CN110871841A - 一种商用车用推杆式电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种商用车用推杆式电动助力转向装置，包括：带转向盘转矩、转角传感器的循环球式转向器、行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构和电子控制单元。转向盘转矩、转角传感器用于检测作用在转向盘上的力矩和转向盘转角，布置在循环球式转向器的输入端。行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构包括电机、同步带减速机构、行星滚柱丝杠传动副、直线导轨、推杆等。电机输出轴与小带轮连接，电机输出转矩经同步带传递给行星滚柱丝杠，大带轮内孔与行星滚柱丝杠中的丝杠连接，输出转矩经行星滚柱丝杠传动副传动放大，推动转向摇臂轴转动。行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构的一端与转向摇臂连接，另一端与车架连接。本发明通过行星滚柱丝杠传动获得大推力转向助力，能实现重型商用车转向系统的纯电动化和智能化。

Description

一种商用车用推杆式电动助力转向装置

所属技术领域

本发明涉及汽车转向系统技术领域，具体涉及一种商用车用推杆式电动助力转向装置。

背景技术

目前车辆用转向器主要分齿轮齿条式和循环球式两种，分别用于乘用车和商用车。传统动力转向为液压动力转向，助力大小通过滑阀或转阀加以控制。传统液压动力转向存在以下问题：助力特性不能随车速进行实时调节与控制，难以协调低速转向轻便性与高速转向“路感”的矛盾；即使不转向，油泵也一直工作，存在能量损失；由于液压系统本身存在漏油与维护问题，提高了维修成本，而液压油还会对环境造成污染；油泵、皮带轮、液压管路等元件占用空间，不好布置。

电动助力转向系统(EPS)直接由电机提供助力，取消了液压系统，系统由转向盘转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电机及减速机构等组成。基本原理是控制器接受转向盘转矩信号和车速信号，经过判断和处理后，根据事先确定好的助力特性输出控制信号，控制电机输出助力转矩。电动助力转向系统能很好的克服液压动力转向存在的问题，具有节能，提高安全性，有利于环保等许多优点，但是目前世界范围内的电动助力转向系统还只是应用在轿车上，且都为齿轮齿条式转向器。

随着商用车智能化技术的发展，迫切需要转向系统实现电动化，装备电动助力转向系统。循环球式转向器主要应用于商用车上，当商用车承受负载较大时，若电机与助力机械装置是直接安装在循环球式转向器上的，循环球需要承受和传递电动助力，强度和寿命不够。本发明人于2007年申请了专利号为200710178361.5的发明专利《电动推杆式电动助力转向装置》，提出了一种电动推杆式电动助力转向装置，包括带转矩传感装置的循环球转向器、电动推杆和电子控制单元。其中循环球转向器中只设计了转矩传感器，不能够实现主动回正性能，并且助力电机输出的转矩通过减速机构和螺杆螺母传动副，推动摇臂轴转动，而实际应用中螺杆螺母传动副难以承受足够大的载荷，其强度和寿命都无法满足重型商用车的使用要求。为此需对螺杆螺母传动副进行改进，电动推杆式电动助力转向装置能够输出足够的推力满足重型商用车的使用要求，并实现主动回正功能，获得良好的整车回正性能，同时还能满足商用车智能驾驶的需求，实现转向角度的伺服控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、高效节能、能够承受和传递大助力的电动助力转向装置。

本发明的上述目的是通过这样的技术方案实现的，即一种推杆式电动助力转向装置，包括：

(一)带转向盘转矩、转角传感器的循环球式转向器，转向盘转矩、转角传感器用于检测作用在转向盘上的转矩和转向盘转角，布置在循环球式转向器的输入端。

(二)行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构，集成电动助力机构与行星滚柱丝杠式推杆机构，电动助力机构采用同步带轮传动，电机13提供的助力经同步带轮传动放大，再经行星滚柱丝传动副后，由推杆输出到转向摇臂上。

(三)电子控制单元(ECU)，即控制器，根据车速、转向盘转矩和转角信号，进行运算处理后根据助力控制策略控制电机13，实现转向助力电机13输出转矩，也可以主动控制电机13实现辅助驾驶和自动驾驶模式下对转向转角的伺服控制。

