CN106515843B - 一种混合型线控转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型线控转向系统，属于线控转向技术领域，它包括：方向盘、路感电机、离合器、转向驱动机构、转向助力电机、转向器、输入轴、中间轴及输出轴；输入轴的一端与方向盘固定连接，另一端通过依次离合器、中间轴与转向驱动机构的第一行星齿轮啮合，转向驱动机构的第二行星齿轮与输出轴一端的输出齿轮啮合；输出轴另一端的齿轮与转向器的齿条啮合；输入轴、中间轴及输出轴通过离合器和转向驱动机构实现同轴连接；路感电机输出轴上的齿轮与固定于输入轴中部的路感齿轮啮合；转向助力电机的输出轴上的齿轮与转向器的齿条啮合；该系统的方向盘和转向轮之间具有实时可控的力传递特性和角传递特性，在系统失效时自动恢复到机械转向状态。

Description

一种混合型线控转向系统
技术领域
本发明属于线控转向技术领域，具体涉及一种混合型线控转向系统。
背景技术
智能化是未来汽车发展的方向。线控转向是转向系统智能化的主要解决方案。传统意义的线控转向起源于20世纪70年代美国宇航局在宇宙飞船应用的Fly-By-Wire(线传飞控技术)系统，目前，Fly-By-Wire系统已广泛应用在喷气式战斗机、部分民用飞机，以及船舶的操控系统中。
传统意义的线控转向取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，主要由转向盘模块、转向机构模块和电子控制单元等三个主要部分，为了保证可靠性，在系统设计中大量引入了“冗余设计”的理念，比如：传感器的冗余、电机的冗余、车载电源系统的冗余等，这使得系统复杂，成本较高。
将线控技术应用到车上，英菲尼迪是第一家，Nissan在英菲尼迪Q50安装了DAS线控主动转向系统，英文称为Direct Adaptive Steering。这套线控转向系统的构成与传统转向系统结构类似，也是由方向盘、转向柱、转向机组成。不同之处在于它多了3组电子控制单元、方向盘后的转向动作回馈器、离合器、转向执行电机。
DAS系统在正常运转时，跟传统的线控转向功能完全一样。比如可实现变传动比转向功能、驾驶员路感可控功能。DAS系统具有三组电子控制单元，互相起到备用功能，一组出现问题马上就会有备用系统发挥作用。如果三组全部出现故障，转向柱与转向机间的离合器会立即结合，恢复到与传统转向系统相同的结构，以保证正常驾驶。
DAS线控转向系统功能基本完善，但控制系统复杂，路感模拟以及与其他系统的联合控制严重依赖于控制算法，用户反映该车“转向系统很智能，但路感不好”。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种混合型线控转向系统，该系统的方向盘和转向轮之间具有实时可控的力传递特性和角传递特性，具有可变传动比控制、车辆稳定性控制、路感和回正控制、自动驾驶控制、人机共驾控制等功能，在系统失效时自动恢复到机械转向状态，完全满足安全法规要求。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种混合型线控转向系统，包括：方向盘、输入轴转角传感器、路感电机、电子控制单元、离合器、转向驱动机构、输出轴转角传感器、扭矩传感器、转向助力电机、转向器、输入轴、中间轴及输出轴；
电子控制单元包括路感电机控制器、转向驱动机构控制器和转向助力电机控制器，上述三个控制器之间通过总线相互连接；
所述路感电机和转向助力电机的输出轴均固定有同轴的齿轮；
所述转向器选用齿轮齿条转向器；
所述转向驱动机构包括：双排行星齿轮、行星架及转向执行电机；所述双排行星齿轮由同轴固定的第一行星齿轮和第二行星齿轮组成；所述行星架为圆柱形壳体，在其外圆周面加工有周向齿；所述转向执行电机的输出轴固定有同轴的蜗杆；行星架外圆周的周向齿与转向执行电机上的蜗杆啮合；双排行星齿轮通过轴承安装在行星架内；
