专利名称：汽车电动助力转向系统及其转动轴的处理方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车的辅助驾驶机构，尤其涉及一种汽车电动助力转向系统及其转动轴的处理方法。
背景技术：
自上世纪五十年代，美国通用汽车公司发明了一种液压汽车助力转向系统以来，汽车助力转向系统应用到汽车上已有五十多年的历史，其解决了汽车转向轻便性的问题。由于液压助力转向系统具有结构复杂、故障率高、易对环境产生污染、占据车内空间大、浪费能源等缺陷，其已逐步被电动助力转向系统所取代。电动助力转向系统是采用控制模块，对转动轴位置传感器和汽车速度传感器所发出的信号进行分析，从而进一步对加装在转向柱上、和转向轴上的蜗轮啮合的伺服电机进行控制，使伺服电机实现正转或反转，以对转向轴提供合适大小的辅助扭力，提高驾驶安全性和舒适性。要想使伺服电机能及时、准确地提供辅助扭力，其中最重要的一点就是转动轴位置传感器所发出的信号必须真实地反映转动轴的转动方向和转动角度。
中国专利03247079.7中公开了一种电动助力转向机构，其中的转动轴位置传感器是采用的非接触式光电传感器，这种传感器因造价高，使得整套转向机构价格高昂，一般只适用于高档车的装配，不利于大规模安装在中低档车上。另外，由于传感器所处的工作环境复杂，光电传感器在工作过程中所产生的信号会受到外部因素的干扰，必须采取一定的保障措施，这样才能使该传感器准确地反映方向盘的工作状态，从而使助力转向系统提供合适大小和方向的辅助力。这会进一步增加整套机构的成本，不利于产品的市场竞争。
另外，现有的转动轴一般是采用的价格较昂贵的合金钢材料，为提高转动轴的活动配合部件间的强度和耐磨性，对其往往要进行渗碳淬火处理后再回煺火。因其是对料件的整体进行渗碳淬火处理，其加工的成本高。另外，经过渗碳处理过的料件，为其进一步的精加工带来了诸多的不便，增大了加工难度，降低了工作效率。
发明内容
为克服所述缺陷，本发明需要解决的技术问题提供一种新型的汽车电动助力转向系统，其可有效降低整套汽车电动助力转向系统的成本，利于大规模加装到高、中、低档的汽车上。
本发明需要解决的另一个技术问题提供一种对转动轴的处理方法，其有利于降低生产成本，便于后道工序的精加工。
本发明需要解决的再一个技术问题提高转动轴的回正性。
为解决所述技术问题，本发明所采用的技术方案一种汽车电动助力转向系统，包括由蜗轮轴和转向轴联接而成的转动轴、设置在蜗轮轴上的蜗轮、动力输出端和蜗轮啮合的伺服电机、控制伺服电机旋转的控制模块、为控制模块采集信号的转动轴位置传感器和汽车速度传感器，其特征在于在蜗轮轴上设有可随着蜗轮轴转动时，沿蜗轮轴轴向移动的滑套，在滑套的外周面上设有环形外凹槽；所述位置传感器为扭矩传感器，所述扭矩传感器上定位轴的端部可和所述环形外凹槽相接。汽车电动助力转向轴总成上的蜗轮和伺服电机上的蜗杆啮合，通过蜗轮和蜗杆的啮合，减低转速、增大扭力，为转动轴提供助力，提高驾驶员驾驶汽车的安全性和舒适性。扭矩传感器上定位轴的端部设有一个小轴承，所述小轴承卡在环形外凹槽中，随着转向轴的转动，滑套作上下移动，从而使扭矩传感器上的定位轴有一个偏转角度，扭矩传感器根据定位轴的偏转角度，给控制模块发出信号，控制模块结合速度传感器上发送的信号分析处理后，从而控制伺服电机输出轴的转动方向和转速，通过蜗轮与蜗杆的减速作用对转向轴提供合适大小和方向的辅助力。因采用的是扭矩传感器，使得整套电动助力转向系统价格低廉，适合于安装在高中低档的汽车上；另外，扭矩传感器对工作环境适应性强，能够很好地执行信号输出作业。
