一种混合型前轮主动转向系统的制作方法

本发明属于汽车转向技术领域，具体涉及一种混合型前轮主动转向系统。

背景技术：

汽车转向系统的操控性能直接关系到汽车的主动安全以及驾驶者的驾驶体验。传统齿轮齿条转向系统中，转向盘到前轮的转向传动比是固定的。前轮主动转向系统(Active Front Steering System，AFS)可以根据车速改变转向传动比，且当驾驶者进行过度操纵而导致车辆接近不稳定区域时对前轮转向角进行主动修正，以保持车辆稳定行驶。

AFS系统设计了一个转角叠加机构，多用双输入单输出减速器(行星齿轮、谐波减速器等)来实现。德国宝马公司和ZF公司联合开发的前轮主动转向系统(AFS)主要由液压助力齿轮齿条式动力转向系统、行星齿轮式变传动比执行系统和电控系统组成。奥迪动态转向系统实现转角叠加的核心组件为谐波齿轮机构。

装有AFS的汽车，低速行驶时转向传动比小，转向盘转动总圈数少，转向操纵方便(车辆出入库时，转向不用换手)；高速行驶时转向传动比大，转向操纵更间接，从而提高高速行驶转向时的稳定性。

AFS是一种能够主动修正前轮转向角，同时又具有较高可靠性的先进转向系统，但是，AFS的主动转向和转向干预需要驾驶员相应的合作和配合。当AFS进行主动转向时，其转向盘会随之转动，驾驶员不能松开转向盘，否则AFS将不能驱动前轮转向，而通过行星齿轮机构驱动转向盘反转。并且当AFS系统主动控制时，也会影响传到方向盘上的力矩，从而影响驾驶员的路感。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种混合型前轮主动转向系统，该系统的方向盘和转向轮之间具有实时可控的力传递特性和角传递特性，具有可变传动比控制、车辆稳定性控制、路感和回正控制、自动驾驶控制及人机共驾控制的功能，在系统失效时自动恢复到机械转向状态，完全满足安全法规要求。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种混合型前轮主动转向系统，包括：输入轴、输出轴、双排行星齿轮、行星架、方向盘、方向盘转角传感器、路感力矩传感器、路感电动机、路感反馈蜗轮、转向执行电机、转角传感器、转向器及电子控制单元；

所述双排行星齿轮由同轴固定的第一行星齿轮和第二行星齿轮组成；

所述行星架为圆柱形壳体，在其外圆周面加工有周向齿；

所述路感电动机的输出轴固定有同轴的路感反馈电机蜗杆；

所述转向执行电机的输出轴固定有同轴的转向执行电机蜗杆；

整体连接关系如下：输入轴和输出轴的一端均同轴安装有齿轮，输入轴的另一端安装有方向盘，输出轴的另一端安装有转向器；双排行星齿轮通过轴承安装在行星架内，且双排行星齿轮的第一行星齿轮与输入轴端部的齿轮啮合，双排行星齿轮的第二行星齿轮与输出轴端部的齿轮啮合，从而将输入轴和输出轴同轴连接；

行星架上的周向齿与转向执行电机上的转向执行电机蜗杆啮合；路感反馈蜗轮固定在输入轴上，并与路感电动机上的路感反馈电机蜗杆啮合；

方向盘转角传感器和路感力矩传感器安装在输入轴上，并位于方向盘与路感反馈蜗轮之间；转角传感器安装在输出轴上；

电子控制单元接收到方向盘转角传感器所检测的输入轴的转向信息，并结合当前的车速信息计算转向执行电机的转速后，对转向执行电机进行转动控制；电子控制单元接收到路感力矩传感器所检测的输入轴的力矩信息和转角传感器所检测的输出轴转角信息后，根据设定的路感控制策略，对路感电动机进行转动控制。

有益效果：(1)本发明通过混合传动单元和三个传感器实现了角传递特性和力传递特性的可控，通过电子控制单元的控制可实现转向系统的智能化；在辅助驾驶系统中，转向执行电机通过混合传动单元主动叠加一个转向角度输出到转向器，使转向器两端的车轮保持在车道中间，实现智能驾驶辅助；在自动驾驶工况，如自动泊车时，路感模拟电机可施加力矩使输入轴不动，转向执行电机通过混合传动系统控制车轮的转向；该系统具有高可靠性，通用性，市场前景广，方便应用于普通乘用车和商用车。

(2)本发明的行星架上加工有周向齿，与转向执行电机上的转向执行电机蜗杆啮合；这样，控制转向执行电机就可以实现角传递特性的时实可控，达到变传动比、主动干预转向或人机智能共驾的功能。

(3)本发明在输入轴上安装的路感反馈蜗轮与路感模拟电机上的路感反馈电机蜗杆啮合，路感模拟电机可对输入轴施加控制力矩，从而控制方向盘力矩，产生一个理想的驾驶员路感，从而实现可控的力传递特性。

(4)当行驶在不平路面时，本发明的电子控制单元根据输出轴上的转角传感器的信号和路感力矩传感的信号波动做出不平路面的判断，发送指令给路感模拟电机，产生反向力矩抵消驾驶员手上的振动和冲击；方向盘不会再因路面的剧烈变化而产生过度振动，驾车员能更平稳地把控方向盘，减轻了驾驶员的疲劳。

(5)本发明的蜗轮蜗杆的啮合部分采用低摩擦材料和大导程角，使蜗轮蜗杆机构具有一定的逆效率，不会自锁，即使系统失效，仍然可通过机械连接实现转向功能。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的混合传动单元工作原理图。

