CN113928406B - 一种线控转向系统脉冲辅助转向装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线控转向系统脉冲辅助转向装置及控制方法，包括电子控制单元，线控转向执行机构，凸轮齿条传动机构，齿扇档位选择机构，及脉冲转向左右切换机构等。电子控制单元采集方向盘角位移传感器及拉杆位移传感器信号控制线控转向执行机构带动车轮转向；同时采集轮速传感器的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，判断是否进行左转向脉冲调节或右转向脉冲调节的辅助转向。通过控制不同电磁离合器的启闭、电机的转速、及电磁线圈的电流大小，实现可变波形形式、幅值和频率的左右双向脉冲转向输出，达到汽车稳定性的控制效果。本发明结构简单，占用空间小，响应速度快，可控性好，安全可靠。

Description

一种线控转向系统脉冲辅助转向装置及控制方法

技术领域

本发明涉及智能汽车线控转向的主动安全领域，特别涉及一种线控转向系统脉冲辅助转向装置及控制方法。

背景技术

线控转向系统是智能汽车的重要系统部件，通过控制器、传感器以及信号线等将汽车的方向盘和转向车轮连接起来，采用现代化的电子设备去替换传统转向系统的机械连接。驾驶员只需要对转向盘输入转向指令，驾驶员的转向指令就能通过信号线传输给控制器，控制器就能够按照驾驶员的转向指令，根据传感器采集的汽车行驶状态和路面状况等信息综合计算得到汽车需要的前轮转角，然后利用转向电机精准快速地完成汽车的转向控制。线控转向系统不但可以降低驾驶员的驾驶操纵负担以及精神压力，而且还能更加灵活地控制转向系统，提升并优化汽车的操纵稳定性，进而提升汽车的主动安全性能。

线控转向系统的研究有很多，其中典型的有日产汽车公司设计的两组电机控制转向车轮的转动角度和速度，另一组电机模拟路面的反馈力的SBW系统。该系统备用离合器将机械连接汽车的转向轮，避免驾驶员因系统故障而失去对汽车的转向控制，在英菲尼迪Q50L等汽车中安装。国内外研究发现，采用高频小幅值的脉冲转向调节有助于汽车保持稳定的行驶状态，而传统线控转向系统难以兼顾脉冲转向调节的功能。这些装置设计定型后，只能进行单方向脉冲转向调节，若需要同时实现左右转向脉冲调节，则需要两套电机及偏心轮机构，结构复杂，占用安装空间大；且只能实现固定幅值和固定波形形式的脉冲转向输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有线控转向系统难以实现脉冲转向调节，以及现有脉冲转向装置无法实现变幅值、变波形控制等缺点，提出了一种线控转向系统脉冲辅助转向装置及控制方法，该装置结构简单，可同时实现对脉冲转向的频率、幅值和波形进行控制，且脉冲转向与线控转向解耦，互不干涉，保障了汽车行驶安全性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于，包括线控转向执行机构、脉冲转向调节机构以及电子控制单元ECU；其中，所述线控转向执行机构包括线控转向电机，所述转向电机通过减速器与转向齿轮连接，所述转向齿轮与转向齿条啮合，所述转向齿条与左右两侧转向横拉杆连接，所述转向横拉杆连接转向节带动左右两侧车轮转向；所述脉冲转向调节机构包括凸轮齿条传动机构，齿扇档位选择机构，及脉冲转向左右切换机构；其中，所述凸轮齿条传动机构包括脉冲转向电机，所述脉冲转向电机驱动凸轮轴转动，第一凸轮，第二凸轮及第三凸轮固定在凸轮轴上；所述齿扇档位选择机构包括齿扇，所述齿扇固定在套筒上，套筒通过花键套在脉冲转向传动轴上；所述脉冲转向左右切换机构包括传动轴齿轮，所述传动轴齿轮固定在脉冲转向传动轴上，与反向轴齿轮啮合带动反向轴转动；所述控电子控制单元ECU通过电线连接方向盘角位移传感器，横拉杆位移传感器，轮速传感器，线控转向电机，脉冲转向电机，电磁线圈，左调节电磁离合器及右调节电磁离合器；所述方向盘角位移传感器用于检测方向盘的转角位移，并将检测数据发给电子控制单元ECU；所述轮速传感器用于检测车轮的转速，并将检测数据发给电子控制单元ECU；所述横拉杆位移传感器用于检测转向横拉杆的位移信号，并将检测数据发给电子控制单元ECU。

