CN107284517A - 车辆的自适应前转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆的自适应前转向系统，包括：上轴，其与方向盘连接；下轴，其用作输出轴；以及空心电机，其同轴布置在转向柱轴上，并连接在上轴与下轴之间，其中空心电机的电机壳体连接至上轴，空心电机的电机轴连接于下轴，以便根据与上轴一同旋转的空心电机的电机轴的旋转方向和旋转量来改变转向传动比。

Description

车辆的自适应前转向系统

技术领域

本发明涉及一种车辆的自适应前转向系统，更具体涉及以下这种自适应前转向系统，其能够通过根据车辆的行驶状况改变转向传动比，来确保转向便利性和驾驶安全性。

背景技术

为车辆产生转向力的动力转向系统，通常被设计成利用液压，以使方向盘能够被柔滑、平稳地操作，并实现快速转向操作。

动力转向系统可以使驾驶者用较小的力来执行转向操作，可与转向传动比的操作力无关地被选择，并且还可吸收由不平道路表面产生的冲击，从而防止该冲击被传递到方向盘。

诸如电动液压动力转向(EHPS)系统或电机驱动动力转向(MDPS)系统的电子转向系统得以广泛应用，其中发动机控制单元(ECU)根据由车辆速度传感器、转向扭矩传感器等检测的车辆的行驶条件来操作电机，以便当车辆以低速行驶时提供柔滑、舒适的转向品质，在车辆以高速行驶时提供硬朗的转向品质和优异的方向稳定性，从而为驾驶者提供理想的转向条件。

最新趋势是应用通过将MDPS系统与主动前转向(AFS)系统整合而制造的系统，以便进一步优化提供给驾驶者的转向条件。

通常情况下，AFS系统是这样的系统：针对每个车速改变转向传动比，以便当车辆停止及停车时，减少方向盘的转向力，且在车辆以高速行驶时实现最佳转向传动比。

例如，在主动前轮转向类型的AFS系统的情况下，可通过致动器以及驾驶者来增加或减小转向角，从而在车辆以低速行驶时通过减小转向比来改善转向响应能力，并且即使在车辆以高速行驶时通过增加转向比，也能够使驾驶者稳定驾驶车辆。

AFS系统，由于其驾驶特性，而包括：致动器，诸如电机和减速器，其产生除了从驾驶者输入的转向之外的附加转向输入；以及AFSECU，其通过控制致动器来改变转向输出。

由于AFS系统应用于量产的车辆，因此AFS系统的适销性是众所周知的，然而，由于高价选项成本，AFS系统通常仅应用于高档车辆。

其原因在于，由于该系统的复杂性和大量的组件，材料成本不可避免地增高。

因此，为了广泛应用AFS系统，存在开发低端AFS系统的需求，以简化该系统，并通过减少组件数量来减少材料成本。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种实施为新型AFS系统的低端自适应前转向系统，其中空心电机应用于转向柱轴，并根据与上轴一起旋转的电机轴的旋转方向和旋转量改变转向传动比，使得整个系统得以简化，并通过减少组件数量来减少材料成本。

在一个方面，本发明提供一种用于车辆的自适应前转向系统，包括：上轴，其与方向盘连接；下轴，其用作输出轴；以及空心电机，其同轴布置在转向柱轴上，并连接在上轴与下轴之间，

在一个优选实施方式中，空心电机的电机壳体连接至上轴，空心电机的电机轴连接于下轴，以便根据与上轴一同旋转的空心电机的电机轴的旋转方向和旋转量来改变转向传动比。

在另一个优选实施方式中，空心电机的电机壳体与上轴可通过上行星齿轮系连接。

在又一个优选实施方式中，上行星齿轮系包括：太阳齿轮，其安装在上轴上；环形齿轮，其安装在电机壳体的壳体适配器上；以及多个行星齿轮，其插置在太阳齿轮与环形齿轮之间，行星齿轮与太阳齿轮和环形齿轮啮合，以传递动力。

在又一个优选实施方式中，空心电机的电机轴与下轴可通过下行星齿轮系连接。

在又一个优选实施方式中，下行星齿轮系可包括：太阳齿轮，其安装在下轴上；环形齿轮，其安装在电机轴的轴适配器上；以及多个行星齿轮，其插置在太阳齿轮和环形齿轮之间，行星齿轮与太阳齿轮和环形齿轮啮合，以传递动力。

在又一个优选实施方式中，自适应前转向系统，还可包括：锁定单元，其用于在电机驱动动力转向(MDPS)系统失效时，联结上轴和下轴；扭矩和角度传感器(TAS)安装在上轴上，扭矩和角度传感器将关于转向角度和转向扭矩的信息传输到发动机控制单元(ECU)。

