CN113443002A - 一种商用车电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种商用车电动助力转向装置，包括：循环球机构包括螺杆和螺母，螺杆与输入结构轴连接，螺母套设在螺杆，螺母与摇臂机构啮合连接，以带动摇臂机构摆动并输出扭矩；循环球机构还包括钢球以及两个并列设置的第一导管、第二导管，螺母内螺纹和螺杆外螺纹之间形成第一滚道；第一导管和第二导管固设在螺母的外侧，第一导管和第二导管内设置有第二滚道，第一导管内的第二滚道的首尾与第一滚道的第一段相连通，第二导管内的第二滚道的首尾与第一滚道的第二段相连通，钢球可在第一滚道和第二滚道内滚动；第一段和第二段内的钢球滚动的有效圈数均为2.5圈。该装置能够输出大扭矩，有效的满足商用车的动力转向需求。

Description

一种商用车电动助力转向装置

技术领域

本发明涉及电动助力转向装置技术领域，具体涉及一种商用车电动助力转向装置。

背景技术

电动转向符合汽车发展电子化、自动化、智能化和节能降耗的需求，大幅改善驾驶的舒适性、安全性，是汽车转向系统的发展方向，将成为汽车动力转向系统的标准配置。

目前，乘用车已经完成电动转向化，如CEPS、PEPS和REPS等，但由于上述电动转向装置的输出扭矩较小，无法满足大吨位商用车的转向扭矩需求，不能应用在商用车上。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，旨在提供一种商用车电动助力转向装置，能够输出大扭矩，有效的满足商用车的动力转向需求。

具体技术方案如下：

一种商用车电动助力转向装置，主要包括：包括：动力结构、输入结构、蜗轮蜗杆机构、循环球机构和摇臂机构；

所述循环球机构包括螺杆和螺母，所述螺杆与所述输入结构轴连接，所述螺母套设在所述螺杆上，所述螺母与所述摇臂机构啮合连接，以带动所述摇臂机构摆动并输出扭矩；

所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮和蜗杆，所述动力结构与所述蜗杆驱动连接，所述蜗轮套设在所述螺杆上，所述蜗杆与所述蜗轮啮合连接，以带动所述螺杆转动；

所述循环球机构还包括钢球以及两个并列设置的第一导管、第二导管，所述螺母内螺纹和所述螺杆外螺纹之间形成第一滚道；

所述第一导管和所述第二导管固设在所述螺母的外侧，所述第一导管和所述第二导管内设置有第二滚道，所述第一导管内的所述第二滚道的首尾与所述第一滚道的第一段相连通，所述第二导管内的所述第二滚道的首尾与所述第一滚道的第二段相连通，其中，所述第一段与所述第二段并列设置且两者之间间隔预设距离，所述钢球可在所述第一滚道和所述第二滚道内滚动；

所述第一段和所述第二段内的所述钢球滚动的有效圈数均为2.5圈。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述钢球的直径为7.144mm～9.525mm，所述螺杆和螺母的螺距为9mm～15mm，所述钢球中心螺旋升角控制在5.3°～6.5°，所述钢球与所述螺杆接触点螺旋升角控制在6.2°～7.1°，所述钢球与所述螺母接触点螺旋升角控制在4.6°～5.3°，所述螺母、所述螺杆与所述钢球接触滚道双圆弧半径控制在3.5mm～5.5mm，所述钢球的中心距控制在32mm～48mm，所述导管壁厚为1.0mm～2.0mm。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述蜗轮蜗杆机构的速比控制在21:1～26:1。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述循环球机构的速比控制在17:1～23:1。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述螺母外侧设置有齿条，所述摇臂机构包括有与所述齿条啮合的扇齿，所述扇齿的模数控制在5.0～8.0范围内，理论齿数控制在12齿～15齿范围内，有效齿数为3齿～5齿。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述输入结构包括输入轴、扭杆和角度扭矩传感器，所述动力结构包括电机和控制器；

所述输入轴套设于所述扭杆外周壁，所述扭杆与所述螺杆轴连接，所述角度扭矩传感器设置于所述输入轴外侧，所述角度扭矩传感器用于感测所述扭杆的变形量并将所述变形量转化成扭矩和角度信号，所述角度扭矩传感器将所述扭矩和角度信号传递给所述控制器；

