專利名稱：一種主動式電動助力循環球式轉向系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種循環球式轉向系統，特別涉及一種應用于中、輕型客車和載重汽車的主動式電動助力循環球式轉向系統。
背景技術：
具有固定傳動比的助力轉向系統的汽車，雖然能提高轉向的輕便性，但仍存在以下問題在低速行駛以及泊車時，駕駛員需要較大幅度地轉動轉 向盤才能使汽車按照預想的方向行駛，操作較為繁瑣，駕駛員容易疲勞；在高速行駛時，轉向盤小角度的輸入也會使汽車產生較大的橫擺角速度，因此需要駕駛員緩慢、小角度地轉動轉向盤才能使汽車平穩地轉向、變道，此時駕駛員處于一種較為緊張的狀態，也容易產生疲勞。為了解決固定傳動比轉向系統在高低速下的矛盾，不少廠家都已研制出不同形式的主動式助力轉向系統，這些轉向系統能根據車速來實時改變轉向系傳動比，在低速時采用較小的傳動比，以減少轉動轉向盤的圈數；在高速時采用較大的傳動比，增加駕駛員轉動轉向盤的角度，使駕駛感變得穩重。同時，主動式助力轉向系統還能夠在危險工況下進行主動轉向干預，保持汽車的操縱穩定性。然而，現今量產的主動式助力轉向系統都只使用在轎車上，在客車以及載重汽車上的應用還近乎空白，原因主要為第一，客車以及載重汽車的轉向系統承受的負荷較大，若采用現有轎車上的主動式助力轉向系統的結構形式，則會使體積、質量增加較多。第二，客車以及載重汽車對安全性的要求較高，現有轎車上的主動式助力轉向系統的結構形式在重負荷下存在一定安全隱患。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種主動式電動助力循環球式轉向系統。所要解決的技術問題在于提高主動式電動助力轉向系統的安全性，縮減其尺寸，減輕其質量，使其能夠應用于客車和載重汽車，實現助力轉向、隨車速實時改變轉向系傳動比以及在危險工況下進行主動轉向干預的功能。為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案，結合
如下一種主動式電動助力循環球式轉向系統，包括轉向柱管總成、螺桿移動裝置、循環球式轉向器、電動助力裝置和自動控制模塊，所述轉向柱管總成包括轉向盤I、轉向柱管
24、轉角傳感器2和轉矩傳感器3，轉向柱管24上端與轉向盤I固定連接，轉角傳感器2與轉矩傳感器3分別集成于轉向柱管24內，轉向柱管24下端與循環球式轉向器6的螺桿29通過滑動花鍵連接，螺桿移動裝置5套裝在螺桿29的上部，螺桿29下部與電動助力裝置通過滑動花鍵連接，循環球式轉向器6的齒扇35通過轉動轉向搖臂7,推動轉向直拉桿9并轉動轉向節臂12，使轉向梯形10運動，最終轉動兩個前輪11。所述螺桿移動裝置5包括移動螺柱25、螺母齒輪26、主動齒輪40和螺桿移動控制電機4，移動螺柱25為套筒狀，其外表面與螺母齒輪26內孔采用梯形螺紋配合，形成傳動螺紋副；移動螺柱25內表面設有凸緣，通過兩個角接觸球軸承39夾緊固定在螺桿29上，并通過這兩個軸承對螺桿29進行軸向定位；所述螺母齒輪26兩端面通過一對推力球軸承27支承于上蓋41和中間蓋28之間，螺母輪齒26與主動齒輪40相嚙合；主動齒輪40壓裝在螺桿移動控制電機4的輸出軸上，螺桿移動控制電機4安裝在上蓋41上；上蓋41與中間蓋28之間、中間蓋28與殼體36之間固定連接。