CN113954954A - 一种转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转向系统，属于汽车转向技术领域。转向系统包括手动输入机构，包括方向盘以及方向盘输入轴；助力机构，包括驱动件、蜗轮蜗杆副和转向齿条，转向齿条分别与蜗轮蜗杆副和车轮传动连接，方向盘输入轴能够带动转向齿条移动，蜗轮蜗杆副包括互相啮合的蜗轮和蜗杆；蜗轮蜗杆副包括主动工作状态，处于主动工作状态时，蜗杆由驱动件驱动并带动蜗轮转动；蜗轮蜗杆副还包括被动工作状态，当驱动件失效时，蜗轮蜗杆副进入被动工作状态，处于被动工作状态时蜗轮能够带动蜗杆转动。转向系统通过采用机械的方式保证了在驱动件失效时的转向系统的转向功能，不再需要设置现有技术中的电机冗余单元及相关的电控线路，线路简单，电控成本较低。

Description

一种转向系统

技术领域

本发明涉及汽车转向技术领域，尤其涉及一种转向系统。

背景技术

汽车的转向系统包括电机、蜗轮蜗杆副、齿轮轴、转向齿条及方向盘。其中，蜗轮蜗杆副包括啮合连接的蜗轮和蜗杆，电机与蜗杆传动连接，齿轮轴固定穿设至蜗轮，齿轮轴与转向齿条啮合连接，转向齿条能够带动汽车的车轮和方向盘转动，且方向盘也能够带动转向齿条滑动。

当汽车需要进行转向时，汽车的控制器接收到转动方向盘的信号后控制电机转动，蜗杆在电机的带动下旋转并带动蜗轮转动，蜗轮转动以带动齿轮轴转动，齿轮轴转动以带动转向齿条滑动，转向齿条能够带动车轮转动，同时转向齿条能够推动方向盘继续转动，从而实现汽车的转向功能。其中，通常转向系统中的蜗轮蜗杆副设计为反向自锁，即只能实现蜗杆带动蜗轮转动，不能实现蜗轮带动蜗杆转动。

由于上述设置，导致了在电机失效时，转动方向盘，方向盘能够带动转向齿条滑动，此时，转向齿条带动齿轮轴反向转动，齿轮轴转动带动蜗轮反向转动，然而由于蜗轮蜗杆副设计为反向自锁，蜗轮不能带动蜗杆转动，从而会使转向齿条的滑动受阻，导致转向齿条不能带动车轮转动，整个转向系统失效。

为了解决以上问题，目前通过在转向系统中设置电机冗余单元，以保证在电机失效时，电机冗余单元能够替代失效电机进行正常工作，以实现汽车的转向功能；但是，为了实现冗余功能，则需单独设置电机冗余单元的电控线路，线路复杂，电控成本较高，且针对电机失效的情况并未提供应急方案。

综上所述，亟需设计一种能够在电机失效时仍能够应急工作的转向系统，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种转向系统，能够保证驱动件失效时的转向功能，且线路简单及成本较低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种转向系统，包括：

手动输入机构，包括方向盘以及方向盘输入轴；

助力机构，包括驱动件、蜗轮蜗杆副和转向齿条，所述转向齿条分别与所述蜗轮蜗杆副和车轮传动连接，所述方向盘输入轴能够带动所述转向齿条移动，所述蜗轮蜗杆副包括互相啮合的蜗轮和蜗杆；所述蜗轮蜗杆副包括主动工作状态，处于所述主动工作状态时，所述蜗杆由所述驱动件驱动并带动所述蜗轮转动；

