一种智能计算电机目标转矩的动力转向装置的制作方法

文档序号:11221927
一种智能计算电机目标转矩的动力转向装置的制造方法

本发明属于机电系统及机动车应用领域,具体涉及一种重型循环球式双模电动动力转向装置。



背景技术:

从汽车行业情况来看,随着燃油车辆数量的不断增长,车辆排放对环境的污染越来越严重,同时石油作为不可再生的能源也面临着枯竭的危机,因此作为低排放或零排放的电动车辆、混合动力车辆因其具有节能、环保等优点已经成为政府和社会关注的热点,成为当今轮式车技术的核心发展主题。电动动力转向技术(EPS)由于其集成度高、节能、免维护等显著优势已在国内外家用车领域得到广泛应用,但多用于转向载荷≤2t的家用车或乘用车,而适用于电动客车、重型卡车、特种车辆等的大吨位电动动力转向技术仍处于空白状态,市场需求迫切、前景广阔。

从军式需求情况来看,军用轮式车辆由于其单轴载荷大、路况复杂(如壕沟、越野山路、冰雪路面和泥泞路面等)、使用条件苛刻等因素,其操纵稳定性能要求远远高于民用车辆,轮式车辆辆底盘即要满足公路行军作战时的高机动性需求,又要满足在极端苛刻路况下具有较好的行驶稳定性和越野安全性。其中,轮式车辆转向系统则是影响轮式车辆辆操纵稳定性和行驶安全性的最直接因素,其自身性能决定着轮式车辆底盘系统的整体性能。目前,我国军用轮式车辆转向系统基本采用液压助力转向系统,执行机构为循环球式液压助力转向器,所以,车辆转向回正主要依靠转向定位参数,比如主销后倾角与主销内倾角决定,定位参数误差较大时会使车辆回正能力变差且不稳定,从而影响车辆操纵性;又如,车辆在高速行驶时会存在转向“发飘”的感觉,即转向助力过大,这是由循环球式液压助力转向器的原理决定的,液压助力转向系统中转向泵由发动机提供动力,高速时发动机转速抬升,液压助力系统压力上升,转向助力自然增大,目前新型的转向油泵虽然可以做到高速转向时油泵流量泄压下降,但并不能根本解决“发飘”的问题。

从未来发展趋势来看,随着动力电池技术、混合动力技术、电机技术等的发展,轮式车辆正在向数字化、全电化、无人化、智能化的方向飞速发展,而传统轮式车辆转向系统已经不能满足未来需求,智能转向系统、主动转向系统、线控转向系统等越来越多的新型转向系统已逐渐浮出水面,而这些新型转向系统则需要依托电动动力转向技术进行扩展或升级。

目前,电动动力转向技术已经在小型乘用车领域成熟应用,且在结构形式上,绝大多数为齿轮齿条式转向装置或转向管柱式转向装置,而在大吨位、重型车辆上还未使用,其主要技术问题在于:

1、转向装置输出转矩大,集成度要求高,总体设计难度大。由于重型车辆转向桥载荷大(一般超过4吨)及动力转向装置布置位置的单一性(一般位于动力舱内)等实际因素,采用齿轮齿条式转向装置或转向管柱式转向装置无法满足要求,必须采用整体结构强度高、抗冲击能力强的循环球式结构,而目前的循环球式转向结构只存在于重型液压助力转向器中,与电动动力转向系统毫无关系。

2、关键部件、部位结构强度要求高,系统匹配难度大。由于中型车辆不仅转向桥载荷大,该类型车辆的使用工况也较为恶劣,多在非铺装路面或泥拧越野路面下使用,车辆转向系统将承受相当大的冲击载荷,而这些冲击载荷有相当大的一部分需要动力转向装置承受,因此,动力转向装置中壳体、传动部件的强度决定了转向系统的可靠性与安全性。就循环球式液压助力转向器而言,其螺杆、齿扇轴、壳体、转向螺母等部件经常会由于外界的冲击载荷而损坏。

3、机电匹配难度大。在一定的空间范围约束及供电品质约束条件下,尽量减小电机体积,有效利用电机功率特性,匹配大传动比结构,实现小功率需求,大转矩输出的特性是重型车辆电动动力转向技术的技术瓶颈。

此外,还存在电机目标转矩计算不准确,或者无法进行自动计算导致的问题。针对上述问题,本发明提供了智能计算电机目标转矩的动力转向装置,从而解决重型车辆的转向面临的各种问题。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是:如何提供一种智能计算电机目标转矩的动力转向装置。

为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:

一种智能计算电机目标转矩的电动动力转向装置,包括:壳体总成、输入轴与螺杆总成、齿扇轴总成、转角转矩传感器、电机总成;通过方向盘正向或反向转动输入轴时,由于输入轴与螺杆轴之间通过弹性扭杆连接且存在一定角度,所以,螺杆轴与输入轴在达到角位移空行程极限时,才能够与输入轴同轴转动,转角转矩传感器轴向与输入轴、螺杆轴连接,控制系统通过采集转角转矩传感器的输出转矩值,计算出电机总成的目标转矩,以转矩控制模式驱动电机总成输出助力转矩。

作为优选,输入轴与螺杆轴之间存在为±10°的角位移空行程。

作为优选,电机总成的目标转矩计算公式如下:

其中,电机总成(目标)转矩Tm(t)(N·M)为系统计算输出值;

驾驶员最小手力Fmin(N)为系统设计设定值;

驾驶员最大手力Fmax(N)为系统设计设定值;

电动转向器一级传动比im(常数)为系统设定值,即蜗轮与蜗杆的传动比;

电动转向器二级传动比in(常数)为系统设定值;

转向器正效率ηm(0~1)为系统设定值;

方向盘转角θsw(t)(rad)为传感器采集值,单位时间,优选50ms内方向盘转动角度;

转向杆系角传动比is为系统设定值;

原地转向阻力矩Tw(N·M)为系统设定值;

车速v(t)(m/s)为传感器采集值;

前桥外轮转角θ0'(t)(rad);,

is是转向杆系角传动比,常数,为系统设定值;

车轮最大转向角θ0(rad)为设计输入值;;

