CN111688799A - 一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，包括与基座两侧分别活动连接的第一机械活动连杆、第二机械活动连杆，与两个活动连杆分别连接的推进机构，与推进机构连接的主传动机构，以及与主传动机构连接的导向机构，导向机构与基座连接，主传动机构连接驱动系统，推进机构包括横拉杆和与其连接的行星滚珠丝杠副，行星滚珠丝杠副的行星螺母与主传动机构连接，推进机构与第一机械活动连杆、基座、第二机械活动连杆、主传动机构、导向机构构成六杆机构。与现有技术相比，本发明具有可靠性强，提高了车辆转向系统的可控性、精确性以及舒适性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及车辆线控转向领域，尤其是涉及一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统。
背景技术
随着新能源汽车与自动驾驶技术的发展，车辆转向系统更多的强调转向的可控性、精确性以及舒适性。车辆的转向系统亦逐步的从EPS(Electric Power Steering，电动助力转向系统)向线控转向的方向发展。线控转向与EPS之间最主要的差异便是取消了方向盘与前轮之间的机械连接，采用传感器获取方向盘的转向数据，然后由ECU(ElectronicControl Unit，电子控制单元)将其折算为具体的驱动力数据，用电机推动转向器转动前轮。同时控制单元会感受路面情况的变化，根据既定程序给方向盘的反馈电机信号，实现传统转向系统反馈路感的功能。线控转向系统操纵舒适，稳定可靠，精确性高，传动效率高，是新能源汽车与无人驾驶汽车转向系统未来发展的主流方向。
然而，轮式车辆转向系统是将转向力通过转向器、横直拉杆以及转向节等结构传递至转向轮，控制转向轮发生偏转。重载车辆上的转向系统一般采用液压助力实现前轮转向。整个转向过程力的传递效率较低，无法实现精确转向，在以新能源汽车、无人驾驶等应用方面遇到了极大的障碍。图1示出了当前燃油发动机驱动的载重车辆普遍采用的前桥转向机构，该机构中，第一连杆03与第二连杆04是推力输出单元，第一连杆03对应的是液压缸本体，第二连杆04对应的是液压推杆。第三连杆06和第四连杆07是另一套推力输出单元，第三连杆06对应的是液压缸本体，第四连杆07对应的是液压推杆；两个推力输出单元皆采用液压执行机构实现其功能。从平面机构组成的结构的角度来看，二者互为虚约束。通常情况下，以上两套液压缸是由同一套系统完成动力输出的，这种转向机构因为转向精度低的问题，仅适用于有人驾驶的轮式车辆。同样由于其传动效率低、液压泵站能耗高等、占用空间大、控制管路复杂等方面的劣势，并不适用于新能源电驱车辆以及自动驾驶等领域。此外，图1的前桥转向机构的另一个重要缺陷在于两套液压系统在动作过程中，推(拉)力的输出大小是同步的，但作用方向不一致，导致推出与拉进的控制过程复杂化，为整个系统的集成化带来了很大的困难。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，该系统采用行星滚柱丝杠副作为主要的动力传输装置，替代了车辆传统转向的横直拉杆或前桥转向机构等，并基于车辆转向架结构，通过六杆机构实现车辆的线控转向过程，提高了车辆转向系统的可控性、精确性以及舒适性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，包括基座和设于基座两侧的前轮，与基座两侧分别活动连接的第一机械活动连杆、第二机械活动连杆，与两个活动连杆分别连接的推进机构，与推进机构连接的主传动机构，以及与主传动机构连接的导向机构，所述导向机构与所述基座连接，所述主传动机构连接驱动系统，所述推进机构包括横拉杆和与其连接的行星滚珠丝杠副，所述行星滚珠丝杠副包括行星螺母、行星滚柱和行星丝杠，行星滚柱、行星丝杠与行星螺母相互啮合，所述行星螺母与主传动机构连接，推进机构与第一机械活动连杆、基座、第二机械活动连杆、主传动机构、导向机构构成六杆机构。
