CN110962919B - 一种主动电液耦合转向系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆转向控制技术领域，特别是一种主动电液耦合转向系统及车辆，该转向系统包括机械转向机构、电动助力转向机构、变传动比机构和液压助力转向机构；机械转向机构包括用于连接方向盘的转向输入轴和用于驱动车辆转向的转向输出轴；转向输入轴连接变传动比机构的输入端，变传动比机构的输出端连接转向输出轴；电动助力转向机构的输出端传动连接转向输入轴，液压助力转向机构的输出端传动连接转向输出轴，将电动助力转向机构设置于方向盘与变传动比机构之间，电动助力承载的助力为转向回正力矩与转向传动比的比值，经过变传动比的过滤变的较小，电动助力承载的助力减小，电动助力转向机构里的设备的尺寸不用设计很大，能够有效的节省空间。

Description

一种主动电液耦合转向系统及车辆

技术领域

本发明涉及车辆转向控制技术领域，特别是一种主动电液耦合转向系统及车辆。

背景技术

客车普遍采用液压助力转向系统，随着客车智能化技术的快速发展，无人驾驶技术以及智能驾驶辅助技术作为客车智能化的两大技术方向，均对客车转向系统提出新的要求。由于液压助力转向系统无法实现主动转向功能；且应用电动助力转向系统需要考虑电机的负载功率问题，因此，设计应用于客车上的电液耦合转向系统及相应的控制方法具有十分重要的现实意义。

主动转向为根据车速变化而不断改变转向系统中的传动比。在低速状态下传动比较小，使转向更加直接，以减少转向盘的转动圈数，提高车辆的灵活性和操控性；在高速行驶时转向传动比较大，提高车辆的稳定性和安全性。除了可变传动比设计外，还可以通过转向干预来实现对车辆的稳定性控制。

有中国专利申请公布号为CN106428204A的专利文献公开了一种主动复合转向系统、转矩控制装置及转矩控制方法，通过行星齿轮机构、转向电机等机构向机械转向机构提供附加转角，实现转向系统的变传动比控制；转向助力模块通过电动助力执行机构、液压助力执行机构依据车辆工况向机械转向机构输出助力，上述转向系统通过车速、方向盘转角和转矩控制主动转向的传动比变化实现先变传动比再通过电液耦合器进行转向助力输出，但是，将电液助力直接通过耦合器进行耦合输出的方式，精度较差，转向系统设置不合理，电动助力和液压助力都起主导作用，电动助力承载的助力力矩较大，使得转向电机尺寸较大，无法合理使用车辆空间，不利于装配使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种主动电液耦合转向系统及车辆，用以解决现有主动电液耦合助力转向采用先变传动比再耦合助力输出导致的电动助力承载的助力力矩较大，致使转向电机尺寸较大，无法合理使用车辆空间，不利于装配使用的问题。

为了实现车辆转向的耦合及主动转向控制，解决现有主动电液耦合助力转向采用先变传动比再耦合助力输出导致的控制精度较差的问题。本发明提供一种主动电液耦合转向系统，包括机械转向机构、电动助力转向机构、变传动比机构和液压助力转向机构；所述机械转向机构包括用于连接方向盘的转向输入轴和用于驱动车辆转向的转向输出轴；所述转向输入轴连接所述变传动比机构的输入端，所述变传动比机构的输出端连接所述转向输出轴；所述电动助力转向机构的输出端传动连接所述转向输入轴，所述液压助力转向机构的输出端传动连接所述转向输出轴。

有益效果是，将电动助力转向机构设置于转向输入轴，也就是方向盘与变传动比机构之间，使得电动助力承载的助力为转向回正力矩与转向传动比的比值，经过变传动比的过滤变的较小，使得电动助力承载的助力减小，液压助力转向起到主导作用，电动助力转向机构包括电机等设备的尺寸不用设计很大，能够有效的节省空间，而且将电动助力转向机构与液压助力转向机构上下交错设置能够有效的利用空间。