方向盘半径R0(m)为系统设定值。

所述电动动力转向装置,包括:壳体总成、输入轴与螺杆总成、齿扇轴总成、支撑座总成、涡轮、蜗杆、内端盖总成、转角转矩传感器、外端盖总成、梅花连接套总成、电机总成,所述壳体总成内部沿水平方向设置一端封闭一端开口的腔体,输入轴与螺杆总成安装在壳体总成的腔体内,输入轴与螺杆总成一端安装在封闭的一端,所述输入轴与螺杆总成的另一端伸出到壳体总成的腔体的外部,在壳体总成内沿与输入轴与螺杆总成垂直的方向安装齿扇轴总成并使得齿扇轴总成与输入轴与螺杆总成通过齿轮啮合;所述支撑座总成套设在输入轴与螺杆总成外部并用于限位输入轴与螺杆总成;所述蜗杆沿与输入轴与螺杆总成垂直的方向,安装在壳体总成内,所述蜗杆的一端依次同轴安装梅花连接套总成与电机总成;所述涡轮与蜗杆啮合,所述蜗杆驱动输入轴与螺杆总成转动;所述内端盖总成套设在输入轴与螺杆总成上并且安装在涡轮的外部,转角转矩传感器与轴向与输入轴与螺杆总成连接,所述外端盖总成套设在输入轴与螺杆总成上并且安装在转角转矩传感器的外部,并固定于壳体总成前端。

作为优选,所述壳体总成内部沿水平方向设置为一多变内径的非贯通式腔体,由作为基准面的非贯通端底面A开始依次加工第一内圆面B、二级传动腔C、第一内螺纹面D、一级传动腔E、第二内圆面F;其主体内部沿垂直方向也加工有一个多变内径的非贯通式腔体,由非贯通底面G开始依次加工有第三内圆面H、蜗杆腔I、第四内圆面J、第二内螺纹面K;

所述输入轴与螺杆总成一端安装在第一内圆面B内,所述支撑座总成设置在第一内螺纹面D内,所述的涡轮设置在一级传动腔E内,内端盖总成压装于壳体总成的第二内圆面F,限位于第二内圆面F与一级传动腔E之间形成的圆形凸台;转角转矩传感器固定在内端盖总成的外侧,与输入轴与螺杆总成同轴;所述蜗杆设置在蜗杆腔内,所述蜗杆一端设置在第三内圆面H内;外端盖总成安装于壳体总成的外端盖法兰安装面N,与输入轴与螺杆总成同轴;齿扇轴总成安装于二级传动腔C;蜗杆安装在螺杆腔I内,与涡轮啮合,通过第四内圆面J的滚珠轴承及与第二内螺纹面K螺接的锁紧螺母固定;梅花连接套总成一端连接螺杆顶端,一端连接电机总成的输出花键轴;电机总成通过螺栓固定在壳体总成的电机法兰安装面M;蜗轮蜗杆将电机转矩传递给输入轴与螺杆总成,输入轴与螺杆总成将转矩转化为输入轴总成通过齿扇轴总成输出转矩。

作为优选,所述壳体总成包括:壳体1A、输出轴油封、矩形密封圈、油塞、单向推力轴承、滚珠轴承、角接触轴承;输出轴油封安装于二级传动腔C内与齿扇轴总成同轴;

矩形密封圈与油塞安装于壳体上部螺纹孔,用于在向二级传动腔C注入润滑油后密封注油口;单向推力轴承安装于壳体1A的第一内圆面B;滚珠轴承安装于二级传动腔C内与齿扇轴总成同轴;角接触轴承安装于一级传动腔E的第三内圆面H。

作为优选,所述输入轴与螺杆总成包括:第一圆柱销、输入轴、弹性扭杆、滚针轴承、第二圆柱销、螺杆轴、钢球导管、导管压板、转向螺母29,所述螺杆轴一端沿着轴向设置变径内腔体,所述螺杆轴一端加工有通孔,所述通孔与内腔体连通,所述弹性扭杆的一端插入内腔体,所述第二圆柱销插入通孔,从而锁定弹性扭杆的一端与螺杆轴的同轴相对转动;所述滚针轴承插入变径内腔体内并抵靠在内腔体的侧部;所述输入轴中部沿着轴向设置空腔结构,所述输入轴第二端设置通孔,所述通孔与空腔结构连通,所述弹性扭杆的另一端插入输入轴的空腔结构中,所述第一圆柱销插入通孔,从而锁定弹性扭杆另一端与输入轴的相对转动;所述输入轴的第一端抵靠滚针轴承;所述螺杆轴的另一端设置转向螺母,所述转向螺母上表面加工有多处钢球注入孔,注入钢球后,在转向螺母上部安装钢球导管以及固定钢球导管的导管压板。

作为优选,所述齿扇轴总成包括:齿扇轴、齿扇轴侧盖板、齿扇轴调整销、齿扇轴调整螺母、齿扇轴螺塞及滚针轴承;其中,所述齿扇轴包括齿扇和轴,所述齿扇加工有渐开线锥齿的扇形齿轮结构,所述轴的一端设置有环形凹槽,齿扇轴调整销插入齿扇轴环形凹槽,所述齿扇轴螺塞套设在齿扇轴调整销外部并且与齿扇轴调整销具有一定的间隔,所述轴的一端设置齿扇轴侧盖板,所述齿扇轴侧盖板与轴之间设置滚针轴承;沿着轴的轴向方向上,所述侧盖板与轴的一端具有一定的间隔,所述侧盖板上设置贯穿的孔,所述的齿扇轴调整销从环形凹槽延伸穿过侧盖板上的孔,所述调整螺母套在齿扇轴调整销上并设置并抵靠在齿扇轴侧盖板的外部。

作为优选,所述支撑座总成包括:支撑座、单向推力角接触轴承;所述支撑座为变内径的贯通环形结构,外部圆周加工有外螺纹,所述单向推力角接触轴承安装于支撑座41内部;支撑座总成轴向套装输入轴与螺杆总成后,通过其外螺纹紧固在壳体总成的第一内螺纹面D,实现输入轴与螺杆总成的安装与限位。

