一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的制作方法

本实用新型涉及汽车技术领域，具体涉及一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置。

背景技术：

分布式驱动电动汽车主要有轮毂驱动和轮边驱动两种形式，轮毂驱动增加了非簧载质量，轮胎接地动载荷大，影响了行驶平顺性和操纵性，同时为了布置轮毂电机，转向系统和悬架需重新设计。而轮边驱动与轮毂驱动相比，在未增加簧下质量的情况下同样可以具备轮毂电机驱动形式的各轮独立驱动优势，并且转向系统与悬架可沿用现有技术，综合性能更加优异。

电动助力转向系统可根据优化的助力特性控制助力电机实现助力，可同时实现低速转向轻便，高速行驶路感好，提高了操纵稳定性和驾驶员操纵舒适性，是现在运用范围最广的转向系统形式。现有的电动助力转向系统主要有三种形式，即转向轴助力式、齿轮助力式以及齿条助力式。

转向轴助力式电动助力转向系统将转向器占用的空间减到最小，但是由于电动机离驾驶员较近，电动机输出力矩的波动和噪声很容易传递到转向盘上，因此影响驾驶舒适性和路感；齿轮助力式电动助力转向系统将转矩传感器、电动机、减速机构以及离合器集成在一起,电动机直接通过减速机构驱动齿轮轴进行助力，结构复杂，故障率高。齿条助力式电动助力转向系统通过将助力力矩直接施加在齿条上实现助力，系统刚度好、传力能力大、结构紧凑，同时不受安装位置的限制，电动机的波动不易传递到转向盘上，提高了驾驶舒适性。但齿条助力式电动助力转向系统由于助力位置在转向器下方，为此需要较大的输出力矩，为了提高经济性，一般采用24V或48V直流电压供电，这需要额外的直流变换电路实现。这对于现有12V直流供电的传统汽车无形中增加了额外成本。即便是对于电动汽车而言，无论哪种形式的电动助力转向系统都需要额外增加一个转向助力电机及其减速机构才能完成需要的助力功能。

技术实现要素：

基于上述背景，本实用新型设计开发了一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置，本实用新型的实用新型目的是通过使用双转子电机进行转向助力，实现转向系统与轮边独立驱动集成一体化。

本实用新型提供的技术方案为：

一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置，包括：

双转子电机，其内转子连接第一驱动半轴，用于驱动一侧车轮，外转子通过输出轴连接主动齿轮，能够驱动主动齿轮旋转；

驱动电机，其转子连接第二驱动半轴，用于驱动另一侧车轮；

齿条丝杠轴，其两端分别铰接转向横拉杆；

从动齿轮，其中心孔和所述齿条丝杠轴螺纹副配合，能够在所述主动齿轮的驱动下，带动所述齿条丝杠轴移动，实现转向。

优选的是，还包括转向操纵系统，包括：

转向盘，其中心连接转向轴；

转向盘转矩传感器，其安装在所述转向轴上，用于检测转向盘的转矩；

其中，所述齿条丝杠轴包括位于一侧的齿条部以及位于中部丝杠部，所述齿条部与所述转向轴下端的转向齿轮啮合，所述丝杠部与所述从动齿轮的中心孔丝杠副配合。

优选的是，所述双转子电机包括：

外壳，其内具有容置空间，用于布置外转子和内转子；

永磁体，其镶嵌在外转子内侧和外侧表面上；

定子，其固定在所述外壳内表面上；

励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；

电枢绕组，其安装在所述内转子上；

其中，所述双转子电机的外转子输出轴连接主动齿轮，用于输出转矩，内转子输出轴连接所述第一驱动半轴，用于输出驱动车辆行驶的驱动转矩。

优选的是，所述驱动电机包括：

外壳，其内具有容置空间，用于布置转子；

永磁体，其镶嵌在转子表面上；

定子，其固定在所述外壳内表面上；

励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；

电枢绕组，其安装在所述内转子上；

其中，所述驱动电机的转子输出轴连接所述第二驱动半轴，用于驱动另一侧车轮。

优选的是，所述双转子电机的外转子包括牙嵌式相互配合的主体和端盖，所述双转子电机的内转子通过上下轴承支撑嵌套在所述主体和端盖形成的容置空间中，其输出端从容置空间中穿出连接所述内转子输出轴。

