CN203876816U - 具有柔性冗余机构的车用线控转向装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有柔性冗余机构的线控转向装置，旨在降低现有技术的复杂性，提高可靠性、安全性，该装置包括：转向输入部分，包括转向盘及转向管柱；转向输出部分，包括齿轮齿条转向机构；柔性传动部分和模式控制器构成的控制系统，通过控制系统实现SBW、C-EPS、P-EPS工作模式，当机电系统或电源出现故障时，装置自动处于柔性传动转向模式，可靠保证正常转向功能。

Description

具有柔性冗余机构的车用线控转向装置

技术领域

本实用新型涉及一种线控转向装置，尤其涉及一种具有可实现多模式柔性冗余的汽车线控转向装置。

背景技术

汽车线控转向与传统机械转向系统相比具有空间布置灵活、可以调控驾驶路感等优点，结合控制技术可以实现主动避撞、辅助驾驶等，极大程度上提高了操纵稳定性和主动安全性，代表了汽车安全、智能的发展方向。

但随之而来的问题是如何保证系统自身的可靠性，即当机电系统、电源系统出现故障下如何保证驾驶员通过转向盘实现转向控制。目前比较常用的做法是采用：1、电控系统冗余；2、传统机械系统冗余；3、绳轮传动装置冗余；方法1采用两套或以上数量的电控系统，不能从根本上解决电子系统本身故障带来的安全隐患，而且整个系统体积大、控制复杂、成本高、不易维护等；方法2一般在原有的机械连杆转向系统上增加离合装置，空间布置上仍与机械转向系统一样，无法体现线控系统布置灵活的特点；方法3采用钢丝绳传动机构替代方法2中机械连杆机构，使其不受空间布置的限制，但钢丝绳轮机构结构复杂，绳轮转动惯量大，本身需要较大预紧力，增加了系统的摩擦，使转向变得沉重。此外轮绳缠绕、钢丝绳预紧不当或旋转速度快时易发生钢丝绳磨损甚至脱轮故障，导致系统无法工作。

在已公布的专利[JP2005-082099A]中公开了一种汽车转向装置。该装置采用软轴避免了上述轮绳结构的缺点，但该转置采用电磁离合器直接控制软轴转矩的传递，需要较大功率的电磁离合器和软轴，导致系统体积、质量大，尤其软轴直径大，最小弯曲半径增大，布置上受限。该装置在冗余机构发生作用时，软轴需克服路感电机、执行电机的磁场力，使转向沉重，而在线控转向模式下，执行电机反拖软轴旋转，增加了软轴的磨损、降低系统效率。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题，提供一种具有柔性冗余的车用线控转向装置，以提高可靠性为前提，实现冗余模式的高性能化，旨在故障发生时能最大程度提供可助力的冗余转向模式，保持转向操纵轻便性；在机电系统发生故障或电源断电的极端情况下，装置自动转为柔性转向模式，从根本上确保安全性。

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是：提供一种具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其中包括一转向输入部分，该输入部分至少具有一个转向盘，转向盘和一转向柱的一端键连接，转向输入被施加到该转向盘上；一转向输出部分，该转向输出部分至少具有一齿轮齿条机构，齿条与左右转向轮保持工作连接，由转向输入确定的转向力矩被直接或间接的施加到该齿轮齿条上；一柔性传动部分，该柔性传动部分包括第一动力机构和第二动力机构，第一动力机构输入轴一端与转向输入部分的转向柱一端经第一力矩传感器固连，第一动力机构输入轴另一端连接第一转角传感器，第二动力机构的蜗轮轴一端安装第二力矩传感器，并与转向输出齿轮一端固连，其蜗轮轴另一端安装第二转角传感器。第一动力机构的输出端与第二动力机构的输入端通过传动软轴连接。

其中第一动力机构具有一蜗轮蜗杆机构和第一换向转置，蜗轮轴作为输入轴，蜗杆作为输出轴其一端与第一换向装置的输入轴一端键连接，第一换向装置输入轴的另一端与第一执行电动机输出轴键连接。

其中第一换向装置具有一锥齿轮传动机构，该锥齿轮传动机构包括一主动锥齿轮、一从动锥齿轮和一输入轴，其输入轴装有第一离合装置和第二离合装置，其第一离合装置包括一常接合电磁离合器，其第二离合装置包括一常分离电磁离合器，锥齿轮传动机构安装于两离合装置之间。

