CN109987135B - 用于重型车辆的转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转向系统，包括方向盘、转向管柱、液压转向器总成和转向连杆，转向管柱与方向盘转动连接，液压转向器总成与转向连杆连接，其还包括控制器以及分别与控制器电连接的信号收集系统和助力电机总成；助力电机总成通过角传动装置分别与转向管柱和液压转向器总成连接；信号收集系统包括车速传感器和扭矩转角传感器总成，扭矩转角传感器总成设置在转向管柱和方向盘之间的转轴上；控制器用于分析信号，并控制助力电机总成。与现有技术比较本发明的有益效果在于：该系统可有效解决重型车辆在低速时转向力沉重，回正不足，坑洼路面上驾驶舒适性差等问题。还可提高转向系统在高速行驶时的抗干扰性和紧急转向时的稳定性。

Description

用于重型车辆的转向系统

技术领域

本发明涉及车辆转向系统技术领域，具体涉及一种适用于重型车辆的动态转向系统。

背景技术

随着液压助力转向系统在重型越野车辆上的广泛的应用，极大地减轻了驾驶员驾驶车辆时的工作强度。然而传统液压助力转向系统的助力特性由转向控制阀及液压泵供油量决定，无法实现车辆理想的转向助力特性曲线。在理想情况下，车辆低速时助力转向系统提供较大的转向助力，车辆在高速时，助力转向系统提供较小的转向助力。因此，当现有的液压助力转向系统应用在转向桥轴荷较大的重型越野车辆上时，经常会出现低速转向时转向力沉重、回正不足，高速转向时，方向盘“发飘”的情况。同时，由于重型越野车辆的行驶路况恶劣，经常工作于坑洼路面。坑洼路面所造成的颠簸振动会通过转向系统的机械结构传递到方向盘上，这极大的影响着驾驶员驾驶车辆的舒适性。

一方面，针对上述问题专利公开文本CN103350718A及专利公开文本CN104169160A均提出了电动助力转向系统，即EPS系统，该系统采用助力电机代替原有的液压转向器，为车辆提供转向助力、回正助力及阻尼助力。然而对于重型越野车辆，由于其转向轴荷较大，现有的电机技术及电机驱动器无法满足功率输出需求。因此，该EPS系统仅适用于乘用车辆，并不适用于重型车辆。

另一方面，专利公开文本CN102717828A提出了一种汽车电动液压助力转向系统。与传统的液压助力转向系统相比，该方案通过电机驱动转向机液压泵。同时该方案还增加了检测装置、控制装置、蓄能器、电磁阀、单向阀、压力传感器等部件。

其工作原理如下：储油罐提供液压油，由驱动电机直接驱动液压泵。液压泵输出的高压油经过单向阀供给并储存于蓄能器中，蓄能器出口接常闭比例电磁阀。在转向时，控制装置根据检测装置的检测信号，输出PWM波控制电磁阀的开度，从而控制助力矩的大小，实现车辆理想的助力特性曲线。

但是上述专利申请，仅实现了助力特性的实时调节。仍难以实现车辆低速时的转向系统准确回正，以及在坑洼路面行驶时具有良好的驾驶舒适性。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，本发明提供一种用于重型车辆的转向系统，包括方向盘、转向管柱、液压转向器总成和转向连杆，所述转向管柱与所述方向盘转动连接，所述液压转向器总成与所述转向连杆连接，其特征在于，其还包括控制器以及分别与所述控制器电连接的信号收集系统和助力电机总成；所述助力电机总成通过角传动装置分别与所述转向管柱和所述液压转向器总成连接；所述信号收集系统包括车速传感器和扭矩转角传感器总成，所述扭矩转角传感器总成设置在所述转向管柱和所述方向盘之间的转轴上；所述控制器用于分析信号，并控制所述助力电机总成。

较佳地，其包括电机驱动器，所述控制器通过所述电机驱动器与所述助力电机总成电连接，所述电机驱动器输出三相交变电流，用于驱动所述助力电机总成以提供助力矩。

较佳地，所述助力电机总成包括永磁无刷电机、减速器、电磁离合器和旋转变压器，所述永磁无刷电机通过所述电磁离合器与所述减速器连接；所述电磁离合器和所述旋转变压器分别与所述控制器电连接；所述旋转变压器与所述减速器连接，所述旋转变压器用于检测所述助力电机总成输出轴的转角。

