专利名称：一种主动式电动助力循环球式转向系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种循环球式转向系统，特别涉及一种应用于中、轻型客车和载重汽车的主动式电动助力循环球式转向系统。
背景技术：
具有固定传动比的助力转向系统的汽车，虽然能提高转向的轻便性，但仍存在以下问题在低速行驶以及泊车时，驾驶员需要较大幅度地转动转向盘才能使汽车按照预想的方向行驶，操作较为繁琐，驾驶员容易疲劳；在高速行驶时，转向盘小角度的输入也会使汽车产生较大的横摆角速度，因此需要驾驶员缓慢、小角度地转动转向盘才能使汽车平稳地转向、变道，此时驾驶员处于一种较为紧张的状态，也容易产生疲劳。为了解决固定传动比转向系统在高低速下的矛盾，不少厂家都已研制出不同形式的主动式助力转向系统，这些转向系统能根据车速来实时改变转向系传动比，在低速时采用较小的传动比，以减少转动转向盘的圈数；在高速时采用较大的传动比，增加驾驶员转动转向盘的角度，使驾驶感变得稳重。同时，主动式助力转向系统还能够在危险工况下进行主动转向干预，保持汽车的操纵稳定性。然而，现今量产的主动式助力转向系统都只使用在轿车上，在客车以及载重汽车上的应用还近乎空白，原因主要为第一，客车以及载重汽车的转向系统承受的负荷较大，若采用现有轿车上的主动式助力转向系统的结构形式，则会使体积、质量增加较多。第二，客车以及载重汽车对安全性的要求较高，现有轿车上的主动式助力转向系统的结构形式在重负荷下存在一定安全隐患。
发明内容本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提出一种主动式电动助力循环球式转向系统。所要解决的技术问题在于提高主动式电动助力转向系统的安全性，缩减其尺寸，减轻其质量，使其能够应用于客车和载重汽车，实现助力转向、随车速实时改变转向系传动比以及在危险工况下进行主动转向干预的功能。为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案，结合附图说明如下一种主动式电动助力循环球式转向系统，包括转向柱管总成、螺杆移动装置、循环球式转向器、电动助力装置和自动控制模块，所述转向柱管总成包括转向盘I、转向柱管24、转角传感器2和转矩传感器3，转向柱管24上端与转向盘I固定连接，转角传感器2与转矩传感器3分别集成于转向柱管24内，转向柱管24下端与循环球式转向器6的螺杆29通过滑动花键连接，螺杆移动装置5套装在螺杆29的上部，螺杆29下部与电动助力装置通过滑动花键连接，循环球式转向器6的齿扇35通过转动转向摇臂7,推动转向直拉杆9并转动转向节臂12，使转向梯形10运动，最终转动两个前轮11。所述螺杆移动装置5包括移动螺柱25、螺母齿轮26、主动齿轮40和螺杆移动控制电机4，移动螺柱25为套筒状，其外表面与螺母齿轮26内孔采用梯形螺纹配合，形成传动螺纹副；移动螺柱25内表面设有凸缘，通过两个角接触球轴承39夹紧固定在螺杆29上，并通过这两个轴承对螺杆29进行轴向定位；所述螺母齿轮26两端面通过一对推力球轴承27支承于上盖41和中间盖28之间，螺母轮齿26与主动齿轮40相啮合；主动齿轮40压装在螺杆移动控制电机4的输出轴上，螺杆移动控制电机4安装在上盖41上；上盖41与中间盖28之间、中间盖28与壳体36之间固定连接。