其中第二动力机构具有一蜗轮蜗杆机构和第二转向装置，蜗轮轴作为输入轴，蜗杆作为输出轴其一端与第二换向装置的输入轴一端键连接，第二换向装置输入轴的另一端与第二执行电动机输出轴键连接。

其中第二换向装置具有一锥齿轮传动机构，该锥齿轮传动机构包括一主动锥齿轮、一从动锥齿轮和一输入轴，其输入轴装有第三离合装置和第四离合装置，其第三离合装置包括一常接合电磁离合器，其第四离合装置包括一常分离电磁离合器，锥齿轮传动机构安装于两离合装置之间。

还包括一模式控制器，该模式控制器与柔性传动部分构成控制系统，与故障诊断单元通过车载总线通信，根据所接受的信息选择性地接合或分离离合装置实现不同的工作模式：当系统正常时，模式控制器控制离合装置使系统处于SBW工作模式；当第一动力机构故障时，执行P-EPS工作模式；当第二动力机构故障时，执行C-EPS工作模式；当第一、第二动力机构均发生故障或系统发生掉电故障时，执行柔性传动模式。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

(1)可与现有电动助力转向产品进行连接，组合形成线控转向系统，具有结构简单、方便灵活的特点；

(2)可根据系统故障情况实现3种冗余转向方式，具有可靠性高、转向轻便的优点。

附图说明

参照下面附图的优选实施形式的说明，会更清楚地理解本实用新型。但是，实施形式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于限定本实用新型的范围，本实用新型的范围由权利要求书确定。

图1为本实用新型的整体结构分解示意图。

图2A为本实用新型第一动力机构剖视示意图。

图2B为本实用新型第二动力机构剖视示意图。

图3为本实用新型控制系统原理示意图。

具体实施方式

根据图1～图3对本实用新型的优选实施方式进行说明。

图1表示本实用新型的整体结构分解示意图。由转向盘1和转向柱2构成输入部分，转向盘1和转向柱2的一端键连接，转向输入被施加到该转向盘1上；由齿轮齿条转向机4构成的输出部分，齿条与左右转向轮保持工作连接，由转向输入确定的转向力矩被直接或间接的施加到该齿轮齿条转向机4上；连接输入输出的柔性传动部分，该柔性传动部分包括第一动力机构和第二动力机构，第一动力机构的输出端与第二动力机构的输入端通过传动软轴3连接。第一动力机构主要包括蜗轮蜗杆机构5、第一换向装置6、第一执行电动机7，并在其蜗轮输入轴与转向柱之间安装第一力矩传感器15，在蜗轮输入轴另一端连接第一转角传感器14。第二动力机构主要包括蜗轮蜗杆机构11、第二换向装置10、第二执行电动机9，并在其蜗轮输出轴与转向机的小齿轮轴之间安装第二力矩传感器12，蜗轮输入轴另一端安装第二转角传感器13。模式控制器8根据检测到总线上的故障信息，选择性地接合或分离离合装置实现不同的工作模式。当系统正常时，执行SBW工作模式，此模式下第一动力机构执行路感模拟，第二动力机构执行线控转向；当第一动力机构故障时，执行P-EPS工作模式，此时第二动力机构执行转向助力；当第二动力机构故障时，执行C-EPS工作模式，此时第一动力机构执行转向助力；当第一、第二动力机构均发生故障或系统断电时，执行柔性传动模式，此时第一离合装置16接合，第二离合装置17分离，第三离合装置18接合，第四离合装置19分离。

