CN106687359A - 车辆转向系统传动装置 - Google Patents

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Abstract

一种车辆转向系统传动装置，包括：驱动器，该驱动器与驱动器轴(4)连接，该驱动器轴(4)通过柔性连接件(6、7、8)而与输出轴(10)连接；第一传感器(1)，该第一传感器(1)检测驱动器轴(4)；以及控制单元(500)，该控制单元从第一传感器(1)接收信号，且该控制单元(500)向驱动器发送信号，以便控制输出轴(10)的运动。

Description

车辆转向系统传动装置
技术领域
本发明涉及一种车辆转向系统传动装置，更特别是涉及一种车辆转向系统传动装置，它包括：驱动器，该驱动器与驱动器轴连接，该驱动器轴通过柔性连接件而与输出轴连接；第一传感器，该第一传感器检测驱动器轴；以及控制单元，该控制单元从第一传感器接收信号，且该控制单元向驱动器发送信号，以便控制输出轴的运动。
背景技术
自从二十世纪60年代以来，电动力辅助转向系统(EPAS)已经存在。传统上，液压动力辅助转向在市场上占优势。当液压泵进行泵送但是不需要动力辅助时，液压系统有很高的寄生能量损失。早先试图消除这种寄生损失的方式包括：将电马达装配在泵上，只有在需要时驱动该泵。
电液压辅助动力转向系统使用电马达来驱动液压泵，以便向液压动力转向系统进行供给。这些系统是行业的中间阶段，它们的使用很可能将随着EPAS使用的增加而逐渐消失。EPAS系统能够实现减小噪音、减少能量使用、主动安全特征以及调节能力(以满足驱动状态)。不过，这些系统的使用仍然受限制，直到最近的C.A.F.E.要求变得更难以满足。这驱使汽车制造商越来越努力地转向EPAS系统，以便提高车辆的燃料经济性。EPAS系统消除了通常在液压辅助动力转向系统中出现的寄生损失。系统制造商(例如Nexteer)声称燃料经济性提高6％。
例如，减缓EPAS系统的实施的一个困难是通过12伏电马达来满足动力需要。近年来，已经发展了成功解决该问题的系统。而且，所有EPAS系统需要控制模块来检测驾驶员输入，并控制电马达以便提供合适的辅助。控制模块测量驾驶员输入扭矩，并利用它来确定所需的辅助量。辅助能够被调节成满足驾驶员的需要，该需要取决于驱动状态。系统甚至能够使得驾驶员获得可调节的“感觉”。
尽管用于汽车EPAS的主驱动器提高了燃料经济性，但是EPAS还有附加优点。即使在车辆的发动机不运行时系统也能够获得转向辅助。它还能够使用目前可获得的自动平行泊车系统。
有两种主要类型的EPAS系统：柱辅助和齿条辅助。齿条辅助EPAS系统有电马达，该电马达与转向齿条连接。电马达通常通过驱动一丝杠机构来辅助齿条运动。柱辅助EPAS系统具有与转向柱连接的电马达。电马达通常通过蜗齿轮类型的结构来辅助柱轴的运动。这些类型的系统的一个优点是电马达能够布置在车厢内，从而释放在引擎罩下面的可用空间。这也使得任何敏感的电部件保持在引擎罩下面的苛刻环境之外。
蜗轮驱动柱辅助系统通常用于小汽车中，其中，辅助动力需求低于在大型车辆中所需。这些系统受到方向盘的速度和蜗轮驱动比率的限制。方向盘在它的最快速度下以大约60rpm相对较慢地旋转。通过方向盘的60rpm速度和15:1的蜗轮传动比，电马达的最大速度将只有900rpm。蜗轮驱动器被限制为低于20:1的比率，因为高于该比率将不能反向驱动。
转向系统必须能够在没有动力的情况下操作。这需要蜗轮驱动器能够在齿轮驱动蜗轮(反向驱动)的情况下操作。低马达速度和有限的蜗轮驱动比率导致需要高扭矩马达。即使有高扭矩马达，这些类型的系统也不能成功地用于重型车辆上。小型车辆较轻，需要更小的转向力，因此能够使用这些系统。蜗轮驱动柱辅助EPAS系统是最低成本的系统，因此使得它们适合更小的更便宜的车辆。
具有蜗轮驱动辅助的普通转向系统的效率有限。EPAS系统必须设计成在不能获得动力时操作。由于蜗轮驱动的、在比率超过大约20:1时倾向于在反向驱动过程中锁定的性质，蜗轮驱动EPAS系统的效率不会大于大约85％，在反向驱动状态中更接近65％。
现有技术的代表是美国专利No.8327972，其公开了一种车辆转向系统传动装置，它包括：壳体；输入轴，该输入轴与壳体进行轴颈连接；电马达，该电马达与壳体连接，并与输入轴联接；输出轴，该输出轴与壳体轴颈连接，该输入轴和输出轴通过第一对链轮而联接，该第一对链轮有在它们之间运行的第一皮带，并有第一比率，该第一皮带和第一对链轮包括螺旋齿结构，输入轴和输出轴通过第二对链轮来联接，该第二对链轮有在它们之间运行的第二皮带，并有第二比率，且输入轴和输出轴还通过第三对链轮来联接，该第三对链轮有在它们之间运行的第三皮带，并有第三比率。