作为优选,所述涡轮内径圆面加工有键槽,表面加工有缺口,涡轮与输入轴与螺杆总成设置为能够同轴转动。

作为优选,所述螺杆上端加工有外花键,下端为光滑圆柱面内径圆面,下端轴向安装于螺杆腔内,与角接触轴承内圆面配合安装,上部套装加工有外螺纹的空心锁紧螺塞,紧固在第二内螺纹面K。

作为优选,所述转向器内端盖总成包括:内端盖、骨架油封、转角转矩传感器定位板、传感器固定橡胶块;所述内端盖内表面加工有螺纹孔,用于安装转角转矩传感器定位板及转角转矩传感器;所述传感器固定橡胶块固定传感器出线端并固定于内端盖内表面。

作为优选,所述梅花连接套总成两端为内花键结构,其一端内花键连接蜗杆的外花键端,一端连接电机总成的输出花键轴,起联轴器的作用;所述电机总成通过梅花连接套总成与蜗杆轴向安装完毕后,通过法兰连接方式固定在壳体1A的电机安装面。

另外,本装置通过对关键部件、关键部位的创新性设计,大大提升了系统的可靠性、抗冲击特性及可实施性,主要体现在:

①本装置壳体总成方案中,输入轴及螺杆总成安装轴线与齿扇轴总成安装腔轴线的交叉垂直度不大于

②壳体材料采用球墨铸铁QT450-10GB1348-2009并进行时效处理,以最大程度地发挥材料的性能,提高壳体强度;

③壳体外部采用圆角过渡,整体采用铸造成形,拔模斜度2°~3°,提高加工效率及加工质量;

④壳体总成的底面安装方式为5孔安装,增强了装置与车体之间的连接强度;

⑤齿扇轴表面渗碳(0.8-1.2)mm,硬度要求(58-62)HRC,以最大程度地发挥了材料的性能,提高节臂强度;

⑥齿扇轴侧盖板与壳体总成采用4点的连接方式,保证齿扇轴总成的装配强度,装置的整体性与气密性;

⑦齿扇轴总成中增加了橡胶垫,当齿扇轴齿轮面与转向螺母齿轮面啮合处在长期、大载荷使用后出现间隙,其能够在一定范围内实现柔性自动补偿;

⑧输入轴与螺杆总成中转向螺母上表面加工有4处钢球注入孔,注入钢球后,能够形成双路钢球循环,降低了分解钢球与转向螺母内表面螺旋槽的受力,有效提升了转向螺母与循环钢球的可靠性;

⑨输入轴与螺杆总成中导管压板为整体式平板结构,使其能够大面积的与转向螺母贴合,有效分解了钢球的受力,保证钢球顺畅滚动,大大降低了钢球在承受巨大外力时,很难顶落或顶坏的可能性,提升了装置的可靠性。

与现有技术相比较,本发明具有如下的优点:

电动动力转向系统(EPS)由于其驱动形式、实现原理等方面与传统的液压助力系统相比具有明显优势,主要体现在:

1、结构简单、节省空间。电动动力转向系统取消了液压助力系统的转向泵、液压管路、油罐等部件,大大简化了转向系统结构,节省了车内空间,并且使轮式车辆转向系统更便于灵活布置。

2、节约能耗。电动动力转向系统只在车辆转向时才提供助力,产生能量消耗,而液压动力转向系统即使在车辆不转向时,系统也一直运转,能量浪费严重。

3、免维护性。相对于液压助力转向系统而言,电动动力转向系统不存在渗漏,更换密封件、管路等常规保养性问题。

4、提高车辆操纵稳定性及安全性。不同于液压助力转向系统的单一助力特性,电动动力转向系统的助力特性为可控因素,可以在各种行驶工况下提供最佳助力,减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动,改善车辆的转向特性,减轻车辆低速行驶时的转向操纵力,提高车辆高速行驶时的转向稳定性。

本发明提供了一种重型循环球式双模电动动力转向装置,其由转向器壳体总成、输入轴与螺杆总成、齿扇轴总成、支撑座总成、涡轮、蜗杆、内端盖总成、转角转矩传感器、外端盖总成、梅花连接套总成、电机总成等部件组成。本装置总体构型集成度非常高,在现有同等吨位循环球式液压助力转向器的空间范围内完成了循环球与齿扇结构、大减速比涡轮蜗杆结构、转角转矩传感器、电机总成等多种结构的集成,具体来说,其输入轴与螺杆总成轴向安装于转向器壳体总成二级传动腔内,通过支撑座总成轴向限位与固定;涡轮轴向采用平键连接方式安装于输入轴与螺杆总成上,位于一级传动腔内;螺杆轴向安装于转向器壳体总成蜗杆腔内并与输入轴与螺杆总成中的转向螺母完全啮合;内端盖总成与输入轴与螺杆总成同轴安装并紧固于转向器壳体总成壳体内部;转角转矩传感器总成需与输入轴与螺杆总成同轴安装,位于内端盖总成外侧,通过内端盖总成中内端盖上加工的内螺纹孔固定;外端盖总成法兰连接在壳体总成壳体外端面,与输入轴与螺杆总成中的输入轴同轴;梅花连接套总成为两端内花键结构一端连接蜗杆外花键端,一端连接电机总成输出轴外花键端,完成连接转向器与电机的集成。其结构特征完全不同于小型乘用车的齿轮齿条式、转向管柱式等形式有效解决了整体输出转矩与系统结构问题,而且其借鉴了循环球式液压动力转向器的结构,采用大减速比机构与转角转矩传感器等取代了循环球式液压动力转向器中的转阀结构,在不增加额外空间的情况下,实现了液力传动向智能化电传动的转变,较同等体积循环球式液压动力转向器相比,功率需求降低300%,输出最大转矩提升5%。

