CN112550448A - 一种节能汽车线控转向机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能汽车线控转向机构及控制方法，线控转向机构包括转向盘、转向盘传感器、前转向轴、前齿轮齿条、第一至第二气室、第一至第二活塞杆、第一至第二气压传感器、后齿轮齿条、后传动轴、路感反馈电机、反馈齿轮、电磁离合器、线控转向执行机构、磁流变阻尼器、线控转向ECU。线控转向ECU根据转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号控制磁流变阻尼器、路感反馈电机、电磁离合器、线控转向执行机构工作。本发明进一步提高了电动汽车的能量利用率，减少能源消耗。

Description

一种节能汽车线控转向机构及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车线控转向技术，尤其涉及一种节能汽车线控转向机构及控制方法。

背景技术

汽车电气化、智能化飞速发展，线控转向技术已应用到少量车型中，是汽车智能化发展过程中的关键环节，续航能力是电动汽车发展亟待解决的关键问题。线控转向技术需要驱动电机实时为转向盘提供力矩，与传统转向机构相比，增加了转向操作过程中的能源消耗，降低了电动汽车的能量转换率和续航里程。

赵慧勇等设计了一种具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法及系统(专利号201910227686.0)，该装置包括提供两个相互之间由弹簧连接的电控旋转阻尼器，将其中一个电控阻尼器与转向盘连接，另一个电控旋转阻尼器与路感反馈电机连接。借助弹簧与电控旋转液压可变阻尼器实现转向过程的回正力矩模拟，减小了电机的工作时间，降低了能耗。但该机构复杂，装备两个液压阻尼器提高了成本，且无法实现线控转向失效后的直接机械连接。

英菲尼迪公司设计的双电机冗余线控转向系统已成功在实车中应用，该系统分别在齿条左右两端设计电机转速器驱动转向器小齿轮，带动齿条左右移动，失效时离合器闭合，左侧转向器小齿轮与机械转向管柱连接实现转向，但该系统冗余结构复杂，双电机均由减速器经齿轮齿条转向器驱动转向横拉杆，传动效率低。

杨林等发明的一种混合型线控转向系统(专利号201610989594.2)，该系统路感反馈电机和助力电机分开，只用一套转向执行电机驱动双排行星齿轮减速器，再经蜗杆齿条带动横拉杆左右移动，转向盘和转向轮之间具有实时可控的力传递特性和角传递特性，在系统失效时通过离合器恢复到机械转向状态，但该系统结构复杂、传动效率低且能量消耗量大。

邹松春等发明公开了一种双电机智能线控转向系统及同步控制方法(专利号202010004686.7)，能够从硬件上实现冗余，当线控转向系统一个转向电机出现故障或失效时，另一个转向电机能够独立工作，避免了任何一个单转向电机的故障造成的转向指令执行失效，保证完整的转向系统的性能。此外，双电机同时经过转角环和电流环PID控制，速度环滑模控制，能很好地跟踪转向盘转角控制；双电机之间基于交叉耦合补偿结构的转速滑膜同步控制又能有效解决两转向电机之间转速不一致导致的转向电机寿命低和转向效率低的问题。但由于存在两个转向电机，使得转向过程的能量消耗增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有的线控转向技术能耗高、成本大、结构复杂等缺点，提供一种节能汽车线控转向机构及控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种节能汽车线控转向机构，包括转向盘、转向盘传感器、前转向轴、前齿轮齿条、第一至第二气室、第一至第二活塞杆、第一至第二气压传感器、后齿轮齿条、后传动轴、路感反馈电机、反馈齿轮、电磁离合器、线控转向执行机构、磁流变阻尼器、线控转向ECU；

所述第一气室、第二气室结构相同，均呈U形，包含第一活塞筒、第二活塞筒和连接筒，其中，第一活塞筒、第二活塞筒平行设置，其内均设有活塞，且第一活塞筒、第二活塞筒的底端通过连接筒联通；

