CN203805986U

CN203805986U - 一种汽车电磁柱状助力转向装置

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Publication number: CN203805986U
Application number: CN201420131308.5U
Authority: CN
Inventors: 张玉玺; 陈蜀乔
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2024-03-24

Abstract

本实用新型涉及一种汽车电磁柱状助力转向装置，属于车辆工程技术领域。该汽车电磁柱状助力转向装置，包括扭矩传感器、方位传感器、电磁助力装置、电控板和蓄电池，还包括内置滑动电阻转速表构成运算放大器的反馈电阻R_f，所述电磁助力装置呈柱状层叠结构，每一层结构相同，电磁助力装置的每一层包括轴承孔、固定在外壳上、下的定子层和中间的转子转盘，定子层包括叉形电磁铁、叉形电磁铁线圈、上定子叉形电磁铁固定盘和下定子叉形电磁铁固定盘。该装置中的电磁助力盘为柱状，减小电磁助力盘的半径，且该装置中在速度表指针下方增加了一条弧形的可变电阻条，实现了高速行驶汽车不再发飘的困难。

Description

一种汽车电磁柱状助力转向装置

技术领域

本实用新型涉及一种汽车电磁柱状助力转向装置，属于车辆工程技术领域。

背景技术

目前汽车转向助力主要采用机械液压助力转向和电动助力转向两类。

1.机械液压助力系统：机械液压助力系统的主要组成部分有液压泵、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带、储油罐等等。这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力，对转向系统施加辅助作用力，从而使轮胎转向，根据系统内液流方式的不同可以分为常压式液压助力和常流式液压助力。两种液压助力中，转向油泵都是必备部件，它可以将输入的发动机机械能转化为油液的压力。由于依靠发动机动力来驱动油泵，能耗比较高，所以车辆的行驶动力无形中就被消耗了一部分；液压系统的管路结构非常复杂，各种控制油液的阀门数量繁多，后期的保养维护需要成本；整套油路经常保持高压状态，使用寿命也会受到影响，这些都是机械液压助力转向系统的缺点所在。其优势有：方向盘与转向轮之间全部是机械部件连接，操控精准，路感直接，信息反馈丰富；液压泵由发动机驱动，转向动力充沛，大小车辆都适用；技术成熟，可靠性高，平均制造成本低。机械液压助力大幅消耗发动机动力，所以人们在此基础上进行改进，开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。电子液压助力的原理与机械液压助力基本相同，不同的是油泵由电动机驱动，同时助力力度可变。车速传感器监控车速，电控单元获取数据后通过控制转向控制阀的开启程度改变油液压力，从而实现转向助力力度的大小调节。电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点，同时还降低了能耗，反应也更加灵敏，转向助力大小也能根据转角、车速等参数自行调节，更加人性化。不过引入了很多电子单元，其制造、维修成本也会相应增加，使用稳定性也不如机械液压式的牢靠。

2．电动助力转向系统：不管是机械液压还是电子液压，终究是采用油液加压的方式来实现助力，不够直接而且消耗行驶动力，油泵憋坏了也比较烦人，由此应运而生了电动助力转向系统。在这套系统里不再有油液、管路，取而代之的是直接干脆的电子线路和设备，主要组件有电控单元、车速传感器、转矩传感器、电动机等等，原理也不复杂：传感器把采集到的车速、转角信息输送给ECU，ECU决定电动机的旋转方向和助力电流大小，把指令传递给电动机，电动机将辅助动力施加到转向系统中，这样实时调整的转向助力便得以实现。不过电动机直接驱动转向机构，只能提供有限的辅助力度，难以在大型车辆上使用；同时电子部件较多，系统稳定性、可靠性都不如机械式部件；由于决定电动机的旋转方向和助力电流大小，把指令传递给电动机，控制程序成为电动助力转向系统核心技术，很难完全消除超调,该系统隔离了人与路面的直接联系，使得路感信息匮乏，实际驾驶中的操控乐趣大大减少；以及成本较高等等，这些都是电动助力转向系统的劣势所在。从长远来看，电子助力似乎成为发展趋势所在，轻便、节能、响应迅速，不过在驾驶层面的劣势短期内还不能得到很好的弥补（各有所长三种常见助力转向系统介绍，胡正暘，汽车之家，2010年06月24日）。