需要一种车辆转向系统传动装置，该车辆转向系统传动装置包括：驱动器，该驱动器与驱动器轴连接，该驱动器轴通过柔性连接件而与输出轴连接；第一传感器，该第一传感器检测驱动器轴；以及控制单元，该控制单元从第一传感器接收信号，且该控制单元向驱动器发送信号，以便控制输出轴的运动。本发明满足这种需要。
发明内容
本发明的主要方面是一种车辆转向系统传动装置，它包括：驱动器，该驱动器与驱动器轴连接，该驱动器轴通过柔性连接件而与输出轴连接；第一传感器，该第一传感器检测驱动器轴；以及控制单元，该控制单元从第一传感器接收信号，且该控制单元向驱动器发送信号，以便控制输出轴的运动。
本发明的其它方面将由下面对本发明的说明和附图来指出，或者显然由它们可知。
本发明包括一种车辆转向系统传动装置，它包括：驱动器，该驱动器与驱动器轴连接，该驱动器轴通过柔性连接件而与输出轴连接；第一传感器，该第一传感器检测驱动器轴；以及控制单元，该控制单元从第一传感器接收信号，且该控制单元向驱动器发送信号，以便控制输出轴的运动。
附图说明
包含在说明书中并形成说明书的一部分的附图表示了本发明的优选实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是系统传动装置的透视图。
图2是中间链轮的透视图。
图3是中间链轮的透视图。
图4是转向系统的透视图。
图5是控制系统的示意图。
图6是可选实施例的透视图。
具体实施方式
图1是系统传动装置的透视图。本发明的装置包括传感器1、传感器2和传感器3。传感器1安装在输入轴4上。传感器2安装在中间轴12上。传感器3安装在中间轴23上。柔性连接件6在输入轴4和中间轴12之间运行。柔性连接件7在中间轴12和中间轴23之间运行。皮带8在中间轴23和输出轴10之间运行。各皮带包括在相应链轮之间的机械连接。
输入链轮4由电马达或者任意其它提供旋转和扭矩的装置来驱动。传感器1测量输入轴4的角度位置。传感器2测量中间轴12的角度位置。传感器3测量中间轴23的角度位置。输入轴4有20个齿。柔性连接件6和柔性连接件7可以各自包括有齿的皮带或链。
中间轴12包括第一链轮120和第二链轮121。链轮120有43个齿，链轮121有18个齿(见图2)。输入轴4和链轮120通过柔性连接件6来连接。中间轴23有第一链轮230和第二链轮231。链轮230有41个齿。链轮231有18个齿。链轮121和链轮230通过柔性连接件7来连接。输出轴5有73个齿。链轮231和输出轴5通过柔性连接件8来连接。
为了合适地操作，必须知道具有传感器1、2、3的三个轴4、12、23的最初开始位置以及输出轴5的位置。从该开始位置，由于输入轴4的旋转，能够测量各轴的位置。能够计算各链轮的角度位置，因为我们知道在各级的传动比和总的传动比。
例如，假定：
θ1＝输入轴4离它的开始位置的角度(单位为圈，其中，一圈＝360度)
Nn＝从输入链轮至各链轮的传动比
θn＝轴离它的开始位置的角度(单位为圈)
各轴的角度位置能够通过以下等式来确定：
θn＝Nnθ1
当输入轴4旋转20圈时，中间轴12旋转：
θ12＝(20/43)(20)
θ12＝9.3023圈
然后，圈数的小数部分转换成角度位置。
0.3023圈＝0.3023*360度/圈＝108.28度
该结果表示从中间轴12的初始开始位置旋转的度数。因为在驱动中各链轮的传动比是已知的，因此人们能够从各轴的开始位置确定各轴的位置。
本发明的装置设置成使得输出轴5的各位置只对应于三个其它轴的一个独特位置。如果系统中失去动力，当动力返回时，输出轴5的位置能够由具有传感器的三个轴的位置来确定。当驱动在输出轴的圈数中并不受限制时，各轴的位置最终将返回至它们的相应开始位置，且轴的相对位置将重复。
在装置例如电辅助转向系统中，当输出轴是车辆转向轴时，优选是已知转向轴的位置。为了避免失去输出轴的已知位置，传动比必须布置成这样，使得位置重复所需的圈数超过驱动中的总圈数。
在上述系统中，人们能够使得各轴的初始开始位置与它的当前位置比较。当在传感器的公差范围内全部三个当前位置与它们的初始位置对齐时，就重复其自身的独特位置。位置传感器的公差扩展了在轴位置的检测过程中各轴的可能位置。
例如，当传感器1表示输入轴4处于从其初始位置顺时针转5度的位置时，传感器2只能够表示中间轴12的位置等于输入轴4的总圈数加上从它的初始位置旋转的5度再乘以驱动级1的固定比率。为此，假定全部开始位置对应于竖直位置。例如，当输入轴4旋转5度时，中间轴12必须只旋转5度×(20/43)＝2.325度。当输入轴4旋转1圈加5度时，中间轴12必须旋转(360+5)×(20/43)＝169.767度。对于中间轴23的位置，也将保持相同的逻辑。继续相同实例，对于输入轴4的5度旋转，中间轴23必须旋转5度×(20/42)×(19/43)＝1.027度。对于输入轴4的1圈加5度旋转，中间轴23旋转75.013度。