进一步地，所述横拉杆的两端分别通过转动副与所述第一机械活动连杆、所述第二机械活动连杆活动连接，所述第一机械活动连杆与所述第二机械活动连杆与基座分别通过转动副连接。所述导向机构与所述基座通过移动副连接。所述主传动机构与所述导向机构通过转动副连接。即整体六杆机构的活动部件数5个、低副数7个、高副数为0个，则机构自由度数为3×5-2×7＝1，原动件数等于自由度数，因此该机构的运动形式是确定的。主传动机构将电机扭矩传递给推进机构中的行星螺母，行星滚柱与行星螺母既做行星运动又做螺旋传动，行星滚柱、行星丝杠与行星螺母的啮合过程实现了旋转运动向直线运动的转化，实现整个机电一体化系统的恒功率输出。行星滚柱丝杠副将行星螺母的旋转运动与扭矩转换成行星丝杠的轴向平动与推力，控制第一机械活动连杆、第二机械活动连杆运动，推动前轮偏转完成转向。
具体地，该系统在实际操作中，所述驱动系统传递动力至主传动机构，所述主传动机构将动力传递至所述推进机构中的行星螺母，行星滚柱与行星螺母既做行星运动又做螺旋传动，行星滚柱、行星丝杠与行星螺母相啮合，行星滚柱丝杠副将行星螺母的旋转运动与扭矩转换成行星丝杠的轴向平动与推力，实现旋转运动向直线运动的转化，控制第一机械活动连杆、第二机械活动连杆运动，进而推动前轮偏转完成转向。
进一步地，所述驱动系统包括两套独立的动力传输装置，每一套动力传输装置包括各自的永磁同步电机，各永磁同步电机与主传动机构分别通过电磁离合器连接。每一个永磁同步电机分别通过各自的电磁离合器连接一套二级直齿轮减速器。
进一步地，所述主传动机构采用齿轮传动系统，所述行星螺母通过推力轴承与主传动机构连接。各动力传输装置通过集成控制单元监测永磁同步电机的运行状态，所述集成控制单元连接车载ECU。若某一套动力传输装置出现故障，所述集成控制单元向车载ECU发送故障告警信息，并触发对应的电磁离合器动作，电磁离合器切断永磁同步电机与主传动机构的连接，由另一套动力传输装置的永磁同步电机提供动力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明系统以行星滚柱丝杠副为核心，作为主要的动力传输装置，将驱动单元的旋转扭矩转换成直线推力输出，行星滚柱与行星螺母既做行星运动又做螺旋传动，行星滚柱、行星丝杠与行星螺母的啮合过程实现了旋转运动向直线运动的转化，实现整个机电一体化系统的恒功率输出，推出与拉进控制过程简单；
2)滚柱螺母作为本发明线控转向系统的承载主体，整个系统的扭矩与推力负载都由行星滚柱螺母来完成传送，行星滚柱螺母相对于其他形式的螺旋传动机构的承载主体，更容易实现结构的高强度、高可靠性设计，且不会降低传动效率与运行精度；
3)本发明根据六杆机构的运动规律，前轮的偏转角度与推进机构中行星滚珠丝杠副轴向平动位移有着严格的数学关系，行星滚柱丝杠副可以实现螺旋传动的高效高精传输，将其应用于线控转向转置，可使线控转向器本体具有更加精确的定位能力与较高的响应速度；
4)本发明设置了两路动力传输路径，即设置了两套独立的动力传输装置，在正常工作情况下作为动力源的两个永磁同步电机以相同的转矩与转速同步运动，将二者总的输出功率传递至推进部分的行星螺母上，当其中的一路动力传输装置失效时，可将其脱开，由另一路完好的动力传输装置完成线控转向器的转向功能，进一步保证了整个线控转向系统的可靠性；
5)本发明基于行星滚柱丝杠副螺母旋转—丝杠轴向往复平移的运动模式展开，将行星滚柱丝杠副应用于轮式车辆转向系统中，形成永磁同步电机、行星滚柱丝杠副与减速器一体的机电一体的线控转向系统，降低了系统集成化的难度，可大大提高适用范围，可适用于新能源汽车与自动驾驶汽车、矿车、AGV等多个方面。
附图说明
图1为传统矿车与重载车辆的前桥转向机构的总体构成示意图；
图2为实施例中基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统的六杆机构示意图；
图3为实施例中基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统的结构示意图；
图4为实施例中基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统的两套相互独立的动力传输系统结构示意图；
图1中标号所示：
01、第五连杆，02、横连杆，03、第一连杆，04、第二连杆，05、第六连杆，06、第三连杆，07、第四连杆；
图2～图4中标号所示：