较佳地，所述电磁离合器为干式单片电磁离合器，所述减速器为双极行星齿轮减速机构或涡轮蜗杆减速器。

较佳地，其还包括防侧翻系统，所述防侧翻系统包括横摆角速度传感器、所述车速传感器和所述控制器，所述横摆角速度传感器与所述控制器电连接，所述防侧翻系统用于动态限制车辆最大转向角。

较佳地，所述液压转向器总成包括循环球液压转向器、转向液压泵和储油罐，所述循环球液压转向器通过所述角传动装置与所述转向管柱连接；所述循环球液压转向器的进油口与所述转向液压泵的出油口相连，所述循环球液压转向器的出油口和所述储油罐的回油口相连。

较佳地，所述角传动装置为T型角传动装置，所述循环球液压转向器的输入端与所述T型角传动装置的输出端通过万向节连接。

较佳地，所述控制器中存储重型车辆转向助力特性MAP表、重型车辆回正助力特性MAP表和重型车辆阻尼助力特性MAP表。

较佳地，所述控制器为嵌入式可编程逻辑控制器。

较佳地，其还包括故障报警装置，所述故障报警装置与所述控制器电连接，所述故障报警装置包括声光报警器。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，提供一种用于重型车辆的动态转向系统。该系统仅在原有的液压助力转向系统上增加了助力电机总成及控制器，可有效解决重型车辆在低速时转向力沉重、回正不足，坑洼路面上驾驶舒适性差等问题。同时还可提高车辆转向系统在高速行驶时的抗干扰性和紧急转向时的稳定性。

本发明具有以下优点：

1)在传统的液压助力转向系统的基础上新增助力电机和控制器，由助力电机与循环球液压转向器共同提供转向助力矩，极大的降低了对助力电机功率及助力电机动态性能的要求，另外，对控制器的功率输出要求也大大降低。

2)当车辆低速行驶时，驾驶员仅需提供较小的手输入力矩便可实现转向。在车辆转向回正时，由系统自动提供适当的回正力矩，保证车辆的准确回正；

3)当车辆在坑洼路面行驶和高速直线行驶时，本发明可根据路面的颠簸情况，提供适当的阻尼力矩，减弱路面的信息向转向盘的传递，提高驾驶员的驾驶舒适性；

4)当车辆在高速紧急转向时，本发明根据读取到的车速及车辆横摆角速度，限制车辆的最大转向角，从而防止车辆侧翻。

5)本发明具有故障报警功能及安全冗余措施。当系统检测到严重故障时，控制助力电机总成与转向管柱分离，并点亮故障报警灯。

附图说明

图1为本发明中用于重型车辆的转向系统的结构示意图。

附图标记：

方向盘1、扭矩转角传感器总成2、转向管柱3、角传动装置4、助力电机总成5、控制器6、循环球液压转向器7、电机驱动器8、横摆角速度传感器9和转向连杆10。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例1

如图1所示，为本发明中用于重型车辆的转向系统的结构示意图。本发明提供的一种用于重型车辆的转向系统，其包括方向盘1、转向管柱3、液压转向器总成和转向连杆10，转向管柱3与方向盘1转动连接，液压转向器总成与转向连杆10连接，本实施例中提供的转向系统还包括控制器6、信号收集系统和助力电机总成5，信号收集系统和助力电机总成5分别与控制器6电连接。优选地，助力电机总成5与控制器6直接连接，或者助力电机总成5通过电机驱动器8与控制器6电连接。当控制器6通过电机驱动器8与助力电机总成5电连接时，控制器6控制电机驱动器8输出三相交变电流，用于驱动助力电机总成以提供助力矩。

助力电机总成5通过角传动装置4分别与转向管柱3和液压转向器总成连接。助力电机总成5包括永磁无刷电机、电磁离合器、减速器及旋转变压器。永磁无刷电机通过电磁离合器与减速器连接；电磁离合器和旋转变压器分别与控制器6电连接；旋转变压器与减速器连接，旋转变压器用于检测助力电机总成5输出轴的转角。优选地，电磁离合器为干式单片电磁离合器，减速器为双极行星齿轮减速机构或涡轮蜗杆减速器。