作为优选，所述滑套的内周面上设有至少两个环形凹槽，在蜗轮轴的外周面上装配滑套的部位设有螺旋凹槽，环形凹槽和螺旋凹槽之间设有滚珠；所述滑套和蜗轮之间设有压缩弹簧。转动轴转动时，滚珠在环形凹槽和螺旋凹槽中滑动，从而带动滑套的上下位移，使扭矩传感器上的定位轴产生偏移，从而产生信号。采用滚珠和滑套的传动机构，具有传动灵敏、信号准确的优点。
作为优选，所述的环形凹槽为两个；所述螺旋凹槽为八个；每个环形凹槽中的滚珠为四个，不同环形凹槽中的滚珠分为四组，每一组滚珠中心的连线和蜗轮轴的轴线平行。对螺旋凹槽的设计要求，使得滑套在上下位移时能够平稳，便于向扭矩传感器反映转动轴的真实转动情况，满足实际的工作需求。
作为优选，所述蜗轮由两部分组成，外周部由合金树脂制成，内部由钢质材料制成。蜗轮的外周部由合金树脂制成，能够使轮齿便于加工，使其耐磨性、韧性、抗拉性、表面光洁度得到很好的提高，且使用寿命长、经济性好。
作为优选，所述蜗轮轴与转向轴连接处的端部为花键，转向轴的端部设有相应的结构，两者间隙配合。结合部采用这种结构，可以使结构简单，便于装配。
作为优选，所述转向轴和蜗轮轴联接的端部设有外口罩，所述外口罩上设有卡口，所述卡口的数目和滑套下侧环形凹槽中的滚珠数目相同，所述卡口可卡接住滑套下侧环形凹槽中的滚珠。在转向轴转动过程中，卡口可实时驱动滚珠移动，提高了滑套对转向轴转动的响应灵敏度。
作为优选，所述蜗轮和蜗杆之间可相互传导动力。蜗轮和蜗杆可相互传导动力，蜗杆可以带动蜗轮转动，同时蜗轮也可以带动蜗杆转动，这样提高了转动轴的回正性，进一步适应了实际的驾驶需求。
为了便于对转动轴进行精加工，提高转动轴活动联接部的强度，蜗轮轴上的螺旋槽在磨削前进行高频淬火处理；蜗轮轴上和转向轴联接处采用高频淬火进行处理；转向轴上和蜗轮轴联接处采用高频淬火进行处理。高频淬火可提高目标部件局部的强度，而不需要对整个部件进行渗碳淬火，有效地降低了成本，提高了工效。
作为优选，所述蜗轮轴和转向轴是由40Cr材料制成。由于采用了局部高频淬火，因此蜗轮轴和转向轴联接处，以及转向轴上的螺旋凹槽部分的强度得到了保证，不需要采用价格相对昂贵的20CrMTi合金钢，有利于降低转动轴的制造成本。
因此，本发明的有益效果由于采用了扭矩传感器以及用以和扭矩传感器配套使用的滑套，整套转向系统结构简单、价格低廉、对工作环境要求不高；采用滚珠和滑套的传动结构，具有传动灵敏、信号准确的优点；螺旋凹槽为八个、环形凹槽两个、每个环形凹槽中的滚珠为四个，使滑套传动稳定，并且优化了部件的结构，每一组滚珠的中心线和蜗轮轴轴线平行，使滑套的上下位移平稳，满足了实际工作的需求；蜗轮的外周部由合金树脂制成，能够使轮齿便于加工，使其耐磨性、韧性、抗拉性、表面光洁度得到很好的提高，且使用寿命长、经济性好；蜗轮轴与转向轴连接处采用花键结构，使结构简单，便于装配；转向轴上外口罩的卡口可实时驱动滚珠移动，提高了滑套对转向轴转动的响应灵敏度；对转动轴的局部采取高频淬火工艺，提高了活动部件的强度，其耐磨性也得到了显著的提高；因采用了局部高频淬火工艺，转动轴采用40Cr制成，可有效降低材料成本，且能够满足实际的工作需求。