所述循环球式转向器6的螺杆29采用长螺杆，其两端为外花键，上端的外花键与转向柱管24下端的内花键滑动配合，螺杆具有绕其轴线转动和沿其轴线移动这两个自由度，螺杆29的两端为光轴，其上各套有铜制螺杆轴套37，螺杆轴套37定位于深沟球轴承38的内圈，深沟球轴承38的外圈固定于壳体36内；中间位螺纹段，螺杆29与转向螺母31的螺旋形球道内装有多个钢球30，形成螺旋传动副；转向螺母31外部一侧加工有与齿扇35相哨合的齿条，齿扇35的轴端与转向摇臂7相连,从而对外输出力矩。 所述电动助力装置包括蜗轮8、蜗杆34、助力电机13、下盖33，蜗轮8中心孔为内花键，与螺杆29下端的外花键滑动配合，蜗轮8的两端面分别通过一对圆锥滚子轴承32支承于壳体36与下盖33之间，蜗轮8的轮齿与位于一端的蜗杆34相啮合，形成蜗轮蜗杆传动副，蜗杆34压装于助力电机13的输出轴上,助力电机13通过螺栓固定于壳体36上,壳体36与下盖33通过螺栓连接。所述自动控制模块包括电子控制单元21，转角传感器2、转矩传感器3各自的信号线22、23接入电子控制单元21，电子控制单元21分别通过螺杆移动控制电机4、助力电机13各自的电流电压反馈信号对两电机进行控制，其中，电子控制单元21对螺杆移动控制电机4进行转角控制，对助力电机13进行力矩控制，用于传输车速信号19、车辆稳定控制模块通信信号20和故障信号18的线路也分别接入电子控制单元21。所述电子控制单元21由处理器、稳压模块、输入数据处理模块、电机驱动模块组成，其中，处理器采用Freescale MC9S12XS128式16位单片机，稳压模块中采用LM2940芯片作为稳压芯片，电机驱动模块采用L298芯片，电子控制单元21采用12V电压的汽车电池作为电源。有益效果相比于现今客车以及载重汽车普遍采用的液压助力转向系统，本实用新型的主动式电动助力循环球式转向系统采用电动助力转向，具有体积小、质量轻、响应快、控制精准、能耗小、污染小的优点。相比于传动比固定的转向系统，本实用新型的主动式电动助力循环球式转向系统采用主动式可变传动比转向，该系统可以根据车速实时改变转向系传动比。在低速以及泊车时采用较小的传动比，以减少驾驶员转动方向盘的圈数，降低驾驶员的工作强度，这对于客车以及载重汽车的司机来说显得尤为重要；在高速时采用较大的传动比，以增加驾驶员转动转向盘的角度，使驾驶感变得稳重，降低驾驶员的紧张程度，减少驾驶疲劳，同时也提高了车辆的操纵稳定性和安全性。在即将发生侧滑、制动跑偏等极限工况下，该系统还能和车辆稳定控制系统协同工作，对前轮转角进行主动干预，大大提高了行驶稳定性和安全性。相比于现有的主动式助力转向系统，本实用新型的主动式电动助力循环球式转向系统具有如下优点第一，采用螺纹传动实现循环球式转向器的螺杆的轴向直线运动的控制，从而实现转向转角的叠加与消减，即传动比的改变。螺纹传动具有可靠的自锁性能，因此不需要另外加装电磁锁，在螺杆移动控制电机发生故障时，螺杆的轴向移动自由度可由螺纹自锁来限定，转向系统仍然能以固定传动比的方式继续工作，从而保证了行驶安全性。另外，该螺纹传动机构还具有传动平稳、结构紧凑、制造方便、成本低等优点。第二，从结构上保证了驾驶员从转向盘上感受到的路感不变。该系统与螺杆相关的转动副均采用滚动轴承，从而保证了转向系统的正效率、逆效率均相当于传统的电动助力转向系统。第三，零部件集成度高，整体结构紧凑，制造精度要求相对较低，成本较低。