优选的是，还包括：

从动齿轮，其中心孔内壁加工有半圆螺旋槽，并且内壁沿着轴向还加工内循环通道，其入口和出口分别在所述半圆螺旋槽的起点和终点处；

其中，所述齿条丝杠轴上设置半圆螺旋槽，其与所述从动齿轮的半圆螺旋槽位置对应；

滚珠，其沿所述半圆螺旋槽以及所述内循环通道滚动。

优选的是，

第一驱动半轴，其一端通过万向节连接所述双转子电机的内转子输出轴，用于输入驱动力；

第二驱动半轴，其一端通过万向节连接所述驱动电机的转子输出轴，用于输入驱动力；

转向节，其通过轮毂轴承支承在轮毂和车轮上，其上开设空心轴颈；

其中，所述横拉杆通过球头销连接所述转向节。

优选的是，还包括：

中央处理单元，其通过CAN总线连接所述双转子电机；

其中，所述转向盘转矩传感器电联所述中央处理单元，所述中央处理单元通过转向盘转矩控制所述双转子电机转矩。

本实用新型与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、系统集成性好；本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置通过使用双转子电机和滚珠丝杠机构在实现传统的轮边驱动系统的独立驱动功能之外，同时实现了电动助力转向功能。即实现了转向系统与驱动系统的集成；

2、结构紧凑；本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置使用双转子电机同时提供驱动力矩和转向助力矩，并采用滚珠丝杠机构实现减速增扭和运动转换，与传统的电动助力转向系统相比，体积小，结构更加紧凑，同时不受安装位置的限制；

3、可利用差动驱动协同转向助力，从而实现转向节能；本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置可以发挥左右车轮独立轮边电机驱动的技术优势，利用左右车轮驱动转矩差值产生地面驱动力差，从而产生差动助力转向力矩协同一侧布置的双转子电机完成助力转向，故可以降低双转子电机的助力转向力矩需求，实现转向节能；

4、驾驶舒适性好；本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置在转向助力时，电机产生的力矩波动及噪声不易传递至驾驶员，大大提高了驾驶舒适性。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置三维视图。

图2为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的结构组成简图。

图3为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的滚珠丝杠机构全剖视图。

图4为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的滚珠丝杠机构螺母的轴测视图。

图5为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的双转子电机的外转子轴测视图。

图6为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的双转子电机的内转子轴测视图。

图7为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的电气连接关系图。

图8为本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的控制过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。图1-7表示出了本实用新型内容的一种实现实例，但不仅限于此一种形式。凡是利用双转子电机实现助力转向和独立驱动集成一体化的系统均属于权利保护范围。另外，本实用新型说明书中所使用的方位词，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等都只是结合本实例及其附图为方便论述采用的方位词，并不意味着实例所示结构只能按此方位布置和安装，实际使用时可以按照实际的布置空间予以变换方位和连接关系。仅仅调换方位和布置关系不构成有别于本实用新型的新结构。

如图1所示，本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置包括：转向操纵系统100，左轮驱动系统300，转向助力执行系统400，左驱动电机500，双转子电机600，右轮驱动系统700。

如图1、2所示的实施例中，所述双转子电机600包括外壳670、外转子610、内转子620、永磁体630、励磁绕组640、定子650、电枢绕组660。其中，外壳670用于容置所述外转子610和内转子620；永磁体630贴在外转子610内外侧表面上；定子650固定在所述外壳670上；励磁绕组640安装在所述定子650上；电枢绕组660安装在所述内转子620上。如图5所示的实施例中，所述双转子电机600的外转子610包括采用牙嵌式相互配合的主体611和端盖612，主体611前端面中心有一个内径稍大一些的轴承孔和内径小一些的光孔组成的阶梯通孔，轴承孔用来安装内转子620的上支承轴承。端盖612底部内侧加工有轴承沉孔，用于安装内转子620下支撑轴承。同时，端盖612输出轴端加工有外花键用于和主动齿轮440通过花键连接。内转子620嵌套在所述牙嵌式相互配合的主体611、端盖612形成的容置空间中。

安装时，先将内转子620上端及轴承安装至外转子610主体611内部，再套上外转子端盖612，再将外转子610和内转子620整体安装至双转子转向电机外壳670中。双转子电机外壳固定在车架上，布置在悬架之上，属于簧上质量。