作为优选的一种技术方案，所述凸轮齿条传动机构还包括第一齿条、第二齿条以及第三齿条，所述第一齿条、第二齿条以及第三齿条通过凸肩与齿条预紧弹簧一端连接，在齿条预紧弹簧作用下分别与第一凸轮，第二凸轮及第三凸轮压紧。

作为优选的一种技术方案，所述齿条预紧弹簧另一端连接在固定的挡板上。

作为优选的一种技术方案，所述套筒下端与套筒预紧弹簧的一端连接，所述套筒预紧弹簧的另一端与脉冲转向传动轴上的凸肩连接。

作为优选的一种技术方案，所述套筒外圈设置有电磁线圈，所述电磁线圈根据电流大小产生电磁力，带动套筒上下移动。

作为优选的一种技术方案，所述左调节电磁离合器一端连接脉冲转向传动轴，另一端与左调节齿轮的输入轴连接。

作为优选的一种技术方案，所述右调节电磁离合器一端连接反向轴，另一端与右调节齿轮的输入轴连接；左调节齿轮和右调节齿轮均与转向齿条啮合。

另一方面，本发明还提供基于上述技术方案记载的一种线控转向系统脉冲辅助转向装置的控制方法，包含以下步骤：

步骤1），电子控制单元ECU采集方向盘角位移传感器，横拉杆位移传感器，及轮速传感器的信号；

步骤2），电子控制单元ECU根据方向盘角位移传感器和横拉杆位移传感器的信号计算并控制线控转向电机的输入电流大小，方向和频率，进入线控转向模式：线控转向电机输出转矩经减速器，转向齿轮，转向齿条，转向横拉杆及转向节后，带动车轮偏转规定的角度；

步骤3），电子控制单元ECU根据轮速传感器的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，计算汽车稳定性状态，并判断下一步进行左转向脉冲调节，右转向脉冲调节，或者不需要脉冲转向调节；

步骤4），电子控制单元ECU根据轮速传感器的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，计算脉冲转向的频率和幅值；

步骤5），电子控制单元ECU根据脉冲转向的频率控制脉冲转向电机的转速；

步骤6），电子控制单元ECU根据脉冲转向的幅值调节电磁线圈的电流大小。

在上述控制方法中，优选，所述步骤3）进一步包括：

步骤3.1），若电子控制单元ECU判断不需要脉冲转向调节；

步骤3.1.1），电子控制单元ECU（控制左调节电磁离合器和右调节电磁离合器断开，脉冲转向电机停止，电磁线圈电流为零；

步骤3.2），若电子控制单元ECU判断进行左转向脉冲调节；

步骤3.2.1），电子控制单元ECU控制左调节电磁离合器闭合，右调节电磁离合器断开，脉冲转向电机通电，线控转向电机断开，进入向左转向脉冲调节模式；

步骤3.3），若电子控制单元ECU判断进行右转向脉冲调节；

步骤3.3.1），电子控制单元ECU控制左调节电磁离合器断开，右调节电磁离合器闭合，脉冲转向电机通电，线控转向电机断开，进入向右转向脉冲调节模式。

在上述控制方法中，优选，所述步骤6）进一步包括：

步骤6.1），若脉冲转角幅值为1度以内调节，电子控制单元ECU控制电磁线圈电流为零，在套筒预紧弹簧的作用下，齿扇与第一齿条啮合；

步骤6.2），若脉冲转角幅值为大于1度小于或等于2度内调节，电子控制单元ECU控制电磁线圈输入1/2的额定电流，产生电磁力，与套筒预紧弹簧的共同作用下，齿扇与第二齿条啮合；

步骤6.3），若脉冲转角幅值为大于2度内调节，电子控制单元ECU控制电磁线圈输入额定电流，产生电磁力，克服套筒预紧弹簧的作用，齿扇与第三齿条啮合。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)脉冲调节可控性好：本发明可同时实现对脉冲转向的频率、幅值和波形进行控制，以适合不同工况下汽车稳定性的控制；

(2)结构简单：本发明不用设计两套完全备份的结构实现左右脉冲转向调节，简化了结构，降低了成本，减小了安装空间；

(3)安全可靠：本发明的脉冲转向不会影响线控转向正常工作，但可以为线控转向失效时提供汽车转向的安全保障。

附图说明

图1是本发明的一种线控转向系统脉冲辅助转向装置的原理示意图；

图2是本发明的一种线控转向系统脉冲辅助转向控制方法的工作原理图；

图中，1-脉冲转向电机，2-凸轮轴，3-第一凸轮，4-第二凸轮，5-第三凸轮，6-电磁线圈，7-套筒预紧弹簧，8-传动轴齿轮，9-左调节电磁离合器，10-反向轴齿轮，11-反向轴，12-右调节电磁离合器，13-车轮，14-转向节，15-转向横拉杆，16-右调节齿轮，17-左调节齿轮，18-转向齿条，19-转向齿轮，20-减速器，21-横拉杆位移传感器，22-轮速传感器，23-线控转向电机，24-电子控制单元ECU，25-方向盘角位移传感器，26-第三齿条，27-第二齿条，28-第一齿条，29-齿扇，30-套筒，31-止推轴承，32-脉冲转向传动轴，33-齿条预紧弹簧，34-挡板。