对于输入轴4的各位置，中间轴12和中间轴23都只有一个对应位置。这些位置主要用于表示输入轴4的圈数。例如，当在中间轴23上的传感器3表示16.4度角度，且传感器1表示5度角度，传感器2表示169.7度角度时，输入轴4转动的圈数等于44圈。因此，输出轴5的位置确定为(44圈×(360度/圈)+5度)×(20/43)(19/34)(18/73)＝802.9度。这对应于离它的开始位置两圈加82.95度，或者2.23圈。
输出轴5的最终位置的精度由在输入轴4上的传感器1的精度来确定。输出轴5的位置已知有一定精度，该精度等于传感器1的精度除以传动比。例如，当传感器1对于具有19.73的总比率的上述驱动而言具有5度的位置公差时，输出轴5的位置能够确定为在5/19.73度或0.25度内。这种传感器布置使得人们能够得到较大的位置精度(相对于各位置传感器的精度)。当与将传感器布置在输出轴上相比时，在没有改变传感器自身的精度的情况下，这种布置提高了精度。
对于给定的传感器公差，人们在确定使得轴位置重复所需的输入轴4圈数时必须包括该公差。本发明装置的分析表明，在各传感器有5度位置公差的情况下，输入轴4每转258圈，轴位置重复。这等于输出轴5的13.07圈。为了精确追踪输出轴5的位置，它的行程必须限制为小于13.07总圈数，以避免重复轴位置。
为了使得在重复轴位置之间的总旋转最大，各级的比率将布置成使得它们并不是整数。例如，在本发明的装置中，驱动级1的比率为43/20＝2.15，驱动级2的比率为43/19＝2.26，驱动级3的比率为73/18＝4.05。改变驱动级1，以使得它的比率为最接近的整数，例如40/20＝2，从而使得轴位置为每隔输入轴4的68圈将重复(假定有相同的传感器精度)。驱动的比率应当布置成使得轴的位置的重复图形足够大，以便超过输出轴所需的圈数。
在该实例中，各传感器有5度的精度公差。当人们使得传感器1的精度增加至2.5度时，人们能够使得在另外两个传感器(2、3)上的公差倍增，并保持相同的圈数(258)，直到轴位置重复。这也将使得检测输出轴5的位置的精度误差从0.25度提高至0.125度。
使得传感器1的精度倍增至2.5度以及在传感器2和3上保持5度公差将增加圈数，直到轴位置重复至1849。在这里的实例中，这使得装置的总圈数从13.07提高至93.7。
传感器1的精度确定了装置的总体位置精度，因此，传感器2和传感器3能够有传感器1的两倍公差，装置仍然能够保持用于重复轴位置的相同圈数。
对于传感器1、传感器2和传感器3的布置，为了有效确定输出轴5的位置，驱动级的比率必须为这样：输入轴4转一圈使得至少一个其它轴运动至在它的可能先前位置(包括传感器的公差)的外部的位置。
例如，假定：
T＝输入轴的1圈
N＝与所关注的轴的比率
E＝传感器误差(单位为圈)
那么：
TN>E
1(20/43)>5/360
0.4651>0.01389
图4是转向系统的透视图。输出轴5是用于转向系统80的转向轴。方向盘51与转向轴5连接。轴5与转向齿条60连接。转向齿条60与用于转向的车轮(未示出)连接。在该实施例中，马达40包括Johnson Electric EPS-B77。这里列出的马达只是实例，并不限制范围或限制使用其它合适马达。
图5是控制系统的示意图。传感器1向转向控制单元500发送轴4的角度位置信号。传感器2检测轴12的角度位置，并向转向控制单元500发送信号。传感器3检测轴23的角度位置，并向转向控制单元500发送信号。另外，扭矩传感器400检测由用户施加给轴10的扭矩负载。扭矩传感器向转向控制单元500发送信号。转向控制单元500处理来自位置传感器(1、2、3)和扭矩传感器的信号，以便确定马达40的控制要求。单元500再向马达40发送控制信号，该马达再向轴10施加升高的扭矩。马达40与车辆电源600连接。传感器1、传感器2、传感器3包括Gill Blade 360旋转传感器。扭矩传感器400包括TT电子模式SX-4428。这里列出的传感器只是实例，并不是限制范围或者限制使用其它合适的传感器。
图6是可选实施例的透视图。在可选实施例中，本发明的装置包括传感器1、传感器2、传感器3。传感器1安装在输入轴4上。传感器2安装在中间轴12上。传感器3安装在中间轴23上。输入轴4由电马达40或者任意其它提供旋转和扭矩的装置来驱动。传感器1测量输入轴4的角度位置。传感器2测量中间轴12的角度位置。传感器3测量中间轴23的角度位置。输入轴4包括具有20个齿的齿轮40。