所述蜗轮蜗杆副还包括被动工作状态，当所述驱动件失效时，所述蜗轮蜗杆副进入所述被动工作状态，处于所述被动工作状态时所述蜗轮能够带动所述蜗杆转动。

进一步地，所述蜗杆的螺旋升角α大于所述蜗轮与所述蜗杆的接触面的当量摩擦角。

进一步地，所述蜗杆与所述蜗杆的接触面的润滑剂为油脂，所述当量摩擦角小于3°，所述蜗杆的螺旋升角α＞3°。

进一步地，所述蜗杆的螺旋升角α为5°＜α＜20°。

进一步地，所述蜗轮为直齿蜗轮，所述蜗杆的轴线与所述蜗轮的轴线之间呈夹角γ设置。

进一步地，所述蜗杆的轴线与所述蜗轮的轴线之间的夹角γ为65°＜γ＜90°。

进一步地，所述直齿蜗轮包括：

中心轮毂及直齿体，所述中心轮毂的材质为金属，所述直齿体的材质为塑料。

进一步地，所述中心轮毂包括：

空心圆柱体及设置在所述空心圆柱体外周的多个凸起，多个所述凸起沿所述空心圆柱体的圆周方向间隔设置，且所述凸起嵌入所述直齿体内。

进一步地，所述中心轮毂还包括凸设于所述凸起的翅片，且每个所述凸起均设有至少一个所述翅片，所述翅片沿所述空心圆柱体的圆周方向延伸。

进一步地，所述助力机构还包括齿轮轴，所述齿轮轴的一端固定穿设至所述蜗轮，另一端与所述转向齿条互相啮合，且所述齿轮轴的轴线与所述转向齿条的轴线之间的夹角为β，60°＜β＜90°。

本发明的有益效果为：

本发明提出的转向系统中的蜗轮蜗杆副包括有主动工作状态和被动工作状态；当蜗轮蜗杆副处于主动工作状态时，蜗杆由驱动件驱动并带动蜗轮转动，蜗轮转动能够带动转向齿条移动，转向齿条移动能够带动车轮转动，从而实现汽车的转向功能；当驱动件失效时，蜗轮蜗杆副进入被动工作状态，且处于被动工作状态下的蜗轮能够带动蜗杆转动，此时，转动方向盘，方向盘输入轴能够带动转向齿条移动，转向齿条能够带动蜗轮转动，蜗轮带动蜗杆转动，以此方式，蜗杆不会阻碍转向齿条的移动，以使转向齿条移动能够带动车轮转动，从而保证了当驱动件失效时的汽车的转向；通过采用机械的方式解除现有技术中的蜗轮蜗杆副的反向自锁设计，能够在驱动件失效时仍能够进行应急转向工作，不再需要设置现有技术中的电机冗余单元及相关的电控线路，线路简单，电控成本较低。

附图说明

图1是本发明提供的转向系统的结构示意图一；

图2是本发明提供的蜗杆的结构示意图；

图3是本发明提供的蜗轮的结构示意图；

图4是本发明提供的蜗轮加工的过程示意图；

图5是本发明提供的转向系统的结构示意图二；

图6是本发明提供的转向系统的结构示意图三。

附图标记：

10-助力机构；1-驱动件；2-蜗轮；21-中心轮毂；211-空心圆柱体；212-凸起；213-翅片；22-直齿体；3-蜗杆；4-齿轮轴；5-转向齿条；6-注塑模具；61-中心销；7-方向盘输入轴；8-转向拉杆；9-转向齿轮。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而己。在整个说明书中，同样的附图标记指示同样的元件。

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

目前，转向系统包括电机及蜗轮蜗杆副，其中，蜗轮蜗杆副中的蜗杆能够带动蜗轮转动，但通常转向系统中的蜗轮蜗杆副结构设计为反向自锁，因此导致需要额外设置电机冗余单元，以保证在电机失效时，电机冗余单元能够替代失效电机进行正常工作，以保证汽车的转向功能；然而由于，为了实现电机的冗余功能，则需单独设置电机冗余单元的电控线路，线路复杂，电控成本较高。