整体连接关系如下：输入轴的一端与方向盘固定连接，另一端的花键齿与离合器的一端配合，离合器的另一端与中间轴一端的花键齿配合；中间轴另一端的输入齿轮与转向驱动机构的第一行星齿轮啮合，转向驱动机构的第二行星齿轮与输出轴一端的输出齿轮啮合；输出轴另一端的蜗杆与转向器的齿条啮合；输入轴、中间轴及输出轴通过离合器和转向驱动机构实现同轴连接；
路感电机输出轴上的齿轮与固定于输入轴中部的路感齿轮啮合；转向助力电机的输出轴上的齿轮与转向器的齿条啮合；
输入轴转角传感器安装在输入轴上，并位于方向盘和路感齿轮之间；输出轴转角传感器和扭矩传感器均安装在输出轴上；
电子控制单元中的路感电机控制器接收来自输入轴转角传感器所检测的输入轴的转角信息，并根据该转角信息对路感电机的转速进行计算后，对路感电机的转动进行控制；转向驱动机构控制器接收来自输出轴转角传感器所检测的输出轴的转角的信息，并根据该转角信息对转向驱动机构的转向执行电机的转速进行计算后，对转向执行电机的转动进行控制；转向助力电机控制器接收来自扭矩传感器所检测的输出轴的扭矩信息，并根据该扭矩信息对转向助力电机的转速进行计算后，对转向助力电机的转动进行控制。
进一步的，所述离合器包括壳体、固定齿圈、结合套及伺服驱动机构；
所述固定齿圈的外圆周面上加工有花键齿；
所述结合套的内圆周面加工有花键齿；其中，所述输入轴、中间轴、固定齿圈及结合套的花键齿均相同；
固定齿圈固定在壳体内，输入轴的花键齿端穿过壳体的一端，并位于壳体内，中间轴的花键齿端穿过穿过壳体的另一端，并位于固定齿圈和输入轴之间，输入轴、中间轴及固定齿圈为同轴安装；结合套安装在壳体内，并通过伺服驱动机构的控制沿其轴向运动；当正常行驶时，结合套同时与中间轴和固定齿圈配合，使中间轴和固定齿圈同轴固定；当出现故障时，结合套同时与输入轴和中间轴配合，使输入轴和中间轴同轴固定。
有益效果：(1)本发明通过线控主动转向和电动助力转向的结构来控制转向器两端的车轮转动，这两部分并联作用于齿条，具有相互备份作用，提高了可靠性，并具有快速响应的特点；当系统中路感电机失效时，通过离合器使系统变成具有电动助力的前轮主动转向系统，仍然具备主动控制功能；当系统中线控主动转向执行电机失效时，通过离合器使系统变成普通电动助力转向系统，具备一定的主动控制功能；当系统中转向助力电机失效时，通过离合器使系统恢复成机械式转向系统，路感电机可充当电动助力转向功能，主动转向执行电机可使系统具有主动转向功能；因此，本发明综合考虑了各种失效和保障措施，能达到ISO26262安全等级D级要求，且易于实现产业化。
(2)本发明的电子控制单元包括路感电机控制器、转向驱动机构控制器和转向助力电机控制器；三个控制器之间通过高速总线连接，可以数据共享，相互监督和备份。
(3)本发明的行星架的外圆周面加工有周向齿，与转向执行电机上的蜗杆啮合，通过控制转向执行电机的转动就可以实现角传递特性的时实可控，达到变传动比、主动干预转向的功能。
(4)本发明的转向执行电机具有惯量小和响应快的特点，能够满足“转向轮的最大转向角速度不低于30°/s”的要求。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
图2为本发明的转向驱动机构的结构示意图。
图3为本发明的离合器的结构示意图。
其中，1-方向盘，2-输入轴转角传感器，3-路感电机，4-电子控制单元，5-离合器，6-转向驱动机构，7-输出轴转角传感器，8-扭矩传感器，9-转向助力电机，10-转向器，11-输入轴，12-中间轴，13-输出轴，14-第一行星齿轮，15-第二行星齿轮，16-行星架，17-转向执行电机，18-路感齿轮，19-固定齿圈，20-结合套。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种混合型线控转向系统，参见附图1，包括：方向盘1、输入轴转角传感器2、路感电机3、电子控制单元4、离合器5、转向驱动机构6、输出轴转角传感器7、扭矩传感器8、转向助力电机9、转向器10、输入轴11、中间轴12及输出轴13；
