CN111071337A - 一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统 - Google Patents

Abstract

一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，包括方向盘、输入轴与行星锥齿轮机构；方向盘与输入轴一端相连，行星锥齿轮机构设置在输入轴上，输入轴另一端与第一排行星齿轮机构，第一排行星齿轮机构与第二排行星齿轮机构相连，第二排行星齿轮机构与输出轴一端相连；输入轴上设置有传感器；蜗轮与第一排行星齿轮机构与第二排行星齿轮机构相连；转向电机与蜗杆相连；传感器、转向电机与电动液压助力转向装置均与电控单元ECU相连。本发明在主动前轮转向传动系统正常工作时具有变传动比功能，能够增加商用车在低速行驶时转向的灵敏性和商用车高速行驶时的稳定性以及可以省力、减小驾驶员的驾驶疲劳，从而改善驾驶员的驾驶路感。

Description

一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统

技术领域

本发明属于商用汽车转向技术领域，具体涉及一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统。

背景技术

传统机械转向系统从转向盘到前轮的角传动比一般情况近似是个定值，传统商用车的转向系统在低速转向时，驾驶员的转向力度大，转向手感和舒适性差；当商用车高速转向时，驾驶员的操作反应时间短，商用车辆的质量惯性较大，因此安全性和稳定性较低。另外，驾驶员的疲劳驾驶是发生交通事故的原因之一。如何改善汽车的行驶安全性、稳定性和可操作性，以及驾驶员在疲劳驾驶时，避免或者减少交通事故的发生，保障人们的生命财产安全，成为了科研人员急需解决的重要问题。

近年来，国内外对主动前轮转向系统的研究得到了很大的发展，很多研究机构和汽车厂商开发了不同结构的主动前轮转向系统。宝马与采埃孚公司联合开发了一种机械式的主动前轮转向系统由一套双行星轮系构成，并已装备于宝马3系和5系乘用汽车上，德国采埃孚公司和博世公司合作开发了一种主动前轮转向系统，由谐波齿轮与伺服电机组成，已成功装配到商用汽车上，美国福特汽车公司研发的主动前轮转向系统由一个伺服电机、蜗轮蜗杆减速器、滚针轴承和控制器组成。在双行星轮机构中，双行星轮机构传动比为1的时候，机构的效率低下，提升转向效率是需要解决的一个重要问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，该系统能够实现位移控制电机及双行星轮传动机构用于提供附加转向角，进行变传动比的控制和自适应的主动转向干预，从而实现主动前轮转向功能。当自适应主动转向系统正常工作的时候，转向传动比根据车速的变化而改变，转向效率也很高，商用车辆在高速行驶时转向传动比变大，防止转向角度过大可能会使汽车发生侧向偏移运动，保障商用汽车行驶稳定性；商用车辆在高速行驶时转向传动比变小，能保障商用车在转急弯或者泊车时的灵敏性。当自适应主动转向系统发生故障的时候，蜗轮蜗杆机构会自锁，此时的机构为定轴轮系，输入轴到输出轴的传动比为1，这时的转向系统和传统的汽车转向系统的传动比一样。当转向盘被锁死时，该主动转向系统为单自由度的行星轮系，由转向电机输入主动转向干预控制，实现智能驾驶。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，包括方向盘、输入轴、行星锥齿轮机构、第一排行星齿轮机构、第二排行星齿轮机构、蜗轮、蜗杆、转向电机、输出轴、齿条、齿扇、电动液压助力转向装置以及电控单元ECU；

其中，方向盘与输入轴一端相连，行星锥齿轮机构设置在输入轴上，输入轴另一端与第一排行星齿轮机构相连，第一排行星齿轮机构与第二排行星齿轮机构相连，第二排行星齿轮机构与输出轴一端相连，输出轴上设置有电动液压助力转向装置，输出轴的另一端与齿条相连，齿条与齿扇啮合；