具有电子助力的优势，又有液压助力的路感，同时结构简单，成本低，这样兼具多向优点的助力装置是市场急需的。随着国内汽车电动助力转向装置(EPS)的开发和很多汽车厂家的车型上已开始安装和试装EPS,已在我国汽车行业特别是汽车转向器行业掀起了一个开发的热潮.汽车电动助力转向装置(EPS)是汽车配套电子产品的重要一支,是一个涵盖了机械制造,电子技术,橡胶化工和计算机技术的跨学科高新技术产品（汽车电动转向技术，毕大宁编写）。

在专利申请号为201310000213.X、名称为“汽车转向无超调电磁助力装置”存在如下缺陷：电磁助力盘呈扁平状，助力扭矩必须大于助力需求，因而需要很大的电磁助力盘半径，由于半径过大，车内无法安装；此外，车速过高时，所需助力减小，驾驶员会感到方向盘发飘，所以必须考虑高速时减小转向助力。

发明内容

针对上述申请号为201310000213.X的专利申请存在的问题及不足，本实用新型提供一种汽车电磁柱状助力转向装置，该装置中的电磁助力盘为柱状，减小电磁助力盘的半径，电磁助力盘中的电磁助力的大小可通过调节柱状的电磁助力盘中层叠结构的层数来调节，且该装置中在速度表指针下方增加了一条弧形的可变电阻条，实现了高速行驶汽车不再发飘的困难，本实用新型通过以下技术方案实现。

一种汽车电磁柱状助力转向装置，包括扭矩传感器3、方位传感器4、电磁助力装置5、电控板6和蓄电池8，方向盘转向轴2从上至下依次与扭矩传感器3、方位传感器4、电磁助力装置5同轴连接，扭矩传感器3、方位传感器4通过信号线9与电控板6连接，电控板6通过电控供电线7与柱状电磁助力装置5连接，电控板6与蓄电池8连接，还包括内置滑动电阻转速表26构成运算放大器的反馈电阻R_f，所述电磁助力装置5呈柱状层叠结构，每一层结构相同，电磁助力装置5直径为50～100mm，电磁助力装置5设置外壳，外壳固定在车体上，电磁助力装置5的每一层包括轴承孔12、固定在外壳上、下的定子层和中间的转子转盘，定子层包括叉形电磁铁10、叉形电磁铁线圈、上定子叉形电磁铁固定盘14和下定子叉形电磁铁固定盘19，转子转盘包括转子磁齿15、转子磁齿固定盘18、转子辐板空洞16和转子辐板17，定子层与转子转盘之间的间隙小于3mm，上定子叉形电磁铁固定盘14和下定子叉形电磁铁固定盘19上分别均分设置n组叉形电磁铁10且避让轴承孔12在每个叉形电磁铁10上缠绕叉形电磁铁线圈，上定子叉形电磁铁固定盘14上的电磁铁线圈分别为L1、L3、L5、…L2n+1，下定子叉形电磁铁固定盘19上的电磁铁线圈分别为L2、L4、L6、…、L2n，转子磁齿15固定在转子磁齿固定盘18上，转子磁齿15的宽度小于叉形电磁铁10一端叉形磁极的间隔，转子磁齿固定盘18直径等于上定子叉形电磁铁固定盘14或下定子叉形电磁铁固定盘19的直径，转子辐板17设置转子辐板空洞16，以减轻转子质量造成的惯性。

所述电磁助力装置5中的叉形电磁铁线圈通电时产生叉形电磁铁线圈N极11和叉形电磁铁线圈S极13，n组N极和n组S极分别在同一半圆方向，共计2×n×2×2磁极，所有磁极均分360^o圆周，n的取值范围为2～10，n取值越大，控制越精密。

所述内置滑动电阻转速表26为速度表指针下方贴一条弧形的可变电阻条。

所述磁助力装置5的层叠数量为5～20层。

方位传感器4由永磁铁20、永磁体固定盘21，触发叶片22、霍尔集成块23、霍尔传感器24、导板25构成；永磁铁20安装在永磁体固定盘21下方外缘，永磁铁数量为4n，均分360^o圆周，相邻永磁铁极性互为相反，永磁铁的极性径向设置，霍尔传感器24设置弧形凹槽，永磁体固定盘21轴心与方向盘转向轴2同轴，永磁体固定盘21的直径大于方向盘转向轴2，小于100mm，永磁体固定盘21下方的永磁体20可以在弧形凹槽内自由转动，霍尔传感器24内径向设置导板25，触发叶片22设置在弧形凹槽一侧，触发叶片后设置霍尔集成块23。

