CN109911005A - 一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，系统中主电机和辅助电机分别通过主电机齿轮和辅助电机齿轮连接到中间轴；中间轴的输出端通过转矩耦合器与第二转向轴并联；转矩耦合器的输出端连接转向器；转向盘转矩转角传感器的输出端、主电机的控制端、辅助电机的控制端、第一电磁离合器的控制端和第二电磁离合器的控制端连接控制器。本发明通过设置两台通过平行轴结构连接的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，控制主电机单独助力或者主、辅助电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的需求，并且提高商用车的燃油经济性，降低运输成本。
Description
技术领域
本发明属于助力转向系统技术领域，具体涉及一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法。
背景技术
现有的电动助力转向系统安全性、可靠性较高，转向特性曲线较理想。同时，由于采用直流电机，不需发动机提供高压油，整车燃油经济性较好。但是，受汽车用电池供电电压、安装尺寸等因素的限制，电动助力转向系统输出转矩较小，无法满足商用车转向助力的要求，目前应用领域仍局限于乘用车和轻型商用车。因此，从燃油经济性来看，采用大输出转矩的电动助力转向系统对于提高商用车的燃油经济性、降低运输成本具有积极意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，以解决电动助力转向系统输出转矩过小，无法满足商用车需求的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统，包括转向盘、控制器、转矩耦合器、转向器、双电机和中间轴，转向盘通过转矩耦合器与转向器连接，双电机分别经中间轴与转矩耦合器连接，双电机通过平行轴结构连接，控制端分别与控制器连接，控制器根据车速信号和转向盘转矩信号，控制双电机输出转矩。
具体的，双电机包括主电机和辅助电机，主电机和辅助电机分别与中间轴的一端连接，中间轴的另一端经减速机构与转矩耦合器连接。
进一步的，主电机通过主电机齿轮与第一中间轴齿轮连接，辅助电机经辅助电机齿轮与第二中间轴齿轮连接，第一中间轴齿轮和第二中间轴齿轮均与中间轴连接。
更进一步的，辅助电机通过第一电磁离合器连接辅助电机齿轮，第一电磁离合器的控制端与控制器连接。
进一步的，减速机构与转矩耦合器之间设置有第二电磁离合器，第二电磁离合器的控制端与控制器连接。
具体的，转向盘依次经第一转向轴和第二转向轴与转矩耦合器连接，中间轴的输出端与第二转向轴通过转矩耦合器并联，转矩耦合器经第三转向轴与转向器连接。
进一步的，第一转向轴上设置有转向盘转矩转角传感器，转向盘转矩转角传感器的输出端与控制器连接。
本发明的另一个技术特征是，一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统的转向方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集车速信号、侧向加速度信号和转角信号并发送给控制器，确定转向盘具有的转向力矩；
S2、控制器将步骤S1的结果与转矩转角传感器采集的转向盘转矩进行运算，得出助力电机的输出转矩；
S3、控制器对助力电机输出的转矩进行判断，如果助力电机应当输出的转矩小于或等于主电机的最大输出转矩，断开第一电磁离合器，通过控制器控制主电机的输出转矩，完成转向助力；如果助力电机应当输出的转矩大于主电机的最大输出转矩，闭合第一电磁离合器，控制器控制主电机和辅助电机共同输出转矩，完成转向助力。
具体的，步骤S1中，车速传感器采集的车速信号、加速度传感器测得的侧向加速度信号和转向盘转矩转角传感器采集的转角信号输出至控制器，并与控制器中存储的驾驶员平均偏好的转向力矩随侧向加速度和车速变化的特性曲线进行比对，得出转向盘具有的转向力矩。
具体的，当助力转向系统出现故障时，由控制器控制断开第二电磁离合器，防止发生自动转向，此时仍可使用手动转向。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于平行轴的双电机电动助力转向系统，通过设置两台通过平行轴结构连接的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，控制主电机单独助力或者主、辅助电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的需求，采用大输出转矩的电动助力转向系统对于提高商用车的燃油经济性、降低运行成本具有积极意义。通过设置减速机构起到减速增扭的作用，降低电机转速，并且增大助力电机的输出转矩。
进一步的，主电机和辅助电机分别通过主电机齿轮和辅助电机齿轮连接到中间轴，从而实现转矩耦合。
进一步的，主电机连接主电机齿轮，辅助电机通过第一电磁离合器连接辅助电机齿轮，主电机齿轮和辅助电机齿轮分别与中间轴上的齿轮一和齿轮二相啮合，从而在中间轴上实现主电机和辅助电机的转矩耦合。
进一步的，第一电磁离合器用于连接辅助电机和辅助电机齿轮，用于控制辅助电机是否接入助力转向系统；第二电磁离合器起到保护作用，当电机出现异常情况时，自动切断第二电磁离合器，使转向变为手动转向，防止车辆自动转向造成重大事故，保证转向的可靠性；其中，第一电磁离合器为常开状态，第二电磁离合器为常闭状态。
