CN110884564A - 一种电动伺服角转向器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动伺服角转向器，包括：电动伺服装置与角转向器。所述电动伺服装置包括转矩转角传感器、蜗轮蜗杆减速机构、电机及其控制器，布置在角转向器上。所述控制器布置于电机尾部，电机与蜗轮蜗杆减速机构的蜗杆连接，电动伺服装置的输出轴与蜗轮连接；所述扭矩转角传感器布置蜗轮蜗杆减速机构的蜗轮前端，测量电动伺服角转向器输入转矩和转角。本发明通过带有电动助力的角转向器满足重载车辆转向电动化和智能化的功能要求，通过控制器根据转矩转角传感器的转矩、转角信号以及整车信息控制电机输出力矩完成转向助力功能，还能完成主动转向功能，以实现车道保持等辅助驾驶或无人驾驶的横向控制。所述电动伺服角转向器特别适用于转向器卧式安装的客车上。

Description

一种电动伺服角转向器

所属技术领域

本发明属于汽车转向系统领域，具体涉及一种适合客车使用的电动伺服角转向器。

背景技术

智能驾驶是车辆未来发展的主要方向，为了使商用车实现辅助驾驶和无人驾驶的功能，商用车传统转向系统必需实现电动化，可以对转向系统的力和角度进行控制。目前商用车上广泛使用的转向系统是传统液压助力转向系统，转向器为循环球式液压助力转向器，存在助力比固定、高速路感差、能源利用效率低等不足，且不能用作辅助驾驶和无人驾驶的转向执行器。乘用车常用的电动助力转向系统利用电机提供转向助力，能克服以上不足，但是能提供的助力相对较小，不能满足前轴负荷大的商用车转向助力需求。

考虑到转向系统辅助转向或无人转向功能是将来商用车的必备功能，在商用车转向系统中需要加装电动装置，作为主动转向控制系统的执行器，加装电动装置的传统位置一般是在转向管柱或者转向器上。但是对商用车而言，转向管柱常采用立式布置，尺寸短且空间小，往往难以布置电动装置，即使布置上也往往挤压腿部空间；在转向器上布置电动装置也往往存在同样的空间小难以布置的问题。客车的转向器常采用卧式安装，需要配置角转向器，角转向器的作用是改变转向管柱中转向轴的运动方向，与转向器输入轴运动方向一致。

本发明提出了一种用电动伺服角转向器，将电动装置布置在角转向器上，便于系统模块化匹配，尤其适用于转向机卧式安装需要角转向器的客车等车型上。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种客车用电动伺服角转向器，包括：

角转向器，所述角转向器由角转向器输入轴、角转向器输出轴、轴承组、轴承座紧锁螺母、外螺纹轴承座与角转向器壳体组成。角转向器输入轴与角转向器输出轴垂直布置，通过锥齿轮传动副连接；角转向器输出轴与角转向器输入轴上均安装两组轴承组保证悬臂支撑下承受足够的弯矩，两组轴承组外端与外螺纹轴承座连接；螺纹轴承座与壳体螺纹连接。

电动伺服装置，所述电动伺服装置与角转向器连接，由电机及其控制器、蜗轮蜗杆传动副、输入轴、输出轴、扭杆和转矩转角传感器等组成。扭杆一端与输入轴固联，另一端与输出轴固联；输出轴与角转向器的输入端配合连接；转矩转角传感器布置在输入轴与输出轴之间，位于蜗轮前侧。转矩转角传感器的磁环部与所述电动部分输入轴连接，传感器的本体转子部分与电动部分输出轴连接，转矩转角传感器的本体壳体由传感器支撑板固定定位；转矩转角传感器与控制器通过硬线连接。

角转向器输入轴与角转向器输出轴的轴端加工为成对锥齿轮，转向器输入轴与角转向器输出轴通过成对锥齿轮传动连接，角转向器输入轴与角转向器输出轴之间交角为90°。成对锥齿轮传动比常为1。角转向器的输出端与循环球式转向器的输入端连接。

电动伺服装置中的控制器布置于电机尾部，电机通过法兰安装于电动助力伺服转向装置的壳体上，电机与所述蜗杆通过联轴器连接，电机转矩通过蜗轮蜗杆减速机构放大后作用到电动伺服装置的输出轴上。

电动伺服装置中的电机通过凸爪联轴器组与蜗杆对接，蜗杆与蜗轮啮合；蜗杆的展开螺旋角大于蜗轮与蜗杆的接触摩擦角，保证蜗轮蜗杆可逆向传动不自锁。

控制器采集电机信号、转矩转角传感器信号以及can总线上的整车信息及命令信号进入不同的转向模式：电动助力模式、辅助转向或自动转向模式。

本发明的有益效果是：通过电动伺服角转向器实现主动转向控制满足车辆驾驶员驾驶、辅助驾驶、无人驾驶的转向功能要求。通过控制器获得的转角转矩信息控制电机输出力矩，能很好的完成随速助力、主动回正、应急转向等基本功能；电动伺服角转向器与循环球式转向器间仅有传动连接，便于在各种车辆上布置安装，尤其适用于越野车或客车等转向机卧式安装需要角转向器的车型上，可直接取代原车所安装的机械角转向器，完成对车辆的转向系统电动化。