电子控制单元4包括路感电机控制器、转向驱动机构控制器和转向助力电机控制器；三个控制器之间采用FlexRay总线连接，以提高通信速度和可靠性，且分别设有用于与整车总线通讯的CAN总线接口；
所述输入轴11的一端设有用于与方向盘1固定的连接结构，另一端加工有花键齿，中部固定有路感齿轮18；
所述中间轴12的两端分别设有花键齿和输入齿轮；
所述输出轴13的两端分别安装有输出齿轮和蜗杆；
所述路感电机3和转向助力电机9的输出轴均固定有同轴的齿轮；
所述转向器10选用齿轮齿条转向器；
参见附图2，所述转向驱动机构6包括：双排行星齿轮、行星架16及转向执行电机17；所述双排行星齿轮由同轴固定的第一行星齿轮14和第二行星齿轮15组成；所述行星架16为圆柱形壳体，在其外圆周面加工有周向齿；所述转向执行电机17的输出轴固定有同轴的蜗杆，所述转向执行电机17选用高转速和小功率的电机；行星架16外圆周的周向齿与转向执行电机17上的蜗杆啮合；双排行星齿轮通过轴承安装在行星架16内；
整体连接关系如下：输入轴11的一端与方向盘1固定连接，另一端的花键齿与离合器5的一端配合，离合器5的另一端与中间轴12一端的花键齿配合；中间轴12另一端的输入齿轮与转向驱动机构6的第一行星齿轮14啮合，转向驱动机构6的第二行星齿轮15与输出轴13一端的输出齿轮啮合；输出轴13另一端的蜗杆与转向器10的齿条啮合；输入轴11、中间轴12及输出轴13通过离合器5和转向驱动机构6实现同轴连接；
路感电机3的输出轴上的齿轮与输入轴11上的路感齿轮18啮合；转向助力电机9的输出轴上的齿轮与转向器10的齿条啮合；
输入轴转角传感器2安装在输入轴11上，并位于方向盘1和路感齿轮18之间；输出轴转角传感器7和扭矩传感器8均安装在输出轴13上；
电子控制单元4中的路感电机控制器接收来自输入轴转角传感器2的信息，并对所述信息进行处理后，对路感电机3的转动进行控制；转向驱动机构控制器接收来自输出轴转角传感器7的信息，并对所述信息进行处理后，对转向驱动机构6的转向执行电机17电气转动进行控制；转向助力电机控制器接收来自扭矩传感器8的信息，并对所述信息进行处理后，对转向助力电机9的转动进行控制。
其中，参见附图3，所述离合器5包括壳体、固定齿圈19、结合套20及伺服驱动机构；所述固定齿圈19的外圆周面上加工有花键齿；所述结合套20的内圆周面加工有花键齿；其中，所述输入轴11、中间轴12、固定齿圈19及结合套20的花键齿均相同；
固定齿圈19固定在壳体内，输入轴11的花键齿端穿过壳体的一端，并位于壳体内，中间轴12的花键齿端穿过穿过壳体的另一端，并位于固定齿圈19和输入轴11之间，输入轴11、中间轴12及固定齿圈19为同轴安装；结合套20安装在壳体内，并能够通过伺服驱动机构的控制沿其轴向运动；当正常行驶时，结合套20同时与中间轴12和固定齿圈19配合，使中间轴12和固定齿圈19同轴固定，中间轴12制动；当出现故障时，结合套20同时与输入轴11和中间轴12配合，使输入轴11和中间轴12同轴固定，恢复转向盘1与转向器10之间的机械连接。
工作原理：(1)当汽车正常行驶时，离合器5分离，即通过离合器5使输入轴11和中间轴12处于断开状态；若驾驶员转动方向盘1操作汽车转向，输入轴转角传感器2将输入轴11的转角信息传递给路感电机控制器，路感电机控制器将该转角信息传递给转向驱动机构控制器，转向驱动机构控制器根据所述输入轴11的转角信息和来自输出轴转角传感器7的转角信息对转向驱动机构6的转向执行电机17的转速进行计算后，控制转向执行电机17按所计算的转速转动，进而带动行星架16转动，行星架16转动带动第一行星齿轮14和第二行星齿轮15以中间轴12为中心进行公转，进而带动输出轴13的齿轮转动，即驱动转向器14的齿条运动，进而带动车轮偏转设定的角度；