1、第一机械活动连杆，2、推进机构，3、主传动机构，4、导向机构，5、第二机械活动连杆，6、基座，7、前轮，8～9、电磁离合器，10、行星螺母，11、行星滚柱，12、行星丝杠，13、横拉杆，14、永磁同步电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图2、3所示，本发明涉及一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，该系统包括第一机械活动连杆1、推进机构2、主传动机构3、导向机构4、第二机械活动连杆5、基座6、前轮7、行星滚珠丝杠副和两套独立的动力传输装置。
两个前轮7之间连接基座6，基座6的两侧分别活动连接第一机械活动连杆1和第二机械活动连杆5。
推进机构2包括横拉杆13和行星滚珠丝杠副，横拉杆13与行星滚珠丝杠副的丝杠轴连接在一起，用于实现往复平动。行星滚柱丝杠副是一种将旋转运动和直线运动相互转化的机械装置，作为一种新型的直线传动单元，其主要由行星螺母10、行星滚柱11、行星丝杠12组成。具体地，行星螺母10与行星滚柱11、行星滚柱11与行星丝杠12分别通过螺旋滚道结合在一起。横拉杆13与行星丝杠12连接。行星滚柱丝杠副作为一种新型的滚动功能部件，相比传统的滚珠丝杠副，承载能力、使用寿命、可靠性与传动效率得到了极大的提升。行星滚柱丝杠副的行星螺母10通过与其连接的两个推力轴承与主传动机构3连接。
横拉杆13的中央位置通过移动副与主传动机构3连接；横拉杆13的两端分别通过转动副与第一机械活动连杆1、第二机械活动连杆5活动连接；主传动机构3与导向机构4以转动副连接；导向机构4与基座6之间以移动副连接，导向机构4为本领域现有技术，在此不过多赘述；第一机械活动连杆1、第二机械活动连杆5与基座6分别以转动副连接。横拉杆13、第一机械活动连杆1、基座6、第二机械活动连杆5、主传动机构3、导向机构4之间构成六杆机构，主传动机构3作为源动件，第一机械活动连杆1、第二机械活动连杆5作为从动件，二者推动前轮7偏转完成转向。整体六杆机构的活动部件数5个(即第一机械活动连杆1、第二机械活动连杆5、横拉杆13、主传动机构3和导向机构4)、低副数7个(各移动副、转动副)、高副数为0个，则机构自由度数为3×5-2×7＝1，原动件数等于自由度数，所以该机构的运动形式是确定的。主传动机构3将电机扭矩传递给推进机构2中的行星螺母10，行星滚柱11与行星螺母10既做行星运动又做螺旋传动，行星滚柱11、行星丝杠12与行星螺母10的啮合过程实现了旋转运动向直线运动的转化，实现整个机电一体化系统的恒功率输出。行星滚柱丝杠副将行星螺母10的旋转运动与扭矩转换成行星丝杠12的轴向平动与推力，控制第一机械活动连杆1、第二机械活动连杆5运动，推动前轮7偏转完成转向。
该六杆机构各构件对应的位置关系可通过车载ECU来解算，通过控制行星滚珠丝杠副的左右位移就可以实现前轮的精确转向，极大简化了系统控制的复杂性，为新能源汽车与无人驾驶技术的实现提供了一套全新的解决方案。本发明的行星滚柱丝杠起到了动力输出作用，即仅用一套推力输出单元就可以实现前轮的线控转向过程。
图4所示的是本发明线控转向系统内部的两套独立的动力传输装置，两套动力传输装置互为备份，在正常运行情况下，两套动力传输装置同时工作实现功率输出的叠加。每一套动力传输装置采用电驱动系统，电驱动系统包括永磁同步电机14，两个永磁同步电机14分别与主传动机构3通过各自的电磁离合器8、9连接。在本实施例中，主传动机构3采用齿轮传动系统。两套电驱动系统通过集成控制单元监测永磁同步电机14的运行状态，集成控制单元连接车载ECU。当某一套动力传输装置出现故障(如输出功率超出最大设定值时)，集成控制单元向车载ECU发出故障告警信息，并触发对应的电磁离合器动作，切断永磁同步电机14与齿轮传动系统的连接，由另一套永磁同步电机14提供动力，使得在短时间内提供线控转向机构的独立运作，以此来提升整体系统运行的稳定性与可靠性。集成控制单元为现有技术，该单元利用集成伺服驱动器检测输出至两套电机的电流值，并采用FOC矢量控制技术，检测闭环调节伺服电机输出扭矩是否在额定范围内。
在本实施例中，作为优选方案，两个永磁同步电机分别通过各自的电磁离合器连接一套二级直齿轮减速器，用于对车辆线控转向提供减速。二级直齿轮减速器为现有技术，在此不过多说明。实际上主传动机构集成了行星螺母、二级齿轮减速器、永磁同步电机等关键传动装置。
