一种汽车助力转向系统的制作方法

本实用新型涉及一种汽车电动助力转向系统技术领域，具体涉及一种汽车助力转向系统。

背景技术：

目前，许多汽车生产厂商为了驾驶员在驾驶汽车转向时，能获得更加轻便舒适的转向操纵性能，在汽车上广泛采用助力转向系统。常见的有：液压助力式、气压助力式和直流旋转电机助力式。液压助力式、气压助力式具有噪音大、反应慢的缺点。

而旋转电机助力需要电磁离合器、齿轮减速传动等机械传动机构来减速增扭，把电机的旋转运动转化为拉杆的直线运动，其结构繁复，而且占用空间大；还存在反应速度慢，工作效率较低的缺点。

技术实现要素：

针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种汽车助力转向系统,能有效的解决上述问题。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种汽车助力转向系统,包括电磁直线执行器，所述的电磁直线执行器包括定子和动子，所述的动子贯穿与定子内部的空腔中并做往复直线运动；所述动子的两端分别通过连接件与左转向轮和右转向轮连接；所述动子的一端设置有齿条，齿条的一侧传动连接有旋转轴，旋转轴的顶部与转向盘固定连接；所述的旋转轴上安装有转矩传感器和转角传感器，所述的动子上安装有位移传感器和电流传感器；所述转矩传感器、转角传感器、位移传感器和电流传感器通过信号线与控制器的输入端连接；控制器的输出端与电磁直线执行器驱动电路连接，电磁直线执行器驱动电路与动子的一端连接。

进一步的，所述的动子包括线圈骨架和线圈组，所述的线圈组绕制于线圈骨架的齿槽内；所述的定子包括固定在线圈骨架内的内磁轭和设置在最外圈的外磁轭；内磁轭的外壁面固定设置有内永磁体阵列，外磁轭的内壁面固定设置有外永磁体阵列，内永磁体阵列和外永磁体阵列与线圈骨架留有径向气隙。

进一步的，所述的内永磁体和外永磁体的磁化方向不同；动子上相邻线圈组的绕制方向相反，各个线圈组所受安培力方向相同。

进一步的，所述的位移传感器安装在线圈组上，所述的电流传感器与线圈组串联连接；所述的电磁直线执行器驱动电路与线圈组串联连接。

进一步的，所述旋转轴的顶部与转向盘的中心固定连接。

进一步的，所述的所述转向盘的下端安装转向盘转矩传感器，转向盘转矩传感器的下端与旋转轴连接；所述旋转轴靠近齿条的部分安装转向盘转角传感器。

进一步的，所述的齿条与动子的一端固定连接；旋转轴的底部设置有与齿条相互啮合的齿轮。

进一步的，所述的齿条采用斜齿齿条，旋转轴下端制成斜齿轮状，齿轮的斜齿与齿条的斜齿相啮合。

进一步的，所述的连接件包括与动子固定连接的横向拉杆，所述的转向轮固定连接有转向节臂，所述的横向拉杆与转向节臂铰接。

进一步的，所述的控制器通过信号线连接有车速传感器。

进一步的，所述的电磁直线执行器为永磁动圈式电磁直线执行器。

进一步的，所述的电磁直线执行器为动圈式永磁直线直流电动机。

有益效果

本实用新型提出的一种汽车助力转向系统,与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

（1）在原有的机械转向系统的基础上进行改装，利用电磁直线执行器助力装置代替直流旋转电机助力式。采用了电磁直线执行器，保留必需的转向盘、旋转轴、齿轮齿条副、横拉杆、转向节臂及其转向轮。省去了电磁离合器、减速机构及其传动件，使其结构更紧凑、控制更直接、响应更快。

（2）电磁直线执行器的设置，可以直接将电能转换成直线运动的机械能，不需要任何中间转换机构的传动装置。电磁直线执行器可用于直线位移的场合，将其控制变得更为直接，动态响应更快，并且省去了一些机械传动件，将使其机械结构更加简洁，把电磁能直接转化为动子的直线运动，因而减去了能量转化环节，提高了能量利用率和控制精度，降低噪声。而且，直流式电磁直线执行器具有运行效率高，控制更方便灵活的优点。