所述循環球式轉向器6的螺桿29采用長螺桿，其兩端為外花鍵，上端的外花鍵與轉向柱管24下端的內花鍵滑動配合，螺桿具有繞其軸線轉動和沿其軸線移動這兩個自由度，螺桿29的兩端為光軸，其上各套有銅制螺桿軸套37，螺桿軸套37定位于深溝球軸承38的內圈，深溝球軸承38的外圈固定于殼體36內；中間位螺紋段，螺桿29與轉向螺母31的螺旋形球道內裝有多個鋼球30，形成螺旋傳動副；轉向螺母31外部一側加工有與齒扇35相哨合的齒條，齒扇35的軸端與轉向搖臂7相連,從而對外輸出力矩。所述電動助力裝置包括蝸輪8、蝸桿34、助力電機13、下蓋33，蝸輪8 中心孔為內花鍵，與螺桿29下端的外花鍵滑動配合，蝸輪8的兩端面分別通過一對圓錐滾子軸承32支承于殼體36與下蓋33之間，蝸輪8的輪齒與位于一端的蝸桿34相嚙合，形成蝸輪蝸桿傳動副，蝸桿34壓裝于助力電機13的輸出軸上,助力電機13通過螺栓固定于殼體36上,殼體36與下蓋33通過螺栓連接。所述自動控制模塊包括電子控制單元21，轉角傳感器2、轉矩傳感器3各自的信號線22、23接入電子控制單元21，電子控制單元21分別通過螺桿移動控制電機4、助力電機13各自的電流電壓反饋信號對兩電機進行控制，其中，電子控制單元21對螺桿移動控制電機4進行轉角控制，對助力電機13進行力矩控制，用于傳輸車速信號19、車輛穩定控制模塊通信信號20和故障信號18的線路也分別接入電子控制單元21。所述電子控制單元21由處理器、穩壓模塊、輸入數據處理模塊、電機驅動模塊組成，其中，處理器采用Freescale MC9S12XS128式16位單片機，穩壓模塊中采用LM2940芯片作為穩壓芯片，電機驅動模塊采用L298芯片，電子控制單元21采用12V電壓的汽車電池作為電源。有益效果相比于現今客車以及載重汽車普遍采用的液壓助力轉向系統，本發明的主動式電動助力循環球式轉向系統采用電動助力轉向，具有體積小、質量輕、響應快、控制精準、能耗小、污染小的優點。相比于傳動比固定的轉向系統，本發明的主動式電動助力循環球式轉向系統采用主動式可變傳動比轉向，該系統可以根據車速實時改變轉向系傳動比。在低速以及泊車時采用較小的傳動比，以減少駕駛員轉動方向盤的圈數，降低駕駛員的工作強度，這對于客車以及載重汽車的司機來說顯得尤為重要；在高速時采用較大的傳動比，以增加駕駛員轉動轉向盤的角度，使駕駛感變得穩重，降低駕駛員的緊張程度，減少駕駛疲勞，同時也提高了車輛的操縱穩定性和安全性。在即將發生側滑、制動跑偏等極限工況下，該系統還能和車輛穩定控制系統協同工作，對前輪轉角進行主動干預，大大提高了行駛穩定性和安全性。相比于現有的主動式助力轉向系統，本發明的主動式電動助力循環球式轉向系統具有如下優點第一，采用螺紋傳動實現循環球式轉向器的螺桿的軸向直線運動的控制，從而實現轉向轉角的疊加與消減，即傳動比的改變。螺紋傳動具有可靠的自鎖性能，因此不需要另外加裝電磁鎖，在螺桿移動控制電機發生故障時，螺桿的軸向移動自由度可由螺紋自鎖來限定，轉向系統仍然能以固定傳動比的方式繼續工作，從而保證了行駛安全性。另外，該螺紋傳動機構還具有傳動平穩、結構緊湊、制造方便、成本低等優點。第二，從結構上保證了駕駛員從轉向盤上感受到的路感不變。該系統與螺桿相關的轉動副均采用滾動軸承，從而保證了轉向系統的正效率、逆效率均相當于傳統的電動助力轉向系統。第三，零部件集成度高，整體結構緊湊，制造精度要求相對較低，成本較低。
圖I為本發明的系統示意