在另一实施例中，如图5所示，主体611后端与端盖612配合处圆周加工有六个圆弧梯形凹槽齿，即凹槽齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端，凹槽齿的齿跟平面还加工有圆环弧状小凹槽；端盖612与主体611六个圆弧梯形凹槽对应处加工有六个圆弧梯形凸起齿，凸起齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端，圆弧梯形凸起齿的齿顶平面还加工有对应于主体圆弧梯形凹槽齿齿跟处小凹槽的圆环弧状凸起，圆弧梯形凸起和圆弧梯形凹槽基本尺寸相同。主体611和端盖612组合成外转子610时，主体611的圆弧梯形凹槽齿和对应的端盖圆梯形凸起齿的齿形两侧配合定位，起到径向定位的作用，使两者中心对中，且各自齿跟的小凹槽和齿定圆环弧状凸起两两对应间隙配合，起到辅助径向限位和轴向定位的作用，保证主体611和端盖612牙嵌配合时可靠定心。

其中，所述的双转子电机为双端输出型结构，所述的双转子电机内转子620输出端通过花键与右内万向节740连接，外转子610输出端通过花键连接着主动齿轮440。

在另一实施例中，如图2所示，所述的左驱动电机500为普通单转子电机，其由定子550、转子520、永磁体530、励磁绕组540及电机外壳510所组成。其中，定子550固定在电机外壳上510，同时定子550上安装有励磁绕组540，转子520上固定有永磁体530。左驱动电机500的输出端即为转子520的输出轴端，输出端上顶部加工有外花键，用以与左内万向节340进行连接。左驱动电机外壳固定在车架上，布置在悬架之上，属于簧上质量。

如图1、图2所示，所述的左轮驱动系统300包括左外半轴310、左外万向节320、左内半轴330、左内万向节340、左转向节350、左车轮360。其中，所述的左内万向节340和左外万向节320都为等角速万向节。左转向节350的轴颈部分做成中空的，以便于外半轴310穿过其中。

如图1、图2所示，所述的右驱动系统700包括右外半轴710、右外万向节720、右内半轴730、右内万向节740、右转向节750、右车轮760。其中，所述的右内万向节340和右外万向节320都为等角速万向节。右转向节750的轴颈部分做成中空的，以便于外半轴710穿过其中。

其中，所述的左驱动系统300和右驱动系统700组成完全相同，结构及各部件结构完全相同。

如图1、图2所示，所述的双转子电机600的内转子620的输出端和右内半轴730的内端通过右内万向节740连接，右内半轴730的外端和右外半轴710的内端通过右外万向节720连接起来。右外半轴710的外端加工有凸缘，凸缘上加工有六个均布的螺栓，通过螺栓及螺母将右外半轴710的凸缘与右车轮760的轮毂固定连接，使右外半轴710能驱动右车轮760转动。

如图1、图2所示，所述的左驱动电机500的输出端和左内半轴330的内端通过左内万向节340连接，左内半轴330的外端和左外半轴310的内端通过左外万向节320连接起来。左外半轴310的外端加工有凸缘，凸缘上加工有六个均布的螺栓，通过螺栓及螺母将左外半轴310的凸缘与左车轮360的轮毂固定连接，使左外半轴310能驱动左车轮360转动。

在另一实施例中，如图1、2、3、4所示，所述的转向助力执行系统400由滚珠丝杠机构螺母410、中间齿轮轴齿轮420、齿条丝杠轴430、主动齿轮440、中间齿轮轴450、滚珠460组成。所述的滚珠460、齿条丝杠轴430、滚珠丝杠机构螺母410组成滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠螺母副的作用是通过滚珠丝杠螺母机构的特殊作用将双转子电机外转子610的旋转运动转换输出为齿条丝杠轴430的直线运动。其中齿条丝杠轴430与转向器160中的齿条为一体化结构，同时齿条丝杠轴430上加工有半圆螺旋槽，作为滚珠460滚动的轨道；其中滚珠丝杠机构螺母410为齿轮轴形，螺母中心内壁加工有与丝杠430对应相同的半圆螺旋槽，用于装配滚珠460以及作为滚珠460滑动的轨道,孔壁为光孔。同时，螺母410内壁延轴向中还有加工有滚珠的内循环通道，通道入口和出口分别在半圆螺旋槽的靠近起点处及终点处，滚珠循环通道使滚珠460能在轨道中循环滚动，实现将螺母410的转动运动转化为丝杠430的直线运动。滚珠丝杠机构的螺母410中间的从动齿轮401为普通直齿齿轮，与中间齿轮轴450上的普通圆柱直齿齿轮420相啮合。所述的中间齿轮轴450通过一对角接触球轴承支承在转向器壳体上。所述的主动齿轮440为普通圆柱直齿齿轮，其中心加工有与双转子电机外转子610输出端花键所对应的花键孔，用以与双转子电机外转子610输出轴端进行连接。主动齿轮440与中间齿轮轴齿轮420相啮合，其压力角及模数与中间齿轮轴齿轮420相同。