附图说明

图1为重型循环球式双模电动动力转向装置俯视剖面图。

图2为重型循环球式双模电动动力转向装置左视剖面图。

图3为重型循环球式双模电动动力转向装置右视剖面图。

图4为转向器壳体俯视剖面图

图5为转向器壳体右视一级传动腔剖面图

图6为转向器壳体底面结构图

图7为转向器壳体左视结构图

图8为转向器壳体右视结构图

图9-1为转向器壳体总成右视剖面图。

图9-2为转向器壳体总成左视剖面图。

图9-3为转向器壳体总成俯视局部剖面图。

图10为输入轴与螺杆总成结构图。

图11为齿扇轴总成结构图。

图12为支撑座总成结构图。

图13为涡轮结构示意图。

图14为蜗杆结构示意图。

图15为转向器内端盖总成结构图。

图16为外端盖总成结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中,如果没有特殊说明,涉及公式的,“/”表示除法,“×”、“*”表示乘法。

为解决现有技术的问题,本发明提供一种重型循环球式双模电动动力转向装置,如图1-图3所示,其特征在于,其包括:壳体总成1、输入轴与螺杆总成2、齿扇轴总成3、支撑座总成4、涡轮5、蜗杆6、内端盖总成7、转角转矩传感器8、外端盖总成9、梅花连接套总成10、电机总成11;

所述壳体总成内部沿水平方向设置一端封闭一端开口的腔体,输入轴与螺杆总成2安装在壳体总成的腔体内,输入轴与螺杆总成2一端安装在封闭的一端,所述输入轴与螺杆总成2的另一端伸出到壳体总成的腔体的外部,在壳体总成1内沿与输入轴与螺杆总成2垂直的方向安装齿扇轴总成3并使得齿扇轴总成3与输入轴与螺杆总成2通过齿轮啮合;所述支撑座总成4套设在输入轴与螺杆总成2外部并用于限位输入轴与螺杆总成2,使得输入轴与螺杆总成2不能上下左右活动,但是可以进行转动;所述蜗杆6沿与输入轴与螺杆总成2垂直的方向,安装在壳体总成1内,所述蜗杆6的一端依次同轴安装梅花连接套总成10与电机总成11;所述涡轮5与蜗杆啮合,所述蜗杆6并驱动输入轴与螺杆总成2转动;所述内端盖总成7套设在输入轴与螺杆总成2上并且安装在涡轮5的外部,转角转矩传感器8与轴向与输入轴与螺杆总成2连接,所述外端盖总成9套设在输入轴与螺杆总成2上并且安装在转角转矩传感器8的外部并固定于壳体总成1前端。

所述非贯通式腔体是一端开口一端封闭的腔体。

本发明提供了一种新式结构的重型车辆的电动动力转向装置,本装置总体构型集成度非常高,在现有同等吨位循环球式液压助力转向器的空间范围内完成了齿扇结构、大减速比涡轮蜗杆结构、转角转矩传感器、电机总成等多种结构的集成,因此取消了液压助力系统的转向泵、液压管路、油罐等部件,大大简化了转向系统结构,节省了车内空间,并且使轮式车辆转向系统更便于灵活布置。

作为优选,所述的重型车辆优选为负载超过5吨以上的车辆。

作为优选,所述壳体总成1是装置的重要部分,其主体内部沿水平方向设置为一多变内径的非贯通式复杂腔体,如图4所示,由作为基准面的非贯通端底面A开始依次加工第一内圆面B、二级传动腔C、第一内螺纹面D、一级传动腔E、第二内圆面F;其主体内部沿垂直方向也加工有一个多变内径的非贯通式腔体,如图5所示,由非贯通底面G开始依次加工有第三内圆面H、蜗杆腔I、第四内圆面J、第二内螺纹面K。

如图6所示,壳体总成1外部底面加工有多处,优选为5处内螺纹安装孔,顶面加工有如图4所示的上端盖法兰安装面L及如图7所示的电机法兰安装面M,侧面加工有如图8所示的外端盖法兰安装面N。

输入轴与螺杆总成2轴向安装于壳体总成1内,通过支撑座总成4轴向限位并固定,支撑座总成4安装于壳体总成1的第一内螺纹面D,优选采用螺接方式;蜗轮5通过平键连接的方式轴向安装于输入轴与螺杆总成2上,位于一级传动腔E内;内端盖总成7通过紧配合的方式压装于壳体总成1的第二内圆面F,限位于第二内圆面F与一级传动腔E之间形成的圆形凸台;转角转矩传感器8通过螺钉固定在内端盖总成7的外侧,与输入轴与螺杆总成2同轴;外端盖总成9通过螺栓连接,安装于壳体总成1的外端盖法兰安装面N,与输入轴与螺杆总成2同轴;齿扇轴总成3垂直安装于二级传动腔C,齿扇与输入轴与螺杆总成2中的转向螺母啮合,通过螺栓连接固定在壳体总成1的上端盖法兰安装面L;蜗杆7轴向安装在螺杆腔I内,与涡轮6啮合,通过第四内圆面J的滚珠轴承及与第二内螺纹面K螺接的锁紧螺母固定;梅花连接套总成10为两侧内花键结构,轴向连接螺杆顶端与电机总成11的输出花键轴;电机总成11通过螺栓固定在壳体总成1的电机法兰安装面M;本装置通过蜗轮蜗杆将电机转矩传递给输入轴与螺杆总成2,输入轴与螺杆总成2将转矩转化为输入轴总成通过齿扇轴总成3输出转矩。

本发明通过上述特殊的内部结构的壳体总成,能够集成转向装置的所有部件,在不增加额外空间的情况下,实现了重型车辆的电动动力转向装置。

作为优选,本装置壳体总成方案中,输入轴及螺杆总成安装轴线与齿扇轴总成安装腔轴线的交叉垂直度不大于使得齿扇轴齿轮面与转向螺母齿轮面的啮合面积达到最大,与位置度超差的啮合关系相比,传递效率将提升5%以上。

作为优选,壳体材料采用球墨铸铁QT450-10GB1348-2009并进行时效处理,以最大程度地发挥材料的性能,提高壳体强度。

作为优选,壳体外部采用圆角过渡,整体采用铸造成形,拔模斜度2°~3°,提高加工效率及加工质量。

壳体总成的底面安装方式为5孔安装,增强了装置与车体之间的连接强度。

由图9-1至图9-3所示,所述壳体总成1包括:壳体1A、输出轴油封12、矩形密封圈13、油塞14、单向推力轴承15、滚珠轴承16、角接触轴承17;输出轴油封12安装于二级传动腔C内与齿扇轴总成3同轴,作用在于封闭齿扇轴总成3输出端与壳体底面,保证润滑油不从齿扇输出轴端泄露;

