CN109911006B - 一种基于同步器的双电机电动助力转向系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步器的双电机电动助力转向系统及其方法，主电机和辅助电机通过轴‑固定齿轮单元耦合转矩，转矩耦合后通过行星齿轮单元的行星架输出；行星架输出轴通过转矩耦合器与第二转向轴并联；转矩耦合器将转矩输出至转向器；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、电磁离合器的控制端连接控制器。本发明通过设置两台由行星齿轮单元和轴‑固定齿轮单元相连的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，由控制器控制单电机单独助力或者主、辅电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的要求，并且提高商用车的燃油经济性，降低运输成本。

Description

一种基于同步器的双电机电动助力转向系统及其方法

技术领域

本发明属于助力转向技术领域，具体涉及一种基于同步器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，提供一种基于同步器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较小，无法满足商用车需求的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种基于同步器的双电机电动助力转向系统，包括转向盘、转矩耦合器、转向器、双电机和控制器，双电机通过轴-固定齿轮单元耦合转矩后通过行星齿轮单元行星架的输出轴与转矩耦合器连接，转向盘通过转矩耦合器与行星架的输出轴并联连接，转矩耦合器将转矩输出至转向器，双电机的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实现助力转向。

具体的，行星齿轮单元包括设置在齿圈中心的太阳轮、行星轮和行星架，行星轮啮合在太阳轮与齿圈之间，行星架设置在行星轮上，行星架通过行星轮、太阳轮、齿圈与双电机连接。

进一步的，双电机包括主电机和辅助电机，主电机为空心轴电机，与太阳轮连接，太阳轮经行星轮与行星架的输出轴连接；辅助电机通过辅助电机齿轮与同步器结合套连接，经同步器结合套与太阳轮或齿圈连接，齿圈通过行星轮与行星架的输出轴连接。

进一步的，同步器结合套经转速耦合齿轮与齿圈连接，或经转矩耦合齿轮与主电机齿轮连接，太阳轮和主电机齿轮均与主电机的输出轴连接。

更进一步的，转矩耦合齿轮上安装有第一制动器，齿圈上安装有第二制动器。

具体的，行星架的输出轴经减速机构与转矩耦合器连接，减速机构与转矩耦合器之间设置有电磁离合器，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，转矩耦合器经第三转向轴与转向器连接，第一转向轴上安装有与控制器连接的转向盘转矩转角传感器。

本发明的另一个技术特征是，一种基于同步器的双电机电动助力转向系统的转向控制方法，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，确定转向盘具有的转向力矩；

S2、控制器将步骤S1结果与转向盘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，控制器关闭辅助电机，同步器结合套处于中间位置，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，控制器开启辅助电机，同步器结合套处于左端，主电机、辅助电机的转矩通过转矩耦合齿轮实现耦合并由行星架输出，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，步骤S3中，当主电机故障时，控制器关闭主电机，并开启辅助电机，同步器结合套处于右端，第一制动器结合，第二制动器分离，控制器控制辅助电机单独输出助力转矩；当助力转向系统出现故障时，控制器控制断开电磁离合器，防止发生自动转向。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于同步器的双电机电动助力转向系统，通过设置两台由行星齿轮单元和轴-固定齿轮单元相连的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，由控制器控制单电机单独助力或者主、辅电机共同输出转矩，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。

进一步的，主电机采用空心轴的形式，行星架输出轴设置在主电机轴的内部以实现助力转矩的输出，还节省了部分布置空间。

进一步的，中间轴上布置有同步器，从而辅助电机可以实现不同的连接形式。当同步器结合套处于左端时，辅助电机与转矩耦合齿轮连接，进而通过转矩耦合齿轮与主电机齿轮啮合连接到太阳轮；当结合套处于右端时，辅助电机与转速耦合齿轮连接，进而与齿圈相连。

进一步的，辅助电机也可以单独助力，当主电机故障时，控制器关闭主电机并开启辅助电机，同步器结合套处于右端，控制器控制辅助电机单独输出助力转矩。

进一步的，转矩耦合齿轮上安装有第一制动器，齿圈上安装有第二制动器，两个制动器用来控制行星齿轮单元的自由度，实现不同的助力模式。主电机单独助力时，同步器结合套处于中间位置，第一制动器分离，第二制动器结合；辅助电机单独助力时，同步器结合套处于右端，第一制动器结合，第二制动器分离；主、辅助电机共同助力时，同步器结合套处于左端，第一制动器分离，第二制动器结合。