图I为本实用新型的系统示意图；图2为本实用新型的转向器结构示意图。·[0023]其中1.转向盘，2.转角传感器，3.转矩传感器，4.螺杆移动控制电机，5.螺杆移动装置，6.循环球式转向器，7.转向摇臂，8.蜗轮，9.转向直拉杆，10.转向梯形，11.前轮，12.转向节臂，13.助力电机,14.助力电机电流电压反馈信号，15.助力电机控制信号，16.螺杆移动控制电机控制信号，17.螺杆移动控制电机电流电压反馈信号，18.故障信号，19.车速信号，20.车辆稳定控制模块通信信号，21.电子控制单元，22.转向盘转角信号，23.转向盘转矩信号，24.转向柱管，25.移动螺柱，26.螺母齿轮，27.推力球轴承，28.中间盖，29.螺杆，30.钢球，31.转向螺母，32.圆锥滚子轴承，33.下盖，34.蜗杆，35.齿扇，36.壳体，37.螺杆轴套，38.深沟球轴承，39.角接触球轴承，40.主动齿轮，41.上盖。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体内容及其实施方式作进一步详细描述参见图I、图2，本实用新型的主动式电动助力循环球式转向系统，由转向柱管总成、螺杆移动装置5、循环球式转向器6、电动助力装置、自动控制模块组成。转向柱管总成中的转向柱管24下端与循环球式转向器6的螺杆29的上端通过滑动花键连接，使二者可以沿轴向相对运动。螺杆移动装置5套在螺杆29的上部，用以控制螺杆29的轴向位移。螺杆29的下部与电动助力装置通过滑动花键连接，使二者可以沿轴向相对运动。驾驶员输入于转向盘I的转矩经转向柱管24传递给螺杆29，电动助力装置的助力力矩也传至螺杆29，共同驱动循环球式转向器6的齿扇35转动转向摇臂7,从而推动转向直拉杆9、转动转向节臂12，使转向梯形10运动，最终转动两个前轮11。本实用新型实现转向系传动比的改变以及主动转向的基本原理为循环球式转向器的螺杆29具有绕其轴线的转动和沿其轴线的移动这两个自由度。螺杆29绕轴线转动的自由度由转向盘I控制，使转向螺母31轴向移动；螺杆29沿轴线移动的自由度由螺杆移动控制电机4控制，也使转向螺母31轴向移动，所以，转向螺母的31移动是由转向盘I的转角与螺杆移动控制电机4的转角相叠加后的效果，从而增加或减小驾驶员输入的转角。参见图1，转向柱管总成包括转向盘I、转向柱管24、转角传感器2、转矩传感器3。转向柱管24上端与转向盘I固定连接，二者同步转动。转角传感器2与转矩传感器3分别安装于转向柱管24内，用以检测转向盘I输出的转向盘转角信号22与转向盘转矩信号23。[0028]参见图2，螺杆移动装置5包括移动螺柱25、螺母齿轮26、主动齿轮40、螺杆移动控制电机4、上盖41、中间盖28。螺杆29上部中段套有一对角接触球轴承39，两轴承通过螺杆29上的螺母预紧并夹紧移动螺柱25的内凸缘，这两个轴承对螺杆29进行轴向定位并传递螺杆29的所有轴向力。移动螺柱25为套筒状，其外圆有梯形螺纹。螺母齿轮26中心孔内圆为梯形螺纹，与移动螺柱25的外螺纹相配合，形成传动螺纹副。螺母齿轮26两端面通过一对推力球轴承27支承于上盖41和中间盖28之间，其外圆的轮齿与主动齿轮40相啮合。主动齿轮40由螺杆移动控制电机4驱动，螺杆移动控制电机4通过螺钉固定于上盖41上。上盖41与中间盖28通过螺栓连接，中间盖28与壳体36通过螺钉连接。当需要叠加或消减转向角度时，螺杆移动控制电机4驱动主动齿轮40，由于螺母齿轮26轴向位置被限定，所以螺母齿轮26的转动将通过传动螺纹副使移动螺柱25上下移动，经过角接触球轴 承39带动螺杆29上下移动。