电控板设置两路信号放大电路，分别用于放大扭矩信号和方位信号，方位信号需整理放大成为方波电压，根据永磁体20的排列形式，相邻方波电压相反，幅值相等，利用全对称互补OTL放大电路将正负方波进行分离，正方波电压控制三极管Ta1、Ta3、…、 Ta2n+1的开启和关断，出现正方波打开三极管，否则关断，负方波电压控制三极管Tb1、Tb3、…、 Tb2n+1开启和关断，出现负方波打开三极管，否则关断；扭矩信号转换为电压信号，电压幅值的大小对应于扭矩的大小，电压的正负对应扭矩的方向，利用全对称互补OTL放大电路将正负波进行分离，正波电压通过三极管Ta2、Ta4、…、 Ta2n基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于正波电压；负波电压通过三极管Tb2、Tb4、…、 Tb2n基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于负波电压。

上定子叉形电磁铁固定盘14的L2n+1线圈输入端与三极管Ta2n射极相连通，该盘所有线圈的输出端连通接地，下定子叉形电磁铁固定盘19的L2n电磁铁线圈输入端与三极管Tb2n射极相连通，该盘所有线圈的输出端连通接地，采用蓄电池对电磁线圈供电，电源正负极之间设置有电容C。

在具体的实施方案中，本实用新型采用n=3的方案。其工作过程如图1所示，在车辆行驶过程中，转弯时，转动方向盘，扭矩传感器和方位传感器给出相应的信号。扭矩传感器给出扭矩信号，输入电控板进行放大，扭矩信号转换为电压信号，电压幅值的大小对应于扭矩的大小，电压的正负对应扭矩的方向，利用全对称互补OTL放大电路将正负波进行分离，正波电压通过三极管Ta2、Ta4、…、Ta2n基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于正波电压；负波电压通过三极管Tb2、Tb4、…、 Tb2n基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于负波电压。如图3所示，若是正波电压，打开三极管Ta2、Ta4、…、 Ta2n，上定子叉形电磁铁固定盘上14的电磁线圈L1、L3、L5通电，构成电磁铁，叉形两端电磁均为N极，在两个N极之间下方的转子磁齿固定盘18上的永磁体磁齿的极性为NS，这样就形成定子盘上的后端N极推动转子盘上的N极，定子盘上的前端N极吸引转子盘上的N极，三组电磁铁一推一拉，沿转动方向产生了一个力，该力的强弱决于线圈电流的大小，线圈电流又决定于扭矩的大小，这样的转向助力严格正比于人施加在方向盘上的转向力，既不会滞后也不会超前，这在原理上就杜绝了超调的产生。

方位信号被放大成为方波电压，根据永磁体20的排列形式，相邻方波电压相反，幅值相等，利用全对称互补OTL放大电路将正负方波进行分离，正方波电压控制三极管Ta1、Ta3、…、 Ta2n+1的开启和关断，出现正方波打开三极管，否则关断，负方波电压控制三极管Tb1、Tb3、…、 Tb2n+1开启和关断，出现负方波打开三极管，否则关断；这样就让相应的电磁线圈处于工作状态。方波信号传感器采用的是霍尔传感器24，霍尔信号发生器为有源器件，它需要提供电源才能工作，霍尔信号集成块的电源由点火器提供。霍尔集成电路输出级的集电极为开路输出形式，霍尔信号发生器有三根引出线且与点火器件相连接，其中一根是电源输入线，一根是霍尔信号输出线，一根是接地线。当电流通过放在磁场中的半导体基片(称霍尔元件)且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，这个电压称为霍尔电压。霍尔电压的高低与通过的电流I和磁感应强度B成正比。霍尔信号发生器的特点：1)工作可靠性高，霍尔信号发生器无磨损部件，不受灰尘、油污的影响，无调整部件，小型坚固，寿命长等优点；2)霍尔信号发生器的输出电压信号与叶轮叶片的位置有关，但与叶轮叶片的运动速度无关。也就是说它与磁通变化的速率无关，它与磁感应信号发生器不同，它不受方向盘转速的影响，使得三极管处于正确稳定的工作状态。这是电磁传感器不具有的。这一特性正是本实用新型所需要的。

扭矩信号，可采用市场出售的扭矩传感器，将该扭矩传感器的输出信号按要求进行整理，即满足电压幅值的大小对应于扭矩的大小，电压的正负对应扭矩的方向。利用全对称互补OTL放大电路将正负波进行分离，正波电压通过三极管Ta2、Ta4、…、 Ta2n基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于正波电压；负波电压通过三极管Tb2、Tb4、…、 Tb2n基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于负波电压。