圖2為本發明的轉向器結構示意圖。其中1.轉向盤，2.轉角傳感器，3.轉矩傳感器，4.螺桿移動控制電機，5.螺桿移動裝置，6.循環球式轉向器，7.轉向搖臂，8.蝸輪，9.轉向直拉桿，10.轉向梯形，11.前輪，12.轉向節臂，13.助力電機,14.助力電機電流電壓反饋信號，15.助力電機控制信號，
16.螺桿移動控制電機控制信號，17.螺桿移動控制電機電流電壓反饋信號，18.故障信號，19.車速信號，20.車輛穩定控制模塊通信信號，21.電子控制單元，22.轉向盤轉角信號，23.轉向盤轉矩信號，24.轉向柱管，25.移動螺柱，26.螺母齒輪，27.推力球軸承，28.中間蓋，29.螺桿，30.鋼球，31.轉向螺母，32.圓錐滾子軸承，33.下蓋，34.蝸桿，35.齒扇，36.殼體，37.螺桿軸套，38.深溝球軸承，39.角接觸球軸承，40.主動齒輪，41.上蓋。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體內容及其實施方式作進一步詳細描述參見圖I、圖2，本發明的主動式電動助力循環球式轉向系統，由轉向柱管總成、螺桿移動裝置5、循環球式轉向器6、電動助力裝置、自動控制模塊組成。轉向柱管總成中的轉向柱管24下端與循環球式轉向器6的螺桿29的上端通過滑動花鍵連接，使二者可以沿軸向相對運動。螺桿移動裝置5套在螺桿29的上部，用以控制螺桿29的軸向位移。螺桿29的下部與電動助力裝置通過滑動花鍵連接，使二者可以沿軸向相對運動。駕駛員輸入于轉向盤I的轉矩經轉向柱管24傳遞給螺桿29，電動助力裝置的助力力矩也傳至螺桿29，共同驅動循環球式轉向器6的齒扇35轉動轉向搖臂7，從而推動轉向直拉桿9、轉動轉向節臂12，使轉向梯形10運動，最終轉動兩個前輪11。本發明實現轉向系傳動比的改變以及主動轉向的基本原理為循環球式轉向器的螺桿29具有繞其軸線的轉動和沿其軸線的移動這兩個自由度。螺桿29繞軸線轉動的自由度由轉向盤I控制，使轉向螺母31軸向移動；螺桿29沿軸線移動的自由度由螺桿移動控制電機4控制，也使轉向螺母31軸向移動，所以，轉向螺母的31移動是由轉向盤I的轉角與螺桿移動控制電機4的轉角相疊加后的效果，從而增加或減小駕駛員輸入的轉角。參見圖1，轉向柱管總成包括轉向盤I、轉向柱管24、轉角傳感器2、轉矩傳感器3。轉向柱管24上端與轉向盤I固定連接，二者同步轉動。轉角傳感器2與轉矩傳感器3分別安裝于轉向柱管24內，用以檢測轉向盤I輸出的轉向盤轉角信號22與轉向盤轉矩信號23。
參見圖2，螺桿移動裝置5包括移動螺柱25、螺母齒輪26、主動齒輪40、螺桿移動控制電機4、上蓋41、中間蓋28。螺桿29上部中段套有一對角接觸球軸承39，兩軸承通過螺桿29上的螺母預緊并夾緊移動螺柱25的內凸緣，這兩個軸承對螺桿29進行軸向定位并傳遞螺桿29的所有軸向力。移動螺柱25為套筒狀，其外圓有梯形螺紋。螺母齒輪26中心孔內圓為梯形螺紋，與移動螺柱25的外螺紋相配合，形成傳動螺紋副。螺母齒輪26兩端面通過一對推力球軸承27支承于上蓋41和中間蓋28之間，其外圓的輪齒與主動齒輪40相嚙合。主動齒輪40由螺桿移動控制電機4驅動，螺桿移動控制電機4通過螺釘固定于上蓋41上。上蓋41與中間蓋28通過螺栓連接，中間蓋28與殼體36通過螺釘連接。當需要疊加或消減轉向角度時，螺桿移動控制電機4驅動主動齒輪40，由于螺母齒輪26軸向位置被限定，所以螺母齒輪26的轉動將通過傳動螺紋副使移動螺柱25上下移動，經過角接觸球軸承39帶動螺桿29上下移動。由于有角接觸球軸承39，移動螺柱25與螺桿29可自由相對轉動。