矩形密封圈13与油塞14安装于壳体上部螺纹孔,用于在向二级传动腔C注入润滑油后密封注油口;单向推力轴承15外圆面紧配合安装于壳体1A的第一内圆面B,且轴向与非贯通底面A紧密贴合,以便于输入轴与螺杆总成2安装、限位并保证其转动顺畅;滚珠轴承16安装于二级传动腔C内与齿扇轴总成3同轴,作用在于保证齿扇轴总成3与壳体1A的同轴度以及减小齿扇轴总成3的转动阻力;角接触轴承17安装于一级传动腔E内,其外圆面紧配合安装于第三内圆面H,底面与非贯通底面G紧密贴合,以便于蜗杆6的安装、限位并保证其转动顺畅。

如图10所示,所述输入轴与螺杆总成2包括:第一圆柱销(21)、输入轴(22)、弹性扭杆(23)、滚针轴承(24)、第二圆柱销(25)、螺杆轴(26)、钢球导管(27)、导管压板(28)、转向螺母(29),所述螺杆轴(26)一端沿着轴向设置变径内腔体,所述螺杆轴(26)一端加工有通孔,优选沿着垂至于轴向方向加工通孔;所述通孔与内腔体连通,所述弹性扭杆(23)的一端插入内腔体,所述第二圆柱销(25)插入通孔,从而锁定弹性扭杆(23)的一端与螺杆轴(26)的同轴相对转动;所述滚针轴承(24)插入变径内腔体内并抵靠在内腔体的侧部;所述输入轴(22)中部沿着轴向设置空腔结构,所述输入轴(22)第二端设置通孔,所述通孔与空腔结构连通,所述弹性扭杆(23)的另一端插入输入轴的空腔结构中,所述第一圆柱销(21)插入通孔,从而锁定弹性扭杆(23)另一端与输入轴(22)的相对转动;所述输入轴的第一端抵靠滚针轴承(24);所述螺杆轴(26)的另一端设置转向螺母,所述转向螺母上表面加工有多处钢球注入孔,注入钢球后,在转向螺母上部安装钢球导管(27)以及固定钢球导管(27)的导管压板(28)。

作为优选,所述螺杆轴(26)主体为多变径圆柱结构,一端沿外表面加工为高光洁度螺旋槽,另一端端面处沿轴向向内加工有变径内腔体并在端面处开方形槽,变径内腔体底部沿垂直方向加工有通孔,沿轴向装入弹性扭杆(23)一端,通过第二圆柱销(25)插入变径内腔体底部通孔,从而锁定了其与在螺杆轴(26)的同轴相对转动,再将滚针轴承(24)沿同方向装入内腔体。

作为优选,滚针轴承(24)并不与弹性扭杆(23)接触,其实际效果在于能够轴向机械限制输入轴(22)与螺杆轴(26)的间隙,避免装配、使用过程中间隙的变化对弹性扭杆(23)造成挤压,能够有效提高弹性扭杆(23)的可靠性及输入轴与螺杆总成(2)的可实现性;

所述输入轴(22)一端加工有垂直方向通孔且轴向加工有内腔体,沿端面向内加工为六边形凸台,斜边与水平方向夹角分别为±5度,沿轴向使弹性扭杆(23)另一端伸入后,将第一圆柱销(21)紧配合于通孔,从而锁定弹性扭杆(23)另一端与输入轴(22)的相对转动。作为优选,输入轴(22)的六边形端面恰好抵于滚针轴承(24)内圈,六边形凸台的上、下各2个斜面与螺杆轴(26)方行槽形成恰好形成±5度的相对转动空间,其实际效果在于形成输入轴(22)与螺杆轴(26)相对转动的机械限位,有效避免了装配、使用过程中弹性扭杆(23)的过扭情况,提升了螺杆轴(26)的可靠性;

作为优选,第一圆柱销和第二圆柱销过盈配合于通孔。

从螺杆轴(26)另一端沿轴向安装转向螺母(29),其上表面加工有多处钢球注入孔,在注入钢球后,安装钢球导管(27),其作用在于确保当螺杆轴(26)旋转时,被螺旋槽挤压出转向螺母(29)内部的钢球能够从一个钢球注入孔顺利进入另一钢球注入孔,再返回到转向螺母(29)内部,钢球导管(27)本身不具备固定装置,需要通过导管压板(28)进行固定,导管压板(28)紧固在转向螺母(29)上表面后,其实际效果不仅固定了钢球导管(27),又能够有效分解钢球导管(27)应力。转向螺母29上表面加工有多处钢球注入孔,优选为4处,注入钢球后,安装钢球导管27及导管压板28,保证在螺杆轴26旋转时,钢球能够在螺杆轴26、转向螺母29、钢球导管27、导管压板28形成的封闭通道内循环滚动,齿扇轴的齿扇侧面加工有3处渐开线锥齿,锥齿与齿扇轴31啮合,将转向螺母29的水平运动转换为齿扇轴31的转动;输入轴22与螺杆轴26连接端加工斜面,保证输入轴22与螺杆轴26之间可以保证小角度范围相对转动。

作为优选,输入轴与螺杆总成中导管压板为整体式平板结构,使其能够大面积的与转向螺母贴合,有效分解了钢球的受力,保证钢球顺畅滚动,大大降低了钢球在承受巨大外力时,很难顶落或顶坏的可能性,提升了装置的可靠性。

输入轴与螺杆总成中转向螺母上表面加工有4处钢球注入孔,注入钢球后,能够形成双路钢球循环,降低了分解钢球与转向螺母内表面螺旋槽的受力,有效提升了转向螺母与循环钢球的可靠性。