所述第一气室、第二气室固定在汽车上，所述第一活塞杆一端从第一气室第一活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连、另一端从第二气室第一活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连；所述第二活塞杆一端从第一气室第二活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连、另一端从第二气室第二活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连；

所述第一气压传感器、第二气压传感器分别对应设在第一气室、第二气室内，用于感应第一气室、第二气室内的气压并将其传递给所述线控转向ECU；

所述前转向轴一端通过所述转向盘传感器和转向盘相连，另一端和前齿轮齿条的齿轮同轴固连；所述前齿轮齿条的齿条设置在所述第一活塞杆上，前齿轮齿条的齿轮和齿条啮合；

所述转向盘传感器用于获得转向盘的转角和转角信号，并将其传递给所述线控转向ECU；

所述后转向轴一端和后齿轮齿条的齿轮同轴固连，另一端通过电磁离合器和线控转向执行机构相连；所述后齿轮齿条的齿条设置在所述第二活塞杆上，后齿轮齿条的齿轮和齿条啮合；

所述路感反馈电机的输出轴和所述通过反馈齿轮同轴固连；所述后转向轴上设有周向的齿条，所述反馈齿轮和后转向轴上的周向齿条啮合；

所述磁流变阻尼器通过花键与后转向轴连接；

所述线控转向ECU用于根据转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号控制磁流变阻尼器、路感反馈电机、电磁离合器、线控转向执行机构工作。

本发明还公开了一种该节能汽车线控转向机构的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，线控转向ECU接收转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号，实时监测线控转向执行机构是否有故障发生：

步骤1.1)，当线控转向执行机构发生故障时，开启应急转向模式：线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0，关闭电磁离合器，控制路感反馈电机辅助驾驶员转向，使汽车完成转向操作；

步骤1.2)，当线控转向执行机构未发生故障时，线控转向ECU检测汽车剩余能量；

步骤1.2.1)，当汽车剩余能量充足时，开启正常转向模式：线控转向ECU接收各传感器信息，计算路感反馈力矩和转向力矩，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0，并分别控制路感反馈电机、线控转向执行机构输出反馈力矩、转向力矩，同时分离电磁离合器；

步骤1.2.2)，当汽车剩余能量不足时，开启节能转向模式，线控转向ECU对汽车转向状态进行判断；

步骤1.2.2.1)，如果处于执行转向操作，线控转向ECU计算路感力矩、转向力矩、以及第一气室和第二气室的气能，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数实时变化；同时控制路感反馈电机停止工作、转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离；

步骤1.2.2.2)，如果处于自动回正操作，线控转向ECU计算路感力矩、转向力矩、以及第一气室和第二气室的气能，并判断第一气室和第二气室的气能是否能够持续为转向盘提供回正力矩；

步骤1.2.2.2.1)，如果第一气室和第二气室的气能足以使转向盘回正，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为无穷大，后传动轴锁死不动；同时控制路感反馈电机停止工作、转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离；

步骤1.2.2.2.2)，如果第一气室和第二气室的气能不足以使转向盘回正，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0；控制路感反馈电机工作，压缩第一气室、第二气室中的一个气室，使另一个气室形成真空，同时控制转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.节能：由于两个储能气室的存在，利用空气的压缩特性，最大程度的减少驱动电机的利用，减少了电能的消耗；

2.感知：传感器采集驾驶员的转向意图，并转化为电信号传递至线控转向ECU，线控转向ECU计算出转向过程所需的力矩，控制磁流变阻尼器，间接两个储能气室的压强，为转向盘提供力矩；保证转向指令的正常传递，最大程度地保证转向的可靠性；

3.反馈：高度的智能化的电子设备在线控转向ECU的计算控制下，通过对磁流变阻尼器和路感反馈电机的控制，可以快速精确的为转向盘提供所需的力矩，进而使得驾驶员感知路面信息；

