一种转向柱管和转向系统及车辆的制作方法

本发明属于车辆转向系统研究领域，具体涉及一种转向柱管和转向系统及车辆。

背景技术：

目前自动驾驶技术在全球各地纷纷研发，成为汽车行业当前的热点。自动驾驶技术使汽车的安全性极大提高，同时缓解驾驶员的驾驶疲劳，让驾驶员无需再紧张地注视着道路状况，而且可以将这部分时间自由支配。线控转向技术就为自动驾驶提供良好的基础，可以让驾驶员在享受自动驾驶技术的同时，也能够享受人工操纵时的驾驶乐趣。

在现有技术中，有利用伺服电机，借助涡轮和蜗杆，直接带动螺纹主轴旋转，使与转向柱管连接的带螺纹的螺纹轴通过旋转进入螺纹主轴内部，实现转向柱管的收缩。该装置需要另加伺服电机实现转向柱的收缩与伸展，零部件复杂繁多，成本昂贵，难以应用到现有线控转向系统中。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种转向柱管，该转向柱管结构简单，转向柱管主轴能收缩，增加驾驶舱的空间度。

本发明还提出一种具有上述转向柱管的转向系统及其方法，在不添加任何驱动电机的情况下，利用线控转向系统中的路感电机，为驾驶员在人工操纵的情况下提供合适的路感，在自动驾驶模式下实现转向柱管的收缩，以增加驾驶舱的空间，实现两种模式的自由切换，以增加驾驶员在不同操纵模式下的舒适度。

本发明还提出一种具有上述转向系统的车辆。

本发明的技术方案是：一种转向柱管，包括

外筒，

内筒，所述内筒位于外筒的内部；

转向柱管主轴，所述转向柱管主轴从上向下依次穿过外筒和内筒顶部的通孔，且所述转向柱管主轴的末端与内筒的内壁螺纹连接；

锁止装置a，所述锁止装置a与外筒和转向柱管主轴连接，锁止装置a使外筒和转向柱管主轴锁止或分离；

锁止装置b，所述锁止装置b与内筒和转向柱管主轴连接，锁止装置b使内筒和转向柱管主轴锁止或分离；

和离合器，所述离合器与外筒和内筒连接，离合器使外筒和内筒结合或分离。

上述方案中，还包括

固定装置，所述固定装置用于与车辆的车架连接；

和滚珠轴承，所述滚珠轴承与外筒和固定装置连接。

上述方案中，所述锁止装置a和锁止装置b为电磁锁止装置；

所述锁止装置a的锁止执行部件安装在外筒通孔的内壁，锁止部件安装在转向柱管上；

所述锁止装置b的锁止执行部件安装在内筒通孔的内壁，锁止部件安装在转向柱管上；

一种转向系统，包括所述的转向柱管、检测机构、路感电机和电子控制单元；

所述路感电机与转向柱管的外筒连接；

所述检测机构用于检测信号，所述信号包括模式选择信号、前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号；

所述电子控制单元分别与检测机构、路感电机和转向柱管的锁止装置a、锁止装置b、离合器连接。

上述方案中，还包括减速机构；

所述路感电机与减速机构的一端连接，减速机构的另一端与转向柱管的外筒连接。

一种根据所述转向系统的控制方法，包括以下步骤：

所述电子控制单元根据检测机构检测到的信号包括模式选择信号、前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，判断转向系统需要执行的模式是人工操作模式、自动驾驶模式或者自动驾驶模式切换为人工操纵模式，控制路感电机、转向柱管的锁止装置a、锁止装置b和离合器的工作。

上述方案中，所述人工操纵模式的控制具体为：

所述电子控制单元根据检测机构检测到的信号包括前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，控制锁止装置a使外筒与转向柱管主轴锁止，控制离合器使外筒与内筒分离，控制锁止装置b使内筒与转向柱管主轴结合，控制路感电机带动外筒旋转，外筒带动转向柱管主轴旋转，从而可以把路感电机的扭矩传递到转向柱管主轴，给驾驶员提供路感。