在另一实施例中，如图1、2所示，所述的转向操纵系统100由转向盘101、转向轴110、转向盘转矩传感器120、第一万向节130、转向传动轴140、第二万向节150、转向器160、转向器左外壳170、转向器右外壳180、转向横拉杆190组成。所述的转向盘101中心连接着转向轴110，转向轴上安装有转向盘转矩传感器120，转向轴110下端通过第一万向节130与转向传动轴140输入端进行连接，转向传动轴140的输出端连接着第二万向节150的输入端，第二万向节150的输出端连接着转向器160的输入端。

所述的转向器160选用的齿轮齿条转向器，包括有转向输入小齿轮、齿条、转向器壳体。其中，齿条与滚珠丝杠机构的丝杠加工为一体组成齿条丝杠轴430。齿条丝杠轴430的两端中心加工有螺纹孔用以安装球头销，通过球头销连接着左右转向横拉杆190，左右转向横拉杆190再通过球头销分别连接着左转向节350和右转向节750。值得说明的是，本实用新型虽选用的齿轮齿条转向器，但不局限于使用齿轮齿条转向器，其它形式的转向器皆可，此项不构成对本实用新型所述权利要求保护范围的限制。

如图1、图2、图3所示，转向器壳体分为左转向器壳体170和右转向器壳体180，左转向器壳体170和右转向器壳体180通过螺栓及螺母连接固定，其中平行安装着主动齿轮440、中间齿轮轴450、滚珠丝杠机构螺母410，其中滚珠丝杠机构螺母410左右外壁和左、右转向器壳体间各安装着一个推力轴承190用以限制滚珠丝杠机构螺母410的水平移动。主动齿轮440和中间齿轮轴450都通过轴承支撑在转向器壳体上。转向器壳体与车架固定，布置在悬架之上，属于簧上质量。

如图1、图2所示，所述的各部件具体连接关系为：双转子电机内转子620输出端与右内半轴730的内端通过右内万向节740相连接，右内半轴730的另一端与右外半轴710的内端通过外万向节720相连接，右外半轴710从右车轮转向节750中空的轴颈中心穿过，右外半轴710与右车轮760的轮毂通过右外半轴710上的凸缘用均布的螺栓及螺母连接；左驱动电机500的输出轴端与左内半轴330的内端通过左内万向节340相连接，左内半轴330的另一端与左外半轴310的内端通过左外万向节320相连接，左外半轴310从左车轮转向节350中空的轴颈中心穿过，左外半轴310与左车轮360的轮毂通过左外半轴310上的凸缘用均布的螺栓及螺母固定。转向盘101中心连接着转向轴110，转向轴110上安装有转向盘转矩传感器120，转向轴110下端通过第一万向节130与转向传动轴140输入端进行连接，转向传动轴140的输出端连接着第二万向节150的输入端，第二万向节150的输出端连接着转向器160的输入端，转向器160的齿条与滚珠丝杠机构的丝杠加工为一体组成齿条丝杠轴430，齿条丝杠轴430的两端分别通过球头销连接着左右转向横拉杆190，左右转向横拉杆190再通过球头销分别连接着左车轮转向节350和右车轮转向节750。双转子电机外转子610输出轴通过花键固定着主动齿轮440，主动齿轮440与中间齿轮轴齿轮420相啮合，主动齿轮440和中间齿轮轴450分别通过一对角接触球轴承支承在转向器外壳上。滚珠丝杠机构的丝杠与转向器160的齿条加工为一体组成齿条丝杠轴430，滚珠丝杠机构螺母410上的从动齿轮401与中间齿轮轴齿轮420相啮合，滚珠丝杠机构螺母410轴向两端各安装有一个推力轴承190，这对推力轴承190分别安装在左转向器壳体170和右转向器壳体180上，这样即限制了滚珠丝杠机构螺母410沿丝杠的直线运动，使其只能绕齿条丝杠轴430的轴线转动，从而驱动齿条丝杠轴430作直线移动。

在另一实施例中，如图7所示，转向盘转矩传感器120通过线缆连接着中央处理单元(ECU)，ECU通过线缆连接着双转子电机600。ECU可读取转向盘转矩传感器120中测得的转向盘转矩信号，同时与整车CAN总线相连接，可读取CAN总线的车速等信号。ECU可控制双转子电机600。