中间轴12包括第一齿轮120和第二齿轮121。齿轮120有43个齿。齿轮121有18个齿。在轴之间的各齿轮对包括机械连接。输入轴4驱动齿轮120。中间轴23有第一齿轮230和第二齿轮231。齿轮230有41个齿。齿轮231有18个齿。齿轮121驱动齿轮230。输出齿轮50有73个齿。齿轮231驱动输出轴5。
除了下面所述，用于齿轮驱动系统的计算与用于皮带驱动系统的相同。
因为传感器有公差，因此人们在确定使得轴位置重复所需的输入轴4圈数时必须包括该公差。本发明装置的分析表明，在各传感器有5度位置公差的情况下，输入轴4每转387圈，轴位置重复。这等于输出轴5的19.49圈。为了充分追踪输出轴5的位置，它的行程必须限制为小于该19.49总圈数，以便避免重复轴位置。
为了使得在重复轴位置之间的总行程最大，传动的各级的比率将布置成使得它们并不是整数。例如，在本发明的装置中，驱动级1的比率为43/20＝2.15，驱动级2的比率为43/19＝2.26，驱动级3的比率为73/18＝4.05。改变驱动级1，以使得它的比率为最接近的整数，例如40/20＝2，从而使得轴位置在输入轴4的每32圈就将重复(假定有相同的传感器精度)。驱动的比率应当布置成使得轴的位置的重复图形足够大，以便超过输出轴所需的圈数。
在这里给出的实例中，各传感器有相同的5度精度公差。当传感器1的精度增加至2.0度时，人们能够使得在另外两个传感器上的公差增加至5.0度，并保持相同的圈数(387)，直到轴位置重复。这也将使得输出轴5的位置精度误差从0.25度提高至0.125度。
使得传感器1的精度公差倍增至2.5度以及在传感器2和3上保持5度公差将增加圈数，为此，轴位置重复至1763圈。在给定实例中，这使得装置的总圈数从19.49提高至88.77。传感器1的精度确定了装置的总体位置精度，因此，传感器2和传感器3能够有更大的公差，装置仍然能够保持用于重复轴位置的相同圈数。
尽管这里已经介绍了本发明的多种形式，但是本领域技术人员应当知道，在不脱离这里所述的本发明精神和范围的情况下可以对部件的构成和关系进行变化。

Claims (34)

1.一种车辆转向系统传动装置，包括：
驱动器，所述驱动器与驱动器轴连接，
所述驱动器轴通过柔性连接件而与输出轴连接；
第一传感器，所述第一传感器检测所述驱动器轴；以及
控制单元，所述控制单元从所述第一传感器接收信号，
所述控制单元向所述驱动器发送信号，以便控制输出轴的运动。
2.根据权利要求1所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述柔性连接件包括皮带。
3.根据权利要求1所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述柔性连接件包括链。
4.根据权利要求1所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第一传感器检测角度位置，并向所述控制单元发送信号。
5.根据权利要求1所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述控制单元与车辆控制系统连通。
6.根据权利要求1所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第二轴，所述第二轴通过第一柔性连接件而与所述驱动器轴连接，并通过第二柔性连接件而与所述输出轴连接。
7.根据权利要求6所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第二传感器，所述第二传感器检测所述第二轴。
8.根据权利要求7所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第二传感器检测角度位置，并向所述控制单元发送信号。
9.根据权利要求6所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述输出轴包括车辆转向轴。
10.根据权利要求9所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第三传感器，所述第三传感器检测车辆转向轴。
11.根据权利要求10所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第三传感器检测扭矩。