上述方案中，所述自动驾驶模式的控制具体为：

所述电子控制单元根据检测机构检测到的信号包括自动驾驶模式的信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，控制锁止装置a使外筒与转向柱管主轴分离，控制离合器使外筒与内筒结合，控制锁止装置b使内筒与转向柱管主轴分离，控制路感电机带动外筒顺时针旋转，外筒带动内筒顺时针旋转，使转向柱管主轴沿着轴向向下移动，从而使得转向柱管主轴得以收缩。

上述方案中，所述自动驾驶模式切换为人工操纵模式的控制具体为：

所述电子控制单元根据检测机构检测到的信号包括自动驾驶模式切换为人工操作模式的信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，控制路感电机带动外筒逆时针旋转，外筒带动内筒逆时针旋转，使转向柱管主轴沿着轴向向上移动，从而使得转向柱管主轴恢复人工操纵的高度，再控制锁止装置a使外筒与转向柱管主轴锁止，控制离合器使外筒与内筒分离，控制锁止装置b使内筒与转向柱管主轴锁止，从而路感电机可继续提供路感。

一种车辆，包括所述转向系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述转向柱管结构简单，转向柱管主轴能收缩，增加驾驶舱的空间度。外筒通过滚珠轴承与固定装置相连，固定装置连接于车架上，使外筒可以旋转式固定于车架上。

2.本发明具有所述转向柱管的转向系统及其方法，在不添加任何驱动电机的情况下，利用线控转向系统中的路感电机，为驾驶员在人工操纵的情况下提供合适的路感，在自动驾驶模式下实现转向柱管的收缩，增加驾驶舱的空间度，实现两种模式的自由切换，以增加驾驶员在不同操纵模式下的舒适度。利用线控转向系统中原有的路感电机与控制单元，不增加额外成本，提高了系统零部件的利用率。

3.本发明所述转向系统在原有路感控制器下控制锁止装置和电磁离合器即可实现模式的切换，响应迅速，安全可靠，更好地促进线控转向系统在人机共驾智能汽车的应用与发展。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明具有转向柱管的转向系统结构示意图。

图2为本发明在人工操纵模式的控制结构图。

图3为本发明在自动驾驶模式的控制结构图。

图4为本发明在恢复人工驾驶模式的控制结构图。

图5为本发明人工操纵时的动力传输路线。

图6为本发明自动驾驶转向柱管收缩的动力传输路线。

图中，1-固定装置，2-外筒，3-内筒，4-减速机构，5-螺纹齿，6-路感电机，7-锁止装置b，8-离合器，9-锁止装置a，10-滚珠轴承，11-转向柱管主轴，12-电子控制单元，13-方向盘。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明的技术方案。

实施例1

一种转向柱管，如图1所示，包括外筒2、内筒3、转向柱管主轴11、锁止装置a9、锁止装置b7和离合器8。

所述内筒3位于外筒2的内部；

所述转向柱管主轴11从上向下依次穿过外筒2和内筒3顶部的通孔，且所述转向柱管主轴11的末端与内筒3的内壁螺纹连接；

所述锁止装置a9与外筒2和转向柱管主轴11连接；锁止装置a9使外筒2和转向柱管主轴11锁止或分离；

所述锁止装置b7与内筒3和转向柱管主轴11连接；锁止装置b7使内筒3和转向柱管主轴11锁止或分离；

所述离合器8与外筒2和内筒3连接；离合器8使外筒2和内筒3结合或分离。

进一步的，还包括固定装置1，所述固定装置1用于与车辆的车架连接；

外筒2和固定装置1通过滚珠轴承10连接。滚珠轴承10的球形合金钢珠安装在内钢圈和外钢圈的中间，外钢圈通过焊接固定于固定装置1上，内钢圈通过焊接固定于外筒2。固定装置1连接于车架上，从而保证外筒2得以旋转式固定于车架上。

优选的，所述锁止装置a9和锁止装置b7为电磁锁止装置；所述电磁锁止装置的工作原理与电磁制动器的工作原理类似，带有弹簧的锁止蹄在断电的情况下处于伸展状态，通电后，锁止蹄往内圈收缩，与转向柱管主轴11贴合进行锁止。