进一步地，为了实现电动助力转向的快速脱离，提高响应速度，所述电动助力转向机构包括电动助力电机、减速器和电磁离合器，所述电动助力电机通过所述电磁离合器连接所述减速器，所述减速器设置传动连接所述转向输入轴。

进一步地，为了保证变传动比机构的可靠性，所述变传动比机构包括行星齿轮结构和变传动比电机；所述转向输入轴连接所述行星齿轮结构的输入端，所述行星齿轮结构的输出端连接所述转向输出轴；所述变传动比电机驱动连接所述行星齿轮结构。

进一步地，为了简单直接的实现液压助力转向驱动，所述转向输出轴的输出端为转向器，所述转向器连接一个转向摇臂的一端，所述转向摇臂的另一端通过一个转向直拉杆用于驱动车辆转向，所述液压助力转向机构包括转向动力缸、转向液压泵、连接所述转向液压泵的液压油输出端的转向控制油路和转向助力油路、分配阀以及转向控制阀；所述转向动力缸包括输出杆，所述转向动力缸的输出杆驱动连接所述转向摇臂；所述转向控制油路通过所述分配阀连接所述转向控制阀，以控制所述转向控制阀的阀体运动；所述转向助力油路通过所述转向控制阀连接所述转向动力缸，以驱动所述转向动力缸的输出杆左右运动。

进一步地，为了精确实现转向的控制，通过直接获取方向盘的转矩更好的体现驾驶员的转向意图，通过获取在电动助力后转向轴转角实现电动助力和传动比的精确调节，所述电动助力转向机构还包括设置于所述减速器两侧的转矩传感器和角度传感器，所述转矩传感器设置于靠近方向盘的一侧，所述角度传感器设置于靠近行星齿轮结构的一侧。

本发明提供一种车辆，包括方向盘和用于驱动车辆转向的转向执行机构，还包括机械转向机构、电动助力转向机构、变传动比机构和液压助力转向机构；所述机械转向机构包括连接所述方向盘的转向输入轴和连接所述转向执行机构转向输出轴；所述转向输入轴连接所述变传动比机构的输入端，所述变传动比机构的输出端连接所述转向输出轴；所述电动助力转向机构的输出端传动连接所述转向输入轴，所述液压助力转向机构的输出端传动连接所述转向输出轴，将电动助力转向机构设置于转向输入轴，也就是方向盘与变传动比机构之间，使得电动助力承载的助力为转向回正力矩与转向传动比的比值，经过变传动比的过滤变的较小，使得电动助力承载的助力减小，液压助力转向起到主导作用，电动助力转向机构包括电机等设备的尺寸不用设计很大，能够有效的节省空间，而且将电动助力转向机构与液压助力转向机构上下交错设置能够有效的利用空间。

进一步地，为了实现电动助力转向的快速脱离，提高响应速度，所述电动助力转向机构包括电动助力电机、减速器和电磁离合器，所述电动助力电机通过所述电磁离合器连接所述减速器，所述减速器设置传动连接所述转向输入轴。

进一步地，为了保证变传动比机构的可靠性，所述变传动比机构包括行星齿轮结构和变传动比电机；所述转向输入轴连接所述行星齿轮结构的输入端，所述行星齿轮结构的输出端连接所述转向输出轴；所述变传动比电机驱动连接所述行星齿轮结构。

进一步地，为了简单直接的实现液压助力转向驱动，所述转向输出轴的输出端为转向器，所述转向器连接一个转向摇臂的一端，所述转向摇臂的另一端通过一个转向直拉杆用于驱动车辆转向，所述液压助力转向机构包括转向动力缸、转向液压泵、连接所述转向液压泵的液压油输出端的转向控制油路和转向助力油路、分配阀以及转向控制阀；所述转向动力缸包括输出杆，所述转向动力缸的输出杆驱动连接所述转向摇臂；所述转向控制油路通过所述分配阀连接所述转向控制阀，以控制所述转向控制阀的阀体运动；所述转向助力油路通过所述转向控制阀连接所述转向动力缸，以驱动所述转向动力缸的输出杆左右运动。