其中，1-输入轴，2-输出轴，3-第一行星齿轮，4-第二行星齿轮，5-行星架，6-转向执行电机蜗杆，7-路感反馈蜗轮，8-路感反馈电机蜗杆，9-电子控制单元，10-方向盘，11-方向盘转角传感器，12-路感力矩传感器，13-路感电动机，14-转向器，15-转向执行电机，16-转角传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种混合型前轮主动转向系统，参见附图1和2，包括：输入轴1、输出轴2、双排行星齿轮、行星架5、方向盘10、方向盘转角传感器11、路感力矩传感器12、路感电动机13、路感反馈蜗轮7、转向执行电机15、转角传感器16、转向器14及电子控制单元9；

所述双排行星齿轮由同轴固定的第一行星齿轮3和第二行星齿轮4组成；

所述行星架5为圆柱形壳体，在其外圆周面加工有周向齿；

所述路感电动机13的输出轴固定有同轴的路感反馈电机蜗杆8；

所述转向执行电机15的输出轴固定有同轴的转向执行电机蜗杆6；

所述路感反馈蜗轮7、行星架5的周向齿、路感反馈电机蜗杆8及转向执行电机蜗杆6均为大导程角，材料均采用低摩擦材料；

整体连接关系如下：输入轴1和输出轴2的一端均同轴安装有齿轮，输入轴1的另一端安装有方向盘10，输出轴2的另一端安装有转向器14；双排行星齿轮通过轴承安装在行星架5内，且双排行星齿轮的第一行星齿轮3与输入轴1端部的齿轮啮合，双排行星齿轮的第二行星齿轮4与输出轴2端部的齿轮啮合，从而将输入轴1和输出轴2同轴连接；

行星架5上的周向齿与转向执行电机15上的转向执行电机蜗杆6啮合；路感反馈蜗轮7固定在输入轴1上，并与路感电动机13上的路感反馈电机蜗杆8啮合；

方向盘转角传感器11和路感力矩传感器12安装在输入轴1上，并位于方向盘10与路感反馈蜗轮7之间；转角传感器16安装在输出轴2上；

电子控制单元9分别与方向盘转角传感器11、路感力矩传感器12、转角传感器16、路感电动机13及转向执行电机15电气连接；即电子控制单元9接收方向盘转角传感器11、路感力矩传感器12及转角传感器16的信息，并对所述信息进行整理后，发送给路感电动机13及转向执行电机15进行控制；

其中，输入轴1、输出轴2、双排行星齿轮、行星架5、路感反馈蜗轮7、路感电动机13上的路感反馈电机蜗杆8及转向执行电机15上的转向执行电机蜗杆6组成了混合传动单元。

工作原理：驾驶员转动方向盘10操作汽车转向时，初始时，行星架5保持不动时，输入轴1带动其端部的齿轮转动，进而带动与其啮合的第一行星齿轮3进行自转，由于第一行星齿轮3与第二行星齿轮4同轴固定，因此，第二行星齿轮4也相同的转速进行自转，进而通过输出轴2端部的齿轮带动输出轴2转动，从而驱动转向器14转动；当方向盘转角传感器11检测到输入轴1的转向信息后，将该转向信息传递给电子控制单元9，电子控制单元9根据所述转向信息并结合当前的车速信息计算转向执行电机15的转速后，控制转向执行电机15按所计算的转速转动，转向执行电机15通过转向执行电机蜗杆6带动行星架5转动，此时行星架5转动带动第一行星齿轮3和第二行星齿轮4以输入轴1为中心进行公转，进而带动输出轴2端部的齿轮转动，即驱动转向器14转动；驱动转向器14的实际转动为上述两个方面的运动合成，驱动转向器14带动两端的车轮偏转设定的角度；

同时，电子控制单元9接收到路感力矩传感器12所检测的输入轴1的力矩信息和转角传感器16所检测的输出轴2转角信息后，根据设定的路感控制策略，对路感电动机13进行转动控制，即通过路感反馈蜗轮7带动输入轴1转动，产生助力力矩，使驾驶员操作轻便，路感清晰；当行驶在不平路面时，电子控制单元8根据输出轴2上的转角传感器16的信号和路感力矩传感12的信号波动做出不平路面的判断，发送指令给路感电机13，路感电动机13产生反向力矩抵消驾驶员手上的振动和冲击；

其中，混合传动单元的工作原理如下：

根据行星传动的运动方程，可得：

n₁-αn₂-(1-α)n₅＝0

式中，n₁为输入轴1的转速，n₂为输出轴2的转速，n₅为行星架5的转速，α为输入轴1和输出轴2的转速比；

整理后，得

$n_2=\frac{1}{\mathrm{\α}}{n}_1+(1-\frac{1}{\mathrm{\α}})n_5$

由上式可知，输出轴2的转速等于输入轴1的转速和行星架5的转速的加权和，加权系数分别为和输出轴2转速的变化可以调节输入轴1的转速和行星架5的转速来实现；

其中，输入轴1和输出轴2的转速比α还等于在行星架5固定不动时，输入轴1的转速n′₁与输出轴2的转速n′₂的比值，即

$\mathrm{\α}=\frac{n_1^{\′}}{n_2^{\′}}=\frac{z_3}{z_1}\×\frac{z_2}{z_4}$

式中，z₁为输入轴1上的齿轮的齿数，z₂为输出轴2上的齿轮的齿数，z₃为第一行星齿轮3的齿数，z₄为第二行星齿轮4的齿数。

当系统失效(即电子控制单元9或转向执行电机15不工作)时，可通过锁止机构来锁止行星架5，使其转速为0，此时：

$n_2=\frac{1}{\mathrm{\α}}{n}_1$

为了使本发明的系统与传统的机械转向系统的传动比一致，可使得接近于1，但不能等于1(因为此时输出轴2的转速与转向执行电机15的转动无关)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。