由于有角接触球轴承39，移动螺柱25与螺杆29可自由相对转动。参见图2，循环球式转向器包括螺杆29、螺杆轴套37、转向螺母31、钢球30、齿扇 35、壳体36。螺杆29两端为外花键，其上端的外花键与转向柱管24下端的内花键滑动配 合，使螺杆29可以相对于转向柱管24轴向移动，并且能传递转矩。两个铜制螺杆轴37套分别套于螺杆29的两段光轴上。螺杆轴套37定位于深沟球轴承38的内圈，深沟球轴承38的外圈固定于壳体内。两个深沟球轴承38与螺杆轴套37不限制螺杆29轴向移动的自由度。螺杆29、转向螺母31及位于两者螺旋形球道内的许多钢球30形成螺旋传动副。转向螺母31外部的齿条与齿扇35哨合,转向摇臂7固定于齿扇35的轴端,对外输出力矩。参见图2，电动助力装置包括蜗轮8、蜗杆34、助力电机13、下盖33。蜗轮8中心孔为内花键，与螺杆29下端外花键滑动配合，使螺杆29可以在蜗轮8内轴向移动，并且能传递转矩。蜗轮8的两端面分别通过一对圆锥滚子轴承32支承于壳体36与下盖33之间。蜗轮8轮齿与位于右端的蜗杆34相啮合。蜗杆34由助力电机13驱动，助力电机13通过螺栓固定于壳体36。壳体36与下盖33通过螺栓连接。在需要助力转向时，助力电机13驱动蜗杆34，转矩通过蜗轮8传递给螺杆29。参见图1，自动控制模块包括电子控制单元21、导线。电子控制单元21由处理器、稳压模块、输入数据处理模块、电机驱动模块组成。其中，处理器采用FreescaleMC9S12XS128式16位单片机；稳压模块中采用LM2940芯片作为稳压芯片；电机驱动模块采用L298芯片。电子控制单元21采用12V电压的汽车电池作为电源。车速信号19由安装于车轮的磁电式编码器采集。转角传感器2采用非接触转向角度传感器，用以采集转向盘转角信号22。转矩传感器3采用非接触式扭矩传感器，用以采集转向盘转矩信号23。电子控制单元21与车辆稳定控制模块通过通信线路建立连接，用以传送车辆稳定控制模块通信信号20。车速信号19、转向盘转角信号22、转向盘转矩信号23、车辆稳定控制模块通信信号20、助力电机电流电压反馈信号14以及螺杆移动控制电机电流电压反馈信号17分别通过输入信号线接入电子控制单元21的输入数据处理模块。电子控制单元21的电机驱动模块通过输出信号线分别与螺杆移动控制电机4和助力电机13连接，用以传递螺杆移动控制电机控制信号16和助力电机控制信号15。故障信号18由处理器的引脚输出，通过输出信号线连接至汽车仪表盘的故障信号灯。当车辆正常行驶时，电子控制单元21根据此时的转向盘转角信号22和车速信号19，通过查找预先存入的转向系传动比——车速关系曲线，确定出所需的转向系传动比，对螺杆移动控制电机4送出螺杆移动控制电机控制信号16 ;同时，电子控制单元21根据此时的转向盘转矩信号23、车速信号19以及螺杆移动控制电机电流电压反馈信号17，通过查找预先存入的助力力矩——车速——转向盘转矩关系曲面，确定出所需的转向助力力矩，并且通过螺杆移动控制电机电流电压反馈信号17计算出补偿力矩，从而补偿螺杆29轴向移动所产生的、传至转向盘I的反作用力矩，最终对助力电机13送出助力电机控制信号15。当车辆即将发生侧滑、制动跑偏等极限工况时，车辆稳定控制模块传出车辆稳定控制模块通信信号20，指定需要增加或减少的前轮转角，电子控制单元21对螺杆移动控制电机送出相应的螺杆移动控制电机控制信号16，主动干预转向，从而保持车辆在极限工况下的稳定性。