同时，转向助力电机控制器根据收到的扭矩传感器8所测得的输出轴13的扭矩信息，并根据该扭转信息对转向助力电机9的转速进行计算后，控制转向助力电机9按所计算的转速工作，输出辅助力矩给转向器14的齿条，以执行转向动作，实现了线控主动转向+电动助力转向的结合控制；同时，路感电机控制器根据设定的路感控制策略，控制路感电机3工作，对输入轴11产生路感反馈力矩，使驾驶员操作轻便，路感清晰。
(2)当系统中的路感电机3失效时，离合器5结合，即通过离合器5使输入轴11和中间轴12接合，系统变成具有电动助力的前轮主动转向系统：当驾驶员转动方向盘1操作汽车转向时，一方面，当行星架16保持不动时，输入轴11和中间轴12接合，中间轴12带动与其啮合的第一行星齿轮14进行自转，由于第一行星齿轮14与第二行星齿轮15同轴固定，因此，第二行星齿轮15也相同的转速进行自转，进而带动输出轴13的齿轮转动，即驱动转向器10的齿条运动；另一方面，当输入轴转角传感器2检测到输入轴11的转向信息后，输入轴转角传感器2将输入轴11的转角信息传递给路感电机控制器，路感电机控制器将该转角信息传递给转向驱动机构控制器，转向驱动机构控制器根据所述输入轴11的转角信息和来自输出轴转角传感器7的转角信息对转向驱动机构6的转向执行电机17的转速进行计算后，控制转向执行电机17按所计算的转速转动，进而带动行星架16转动，行星架16转动带动第一行星齿轮14和第二行星齿轮15以中间轴12为中心进行公转，进而带动输出轴13的齿轮转动，即驱动转向器14的齿条运动；驱动转向器14齿条的实际运动为上述两个方面的运动合成，并带动两端的车轮偏转设定的角度；
同时，助力电机控制器根据收到的扭矩传感器8的扭矩信息，并根据该扭转信息对转向助力电机9的转速进行计算后，控制转向助力电机9按所计算的转速工作，输出辅助力矩给转向器14的齿条，以执行转向动作。
(3)当系统中的转向执行电机17失效时，离合器5结合，即通过离合器5使输入轴11和中间轴12接合，系统变成普通电动助力转向系统：驾驶员转动方向盘1操作汽车转向时，由于输入轴11和中间轴12接合，中间轴12带动与其啮合的第一行星齿轮14进行自转，由于第一行星齿轮14与第二行星齿轮15同轴固定，因此，第二行星齿轮15也相同的转速进行自转，进而带动输出轴13的齿轮转动，即驱动转向器10的齿条运动，并带动两端的车轮偏转设定的角度；
助力电机控制器根据收到的扭矩传感器8的扭矩信息，并根据该扭转信息对转向助力电机9的转速进行计算后，控制转向助力电机9按所计算的转速工作，输出辅助力矩给转向器14的齿条，以执行转向动作；同时，路感电机控制器根据设定的路感控制策略，控制路感电机3工作，对输入轴11产生路感反馈力矩，使驾驶员操作轻便，路感清晰。
(4)当系统中转向助力电机9失效时，离合器5接合，即通过离合器5使输入轴11和中间轴12接合，系统恢复成机械式转向系统，路感电机3可充当电动助力转向功能：当驾驶员转动方向盘1操作汽车转向时，一方面，当行星架16保持不动时，输入轴11和中间轴12接合，中间轴12带动与其啮合的第一行星齿轮14进行自转，由于第一行星齿轮14与第二行星齿轮15同轴固定，因此，第二行星齿轮15也相同的转速进行自转，进而带动输出轴13的齿轮转动，即驱动转向器10的齿条运动；另一方面，当输入轴转角传感器2检测到输入轴11的转角信息后，输入轴转角传感器2将输入轴11的转角信息传递给路感电机控制器，路感电机控制器将该信息传递给转向驱动机构控制器，转向驱动机构控制器根据所述输入轴11的转角信息和来自输出轴转角传感器7的转角信息对转向驱动机构6的转向执行电机17的转速进行计算后，控制转向执行电机17按所计算的转速转动，进而带动行星架16转动，行星架16转动带动第一行星齿轮14和第二行星齿轮15以中间轴12为中心进行公转，进而带动输出轴13的齿轮转动，即驱动转向器14的齿条运动；驱动转向器14齿条的实际运动为上述两个方面的运动合成，并带动两端的车轮偏转设定的角度；