进一步地，为了精确实现转向的控制，通过直接获取方向盘的转矩更好的体现驾驶员的转向意图，通过获取在电动助力后转向轴转角实现电动助力和传动比的精确调节，所述电动助力转向机构还包括设置于所述减速器两侧的转矩传感器和角度传感器，所述转矩传感器设置于靠近方向盘的一侧，所述角度传感器设置于靠近行星齿轮结构的一侧。

附图说明

图1是本发明的一种主动电液耦合转向系统结构示意图；

图2是本发明的一种主动电液耦合转向系统中电动助力转向机构的结构示意图；

图3是本发明的一种主动电液耦合转向系统中变传动比机构的结构示意图；

图4是本发明的一种主动电液耦合转向系统中液压助力转向机构的结构示意图；

图5是本发明的一种主动电液耦合转向系统的控制方法原理图；

图6是本发明的一种主动电液耦合转向系统的控制方法流程图；

图中，1、机械转向机构；2、电动助力转向机构；3、液压助力转向机构；4、变传动比机构；11、方向盘；12、转向轴；13、转向器；14、转向摇臂；15、转向直拉杆；21、转矩传感器；22、减速器；23、角度传感器；24、电磁离合器；25、电动助力电机；26、电子控制单元；31、转向油罐；32、流量控制阀；33、转向液压泵；34、溢流阀；35、单向阀；36、分配阀；37、转向控制阀；38、转向动力缸；41、行星齿轮结构；42、变传动比电机；43、控制器；411、蜗杆；412、涡轮；413、第一内齿圈；414、第一行星齿轮；415、第一行星架；416、转向输入轴；417、第一太阳轮；418、第二内齿圈；419、第二行星架；4110、转向输出轴；4111、第二太阳轮；4112、第二行星齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供一种主动电液耦合转向系统，如图1至图4所示，该转向系统包括机械转向机构1、电动助力转向机构2、变传动比机构4和液压助力转向机构3；其中，机械转向机构1包括用于连接方向盘11的转向输入轴416和用于驱动车辆转向的转向输出轴4110；转向输入轴416和转向输出轴4110共同构成转向轴12，转向输入轴416连接变传动比机构4的输入端，变传动比机构4的输出端连接转向输出轴4110；电动助力转向机构2的输出端传动连接转向输入轴416，液压助力转向机构3的输出端传动连接转向输出轴4110。

具体如下：

如图2所示，电动助力转向机构2包括电动助力电机25、减速器22和电磁离合器24，减速器22设置于转向轴12的转向输入轴416上，电动助力电机25通过电磁离合器24连接减速器22，用于驱动转向输入轴416；此外，该电动助力转向机构2还包括设置于减速器22两侧的转矩传感器21和角度传感器23，转矩传感器21设置于靠近方向盘11的一侧，角度传感器23设置于靠近变传动比机构4的一侧，该电动助力转向机构2中电动助力电机25由电子控制单元26控制，电子控制单元26通过获取方向盘11转矩信号、转向轴12转角信号和车速信号控制电动助力电机25和电磁离合器24。

如图3所示，变传动比机构4包括行星齿轮结构41，行星齿轮结构41的输入端即为变传动比机构4的输入端，该输入端连接转向输入轴416，行星齿轮结构41的输出端即为变传动比机构4的输出端，该输出端连接转向输出轴4110，实现了转向输入轴416通过行星齿轮结构41与转向输出轴4110连接。除此之外，该变传动比机构4还包括变传动比电机42和控制器43，其中行星齿轮结构41为一组行星齿轮组，包括蜗杆411、涡轮412、第一内齿圈413、第一行星齿轮414、第一行星架415、第一太阳轮417、第二内齿圈418、第二行星架419、第二太阳轮4111和第二行星齿轮4112。随着方向盘11的转动，带动转向输入轴416的转角输入，控制器43控制变传动比电机42带动蜗杆411转动使得转向输出轴4110的转角增大，使转向更加直接，以减少转向盘的转动圈数，提高车辆的灵活性和操控性。上述的控制器43与电子控制单元26可以均受到整车控制器43的控制。