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，本发明公开的一种线控转向系统脉冲辅助转向装置包括线控转向执行机构，脉冲转向调节机构，电子控制单元ECU24，方向盘角位移传感器25，横拉杆位移传感器21，轮速传感器22，及车轮13。

进一步的，线控转向执行机构包括线控转向电机23，减速器20，转向齿轮19，转向齿条18，转向横拉杆15，转向节14。转向电机23驱动减速器20输出转矩，带动转向齿轮19转动，转向齿轮19与转向齿条18啮合，转向齿条8与左右两侧转向横拉杆15连接，转向横拉杆15连接转向节14带动左右两侧车轮13转向。

进一步的，脉冲转向调节机构包括凸轮齿条传动机构，齿扇档位选择机构，及脉冲转向左右切换机构。

进一步的，凸轮齿条传动机构包括脉冲转向电机1，凸轮轴2，第一凸轮3，第二凸轮4，第三凸轮5，第一齿条28，第二齿条27，第三齿条26，齿条预紧弹簧33，挡板34。脉冲转向电机1驱动凸轮轴2转动，第一凸轮3，第二凸轮4及第三凸轮5固定在凸轮轴2上。第一齿条28，第二齿条27和第三齿条26通过凸肩与齿条预紧弹簧33一端连接，在齿条预紧弹簧33作用下分别与第一凸轮3，第二凸轮4及第三凸轮5压紧。齿条预紧弹簧33另一端连接在固定的挡板34上。

进一步的，齿扇档位选择机构包括齿扇29，套筒30，脉冲转向传动轴32，套筒预紧弹簧7，电磁线圈6，及止推轴承31。齿扇29固定在套筒30上，套筒30通过花键套在脉冲转向传动轴32上。止推轴承31限制套筒30上移位置。套筒预紧弹簧7一端与套筒30下端连接，另一端与脉冲转向传动轴32上的凸肩连接。电磁线圈6根据电流大小产生电磁力，带动套筒30上下移动。

进一步的，脉冲转向左右切换机构包括传动轴齿轮8，左调节电磁离合器9，反向轴齿轮10，反向轴11，右调节电磁离合器12，右调节齿轮16，及左调节齿轮17。传动轴齿轮8固定在脉冲转向传动轴32上，与反向轴齿轮10啮合带动反向轴11转动。左调节电磁离合器9一端连接脉冲转向传动轴32，另一端与左调节齿轮17的输入轴连接。右调节电磁离合器12一端连接反向轴11，另一端与右调节齿轮16的输入轴连接。左调节齿轮17和右调节齿轮16均与转向齿条18啮合。

进一步的，控电子控制单元ECU24通过电线连接方向盘角位移传感器25，横拉杆位移传感器21，轮速传感器22，线控转向电机23，脉冲转向电机1，电磁线圈6，左调节电磁离合器9及右调节电磁离合器12。

进一步的，方向盘角位移传感器25用于检测方向盘的转角位移，并将检测数据发给电子控制单元ECU24。

进一步的，轮速传感器22用于检测车轮的转速，并将检测数据发给电子控制单元ECU24。

进一步的，横拉杆位移传感器21用于检测转向横拉杆15的位移信号，并将检测数据发给电子控制单元ECU24。

在另外一实施例中，参照图2，本发明还提供基于上述实施例记载的一种线控转向系统脉冲辅助转向装置的控制方法，包含以下步骤：

步骤1），电子控制单元ECU24采集方向盘角位移传感器25，横拉杆位移传感器21，及轮速传感器22的信号；

步骤2），电子控制单元ECU24根据方向盘角位移传感器25和横拉杆位移传感器21的信号计算并控制线控转向电机23的输入电流大小，方向和频率，进入线控转向模式：线控转向电机23输出转矩经减速器20，转向齿轮19，转向齿条18，转向横拉杆15及转向节14后，带动车轮13偏转规定的角度；

步骤3），电子控制单元ECU24根据轮速传感器22的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，计算汽车稳定性状态，并判断下一步进行左转向脉冲调节，右转向脉冲调节，或者不需要脉冲转向调节；