输入轴上设置有传感器；

蜗轮与第一排行星齿轮机构以及第二排行星齿轮机构连接；

转向电机与蜗杆相连，蜗轮与蜗杆啮合；

传感器、转向电机与电动液压助力转向装置均与电控单元ECU相连。

本发明进一步的改进在于，方向盘一端和转向柱一端相连，转向柱另一端通过万向节和输入轴一端相连。

本发明进一步的改进在于，行星锥齿轮机构包括主动锥齿轮、行星锥齿轮以及从动锥齿轮，主动锥齿轮安装在输入轴另一端，主动锥齿轮和行星锥齿轮啮合，行星锥齿轮又和从动锥齿轮啮合，从动锥齿轮和输入太阳轮相连。

本发明进一步的改进在于，第一排行星齿轮机构包括第一行星架，第一行星轮以及输入太阳轮，第一行星轮与输入太阳轮相啮合，第一行星架与第一行星轮通过滚针轴承连接形成转动副；

第二排行星齿轮机构包括第二行星架、第二行星轮以及输出太阳轮，第一行星轮与第二行星轮通过轴相连组成双联齿轮，双联齿轮与第二行星架通过滚针轴承连接形成转动副；第二行星轮与输出太阳轮相啮合，输出太阳轮与输出轴相连；

第一行星架与第二行星架设置在蜗轮侧面。

本发明进一步的改进在于，蜗轮外壁上设置有若干齿，第一行星架与第二行星架通过螺柱连接在蜗轮上，并能够同步转动。

本发明进一步的改进在于，第一行星架和第二行星架的侧面分别开设有一个第一圆柱孔和第二圆柱孔，第一圆柱孔和第二圆柱孔里面各装有一个弹簧，其中第一圆柱孔内一个弹簧的一端顶到第一圆柱孔底部，另一端顶到蜗轮的内壁；第二圆柱孔内的另一个弹簧的一端顶到第二圆柱孔的底部，另一端顶到蜗轮的内壁。

本发明进一步的改进在于，蜗轮内设置有第一轴向挡环和第二轴向挡环，用于轴向定位并抵消输入轴和输出轴的轴向力；第二行星架内固定滚针轴承外圈，滚针轴承内圈与第二行星轮的轴相配合。

本发明进一步的改进在于，由输入轴、主动锥齿轮、行星锥齿轮、从动锥齿轮、输入太阳轮、第二行星轮、第一行星轮、第一行星架、蜗轮、蜗杆、转向电机、输出太阳轮以及输出轴组成两个自由度的差动轮系，该差动轮系有方向盘和转向电机两个输入，有输出轴一个输出，此时输入轴转角和输出轴转角之比为可变传动比。

本发明进一步的改进在于，当系统发生故障时，蜗轮与蜗杆机构自锁，由输入轴、主动锥齿轮、行星锥齿轮、从动锥齿轮、输入太阳轮、第二行星轮、第一行星轮、输出太阳轮以及输出轴组成定轴轮系，其中，输入轴转角与输出轴转角的传动比为1:1。

本发明进一步的改进在于，方向盘被锁住时，由蜗轮、蜗杆、转向电机、第二行星轮、第一行星轮、第一行星架、第二行星架、输出太阳轮以及输出轴组成单自由度的行星轮系机构，从而实现智能驾驶。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明能够实现位移控制转向电机及双行星轮传动机构用于提供附加转向角，通过转向转角的叠加实现变传动比功能。商用车辆在高速行驶时，转向电机驱动蜗杆转动的角度和驾驶员转动方向盘的方向相反，叠加后转向角度减小，修正高速行驶商用车的转向角度，转向传动比在一定范围内随车速的增加而增大，有效避免了商用汽车的过度转向问题，提高了汽车的操作稳定性。商用车辆在低速行驶或者泊车时，转向电机驱动蜗杆转动的角度与驾驶员转动方向盘的方向相同，叠加后转向角度增大，转向更加直接、灵敏，驾驶员也更加省力，转向传动比在一定范围内随车速的减小而减小，有效避免了商用汽车的转向不足问题，提高了汽车驾驶的轻便性。