机械转向机构1包括用于连接方向盘11的转向轴12、连接转向轴12的转向器13和连接转向器13的转向摇臂14，上述的转向输入轴416和转向输出轴4110构成该转向轴12，转向输出轴4110的输出端即为转向器13；转向摇臂14通过转向直拉杆15连接转向执行机构用于驱动车辆转向。

如图4所示，液压助力转向机构3包括转向动力缸38，转向动力缸38包括输出杆，转向动力缸38的输出杆驱动连接上述转向摇臂14；此外，液压助力转向机构3还包括转向液压泵33、连接转向液压泵33的液压油输出端的转向控制油路和转向助力油路、分配阀36以及转向控制阀37；转向控制油路通过分配阀36连接转向控制阀37，以控制转向控制阀37的阀体运动；转向助力油路通过转向控制阀37连接转向动力缸38，以驱动转向动力缸38的输出杆左右运动，带动转向摇臂14运动。此外，转向控制油路上分配阀36的入口前端设置有单向阀35，电子控制单元26控制根据方向盘11转矩信号、转向轴12转角信号和车速信号控制该分配阀36左右两侧的输出流量大小，对转向控制阀37的阀体运动产生作用，通过转向摇臂14和转向直拉杆15带动转向执行机构，实现助力转向。另有，液压回油至转向油罐31中，在液压回油支路与转向助力油路之间设置有溢流阀34，且在转向液压泵33的两端并联设置有流量控制阀32。

上述电动助力电机25和变传动比电机42均可以采用双绕组结构，在一个绕组失效后仍然能够工作，从而为转向系统提供了一个“双保险”。

如图5所示，本发明的一种主动电液耦合转向系统的控制方法，原理是根据方向盘转角θ、车速v和横摆角速度反馈Δr、r进行转向传动比控制，横摆角速度r为车辆的横摆角速度响应，横摆角速度反馈Δr为横摆角速度响应r与理想横摆角速度的差值；根据方向盘转矩T、车速v、方向盘转角θ和横摆角速度反馈Δr进行转向助力控制；角度传感器23检测方向盘转角θ，车速传感器检测车速信号v，转矩传感器21检测方向盘转矩T。图6为图5中的液压助力和电机助力的分配方法，根据变传动比机构的输出转角信号θ₁，转向控制阀37控制转向动力缸38产生液压助力力矩，通过现有的车辆回正力矩计算模型得到辨识力矩，将辨识力矩减去液压助力力矩即可得到电子助力力矩，电子控制单元26根据电子助力力矩控制电动助力电机25运行。

其中的汽车参考模型为：

在高速行驶时，如速度大于60km/h时，控制器43控制变传动比电机42不起作用，提高车辆的稳定性和安全性，并根据车辆的横摆角速度响应实时进行反馈，输出轴4110的转角θ₁会影响转向助力的力矩大小；在高速时电子控制单元26控制电动助力电机25不产生助力力矩，全部由液压助力系统来提供助力，并根据车辆的状态响应实时进行反馈，提高车辆的高速稳定性。

上述的一种主动电液耦合转向系统应用于车辆中，构成一种新的车辆，其中该车辆可以为新能源车辆，也可以为传统燃油型或混动型车辆，若为燃油型车辆，本发明中的液压助力转向机构中的液压油泵可以通过发动机带动运行，若为新能源车辆，则液压助力转向机构中的液压油泵可以通过电机带动运行。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种主动电液耦合转向系统，其特征在于，包括机械转向机构、电动助力转向机构、变传动比机构和液压助力转向机构，所述电动助力转向机构设置于方向盘与变传动比机构之间；所述机械转向机构包括用于连接方向盘的转向输入轴和用于驱动车辆转向的转向输出轴；所述转向输入轴连接所述变传动比机构的输入端，所述变传动比机构的输出端连接所述转向输出轴；所述电动助力转向机构的输出端传动连接所述转向输入轴，所述电动助力转向机构包括电动助力电机、减速器和电磁离合器，通过所述电磁离合器连接所述减速器，所述减速器设置传动连接所述转向输入轴，还包括设置于所述减速器两侧的转矩传感器和角度传感器，所述转矩传感器设置于靠近方向盘的一侧，所述角度传感器设置于靠近行星齿轮结构的一侧，所述液压助力转向机构的输出端传动连接所述转向输出轴，还包括电子控制单元，所述电子控制单元用于通过获取方向盘转矩信号、方向盘转角信号和车速信号控制电动助力电机和电磁离合器，根据变传动比机构的输出转角信号产生液压助力力矩。