方位信号控制电磁线圈处于可工作状态，扭矩信号控制电磁线圈的电流大小，即决定助力扭矩的大小，内置滑动电阻转速表中内置滑动电阻根据转速调节扭矩强度，三者协调才能正确工作。速度传感器采用汽车内置传感器，在速度表指针下方贴一条弧形的可变电阻条，指针在摆动的时候，该电阻条的阻值发生改变，构成可变电阻；该可变电阻低速时电阻值高，高速时电阻值低，该可变电阻构成扭矩运算放大器的R_f，运算放大器的放大倍数K等于R_f/R1，由于高速时R_f变小，反之变大，这样汽车速度与放大倍数成反比，对应的助力就具有速度低则助力大，速度高助力减小，这样就实现了高速行驶汽车不再发飘的困难。

本实用新型的有益效果是：（1）采用柱状电磁助力装置实现转向助力，转向动力充沛，中小车辆都适用；（2）由于本实用新型没有采用电动机，因而无需把转向指令传递给电动机，然后通过控制程序控制电动助力转向系统，这就完全消除超调，车速控制助力强度，使得汽车在高速行驶汽车不再发飘，方向盘与转向轮之间全部是机械部件连接，实现了人与路面的直接联系，路感直接，信息反馈丰富，大大提高了驾驶操控的乐趣，路感强烈，操控精准；（3）避免了现有电动助力转向系统电子部件较多，系统稳定性、可靠性都不如机械式部件的缺点，结构极其简单，提高了可靠性高，降低了制造成本；（4）实现了轻便、节能、响应迅速的目标，兼具多种优点，极具市场前景。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是本实用新型电磁助力装置正视结构示意图；

图3是本实用新型电磁助力装置定子俯视示意图；

图4是本实用新型电磁助力装置转子俯视示意图；

图5是本实用新型方位传感器剖视示意图B；

图6是本实用新型方位传感器剖视示意图C；

图7是本实用新型方位传感器A-A面剖视示意图；

图8是本实用新型扭矩、方位信号放大电路原理图；

图9是本实用新型电磁助力装置电路原理图。

图中：1-方向盘，2-方向盘转向轴，3-扭矩传感器，4-方位传感器，5-电磁助力装置，6-电控板，7-电控供电线，8-蓄电池，9-信号线，10-叉形电磁铁，11-叉形电磁铁线圈N极，12-轴承孔，13-叉形电磁铁线圈S极，14-上定子叉形电磁铁固定盘，15-转子磁齿，16-转子辐板空洞，17-转子辐板，18-转子磁齿固定盘，19-下定子叉形电磁铁固定盘，20-永磁铁，21-永磁体固定盘，22-触发叶片，23-霍尔集成块，24-霍尔传感器，25-导板，26-内置滑动电阻转速表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1至9所示，该汽车电磁柱状助力转向装置，包括扭矩传感器3、方位传感器4、电磁助力装置5、电控板6和蓄电池8，方向盘转向轴2从上至下依次与扭矩传感器3、方位传感器4、电磁助力装置5同轴连接，扭矩传感器3、方位传感器4通过信号线9与电控板6连接，电控板6通过电控供电线7与柱状电磁助力装置5连接，电控板6与蓄电池8连接，还包括内置滑动电阻转速表26构成运算放大器的反馈电阻R_f，所述电磁助力装置5呈柱状层叠结构，每一层结构相同，电磁助力装置5直径为50～100mm，电磁助力装置5设置外壳，外壳固定在车体上，电磁助力装置5的每一层包括轴承孔12、固定在外壳上、下的定子层和中间的转子转盘，定子层包括叉形电磁铁10、叉形电磁铁线圈、上定子叉形电磁铁固定盘14和下定子叉形电磁铁固定盘19，转子转盘包括转子磁齿15、转子磁齿固定盘18、转子辐板空洞16和转子辐板17，定子层与转子转盘之间的间隙小于3mm，上定子叉形电磁铁固定盘14和下定子叉形电磁铁固定盘19上分别均分设置n组叉形电磁铁10且避让轴承孔12在每个叉形电磁铁10上缠绕叉形电磁铁线圈，上定子叉形电磁铁固定盘14上的电磁铁线圈分别为L1、L3、L5、…L2n+1，下定子叉形电磁铁固定盘19上的电磁铁线圈分别为L2、L4、L6、…、L2n，转子磁齿15固定在转子磁齿固定盘18上，转子磁齿15的宽度小于叉形电磁铁10一端叉形磁极的间隔，转子磁齿固定盘18直径等于上定子叉形电磁铁固定盘14或下定子叉形电磁铁固定盘19的直径，转子辐板17设置转子辐板空洞16，以减轻转子质量造成的惯性。