图1是转动轴总成的装配纵剖图；图2是滑套的放大局部剖视图；图3是蜗轮的纵剖图；图4是转向轴局部示意图；图5是图4的左视图；图6是蜗轮轴示意图；图7是图6的右视图；图8是滚珠在螺旋凹槽中的结构示意图；图9是控制模块的控制原理图。
具体实施例方式
本发明汽车电动助力转向系统主要由蜗轮轴1和转向轴5联接而成的转动轴、设置在蜗轮轴上的蜗轮2、动力输出端和蜗轮2啮合的伺服电机6、控制伺服电机6旋转的控制模块、为控制模块采集信号的扭矩传感器和汽车速度传感器所组成。结合图4、图5、图7，蜗轮轴1和转向轴5之间通过花键联接，两者间隙配合。图1示出，在蜗轮轴1上设有蜗轮2，其和伺服电机6输出轴上的蜗杆啮合。图3示出，为使蜗轮2的轮齿便于加工，使其耐磨性、韧性、抗拉性、表面光洁度得到很好的提高，且使用寿命长、经济性好，所述蜗轮2由两部分组成，其外周部由合金树脂制成，内部由钢质材料制成。
图1中示出，在蜗轮轴上还设有滑套3，结合图2、图6，所述滑套3内侧面上设有两个环形凹槽9，蜗轮轴1上设有八个螺旋凹槽12，在环形凹槽9和螺旋凹槽12之间设有滚珠4。图8示出，滚珠4设在螺旋凹槽12之中，并可在螺旋凹槽12中滑动。每个环形凹槽9中设有四个滚珠4，上下两个环形凹槽9中的滚珠4可分为四组，为使滑套3准确地反映转向轴5的转动状况，每组滚珠4的中心连线和蜗轮轴1的轴线平行，通过确定每个环形凹槽9中相邻的两个滚珠4之间的中心距和两个环形凹槽9之间的中心距，根据直角三角形中锐角的三角函数值，反推得到螺旋凹槽12与蜗轮轴1的轴线之间的夹角，从而根据所得的夹角值制备成合符要求的螺旋凹槽12。在滑套3与蜗轮2之间设有一个压缩弹簧7，用以稳定滑套3。在转向轴5和蜗轮轴1联接的一端设有外口罩10，所述外口罩10上设有卡口11，卡口11的数目和滑套3下侧的环形凹槽9中滚珠4的数目相应，所述卡口11卡住滑套3下侧的环形凹槽9中的滚珠4，用以驱动滚珠4和转向轴5一起动作。滑套3与蜗轮轴1之间的配合不仅仅局限于滑套和滚珠式的，也可以通过螺纹连接。
图2中滑套3的外周面上还设有环形外凹槽8，扭矩传感器定位轴端部的小轴承卡在所述环形外凹槽8中，随着滑套3的上下位移，使定位轴发生上下偏移，从而使扭矩传感器向控制模块发出信号，进而控制伺服电机6的旋转。
为了提高转动轴偏转一个角度后能够有良好的回正性，通过对蜗轮2的轮齿面和蜗杆齿螺旋面的三维曲面进行设计，使蜗轮2和蜗杆可以实现互为传动，防止了蜗轮2和蜗杆之间出现自锁现象，提高了蜗轮2和蜗杆之间的传动顺畅性。
为提高转动轴上的活动部件的强度以及耐磨性能，一般在加工过程中都要对毛坯进行处理。对于以花键形式联接的转动轴，其联接部是采用高频淬火的加工工艺，也就是说，对蜗轮轴1联接端部的外口台和转向轴5联接端部的内口台进行高频淬处理，以期增加此处的强度和耐磨性，提高相关部件的使用寿命；对于设在蜗轮轴上的螺旋凹槽12，也进行高频淬火。高频淬火相比较于渗碳淬火工艺，因其是采用的局部处理，可以有效降低处理成本，且可提高工效，处理后的螺旋凹槽12的硬度和滚珠4的硬度相同，提高了螺旋凹槽12和滚珠4之间的耐磨性。因采用了高频淬火工艺，蜗轮轴1和转向轴5的材质可采用40Cr材料，相比较于现有采用的20CrMTi合金钢，其制造成本可得到显著的降低。
图9示出了控制模块对伺服电机的控制全过程，控制模块根据扭矩传感器和车速传感器所传出的信号进行综合分析处理后，产生目标工作电流，进而控制伺服电机的转动方向和转速。