所述控制器与所述电机连接，所述控制器接收所述扭矩和角度信号控制所述电机转动，所述电机与所述蜗杆驱动连接。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述扭杆与所述输入轴压装固定，所述扭杆与所述螺杆压装固定。

上述的一种商用车电动助力转向装置中，还具有这样的特征，所述扭杆的两端设置双头花键，所述扭杆的外周壁与所述输入轴的内周壁过盈配合，所述扭杆的外周壁与所述螺杆的内周壁过盈配合。

上述技术方案的积极效果是：

本发明提供的一种商用车电动助力转向装置，能够输出大扭矩，有效的满足商用车的动力转向需求。

附图说明

图1为本发明提供的商用车电动助力转向装置的第一方向结构示意图；

图2为本发明提供的商用车电动助力转向装置的第二方向结构示意图；

图3为本发明提供的商用车电动助力转向装置的第三方向结构示意图；

图4为本发明提供的循环球机构的第一方向结构示意图；

图5为本发明提供的循环球机构的第二方向结构示意图；

图6为本发明提供的循环球机构的第三方向结构示意图。

附图中：1、动力结构；11、电机；12、控制器；2、输入结构；21、输入轴；22、扭杆；23、角度扭矩传感器；3、蜗轮蜗杆机构；31、蜗轮；32、蜗杆；4、循环球机构；41、螺杆；412、第一滚道；4121、第一段；4122、第二段；42、螺母；421、齿条；43、钢球；44、第一导管；445、第二滚道；45、第二导管；5、摇臂机构；51、摇臂轴；511、扇齿；52、摇臂；6、壳体；61、循环球机构室；62、蜗轮蜗杆机构室。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1至图6，图1为本发明提供的商用车电动助力转向装置的第一方向结构示意图；图2为本发明提供的商用车电动助力转向装置的第二方向结构示意图；图3为本发明提供的商用车电动助力转向装置的第三方向结构示意图；图4为本发明提供的循环球机构的第一方向结构示意图；图5为本发明提供的循环球机构的第二方向结构示意图；图6为本发明提供的循环球机构的第三方向结构示意图。

本发明公开了一种商用车电动助力转向装置，该商用车电动助力转向装置包括：动力结构1、输入结构2、蜗轮蜗杆机构3、循环球机构4、摇臂机构5和壳体6。

循环球机构4包括螺杆41、螺母42、钢球43以及两个并列设置的第一导管44、第二导管45；

螺杆41与输入结构2轴连接，螺母42套设在螺杆41上。

螺母42内螺纹和螺杆41外螺纹之间形成第一滚道412；

第一导管44和第二导管45固设在螺母42的外侧，第一导管44和第二导管45内设置有第二滚道445，第一导管44内的第二滚道445的首尾与第一滚道412的第一段4121相连通，第二导管45内的第二滚道445的首尾与第一滚道412的第二段4122相连通，其中，第一段4121与第二段4122并列设置且两者之间间隔预设距离；

钢球43可在第一滚道412和第二滚道445内滚动；

具体地，在本实施例中，鉴于商用车负载大、车况不佳、工况差，使用频繁、连续行驶时间长等特点，商用车电动助力转向装置需要进行全新的结构设计，设计参数有别于原有的机械方向机和液压方向机。为了满足产品可靠性和使用寿命的要求，本发明对于循环球组件进行高强度、高疲劳寿命的差异化设计，主要特点如下：

在本实施例中，采用可以承载大负荷的钢球外循环滚道(在本实施例中，滚道包括第一滚道412和第二滚道445)设计，螺母42、螺杆41和外置的钢球导管(包括第一导管44和第二导管45)形成封闭的滚道区域，适量的钢球43在此封闭滚道内往复运动。