对此，本实施例中提出了一种转向系统，在该转向系统中，无需单独设置电机冗余单元，以简化结构、降低成本。具体地，如图1-6所示，该转向系统包括手动输入机构以及助力机构10；其中，手动输入机构包括方向盘以及方向盘输入轴7；助力机构10包括驱动件1、蜗轮蜗杆副和转向齿条5，转向齿条5分别与蜗轮蜗杆副和车轮传动连接，以通过转向齿条5带动汽车的车轮转动，方向盘输入轴7能够带动转向齿条5移动，蜗轮蜗杆副包括互相啮合的蜗轮2和蜗杆3；其中，蜗轮蜗杆副包括主动工作状态，当驱动件1正常工作时，蜗轮蜗杆副处于主动工作状态，蜗杆3由驱动件1驱动并带动蜗轮2转动，蜗杆3能够带动蜗轮2转动，蜗轮2转动能够带动转向齿条5移动，转动齿条5移动能够带动车轮转动，从而实现车轮的转向控制；且蜗轮蜗杆副还包括被动工作状态，当驱动件1失效时，蜗轮蜗杆副进入被动工作状态，处于被动工作状态时蜗轮2能够带动蜗杆3转动，以能够在驱动件1失效时仍能够进行应急转向工作。本实施方式中的驱动件1具体为电机。

本发明提出的转向系统相对于现有技术中改变了蜗轮蜗杆副的工作状态，本发明中的蜗轮蜗杆副包括有主动工作状态和被动工作状态；当蜗轮蜗杆副处于主动工作状态时，蜗杆3由驱动件1驱动并带动蜗轮2转动，蜗轮2转动能够带动转向齿条5移动，转向齿条5移动能够带动车轮转动，从而实现汽车的转向功能；当驱动件1失效时，蜗轮蜗杆副进入被动工作状态，且处于被动工作状态下的蜗轮2能够带动蜗杆3转动，此时，转动方向盘，方向盘输入轴7能够带动转向齿条5移动，转向齿条5能够带动蜗轮2转动，蜗轮2带动蜗杆3转动，以此方式，蜗杆3不会阻碍转向齿条的移动，以使转向齿条5移动能够带动车轮转动，从而保证了当驱动件1失效时的汽车的转向；通过采用机械的方式解除现有技术中的蜗轮蜗杆副的反向自锁设计，能够在驱动件1失效时仍能够进行应急转向工作，不再需要设置现有技术中的电机冗余单元及相关的电控线路，线路简单，电控成本较低。

具体地，为了保证在驱动件1失效时蜗杆3和蜗轮2能够反向传递作用力，本实施方式设置蜗杆3的螺旋升角α大于蜗轮2与蜗杆3的接触面的当量摩擦角，以使蜗轮2能够带动蜗杆3转动，从而使驱动件1失效时，蜗轮2能够带动蜗杆3转动。其中，蜗杆3的螺旋升角α如图2中α标记所示。

其中，如图1所示，助力机构10还包括齿轮轴4，齿轮轴4的一端固定穿设至蜗轮2，齿轮轴4的另一端与转向齿条5互相啮合，以通过齿轮轴4实现转向齿条5与蜗轮蜗杆副之间的传动连接。

具体地，蜗轮2与蜗杆3的接触面的当量摩擦角与蜗轮2与蜗杆3的接触面的摩擦系数相关。本实施例中当蜗轮2与蜗杆3的接触面的润滑剂为油脂时，此时蜗轮2与蜗杆3的接触面的摩擦系数可确定，且当量摩擦角设置为小于3°；与之相对应地，此时蜗杆3的螺旋升角α＞3°。具体地，蜗轮2与蜗杆3的接触面的润滑剂具体可以为复合油、润滑油或者齿轮油。

其中，通过将蜗杆3的螺旋升角α设置为5°＜α＜20°，可确保蜗轮2在带动蜗杆3转动的过程中的稳定性较好，避免出现相互脱离的现象，以能够保证蜗轮2蜗杆3双向传动的可靠性。