助力电机总成5与液压转向器总成共同提供系统所需的转向助力矩。优选地，角传动装置4为T型角传动装置，助力电机总成5通过T型的角传动装置与转向管柱3并联。

信号收集系统包括车速传感器和扭矩转角传感器总成2，扭矩转角传感器总成2安装于方向盘1与转向管柱3之间。优选地，扭矩转角传感器总成2设置在转向管柱3和方向盘1之间的转轴上。扭矩转角传感器总成2可测量驾驶员由方向盘1输入的方向盘手力矩及方向盘转角。

所述液压转向器总成包括循环球液压转向器7、转向液压泵和储油罐，循环球液压转向器7通过角传动装置4与转向管柱3连接；循环球液压转向器7的进油口与转向液压泵的出油口相连，循环球液压转向器7的出油口和储油罐的回油口相连。循环球液压转向器7的输入端与T型角传动装置4的输出端之间通过万向节连接，循环球液压转向器7的输出端与系统的转向连杆10连接。

控制器6通过信号线束分别与车速传感器和扭矩转角传感器总成2电连接，用于分析及处理来自车速传感器、横摆角速度传感器9和扭矩转角传感器总成2传递的电信号，控制器6还控制助力电机总成5。控制器6可以通过读取车速信号，辅助系统判断当前车辆的行驶工况。控制器6可以通过车辆横摆角速度9读取车辆转弯角速度，辅助系统判断当前车辆的行驶工况。

当控制器6通过电机驱动器8与助力电机总成5电连接时，控制器6用向电机驱动器8发送指令，以及检测电机驱动器8的反馈信号。

控制器6将来自信号收集系统、助力电机总成5和电机驱动器8的信号进行数据处理后，控制器6会输出控制信号控制助力电机总成5执行相应的控制命令。控制器6优选为嵌入式可编程逻辑控制器。控制器6中存储重型车辆转向助力特性MAP表。

另一方面，本发明提供的一种用于重型车辆的转向系统，其还包括故障报警装置，故障报警装置与控制器6电连接，故障报警装置优选为声光报警器。当控制器6检测到车辆的信号收集系统、助力电机总成5和电机驱动器8出现故障时，其会通过故障报警装置向驾驶人员示警。

本发明的具体工作过程如下：

一、低速转向助力工作过程

当控制器6读取的车速信号值小于阈值Vmin时，控制器6根据车速及扭矩转角传感器总成2输出的扭矩信号值查转向助力特性MAP表。通过信号线束输出相应的目标电流值至电机驱动器8，目标电流值经过电机驱动器8调制后，输出三相交变电流，驱动助力电机总成5以提供助力矩，从而实现系统在低速时的转向助力功能。此时液压转向器总成正常工作，以提供另一部分的助力矩。助力电机总成5与液压转向器总成共同提供助力矩。

二、低速回正助力工作过程

当控制器6读取的车速信号小于阈值Vmin，并且扭矩转角传感器总成2输出方向盘1转角和转速方向相反时，控制器6根据车速及方向盘转角信号值查回正助力特性MAP表。通过信号线束输出相应的目标电流值至电机驱动器8，目标电流值经过电机驱动器8调制后，输出三相交变电流，驱动助力电机总成5提供回正助力矩。从而实现系统在低速时的回正助力功能。

三、坑洼路面及高速行驶转向阻尼工作过程

当扭矩转角传感器总成2输出的方向盘扭矩值小于阈值Tmin时，控制器6根据车速及方向盘转速信号值查阻尼助力特性MAP表。通过信号线束输出相应的目标电流值至电机驱动器8，目标电流值经过电机驱动器8调制后，输出三相交变电流，驱动助力电机总成提供阻尼力矩。从而实现系统在高速时的转向阻尼助力功能。

四、车辆防侧翻工作过程

横摆角速度传感器9、车速传感器和控制器6共同组成防侧翻系统横摆角速度传感器9与控制器6电连接，防侧翻系统用于动态限制车辆最大转向角。当横摆角速度传感器9输出的车辆横摆角速度大于阈值ω_max,控制器6根据读取的车速信号值,控制助力电机总成，将车辆的最大转向角限制在安全范围内，从而实现系统在高速时的防侧翻功能。

五、故障诊断及报警工作过程

当控制器6检测到硬件故障或输入输出故障，控制助力电机总成5与转向管柱分离3，并点亮故障报警灯。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：