进一步的，在行星架输出端设置电磁离合器，用于保护系统，当电机出现异常情况时，自动切断电磁离合器，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。

进一步的，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。

本发明还提供了一种基于同步器的双电机电动助力转向系统的助力转向方法，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，将转向盘应当具有的转向力矩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，控制器关闭辅助电机，同步器结合套处于中间位置，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，控制器开启辅助电机，同步器结合套处于左端，主、辅电机的转矩通过转矩耦合齿轮实现耦合并由行星架输出，完成转向助力。

综上所述，本发明通过设置两台由行星齿轮单元和轴-固定齿轮单元相连的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，由控制器控制单电机单独助力或者主、辅电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的要求，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助力转向方法步骤简图；

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.第二转向轴；5.转矩耦合器；6.第三转向轴；7.转向器；8.控制器；9.主电机；10.主电机齿轮；11.太阳轮；12.行星轮；13.齿圈；14.行星架；15.辅助电机；16.辅助电机齿轮；17.转速耦合齿轮；18.同步器结合套；19.转矩耦合齿轮；20.减速机构；21.电磁离合器；22.第一制动器；23.第二制动器。

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同步器的双电机电动助力转向系统及其方法，主电机9和辅助电机15通过轴-固定齿轮单元耦合转矩，转矩耦合后通过行星齿轮单元的行星架14输出；行星架14的输出轴通过转矩耦合器5与第二转向轴4并联；转矩耦合器5将转矩输出至转向器7；转向盘转矩转角传感器3的输出端、主电机9的控制端、辅助电机15的控制端、电磁离合器21的控制端连接控制器8。本发明通过设置两台由行星齿轮单元和轴-固定齿轮单元相连的助力电机，根据车速信号和转向盘转矩信号，由控制器控制单电机单独助力或者主、辅电机共同输出转矩，满足商用车等对较大助力转矩的要求，并且提高商用车的燃油经济性，降低运输成本。

请参阅图1，本发明一种基于同步器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、第一转向轴4、转矩耦合器5、转向器7、控制器8、主电机9、行星齿轮单元(太阳轮11、行星轮12、齿圈13、行星架14)、辅助电机15、转速耦合齿轮17、同步器结合套18、转矩耦合齿轮19、减速机构20、电磁离合器21、第一制动器22、第二制动器23。

行星齿轮单元包括设置在齿圈13中心的太阳轮11、行星轮12和行星架14，行星轮12啮合在太阳轮11与齿圈13之间，行星架14设置在行星轮12上，行星架14通过行星轮12、太阳轮11、齿圈13与双电机连接。

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4；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9连接行星齿轮单元的太阳轮11，辅助电机15通过辅助电机齿轮16与同步器结合套18连接太阳轮11或齿圈13，主电机9和辅助电机15的转矩通过轴-固定齿轮单元耦合，然后通过行星架14输出；行星架14的输出端与第二转向轴4通过转矩耦合器5并联；转矩耦合器5的输出端通过第三转向轴6连接转向器7；转向盘转矩转角传感器3的输出端、主电机9的控制端、辅助电机15的控制端、电磁离合器21的控制端连接控制器8。

主电机9采用空心轴电机，行星架14的输出轴从主电机9的空心轴中心穿过，从而实现助力转矩的输出，主电机9与太阳轮11连接，太阳轮11经行星轮12与行星架14的输出轴连接；辅助电机15通过辅助电机齿轮16与同步器结合套18连接，经同步器结合套18与太阳轮11或齿圈13连接，齿圈13通过行星轮12与行星架14的输出轴连接。

行星架14的输出端连接有减速机构20，减速机构20的输出端连接电磁离合器21的一端，电磁离合器21的另一端与第二转向轴4通过转矩耦合器5并联连接，从而实现转矩耦合，耦合后的转矩传递到转向器7，实现转向过程。

同步器安装于中间轴上，当同步器结合套18处于左端时，辅助电机15与转矩耦合齿轮19连接，进而通过转矩耦合齿轮19与主电机齿轮10啮合连接到太阳轮11；当同步器结合套18处于右端时，辅助电机15与转速耦合齿轮17连接，进而与齿圈13相连。