所述的行星滚柱丝杠式推杆机构中，螺母的内螺纹、内齿圈、丝杠、滚柱以及滚柱保持架的轴线平行，螺母的内螺纹、内齿圈、丝杠、滚柱保持架同轴，并且螺母的外表面加工有轴向的齿条。螺母与滚柱、滚柱与丝杠之间一方面通过螺纹啮合，另一方面内齿圈在螺母两端内侧，滚柱和螺母之间还通过滚柱两端的小齿轮和内齿圈啮合，保证滚柱与丝杠之间轴线平行，同时防止滚柱卡滞。滚柱安装在滚柱保持架上，在滚柱保持架之上有数个滚柱固定位置，保证滚柱沿丝杠圆周均匀分布。螺母的转动自由度被导轨限制，约束螺母仅能够在导轨上滑动。在螺母轴向方向，螺母与推杆刚性连接，螺母轴向直线运动带动推杆轴向直线运动，输出转矩。

所述的行星滚柱丝杠式推杆机构中，输出端为推杆，推杆的实际作用位置为循环球式转向器的转向摇臂，推杆与转向摇臂铰接，且转向装置底端与车身铰接。当驾驶员转动转向盘时，ECU(控制器)通过控制电机输出转矩，通过驱动行星滚柱丝杠，推动摇臂转动，来达到助力的目的。同时转向装置底端与车身铰接保证了在转向摇臂发生转动，助力装置长度发生变化时，不发生运动干涉。

所述电动助力机构中，采用同步带减速机构。同步带减速机构的大带轮与丝杠刚性连接，同步带减速机构的小带轮与助力电机刚性连接，从而实现电机到丝杠的减速增矩过程。因行星滚柱丝杠推杆可承受更大的输出转矩，允许输出更大转矩，则电机可根据大负载的应用工况选取较大电压值。电机可采用24V或48V电压。

所述循环球式转向器中，输入端设有转向盘转矩、转角传感器，用于检测转向盘输入转矩和转向盘转角。

所述ECU用于完成转向系统的转向手力控制和转向角度伺服控制。转向手力控制是ECU通过接受转向盘转矩、转角信号，与车速传感器的车速信号，确定所需的目标电机电流，控制电机电流，通过控制电机的输出转矩来控制行星滚柱丝杠传动机构的输出转矩，获得满意的转向轻便性和回正性。转向角度伺服控制是ECU接受自动驾驶目标转角指令，依据转向盘转角传感器反馈的转角信号，确定所需的目标电机电流，控制电机电流，通过控制电机的输出转矩来控制转向盘的转角达到自动驾驶目标转角。助力控制和转向角度伺服控制是ECU的两种控制模式，ECU执行何种模式由模式切换控制逻辑进行判断。模式切换控制逻辑的输入信号为转向盘转矩信号、自动驾驶中央控制模块切换指令信号、人工切换按钮信号、车辆行驶状态信号(车速等)。

本发明的有益效果是，转向系统不仅能实现转向手力控制，还能实现自动驾驶转向角度伺服控制。只在转向时电机才提供助力，不像液压动力转向，即使在不转向时，油泵也一直运转，因而能减少转向系统的能量消耗。同时由于滚柱丝杠传动副是线接触的特点，保证了该机构可以与传统的液压缸输出同一量级的助力转矩。滚柱丝杠副较滚珠丝杠副有更多的接触点，可以提供更高的额定动载和静载，并且接触点的增多将大幅提高刚度和抗冲击能力。在相同载荷条件下，滚柱丝杠相对于滚珠丝杠占用更小的空间，并且使用寿命延长了10倍以上。

行星滚柱丝杠式推杆机构的中心丝杠与螺母分别与滚柱啮合，在滚柱与丝杠和螺母螺旋升角相同，传动过程中没有相对滑动，各部件之间的摩擦都为滚动摩擦，将大大减小传动摩擦阻力，传动效率将得到很大提高，改善了采用其他形式推杆(例如齿轮齿条结构、滚珠丝杠结构)作为传动机构时传递转矩较小、工作寿命较短的缺点，使电动推杆式转向助力装置在重型商用车上的应用成为可能。

行星滚柱丝杠式电动推杆助力转向装置取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比液压动力转向大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。没有液压回路，比液压动力转向更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期；不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染；比液压动力转向具有更好的低温工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明转向系统原理示意图。