（3）直流电磁直线执行器与电流传感器和直线位移传感器组成闭环控制系统，可以更加精确地控制位移；其速度和加速度控制范围广，调速平滑性好，从而非常适合行车时遇到的各种转弯情况，且保证汽车的操纵性。

（4）电磁直线执行器的动子直接与旋转轴下端齿条相连。齿条与动子构成的整体，和电磁直线执行器嵌套，占用空间小。

（5）齿条采用斜齿齿条，旋转轴下端制成斜齿轮状；斜齿的设置，使得齿轮重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力，还提高齿轮和齿条的使用寿命；而且斜齿轮的啮合性好，传动平稳、噪声小。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型中电磁直线执行器的整体结构示意图。

图3是本实用新型中功率变换电路的电路连接示意图。

附图中的标志：1-转向盘、2-转矩传感器、3-旋转轴、4-转角传感器、5-位移传感器、6-齿条、7-连接件、71-左横拉杆、72-右横拉杆、73-左转向节臂、74-右转向节臂、81-左转向轮、82-右转向轮、9-电磁直线执行器、91-定子、911-内磁轭、912-外磁轭、913-内永磁体阵列、914-外永磁体阵列、92-动子、921-线圈骨架、922-线圈组、10-电流传感器、11-电磁直线执行器驱动电路、12-控制器、13-车速传感器、14-信号线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种汽车助力转向系统,包括电磁直线执行器9，电磁直线执行器9包括定子91和动子92，动子92贯穿与定子91内部的空腔中并做往复直线运动。动子92包括线圈骨架921和线圈组922，线圈组922绕制于线圈骨架921的齿槽内；定子91包括固定在线圈骨架921内的内磁轭911和设置在最外圈的外磁轭912；内磁轭911的外壁面固定设置有内永磁体阵列913，外磁轭912的内壁面固定设置有外永磁体阵列914，内永磁体阵列913和外永磁体阵列914与线圈骨架921留有径向气隙。

如图2所示，电磁直线执行器9的结构特征在于：永磁体组在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体构成的赫尔巴赫（halbach）阵列，可以显著提高电磁直线执行器的功率密度，较常规直线电机的功率密度提高50%以上，结合闭环系统可具有非常好的控制精度，非常适合在要求体积和质量较小、需要较大的推力和精确度的场合。图2中永磁体上标注的箭头方向，即为永磁体的磁化方向。在此阵列中，因为相邻线圈组所受磁场方向相反，所以动子上相邻线圈组的绕制方向相反，使得各个线圈组所受安培力方向相同。

在动子92的一端焊接固定有齿条6，齿条6的一侧传动连接有旋转轴3，旋转轴3的顶部与转向盘1的中心固定连接。在本实施例中，齿条6采用斜齿齿条，旋转轴3的底部设置有与齿条6相互啮合的斜齿轮；齿轮的斜齿与齿条6的斜齿相啮合。

转向盘1的下端安装转向盘转矩传感器2，转向盘转矩传感器2引出信号线14与控制器12的输入端相连；转向盘转矩传感器2的下端连接旋转轴3，旋转轴3靠近齿条6的部分安装转向盘转角传感器4，转向盘转角传感器4引出信号线14与控制器12的输入端相连。

动子92的线圈组922上装有直线位移传感器5，直线位移传感器5引出信号线14与控制器12的输入端连接；动子92的线圈组922串联连接有电流传感器10，电流传感器10上引出信号线14与控制器12的输入端连接；车速传感器13引出信号线14与控制器12的输入端连接。

控制器12的输出端与电磁直线执行器驱动电路11相连，电磁直线执行器驱动电路11与动子92的线圈组922相连。电磁直线执行器驱动电路中11包括功率变换电路，功率变换电路如图3所示，采用电流控制电压型h桥变换器。

如图3所示，h型双极性可逆模式pwm控制由4个大功率可控开关管(v1-v4)和4个续流二极管(v1-v4)组成h桥式电路。4个大功率可控开关管分为2组，v1和v4为一组，v2和v3为一组。同一组的两个大功率可控开关管同时导通，同时关闭，两组交替轮流导通和关闭，即驱动信号u1=u4，u2=u3=-u1，执行器线圈电流的方向在一个调宽波周期中依次按图中方向1、2、3、4变化。由于允许电流反向，所以h型双极模式pwm控制工作时执行器电流始终是连续的。