在低车速大转角即高转向阻力的情况下，电动伺服角转向器为电动助力模式，控制器控制电机提供转向助力，可以实现转向随速助力和主动回正功能，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性。

在车辆辅助驾驶或自动驾驶模式下，控制器获得转矩或转角指令需求。通过电流环、转速环、位置环三环闭环伺服控制驱动电机输出相应的转矩或转角，完成转向动作，是实现客车车道保持功能所需的一种转向电动化理想解决方案。

该转向器的集成度高，且安装灵活，可节省安装空间，利于模块化生产和实车匹配。该产品直接替代原机械角转向器，匹配迅速，不会带来额外的传动间隙。电动装置与转向器分离布置，电机、传感器及控制器工作环境温度不受转向器温度的影响，利于产品的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作进一步介绍，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是带机械角转向器的传统整车布置图。

图2是带电动伺服角转向器的整车布置图。

图3是在输入端布置电动装置的分体式电动伺服角转向器主视图。

图4是在输入端布置电动装置的分体式电动伺服角转向器俯视图。

图5是在输入端布置电动装置的一体式伺服角转向器主视图。

图6是在输出端布置电动装置的伺服角转向器主视图。

图3、图4中：1为电动输入轴，2为扭杆，3为传感器盖，4为复合式转矩转角传感器，5铜套轴承，6为传感器支撑板，7为传感器支撑板轴承，8为蜗轮，9为孔用弹性卡簧,10为电动壳体，11电动输出轴轴承，12为锁紧螺母，13为角转向器输入轴，14为角转向器输出轴，15为螺纹轴承座，16为轴承组，17为角转向器输入轴处油封，18轴承座锁紧螺母，19为O型圈，20为控制器，21为连接螺栓，22为蜗杆，23为电动输出轴，24为电机，25为输入轴轴承，26为输入轴油封，27为扭杆销。

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，由于转向器卧式安装，循环球式转向器输入轴与地面平行，为此需安装机械角转向器，用于改变转向管柱中转向轴的运动方向，与转向器输入轴运动方向一致。

如图2所示，本发明公开了一种与循环球式转向器配套使用的电动伺服角转向器。其中，电动伺服装置和角转向器集成在一起，电动伺服装置的输入端为方向盘后端经转向管柱中间轴所连接的转向动作输出轴，电动伺服角转向器的输出轴与循环球式转向器的输入端传动连接，循环球式转向器的输出端和车轮驱动端传动连接。电动伺服装置的控制器接收总线传来的车速、发动机转速信号，以及整车上层控制器传递来的自动或辅助驾驶转角或转矩需求，接受转向盘的转矩转角信号、电机的电流等信息，控制电机驱动电压，实现电动助力功能、主动转向功能。

如图3所示，本发明公开了一种电动伺服角转向器，由电动伺服装置和角转向器组成。角转向器包括角转向器输入轴13、角转向器输出轴14、轴承组16、轴承座紧锁螺母18、螺纹轴承座15与角转向器壳体。电动伺服装置的壳体与角转向器连接，包括电机24、蜗杆22、蜗轮8、电动伺服装置输入轴1、电动伺服装置输出轴11、转矩转角传感器4、扭杆2、传感器支撑板6、传感器支撑板轴承7。

角转向器中，角转向器输入轴13直接与轴承组16孔径配合，轴承组16固定在螺纹轴承座15上，螺纹轴承座15通过螺纹固定在角转向器壳体上，并通过轴承座紧锁螺母18锁紧，固定螺纹轴承座15的轴向位置，角转向器输出轴14固定方式与角转向器输入轴13的固定方式相同。角转向器输入轴13与角转向器输出轴14通过锥齿轮运动副传动连接；所述锥齿轮的传动比为1，角转向器输入轴13与角转向器输出轴14轴线互相垂直。

电动伺服装置中，输入轴1与扭杆2通过扭杆销27以打销固定的方式于上端位置固定连接，扭杆2下端有滚出的花键形状与电动伺服装置输出轴23通过过盈配合固定连接。电动伺服装置输出轴与角转向器输入轴以花键的形式固定连接，结构更为紧凑的图4实施例中，电动伺服装置输出轴与角转向器输入轴为同一根轴。