2.根据权利要求1所述的主动电液耦合转向系统，其特征在于，所述变传动比机构包括行星齿轮结构和变传动比电机；所述转向输入轴连接所述行星齿轮结构的输入端，所述行星齿轮结构的输出端连接所述转向输出轴；所述变传动比电机驱动连接所述行星齿轮结构。

3.根据权利要求1所述的主动电液耦合转向系统，其特征在于，所述转向输出轴的输出端为转向器，所述转向器连接一个转向摇臂的一端，所述转向摇臂的另一端通过一个转向直拉杆用于驱动车辆转向，所述液压助力转向机构包括转向动力缸、转向液压泵、连接所述转向液压泵的液压油输出端的转向控制油路和转向助力油路、分配阀以及转向控制阀；所述转向动力缸包括输出杆，所述转向动力缸的输出杆驱动连接所述转向摇臂；所述转向控制油路通过所述分配阀连接所述转向控制阀，以控制所述转向控制阀的阀体运动；所述转向助力油路通过所述转向控制阀连接所述转向动力缸，以驱动所述转向动力缸的输出杆左右运动。

4.一种车辆，包括方向盘和用于驱动车辆转向的转向执行机构，其特征在于，还包括机械转向机构、电动助力转向机构、变传动比机构和液压助力转向机构，所述电动助力转向机构设置于方向盘与变传动比机构之间；所述机械转向机构包括连接所述方向盘的转向输入轴和连接所述转向执行机构转向输出轴；所述转向输入轴连接所述变传动比机构的输入端，所述变传动比机构的输出端连接所述转向输出轴；所述电动助力转向机构的输出端传动连接所述转向输入轴，所述电动助力转向机构包括电动助力电机、减速器和电磁离合器，通过所述电磁离合器连接所述减速器，所述减速器设置传动连接所述转向输入轴，还包括设置于所述减速器两侧的转矩传感器和角度传感器，所述转矩传感器设置于靠近方向盘的一侧，所述角度传感器设置于靠近行星齿轮结构的一侧，所述液压助力转向机构的输出端传动连接所述转向输出轴，还包括电子控制单元，所述电子控制单元用于通过获取方向盘转矩信号、方向盘转角信号和车速信号控制电动助力电机和电磁离合器，根据变传动比机构的输出转角信号产生液压助力力矩。

5.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述变传动比机构包括行星齿轮结构和变传动比电机；所述转向输入轴连接所述行星齿轮结构的输入端，所述行星齿轮结构的输出端连接所述转向输出轴；所述变传动比电机驱动连接所述行星齿轮结构。

6.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述转向输出轴的输出端为转向器，所述转向器连接一个转向摇臂的一端，所述转向摇臂的另一端通过一个转向直拉杆用于驱动车辆转向，所述液压助力转向机构包括转向动力缸、转向液压泵、连接所述转向液压泵的液压油输出端的转向控制油路和转向助力油路、分配阀以及转向控制阀；所述转向动力缸包括输出杆，所述转向动力缸的输出杆驱动连接所述转向摇臂；所述转向控制油路通过所述分配阀连接所述转向控制阀，以控制所述转向控制阀的阀体运动；所述转向助力油路通过所述转向控制阀连接所述转向动力缸，以驱动所述转向动力缸的输出杆左右运动。