第一段4121和第二段4122内的钢球43滚动的有效圈数均为2.5圈，滚道内钢球43数量是单导管结构中的二倍，更多的钢球43来均匀分摊负载，使装置承载能力更强。另外第一导管44和第二导管45均采用2.5圈循环的钢球组设计，即每付钢球导管与滚道形成的包络通道内，排列有2.5圈的钢球43，相比于1.5圈循环的钢球组设计，增加了钢球43数量多，提高了承载能力；相比于3.5圈循环及以上的钢球组设计，钢球43流动性好，传动效率高，钢球43彼此的冲击更小。

钢球43直径经过优化，使其能够承受较大的载荷，钢球43的直径控制在7.144mm～9.525mm。

螺杆41直径经过优化，保证具有足够的刚性和强度，钢球中径控制在34毫米至45毫米范围内。

螺杆41和螺母42的螺距为9mm～15mm，钢球43中心螺旋升角控制在5.3°～6.5°，钢球43与螺杆41接触点螺旋升角控制在6.2°～7.1°，钢球43与螺母42接触点螺旋升角控制在4.6°～5.3°，螺母42、螺杆41与钢球43接触滚道双圆弧半径控制在3.5mm～5.5mm，钢球43的中心距控制在32mm～48mm，导管壁厚为1.0mm～2.0mm。

优选地，螺母42的两个相对侧面设置成弧面，并与壳体6内壁相配合，分担摇臂机构5对螺母42、螺杆41的径向力，减缓钢球43及滚道的压力，减轻点蚀磨损，提高重载下循环球滚道及钢球43的疲劳寿命。

在本实施例中，第一导管44和第二导管45为外置设置模式，第一导管44和第二导管45均采用整体式的完整管路，有别于目前广泛采用的两瓣式结构，钢球导管精度高，承载能力强，抗冲击能力大幅提高。内壁经过特殊的塑形和强化处理，内表面光滑、无皱褶、圆柱度高，钢球43滚动灵活顺畅。第一导管44和第二导管45的形状也进行优化和有限元分析，使之弯折处钢球43冲击小，受力轻，不发生彼此不良撞击，提高寿命。经过理论计算和有限元分析，滚道的双圆弧处的直径大小，对循环球机构4的寿命影响较大，为了克服钢球43及其滚道的点蚀疲劳磨损，经过多次理论计算和试验验证，找到了最有效的参数值。

循环球机构4的润滑好坏也影响使用寿命，原来机械转向器或液压转向器的润滑油抗压性、抗磨性、抗氧化性和附着性都不能满足电动转向装置的对润滑的特殊要求，经过多次调整配方，选定了基础油及其最优比例的抗压剂、抗磨剂等、提高了润滑油的附着性和抗氧化性，通过试验对比验证，满足商用车电动转向装置复杂使用工况和超长使用寿命要求。

螺母42与摇臂机构5啮合连接，以带动摇臂机构5摆动并输出扭矩。

进一步地，螺母42外侧设置有齿条421，摇臂机构5包括有与齿条421啮合的扇齿511。螺杆41转动带动螺母42直线运动，螺母42的直线运动转变为摇臂机构5的旋转运动，带动摇臂机构5摆动并输出扭矩。

具体地，摇臂机构5包括摇臂轴51和摇臂52，扇齿511设置在摇臂轴51上摇臂轴51部分位于壳体6内，部分伸出壳体6，摇臂轴51伸出壳体6的部分与摇臂52连接，优选地，摇臂轴51与摇臂52花键连接，摇臂52与整车的其他结构例如转向直拉杆连接，螺母42通过齿条421与摇臂轴51的扇齿511啮合，将螺母42的直线运动转变为摇臂轴51的旋转运动并进一步减速增扭，通过摇臂轴51的花键输出整个转向装置的扭矩给摇臂52，摇臂52带动整车直拉杆运动，从而实现汽车转向。

优选地，为了保证充足的转向力和啮合平顺性，保证扇齿511的强度，扇齿511的模数控制在5.0～8.0范围内，理论齿数控制在12齿～15齿范围内，有效齿数为3齿～5齿。