本发明还提供了一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统的转向方法，车速传感器采集的车速信号和转向盘转矩转角传感器采集的转角信号及加速度传感器测得的侧向加速度信号输出至控制器，并与控制器中存储的我国驾驶员平均所偏好的转向力矩、侧向加速度和车速的变化曲线进行比对，得出转向盘应当具有的转向力矩；然后，与转向盘转矩传感器采集的转向盘转矩进行运算，得出助力电机应当输出的转矩；接着，对助力电机应当输出的转矩进行判断，如果助力电机应当输出的转矩小于或等于主电机的最大输出转矩，断开第一电磁离合器，通过控制器控制主电机的输出转矩，完成转向助力；如果助力电机应当输出的转矩大于主电机的最大输出转矩，闭合第一电磁离合器，控制器控制主电机和辅助电机共同输出转矩，完成转向助力。
进一步的，当电机出现异常情况时，切断第二电磁离合器，防止车辆自动转向造成重大事故，第二电磁离合器起到保护作用，此时仍可使用机械转向。
综上所述，本发明通过设置两台通过平行轴结构连接的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，控制主电机单独助力或者主、辅助电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的需求，同时提高商用车的燃油经济性，降低运输成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明双电机电动助力转向系统的结构简图；
图2为本发明双电机电动助力转向系统的控制策略图；
图3为我国驾驶员平均所偏好的转向力矩随侧向加速度和车速变化的关系曲线图。
其中：1.转向盘；2.第一转向轴；3.转向盘转矩转角传感器；4.控制器；5.主电机；6.主电机齿轮；7.第一电磁离合器；8.辅助电机；9.辅助电机齿轮；10-1.第一中间轴齿轮；10-2.第二中间轴齿轮；11.第二电磁离合器；12.减速机构；13.第二转向轴；14.转矩耦合器；15.第三转向轴；16.转向器；17.中间轴。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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。
本发明提供了一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，主电机5和辅助电机8分别通过主电机齿轮和辅助电机齿轮连接到中间轴；中间轴的输出端通过转矩耦合器14与第二转向轴13并联；转矩耦合器14的输出端连接转向器16；转向盘转矩转角传感器3的输出端、主电机5的控制端、辅助电机8的控制端、第一电磁离合器7的控制端和第二电磁离合器11的控制端连接控制器4。本发明通过设置两台通过平行轴结构连接的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，控制主电机单独助力或者主、辅助电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的需求，并且提高商用车的燃油经济性，降低运输成本。
请参阅图1，本发明一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统，包括转向盘1、第一转向轴2、转向盘转矩转角传感器3、控制器4、主电机5、第一电磁离合器7、辅助电机8、第一中间轴齿轮10-1、第二中间轴齿轮10-2、第二电磁离合器11、减速机构12、第二转向轴13、转矩耦合器14、转向器16、中间轴17。
转向盘1下方连接第一转向轴2，第一转向轴2通过万向节连接第二转向轴13；转向盘转矩转角传感器3设置在转向盘1下方，用来检测作用在转向盘1上的转矩和转向盘转角信号；主电机5连接主电机齿轮6，辅助电机8通过第一电磁离合器7连接辅助电机齿轮9；主电机齿轮6和辅助电机齿轮9分别与第一中间轴齿轮10-1和第二中间轴齿轮10-2相啮合，从而在中间轴17上实现主电机5和辅助电机8的转矩耦合；中间轴17的输出端与第二转向轴13通过转矩耦合器14并联；转矩耦合器14的输出端通过第三转向轴15连接转向器16；转向盘转矩转角传感器3的输出端、主电机5的控制端、辅助电机8的控制端、第一电磁离合器7的控制端和第二电磁离合器11的控制端连接控制器4。
中间轴的17输出端连接减速机构12的输入端，减速机构12用来降低电机转速，增大输出转矩；减速机构12的输出端连接第二电磁离合器11的一端；第二电磁离合器11的另一端与第二转向轴13通过转矩耦合器14实现转矩耦合，耦合后的转矩作用于转向器16，实现车辆转向过程。
当助力转向系统出现故障时，由控制器4控制，断开第二电磁离合器11，防止发生车辆自动转向，此时仍可使用机械转向。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
请参阅图2，本发明一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统的转向方法，包括以下步骤：
S1、采集车速信号、侧向加速度信号和转角信号并发送给控制器4，确定转向盘具有的转向力矩；