本实施例中将蜗轮2设置为直齿蜗轮。通过直齿蜗轮与蜗杆3的传动方式，使直齿蜗轮不会受到来自蜗杆3的轴向力，避免了由于斜齿蜗轮受到轴向力会导致斜齿蜗轮出现疲劳性问题以及蜗轮2和蜗杆3传动会产生噪音问题，以使直齿蜗轮的耐疲劳性较好且不会出现噪声问题；同时直齿蜗轮相较于目前的斜齿蜗轮而言，具有存在加工工艺简单以及成本较低的优点。其中，蜗杆3的旋向与蜗杆3及蜗轮2的配合方位相关，在此对蜗杆3的旋向不作具体限定。

具体地，直齿蜗轮的轴线与蜗杆3的轴线之间不是相互垂直的空间直线，而是两轴线之间呈夹角γ设置，以能够使相互啮合连接的直齿蜗轮与蜗杆3所占用的空间较小，以使蜗轮蜗杆副的结构较为紧凑。

具体地，如图1所示，蜗杆3的轴线与直齿蜗轮的轴线之间的夹角γ为65°＜γ＜90°，一方面能够使相互啮合连接的直齿蜗轮与蜗杆3所占用的空间较小；另一方面能够保证蜗轮2与蜗杆3之间的啮合系数大于2.2，以满足啮合需求，从而保证传动效果。啮合系数指的是在转动一周的过程中，平均同时啮合的齿数。其中，夹角γ如图1中γ标记所示。

进一步地，如图1和图3所示，直齿蜗轮包括中心轮毂21及直齿体22。由于齿轮轴4需要过盈穿设至中心轮毂21，而齿轮轴4的材质为金属材质，为了满足直齿蜗轮与齿轮轴4之间的过盈配合需求，因此将中心轮毂21的材质设置为金属；由于直齿体22不需要与金属材质的齿轮轴4配合，需要与金属材质的蜗杆3啮合连接，为了避免蜗轮2与蜗杆3之间在传动的过程中由于碰撞而产生噪音，因此，将直齿体22的材质设置为塑料，且使直齿体22通过注塑工艺环设至中心轮毂21的外周面。本实施例中，中心轮毂21的材质具体可以为高强度合金钢或45#钢，直齿体22的材质具体为尼龙。

具体地，如图3所示，中心轮毂21包括空心圆柱体211及设置在空心圆柱体211外周的多个凸起212，多个凸起212沿空心圆柱体211的圆周方向间隔设置，以在注塑过程中使凸起212完全嵌入直齿体22内，以使中心轮毂21与直齿体22之间形成一体成型的程度较好，避免中心轮毂21与直齿体22相互脱离，从而保证整个蜗轮2的扭矩保持效果。本实施例中，中心轮毂21通过铸造或雕刻的方法加工，以能够在空心圆柱体211外周形成多个凸起212。本实施例中，凸起212的数量为八个，八个凸起212均匀设置在空心圆柱体211的外周。凸起212的数量以及凸起212的形状可以根据实际加工需求决定，在此不对其进行具体限定。

进一步地，如图3所示，中心轮毂21还包括凸设于凸起212的翅片213，且每个凸起212均设有至少一个翅片213，翅片213沿空心圆柱体211的圆周方向延伸。

通过设置翅片213，以在注塑过程中使翅片213也能够完全嵌入直齿体22内，以进一步保证中心轮毂21与直齿体22之间形成一体成型的程度，避免中心轮毂21与直齿体22相互脱离，以使整个蜗轮2的扭矩保持效果更好。本实施例中，在每个凸起212均设有两个对称的翅片213。翅片213的数量以及翅片213的形状可以根据实际加工需求决定，在此不对其进行具体限定。