如图11所示,所述齿扇轴总成(3)包括:齿扇轴(31)、齿扇轴侧盖板(32)、齿扇轴调整销(33)、齿扇轴调整螺母(34)、齿扇轴螺塞(35)及滚针轴承(36);其中,所述齿扇轴(31)包括齿扇和轴,所述齿扇加工有渐开线锥齿的扇形齿轮结构,所述轴的一端设置有环形凹槽,齿扇轴调整销插入齿扇轴环形凹槽,所述齿扇轴螺塞套设在齿扇轴调整销外部并且与齿扇轴调整销具有一定的间隔,所述轴的一端设置齿扇轴侧盖板,所述齿扇轴侧盖板与轴之间设置滚针轴承(36);沿着轴的轴向方向上,所述侧盖板与轴的一端具有一定的间隔,所述侧盖板上设置贯穿的孔,所述的齿扇轴调整销(33)从环形凹槽延伸穿过侧盖板上的孔,所述调整螺母(34)套在齿扇轴调整销(33)上并设置并抵靠在齿扇轴侧盖板(32)的外部。

其中,所述齿扇轴31为扇形齿轮结构,齿扇轴的齿扇加工有多处,优选为渐开线锥齿,其须与转向螺母29侧面锥齿啮合,齿扇轴的轴的轴向底部端面加工有细小中位刻线,其主要作用在于使转动更便于识别与测量,环形凹槽底部中心位置加工有内螺纹孔,用于安装齿扇轴调整销33并且通过在内圆面铆接安装齿扇轴螺塞35将齿扇轴调整销33固定于环形凹槽底部;所述齿扇轴侧盖板32顶面中心位置加工有内螺纹通孔,其作用在于使得齿扇轴调整销33顶端能够穿过齿扇轴侧盖板32与齿扇轴调整螺母34连接,顶面另加工有通孔4处,其目的在于通过螺栓连接,将齿扇轴总成3固定在上端盖法兰安装面L;所述齿扇轴调整销33上部加工为外螺纹结构,便于连接调整螺母,底部加工为光滑、扁平圆柱结构,中心位置加工有外螺纹,其能够安装在齿扇轴31底部环形凹槽中心的内螺纹孔处并通过齿扇轴螺塞35压紧底部光滑、扁平圆柱上表面,从而实现与齿扇轴31的轴向连接;齿扇轴调整螺母34螺纹连接于齿扇轴调整销33顶端,与齿扇轴侧盖板32顶端紧密贴合,通过旋转齿扇轴调整螺母34,可锁紧或同步微调齿扇轴调整销33与齿扇轴31的轴向位置;滚针轴承36外圆面与齿扇轴侧盖板32底端内圆面紧配合安装,内圆面与齿扇轴31顶端外圆面紧配合安装,其作用在于保证齿扇轴31、齿扇轴侧盖板32、齿扇轴调整销33的同轴度及减小齿扇轴31转动阻力。

作为优选,所述齿扇轴还包括橡胶垫37,所述橡胶垫37设置在凹槽内的端面与齿扇轴调整销33的端面之间,并且所述的调整销33压紧橡胶垫37。

作为优选,所述的调整销33设置在凹槽内的端部的直径要大于调整销33其它位置的直径。作为优选,端部的直径是其它位置直径的1.6-2.2倍。通过端部直径的增大,能够保证大面积的接触,能够增加接触的压力。

作为优选,所述的滚针轴承设置在调整销33的其它位置并且抵靠在端部。

齿扇轴输出端a表面加工有三角花键,用来与转向机构实现花键连接,b表面加工有细小中位刻线,用来完成转向机构装配的对中;环形凹槽为台阶孔,最底部的孔用于依次安放橡胶垫及齿扇轴调整销的大端面。

所述齿扇轴(2)输出端A表面三角花键表面粗糙度为1.6。

所述齿扇轴总成中增加了橡胶垫(3),当齿扇轴齿扇与转向螺母齿条配合出现间隙后能在一定范围内实现自动补偿。

所述齿扇轴侧盖板(7)加工了4处通孔用于其与电动转向器总壳体的连接,保证了电动循环球转向机的整体性,气密性。

作为优选,齿扇轴表面渗碳(0.8-1.2)mm,硬度要求(58-62)HRC,以最大程度地发挥了材料的性能,提高节臂强度。

齿扇轴侧盖板与壳体总成采用4点的连接方式,保证齿扇轴总成的装配强度,装置的整体性与气密性。

作为优选,通过增加了橡胶垫,当齿扇轴齿轮面与转向螺母齿轮面啮合处在长期、大载荷使用后出现间隙,其能够在一定范围内实现柔性自动补偿。

将橡胶垫安装在齿扇轴侧盖端的内孔底端位置,依次装入齿扇轴调整销,使齿扇轴调整销的大端面与橡胶垫贴合,将齿扇轴螺塞旋入齿扇轴内孔的螺纹位置,压紧齿扇轴调整销大端面与橡胶垫,保证橡胶垫的压缩量在2mm,齿扇轴螺塞拧到位后,通过铆接安装,压紧齿扇轴螺塞,优选压紧齿扇轴螺塞环形凸台,通过齿扇轴侧盖板中心螺纹孔,将压入滚针轴承的侧盖旋入齿扇轴调整销,使齿扇轴调整销能够螺接并穿过齿扇轴侧盖板,通过调整齿扇轴调整螺母实现轴向锁紧与解锁齿扇轴、齿扇轴调整销、齿扇轴螺塞的位置。

本发明的调整工作原理如下:

转向螺母上的齿条和齿扇轴上的齿扇之间的间隙是通过调整齿扇轴调整销来保证的。间隙调整好以后,齿扇轴调整销,齿扇轴侧盖板和齿扇轴调整螺母是固定在一起的,齿扇轴螺塞和齿扇轴是固定在一起的。转向机在使用一段时间后,转向螺母上的齿条和齿扇轴上的齿扇会出现磨损,其配合间隙就随之增大,会导致齿扇轴调整销的头部台阶面与齿扇轴螺塞的右端面之间会出现一定程度的磨损,此时被压缩的橡胶垫自动使齿扇轴向左移动,自动补偿了齿扇和齿条之间的配合间隙,补偿的移动量就是齿扇轴螺塞表面的磨损量。

如图12所示,所述支撑座总成4包括:支撑座41、单向推力角接触轴承42;所述支撑座41为变内径的贯通环形结构,外部圆周加工有外螺纹,所述单向推力角接触轴承42紧配合安装于支撑座41内部;支撑座总成4轴向套装输入轴与螺杆总成2后,通过其外螺纹紧固在壳体总成1的第一内螺纹面D,实现输入轴与螺杆总成2的安装与限位。