步骤3.1），若电子控制单元ECU24判断不需要脉冲转向调节；

步骤3.1.1），电子控制单元ECU24控制左调节电磁离合器9和右调节电磁离合器12断开，脉冲转向电机1停止，电磁线圈6电流为零；

步骤3.1.2），返回步骤1）。

步骤3.2），若电子控制单元ECU24判断进行左转向脉冲调节；

步骤3.2.1），电子控制单元ECU24控制左调节电磁离合器9闭合，右调节电磁离合器12断开，脉冲转向电机1通电，线控转向电机23断开，进入向左转向脉冲调节模式；

步骤3.3），若电子控制单元ECU24判断进行右转向脉冲调节。

步骤3.3.1），电子控制单元ECU24控制左调节电磁离合器9断开，右调节电磁离合器12闭合，脉冲转向电机1通电，线控转向电机23断开，进入向右转向脉冲调节模式；

步骤4），电子控制单元ECU24根据轮速传感器22的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，计算脉冲转向的频率和幅值；

步骤5），电子控制单元ECU24根据脉冲转向的频率控制脉冲转向电机1的转速；

步骤6），电子控制单元ECU24根据脉冲转向的幅值进行判断；

步骤6.1），若脉冲转角幅值为1度以内调节，电子控制单元ECU24控制电磁线圈6电流为零，在套筒预紧弹簧7的作用下，齿扇29与第一齿条28啮合；

步骤6.2），若脉冲转角幅值为大于1度小于或等于2度内调节，电子控制单元ECU24控制电磁线圈6输入1/2的额定电流，产生电磁力，与套筒预紧弹簧7的共同作用下，齿扇29与第二齿条27啮合；

步骤6.3），若脉冲转角幅值为大于2度内调节，电子控制单元ECU24控制电磁线圈6输入额定电流，产生电磁力，克服套筒预紧弹簧7的作用，齿扇29与第三齿条26啮合。

脉冲转向调节模式工作时，脉冲转向电机1带动凸轮轴2上的凸轮转动，不同凸轮转动可产生对应齿条上不同幅值或不同波形的脉冲位移。通过控制电磁线圈6的电流，产生相应电磁力，与套筒预紧弹簧7共同作用，确定齿扇29位置。通过齿扇29与第一齿条28、第二齿条27或第三齿条26中的一个齿条啮合，将对应幅值和波形的脉冲位移转为脉冲转角。齿扇29的脉冲转角经套筒30的花键传递至传动轴32。当左调节电磁离合器9闭合时，传动轴32经左调节电磁离合器9带动左调节齿轮17产生向左的脉冲转向调节。当右调节电磁离合器12闭合时，传动轴32带动传动轴齿轮8转动，经反向轴齿轮10带动反向轴11转动，经右调节电磁离合器12带动右调节齿轮16产生向右的脉冲转向调节。控制脉冲转向电机1的转速可实现脉冲转向频率的控制。

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 (9)

1.一种线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于，包括线控转向执行机构、脉冲转向调节机构以及电子控制单元ECU（24）；

所述线控转向执行机构包括线控转向电机（23），所述转向电机（23）通过减速器（20）与转向齿轮（19）连接，所述转向齿轮（19）与转向齿条（18）啮合，所述转向齿条（18）与左右两侧转向横拉杆（15）连接，所述转向横拉杆（15）连接转向节（14）带动左右两侧车轮（13）转向；

所述脉冲转向调节机构包括凸轮齿条传动机构，齿扇档位选择机构，及脉冲转向左右切换机构；其中，所述凸轮齿条传动机构包括脉冲转向电机（1），所述脉冲转向电机（1）驱动凸轮轴（2）转动，第一凸轮（3），第二凸轮（4）及第三凸轮（5）固定在凸轮轴（2）上；

所述齿扇档位选择机构包括齿扇（29），所述齿扇（29）固定在套筒（30）上，套筒（30）通过花键套在脉冲转向传动轴（32）上；

所述脉冲转向左右切换机构包括传动轴齿轮（8），所述传动轴齿轮（8）固定在脉冲转向传动轴（32）上，与反向轴齿轮（10）啮合带动反向轴（11）转动；

所述电子控制单元ECU（24）通过电线连接方向盘角位移传感器（25），横拉杆位移传感器（21），轮速传感器（22），线控转向电机（23），脉冲转向电机（1），电磁线圈（6），左调节电磁离合器（9）及右调节电磁离合器（12）；