本发明可以在自适应主动转向系统发生故障的时候，蜗轮蜗杆机构会自锁，此时的机构为定轴轮系，输入轴到输出轴之间锥齿轮系传动比与双行星轮系传动比之积为1，这时的转向系统和传统的汽车转向系统的传动比一样，查询机械设计手册可知，WW型号行星轮系在传动比为1的时候，效率非常低，而本发明在设计双行星轮系的时候，避免其传动比为1，故设计锥齿轮系传动比与双行星轮系传动比之积为1，既满足转向系统和传统的汽车转向系统的传动比一样，也提高了自适应主动转向系统的效率。

本发明可以实现智能驾驶，方向盘被锁住的时候，双行星轮系为单自由度的轮系机构，转向电机驱动蜗杆，独立主动的干预转向控制，实现智能驾驶，可以在驾驶员疲劳驾驶，车辆短暂处于失控的情况下，主动转向电机转动角度和转向盘角度叠加，修正转向角度，避免交通事故发生。

本发明的蜗轮蜗杆机构导程角小于当量摩擦角，可以自锁。

本发明的锥齿轮系机构主要用来凑传动比，该机构和双排行星轮机构共一个行星架，在自适应主动转向系统发生故障时，保障锥齿轮系机构和双排行星轮机构传动比之积为1，既满足转向系统和传统的汽车转向系统的传动比一样，也提高了自适应主动转向系统的效率。

进一步的，蜗轮在设计上有独特的结构，蜗轮和两个行星架通过螺柱连接起来，结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的工作原理图。

图3为蜗轮的结构图。

图中，1-方向盘，2-转向柱，3-万向节，4-传感器，5-输入轴，6-主动锥齿轮，7-行星锥齿轮，8-从动锥齿轮，9-第一行星架，10-输入太阳轮，11-蜗轮，12-第二行星轮，13-输出太阳轮，14-输出轴，15-电动液压助力系统，16-齿条，17-齿扇，18-电控单元ECU，19-第一行星轮，20-转向电机，21-蜗杆，22-第二行星架，23-滚针轴承，24-第一圆柱孔，25-第二圆柱孔，26-定位销，27-螺柱，28-第一轴向挡环，29-第二轴向挡环。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

参见图1，本发明提供了一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，包括方向盘1、转向柱2、万向节3、传感器4、输入轴5、主动锥齿轮6、行星锥齿轮7、从动锥齿轮8、输入太阳轮10、第二行星轮12、第一行星轮19、第一行星架9、第二行星架22、蜗轮11、蜗杆21、转向电机20、输出太阳轮13、输出轴14、齿条16、齿扇17、电动液压助力转向装置15、电控单元ECU18、滚针轴承23、第一圆柱孔24、第二圆柱孔25、定位销26、螺柱27、轴向挡环28以及轴向挡环29。

其中，主动锥齿轮6、行星锥齿轮7以及从动锥齿轮8形成行星锥齿轮机构。行星锥齿轮机构还包括行星架，行星锥齿轮7与行星架连接形成转动副。

第一行星架9与第一行星轮19以及输入太阳轮10形成第一排行星齿轮机构，第一行星架9与第一行星轮19通过滚针轴承23连接形成转动副，第一行星轮19与输入太阳轮10相啮合。

第二行星架22与第二行星轮12以及输出太阳轮13组成第二排行星齿轮机构，第一行星轮19与第二行星轮12通过轴刚性相连，组成双联齿轮，第二行星架22与第二行星轮12也通过滚针轴承23连接形成转动副。