图2A为本实用新型第一动力机构剖视示意图。其中转向柱13与蜗轮轴之间装有第一转矩传感器11a，在蜗轮轴的下部安装有第一转角传感器11b，该部分可采用现有的C-EPS转向机构总成，具体做法是将其蜗轮轴下部的万向传动装置拆除，并在蜗轮轴下端安装上转角传感器，然后将电动机拆除备用，再需测量蜗杆的连接法兰、蜗杆输出端外花键机电机连接法兰的尺寸作为后继连接件设计的依据。作为动力输入的蜗杆12与第一动力机构输入轴14的通过花键连接，输入轴14与第一离合装置15的制动盘15a通过平键连接，为保证同轴，在此将第一离合装置的磁轭15b与输入轴14间加装滚针轴承15d，锥齿轮17a、17b啮合构成换向传动。其安装方式为：主动锥齿轮17a内孔通过输入轴14，并保持一定间隙，与连接件16a通过沉头螺钉连接，连接件16a通过沉头螺钉固定安装在第一离合装置的磁轭15b上，从动锥齿轮17b通过滚针轴承安装在连接件16b安装孔内，连接件16b通过螺钉固连在连接件16a上。输入轴14另一端与第二离合装置18的从动盘18a通过平键连接，第一执行电机19的输出轴通过平键与第二离合装置18的转子18b相连。第一执行电机19的连接盘经外壳110与蜗轮蜗杆机构外壳连接法兰通过长螺杆111连接。系统通过锥齿轮17a与软轴连接。系统的动力传动路径有两种：一是第一离合装置15处于分离状态，第二离合装置18处于接合状态，此时动力由第一执行电机19经第二离合装置18、输入轴14传递给蜗杆12，蜗杆带动蜗轮传递扭转力矩；二是第一离合装置15处于接合状态，第二离合装置18处于分离状态，此时动力由转向盘经转向柱13，经蜗轮蜗杆、第一离合装置15传递到锥齿轮传动机构17，从动锥齿轮17b带动软轴产生扭转力矩。第一执行电机19经第二离合装置18、输入轴14传递给蜗杆12，蜗杆带动蜗轮传递扭转力矩。作为优选，第一动力机构的主要部件选型计算可参考如下流程：

(1)确定蜗轮蜗杆传动比

其中，T_1pwmax为最大助力力矩，T_1e为第一执行电机额定功率，T_1pwmax≥T_whmax-T_drh。其中，T_whmax为作用在转向柱上的汽车满载转向阻力矩，可取30～50Nm，T_drh为驾驶员转向操纵力矩，为使转向轻便可取10Nm。上述参数中，为了减小电机体积，一般T_1e取为2Nm为宜。

(2)确定第一执行电机额定功率

第一执行电机可选取直流有刷电机或直流无刷电机，其额定功率计算为：

其中，为转向盘平均转速，一般可取400°～500°/s。

(3)确定第一、第二离合装置

第一离合转置采用电磁摩擦通电分离型，第二离合装置采用电磁摩擦通电接合型。离合装置的电压取24V，T_ct≥T_1e，T_ct为离合器静摩擦转矩。可根据电压和静摩擦转矩进行初选，离合器安装孔径与键槽的大小，有标准的规格，特殊的规格需要跟电磁离合器生产厂家进行协商。

(4)确定锥齿轮传动机构传动比

锥齿轮主要起改变传动方向，目的是避免布置上对软轴最小弯曲半径的限制。故在此取1：1。齿数模数及齿形可在满足上述所选的离合器尺寸规格的基础上确定。

图2B为本实用新型第二动力机构剖视示意图。其中23为齿轮齿条转向机，转向机小齿轮23b与蜗轮轴之间装有第二转矩传感器21a，在蜗轮轴的下部安装有第二转角传感器21b，该部分可采用现有的P-EPS转向机构总成，具体做法是将其蜗轮轴上部的万向传动装置拆除，并在蜗轮轴下端安装上转角传感器，然后将电动机拆除备用，再需测量蜗杆的连接法兰、蜗杆输出端外花键及电机连接法兰的尺寸作为后继连接件设计的依据。作为动力输入的蜗杆22与第二动力机构输入轴24的通过花键连接，输入轴24与第三离合装置25的制动盘25a通过平键连接，为保证同轴，在此将第三离合装置的磁轭25b与输入轴24间加装滚针轴承25d，锥齿轮27a、27b啮合构成换向传动。具体安装方式为：主动锥齿轮27a内孔通过输入轴24，并保持一定间隙，与连接件26a通过沉头螺钉连接，连接件26a通过沉头螺钉固定安装在第三离合装置的磁轭25b上，从动锥齿轮27b通过滚针轴承安装在连接件26b安装孔内，连接件26b通过螺钉固连在连接件26a上。输入轴24另一端与第四离合装置28的从动盘28a通过平键连接，第二执行电机29的输出轴通过平键与第四离合装置28的转子28b相连。第二执行电机29的连接盘经外壳210与蜗轮蜗杆机构外壳连接法兰通过长螺杆211连接。系统通过锥齿轮27a与软轴连接。系统的动力传动路径有两种：一是第三离合装置25处于分离状态，第四离合装置28处于接合状态，此时动力由第二执行电机29经第四离合装置28、输入轴24传递给蜗杆22，蜗杆带动蜗轮传递扭转力矩；二是第三离合装置25处于接合状态，第四离合装置28处于分离状态，此时动力由软轴经锥齿轮传动机构17，通过第三离合装置25、输入轴24传递给蜗杆22，蜗杆带动蜗轮，蜗轮带动齿轮齿条机传递力矩。作为优选，第二动力机构的主要部件选型计算可参考如下流程：