參見圖2，循環球式轉向器包括螺桿29、螺桿軸套37、轉向螺母31、鋼球30、齒扇35、殼體36。螺桿29兩端為外花鍵，其上端的外花鍵與轉向柱管24下端的內花鍵滑動配 合，使螺桿29可以相對于轉向柱管24軸向移動，并且能傳遞轉矩。兩個銅制螺桿軸37套分別套于螺桿29的兩段光軸上。螺桿軸套37定位于深溝球軸承38的內圈，深溝球軸承38的外圈固定于殼體內。兩個深溝球軸承38與螺桿軸套37不限制螺桿29軸向移動的自由度。螺桿29、轉向螺母31及位于兩者螺旋形球道內的許多鋼球30形成螺旋傳動副。轉向螺母31外部的齒條與齒扇35哨合,轉向搖臂7固定于齒扇35的軸端,對外輸出力矩。參見圖2，電動助力裝置包括蝸輪8、蝸桿34、助力電機13、下蓋33。蝸輪8中心孔為內花鍵，與螺桿29下端外花鍵滑動配合，使螺桿29可以在蝸輪8內軸向移動，并且能傳遞轉矩。蝸輪8的兩端面分別通過一對圓錐滾子軸承32支承于殼體36與下蓋33之間。蝸輪8輪齒與位于右端的蝸桿34相嚙合。蝸桿34由助力電機13驅動，助力電機13通過螺栓固定于殼體36。殼體36與下蓋33通過螺栓連接。在需要助力轉向時，助力電機13驅動蝸桿34，轉矩通過蝸輪8傳遞給螺桿29。參見圖1，自動控制模塊包括電子控制單元21、導線。電子控制單元21由處理器、穩壓模塊、輸入數據處理模塊、電機驅動模塊組成。其中，處理器采用FreescaleMC9S12XS128式16位單片機；穩壓模塊中采用LM2940芯片作為穩壓芯片；電機驅動模塊采用L298芯片。電子控制單元21采用12V電壓的汽車電池作為電源。車速信號19由安裝于車輪的磁電式編碼器采集。轉角傳感器2采用非接觸轉向角度傳感器，用以采集轉向盤轉角信號22。轉矩傳感器3采用非接觸式扭矩傳感器，用以采集轉向盤轉矩信號23。電子控制單元21與車輛穩定控制模塊通過通信線路建立連接，用以傳送車輛穩定控制模塊通信信號20。車速信號19、轉向盤轉角信號22、轉向盤轉矩信號23、車輛穩定控制模塊通信信號20、助力電機電流電壓反饋信號14以及螺桿移動控制電機電流電壓反饋信號17分別通過輸入信號線接入電子控制單元21的輸入數據處理模塊。電子控制單元21的電機驅動模塊通過輸出信號線分別與螺桿移動控制電機4和助力電機13連接，用以傳遞螺桿移動控制電機控制信號16和助力電機控制信號15。故障信號18由處理器的引腳輸出，通過輸出信號線連接至汽車儀表盤的故障信號燈。當車輛正常行駛時，電子控制單元21根據此時的轉向盤轉角信號22和車速信號19，通過查找預先存入的轉向系傳動比——車速關系曲線，確定出所需的轉向系傳動比，對螺桿移動控制電機4送出螺桿移動控制電機控制信號16 ;同時，電子控制單元21根據此時的轉向盤轉矩信號23、車速信號19以及螺桿移動控制電機電流電壓反饋信號17，通過查找預先存入的助力力矩——車速——轉向盤轉矩關系曲面，確定出所需的轉向助力力矩，并且通過螺桿移動控制電機電流電壓反饋信號17計算出補償力矩，從而補償螺桿29軸向移動所產生的、傳至轉向盤I的反作用力矩，最終對助力電機13送出助力電機控制信號15。當車輛即將發生側滑、制動跑偏等極限工況時，車輛穩定控制模塊傳出車輛穩定控制模塊通信信號20，指定需要增加或減少的前輪轉角，電子控制單元21對螺桿移動控制電機送出相應的螺桿移動控制電機控制信號16，主動干預轉向，從而保持車輛在極限工況下的穩定性。