图2是本发明的行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构的正向剖视图。

图3是本发明图2中C处的局部放大视图。

图4是本发明图2中B-B面侧向剖视图。

图5是本发明采用的行星滚柱丝杠式电动推杆助力转向装置侧视图。

图6是本发明采用的ECU控制逻辑框图。

上述图1中，1为转向盘；2为转向管柱；3为转向传动轴；4为转矩转角传感器；5为循环球转向器；6为转向摇臂；7为行星滚柱丝杠式电动推杆助力转向机构；8为转向直拉杆；9为转向节臂；10为转向梯形臂；11为转向横拉杆；12为车轮；13为助力电机。

上述图2、3、4、5中，14为铰球头；15为推杆；16为助力缸盖；17为助力缸壳体；1801为第一角接触球轴承；1802为第二角接触球轴承；19为小带轮；20为同步带；21为大带轮；22为同步带壳体；23为外牙带齿锁紧螺母；24为牙腹锁紧螺母；25为轴套；26为导轨锁紧螺栓；27为丝杠；28为螺母；29为内齿圈；30为滚柱；31为滚柱保持架；32为导轨；33为弹性挡圈。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，推杆式电动助力转向装置的工作原理是：当驾驶员转动转向盘1时，驾驶员作用转矩经转向管柱2、转向传动轴3传递到循环球式转向器5的输入轴，在循环球式转向器5的输入轴设置有转向盘转矩、转角传感器4，转向盘转矩、转角传感器4将测得的驾驶员作用在转向盘上的转矩及转向盘转角送给ECU(即控制器)，ECU根据该转矩、转角信号并结合车速信号控制助力电机13输出合适的助转矩，助力电机13输出的转矩通过同步带减速机构和行星滚柱丝杠传动副，推动摇臂6转动，以此达到助力转向的目的。行星滚柱丝杠式电动推杆助力转向机构7的一端与摇臂6连接，另一端与车架连接，行星滚柱丝杠式电动推杆助力转向机构7为空间运动机构。

如图2与图3所示，行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构的结构为：助力电机13的输出轴与小带轮19连接，经过同步带20与大带轮21组成减速机构，起到减速增扭的作用，丝杠27与大带轮21连接，同步带传动副通过同步带壳体22密封保护，丝杠27的动力输入端布置有两个角接触球轴承1801、1802，第一角接触球轴承1801外圈与助力缸壳体17的孔台肩轴向定位，内圈与丝杠27的轴肩及轴套25轴向定位。第二角接触球轴承1802内圈一面抵在轴套25上，另一面靠牙腹锁紧螺母24锁紧，外圈靠外牙带齿锁紧螺母23锁紧。为了保证螺母28的直线运动而不发生转动，助力缸壳体17与螺母28之间布置有直线导轨32，直线导轨32通过一排导轨锁紧螺栓26固定在助力缸壳体17上。

如图3、4、5所示，行星滚柱丝杠式推杆机构的工作原理为：滚柱30与丝杠27、螺母28螺纹配合；且滚柱30两端加工有小齿轮，与内齿圈29啮合，保证滚柱30与丝杠27之间轴线平行，同时防止滚柱30卡滞；滚柱30两端分别套在滚柱保持架31上；螺母28的转动自由度被导轨32限制，螺母28在导轨32的约束下滑动。由此可得行星滚柱丝杠传动副的传动过程：丝杠27转动，滚柱30则绕丝杠27进行公转和自转，滚柱保持架31随滚柱30进行自转，滚柱30的自转与公转使螺母28沿着导轨方向滑动。通过丝杠27、螺母28、内齿圈29、滚柱30、滚柱保持架31、导轨32、卡簧33组成的行星滚柱丝杠传动副，变旋转运动为水平轴向的移动，最后通过螺母28上的螺纹连接将推力与位移传给推杆15。

如图6所示，推杆式电动助力转向装置既能实现人工驾驶时的转向手力控制，也能实现自动驾驶时的转向角度控制。图中的电动助力转向控制模块用于实现人工驾驶时的转向手力控制，控制方法是通过接受转向盘转矩、转角信号，与车辆行驶状态信号(车速)，判断助力控制状态，确定期望的电机电流。其中助力控制模块用于实现转向轻便性，主动阻尼模块用于对转向盘回正超调进行控制，主动回正模块实现转向回正性。图中的转向转角伺服控制模块用于实现自动驾驶时的转向角度控制，控制方法是接受自动驾驶目标转角指令，依据转向盘转角传感器反馈的转角信号，确定期望的目标电机电流。图中的电机电流控制模块用于实现电机电流的闭环控制，通过控制电机电流，实现电机输出转矩的控制，进而完成转向手力控制或者转向盘转角的控制。转向手力控制和转向角度伺服控制是电动助力转向装置的两种控制模式，电动助力转向装置执行何种模式由模式切换控制模块进行判断。模式切换控制模块的输入信号为转向盘转矩信号、自动驾驶中央控制模块切换指令信号、人工切换按钮信号、车辆行驶状态信号(车速等)。