具体的，方向盘1一端和转向柱2一端相连，转向柱2另一端通过万向节3和输入轴5一端相连，传感器4安装到输入轴5上面，主动锥齿轮6安装在输入轴5另一端，主动锥齿轮6和行星锥齿轮7啮合，另外，行星锥齿轮7又和从动锥齿轮8啮合，从动锥齿轮8与输入太阳轮10相连，并且输出锥齿轮8和输入太阳轮10组成同步转动的双联齿轮，输入太阳轮10又和第一行星轮19啮合，第二行星轮12与输出太阳轮13啮合，第一行星轮19和第二行星轮12的数量均为3个，前排的三个第一行星轮19和后排的三个第二行星轮12通过轴固连在一起，每个第一行星轮19和第二行星轮12组成同步运动的双联齿轮，该双联齿轮通过轴与第二行星架22通过滚针轴承23连接形成转动副，在输出轴14上安装有电动液压助力转向装置15，输出轴14的一端与输出太阳轮13相连，输出轴14的另一端与齿条16相连，齿条16与齿扇17啮合，第一行星架9与蜗轮11通过螺柱27连接成一刚性体，蜗轮11与蜗杆21啮合，蜗杆21与转向电机20的轴相连，并且蜗杆21与转向电机20的轴做成一体蜗杆轴。

参见图3，蜗轮11外面设置有若干齿，第一行星架9、第二行星架22设置在蜗轮11两侧面，蜗轮11和第一行星架9、第二行星架22通过螺柱27连接成一刚性体，实现同步转动。蜗轮11上沿轴向设置有三个螺柱孔和一个定位销26，第一行星架9和第二行星架22沿轴向分别对应有三个螺栓孔和一个定位销26。第一行星架9和第二行星架22以及蜗轮11通过螺柱27连接并通过定位销26定位，第一行星架9和第二行星架22的侧面分别开设有一个第一圆柱孔24和第二圆柱孔25，第一圆柱孔24和第二圆柱孔25里面各装有一个弹簧，其中第一圆柱孔24内一个弹簧的一端顶到第一圆柱孔24底部，另一端顶到蜗轮11的内壁；第二圆柱孔25内的另一个弹簧的一端顶到第二圆柱孔25的底部，另一端顶到蜗轮11的内壁。蜗轮11里面设置有两个轴向挡环，分别是第一轴向挡环28、第二轴向挡环29，用于轴向定位并抵消输入轴5和输出轴14的轴向力，第二行星架22孔里面固定滚针轴承23外圈，该滚针轴承23内圈与第二行星轮12的轴相配合。

由输入轴5、主动锥齿轮6、行星锥齿轮7、从动锥齿轮8、输入太阳轮10、第二行星轮12、第一行星轮19、第一行星架9、蜗轮11、蜗杆21、转向电机20、输出太阳轮13以及输出轴14组成两个自由度的差动轮系，该差动轮系有方向盘1和转向电机20两个输入，有输出轴14一个输出，此时输入轴5转角和输出轴14转角之比为可变传动比。

当系统发生故障时，蜗轮11与蜗杆21机构自锁，由输入轴5、主动锥齿轮6、行星锥齿轮7、从动锥齿轮8、输入太阳轮10、第二行星轮12、第一行星轮19、输出太阳轮13以及输出轴14组成定轴轮系，其中，输入轴5转角与输出轴14转角的传动比为1:1。

方向盘1被锁住时，由蜗轮11、蜗杆21、转向电机20、第二行星轮12、第一行星轮19、第一行星架9、第二行星架22、输出太阳轮13以及输出轴14组成单自由度的行星轮系机构，从而实现智能驾驶。