在對兩個電機送出控制信號的同時，電子控制單元21采集螺桿移動控制電機電流電壓反饋信號17以及助力電機電流電壓反饋信號14，將采樣的數值與目標值進行對 比，采用PID(比例-積分-微分)控制策略進行閉環控制。其中，對螺桿移動控制電機4進行轉角控制，對助力電機13進行力矩控制。實施例一參見圖I、圖2，在較低的行駛車速下，駕駛員向某一方向轉動轉向盤1，通過螺桿29帶動轉向螺母31向某一方向移動，電子控制單元21計算出所需的疊加轉角后，使螺桿移動控制電機4轉動，令螺桿29產生一定的軸向移動，直接帶動轉向螺母31移動，其運動方向與螺桿29轉動所產生的轉向螺母31位移的方向相同，相當于在轉向盤I輸入轉角的基礎上增加了一部分轉向角度，從而使轉向系傳動比減小。因此，在產生一定的前輪11轉角的條件下，駕駛員就可以減少轉動轉向盤I的角度和圈數，使轉向變得靈敏，減少了駕駛員的操作工作量。在較高的行駛車速下，駕駛員向某一方向轉動轉向盤1，電子控制單元21使轉向螺母31的軸向移動方向與螺桿29轉動所產生的轉向螺母31的位移方向相反，相當于在轉向盤I輸入轉角的基礎上消減了一部分轉向角度，從而使轉向系傳動比增大。因此，在產生一定的前輪11轉角的條件下，駕駛員需要增加轉向盤I的轉動角度，使轉向變得沉穩，提高了車輛高速行駛時的操縱穩定性與安全性，降低駕駛員的緊張程度，減少駕駛疲勞。在上述過程中，電動助力轉向裝置不但需要提供不同的轉向助力力矩，還需要補償螺桿29軸向移動所產生的、傳至轉向盤I的反作用力矩，從而不影響駕駛員的駕駛感受。實施例二參見圖I、圖2，當螺桿移動控制電機4發生故障時，由于移動螺柱25和螺母齒輪26之間的傳動螺紋的自鎖作用，使得螺桿29軸向移動的自由度被鎖住，從而不至于發生因螺桿29自由竄動而導致駕駛員無法控制車輛轉向的情況，使汽車能夠以固定的轉向系傳動比繼續行駛，提高了主動式轉向系統的安全性。在檢測到螺桿移動控制電機4發生故障之后，電子控制單元21將發出故障信號18，汽車儀表盤的故障信號燈點亮，提醒駕駛員及時檢修。
權利要求
1.一種主動式電動助力循環球式轉向系統，包括轉向柱管總成、螺桿移動裝置、循環球式轉向器、電動助力裝置和自動控制模塊，其特征在于，所述轉向柱管總成包括轉向盤(I)、轉向柱管(24)、轉角傳感器⑵和轉矩傳感器(3)，轉向柱管(24)上端與轉向盤⑴固定連接，轉角傳感器(2)與轉矩傳感器(3)分別集成于轉向柱管(24)內，轉向柱管(24)下端與循環球式轉向器(6)的螺桿(29)通過滑動花鍵連接，螺桿移動裝置(5)套裝在螺桿(29)的上部，螺桿(29)下部與電動助力裝置通過滑動花鍵連接，循環球式轉向器￠)的齒扇(35)通過轉動轉向搖臂(7)，推動轉向直拉桿(9)并轉動轉向節臂(12)，使轉向梯形(10)運動，最終轉動兩個前輪。
2.根據權利要求I所述的一種主動式電動助力循環球式轉向系統，其特征在于，所述螺桿移動裝置(5)包括移動螺柱(25)、螺母齒輪(26)、主動齒輪(40)和螺桿移動控制電機(4)，移動螺柱(25)為套筒狀，其外表面與螺母齒輪(26)內孔采用梯形螺紋配合，形成傳動螺紋副；移動螺柱(25)內表面設有凸緣，通過兩個角接觸球軸承(39)夾緊固定在螺桿(29)上，并通過這兩個軸承對螺桿(29)進行軸向定位；所述螺母齒輪(26)兩端面通過一對推力球軸承(27)支承于上蓋(41)和中間蓋(28)之間，螺母輪齒(26)與主動齒輪(40)相嚙合；主動齒輪(40)壓裝在螺桿移動控制電機(4)的輸出軸上，螺桿移動控制電機(4)安裝在上蓋(41)上；上蓋(41)與中間蓋(28)之間、中間蓋(28)與殼體(36)之間固定連接。