Claims (4)

1.一种商用车用推杆式电动助力转向装置，其特征在于，包括带转向盘转矩、转角传感器的循环球式转向器、行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构、电子控制单元(ECU)。

所述循环球式转向器，是带转向盘转矩、转角传感器的机械式循环球转向器。所述转向盘转矩、转角传感器用于检测作用在转向盘上的力矩和转向盘的转角，布置在机械式循环球转向器的输入端。

所述行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构，集成电动助力机构与行星滚柱丝杠式推杆机构，电动助力机构采用同步带轮传动，电机13提供的助力经同步带轮传动放大，再经行星滚柱丝杠传动副后，由推杆输出到转向摇臂上。

所述电子控制单元(ECU)接收车速、转向盘转矩和转角信号，进行运算处理后根据助力控制策略控制电机13，控制电机13输出转矩，也可以主动控制电机13实现辅助驾驶和自动驾驶模式下对转向盘转角的伺服控制。

2.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构，其特征在于：所述行星滚柱丝杠机构设有丝杠27、滚柱30、螺母28、滚柱保持架31、弹性挡圈33，行星滚柱丝杠副中螺母28与丝杠27同轴，滚柱两端套在滚柱保持架31的圆孔内，呈行星状均布在丝杠周围，弹性挡圈33对螺母两端的行星保持架31起轴向定位。螺母28内孔加工有螺纹，螺母28与滚柱30之间、滚柱30与丝杠27之间通过螺纹啮合，同时内齿圈29在螺母28两端内侧，滚柱30的两端有小齿轮，通过滚柱30齿轮与内齿圈29的啮合，保证滚柱30与丝杠27之间轴线平行，同时防止滚柱30卡滞。

3.根据权利要求1所述的行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构，其特征是：助力电机13的输出轴与小带轮19配合，经同步带20将电机转矩放大，传递到大带轮21上，大带轮21与丝杆27配合。同步带传动副通过同步带壳体22密封保护，丝杠27的动力输入端布置有两个角接触球轴承1801、1802，第一角接触球轴承1801外圈与助力缸壳体17的孔台肩轴向定位，内圈与丝杠27的轴肩及轴套25轴向定位。第二角接触球轴承1802内圈一面抵在轴套25上，另一面靠牙腹锁紧螺母24锁紧，外圈靠外牙带齿锁紧螺母23锁紧。为了保证螺母28的直线运动而不发生转动，助力缸壳体17与螺母28之间布置有直线导轨32，直线导轨32通过一排导轨锁紧螺栓26固定在助力缸壳体17上。行星滚柱丝杠传动副中的螺母28轴向方向通过螺纹刚性连接有推杆15，推杆15输出端与铰球头14通过螺纹连接并抱紧；行星滚柱丝杠传动副中的螺母进行轴向直线运动，通过推杆带动摇臂轴6转动；行星滚柱丝杠推杆式电动助力转向装置总成在一端连接摇臂6的同时，一端铰接在车架上。

4.根据权利要求1所述的电子控制单元(ECU)，其特征是：既能实现人工驾驶时的转向手力控制，也能实现自动驾驶时的转向角度伺服控制。转向手力控制是通过根据转向盘转矩、转角信号，与车速传感器的车速信号，确定所需的电机目标电流，控制电机电流，通过控制电机的输出转矩来控制行星滚柱丝杠式电动推杆助力机构的输出转矩，获得合适的转向轻便性和回正性。转向角度伺服控制是依据自动驾驶目标转角指令和转向盘转角传感器反馈的实际转角信号，确定所需的目标电机电流，控制电机电流，通过控制电机的输出转矩来控制转向盘的转角达到自动驾驶目标转向盘转角。转向手力控制和转向角度伺服控制是电子控制单元的两种控制模式，控制模式根据转向盘转矩信号、自动驾驶中央控制模块切换指令信号、人工切换按钮信号、车辆行驶状态信号(车速等)来进行确定。

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