本实用新型所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统具体的工作过程和工作原理为：

双转子电机内转子620受控产生驱动力矩，驱动力矩经右内万向节740、内半轴730、外万向节720及外半轴710传递至右车轮760的轮毂上，从而驱动右车轮760转动；同理左驱动电机500受控转子输出驱动力矩，驱动力矩经左内万向节340、左内半轴330、左外万向节320及左外半轴310传递至左车轮360的轮毂上，从而驱动左车轮360转动。

直行时，双转子电机600的内转子620和左驱动电机500输出的驱动力矩相等；当汽车转弯时，由于两侧轮边电机的转矩可以进行单独控制，故可以使处在弯道内外侧的左右车轮的驱动电机(即双转子电机和左驱动电机)输出不等的转矩，于是地面将产生左右驱动力差，可以利用此驱动力差和轮胎接地主销横向偏移距产生差动助力转向力矩，和双转子电机外转子输出的助力转向力矩一同辅助驾驶员完成转向动作，减轻驾驶员转向负担，提高转向轻便性。

当驾驶员操纵转向盘101转动，转向盘101带动转向轴110转动，转向盘转矩传感器120测量出驾驶员所施加的转矩，并将信号传输至中央控制单元(ECU)，ECU结合车速信号从存在ECU中的助力特性曲线图中读取相应的助力转矩大小，并计算出双转子电机外转子610产生该助力力矩所对应的绕组电流，ECU发出控制指令至双转子电机外转子610，双转子电机外转子610产生助力力矩，助力力矩经主动齿轮440、中间齿轮轴齿轮420以及滚珠丝杠机构的直接作用在齿条430上，助力力矩在齿条430上与驾驶员施加转向力矩相叠加，从而拉动转向横拉杆190使左车轮360和右车轮760转过相应角度，实现电动助力转向的功能。

如图8所示，本实用新型所述的一种助力转向与独立驱动集成式轮边电驱动装置的控制过程具体如下：

步骤1：系统程序初始化，控制器读取车速、加速踏板开度、转向盘转矩等车辆行驶状态信号；

步骤2：首先，根据车速、加速踏板开度信号查表得到目标总驱动转矩T_d。其次，根据车速、转向盘转矩信号查表得到目标转向盘转向助力转矩T_a。所需的数据表事先标定好储存在ECU中；

步骤3：计算齿条移动所需的目标加载在齿条上的助力F_a，计算公式如下:

F_a＝T_a/r_p，

其中，r_p为转向器小齿轮半径；该助力F_a与驾驶员施加在齿条上的移动力一起推动车轮绕主销偏转，完成转向。

步骤4：分配差动助力转向齿条力F_a1和双转子电机助力转向齿条力F_a2，计算公式如下：

F_a1＝kF_a，

F_a2＝(1-k)F_a

其中，k(取值为0～1之间)定义为差动助力转向分配系数，k＝1时，全部为差动助力转向；k＝0时，全部为双转子电机助力转向。一般驾驶情况下k＝0，在节能驾驶情况下k＞0。k的具体取值根据分配后的各个电机的转矩小于当前转速下的电机最经济工作转矩原则来确定，以保证尽可能的节省总能量需求。

步骤5：计算左右轮驱动转矩差ΔT，计算公式如下：

其中，N为齿条平动位移到转向节角位移传动比(单位：m/rad)；r_w为车轮滚动变径；r_σ为主销接地横向偏移距。

步骤6：计算左右轮驱动转矩指令，按下面两个公式计算，

T_d＝T_r+T_l，

ΔT＝|T_r-T_l|，

其中，T_r为双转子电机内转子输出转矩，T_l为左驱动电机输出转矩。差动助力转向要求汽车向左转向时，T_r＞T_l；当汽车向右转向时，T_r＜T_l。

最终输出双转子电机内转子转矩控制指令至双转子电机和左驱动电机转矩控制指令至左驱动电机。

步骤7：计算双转子电机外转子输出转矩T_w指令，T_w计算公式如下：

式中，i₁为主动齿轮440到中间齿轮轴齿轮420的传动比，i₂为中间齿轮轴齿轮420到滚珠丝杠机构螺母410上的从动齿轮401的齿轮副的传动比，d₂为滚珠丝杠的中径，λ为滚珠丝杠机构的丝杠螺旋升角。

最终输出双转子电机外转子转矩控制指令至双转子电机。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。