其中电磁助力装置5中的叉形电磁铁线圈通电时产生叉形电磁铁线圈N极11和叉形电磁铁线圈S极13，n组N极和n组S极分别在同一半圆方向，共计2×n×2×2磁极，所有磁极均分360^o圆周，n的取值范围为2～10，n取值越大，控制越精密；内置滑动电阻转速表26为速度表指针下方贴一条弧形的可变电阻条；磁助力装置5的层叠数量为5～20层；方位传感器4由永磁铁20、永磁体固定盘21，触发叶片22、霍尔集成块23、霍尔传感器24、导板25构成；永磁铁20安装在永磁体固定盘21下方外缘，永磁铁数量为4n，均分360^o圆周，相邻永磁铁极性互为相反，永磁铁的极性径向设置，霍尔传感器24设置弧形凹槽，永磁体固定盘21轴心与方向盘转向轴2同轴，永磁体固定盘21的直径大于方向盘转向轴2，小于100mm，永磁体固定盘21下方的永磁体20可以在弧形凹槽内自由转动，霍尔传感器24内径向设置导板25，触发叶片22设置在弧形凹槽一侧，触发叶片后设置霍尔集成块23；上定子叉形电磁铁固定盘14的L2n+1线圈输入端与三极管Ta2n射极相连通，该盘所有线圈的输出端连通接地，下定子叉形电磁铁固定盘19的L2n电磁铁线圈输入端与三极管Tb2n射极相连通，该盘所有线圈的输出端连通接地，采用蓄电池对电磁线圈供电，电源正负极之间设置有电容C。

Claims

1.一种汽车电磁柱状助力转向装置，包括扭矩传感器（3）、方位传感器（4）、电磁助力装置（5）、电控板（6）和蓄电池（8），方向盘转向轴（2）从上至下依次与扭矩传感器（3）、方位传感器（4）、电磁助力装置（5）同轴连接，扭矩传感器（3）、方位传感器（4）通过信号线（9）与电控板（6）连接，电控板（6）通过电控供电线（7）与柱状电磁助力装置（5）连接，电控板（6）与蓄电池（8）连接，其特征在于：还包括内置滑动电阻转速表（26）构成运算放大器的反馈电阻Rf，所述电磁助力装置（5）呈柱状层叠结构，每一层结构相同，电磁助力装置（5）直径为50～100mm，电磁助力装置（5）设置外壳，外壳固定在车体上，电磁助力装置（5）的每一层包括轴承孔（12）、固定在外壳上、下的定子层和中间的转子转盘，定子层包括叉形电磁铁（10）、叉形电磁铁线圈、上定子叉形电磁铁固定盘（14）和下定子叉形电磁铁固定盘（19），转子转盘包括转子磁齿（15）、转子磁齿固定盘（18）、转子辐板空洞（16）和转子辐板（17），定子层与转子转盘之间的间隙小于3mm，上定子叉形电磁铁固定盘（14）和下定子叉形电磁铁固定盘（19）上分别均分设置n组叉形电磁铁（10）且避让轴承孔（12）在每个叉形电磁铁（10）上缠绕叉形电磁铁线圈，上定子叉形电磁铁固定盘（14）上的电磁铁线圈分别为L1、L3、L5、…L2n+1，下定子叉形电磁铁固定盘（19）上的电磁铁线圈分别为L2、L4、L6、…、L2n，转子磁齿（15）固定在转子磁齿固定盘（18）上，转子磁齿（15）的宽度小于叉形电磁铁（10）一端叉形磁极的间隔，转子磁齿固定盘（18）直径等于上定子叉形电磁铁固定盘（14）或下定子叉形电磁铁固定盘（19）的直径，转子辐板（17）设置转子辐板空洞（16）。

2.根据权利要求1所述的汽车电磁柱状助力转向装置，其特征在于：所述电磁助力装置（5）中的叉形电磁铁线圈通电时产生叉形电磁铁线圈N极（11）和叉形电磁铁线圈S极（13），n组N极和n组S极分别在同一半圆方向，共计2×n×2×2磁极，所有磁极均分360^o圆周，n的取值范围为2～10。

3.根据权利要求1所述的汽车电磁柱状助力转向装置，其特征在于：所述内置滑动电阻转速表（26）为速度表指针下方贴一条弧形的可变电阻条。

4.根据权利要求2所述的汽车电磁柱状助力转向装置，其特征在于：所述磁助力装置（5）的层叠数量为5～20层。