功率变换电路的主要功能是根据控制指令，将直流电源提供的电能转变为电磁直线执行器9的线圈电流，以产生所需的电磁驱动力。功率变换主电路采用电流控制电压型h桥变换器。电磁直线执行器的9动子92需要往复运动，因此需采用可逆pwm控制方式。h桥可逆pwm控制方式中的双极性模式具有电流连续和低速平稳性的优点，更有助于电磁直线执行器9的稳定运动，因此选用双极性可逆pwm模式。

动子92的两端分别通过连接件7与左转向轮81和右转向轮82连接；连接件7包括分别与动子92一端和齿条6焊接固定的左横拉杆91和右横拉杆72，以及分别与左转向轮81和右转向轮82连接的左转向节臂73和右转向节臂74；左转向节臂73和右转向节臂74分别与左横拉杆71和右横拉杆72铰接。

工作原理：驾驶员操纵转向盘1时，转向盘1正转或反转带动旋转轴3转动，旋转轴3的转动通过底部的齿轮与动子92相连的齿条6啮合传动；从而带动动子92做直线运动，动子92的运动来带动左横拉杆71和右横拉杆72，左横拉杆71和右横拉杆72再带动左转向节臂73和右转向节臂74，从而使左转向轮81和右转向轮82偏转角度。

旋转轴3上端安装转向盘转矩传感器2，测量转动转向盘1的转矩大小，并转化为电信号传给控制器12；旋转轴3下端安装转向盘1转角传感器4，测量转向盘1所转动的角度，并转化为电信号传给控制器12；动子92上安装直线位移传感器5，检测动子92的位置，并转化为电信号传给控制器12；电流传感器10与所述动子92上的线圈组922串联，检测线圈组922的工作电流的方向与大小，并把所检测到的信号传给控制器12；车速传感器13与发动机输出轴相连，并把车速大小转化为电信号传给控制器12，控制器12根据输出轴转速和汽车传动机构传动比和转向轮半径，计算出当前车速（计算车速的方法为本技术领域中常规的算法）。

控制器12根据转向盘1的转角传感器4输入的电信号来判断电磁直线执行器9所要助力的方向，根据转向盘1的转矩传感器2输入的电信号来判断驾驶员所要转向轮转动的速度，再结合车速传感器传来的电信号，根据控制策略，控制器12分析判断输出信号至电磁直线执行器驱动电路11，驱动电磁直线执行器9，提供合适的转向助力。控制电磁直线执行器9运行，并不断根据直线位移传感器5对实际输出的反馈信号，不断地修正电磁直线执行器9的输出，从而精确控制其位移量；根据车速进行相应的助力，如前述控制策略要求所述，即在低速时给予较大助力，随车速提高而减小助力，车速高到一定范围时停止助力，而当车速很高时适当提供阻力来保证转向安全。

同时，直线位移传感器5和电流传感器10检测转向系统实际的输出：动子92的位置和移动速度、动子92上线圈组922的电流的大小和方向，即：转向轮81/82转动的位置和速度、转向轮81/82所受助力扭矩的大小和转向轮81/82转动的方向。把实际的输出反馈给控制器12，控制器12根据反馈再修正助力，从而精确控制动子92位移和输出力。一旦助力转向系统发生故障（如：传感器发出的信号异常），控制器12中断助力，确保行车安全。

在本实施例中，电磁直线执行器为永磁动圈式电磁直线执行器或永磁直线直流电动机。控制器采用的型号为tms320f28335高性能dsp的控制器，转矩传感器采用的型号为teconnectivity的fca7300的转矩传感器，转角传感器采用的型号为kmz60磁阻式角位移转角传感器，直线位移传感器采用的型号为ka300-1um光栅尺直线位移传感器，电流传感器采用的型号为jlk-36±100a/±4v霍尔式电流传感器，车速传感器采用的型号为a1698基于霍尔效应的车速传感器。

本实施例中采用的软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式，均采用本技术领域中常用的现有技术；本技术方案并未对软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式做任何改进，控制器内的软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式不属于本技术方案的保护范围，此处不多做阐述。