电动伺服装置中，电机24与蜗杆22通过凸爪联轴器对接，蜗杆22与蜗轮8啮合，蜗轮8通过过盈配合与电动伺服装置输出轴14固定。蜗杆22与所述蜗轮8啮合，蜗杆22的展开螺旋角大于所述蜗轮8与蜗杆22的接触摩擦角，可保证所述蜗轮蜗杆可逆传动不自锁。蜗轮的轴向位置由输出轴轴承11固定。转矩转角传感器4安装于传感器支撑板6上，转矩转角传感器4的磁环部分与电动部分的输入轴1连接，转矩转角传感器4的本体转子部分与电动部分输出轴23连接，转矩转角传感器4的本体壳体由传感器支撑板6固定定位；转矩转角传感器4与控制器20通过硬线连接。

图5中，电动伺服装置布置在了角转向器的输出端，也为该发明的一种具体实施例。

控制器20采集电机24的信号、转矩转矩传感器4的信号以及can总线上的整车信息及命令信号进入以下转向模式：

1)电动助力模式，转矩转角传感器4采集的转矩、转角信号以及整车车速信号，传递给控制器20，控制器20通过计算输出电机驱动电流，实现随速转向助力、主动回正功能。

2)主动转向模式，控制器20接收整车CAN总线发来的转矩或转角指令请求，转矩转角传感器4采集的当前实际转矩信号、转角信号、转速信号经通讯传递给控制器，通过计算输出电机驱动电流，实现一种商用车电动伺服角转向器实现对转矩或转角的跟踪控制功能。

电动助力模式下，控制器20根据转向助力策略计算电机输出力矩，通过采用电流环闭环控制的控制方法输出电机驱动电流。

主动转向模式下，控制器20采用位置环、速度环、力矩环的三环闭环伺服控制算法，其中，最内环为以力矩信号为反馈量的力矩环，其次为以转速信号为反馈量的转速环，最外环为以转角信号为反馈量的位置环。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例有不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的相对简单，相关之处参见方法部分说明即可。

Claims (7)

1.一种电动伺服角转向器，其特征在于所述电动伺服角转向器由角转向器和电动伺服装置组成，包括：

角转向器，所述角转向器由角转向器输入轴、角转向器输出轴、轴承组、轴承座紧锁螺母、外螺纹轴承座与角转向器壳体组成。角转向器输入轴与角转向器输出轴垂直布置，通过锥齿轮传动副连接；角转向器输出轴与角转向器输入轴上均安装两组轴承组保证悬臂支撑下承受足够的弯矩，两组轴承组外端与外螺纹轴承座连接；螺纹轴承座与壳体螺纹连接。

电动伺服装置，所述电动伺服装置与角转向器连接，由电机及其控制器、蜗轮蜗杆传动副、输入轴、输出轴、扭杆和转矩转角传感器等组成。扭杆一端与输入轴固联，另一端与输出轴固联；输出轴与角转向器的输入端配合连接；转矩转角传感器布置在输入轴与输出轴之间，位于蜗轮前侧。转矩转角传感器的磁环部与所述电动部分输入轴连接，传感器的本体转子部分与电动部分输出轴连接，转矩转角传感器的本体壳体由传感器支撑板固定定位；转矩转角传感器与控制器通过硬线连接。

2.根据权利要求1所述电动伺服角转向器，其特征还在于：角转向器输入轴与角转向器输出轴的轴端加工为成对锥齿轮，转向器输入轴与角转向器输出轴通过成对锥齿轮传动连接，角转向器输入轴与角转向器输出轴之间交角为90°，成对锥齿轮传动比常为1。角转向器的输出端与循环球式转向器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述电动伺服角转向器，其特征还在于：电动伺服装置中的控制器布置于电机尾部，电机通过法兰安装于电动助力伺服转向装置的壳体上，电机与所述蜗杆通过联轴器连接，电机转矩通过蜗轮蜗杆减速机构放大后作用到电动伺服装置的输出轴上。

4.根据权利要求1所述电动伺服角转向器，其特征还在于：电动伺服装置中的电机通过凸爪联轴器组与蜗杆对接，蜗杆与蜗轮啮合；蜗杆的展开螺旋角大于蜗轮与蜗杆的接触摩擦角，保证蜗轮蜗杆可逆向传动不自锁。

5.根据权利要求1所述电动伺服角转向器，其特征还在于：控制器根据电机信号、转矩转角传感器信号以及CAN总线上的整车信息及命令信号，进行电动助力模式和主动转向模式控制。

6.根据权利要求5所述电动助力模式，其特征在于：控制器根据转矩转角传感器的转矩、转角信号以及整车车速信号，计算电机的期望电流，并调制电机电压，进行电机输出力矩的控制，实现随速转向助力、主动回正功能。

7.根据权利要求5所述主动转向模式，其特征在于：控制器接收整车CAN总线发来的转矩或转角指令请求，控制器根据转矩转角传感器的转角信号以及整车车速信号，计算电机的期望电流，并调制电机电压，进行电机输出力矩的控制，实现转角跟踪控制功能。

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