(1)确定蜗轮蜗杆传动比

其中，T_2pwmax为最大助力力矩，T_2e为第二执行电机额定功率，T_2pwmax≥T_whmax-T_drh。其中，T_whmax为作用在转向柱上的汽车满载转向阻力矩，可取30～50Nm，T_drh为驾驶员转向操纵力矩，为使转向轻便可取10Nm。上述参数中，为了减小电机体积，一般T_2e取为2Nm为宜。

(2)确定第二执行电机额定功率

第二执行电机可选取直流有刷电机或直流无刷电机，其额定功率计算为：

其中，为转向盘平均转速，一般可取400°～500°/s。

(3)确定第三、第四离合装置

第三离合转置采用电磁摩擦通电分离型，第四离合装置采用电磁摩擦通电接合型。离合装置的电压取24V，T_ct≥T_2e，T_ct为离合器静摩擦转矩。可根据电压和静摩擦转矩进行初选，离合器安装孔径与键槽规格的大小，有标准的规格，特殊的规格需要跟电磁离合器生产厂家进行协商。

(4)确定锥齿轮传动机构传动比

锥齿轮主要起改变传动方向，目的是避免布置上对软轴最小弯曲半径的限制。故在此取1：1。齿数模数及齿形可在满足上述所选的离合器尺寸规格的基础上确定。

软轴的选型主要依据所传递的转矩和弯曲半径，传递的转矩可根据如下经验公式确定，弯曲半径则根据实际布置空间确定。由计算得到转矩和弯曲半径即可进行选型。

$T_c=\frac{K_1{K}_2{K}_3}{\mathrm{\η}}\×\frac{n}{n_0}T\≤T_0,$ 其中

T_c——软轴传动的计算转矩，Ncm；T——软轴从动端所需传递的转矩，Ncm；n——软轴工作转速，r/min，当n＜n₀时，用额定转速n₀代入；K₁——过载荷系数，当瞬时最大载荷不超过软轴无弯曲时允许的最大转矩时，取K₁＝1；当大于允许的最大转矩时，取K₁为二者之比；K₂——转向系数，软轴旋转时外层钢丝趋于拧紧时，取K₂＝1，当软轴必须正反转时，取K₂＝1.5；K₃——跨距系数，当软轴在软管内的支持跨距与软轴直径之比小于50时，取K₃＝1；大于150时，取K₃＝1.25；η——软轴的传动效率，通常η＝1～0.7，当软轴无弯曲工作时，η＝1；弯曲半径愈小、弯曲段愈多，η值愈低。