转矩耦合齿轮19上安装有第一制动器22，齿圈13上安装有第二制动器23，制动器用来控制行星齿轮单元的自由度。主电机9单独助力时，同步器结合套18处于中间位置，第一制动器22分离，第二制动器23结合；辅助电机15单独助力时，同步器结合套18处于右端，第一制动器22结合，第二制动器23分离；主电机9、辅助电机15共同助力时，同步器结合套18处于左端，第一制动器22分离，第二制动器23结合。

当助力转向系统出现故障时，由控制器8控制，断开电磁离合器21，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，本发明一种基于同步器的双电机电动助力转向系统的助力转向方法，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8，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8，并与控制器8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8将步骤S1结果与转向盘转矩转角传感器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8将得出的转向盘应当具有的转向力矩与转向盘转矩转角传感器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8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9的最大输出转矩，控制器8关闭辅助电机15，同步器结合套18处于中间位置，控制器8控制主电机9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9的最大输出转矩，控制器8开启辅助电机15，同步器结合套18处于左端，主电机9、辅助电机15的转矩通过转矩耦合齿轮19实现耦合并由行星架14输出，完成转向助力。

当主电机9故障时，控制器8关闭主电机9，并开启辅助电机15，同步器结合套18处于右端，第一制动器22结合，第二制动器23分离，控制器8控制辅助电机15单独输出助力转矩。

当助力转向系统出现故障时，由控制器8控制，断开电磁离合器21，防止发生自动转向。

控制器8根据车速信号、侧向加速度信号和转向盘转角信号，比对控制器8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9和辅助电机15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 (2)

1.一种基于同步器的双电机电动助力转向系统的转向控制方法，其特征在于，基于同步器的双电机电动助力转向系统包括转向盘(1)、转矩耦合器(5)、转向器(7)、双电机和控制器(8)，双电机通过轴-固定齿轮单元耦合转矩后通过行星齿轮单元行星架(14)的输出轴与转矩耦合器(5)连接，转向盘(1)依次经第一转向轴(2)和第二转向轴(4)与转矩耦合器(5)连接，转矩耦合器(5)经第三转向轴(6)与转向器(7)连接，第一转向轴(2)上安装有与控制器(8)连接的转向盘转矩转角传感器(3)，转向盘(1)通过转矩耦合器(5)与行星架(14)的输出轴并联连接，行星架(14)的输出轴经减速机构(20)与转矩耦合器(5)连接，减速机构(20)与转矩耦合器(5)之间设置有电磁离合器(21)，电磁离合器(21)的控制端与控制器(8)连接，转矩耦合器(5)将转矩输出至转向器(7)，双电机的控制端分别与控制器(8)连接，控制器(8)根据车速信号和转向盘转矩信号控制双电机输出转矩实现助力转向；

行星齿轮单元包括设置在齿圈(13)中心的太阳轮(11)、行星轮(12)和行星架(14)，行星轮(12)啮合在太阳轮(11)与齿圈(13)之间，行星架(14)设置在行星轮(12)上，行星架(14)通过行星轮(12)、太阳轮(11)、齿圈(13)与双电机连接，双电机包括主电机(9)和辅助电机(15)，主电机(9)为空心轴电机，与太阳轮(11)连接，太阳轮(11)经行星轮(12)与行星架(14)的输出轴连接；辅助电机(15)通过辅助电机齿轮(16)与同步器结合套(18)连接，经同步器结合套(18)与太阳轮(11)或齿圈(13)连接，齿圈(13)通过行星轮(12)与行星架(14)的输出轴连接，同步器结合套(18)经转速耦合齿轮(17)与齿圈(13)连接，或经转矩耦合齿轮(19)与主电机齿轮(10)连接，转矩耦合齿轮(19)上安装有第一制动器(22)，齿圈(13)上安装有第二制动器(23)，太阳轮(11)和主电机齿轮(10)均与主电机(9)的输出轴连接，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，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；

S2、控制器将步骤S1结果与转向盘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，控制器关闭辅助电机，同步器结合套处于中间位置，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，控制器开启辅助电机，同步器结合套处于左端，主电机、辅助电机的转矩通过转矩耦合齿轮实现耦合并由行星架输出，完成转向助力。

2.根据权利要求1所述的基于同步器的双电机电动助力转向系统的转向控制方法，其特征在于，步骤S3中，当主电机故障时，控制器关闭主电机，并开启辅助电机，同步器结合套处于右端，第一制动器结合，第二制动器分离，控制器控制辅助电机单独输出助力转矩；当助力转向系统出现故障时，控制器控制断开电磁离合器，防止发生自动转向。

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