同时，路感电机控制器根据设定的路感控制策略，控制路感电机3工作，对输入轴11产生路感反馈力矩，使驾驶员操作轻便，路感清晰。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种混合型线控转向系统，其特征在于，包括：方向盘(1)、输入轴转角传感器(2)、路感电机(3)、电子控制单元(4)、离合器(5)、转向驱动机构(6)、输出轴转角传感器(7)、扭矩传感器(8)、转向助力电机(9)、转向器(10)、输入轴(11)、中间轴(12)及输出轴(13)；
电子控制单元(4)包括路感电机控制器、转向驱动机构控制器和转向助力电机控制器，上述三个控制器之间通过总线相互连接；
所述路感电机(3)和转向助力电机(9)的输出轴均固定有同轴的齿轮；
所述转向器(10)选用齿轮齿条转向器；
所述转向驱动机构(6)包括：双排行星齿轮、行星架(16)及转向执行电机(17)；所述双排行星齿轮由同轴固定的第一行星齿轮(14)和第二行星齿轮(15)组成；所述行星架(16)为圆柱形壳体，在其外圆周面加工有周向齿；所述转向执行电机(17)的输出轴固定有同轴的蜗杆；行星架(16)外圆周的周向齿与转向执行电机(17)上的蜗杆啮合；双排行星齿轮通过轴承安装在行星架(16)内；
整体连接关系如下：输入轴(11)的一端与方向盘(1)固定连接，另一端的花键齿与离合器(5)的一端配合，离合器(5)的另一端与中间轴(12)一端的花键齿配合；中间轴(12)另一端的输入齿轮与转向驱动机构(6)的第一行星齿轮(14)啮合，转向驱动机构(6)的第二行星齿轮(15)与输出轴(13)一端的输出齿轮啮合；输出轴(13)另一端的蜗杆与转向器(10)的齿条啮合；输入轴(11)、中间轴(12)及输出轴(13)通过离合器(5)和转向驱动机构(6)实现同轴连接；
路感电机(3)输出轴上的齿轮与固定于输入轴(11)中部的路感齿轮(18)啮合；转向助力电机(9)的输出轴上的齿轮与转向器(10)的齿条啮合；
输入轴转角传感器(2)安装在输入轴(11)上，并位于方向盘(1)和路感齿轮(18)之间；输出轴转角传感器(7)和扭矩传感器(8)均安装在输出轴(13)上；
电子控制单元(4)中的路感电机控制器接收来自输入轴转角传感器(2)所检测的输入轴(11)的转角信息，并根据该转角信息对路感电机(3)的转速进行计算后，对路感电机(3)的转动进行控制；转向驱动机构控制器接收来自输出轴转角传感器(7)所检测的输出轴(13)的转角的信息，并根据该转角信息对转向驱动机构(6)的转向执行电机(17)的转速进行计算后，对转向执行电机(17)的转动进行控制；转向助力电机控制器接收来自扭矩传感器(8)所检测的输出轴(13)的扭矩信息，并根据该扭矩信息对转向助力电机(9)的转速进行计算后，对转向助力电机(9)的转动进行控制；
所述离合器(5)包括壳体、固定齿圈(19)、结合套(20)及伺服驱动机构；
所述固定齿圈(19)的外圆周面上加工有花键齿；
所述结合套(20)的内圆周面加工有花键齿；其中，所述输入轴(11)、中间轴(12)、固定齿圈(19)及结合套(20)的花键齿均相同；
固定齿圈(19)固定在壳体内，输入轴(11)的花键齿端穿过壳体的一端，并位于壳体内，中间轴(12)的花键齿端穿过壳体的另一端，并位于固定齿圈(19)和输入轴(11)之间，输入轴(11)、中间轴(12)及固定齿圈(19)为同轴安装；结合套(20)安装在壳体内，并通过伺服驱动机构的控制沿其轴向运动；当正常行驶时，结合套(20)同时与中间轴(12)和固定齿圈(19)配合，使中间轴(12)和固定齿圈(19)同轴固定；当出现故障时，结合套(20)同时与输入轴(11)和中间轴(12)配合，使输入轴(11)和中间轴(12)同轴固定。
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