蜗轮蜗杆机构3包括蜗轮31和蜗杆32，动力结构1与蜗杆32驱动连接，蜗轮31套设在螺杆41上，蜗杆32与蜗轮31啮合连接，以带动螺杆41转动。

蜗轮31安装在螺杆41上，通过螺杆41上的止口，定位蜗轮31的安装轴向位置，由于螺杆41轴向位置已经得到准确定位，而且蜗杆32的安装位置已经得到固定，所以蜗轮31和蜗杆32的安装尺寸也得到有效的控制，不需要再次进行轴向间隙调整，从而提高装配精度和装配效率，确保了产品的一致性，装配工艺性好，减少人为因数的影响并易于实现自动化。

进一步地，动力结构1包括电机11和控制器12。输入结构2包括输入轴21、扭杆22和角度扭矩传感器23。

输入轴21套设于扭杆22外周壁，扭杆22与螺杆41轴连接，角度扭矩传感器23设置于输入轴21外侧，角度扭矩传感器23用于感测扭杆22的变形量并将变形量转化成扭矩和角度信号，角度扭矩传感器23将扭矩和角度信号传递给控制器12。

具体地，扭杆22与输入轴21压装固定，扭杆22与螺杆41压装固定。

优选地，扭杆22的两端设置双头花键，扭杆22的外周壁与输入轴21的内周壁过盈配合，扭杆22的外周壁与螺杆41的内周壁过盈配合。

具体地，扭杆22两端双头花键。

本实施例中的扭杆22通过过盈配合，将输入轴21、扭杆22和螺杆41通过压装的型式固定在一起，相比通过圆柱销铆接，具有装配效率高、可靠性高和定位更精确的优势。

控制器12与电机11连接，控制器12接收扭矩和角度信号控制电机11转动。

电机11与蜗杆32驱动连接，具体地，电机11通过联轴器(图未示)与蜗杆32驱动连接。电机11在控制器12的控制下带动蜗杆32转动，进而带动蜗轮31转动，蜗轮31带动螺杆41转动。可选地，电机11采用无刷电动机。

当驾驶员开始转向时，通过方向盘和转向管柱带动转向装置的输入轴21转动，然后通过安装在输入轴31上的角度扭矩传感器23，将驾驶员扭矩信号和转动角度信号实时采集并输出给转向装置的控制器12，控制器12对信号进行判断和处理，根据特定的助力特性曲线控制电机11的旋转方向并伺服输出适当的助力扭矩。电机11例如无刷电动机的输出轴与蜗杆32相连，蜗杆32与蜗轮31啮合实现第一级的减速增力，根据商用车的特点和要求，蜗轮蜗杆机构3的速比控制在21:1～26:1范围内，以保证方向盘最大转速、转向操控手力和紧急避让等整车的需要。其中，汽车传动比(transmitting ratio of tnotor)又称速比。是指汽车传动系中变速装置前后两传动机构转速的比值。

蜗轮31与螺杆41刚性连接，蜗轮31转动带动螺杆41同步做旋转运动；螺杆41、螺母42和钢球43等组成的循环球机构4，为二级减速机构，通过外循环的若干钢球43，将螺杆41的旋转扭矩传递给螺母42，螺母42沿着螺杆41做直线运动，并通过下端的齿条421输出推力，为了保证商用车方向盘的总圈数和转向灵敏性，并满足转向轻便性和灵敏性要求，循环球机构4的速比控制在17:1～23:1范围内。

优选地，在本实施例中，壳体6设置为一体化结构，在壳体6内部铸造出一个内壁，将蜗轮蜗杆机构3和循环球机构4分开，在一个壳体6的两侧分别布置循环球机构室61和蜗轮蜗杆机构室62，壳体6整体式设计，相对于分体式设计，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，方便整车安装布置；另外，壳体加工中心一次性装夹加工完成，各轴系的尺寸精度和位置精度高，不需要分体式的装配调整，总成产品的装配精度和一致性高，大幅降低产品外形尺寸，除了减轻重量之外，更重要的是方便整车布置，简化额外的设计工作，将为汽车主机厂安装和使用该产品，提供便利条件。

