线控转向手感模拟装置及系统的制作方法

1.本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种线控转向手感模拟装置，以及一种具有所述线控转向手感模拟装置的线控转向手感模拟系统。


背景技术：

2.汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响汽车的操纵稳定性，它在车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件等方面起着重要的作用。如何合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，是设计人员的重要研究课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统(steering
–
by-wire，简称“sbw”)的发展，正迎合这种客观需求。它是继eps后发展起来的新一代转向系统，具有比eps操纵稳定性更好的特点，而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，给驾驶员带来方便，同时提高了汽车的安全性。车辆线控转向技术是目前公认的车辆转向系统的终极解决方案。
3.车辆线控转向系统目前全球范围内未见规模量产案例。但随着智能驾驶技术的加速推进，车辆线控转向技术必将成为唯一规模化解决方案。
4.从目前欧盟、北美和中国设定的智能驾驶路线图来看，预期2025年全球80％车辆将实现l3等级以上的智能驾驶目标，其中50％以上的转向系统将是线控转向系统。
5.手感控制装置是线控转向系统重要的两大部件之一，另一部件为转向执行装置。目前阶段，手感控制装置的研发尚处于起步阶段，全球范围内均未见成熟、标准化、行业公认、和产业化的解决方案。国内和国际上总体来看，线控转向系统研发基本处于同一起步时点和同一技术能力。手感控制装置的实现难点是在没有中间轴以下负载的条件下，在功能和性能上还原传统转向的角度变化、力矩变化。可以概括为下面三点问题：
6.a.由于失去中间轴及以下负载，方向盘从有限角度往复运动变成无线角度旋转运动。如果设计没有充分考虑，可能引起驾驶过程中轮胎转向和方向盘转向在角度、角速度以及力的传递上失控；
7.b.取消中间轴，使得转向上管柱和下转向装置带机械脱钩，引起下转向装置机械回正力没法反馈到方向盘上；
8.c车辆下电后，方向盘负载过小可以轻易旋转，且没有回正力，导致再次上电后初始角度不确定性。