4.容错：由于该机构并未完全取消传统机械转向部件，当电子器件发生故障时，依旧可以将驾驶员施加的转向力矩传递至转向执行机构，使得该新型线控转向装置具有一定的容错能力；

5.安全：转向管柱中间用两个储能气室相连接，取代传统的机械式连接；当汽车发生碰撞时，两个储能气室的存在增加了转向盘与驾驶员的安全距离，保证了车辆发生事故时驾驶员的安全性。

附图说明

图1是本发明的一种新型节能的电动汽车线控转向机构；

图2是本发明的一种新型节能的电动汽车线控转向机构控制方法的流程图。

图中，1-转向盘，2-转向盘传感器，3-前转向轴，4-前齿轮齿条，5-第一气室第一活塞筒内的活塞，6-第一气压传感器，7-第一气室，8-第一气室第二活塞筒内的活塞，9-后齿轮齿条，10-后传动轴，11-路感反馈电机，12-电磁离合器，13-线控转向执行机构，14-磁流变阻尼器，15-第二气室第二活塞筒内的活塞，16-第二气压传感器，17-第二气室，18-第二气室第一活塞筒内的活塞，19-线控转向ECU。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种节能汽车线控转向机构，包括转向盘、转向盘传感器、前转向轴、前齿轮齿条、第一至第二气室、第一至第二活塞杆、第一至第二气压传感器、后齿轮齿条、后传动轴、路感反馈电机、反馈齿轮、电磁离合器、线控转向执行机构、磁流变阻尼器、线控转向ECU；

所述第一气室、第二气室结构相同，均呈U形，包含第一活塞筒、第二活塞筒和连接筒，其中，第一活塞筒、第二活塞筒平行设置，其内均设有活塞，且第一活塞筒、第二活塞筒的底端通过连接筒联通；

所述第一气室、第二气室固定在汽车上，所述第一活塞杆一端从第一气室第一活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连、另一端从第二气室第一活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连；所述第二活塞杆一端从第一气室第二活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连、另一端从第二气室第二活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连；

所述第一气压传感器、第二气压传感器分别对应设在第一气室、第二气室内，用于感应第一气室、第二气室内的气压并将其传递给所述线控转向ECU；

所述前转向轴一端通过所述转向盘传感器和转向盘相连，另一端和前齿轮齿条的齿轮同轴固连；所述前齿轮齿条的齿条设置在所述第一活塞杆上，前齿轮齿条的齿轮和齿条啮合；

所述转向盘传感器用于获得转向盘的转角和转角信号，并将其传递给所述线控转向ECU；

所述后转向轴一端和后齿轮齿条的齿轮同轴固连，另一端通过电磁离合器和线控转向执行机构相连；所述后齿轮齿条的齿条设置在所述第二活塞杆上，后齿轮齿条的齿轮和齿条啮合；

所述路感反馈电机的输出轴和所述通过反馈齿轮同轴固连；所述后转向轴上设有周向的齿条，所述反馈齿轮和后转向轴上的周向齿条啮合；

所述磁流变阻尼器通过花键与后转向轴连接；

所述线控转向ECU用于根据转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号控制磁流变阻尼器、路感反馈电机、电磁离合器、线控转向执行机构工作。

如图2所示，本发明还公开了一种该节能汽车线控转向机构的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，线控转向ECU接收转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号，实时监测线控转向执行机构是否有故障发生：

步骤1.1)，当线控转向执行机构发生故障时，开启应急转向模式：线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0，关闭电磁离合器，控制路感反馈电机辅助驾驶员转向，使汽车完成转向操作；

步骤1.2)，当线控转向执行机构未发生故障时，线控转向ECU检测汽车剩余能量；

步骤1.2.1)，当汽车剩余能量充足时，开启正常转向模式：线控转向ECU接收各传感器信息，计算路感反馈力矩和转向力矩，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0，并分别控制路感反馈电机、线控转向执行机构输出反馈力矩、转向力矩，同时分离电磁离合器；