在对两个电机送出控制信号的同时，电子控制单元21采集螺杆移动控制电机电流电压反馈信号17以及助力电机电流电压反馈信号14，将采样的数值与目标值进行对比，采用PID(比例-积分-微分)控制策略进行闭环控制。其中，对螺杆移动控制电机4进行 转角控制，对助力电机13进行力矩控制。实施例一参见图I、图2，在较低的行驶车速下，驾驶员向某一方向转动转向盘1，通过螺杆29带动转向螺母31向某一方向移动，电子控制单元21计算出所需的叠加转角后，使螺杆移动控制电机4转动，令螺杆29产生一定的轴向移动，直接带动转向螺母31移动，其运动方向与螺杆29转动所产生的转向螺母31位移的方向相同，相当于在转向盘I输入转角的基础上增加了一部分转向角度，从而使转向系传动比减小。因此，在产生一定的前轮11转角的条件下，驾驶员就可以减少转动转向盘I的角度和圈数，使转向变得灵敏，减少了驾驶员的操作工作量。在较高的行驶车速下，驾驶员向某一方向转动转向盘1，电子控制单元21使转向螺母31的轴向移动方向与螺杆29转动所产生的转向螺母31的位移方向相反，相当于在转向盘I输入转角的基础上消减了一部分转向角度，从而使转向系传动比增大。因此，在产生一定的前轮11转角的条件下，驾驶员需要增加转向盘I的转动角度，使转向变得沉稳，提高了车辆高速行驶时的操纵稳定性与安全性，降低驾驶员的紧张程度，减少驾驶疲劳。在上述过程中，电动助力转向装置不但需要提供不同的转向助力力矩，还需要补偿螺杆29轴向移动所产生的、传至转向盘I的反作用力矩，从而不影响驾驶员的驾驶感受。实施例二参见图I、图2，当螺杆移动控制电机4发生故障时，由于移动螺柱25和螺母齿轮26之间的传动螺纹的自锁作用，使得螺杆29轴向移动的自由度被锁住，从而不至于发生因螺杆29自由窜动而导致驾驶员无法控制车辆转向的情况，使汽车能够以固定的转向系传动比继续行驶，提高了主动式转向系统的安全性。在检测到螺杆移动控制电机4发生故障之后，电子控制单元21将发出故障信号18，汽车仪表盘的故障信号灯点亮，提醒驾驶员及时检修。
权利要求1.一种主动式电动助力循环球式转向系统，包括转向柱管总成、螺杆移动装置、循环球式转向器、电动助力装置和自动控制模块，其特征在于，所述转向柱管总成包括转向盘(I)、转向柱管(24)、转角传感器⑵和转矩传感器(3)，转向柱管(24)上端与转向盘⑴固定连接，转角传感器(2)与转矩传感器(3)分别集成于转向柱管(24)内，转向柱管(24)下端与循环球式转向器(6)的螺杆(29)通过滑动花键连接，螺杆移动装置(5)套装在螺杆(29)的上部，螺杆(29)下部与电动助力装置通过滑动花键连接，循环球式转向器￠)的齿扇(35)通过转动转向摇臂(7)，推动转向直拉杆(9)并转动转向节臂(12)，使转向梯形(10)运动，最终转动两个前轮。
2.根据权利要求I所述的一种主动式电动助力循环球式转向系统，其特征在于，所述螺杆移动装置(5)包括移动螺柱(25)、螺母齿轮(26)、主动齿轮(40)和螺杆移动控制电机(4)，移动螺柱(25)为套筒状，其外表面与螺母齿轮(26)内孔采用梯形螺纹配合，形成传动螺纹副；移动螺柱(25)内表面设有凸缘，通过两个角接触球轴承(39)夹紧固定在螺杆 (29)上，并通过这两个轴承对螺杆(29)进行轴向定位；所述螺母齿轮(26)两端面通过一对推力球轴承(27)支承于上盖(41)和中间盖(28)之间，螺母轮齿(26)与主动齿轮(40)相啮合；主动齿轮(40)压装在螺杆移动控制电机(4)的输出轴上，螺杆移动控制电机(4)安装在上盖(41)上；上盖(41)与中间盖(28)之间、中间盖(28)与壳体(36)之间固定连接。
