CN202294949U - 越野车用电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种越野车用电动助力转向系统，属于电动助力转向领域。越野车用电动助力转向系统包括：循环球式转向器；用于检测循环球式转向器输入端的转矩和转角的转矩转角传感装置；与转矩转角传感装置连接、用于根据转矩转角传感装置获取的转矩和转角产生控制信号的控制器；与所述控制器连接、用于根据所述控制信号为所述循环球式转向器提供转向力矩的助力电动机；与循环球式转向器以及助力电动机分别连接、用于将所述助力电动机输出的转向力矩作用到所述循环球式转向器上的蜗轮蜗杆减速机构。本实用新型的越野车用电动助力转向系统可提供车速感应型助力特性，该系统结构简单紧凑、并具有高可靠性和高性能的优点。

Description

越野车用电动助力转向系统

技术领域

本实用新型涉及电动助力转向领域，特别是指一种越野车用电动助力转向系统。

背景技术

电动助力转向系统由于其具有高效节能、低速轻便、高速路感强、以及良好的回正性能等优点，现已代替传统的液压助力转向系统，广泛应用于车辆转向中。但是目前电动助力转向系统主要应用于轿车上，且以齿轮齿条转向器为主。

当前越野车的转向装置受摩擦力矩、阻尼和惯性的影响，存在传递效率损失大及回正力矩不足的现象。特别是使用循环球式转向器的越野车，其转向传动部件复杂，惯性较大，摩擦也大，容易出现转向回正不良的情况。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种越野车用电动助力转向系统，结构简单并具有高可靠性和高性能的优点。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种越野车用电动助力转向系统，应用于汽车车辆中，包括：

循环球式转向器；

用于检测所述循环球式转向器输入端的转矩和转角的转矩转角传感装置；

与所述转矩转角传感装置连接、用于根据所述转矩转角传感装置获取的转矩和转角产生控制信号的控制器；

与所述控制器连接、用于根据所述控制信号为所述循环球式转向器提供转向力矩的助力电动机；

与所述循环球式转向器以及助力电动机分别连接、用于将所述助力电动机输出的转向力矩作用到所述循环球式转向器上的蜗轮蜗杆减速机构。

进一步地，所述控制器包括：

用于根据所述转矩转角传感装置获取的转矩、转角和汽车车速确定目标助力电流I_cmd的目标助力控制模块；

用于将目标助力电流I_cmd与所述助力电动机的实际电流I_m进行比较，得到差值e的比较模块；

用于将差值e转换成脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号作为控制信号发送给所述助力电动机的电流闭环控制模块。

进一步地，所述目标助力控制模块包括：

用于根据所述转矩转角传感装置获取的转矩和汽车车速计算得到基本目标助力电流I_j的基本助力控制子模块；

用于根据所述转矩转角传感装置获取的转角和汽车车速利用以下公式计算得到回正控制电流I_r的主动回正控制子模块；

$I_r=K_V(K_P{\mathrm{\θ}}_s+K_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s)$

其中，θ_s为转角，K_V为车速系数，K_P为比例系数，K_D为微分系数；

用于根据基本目标助力电流I_j和回正控制电流I_r确定目标助力电流I_cmd的比较子模块。

进一步地，所述蜗轮蜗杆减速机构包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮蜗杆减速机构的蜗轮与所述循环球式转向器的转向螺杆以过盈配合方式或平键方式固接，所述蜗轮蜗杆减速机构的蜗杆与所述助力电动机的输出轴以过盈配合方式固接。

进一步地，所述转矩转角传感装置包括：

扭杆；

用于测量所述扭杆两端的相对转角和扭杆输入端的绝对转角、并根据扭杆刚度和扭杆两端的相对转角确定转矩的转角传感器。

进一步地，所述扭杆的一端通过销子与所述循环球式转向器的输入轴连接，另一端与所述循环球式转向器的转向螺杆过盈配合刚性连接。

进一步地，所述助力电动机为有刷直流电动机或无刷直流电动机。

本实用新型的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，越野车用电动助力转向系统采用循环球式转向器，转矩转角传感装置检测循环球式转向器输入端的转矩和转角，控制器根据转矩转角传感装置获取的转矩和转角产生控制信号，并将控制信号发送给助力电动机，再通过蜗轮蜗杆减速机构将助力电动机输出的转向力矩作用到循环球式转向器上。本实用新型结构简单，基于转矩转角传感装置的反馈信号进行主动回正控制，获得车辆在高、低速行驶工况下理想的回正性能以及在转向盘中间位置时的转向感觉，具有高可靠性和高性能的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的越野车用电动助力转向系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的控制器的控制原理图；

图3为本实用新型实施例的控制器的主动回正控制原理图；

图4为本实用新型实施例的越野车用电动助力转向系统的循环球式电动助力转向器结构图；

图5为本实用新型实施例的越野车用电动助力转向系统的循环球式电动助力转向器剖视图。

具体实施方式

为使本实用新型的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型的实施例针对现有技术中越野车电动助力转向系统的转向传动部件复杂，惯性较大，摩擦也大，容易出现转向回正不良的情况的问题，提供一种越野车用电动助力转向系统，结构简单并具有高可靠性和高性能的优点。