一、低速转向助力工作过程

当控制器6读取的车速信号值小于阈值Vmin时，控制器6对车速信号及扭矩转角传感器总成2输出的扭矩信号进行处理，控制器6根据处理后的信号及公式计算出转向助力特性值。

二、低速回正助力工作过程

当控制器6读取的车速信号小于阈值Vmin，并且扭矩转角传感器总成2输出方向盘1转角和转速方向相反时，控制器6对车速信号及方向盘转角信号进行处理，控制器6根据处理后的信号及公式计算出回正助力特性值。

三、坑洼路面及高速行驶转向阻尼工作过程

当扭矩转角传感器总成2输出的方向盘扭矩值小于阈值Tmin时，控制器6对车速信号及方向盘转速信号进行处理，控制器6根据处理后的信号及公式计算出阻尼助力特性值。

以上仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本发明中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于重型车辆的转向系统，包括方向盘、转向管柱、液压转向器总成和转向连杆，所述转向管柱与所述方向盘转动连接，所述液压转向器总成与所述转向连杆连接，其特征在于，其还包括控制器以及分别与所述控制器电连接的信号收集系统和助力电机总成；所述助力电机总成通过角传动装置分别与所述转向管柱和

所述液压转向器总成连接；所述信号收集系统包括车速传感器和扭矩转角传感器总成，所述扭矩转角传感器用于测量驾驶员由方向盘输入的方向盘手力矩及方向盘转角；所述扭矩转角传感器总成设置在所述转向管柱和所述方向盘之间的转轴上；所述控制器用于分析信号，并控制所述助力电机总成，其中，所述控制器读取的车速信号值小于阈值，所述控制器根据车速及所述扭矩转角传感器总成输出的扭矩信号值查转向助力特性MAP表，用于实现系统在低速时的转向助力功能；

所述控制器读取的车速信号小于阈值，并且所述扭矩转角传感器总成输出的所述方向盘转角和转速方向相反时，控制器根据车速及方向盘转角信号值查回正助力特性MAP表；用于实现系统在低速时的回正助力功能；

所述扭矩转角传感器总成输出的方向盘扭矩值小于阈值，所述控制器根据车速及方向盘转速信号值查阻尼助力特性MAP表，实现系统在坑洼路面和高速时的转向阻尼助力功能。

2.如权利要求1所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，其包括电机驱动器，所述控制器通过所述电机驱动器与所述助力电机总成电连接，所述电机驱动器输出三相交变电流，用于驱动所述助力电机总成以提供助力矩。

3.如权利要求1或2所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，所述助力电机总成包括永磁无刷电机、减速器、电磁离合器和旋转变压器，所述永磁无刷电机通过所述电磁离合器与所述减速器连接；所述电磁离合器和所述旋转变压器分别与所述控制器电连接；所述旋转变压器与所述减速器连接，所述旋转变压器用于检测所述助力电机总成输出轴的转角。

4.如权利要求3所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，所述电磁离合器为干式单片电磁离合器，所述减速器为双极行星齿轮减速机构或蜗轮蜗杆减速器。

5.如权利要求1所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，其还包括防侧翻系统，所述防侧翻系统包括横摆角速度传感器、所述车速传感器和所述控制器，所述横摆角速度传感器与所述控制器电连接，所述防侧翻系统用于动态限制车辆最大转向角。

6.如权利要求1所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，所述液压转向器总成包括循环球液压转向器、转向液压泵和储油罐，所述循环球液压转向器通过所述角传动装置与所述转向管柱连接；所述循环球液压转向器的进油口与所述转向液压泵的出油口相连，所述循环球液压转向器的出油口和所述储油罐的回油口相连。

7.如权利要求6所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，所述角传动装置为T型角传动装置，所述循环球液压转向器的输入端与所述T型角传动装置的输出端通过万向节连接。

8.如权利要求1、2、5-7任一所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，所述控制器中存储重型车辆转向助力特性MAP表、重型车辆回正助力特性MAP表和重型车辆阻尼助力特性MAP表。

9.如权利要求8所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，所述控制器为嵌入式可编程逻辑控制器。

10.如权利要求1、2、5-7、9任一所述的一种用于重型车辆的转向系统，其特征置于，其还包括故障报警装置，所述故障报警装置与所述控制器电连接，所述故障报警装置包括声光报警器。

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