3.根据权利要求I或2所述的一种主动式电动助力循环球式转向系统，其特征在于，所述循环球式转向器￠)的螺杆(29)采用长螺杆，其两端为外花键，上端的外花键与转向柱管(24)下端的内花键滑动配合，螺杆具有绕其轴线转动和沿其轴线移动这两个自由度，螺杆(29)的两端为光轴，其上各套有铜制螺杆轴套(37)，螺杆轴套(37)定位于深沟球轴承(38)的内圈，深沟球轴承(38)的外圈固定于壳体(36)内；中间位螺纹段，螺杆(29)与转向螺母(31)的螺旋形球道内装有多个钢球(30)，形成螺旋传动副；转向螺母(31)外部一侧加工有与齿扇(35)相哨合的齿条,齿扇(35)的轴端与转向摇臂(7)相连,从而对外输出力矩。
4.根据权利要求I或2所述的一种主动式电动助力循环球式转向系统，其特征在于，所述电动助力装置包括蜗轮⑶、蜗杆(34)、助力电机(13)、下盖(33)，蜗轮⑶中心孔为内花键，与螺杆(29)下端的外花键滑动配合，蜗轮(8)的两端面分别通过一对圆锥滚子轴承(32)支承于壳体(36)与下盖(33)之间，蜗轮(8)的轮齿与位于一端的蜗杆(34)相啮合，形成蜗轮蜗杆传动副，蜗杆(34)压装于助力电机(13)的输出轴上，助力电机(13)通过螺栓固定于壳体(36)上，壳体(36)与下盖(33)通过螺栓连接。
5.根据权利要求I或2所述的一种主动式电动助力循环球式转向系统,其特征在于，所述自动控制模块包括电子控制单元(21)，转角传感器(2)、转矩传感器(3)各自的信号线(22,23)接入电子控制单元(21)，电子控制单元(21)分别通过螺杆移动控制电机(4)、助力电机(13)各自的电流电压反馈信号对两电机进行控制，其中，电子控制单元(21)对螺杆移动控制电机⑷进行转角控制，对助力电机(13)进行力矩控制，用于传输车速信号(19)、车辆稳定控制模块通信信号(20)和故障信号(18)的线路也分别接入电子控制单元(21)。
6.根据权利要求5所述的一种主动式电动助力循环球式转向系统,其特征在于,所述电子控制单元(21)由处理器、稳压模块、输入数据处理模块、电机驱动模块组成，其中，处理器采用Freescale MC9S12XS128式16位单片机，稳压模块中采用LM2940芯片作为稳压芯 片，电机驱动模块采用L298芯片，电子控制单元(21)采用12V电压的汽车电池作为电源。
专利摘要本实用新型涉及一种主动式电动助力循环球式转向系统，包括转向柱管总成、螺杆移动装置、循环球式转向器、电动助力装置和自动控制模块。转向柱管与循环球式转向器螺杆的上部、电动助力装置与螺杆的下部分别通过滑动花键连接，螺杆移动装置套在螺杆上。螺杆具有两个运动自由度绕轴线转动的自由度由转向盘控制，沿轴线移动的自由度由螺杆移动控制电机控制。转向螺母的移动是由螺杆的转动与轴向移动相叠加后的效果，从而达到实时改变转向系传动比以及主动转向干预的目的。此系统不但能满足低速转向时轻盈灵敏、高速转向时稳健厚重的要求，而且还具有安全、结构紧凑、成本低廉等特点，适合应用于中、轻型客车和载重汽车。
文档编号B62D5/04GK202783341SQ20122033557
公开日2013年3月13日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者曾忠敏, 王政, 刘新洋, 廖中浩 申请人:曾忠敏