本发明的工作原理：

参见图2，这套系统主要包括上、下两排行星齿轮机构和一副行星锥齿轮机构，参见图2，共用一个合成行星架进行动力传递。当商用车辆行驶在道路转弯处，驾驶员转动方向盘1进行转弯，此时转向电机20也开始驱动蜗杆21转动，车辆行驶速度以及方向盘1的转角和转矩通过传感器4传到电控单元ECU 18，电控单元ECU 18通过自身内部算法(算法可以根据实际需要进行选取)控制转向电机20的转向、速度、转矩等参数以及控制电动液压助力系统15，实现转向电机20的输出转角和方向盘1的输出转角经过上、下两排行星齿轮机构和一副行星锥齿轮机构进行汇流叠加，该叠加角还经过输出轴14、齿条16、齿扇17到达商用车前轮，最后实现前轮转向角度输出，该前轮转向角度与方向盘转角之比为变值，故称变传动比；具体实施方案为：输入太阳轮10与方向盘1相连，将方向盘1上输入的转向角经由第一行星架9和第二行星架22和行星齿轮副传递给输出太阳轮13。而该差动轮系具有两个转向输入自由度，一个是输入太阳轮10由方向盘1传输的转角，另一个是由转向电机20通过一个自锁式蜗轮11、蜗杆21驱动的第一行星架9和第二行星架22输入，即所谓的叠加转角输入。输出轴14的转向角度是由方向盘1转向角度与转向电机20驱动的转向角度叠加得到，也就是汽车的实际转向角度。

低速时，转向电机20驱动的蜗杆21转动方向与方向盘1转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向力的需求。

高速时，转向电机20驱动的蜗杆21转动方向与方向盘1转动相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程会变得更为间接，提高了汽车的稳定性和安全性。该行星齿轮机构工作时具有如下三种驱动方式：

a.转向电机20被锁死即蜗轮11固定不动时，方向盘1通过行星锥齿轮机构和输入太阳轮10将动力传递给双行星齿轮机构中间的第一行星轮9和第二行星架22，再由输出太阳轮13输出。与此同时，前轮上的地面反力也通过相同的途径为驾驶员提供转向路感，这也是在不装备主动转向系统的车辆上驾驶员对于前轮转向的操纵过程。

b.方向盘1不动，即输入太阳轮10固定时，可由转向电机20驱动蜗杆21通过行星齿轮机构将动力传递给输出太阳轮13。驾驶员疲劳驾驶，短暂离开转向盘时，可以增加驾驶的安全性，实现智能驾驶。

c.在通常情况下，输入太阳轮10和转向电机20是共同工作的，方向盘1通过行星锥齿轮机构和输入太阳轮10将动力传递给双行星齿轮机构，转向电机20通过蜗杆21将运动传递给双行星齿轮机构中间的第一行星架9和第二行星架22，这两个运动将会合成后再由输出太阳轮13输出。车轮转角是驾驶员转向角和转向电机调节转向角的叠加。

Claims (10)

1.一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，包括方向盘(1)、输入轴(5)、行星锥齿轮机构、第一排行星齿轮机构、第二排行星齿轮机构、蜗轮(11)、蜗杆(21)、转向电机(20)、输出轴(14)、齿条(16)、齿扇(17)、电动液压助力转向装置(15)以及电控单元ECU(18)；

其中，方向盘(1)与输入轴(5)一端相连，行星锥齿轮机构设置在输入轴(5)上，输入轴(5)另一端与第一排行星齿轮机构相连，第一排行星齿轮机构与第二排行星齿轮机构相连，第二排行星齿轮机构与输出轴(14)一端相连，输出轴(14)上设置有电动液压助力转向装置(15)，输出轴(14)的另一端与齿条(16)相连，齿条(16)与齿扇(17)啮合；

输入轴(5)上设置有传感器(4)；

蜗轮(11)与第一排行星齿轮机构以及第二排行星齿轮机构连接；

转向电机(20)与蜗杆(21)相连，蜗轮(11)与蜗杆(21)啮合；

传感器(4)、转向电机(20)与电动液压助力转向装置(15)均与电控单元ECU(18)相连。

2.根据权利要求1所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，方向盘(1)一端和转向柱(2)一端相连，转向柱(2)另一端通过万向节(3)和输入轴(5)一端相连。