图3为本实用新型控制系统原理示意图，用于说明本实用新型控制系统的工作原理，所涉及到的具体机械结构名称可参看图2A、图2B。车辆行驶时，驾驶员通过转向盘1输入操纵力，系统的转矩传感器4、8及转角传感器5、9将采集到的信息连同电流、车速等其他传感器信息通过车载总线14传递到故障诊断单元13，故障诊断单元13经内部故障诊断程序作出判断，并以一定频率向总线14发送系统状态指令，模式控制器12以一定频率接收该状态指令。当状态指令表明系统正常时，模式控制器12控制保持第一至第四离合装置供电状态，此时第一离合装置分离，第二离合装置接合，第三离合装置分离，第四离合装置接合，软轴11不参与传动。第一动力机构3执行路感模拟，第二动力机构7执行线控转向，系统处于SBW工作模式；当状态指令表明第一动力机构3的第一执行电机出现故障时，模式控制器12控制第一、第二离合装置断电，第三、第四继续保持供电状态，此时第一离合装置断电接合，第二离合装置断电分离，第三离合装置分离，第四离合装置接合，转向盘1输入转矩经第一离合装置、锥齿轮传动机构、软轴传递给第二动力机构7，第二动力机构7转为转向助力状态，系统处于P-EPS工作模式；当状态指令表明第二动力机构7的第二执行电机出现故障时，模式控制器12控制第三、第四离合装置断电，第一、第二继续保持供电状态，此时第三离合装置断电接合，第四离合装置断电分离，第一离合装置分离，第二离合装置接合，转向盘转矩经第一离合装置、第一执行电机的助力转矩经第二离合装置一起经锥齿轮传动机构、软轴传动给第二动力机构7的锥齿轮机构，再经第三离合转置传递给齿轮齿条转向机6，第一动力机构3转为转向助力状态，系统处于C-EPS工作模式。当状态指令表明第一动力机构3、第二动力机构7都出现故障时，模式控制器12控制使第一至第四离合装置断电，此时第一离合装置接合，第二离合装置分离，第三离合装置接合，第四离合装置分离，软轴11参与传动，系统处于纯柔性传动工作模式；如果是由于电源、接线故障所导致的系统突然掉电，此时由于第一至第四离合装置断电，系统自动处于柔性传动工作模式，使系统仍然保持转向可控。

Claims (6)

1.一种具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其包括：

一转向输入部分，其包括一个转向盘，转向盘和一转向柱的一端固接，转向输入被施加到该转向盘上；

一转向输出部分，其包括一齿轮齿条转向机，齿条与左右转向轮保持工作连接，由转向输入确定的转向力矩被直接或间接的施加到该齿轮齿条上；

其特征在于还包括：

一柔性传动部分，该柔性传动部分包括第一动力机构和第二动力机构，第一动力机构输入轴一端与转向输入部分的转向柱一端经第一力矩传感器固接，第一动力机构输入轴另一端连接第一转角传感器，第二动力机构的蜗轮轴一端安装第二力矩传感器并与转向输出部分的齿轮轴一端固接，其蜗轮轴另一端安装第二转角传感器，第一动力机构的输出端与第二动力机构的输入端通过传动软轴连接。

2.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其特征在于：所述的第一动力机构具有一蜗轮蜗杆机构，蜗轮轴作为输入轴，蜗杆作为输出轴其一端与第一换向装置的输入轴一端固接，第一换向装置输入轴的另一端与第一执行电动机输出轴固接。

3.根据权利要求2所述的具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其特征在于：所述的第一换向装置具有一锥齿轮传动机构，该锥齿轮传动机构包括一主动锥齿轮、一从动锥齿轮和一输入轴，其输入轴装有第一离合装置和第二离合装置，其第一离合装置包括一常接合电磁离合器，其第二离合装置包括一常分离电磁离合器，锥齿轮传动机构安装于两离合装置之间。

4.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其特征在于：所述的第二动力机构具有一蜗轮蜗杆机构，蜗轮轴作为输入轴，蜗杆作为输出轴其一端与第二换向装置的输入轴一端固接，第二换向装置输入轴的另一端与第二执行电动机输出轴固接。

5.根据权利要求4所述的具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其特征在于：所述的第二换向装置具有一锥齿轮传动机构，该锥齿轮传动机构包括一主动锥齿轮、一从动锥齿轮和一输入轴，其输入轴装有第三离合装置和第四离合装置，其第三离合装置包括一常接合电磁离合器，其第四离合装置包括一常分离电磁离合器，锥齿轮传动机构安装于两离合装置之间。

6.根据权利要求1所述的具有柔性冗余机构的车用线控转向装置，其特征在于：还包括一模式控制器，该模式控制器与柔性传动部分构成控制系统，与故障诊断单元通过车载总线通信，根据接收到的状态指令选择性地接合或分离离合装置实现不同的工作模式：当系统正常时，模式控制器控制离合装置使系统处于SBW工作模式；当第一动力机构故障时，执行P-EPS工作模式；当第二动力机构故障时，执行C-EPS工作模式；当第一、第二动力机构均发生故障或系统突然断电时，执行柔性传动模式。