图1为本实用新型实施例的越野车用电动助力转向系统的结构示意图，如图1所示，本实施例包括：

循环球式转向器11；

用于检测循环球式转向器11输入端的转矩和转角的转矩转角传感装置12；

与转矩转角传感装置12连接、用于根据转矩转角传感装置12获取的转矩和转角产生控制信号的控制器13；

与控制器13连接、用于根据控制信号为循环球式转向器11提供转向力矩的助力电动机14；

与循环球式转向器11以及助力电动机14分别连接、用于将助力电动机14输出的转向力矩作用到循环球式转向器11上的蜗轮蜗杆减速机构15。

在汽车行驶过程中，驾驶员作用到转向盘上的力通过转向轴传递到循环球式转向器11的输入端，并经扭杆传递到循环球式转向器11的转向螺杆上；同时助力电动机14的转向力矩经过蜗轮蜗杆减速机构15也传递到转向螺杆上，转向螺杆经循环球、螺母及齿扇将力矩传递到转向摇臂，实现汽车转向。

其中，转矩转角传感装置12中设有扭杆和转角传感器，转角传感器即可以测量扭杆两端的相对转角也可以测量扭杆输入端的绝对转角，并将扭杆的两端的相对转角转换成电信号，根据扭杆刚度即可得转矩。

控制器13利用转矩转角传感装置12获取的转矩Td和转角、汽车车速V产生控制助力电动机14输出的转向力矩的控制信号，图2为本实用新型实施例的控制器的结构示意图，如图2所示，控制器13包括：

目标助力控制模块131，用于根据转矩转角传感装置12获取的转矩、转角和汽车车速确定目标助力电流I_cmd；

比较模块132，用于将目标助力电流I_cmd与助力电动机的实际电流I_m进行比较，得到差值e；

电流闭环控制模块133，用于将差值e转换成脉宽调制信号，并将脉宽调制信号作为控制信号发送给助力电动机14。

进一步地，为了达到理想的回正效果，控制器13还可以进行主动回正控制，依据越野车用电动助力转向系统的转角和车速确定助力电动机14的回正控制电流，图3为本实用新型实施例的控制器的另一结构示意图，如图3所示，目标助力控制模块131包括：

基本助力控制子模块，用于根据转矩转角传感装置12获取的转矩和汽车车速V计算得到基本目标助力电流I_j；

$I_j=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤T_d\≤T_{d0}\\ K_V(T_d-T_{d0})& T_{d0}\≤T_d\≤T_{d\max }\\ I_{\max }& T_d\≥T_{d\max }\end{array}\right.$

其中，I_j为基本目标助力电流，I_max为助力电动机最大助力电流，T_d为方向盘输入转矩，T_d0为转向系统开始助力时的方向盘输入转矩，T_dmax为转向系统提供最大助力时的方向盘输入转矩，K_V为车速系数，随车速增加K_V逐渐减小；

主动回正控制子模块，用于根据转矩转角传感装置12获取的转角和汽车车速利用以下公式计算得到回正控制电流I_r

$I_r=K_V(K_P{\mathrm{\θ}}_s+K_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s)$

其中，θ_s为转角，K_V为车速系数，随车速增加K_V逐渐减小，K_P为比例系数，K_D为微分系数，K_P对汽车车辆的转向盘产生较大的回正控制效果；系数K_D可产生较大的阻尼效果，用于防止回正超调。通过合理选用系数K_P，K_D可以达到理想的回正效果；

比较子模块，用于根据基本目标助力电流I_j和回正控制电流I_r确定目标助力电流I_cmd。

本实施例中，越野车用电动助力转向系统采用循环球式转向器，转矩转角传感装置检测循环球式转向器输入端的转矩和转角，控制器根据转矩转角传感装置获取的转矩和转角、汽车车速产生控制信号，并将控制信号发送给助力电动机，助力电动机根据控制信号产生转向力矩，之后蜗轮蜗杆减速机构将助力电动机输出的转向力矩作用到循环球式转向器上，从而实现汽车转向。其中，控制器13可以由单片机、信号采集与处理电路、驱动电路、监测电路等组成。其中单片机可以为8位、16位或者32位单片机，也可以为数字信号处理器。控制器驱动电路中设置有继电器，当越野车用电动助力转向系统出现异常后，能够迅速切断开关，以保证系统安全。助力电动机14可以是有刷直流电动机或者无刷直流电动机，额定电压为直流电压12V。