技术实现要素：

9.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
10.本发明要解决的技术问题是提供一种在不配置转向中间轴且没有外部助力的前提下，可以约束线控转向手感模拟装置的转角行程，实现转角确定性，并能模拟机械转向系统力矩特性的线控转向手感模拟装置。
11.以及，一种具有所述线控转向手感模拟装置，能降低系统控制策略复杂度，以及调校难度的线控转向手感模拟系统。
12.转向轴，其上固定连接转向轴蜗轮；
13.电机，其输出轴连接蜗杆；
14.蜗轮蜗杆付，其由转向轴蜗轮和蜗杆啮合组成；
15.扭力件，其与转向轴同轴，且其第一端固定连接在转向轴蜗轮端面上，用于约束管柱转角范围并依靠扭力使方向盘自动回到中位；无外力时，扭力件处于自然状态使手盘位于零位；
16.转角位置传感器，其根据电机类型确定安装位置和使用类型；
17.其中，转向轴中线、电机和扭力件第二端在一个指定坐标中保持相对坐标不变。
18.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，电机采用有刷电机时，转角位置传感器采用绝对转角位置传感器，绝对转角位置传感器安装在转向轴上。
19.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，电机采用无刷电机时，转角位置传感器采用相对转角位置传感器，相对转角位置传感器安装在电机轴上。
20.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，电机采用无刷电机时，转角位置传感器采用绝对转角位置传感器和相对转角位置传感器，绝对转角位置传感器安装在转向轴上，相对转角位置传感器安装在电机轴上。
21.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，转向轴的转角范围为-600
°
～+600
°
，转向轴转速范围-900
°
/s～+900
°
/s，转向轴传递扭矩范围为-45nm～+45nm。
22.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，扭力件采用扭力弹簧。
23.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，弹簧力常数范围为0.001kgf/mm～0.1kgf/mm。
24.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，蜗轮蜗杆传动比为8～32。
25.可选择的，所述的线控转向手感模拟装置，电机的功率范围为100w～1000w。
26.为解决上述技术问题，本发明提供一种具有上述任意一项所述线控转向手感模拟装置的线控转向手感模拟系统，还包括：
27.电控单元9，其连接电机采集驱动相线采集电机驱动电流或电压，其还连接转角位置传感器采集转角度，其用于执行手动转向控制、adas先进驾驶辅助功能、方向盘静默和变传动比、手动转向模式下的扭矩控制和智能驾驶模式下的转角闭环控制。
28.其中，手动转向控制、adas先进驾驶辅助功能、方向盘静默和变传动比、手动转向模式下的扭矩控制和智能驾驶模式下的转角闭环控制可以采用现有技术中的任意一种方案，上述各部分的控制方案不是本发明的主要改进要点，选择哪一种现有技术并不影响本发明解决所要解决的技术问题，以及达到预期的技术效果，本发明作为上述各功能的执行机构用于执行上述各功能模块的相应指令；
29.进一步的说明，若安装相对转角位置传感器其能计算方向盘绝对转角，若安装绝对转角位置传感器其能接收车载总线的方向盘绝对转角。
30.可选择的，所述的线控转向手感模拟系统，电机采用有刷电机，安装绝对转角位置传感器时，发生电控单元不上电故障，则继续执行手动转向。
31.可选择的，所述的线控转向手感模拟系统，电机采用无刷电机时，安装相对转角位置传感器，发生电机停止驱动且mcu运行正常故障，则继续执行手动转向；
32.发生mcu故障，则切换为智能驾驶。
33.可选择的，所述的线控转向手感模拟系统，电机采用无刷电机时，安装绝对转角位置传感器和相对转角位置传感器，发生电控单元不上电故障，则继续执行手动转向。
34.本发明的工作原理及技术效果说明如下：
35.1、受扭力弹簧转角行程限制，本实用新型能将线控转向系统的无限转角运动转变为有限转角运动，机械模拟传统转向机末端。扭力弹簧实现了从自然位置小力矩随角度线性增加到末端大力矩的变力矩过程，功能上模拟了机械转向系统的力矩特性；没有外力状态下，扭力弹簧结构在旋转往复运动中的应用是成熟技术，扭力弹簧的应用使转向手盘具有一定的自回正能力，且具有确定的转角状态。进而解决背景技术部分所述a点技术问题，本实用新型的技术方案比采用电控模拟更安全，且结构简单，所以成本低。
36.2、弹簧机构的回复力很类似与机械转向的回正感，降低了电控回正的能量需求，降低了线控转向控制策略的复杂度，以及调校的难度，进而解决背景技术部分所述b点技术问题
37.3、引入弹簧机构，可以在整车下电后，通过弹簧回复力来机械摆正方向盘，进而解决背景技术部分所述第c点问题，即规避了整车下电后旋转方向盘导致的转角不确定性.
38.4、本发明采用蜗轮蜗杆机构实现了比较大的传动比，从而减小需求的助力电机静态扭矩，减小电机体积，提升系统布置的适配性。
39.5、本发明可以选择采用有刷电机控制系统，通过传动比的匹配同时满足扭矩和转速的需求。有刷电机控制系统为非冗余架构，不必配置相对转角位置传感器，且不需要扭矩复合绝对转角传感器。转向轴上安装绝对转角位置传感器，在电控单元不上电的情况下，可以继续给下转向装置提供上管柱的转角位置，满足手动转向需要。
40.有刷电机控制系统通过采集相线电流，计算得到输出扭矩。在没有手力的情况下，可以通过扭力弹簧动力学方程式推导出转角。
41.6、现有技术普遍次啊用转向限位机构只能限位，不能解决下电后误转向引入的上电后方向盘和轮胎转角不同步的问题，以及没办法机械模拟传统有中间轴转向系统中方向盘上的机械转向力感。
42.采用转向限位机构也没有办法通过机械系统带来一定的方向盘自动返回中间位置的效果，需要完全通过外部能源控制方向盘转角和转速来实现，对转角和转速控制的复杂度、精度和能源需求提出了更高的要求。
43.扭力弹簧结构和蜗轮蜗杆付是很成熟的机械结构，且在管柱式电动助力转向系统中几乎占据全部市场，本发明在现有技术基础上引入扭力弹簧装置，机构变化很小，成本增加不大，但解决了线控转向系统在产业化中的两大关键问题：一，下电后方向盘转角不确定性；二，方向盘转角无限变化。上述两项成熟技术的整合应用，使得本装置基因里面具备比其他技术更高的成熟度。
44.7、本发明在电控解决方案上，期望从冗余无刷电机转向系统来实现手感控制装置