3.根據權利要求I或2所述的一種主動式電動助力循環球式轉向系統，其特征在于，所述循環球式轉向器￠)的螺桿(29)采用長螺桿，其兩端為外花鍵，上端的外花鍵與轉向柱管(24)下端的內花鍵滑動配合，螺桿具有繞其軸線轉動和沿其軸線移動這兩個自由度，螺桿(29)的兩端為光軸，其上各套有銅制螺桿軸套(37)，螺桿軸套(37)定位于深溝球軸承(38)的內圈，深溝球軸承(38)的外圈固定于殼體(36)內；中間位螺紋段，螺桿(29)與轉向螺母(31)的螺旋形球道內裝有多個鋼球(30)，形成螺旋傳動副；轉向螺母(31)外部一側加工有與齒扇(35)相哨合的齒條,齒扇(35)的軸端與轉向搖臂(7)相連,從而對外輸出力矩。
4.根據權利要求I或2所述的一種主動式電動助力循環球式轉向系統，其特征在于，所述電動助力裝置包括蝸輪⑶、蝸桿(34)、助力電機(13)、下蓋(33)，蝸輪⑶中心孔為內花鍵，與螺桿(29)下端的外花鍵滑動配合，蝸輪(8)的兩端面分別通過一對圓錐滾子軸承(32)支承于殼體(36)與下蓋(33)之間，蝸輪(8)的輪齒與位于一端的蝸桿(34)相嚙合，形成蝸輪蝸桿傳動副，蝸桿(34)壓裝于助力電機(13)的輸出軸上，助力電機(13)通過螺栓固定于殼體(36)上，殼體(36)與下蓋(33)通過螺栓連接。
5.根據權利要求I或2所述的一種主動式電動助力循環球式轉向系統,其特征在于，所述自動控制模塊包括電子控制單元(21)，轉角傳感器(2)、轉矩傳感器(3)各自的信號線(22,23)接入電子控制單元(21)，電子控制單元(21)分別通過螺桿移動控制電機(4)、助力電機(13)各自的電流電壓反饋信號對兩電機進行控制，其中，電子控制單元(21)對螺桿移動控制電機⑷進行轉角控制，對助力電機(13)進行力矩控制，用于傳輸車速信號(19)、車輛穩定控制模塊通信信號(20)和故障信號(18)的線路也分別接入電子控制單元(21)。
6.根據權利要求I或2所述的一種主動式電動助力循環球式轉向系統，其特征在于，所述電子控制單元(21)由處理器、穩壓模塊、輸入數據處理模塊、電機驅動模塊組成，其中，處理器采用Freescale MC9S12XS128式16位單片機，穩壓模塊中采用LM2940芯片作為穩壓芯 片，電機驅動模塊采用L298芯片，電子控制單元(21)采用12V電壓的汽車電池作為電源。
全文摘要
本發明涉及一種主動式電動助力循環球式轉向系統，包括轉向柱管總成、螺桿移動裝置、循環球式轉向器、電動助力裝置和自動控制模塊。轉向柱管與循環球式轉向器螺桿的上部、電動助力裝置與螺桿的下部分別通過滑動花鍵連接，螺桿移動裝置套在螺桿上。螺桿具有兩個運動自由度繞軸線轉動的自由度由轉向盤控制，沿軸線移動的自由度由螺桿移動控制電機控制。轉向螺母的移動是由螺桿的轉動與軸向移動相疊加后的效果，從而達到實時改變轉向系傳動比以及主動轉向干預的目的。此系統不但能滿足低速轉向時輕盈靈敏、高速轉向時穩健厚重的要求，而且還具有安全、結構緊湊、成本低廉等特點，適合應用于中、輕型客車和載重汽車。
文檔編號B62D119/00GK102717827SQ20121023978
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月11日 優先權日2012年7月11日
發明者劉新洋, 廖中浩, 曾忠敏, 王政 申請人:曾忠敏