如图4所示，直齿蜗轮使用注塑模具6注塑形成，空心圆柱体211套设至注塑模具6的中心销61上，且空心圆柱体211的轴线与中心销61的轴线同轴且不超过设定值，以对中心轮毂21进行精确定位，从而可以有效保证蜗轮2在注塑完成后的精度，以避免蜗轮2出现齿面圆跳动过大或者偏心现象。本实施例中，设定值为0.005mm。

具体地，如图4所示，对蜗轮2的注塑加工过程如下：首先，将中心轮毂21的空心圆柱体211套设在注塑模具6的中心销61上；并对空心圆柱体211的轴线与中心销61的轴线进行同轴度确认，以确保两者的同轴定位精度不超过0.005mm；然后，再向中心轮毂21的外周面与注塑模具6的内壁之间的间隙空间内注塑尼龙材料，使空心圆柱体211的各个凸起212以及翅片213均完全位于尼龙材料中，以使尼龙材料注塑形成直齿体22，且各个凸起212及翅片213均嵌入直齿体22内；最后，脱模成型以加工形成蜗轮2。

进一步地，如图1所示，齿轮轴4的轴线与转向齿条5的轴线之间的夹角为β，60°＜β＜90°，一方面能够使相互啮合连接的齿轮轴4与转向齿条5所占用的空间较小，进一步使转向系统的结构较为紧凑；另一方面能够保证齿轮轴4与转向齿条5之间的啮合系数大于2.2，以满足啮合需求，从而保证传动效果。其中，夹角β如图1中β标记所示。

具体地，如图5和图6所示，在方向盘输入轴7上固定套设有转向齿轮9，转向齿轮9与转向齿条5相互啮合，且在转向齿条5的两端安装有转向拉杆8；当方向盘转动以带动转向齿轮9转动，转向齿轮9转动带动转向齿条5移动，从而使位于转向齿条5两端的转向拉杆8带动汽车的转向节左右转动，转向节转动能够使车轮发生偏转，从而实现汽车的转向功能。

进一步地，转向系统还包括传感器以及控制器，传感器用于检测方向盘输入轴7的转动方向及转动力矩，传感器与控制器通信连接，控制器用于根据传感器的检测信号控制驱动件1的转动方向及转动速率。其中，传感器包括用于检测方向盘输入轴7的转动方向的正反转监测仪及用于检测方向盘输入轴7的转动扭矩的扭矩传感器。本实施例中的控制器为现有技术中常见的控制器，例如ECU等，在此对其工作原理不进行具体赘述。

本实施例中的转向系统的驱动件工作模式和驱动件失效模式的转向原理如下：

驱动件工作模式：

当驱动件1正常工作时，用户操作方向盘转动，方向盘输入轴7转动一定角度，此时，正反转监测仪将检测到的方向盘输入轴7的转动方向信号以及扭矩传感器将检测到的方向盘输入轴7的转动扭矩信号传递至控制器；控制器根据接收到的检测信号控制驱动件1开始转动，驱动件1驱动蜗杆3旋转，蜗杆3旋转以带动蜗轮2转动，蜗轮2转动以带动齿轮轴4转动，齿轮轴4转动以带动转向齿条5沿方向盘转动的方向移动，转向齿条5移动能够使位于转向齿条5两端的转向拉杆8带动汽车的转向节左右转动，转向节转动能够使车轮发生偏转，从而实现汽车的转向功能；同时，转向齿条5的移动能够带动转向齿轮9转动，转向齿轮9转动能够推动方向盘输入轴7继续进行转动，以保证方向盘的顺利转动。