本发明提供的自适应前转向系统具有以下优点：

第一，由于电机同轴安置在转向柱轴上，因此与具有蜗轴和蜗轮结构的现有AFS系统或者具有带结构的现有AFS系统相比，组件数量减少，并且电机壳体与上轴一起旋转以便直接确定输出轴的旋转角度，因此由于不需要复杂的齿轮系而简化系统，由于减小了组件数量而减少材料成本，因此，可设计出紧凑的AFS系统，从而具有封装上的优点。

第二，当电机壳体旋转时，连接于电机壳体的线材会缠绕，然而，因为行星齿轮系分别应用到电机的上侧和下侧，因此可解决线材缠绕的问题，并且电机被设计成仅在±90°角度范围内旋转。

将在下文讨论本发明的其它方面和优选实施例。

附图说明

现在参考在附图中示出的某些示例性的实施方式来详细描述本发明的上述和其它特征，仅仅以示例性的方式给出下文中的附图，因此其不构成对本发明的限制，并且其中：

图1为示出根据本发明的示例性实施例的自适应前转向系统的示意性剖视图；

图2为示出根据本发明的示例性实施例的自适应前转向系统的上行星齿轮系的立体图；以及

图3为示出根据本发明的示例性实施例的自适应前转向系统的下行星齿轮系的立体图。

应当理解，附图未必按比例绘制，呈现展示本发明基本原理的各种优选特征的一定程度简化表示。本文所公开的本发明具体设计特征(包括例如具体尺寸、取向、位置和形状)将部分通过特定预期应用和使用环境而确定。

在附图中，贯穿附图的几个图中，附图标记指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

应当理解，如本文所用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语是诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的通用机动车辆，包括各种船和海船的船只，航空器等的包含物，且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如衍生自非石油资源的燃料)。如在本文所指，混合动力车辆是有两个或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电动力都有的车辆。

在此使用的专业词语仅为了描述具体实施例的目的，并不意图限制本发明。如本文所用，除非上下文另行明确指示，否则单数形式“一个/种”和“该”也包含复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括的”指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所用，术语“和/或”包括相关列出项的一个或多个的任何及全部组合。贯穿本说明书，除非明确地相反描述，否则单词“包括”和诸如“包括了”或“包括的”的变体应理解意为所述元件的包含物但不排除任何其他元件。另外，在本说明中所述的术语“单元”、“者”、“器”和“模块”意为用于处理至少一个功能和工作且能够由硬件部件或软件部件及其组合实现的单元。

此外，本发明的控制逻辑可实施为在计算机可读媒介上的非易失性计算机可读介质，所述计算机可读媒介包含被处理器、控制器等执行的可执行程序。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光数据存储设备。计算机可读介质也能够分布在耦连计算机系统的网络中，使得计算机可读介质例如由远程服务器或控制器局域网(CAN)以分布的方式存储和执行。

在下文将具体地参考本发明的各种实施例，其示例在附图中示出并且在以下描述。虽然本发明将连同示例性实施例描述，但应当理解，该描述不旨在将本发明限制在这些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施例，而且也涵盖可包括在由随附权利要求限定的本发明的精神和范围的各种替代物、改型、等同物和其它实施例。

在下文，将参考附图具体描述本发明。

图1为示出根据本发明的示例性实施例的自适应前转向系统的示意性剖视图；而图2和3为立体图，分别示出根据本发明的示例性实施例的自适应前转向系统的上行星齿轮系和下行星齿轮系。

如图1至3所示，自适应前转向系统实施为低端型号，其通过根据配备有电机驱动动力转向系统(MDPS)的车辆的驾驶情况改变转向传动比，从而改善转向便利性和驾驶稳定性。

例如，自适应前转向系统具有这样的结构，其中使用在转向柱轴上的空心电机，电机壳体连接于上轴，电机轴连接于下轴，并且上轴和下轴未机械连接，并可彼此相对移动。

即，与通过使用行星齿轮或谐波齿轮，或蜗杆和蜗轮来调节旋转角度的现有AFS不同，本发明提供的自适应前转向系统被配置成一种系统，其中根据与上轴一起旋转的空心电机的电机轴的旋转方向和旋转量来改变转向传动比。

为此，自适应前转向系统包括连接至方向盘(未示出)的上轴10。

上轴10与转向柱轴(未示出)同轴设置，并通过法兰紧固结构(未示出)或连结件(未示出)连接结构结合到转向柱轴，并且以与由驾驶者操作的方向盘相同的速度和角度操作上轴10。

