节汽车车轮的转动角度；

所述第一电动机构包括驱动电机和驱动减速器，所述驱动电机的转轴与所述驱动减速器的第一输入轴连接，所述转向管柱与所述驱动减速器的第二输入轴连接，所述驱动转向器与所述驱动减速器的第三输出轴连接；

所述驱动电机连接有第一控制器，用于控制所述驱动电机的转动；

所述驱动电机设置有霍尔电流传感器和温度传感器，所述霍尔电流传感器用于检测所述驱动电机的工作电流，所述温度传感器用于检测所述驱动电机的工作温度，

其中，在自动驾驶模式下，实时利用所述霍尔电流传感器和所述温度传感器检测所述驱动电机的工作电流和工作温度，并且所述驱动电机的工作电流、工作温度采用“或”的逻辑运算方式，当所述工作电流或所述工作温度超过界定数值时，发出警报提醒，同时自动驾驶模式转至手动驾驶模式。

2.根据权利要求1所述的汽车转向系统，其特征在于，所述第二电动机构包括助力电机和助力减速器，所述助力电机的转轴与所述助力减速器的第一输入轴连接，所述助力转向器与所述助力减速器的第二输入轴连接。

3.根据权利要求2所述的汽车转向系统，其特征在于，所述助力电机连接有第二控制器。

4.根据权利要求1所述的汽车转向系统，其特征在于，所述转向管柱上设置有转矩传感器和转角传感器。

5.根据权利要求1所述的汽车转向系统，其特征在于，所述驱动转向部还包括方向盘，所述方向盘与所述转向管柱连接。

6.根据权利要求1所述的汽车转向系统，其特征在于，所述驱动转向器和所述助力转向器均为齿轮齿条式转向器。

7.根据权利要求2所述的汽车转向系统，其特征在于，所述助力电机为永磁式直流无刷电机。