具体的，所述外筒2上端打一通孔a，安装电磁锁止装置a9与转向柱管11相连，所述锁止装置a9的锁止执行部件安装在外筒2通孔a的内壁，锁止部件安装在转向柱管11上；控制锁止装置a9的锁止与分离可使外筒2与转向柱管11结合或者独立旋转。从外筒2内壁向内收缩锁止转向柱管主轴11，使转向柱管主轴11向下移动时不发生其他干涉。

所述内筒3上端打一通孔b，通孔a和通孔b的位置对应，内筒3通过电磁锁止装置b7与转向柱管11相连，所述锁止装置b7的锁止执行部件安装在内筒3通孔b的内壁，锁止部件安装在转向柱管11上；控制锁止装置b7的吸合与分离可使内筒3与转向柱管11结合或者独立旋转。为了减少线控转向系统提供路感时转向柱管11的转动惯量，在实际应用中内筒3尽量使用轻量化材料制造并尽量减少其加工厚度。

所述离合器8为电磁离合器，离合器8的主动盘安装在外筒2内壁，从动盘安装在内筒3的外壁，电磁离合器8的吸合与分离可使外筒2与内筒3结合或者独立。

优选的所述离合器8为固定线圈式离合器，电磁线圈固定于外筒2内壁，从动盘固定于内筒3上端外壁。电磁线圈通电时，产生较强的磁场，使得从动盘与主动盘吸合，从而将外筒2带动内筒3旋转。电磁线圈断电时，磁场消失，此时靠弹簧的作用把从动盘和主动盘分开，使内筒2与外筒3分离。

实施例2

一种转向系统，如图1所示，包括实施例1所述的转向柱管、检测机构、路感电机6和电子控制单元12；

所述路感电机6与转向柱管的外筒2连接；

所述检测机构用于检测信号，所述信号包括模式选择信号、前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号；

所述电子控制单元12分别与检测机构、路感电机6和转向柱管的锁止装置a9、锁止装置b7、离合器8连接。

优选地，所述检测机构包括模式选择按钮、前轮转角传感器、方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、车速传感器、路感电机转角传感器和路感电机转矩传感器；所述模式选择按钮，用于选择人工操作模式、自动驾驶模式或者自动驾驶模式切换为人工操纵模式；所述前轮转角传感器用于检测前轮转角信号；所述方向盘转角传感器用于检测方向盘转角信号；所述方向盘转矩传感器用于检测方向盘转矩传信号；所述车速传感器用于检测车速信号；所述路感电机转角传感器用于检测路感电机转角信号；所述路感电机转矩传感器用于检测路感电机转矩信号。

优选地，所述电子控制单元12为线控转向系统中路感电机控制器，控制锁止装置a9、锁止装置b7和电磁离合器8，以实现不同模式下的切换。

优选地，还包括减速机构4；所述路感电机6与减速机构4的一端连接，减速机构4的另一端与转向柱管的外筒2连接。

在电子控制单元12的控制下，路感电机6的电流大小与旋转方向得以控制，通过控制电磁锁止装置的锁止与分离，以及电磁离合器8的吸合与分离，实现在人工操纵模式下以及自动驾驶模式下动力传递的路线切换，然后利用路感电机6提供转矩来达到不同模式下的目的。

实施例3

一种根据实施例2所述转向系统的控制方法，包括以下步骤：

所述检测机构检测模式选择信号、前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，并传递到电子控制单元12；

所述电子控制单元12根据检测机构检测到的信号包括模式选择信号、前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，判断转向系统需要执行的模式是人工操作模式、自动驾驶模式或者自动驾驶模式切换为人工操纵模式，控制路感电机6、转向柱管的锁止装置a9、锁止装置b7和离合器8的工作。

控制过程主要是电子控制单元12在人工操纵的模式下，结合方向盘转角传感器、方向盘转角/转矩传感器和车速传感器等信号，根据路感控制策略得到参考转向盘力矩，对路感电机6的电流进行控制，以得到期望的路感，使驾驶员更好地完成转向。电子控制单元12也可以在自动驾驶模式下，利用路感电机6带动外筒2和内筒3旋转，内筒3带动转向柱管主轴11上的螺纹齿转动，从而转向柱管主轴11沿轴线向下移动，为驾驶舱提供更大的空间，驾驶员可以在自动驾驶模式下，在驾驶舱中自由地娱乐和放松，增加驾驶体验。