的普遍思路中跳脱出来，取消冗余架构，取消了扭矩复合绝对转角传感器，明显降低了系统成本，能实现核心系统目标不变。
45.8、本发明采用传统非冗余有刷或无刷电机驱动，取消了扭矩复合绝对转角传感器。在最低配置情况下，利用转角位置传感器信号得到扭力弹簧的转角变形量，再通过扭力弹簧的动力学方程式可以得到方向盘机械扭力，可以选择多种转角位置传感器适配不同系统鲁棒性和功能安全性的需求。
附图说明
46.本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
47.图1是线控转向手感模拟装置结构示意图一。
48.图2是线控转向手感模拟装置结构示意图二。
49.附图标记说明
50.转向轴1
51.转向轴蜗轮2
52.电机3
53.输出轴4
54.蜗杆5
55.扭力件6
56.扭力件第二端a
57.扭力件第一端b。
具体实施方式
58.以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。应当理解的是，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。不同的是，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。在全部附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。如在这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意组合和所有组合。
59.第一实施例；
60.参考图1和图2所示，本发明提供一种线控转向手感模拟装置，包括：
61.转向轴1，其上固定连接转向轴蜗轮2；
62.电机3，其输出轴4连接蜗杆；
63.蜗轮蜗杆付，其由转向轴蜗轮2和蜗杆5啮合组成；
64.扭力件6，其与转向轴1同轴，且其第一端b固定连接在转向轴蜗轮2端面上，用于约束管柱转角范围并依靠扭力使方向盘自动回到中位；无外力时，扭力件处于自然状态使手盘位于零位；
65.其中，转向轴1中线、电机3和扭力件6第二端a在一个指定坐标中保持相对坐标不变。
66.可选择的，扭力件6采用扭力弹簧。
67.第二实施例；
68.本发明提供一种线控转向手感模拟装置，其基于上述第一实施例实现，相同部分不再赘述；
69.电机采用有刷电机时，转角位置传感器采用绝对转角位置传感器7，绝对转角位置传感器7安装在转向轴上。
70.第三实施例；
71.本发明提供一种线控转向手感模拟装置，其基于上述第一实施例实现，相同部分不再赘述；
72.电机采用无刷电机时，转角位置传感器采用相对转角位置传感器8，相对转角位置传感器8安装在电机轴上。
73.第四实施例；
74.本发明提供一种线控转向手感模拟装置，其基于上述第一实施例实现，相同部分不再赘述；
75.电机采用无刷电机时，转角位置传感器采用绝对转角位置传感器7和相对转角位置传感器8，绝对转角位置传感器7安装在转向轴上，相对转角位置传感器8安装在电机轴上。
76.上述第一实施例～第四实施例任意一项，可采用下述参数范围；
77.可选择的，转向轴的转角范围为-600
°
～+600
°
；例如：-600
°
、-500
°
、-400
°
、-300
°‑
200
°
、-100
°
、100
°
、200
°
、300
°
、400
°
、500
°
、600
°
。
78.转向轴转速范围-900
°
/s～+900
°
/s；例如：-900
°
/s、-800
°
/s、-700
°
/s、-600
°
/s、-500
°
/s、-400
°
/s、-300
°
/s、-200
°
/s、-100
°
/s、100
°
/s、200
°
/s、300
°
/s、400
°
/s、500
°
/s、600
°
/s、700
°
/s、800
°
/s、900
°
/s。
79.转向轴传递扭矩范围为-45nm～+45nm；例如：-45nm、-40nm、-35nm、-30nm、-25nm、-20nm、-15nm、-10nm、-5nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm。
80.弹簧力常数范围为0.001kgf/mm～0.1kgf/mm，例如：0.005kgf/mm、0.010kgf/mm、0.015kgf/mm、0.020kgf/mm、0.025kgf/mm、0.030kgf/mm、0.035kgf/mm、0.040kgf/mm、0.045kgf/mm、0.050kgf/mm、0.055kgf/mm、0.060kgf/mm、0.065kgf/mm、0.070kgf/mm、0.075kgf/mm、0.080kgf/mm、0.085kgf/mm、0.090kgf/mm、0.095kgf/mm、0.1kgf/mm。
81.蜗轮蜗杆传动比为8～32，例如：2、4、8、16、32。
82.电机的功率范围为100w～1000w，例如：100w、200w、300w、400w、500w、600w、700w、800w、900w、1000w。
83.第五实施例；
84.本发明提供一种具有上述第一实施例～第四实施例任意一项所述线控转向手感模拟装置的线控转向手感模拟系统，还包括：
85.继续参考图2所示，电控单元9，其连接电机采集驱动相线采集电机3驱动电流或电压，其还连接转角位置传感器采集转角度，其用于执行手动转向控制、adas先进驾驶辅助功能、方向盘静默和变传动比、手动转向模式下的扭矩控制和智能驾驶模式下的转角闭环控制。
86.第六实施例；
87.本发明提供一种控转向手感模拟系统，其基于上述第五实施例实现，相同部分不再赘述；
88.电机采用有刷电机，安装绝对转角位置传感器时，发生电控单元不上电故障，则继续执行手动转向。
89.第七实施例；
90.本发明提供一种控转向手感模拟系统，其基于上述第五实施例实现，相同部分不再赘述；
91.电机采用无刷电机时，安装相对转角位置传感器，发生电机停止驱动且mcu运行正常故障，则继续执行手动转向；
92.发生mcu故障，则切换为智能驾驶。
93.第八实施例；
94.本发明提供一种控转向手感模拟系统，其基于上述第五实施例实现，相同部分不再赘述；
95.电机采用无刷电机时，安装绝对转角位置传感器和相对转角位置传感器，发生电控单元不上电故障，则继续执行手动转向。
96.需要进一步说明的是，上述第六实施例～第八实施例的控制策略能组合使用。
97.除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
98.以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。