本发明实施例中的商用车电动助力转向装置：

与现有的电动转向系统相比，是一种高度集成的商用车电动助力转向装置，具有结构紧凑、体积小、重量轻、安装方便、免维护等特点。采用电机11、控制器12、非接触角度扭矩传感器，经过特殊设计的蜗轮蜗杆机构3、循环球机构4和扇齿齿条机构等三级减速增力，输出扭矩大幅增加至3500牛米，满足总质量10吨的商用车动力转向需要。

商用车电动转向装置满足商用车电动转向的需求，填补国内外空白，为商用车智能化提供技术保障，并可整车节约能耗3％～5％，减少排放和使用成本。

商用车电动转向装置解决了循环球机构4点蚀疲劳的问题，克服了商用车电动转向装置机构上的短板，使得商用车电动转向装置使用寿命大幅延长，具备了实用性，满足前轴负荷5吨以下的小卡、轻卡、中巴、客车等对电动转向的需求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种商用车电动助力转向装置，其特征在于，包括：动力结构、输入结构、蜗轮蜗杆机构、循环球机构和摇臂机构；

所述循环球机构包括螺杆和螺母，所述螺杆与所述输入结构轴连接，所述螺母套设在所述螺杆上，所述螺母与所述摇臂机构啮合连接，以带动所述摇臂机构摆动并输出扭矩；

所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮和蜗杆，所述动力结构与所述蜗杆驱动连接，所述蜗轮套设在所述螺杆上，所述蜗杆与所述蜗轮啮合连接，以带动所述螺杆转动；

所述循环球机构还包括钢球以及两个并列设置的第一导管、第二导管，所述螺母内螺纹和所述螺杆外螺纹之间形成第一滚道；

所述第一导管和所述第二导管固设在所述螺母的外侧，所述第一导管和所述第二导管内设置有第二滚道，所述第一导管内的所述第二滚道的首尾与所述第一滚道的第一段相连通，所述第二导管内的所述第二滚道的首尾与所述第一滚道的第二段相连通，其中，所述第一段与所述第二段并列设置且两者之间间隔预设距离，所述钢球可在所述第一滚道和所述第二滚道内滚动；

所述第一段和所述第二段内的所述钢球滚动的有效圈数均为2.5圈。

2.根据权利要求1所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述钢球的直径为7.144mm～9.525mm，所述螺杆和螺母的螺距为9mm～15mm，所述钢球中心螺旋升角控制在5.3°～6.5°，所述钢球与所述螺杆接触点螺旋升角控制在6.2°～7.1°，所述钢球与所述螺母接触点螺旋升角控制在4.6°～5.3°，所述螺母、所述螺杆与所述钢球接触滚道双圆弧半径控制在3.5mm～5.5mm，所述钢球的中心距控制在32mm～48mm，所述导管壁厚为1.0mm～2.0mm。

3.根据权利要求2所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述蜗轮蜗杆机构的速比控制在21:1～26:1。

4.根据权利要求3所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述循环球机构的速比控制在17:1～23:1。

5.根据权利要求4所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述螺母外侧设置有齿条，所述摇臂机构包括有与所述齿条啮合的扇齿，所述扇齿的模数控制在5.0～8.0范围内，理论齿数控制在12齿～15齿范围内，有效齿数为3齿～5齿。

6.根据权利要求1至5任一项所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述输入结构包括输入轴、扭杆和角度扭矩传感器，所述动力结构包括电机和控制器；

所述输入轴套设于所述扭杆外周壁，所述扭杆与所述螺杆轴连接，所述角度扭矩传感器设置于所述输入轴外侧，所述角度扭矩传感器用于感测所述扭杆的变形量并将所述变形量转化成扭矩和角度信号，所述角度扭矩传感器将所述扭矩和角度信号传递给所述控制器；

所述控制器与所述电机连接，所述控制器接收所述扭矩和角度信号控制所述电机转动，所述电机与所述蜗杆驱动连接。

7.根据权利要求6所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述扭杆与所述输入轴压装固定，所述扭杆与所述螺杆压装固定。

8.根据权利要求7所述的商用车电动助力转向装置，其特征在于，所述扭杆的两端设置双头花键，所述扭杆的外周壁与所述输入轴的内周壁过盈配合，所述扭杆的外周壁与所述螺杆的内周壁过盈配合。

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