步骤1.2.2)，当汽车剩余能量不足时，开启节能转向模式，线控转向ECU对汽车转向状态进行判断；

步骤1.2.2.1)，如果处于执行转向操作，线控转向ECU计算路感力矩、转向力矩、以及第一气室和第二气室的气能，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数实时变化；同时控制路感反馈电机停止工作、转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离；

步骤1.2.2.2)，如果处于自动回正操作，线控转向ECU计算路感力矩、转向力矩、以及第一气室和第二气室的气能，并判断第一气室和第二气室的气能是否能够持续为转向盘提供回正力矩；

步骤1.2.2.2.1)，如果第一气室和第二气室的气能足以使转向盘回正，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为无穷大，后传动轴锁死不动；同时控制路感反馈电机停止工作、转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离；

步骤1.2.2.2.2)，如果第一气室和第二气室的气能不足以使转向盘回正，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0；控制路感反馈电机工作，压缩第一气室、第二气室中的一个气室，使另一个气室形成真空，同时控制转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离。

该线控转向机构三种工作模式的具体操纵原理如下：

a、应急转向模式

为了使该新型线控转向装置具有一定的容错能力，当转向执行机构中的电子器件发生故障时，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为ξ为0，电磁离合器关闭。保障了线控转向执行机构没有动力来源的情况下，驾驶员的转向力矩可以传递至转向车轮，使汽车完成转向操作。

b、正常转向模式

在该模式下，转向过程中转向盘所需力矩均由路感反馈电机提供。线控转向线控转向ECU接收传感信号，并控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，间接改变阻尼通道的长度大小，使得阻尼系数为ξ＝0。根据当前转向盘转角和期望路感力矩的大小，根据以下公式控制路感反馈电机转角θ_m：

式中，T_sw为期望的路感力矩，δ_sw、

为转向盘转角、转向盘转角加速度，K_air为储能气室的等效刚度，J_sw为转向盘的转动惯量。

c、节能转向模式

在驾驶员执行转向操作时，该线控转向机构应该对转向盘提供路感信息。路感反馈电机停止工作，线控转向ECU接收传感器信号，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为ξ实时变化。转向盘传递力矩到前齿轮齿条。两个储能气室为转向盘提供路感信息力矩，并储存一定的能量。根据当前转向盘转角和期望路感力矩的大小，由以下公式计算磁流变阻尼器的阻尼系数ξ：

式中J_sm为路感反馈电机的转动惯量，θ_m、

为路感反馈电机的转角、转动速度、转动加速度，其余参数同上。通过公式

确定路感反馈电机的目标转角，利用PID控制器通过公式

输出磁流变阻尼器的阻尼值，进而完成路感反馈电机的转角θ_m跟随。

在自动回正操作时，该线控转向机构需要为转向盘提供回正力矩。在转向盘回正的初始时刻，线控转向ECU判断两个储能气室的气能能否可以持续为转向盘提供回正力矩。如果扭转弹簧储存的能量足以使转向盘回正，路感反馈电机不工作，磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为ξ为无穷大，后传动轴锁死不动。如果两个储能气室储存的能量不足以使转向盘回正，线控转向ECU控制第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数ξ为0。路感反馈电机工作，压缩一个储能气室的同时另一个储能气室形成真空，间接为转向盘提供回正力矩，在完成回正操作。根据当前转向盘转角和期望路感力矩的大小，根据以下公式控制路感反馈电机转角θ_m：

在该模式下节省能量的同时，完成驾驶员感知路面信息和转向操作，电磁离合器处于分离状态。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种节能汽车线控转向机构，其特征在于，包括转向盘、转向盘传感器、前转向轴、前齿轮齿条、第一至第二气室、第一至第二活塞杆、第一至第二气压传感器、后齿轮齿条、后传动轴、路感反馈电机、反馈齿轮、电磁离合器、线控转向执行机构、磁流变阻尼器、线控转向ECU；