本发明基于行星滚柱丝杠副螺母旋转—丝杠轴向往复平移的运动模式展开，将行星滚柱丝杠副应用于轮式车辆转向系统中，形成永磁同步电机、行星滚柱丝杠副与减速器一体的机电一体的线控转向系统。本发明系统适用于新能源汽车与自动驾驶汽车、矿车、AGV(Automated Guided Vehicle，载重无人货物转运系统)等方面。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，包括基座(6)和设于基座(6)两侧的前轮(7)，其特征在于，还包括与基座(6)两侧分别活动连接的第一机械活动连杆(1)、第二机械活动连杆(5)，与两个活动连杆分别连接的推进机构(2)，与推进机构(2)连接的主传动机构(3)，以及与主传动机构(3)连接的导向机构(4)，所述导向机构(4)与所述基座(6)连接，所述主传动机构(3)连接驱动系统，所述推进机构(2)包括横拉杆(13)和与其连接的行星滚珠丝杠副，所述行星滚珠丝杠副包括行星螺母(10)、行星滚柱(11)和行星丝杠(12)，行星滚柱(11)、行星丝杠(12)与行星螺母(10)相互啮合，所述行星螺母(10)与主传动机构(3)连接，推进机构(2)与第一机械活动连杆(1)、基座(6)、第二机械活动连杆(5)、主传动机构(3)、导向机构(4)构成六杆机构。
2.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，所述横拉杆(13)的两端分别通过转动副与所述第一机械活动连杆(1)、所述第二机械活动连杆(5)活动连接，所述第一机械活动连杆(1)与所述第二机械活动连杆(5)与基座(6)分别通过转动副连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，所述导向机构(4)与所述基座(6)通过移动副连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，所述主传动机构(3)与所述导向机构(4)通过转动副连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，该系统在实际操作中，所述驱动系统传递动力至主传动机构(3)，所述主传动机构(3)将动力传递至所述推进机构(2)中的行星螺母(10)，行星滚柱(11)与行星螺母(10)既做行星运动又做螺旋传动，行星滚柱(11)、行星丝杠(12)与行星螺母(10)相啮合，行星滚柱丝杠副将行星螺母(10)的旋转运动与扭矩转换成行星丝杠(12)的轴向平动与推力，实现旋转运动向直线运动的转化，控制第一机械活动连杆(1)、第二机械活动连杆(5)运动，进而推动前轮(7)偏转完成转向。
6.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，所述驱动系统包括两套独立的动力传输装置，每一套动力传输装置包括各自的永磁同步电机(14)，各永磁同步电机(14)与主传动机构(3)分别通过电磁离合器连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，所述主传动机构(3)采用齿轮传动系统，所述行星螺母(10)通过推力轴承与主传动机构(3)连接。
8.根据权利要求6所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，各动力传输装置通过集成控制单元监测永磁同步电机(14)的运行状态，所述集成控制单元连接车载ECU。
9.根据权利要求8所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，若某一套动力传输装置出现故障，所述集成控制单元向车载ECU发送故障告警信息，并触发对应的电磁离合器动作，电磁离合器切断永磁同步电机(14)与主传动机构(3)的连接，由另一个永磁同步电机(14)提供动力。
10.根据权利要求6所述的一种基于行星滚柱丝杠副的车辆线控转向系统，其特征在于，每一个永磁同步电机(14)分别通过各自的电磁离合器连接一套二级直齿轮减速器。
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