所述方向盘角位移传感器（25）用于检测方向盘的转角位移，并将检测数据发给电子控制单元ECU（24）；

所述轮速传感器（22）用于检测车轮的转速，并将检测数据发给电子控制单元ECU（24）；

所述横拉杆位移传感器（21）用于检测转向横拉杆（15）的位移信号，并将检测数据发给电子控制单元ECU（24）；

所述凸轮齿条传动机构还包括第一齿条（28）、第二齿条（27）以及第三齿条（26），所述第一齿条（28）、第二齿条（27）以及第三齿条（26）通过凸肩与齿条预紧弹簧（33）一端连接，在齿条预紧弹簧（33）作用下分别与第一凸轮（3），第二凸轮（4）及第三凸轮（5）压紧。

2.根据权利要求1所述的线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于：所述齿条预紧弹簧（33）另一端连接在固定的挡板（34）上。

3.根据权利要求1所述的线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于：所述套筒（30）下端与套筒预紧弹簧（7）的一端连接，所述套筒预紧弹簧（7）的另一端与脉冲转向传动轴（32）上的凸肩连接。

4.根据权利要求3所述的线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于：所述套筒（30）外圈设置有电磁线圈（6），所述电磁线圈（6）根据电流大小产生电磁力，带动套筒（30）上下移动。

5.根据权利要求1所述的线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于：所述左调节电磁离合器（9）一端连接脉冲转向传动轴（32），另一端与左调节齿轮（17）的输入轴连接。

6.根据权利要求1所述的线控转向系统脉冲辅助转向装置，其特征在于：所述右调节电磁离合器（12）一端连接反向轴（11），另一端与右调节齿轮（16）的输入轴连接；左调节齿轮（17）和右调节齿轮（16）均与转向齿条（18）啮合。

7.一种权利要求1-6任一 所述的线控转向系统脉冲辅助转向装置的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），电子控制单元ECU（24）采集方向盘角位移传感器（25），横拉杆位移传感器（21），及轮速传感器（22）的信号；

步骤2），电子控制单元ECU（24）根据方向盘角位移传感器（25）和横拉杆位移传感器（21）的信号计算并控制线控转向电机（23）的输入电流大小，方向和频率，进入线控转向模式：线控转向电机（23）输出转矩经减速器（20），转向齿轮（19），转向齿条（18），转向横拉杆（15）及转向节（14）后，带动车轮（13）偏转规定的角度；

步骤3），电子控制单元ECU（24）根据轮速传感器（22）的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，计算汽车稳定性状态，并判断下一步进行左转向脉冲调节，右转向脉冲调节，或者不需要脉冲转向调节；

步骤4），电子控制单元ECU（24）根据轮速传感器（22）的信号，汽车横摆角速度，横向加速度及侧倾角信息，计算脉冲转向的频率和幅值；

步骤5），电子控制单元ECU（24）根据脉冲转向的频率控制脉冲转向电机（1）的转速；

步骤6），电子控制单元ECU（24）根据脉冲转向的幅值调节电磁线圈（6）的电流大小。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3）进一步包括：

步骤3.1），若电子控制单元ECU（24）判断不需要脉冲转向调节；

步骤3.1.1），电子控制单元ECU（24）控制左调节电磁离合器（9）和右调节电磁离合器（12）断开，脉冲转向电机（1）停止，电磁线圈（6）电流为零；

步骤3.2），若电子控制单元ECU（24）判断进行左转向脉冲调节；

步骤3.2.1），电子控制单元ECU（24）控制左调节电磁离合器（9）闭合，右调节电磁离合器（12）断开，脉冲转向电机（1）通电，线控转向电机（23）断开，进入向左转向脉冲调节模式；

步骤3.3），若电子控制单元ECU（24）判断进行右转向脉冲调节；

步骤3.3.1），电子控制单元ECU（24）控制左调节电磁离合器（9）断开，右调节电磁离合器（12）闭合，脉冲转向电机（1）通电，线控转向电机（23）断开，进入向右转向脉冲调节模式。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤6）进一步包括：

步骤6.1），若脉冲转角幅值为1度以内调节，电子控制单元ECU（24）控制电磁线圈（6）电流为零，在套筒预紧弹簧（7）的作用下，齿扇（29）与第一齿条（28）啮合；

步骤6.2），若脉冲转角幅值为大于1度小于或等于2度内调节，电子控制单元ECU（24）控制电磁线圈（6）输入1/2的额定电流，产生电磁力，与套筒预紧弹簧（7）的共同作用下，齿扇（29）与第二齿条（27）啮合；

步骤6.3），若脉冲转角幅值为大于2度内调节，电子控制单元ECU（24）控制电磁线圈（6）输入额定电流，产生电磁力，克服套筒预紧弹簧（7）的作用，齿扇（29）与第三齿条（26）啮合。

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