如图13所示,所述涡轮5内径圆面加工有键槽,其作用在于通过平键连接方式轴向安装于输入轴与螺杆总成2轴,表面加工有6处缺口,减轻重量,减小转动惯量,涡轮5与输入轴与螺杆总成2设置为能够同轴转动。

所述涡轮5内径圆面加工有键槽61,表面加工有缺口62,其实际效果在于,能够有效减减轻涡轮重量,减小转动惯量,涡轮5与输入轴与螺杆总成2设置为能够同轴转动;强调指出,所述涡轮5的端面加工有2处内螺纹调整孔63,其实际效果在于,在装配过程中,只有通过在内螺纹调整孔63处使用专用工装或工具,才能精确定位或微调涡轮5与蜗杆6的位置度与啮合情况,从而保证传动链的可实现性与可调整性。

如图14所示,所述螺杆6上端加工有外花键,下端为光滑圆柱面内径圆面,下端轴向安装于螺杆腔的内,与角接触轴承17内圆面紧配合安装,上部套装加工有外螺纹的空心锁紧螺塞,紧固在第二内螺纹面K。

如图15所示,所述转向器内端盖总成7包括:内端盖71、骨架油封72、转角转矩传感器定位板73、传感器固定橡胶块74;所述内端盖71内表面加工有螺纹盲孔,用于安装转角转矩传感器定位板73及转角转矩传感器8,轴向加工为变径通孔;所述骨架油封安装于内端盖71变径通孔内,其外圆面与内端盖71变径通孔大端内圆面紧配合,限位于变径端面,其作用在于防止壳体总成1内部润滑油外泄,损伤转角转矩传感器8;所述转角转矩传感器定位板73通过螺栓连接方式固定于内端盖71内表面螺纹盲孔,其作用在于避免转角转矩传感器8外圈出现沿轴向角度偏移;所述传感器固定橡胶块74其作用在于固定传感器出线端并避免异物进入转向器内部。

如图16所示,所示外端盖总成9包括外端盖91、防尘圈92、深沟球轴承93;所述外端盖91其外表面加工有通孔,作用在于可以通过螺栓连接方式固定于外端盖法兰安装面N,其内表面沿轴向向外加工成变径贯通结构,依次加工有内圆面Ⅰ和圆形凹槽Ⅱ,深沟球轴承93安装于内圆面Ⅰ内,其目的在于确保输入轴22的转动顺畅且在外端盖总成9安装于壳体1A后,能够保证输入轴与螺杆总成2与一级传动腔E、二级传动腔C的同轴度,强调指出,所述外端盖91的最外端面加工3处内螺纹孔94,其实际效果在于,方便在无人线控模式下,加装输入轴锁紧装置或调整装置;所述防尘圈92为不规则橡胶密封圈,其截面为矩形与三角形组成的不规则平面,其主体为矩形截面橡胶密封圈,外侧为钝角三角形截面密封圈最小直径小于矩形截面部分内径,其矩形截面部分安装于圆形凹槽Ⅱ内,由于其特殊形状,其实际效果在于,能够有效封闭外端盖91与输入轴22之间的不规则间隙,阻止灰尘进入,是保护转角转矩传感器的重要手段,标准或通用密封圈无法满足要求。

所述梅花连接套总成10两端加工为内花键结构,其一端内花键连接蜗杆6的外花键端,一端连接电机总成11的输出花键轴,使电机总成11与蜗杆6之间为柔性连接。

所述电机总成11为24V直流永磁同步电机,额定功率1.6kW额定转矩7牛·米,额定转速2200rpm,集成霍尔式位置传感器,方形内螺纹安装法兰,其是本装置的动力源,通过梅花连接套总成10与蜗杆6轴向安装完毕后,通过螺栓连接的方式固定在电机法兰安装面M。

本发明的重型循环球式双模电动动力转向装置与循环球式液压助力转向器结构不同之处在于,重型循环球式双模电动动力转向装置采用蜗轮蜗杆结构及转角转矩传感器结构,替代了循环球式液压助力转向器的液压转阀结构;采用直流电机为助力动力源,替代了液压转向泵动力源;所涉及的重型循环球式双模电动动力转向装置整体结构紧凑,集成度更高,大大减少了动力转向系统的部件数量,并且达到了主动控制转向助力的目的。

由图1至图16所示,本发明专利所涉及的重型循环球式双模电动动力转向装置工作原理的特征如下:

一助力手动模式

通过方向盘正向或反向转动输入轴22时,由于输入轴22与螺杆轴26之间通过弹性扭杆23连接且存在一定角度,优选为±10度的角位移空行程,所以,螺杆轴26与输入轴22在达到角位移空行程极限时,才能够与输入轴22同轴转动,转角转矩传感器8轴向与输入轴22、螺杆轴26连接,控制系统通过采集转角转矩传感器8的输出转矩值,计算出电机总成11的目标转矩,以转矩控制模式驱动电机总成11输出助力转矩,电机总成11通过梅花连接套总成10,将转矩传递至蜗杆6,通过蜗轮5减速增扭后将转矩施加在螺杆轴26上并驱动螺杆轴26转动,此时,输入轴与螺杆总成2内钢球会跟随螺杆轴26螺杆导程而在转向螺母29内部滚动,转向螺母29通过上表面开孔将滚动钢球导向至钢球导管27内,钢球经过钢球导管27导向再重新返回转向螺母29内部;转向螺母29内部循环滚动的钢球提供水平方向侧向推力,推动转向螺母29做水平运动,由于转向螺母29与齿扇轴31啮合,齿扇轴总成3将转向螺母29的推力与直线运动行程转化为转矩与角位移输出。

停止通过方向盘转动输入轴22时,由于输入轴22与螺杆轴26之间的弹性扭杆23在转动过程中,克服了输入轴22与螺杆轴26之间的角位移行程而产生弹性形变,在输入轴22无外力的情况下将恢复弹性形变,即回转至方向盘中间位置。