权利要求
1.一种汽车电动助力转向系统，包括由蜗轮轴和转向轴联接而成的转动轴、设置在蜗轮轴上的蜗轮、动力输出端和蜗轮啮合的伺服电机、控制伺服电机旋转的控制模块、为控制模块采集信号的转动轴位置传感器和汽车速度传感器，其特征在于在蜗轮轴(1)上设有可随着蜗轮轴(1)转动时，沿蜗轮轴(1)轴向移动的滑套(3)，在滑套(3)的外周面上设有环形外凹槽(8)；所述位置传感器为扭矩传感器，所述扭矩传感器上定位轴的端部可和所述环形外凹槽(8)相接。
2.根据权利要求1所述的汽车电动助力转向系统，其特征在于所述滑套(3)的内周面上设有至少两个环形凹槽(9)，在蜗轮轴(1)的外周面上装配滑套(3)的部位设有螺旋凹槽(12)，环形凹槽(9)和螺旋凹槽(12)之间设有滚珠(4)；所述滑套(3)和蜗轮(2)之间设有压缩弹簧(7)。
3.根据权利要求2所述的汽车电动助力转向系统，其特征在于所述的环形凹槽(9)为两个；所述螺旋凹槽(12)为八个；每个环形凹槽(9)中的滚珠(4)为四个，不同环形凹槽(9)中的滚珠(4)分为四组，每一组滚珠(4)中心的连线和蜗轮轴(1)的轴线平行。
4.根据权利要求1或2或3所述的汽车电动助力转向轴总成，其特征在于所述蜗轮(2)由两部分组成，外周部由合金树脂制成，内部由钢质材料制成。
5.根据权利要求2或3所述的汽车电动助力转向系统，其特征在于所述蜗轮轴(1)与转向轴(5)连接处的端部为花键，转向轴(5)的端部设有相应的结构，两者间隙配合。
6.根据权利要求5所述的汽车电动助力转向系统，其特征在于所述转向轴(5)和蜗轮轴(1)联接的端部设有外口罩(10)，所述外口罩(10)上设有卡口(11)，所述卡口(11)的数目和滑套(9)下侧环形凹槽(9)中的滚珠(4)数目相同，所述卡口(11)可卡接住滑套(3)下侧环形凹槽(9)中的滚珠(4)。
7.根据权利要求1或2或3或6所述的汽车电动助力转向系统，其特征在于所述蜗轮(2)和蜗杆之间可相互传导动力。
8.一种汽车电动助力转向系统转动轴的处理方法，其特征在于蜗轮轴(1)上的螺旋槽(12)在磨削前进行高频淬火处理；蜗轮轴(1)上和转向轴(5)联接处采用高频淬火进行处理；转向轴(5)上和蜗轮轴(1)联接处采用高频淬火进行处理。
9.根据权利要求8所述的汽车电动助力转向系统转动轴的处理方法，其特征在于所述蜗轮轴(1)和转向轴(5)是由40Cr材料制成。
全文摘要
本发明公开了一种汽车电动助力转向系统及其转动轴的处理方法，解决了现有电动助力转向系统价格昂贵、对工作环境要求高的缺陷。采取的技术措施一种汽车电动助力转向系统，包括由蜗轮轴和转向轴联接而成的转动轴、设置在蜗轮轴上的蜗轮、动力输出端和蜗轮啮合的伺服电机、控制伺服电机旋转的控制模块、为控制模块采集信号的转动轴位置传感器和汽车速度传感器，其特征在于在蜗轮轴上设有可随着蜗轮轴转动时，沿蜗轮轴轴向移动的滑套，在滑套的外周面上设有环形外凹槽；所述位置传感器为扭矩传感器，所述扭矩传感器上定位轴的端部可和所述环形外凹槽相接。为提高转动轴活动部分的耐磨性和强度，对转动轴可采取局部高频淬火的处理工艺。
文档编号C21D9/32GK1781794SQ200410089258
公开日2006年6月7日 申请日期2004年12月4日 优先权日2004年12月4日
发明者马寅初 申请人:浙江福林国润汽车零部件有限公司