所述第一气室、第二气室结构相同，均呈U形，包含第一活塞筒、第二活塞筒和连接筒，其中，第一活塞筒、第二活塞筒平行设置，其内均设有活塞，且第一活塞筒、第二活塞筒的底端通过连接筒联通；

所述第一气室、第二气室固定在汽车上，所述第一活塞杆一端从第一气室第一活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连、另一端从第二气室第一活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连；所述第二活塞杆一端从第一气室第二活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连、另一端从第二气室第二活塞筒的头端伸入后和其内的活塞同轴固连；

所述第一气压传感器、第二气压传感器分别对应设在第一气室、第二气室内，用于感应第一气室、第二气室内的气压并将其传递给所述线控转向ECU；

所述前转向轴一端通过所述转向盘传感器和转向盘相连，另一端和前齿轮齿条的齿轮同轴固连；所述前齿轮齿条的齿条设置在所述第一活塞杆上，前齿轮齿条的齿轮和齿条啮合；

所述转向盘传感器用于获得转向盘的转角和转角信号，并将其传递给所述线控转向ECU；

所述后转向轴一端和后齿轮齿条的齿轮同轴固连，另一端通过电磁离合器和线控转向执行机构相连；所述后齿轮齿条的齿条设置在所述第二活塞杆上，后齿轮齿条的齿轮和齿条啮合；

所述路感反馈电机的输出轴和所述通过反馈齿轮同轴固连；所述后转向轴上设有周向的齿条，所述反馈齿轮和后转向轴上的周向齿条啮合；

所述磁流变阻尼器通过花键与后转向轴连接；

所述线控转向ECU用于根据转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号控制磁流变阻尼器、路感反馈电机、电磁离合器、线控转向执行机构工作。

2.基于权利要求1所述的节能汽车线控转向机构的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），线控转向ECU接收转向盘传感器、第一气压传感器、第二气压传感器的感应信号以及汽车的车速、横摆角速度信号，实时监测线控转向执行机构是否有故障发生：

步骤1.1），当线控转向执行机构发生故障时，开启应急转向模式：线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0，关闭电磁离合器，控制路感反馈电机辅助驾驶员转向，使汽车完成转向操作；

步骤1.2），当线控转向执行机构未发生故障时，线控转向ECU检测汽车剩余能量；

步骤1.2.1），当汽车剩余能量充足时，开启正常转向模式：线控转向ECU接收各传感器信息，计算路感反馈力矩和转向力矩，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0，并分别控制路感反馈电机、线控转向执行机构输出反馈力矩、转向力矩，同时分离电磁离合器；

步骤1.2.2），当汽车剩余能量不足时，开启节能转向模式，线控转向ECU对汽车转向状态进行判断；

步骤1.2.2.1），如果处于执行转向操作，线控转向ECU计算路感力矩、转向力矩、以及第一气室和第二气室的气能，控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数实时变化；同时控制路感反馈电机停止工作、转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离；

步骤1.2.2.2），如果处于自动回正操作，线控转向ECU计算路感力矩、转向力矩、以及第一气室和第二气室的气能，并判断第一气室和第二气室的气能是否能够持续为转向盘提供回正力矩；

步骤1.2.2.2.1），如果第一气室和第二气室的气能足以使转向盘回正，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为无穷大，后传动轴锁死不动；同时控制路感反馈电机停止工作、转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离；

步骤1.2.2.2.2），如果第一气室和第二气室的气能不足以使转向盘回正，线控转向ECU控制磁流变阻尼器第一阻尼通道和第二阻尼通道之间的开启中断状态，使得阻尼系数为0；控制路感反馈电机工作，压缩第一气室、第二气室中的一个气室，使另一个气室形成真空，同时控制转向执行电机输出转向力矩、电磁离合器分离。

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