蜗轮蜗杆减速机构15的输入端与助力电动机14连接，输出端与循环球转向器11中的转向螺杆连接。蜗轮蜗杆减速机构15的主动件即可以是蜗杆，也可以是蜗轮，即蜗轮蜗杆减速机构可以双向传动。蜗轮蜗杆减速机构的蜗轮可以与循环球式转向器的螺杆以过盈配合方式或平键方式固接，蜗轮蜗杆减速机构的蜗杆可以与助力电动机的输出轴以过盈配合方式固接。另外从蜗杆强度和效率考虑，蜗轮蜗杆减速机构15的蜗杆可以为双头或者三个头。

图4为本实用新型实施例的越野车用电动助力转向系统的结构图，图5为本实用新型实施例的越野车用电动助力转向系统的剖视图。如图4及图5所示，扭杆6的一端与循环球式转向器的输入轴4通过销子5连接，另一端与循环球式转向器的转向螺杆9过盈配合刚性连接，扭杆6的扭转变形通过转角传感器7将扭杆6的相对变形(即循环球式转向器的输入轴4与转向螺杆9的相对转角)转换为表示转矩的电信号输入给控制器。转向螺杆9与螺母10构成循环球传动，螺母10上的齿条与齿扇轴(即摇臂轴)上的齿扇11相啮合，将转向力矩输出。蜗轮8以过盈配合或平键连接的方式与转向螺杆9连接。助力电动机14的输出轴与蜗杆3通过过盈配合的方式连接，经过蜗轮8与蜗杆3组成的蜗轮蜗杆减速机构将助力电动机14输出的转向力矩传递到转向螺杆9上。助力电动机14的输出轴与蜗杆3通过过盈配合的方式连接，不仅可以省却蜗杆靠近助力电动机侧的轴承，降低成本，而且还可以防止蜗杆轴向蹿动，提高传动效率。

本实用新型只在汽车进行转向时助力电动机才提供助力，能够减少能量消耗，并能在各种行驶工况下提供合适的助力。本实用新型的零件比液压动力转向系统大大减少，因而质量更轻、结构更紧凑，并且易于调整和检测，装配自动化程度高，生产和开发周期短；不存在渗油问题，保修成本低，对环境的污染小。进一步地，本实用新型采用基于转向盘转矩转角传感装置的反馈信号进行主动回正控制，获得车辆在高、低速行驶工况下理想的回正性能以及在转向盘中间位置时的转向感觉，具有高可靠性和高性能的优点。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种越野车用电动助力转向系统，应用于汽车车辆中，其特征在于，包括：

循环球式转向器；

用于检测所述循环球式转向器输入端的转矩和转角的转矩转角传感装置；

与所述转矩转角传感装置连接、用于根据所述转矩转角传感装置获取的转矩和转角产生控制信号的控制器；

与所述控制器连接、用于根据所述控制信号为所述循环球式转向器提供转向力矩的助力电动机；

与所述循环球式转向器以及助力电动机分别连接、用于将所述助力电动机输出的转向力矩作用到所述循环球式转向器上的蜗轮蜗杆减速机构。

2.根据权利要求1所述的越野车用电动助力转向系统，其特征在于，所述控制器包括：

用于根据所述转矩转角传感装置获取的转矩、转角和汽车车速确定目标助力电流I_cmd的目标助力控制模块；

用于将目标助力电流I_cmd与所述助力电动机的实际电流I_m进行比较，得到差值e的比较模块；

用于将差值e转换成脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号作为控制信号发送给所述助力电动机的电流闭环控制模块。

3.根据权利要求2所述的越野车用电动助力转向系统，其特征在于，所述目标助力控制模块包括：

用于根据所述转矩转角传感装置获取的转矩和汽车车速计算得到基本目标助力电流I_j的基本助力控制子模块；

用于根据所述转矩转角传感装置获取的转角和汽车车速利用以下公式计算得到回正控制电流I_r的主动回正控制子模块；

$I_r=K_V(K_P{\mathrm{\θ}}_s+K_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s)$

其中，θ_s为转角，K_V为车速系数，K_P为比例系数，K_D为微分系数；

用于根据基本目标助力电流I_j和回正控制电流I_r确定目标助力电流I_cmd的比较子模块。

4.根据权利要求1所述的越野车用电动助力转向系统，其特征在于，所述蜗轮蜗杆减速机构包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮蜗杆减速机构的蜗轮与所述循环球式转向器的转向螺杆以过盈配合方式或平键方式固接，所述蜗轮蜗杆减速机构的蜗杆与所述助力电动机的输出轴以过盈配合方式固接。

5.根据权利要求1所述的越野车用电动助力转向系统，其特征在于，所述转矩转角传感装置包括：

扭杆；

用于测量所述扭杆两端的相对转角和扭杆输入端的绝对转角、并根据扭杆刚度和扭杆两端的相对转角确定转矩的转角传感器。

6.根据权利要求5所述的越野车用电动助力转向系统，其特征在于，所述扭杆的一端通过销子与所述循环球式转向器的输入轴连接，另一端与所述循环球式转向器的转向螺杆过盈配合刚性连接。

7.根据权利要求1所述的越野车用电动助力转向系统，其特征在于，所述助力电动机为有刷直流电动机或无刷直流电动机。

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