12.根据权利要求11所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第三传感器向所述控制单元发送信号。
13.一种车辆转向系统传动装置，包括：
驱动器，所述驱动器与驱动器轴连接，
所述驱动器轴通过第一齿轮连接件而与所述输出轴连接；
第一传感器，所述第一传感器检测所述驱动器轴；以及
控制单元，所述控制单元从所述第一传感器接收信号，
所述控制单元向所述驱动器发送信号，以便控制输出轴的运动。
14.根据权利要求13所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第一传感器检测角度位置，并向所述控制单元发送信号。
15.根据权利要求13所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述控制单元与车辆控制系统连通。
16.根据权利要求13所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第二轴，所述第二轴通过第一齿轮连接件而与所述驱动器轴连接，并通过第二齿轮连接件而与所述输出轴连接。
17.根据权利要求16所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第二传感器，所述第二传感器检测第二轴。
18.根据权利要求17所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第二传感器检测角度位置，并向所述控制单元发送信号。
19.根据权利要求18所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述输出轴包括转向轴。
20.根据权利要求19所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第三传感器，所述第三传感器检测所述转向轴。
21.根据权利要求20所述的车辆转向系统传动装置，其中：第三传感器检测扭矩。
22.根据权利要求21所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第三传感器向所述控制单元发送信号。
23.一种车辆转向系统传动装置，包括：
驱动器，所述驱动器与驱动器轴连接，
所述驱动器轴通过第一连接件而与输出轴连接；
第一传感器，该第一传感器检测驱动器轴；以及
控制单元，所述控制单元从第一传感器接收信号，
所述控制单元向所述驱动器发送信号，以便控制所述输出轴的运动。
24.根据权利要求23所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第一传感器检测角度位置。
25.根据权利要求23所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述控制单元与车辆控制系统连通。
26.根据权利要求23所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第二轴，所述第二轴通过第一连接件而与所述驱动器轴连接，并通过第二连接件而与所述输出轴连接。
27.根据权利要求26所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第二传感器，所述第二传感器检测第二轴。
28.根据权利要求27所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第二传感器检测角度位置，并向所述控制单元发送信号。
29.根据权利要求28所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述输出轴包括转向轴。
30.根据权利要求29所述的车辆转向系统传动装置，还包括：第三传感器，所述第三传感器检测所述转向轴。
31.根据权利要求30所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第三传感器检测扭矩。
32.根据权利要求31所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第三传感器向所述控制单元发送信号。
33.根据权利要求23所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第一连接件包括皮带。
34.根据权利要求23所述的车辆转向系统传动装置，其中：所述第一连接件包括齿轮。
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