3.根据权利要求1所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，行星锥齿轮机构包括主动锥齿轮(6)、行星锥齿轮(7)以及从动锥齿轮(8)，主动锥齿轮(6)安装在输入轴(5)另一端，主动锥齿轮(6)和行星锥齿轮(7)啮合，行星锥齿轮(7)又和从动锥齿轮(8)啮合，从动锥齿轮(8)和输入太阳轮(10)相连。

4.根据权利要求3所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，第一排行星齿轮机构包括第一行星架(9)，第一行星轮(19)以及输入太阳轮(10)，第一行星轮(19)与输入太阳轮(10)相啮合，第一行星架(9)与第一行星轮(19)通过滚针轴承(23)连接形成转动副；

第二排行星齿轮机构包括第二行星架(22)、第二行星轮(12)以及输出太阳轮(13)，第一行星轮(19)与第二行星轮(12)通过轴相连组成双联齿轮，双联齿轮与第二行星架(22)通过滚针轴承(23)连接形成转动副；第二行星轮(12)与输出太阳轮(13)相啮合，输出太阳轮(13)与输出轴(14)相连；

第一行星架(9)与第二行星架(22)设置在蜗轮(11)侧面。

5.根据权利要求4所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，蜗轮(11)外壁上设置有若干齿，第一行星架(9)与第二行星架(22)通过螺柱(27)连接在蜗轮(11)上，并能够同步转动。

6.根据权利要求4所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，第一行星架(9)和第二行星架(22)的侧面分别开设有一个第一圆柱孔(24)和第二圆柱孔(25)，第一圆柱孔(24)和第二圆柱孔(25)里面各装有一个弹簧，其中第一圆柱孔(24)内一个弹簧的一端顶到第一圆柱孔(24)底部，另一端顶到蜗轮(11)的内壁；第二圆柱孔(25)内的另一个弹簧的一端顶到第二圆柱孔(25)的底部，另一端顶到蜗轮(11)的内壁。

7.根据权利要求4所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，蜗轮(11)内设置有第一轴向挡环(28)和第二轴向挡环(29)，用于轴向定位并抵消输入轴(5)和输出轴(14)的轴向力；第二行星架(22)内固定滚针轴承(23)外圈，滚针轴承(23)内圈与第二行星轮(12)的轴相配合。

8.根据权利要求4所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，由输入轴(5)、主动锥齿轮(6)、行星锥齿轮(7)、从动锥齿轮(8)、输入太阳轮(10)、第二行星轮(12)、第一行星轮(19)、第一行星架(9)、蜗轮(11)、蜗杆(21)、转向电机(20)、输出太阳轮(13)以及输出轴(14)组成两个自由度的差动轮系，该差动轮系有方向盘(1)和转向电机(20)两个输入，有输出轴(14)一个输出，此时输入轴(5)转角和输出轴(14)转角之比为可变传动比。

9.根据权利要求4所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，当系统发生故障时，蜗轮(11)与蜗杆(21)机构自锁，由输入轴(5)、主动锥齿轮(6)、行星锥齿轮(7)、从动锥齿轮(8)、输入太阳轮(10)、第二行星轮(12)、第一行星轮(19)、输出太阳轮(13)以及输出轴(14)组成定轴轮系，其中，输入轴(5)转角与输出轴(14)转角的传动比为1:1。

10.根据权利要求4所述的一种商用汽车自适应主动前轮转向传动系统，其特征在于，方向盘(1)被锁住时，由蜗轮(11)、蜗杆(21)、转向电机(20)、第二行星轮(12)、第一行星轮(19)、第一行星架(9)、第二行星架(22)、输出太阳轮(13)以及输出轴(14)组成单自由度的行星轮系机构，从而实现智能驾驶。

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