驱动件失效模式：

当驱动件1失效时，由于蜗杆3的螺旋升角α大于蜗轮蜗杆接触面的当量摩擦角，以使蜗轮2能够带动蜗杆3转动，蜗轮2和蜗杆3能够反向传递作用力；此时，用户操作方向盘转动，由于驱动件1失效，驱动件1不能带动蜗杆3旋转，方向盘输入轴7转动能够带动转向齿轮9转动，转向齿轮9转动能够带动转向齿条5沿方向盘转动的方向移动，转向齿条5带动齿轮轴4转动，齿轮轴4转动带动蜗轮2转动，蜗轮2带动蜗杆3转动，蜗杆3带动驱动件1空转，不会出现蜗杆3阻碍转向齿条5的移动，以能够使转向齿条5的移动带动位于转向齿条5两端的转向拉杆8运动，以带动汽车的转向节左右转动，转向节转动能够使车轮发生偏转，以实现在驱动件1失效时仍能够进行应急转向工作，从而保证了在驱动件1失效时，通过转动方向盘控制汽车转向的功能，在此状态下，助力机构10不起助力的作用，而是用于反向传递作用力，允许方向盘的转动，由此确保用户在驱动件1失效时可以手工操作实施转向。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种转向系统，包括：

手动输入机构，包括方向盘以及方向盘输入轴(7)；

助力机构(10)，包括驱动件(1)、蜗轮蜗杆副和转向齿条(5)，所述转向齿条(5)分别与所述蜗轮蜗杆副和车轮传动连接，所述方向盘输入轴7能够带动所述转向齿条(5)移动，所述蜗轮蜗杆副包括互相啮合的蜗轮(2)和蜗杆(3)；所述蜗轮蜗杆副包括主动工作状态，处于所述主动工作状态时，所述蜗杆(3)由所述驱动件(1)驱动并带动所述蜗轮(2)转动；

其特征在于，

所述蜗轮蜗杆副还包括被动工作状态，当所述驱动件(1)失效时，所述蜗轮蜗杆副进入所述被动工作状态，处于所述被动工作状态时所述蜗轮(2)能够带动所述蜗杆(3)转动。

2.根据权利要求1所述的转向系统，其特征在于，所述蜗杆(3)的螺旋升角α大于所述蜗轮(2)与所述蜗杆(3)的接触面的当量摩擦角。

3.如权利要求2所述的转向系统，其特征在于，所述蜗杆(3)与所述蜗杆(3)的接触面的润滑剂为油脂，所述当量摩擦角小于3°，所述蜗杆(3)的螺旋升角α＞3°。

4.如权利要求3所述的转向系统，其特征在于，所述蜗杆(3)的螺旋升角α为5°＜α＜20°。

5.如权利要求1所述的转向系统，其特征在于，所述蜗轮(2)为直齿蜗轮，所述蜗杆(3)的轴线与所述蜗轮(2)的轴线之间呈夹角γ设置。

6.如权利要求5所述的转向系统，其特征在于，所述蜗杆(3)的轴线与所述蜗轮(2)的轴线之间的夹角γ为65°＜γ＜90°。

7.如权利要求5所述的转向系统，其特征在于，所述直齿蜗轮包括：

中心轮毂(21)及直齿体(22)，所述中心轮毂(21)的材质为金属，所述直齿体(22)的材质为塑料。

8.如权利要求7所述的转向系统，其特征在于，所述中心轮毂(21)包括：

空心圆柱体(211)及设置在所述空心圆柱体(211)外周的多个凸起(212)，多个所述凸起(212)沿所述空心圆柱体(211)的圆周方向间隔设置，且所述凸起(212)嵌入所述直齿体(22)内。

9.如权利要求8所述的转向系统，其特征在于，所述中心轮毂(21)还包括凸设于所述凸起(212)的翅片(213)，且每个所述凸起(212)均设有至少一个所述翅片(213)，所述翅片(213)沿所述空心圆柱体(211)的圆周方向延伸。

10.如权利要求1-9中任一项所述的转向系统，其特征在于，所述助力机构(10)还包括齿轮轴(4)，所述齿轮轴(4)的一端固定穿设至所述蜗轮(2)，另一端与所述转向齿条(5)互相啮合，且所述齿轮轴(4)的轴线与所述转向齿条(5)的轴线之间的夹角为β，60°＜β＜90°。

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