在控制系统中,创新性的引入了智能助力特征函数与转向主动安全特性函数,具体来说,智能助力函数是在瞬态时域范围内根据车速情况、方向盘转角情况解算的转向阻力电机瞬态目标转矩值,其基本方法如下所示:

其中:

电机总成(目标)转矩Tm(t)(N·M)为系统计算输出值,为单位时间内,进一步优选为50ms内输出值;

驾驶员最小手力Fmin(N)为系统设计设定值,优选为20N;

驾驶员最大手力Fmax(N)为系统设计设定值,优选为50N;

电动转向器一级传动比im(常数)为系统设定值,即蜗轮与蜗杆的传动比,优选为25-35,进一步优选为30;

电动转向器二级传动比in(常数)为系统设定值,即螺杆轴与齿扇轴的传动比,优选为21-31,进一步优选为26.13;

转向器正效率ηm(0~1)为系统设定值,优选为0.6;

方向盘转角θsw(t)(rad)为传感器采集值,单位时间,优选50ms内方向盘转动角度,优选范围为-15.7~15.7;此处的单位时间与电机总成(目标)转矩Tm(t)(N·M)单位时间相同;

转向杆系角传动比is为系统设定值,优选范围为1~1.2;

原地转向阻力矩Tw(N·M)为系统设定值,优选范围为2000~4000;

车速v(t)(km/h)为传感器采集值,优选范围为0~120;

前桥外轮转角θ0'(t)(rad),优选范围为-0.54~0.54;

车轮最大转向角θ0(rad)为设计输入值,优选的绝对值为0.61;

方向盘半径R0(m)为系统设定值,优选为0.21。

另外,其转向主动安全特性函数的主要特性为,根据车辆行驶时的状态信息(如车速、转向半径、路面倾角等)与车辆结构特征(如轮距、轴距、重量等),在不同行驶速度下,动态预判并解析出假设车辆处于发生侧翻或侧滑的临界状态下方向盘所允许的最大角度α0;当驾驶员操纵车辆超过此最大角度时间,系统将驱动电机反向迅速增大转向阻力,阻止方向盘转动,从而有效避免驾驶员操纵车辆出现侧翻或侧滑情况,大大提升行驶安全性,其基本方法为:

其中:

方向盘最大的安全转角α0(°)为系统计算输出值;

轮距B(mm)为系统设定值,优选范围为800~1500;

轴距L(mm)为系统设定值,优选范围为2000~3500;

车轮转臂a(mm)为系统设定值,优选范围为40~100;

车辆质心高度hg(mm)为系统设定值,优选值为400~1500;

车速v(t)(km/h)为传动器采集值,优选范围为0~120;

路面侧倾角度(质心侧倾角度)βk(°)是路面相对于水平面的倾斜角度,为传动器采集值,优选范围为-30°~30°;

电动转向器二级传动比in(常数)为系统设定值,即螺杆轴与齿扇轴的传动比,优选为21-31,进一步优选为26.13;

g是重力加速度,9.8米/秒的二次方。

二线控无人模式

控制系统通过计算转角转矩传感器8的当前转角值与接收到的目标转角值计算出电机总成11的需要运动的绝对目标位置,以位置控制模式驱动电机总成11旋转至绝对目标位置;电机总成11通过梅花连接套总成10带动蜗杆6与蜗轮5旋转;作为优选,蜗杆6与蜗轮5间的减速比为30。由于蜗轮5与螺杆轴26同轴转动,即转动角速度及转动角度相同,此时,输入轴与螺杆总成2内钢球会跟随螺杆轴26螺杆导程而在转向螺母29内部滚动,转向螺母29通过上表面开孔将滚动钢球导向至钢球导管27内,钢球经过钢球导管27导向再重新返回转向螺母29内部;转向螺母29内部循环滚动的钢球提供水平方向侧向推力,推动转向螺母29做水平运动,由于转向螺母29与齿扇轴31啮合,齿扇轴总成3将转向螺母29的推力与直线运动行程转化为转矩与角位移输出。

在控制系统中,创新性的提出了基于车辆横摆角动态干预的车轮目标转角算法,具体来说:第一,通过方向盘转角、电动转向器二级传动比、转向杆系角传动比等参数解算出方向盘目标转角与车轮目标偏转角的函数关系,即:

第二,车辆行驶并转向过程中,由于车辆自身的动力学特征,在不同车速、不同方向盘转角的情况下必然会出现或多或少的车身横摆现象,而车辆产生过大的横摆角将可能导致车辆发生侧滑或侧翻的危险,因此,控制系统在频域中,估算出在不同车速情况下车辆横摆角与方向盘转角的传递关系,通过设定车辆横摆角门限值ωr(S)即能够得到不同车速下方向盘转角门限值θp(S),所以,当某一车速下出现车辆横摆角门限值时,比较θp(S)与θp的大小,即当方向盘转角门限值θp(S)与方向盘目标转角θp的比值小于1时,系统将自动使用方向盘转角门限值θp(S)取代方向盘目标转角θp;方向盘转角门限值θp(S)与方向盘目标转角θp的比值大于或等于1时,维持方向盘目标转角θp,从而实现对车轮目标转角的动态干预。其中通过下面公式求出θp(S):

其中:

以上各式中参数如下表:

需要说明的是,本领域技术人员可以容易地理解,本发明专利所涉及的重型循环球式双模电动动力转向装置可以上述方式应用在有人、无人驾驶的不同类型的轮式车辆转向系统中,并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明专利的精神和范围的情况下,可以对本发明专利进行各种不同形式的更改和改变。

所述装置采用直流24±4VDC供电,总体额定功率1.6kW,最大输出转矩4000N·m,齿扇轴最大角速度18°每秒,齿扇轴最大行程±37°,输入轴最大行程-720°至720°,双CAN通讯接口,具有位置、助力双工作模式及主动回正功能。

所述装置的通讯协议为:装置采用CAN 2.0B通讯协议,在发送帧与返回帧的8个数据字节中,使用1个字节明确表示装置的工作模式,使用2个字节表示角度数据,通讯协议数据位具体解释如下:

表1工作模式解释(1表示有效,0表示无效)

虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1