车速传感器采集的车速信号、加速度传感器测得的侧向加速度信号和转向盘转矩转角传感器3采集的转角信号输出至控制器4，并与控制器4中存储的驾驶员平均偏好的转向力矩随侧向加速度和车速变化的特性曲线进行比对，得出转向盘1应当具有的转向力矩；
S2、控制器4将步骤S1结果与转矩转角传感器3采集的转向盘转矩进行运算，得出助力电机的输出转矩；
控制器4将得出的转向盘应当具有的转向力矩与转矩转角传感器3采集的转向盘转矩进行运算，得出助力电机应当输出的转矩；
S3、控制器4对助力电机应当输出的转矩进行判断，如果助力电机应当输出的转矩小于或等于主电机5的最大输出转矩，断开第一电磁离合器7，通过控制器4控制主电机5的输出转矩，完成转向助力；如果助力电机应当输出的转矩大于主电机5的最大输出转矩，闭合第一电磁离合器7，控制器4控制主电机5和辅助电机8共同输出转矩，完成转向助力。
当助力转向系统出现故障时，由控制器4控制，断开第二电磁离合器11，防止发生自动转向，此时仍可使用手动转向。
控制器4根据车速信号、转向盘转角信号和侧向加速度信号，并比对控制器4中存储的驾驶员偏好的转向力矩、侧向加速度和车速的变化曲线，如图3所示，控制两助力电机转矩；此外可以通过实验得出不同车速下的驾驶员偏好的转向力矩随侧向加速度变化的曲线来控制主电机5和辅助电机8的输出转矩。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统，其特征在于，包括转向盘(1)、控制器(4)、转矩耦合器(14)、转向器(16)、双电机和中间轴(17)，转向盘(1)通过转矩耦合器(14)与转向器(16)连接，双电机分别经中间轴(17)与转矩耦合器(14)连接，双电机通过平行轴结构连接，控制端分别与控制器(4)连接，控制器(4)根据车速信号和转向盘转矩信号，控制双电机输出转矩。
2.根据权利要求1所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，双电机包括主电机(5)和辅助电机(8)，主电机(5)和辅助电机(8)分别与中间轴(17)的一端连接，中间轴(17)的另一端经减速机构(12)与转矩耦合器(14)连接。
3.根据权利要求2所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，主电机(5)通过主电机齿轮(6)与第一中间轴齿轮(10-1)连接，辅助电机(8)经辅助电机齿轮(9)与第二中间轴齿轮(10-2)连接，第一中间轴齿轮(10-1)和第二中间轴齿轮(10-2)均与中间轴(17)连接。
4.根据权利要求3所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，辅助电机(8)通过第一电磁离合器(7)连接辅助电机齿轮(9)，第一电磁离合器(7)的控制端与控制器(4)连接。
5.根据权利要求2所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，减速机构(12)与转矩耦合器(14)之间设置有第二电磁离合器(11)，第二电磁离合器(11)的控制端与控制器(4)连接。
6.根据权利要求1所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，转向盘(1)依次经第一转向轴(2)和第二转向轴(13)与转矩耦合器(14)连接，中间轴(17)的输出端与第二转向轴(13)通过转矩耦合器(14)并联，转矩耦合器(14)经第三转向轴(15)与转向器(16)连接。
7.根据权利要求6所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，第一转向轴(2)上设置有转向盘转矩转角传感器(3)，转向盘转矩转角传感器(3)的输出端与控制器(4)连接。
8.一种根据权利要求1所述基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统的转向方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集车速信号、侧向加速度信号和转角信号并发送给控制器，确定转向盘具有的转向力矩；
S2、控制器将步骤S1的结果与转矩转角传感器采集的转向盘转矩进行运算，得出助力电机的输出转矩；
S3、控制器对助力电机输出的转矩进行判断，如果助力电机应当输出的转矩小于或等于主电机的最大输出转矩，断开第一电磁离合器，通过控制器控制主电机的输出转矩，完成转向助力；如果助力电机应当输出的转矩大于主电机的最大输出转矩，闭合第一电磁离合器，控制器控制主电机和辅助电机共同输出转矩，完成转向助力。
9.根据权利要求8所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，步骤S1中，车速传感器采集的车速信号、加速度传感器测得的侧向加速度信号和转向盘转矩转角传感器采集的转角信号输出至控制器，并与控制器中存储的驾驶员平均偏好的转向力矩随侧向加速度和车速变化的特性曲线进行比对，得出转向盘具有的转向力矩。
10.根据权利要求8所述的基于平行轴结构的双电机电动助力转向系统及其方法，其特征在于，当助力转向系统出现故障时，由控制器控制断开第二电磁离合器，防止发生自动转向，此时仍可使用手动转向。
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