在这种情况下，为了识别驾驶者的转向意图，TAS 23同轴布置在上轴10上，并且关于转向角度和转向扭矩的信息从TAS 23传输到发动机控制单元(ECU)。

自适应前转向系统包括下轴11，其用作方向盘的操作的最终输出轴。

下轴11与上轴10同轴布置，并通过连接于下行星齿轮系20而被支撑(后面会详述)。

从下轴11输出的动力可被传输至齿轮箱(未示出)。

自适应前转向系统包括空心电机12，其与转向柱轴同轴布置，并连接在上轴10和下轴11之间。

空心电机12包括电机壳体13和电机轴14，并且以电机壳体13向上定向而电机轴14向下定向的状态连接至上轴10和下轴11。

例如，通过利用形成于电机壳体13后部的圆板形壳体适配器17，壳体13可通过上行星齿轮系15连接至上轴10。

通过利用通过联结器24连接于电机轴14的尖端部的圆板形轴适配器21，电机轴14可通过下行星齿轮系20连接至下轴11。

空心电机12与ECU电连接，并通过供应来自ECU的电力而旋转。

因为空心电机12的电机轴14未机械地固定到上轴10，因此电机轴14可仅通过由ECU调节的电流而旋转，而与上轴10的旋转无关。

自适应前转向系统包括两个行星齿轮系，即，上行星齿轮系15和下行星齿轮系20，它们定位在空心电机12的上方和下方，并在空心电机12、上轴10和下轴11之间传递动力。

因为环形齿轮是固定的，因而传动比也是固定的，因此行星齿轮系对转向角度的改变没有影响。

也就是说，与使用现有行星齿轮系的AFS系统中的行星齿轮系的功能(转向传动比的改变)不同，行星齿轮系用于减小与上轴10连接的电机壳体13的旋转角度，并且在系统失效时将上轴10与下轴11之间的旋转传动比保持为1:1。

自适应前转向系统包括上行星齿轮系15，其在上轴10与空心电机12之间传递动力。

上行星齿轮系15包括太阳齿轮16a、环形齿轮18a和多个行星齿轮19a的组合。

在此，太阳齿轮16a同轴安装在上轴10上，并可以与上轴10一同旋转，环形齿轮18a同心布置在太阳齿轮16a的外周边，并通过由转向柱(未示出)支撑而固定地安装，而行星齿轮19a布置在位于中心的太阳齿轮16a与位于外周边的环形齿轮18a之间的间隔中，并与太阳齿轮16a和环形齿轮18a啮合以便传递动力，使得行星齿轮19a同时旋转和回转(revolve)。

在这种情况下，行星齿轮19a可以是以预定间隔布置的四个齿轮，并且各个行星齿轮19a可由齿轮轴25自由、可旋转地支撑，该齿轮轴25从形成在电机壳体13上的壳体适配器17的上表面竖直延伸。

因此，当随着驾驶者操作方向盘而使上轴10旋转时，太阳齿轮16a旋转，且各个行星齿轮19a相对于固定的环形齿轮18a旋转，并同时围绕太阳齿轮16a回转，因此，电机壳体13(其包括具有行星齿轮19a的壳体适配器17)可围绕上轴的轴线整体地旋转。

即，当上轴10旋转时，该旋转被传递到上行星齿轮系15，因此，电机壳体13也旋转。

在这种情况下，利用上行星齿轮系15的传动比，电机壳体13的旋转角度比上轴10的旋转角度更小。

例如，在上行星齿轮系15的传动比为1:4的情况下，当方向盘旋转360°时，电机壳体13旋转90°。随着如上述地调节传动比，即使在方向盘处于锁定至锁定状态时，电机壳体13也可旋转约180°。

该旋转角度可解决连接于空心电机的电源线或信号线因电机壳体13的旋转而发生缠绕的问题。

自适应前转向系统包括下行星齿轮系20，其在下轴11与空心电机12之间传递动力。

与上行星齿轮系15相同，下行星齿轮系20包括太阳齿轮16b、环形齿轮18b和多个行星齿轮19b的组合。

在此，太阳齿轮16b同轴安装在下轴11上，并可与下轴11一起旋转，环形齿轮18b同心布置在太阳齿轮16b的外周边，并通过转向柱(未示出)支撑而固定地安装，而行星齿轮19b布置在位于中心处的太阳齿轮16b与位于外周边的环形齿轮18b之间的间隔中，并与太阳齿轮16b和环形齿轮18b啮合以传递动力，使得行星齿轮19b同时旋转和回转。

在这种情况下，行星齿轮19b可以是以预定间隔设置的四个齿轮，并且各个行星齿轮19b可由齿轮轴25自由、可旋转地支撑，该齿轮轴25从通过联结器24连接至电机轴14的轴适配器21的底面竖直延伸。