如图2所示，在人工操纵模式下，线控转向系统需要给予驾驶员一定的路感。电子控制单元12控制锁止装置a9锁止，锁止装置b7锁止，离合器8分离，所述外筒2与转向柱管主轴11结合，在路感电机6的驱动下共同旋转；内筒3与外筒2分离，内筒3与转向柱管主轴11结合，随着转向柱管主轴11的旋转而旋转。电子控制单元12根据相应算法对路感电机6的电流的大小与方向进行控制，通过减速机构4以及外筒2，将转矩传递到转向柱管主轴11，可使驾驶员获得合适的路感。图5为人工操纵时的动力传输路线。

进一步的，所述人工操纵模式的控制具体为：

驾驶员手握方向盘13，所述电子控制单元12根据检测机构检测到的信号包括前轮转角信号、方向盘转角信号、方向盘转矩信号、车速信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，电子控制单元12控制锁止装置a9锁止，使外筒2与转向柱管主轴11结合，外筒2能够带动转向柱管主轴11旋转，同时也使转向柱管主轴11得到固定；离合器8在电子控制单元12的作用下分离，使得内筒3与外筒2分离；锁止装置b7在电子控制单元12的作用下锁止，从而使得内筒3与转向柱管主轴11结合，内筒3与转向柱管主轴11共同旋转，控制路感电机6通过减速机构4带动外筒2旋转，外筒2带动转向柱管主轴11旋转。因此可以提供一定的转向阻尼，使驾驶员获得一定的路感。

如图3所示，在自动驾驶模式下，利用线控转向的路感电机6实现转向柱管主轴11的收缩。电子控制单元12控制锁止装置a9分离，锁止装置b7分离，离合器8吸合，外筒2与转向柱管11分离，外筒2与内筒3结合，在路感电机6的驱动下，通过减速机构4带动外筒2连同内筒3一起旋转。此时驾驶员手握方向盘13，内筒3的螺纹齿5与转向柱管主轴11上的螺纹啮合，并由于内筒3旋转而带动转向柱管主轴11向下轴向移动，实现转向柱管主轴11的收缩。图6为自动驾驶转向柱管主轴11收缩的动力传输路线。

进一步的，所述自动驾驶模式的控制具体为：

驾驶员手握方向盘13，所述电子控制单元12根据检测机构检测到的信号包括自动驾驶模式的信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，控制锁止装置a9使外筒2与转向柱管主轴11分离，外筒2与转向柱管11分离，能够独立地旋转，互不影响；控制离合器8使外筒2与内筒3结合，保证外筒2与内筒3能够共同旋转；控制锁止装置b7使内筒3与转向柱管主轴11分离，使转向主轴能够自由上下移动：当驾驶员切换为自动驾驶模式以后，驾驶员手握方向盘13，电子控制单元12控制路感电机6通过减速机构4带动外筒2顺时针旋转一定角度，因为此时外筒2与内筒3结合，外筒2带动内筒3顺时针旋转一定角度，在内筒3旋转地同时，使转向柱管主轴11沿着轴向向下移动一定距离，从而使得转向柱管主轴11得以收缩；

如图4所示，进一步的，所述自动驾驶模式切换为人工操纵模式的控制具体为：

此时驾驶员手握方向盘13，所述电子控制单元12根据检测机构检测到的信号包括自动驾驶模式切换为人工操作模式的信号、路感电机的转角信号和路感电机的转矩信号，控制路感电机6的电流与自动驾驶模式下路感电机6的电流相反，使得路感电机6以相反的方向旋转控制路感电机6带动外筒2逆时针旋转一定角度，外筒2带动内筒3逆时针旋转，使转向柱管主轴11沿着轴向向上移动一定距离，从而使得转向柱管主轴11恢复人工操纵的高度，再控制锁止装置a9使外筒2与转向柱管主轴11锁止，控制离合器8使外筒2与内筒3分离，控制锁止装置b7使内筒3与转向柱管主轴11锁止，从而使路感电机继续提供驾驶路感。

实施例4

一种车辆，包括实施例1所述的转向柱管、实施例2所述的转向系统和实施例3所述的转向系统控制方法，因而具有实施例1、2和3所述的一切有益效果，此处不再赘述。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。