因此，当空心电机12的电机轴14通过ECU控制而旋转时，布置在电机轴14的轴适配器21上的各个行星齿轮19b相对于固定的环形齿轮18b旋转和回转，太阳齿轮16b与行星齿轮19b的旋转和回转相关地旋转，以便可在通过与太阳齿轮16b一起旋转的下轴11输出动力时执行转向操作。

在这种情况下，可根据电机轴14的旋转方向和旋转量来改变转向传动比。

自适应前转向系统包括锁定单元22，其用于当电机驱动动力转向(MDPS)系统失效时联结上轴10和下轴11。

锁定单元22是使用电磁阀的类型，且锁定单元22安装在电机壳体13的前表面(底面)的一侧处，并通过选择性地联结至轴适配器21而操作。

在此，电磁阀型锁定单元可采用与应用于典型AFS系统的电磁阀型锁定单元类似的结构和方法。

例如，当操作锁定单元22时，电磁阀的活塞26插入并紧固到形成于轴适配器21中的孔(未示出)或槽(未示出)中，因此，电机壳体13和具有电机轴14的轴适配器21可彼此联结。

即，因为上轴10和下轴11未机械固定，因此当MDPS系统失效时，即使上轴10旋转，下轴11也不移动。

为此，需要使用电磁阀的锁定单元22。

利用锁定单元22，当发动机关闭或处于失效模式时，靠近下行星齿轮系的电机壳体13和轴适配器21通常彼此连接。

例如，如果不存在下行星齿轮系20，则最小旋转半径会变得非常大，因为即使方向盘旋转360°，下轴11也旋转90°。

为了防止最小旋转半径变大，将下行星齿轮系20布置在电机轴14与下轴11之间，以便即使在MDPS失效时，也能将总体转向传动比保持在1:1。

在典型的AFS系统中的行星齿轮系是用于改变转向传动比的装置，然而，由于本发明提供的上行星齿轮系15用于减少电机壳体13的旋转角度，而下行星齿轮系20用于在MDPS失效时将总体转向传动比适应到1:1。

因此，当驾驶者操作方向盘时，操作力可通过上轴10→上行星齿轮系15→空心电机12→下行星齿轮系20→下轴11而被输出，以便执行转向操作。此外，当空心电机12根据车辆行驶的情况而操作时，根据电机轴14的旋转量改变转向传动比，因此，可确保转向便利性和驾驶稳定性。

如上所述，在本发明中，由于应用了配备有空心电机以及以两列布置的行星齿轮系的AFS系统，相比于使用行星齿轮系的现有AFS系统相比，组件的数量减少了，因此该系统在成本和封装上具有优势。

上面已经参考本发明的优选实施例对本发明进行详细描述。然而，本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明原理和精神的情况下，还可作出对这些实施例的修改，本发明的范围由随附权利要求及其等价物限定。

Claims (7)

1.一种车辆的自适应前转向系统，包括：

上轴，其与方向盘连接；

下轴，其用作输出轴；以及

空心电机，其同轴布置在转向柱轴上，并连接在所述上轴与所述下轴之间，

其中所述空心电机的电机壳体连接至所述上轴，所述空心电机的电机轴连接于所述下轴，以便根据与所述上轴一同旋转的所述空心电机的电机轴的旋转方向和旋转量来改变转向传动比。

2.根据权利要求1所述的自适应前转向系统，其中所述空心电机的电机壳体与所述上轴通过上行星齿轮系连接。

3.根据权利要求2所述的自适应前转向系统，其中所述上行星齿轮系包括：

太阳齿轮，其安装在所述上轴上；

环形齿轮，其安装在所述电机壳体的壳体适配器上；以及

多个行星齿轮，其插置在所述太阳齿轮与所述环形齿轮之间，所述行星齿轮与所述太阳齿轮和所述环形齿轮啮合，以传递动力。

4.根据权利要求1所述的自适应前转向系统，其中所述空心电机的电机轴与所述下轴通过下行星齿轮系连接。

5.根据权利要求4所述的自适应前转向系统，其中所述下行星齿轮系包括：

太阳齿轮，其安装在所述下轴上；

环形齿轮，其安装在所述电机轴的轴适配器上；以及

多个行星齿轮，其插置在所述太阳齿轮和所述环形齿轮之间，所述行星齿轮与所述太阳齿轮和所述环形齿轮啮合，以传递动力。

6.根据权利要求1所述的自适应前转向系统，还包括：

锁定单元，其用于在电机驱动动力转向(MDPS)系统失效时，联结所述上轴和所述下轴。

7.根据权利要求1所述的自适应前转向系统，其中扭矩和角度传感器(TAS)安装在所述上轴上，所述扭矩和角度传感器将关于转向角度和转向扭矩的信息传输到发动机控制单元(ECU)。