專利名稱：循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬汽車部件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種車輛用循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器。
背景技術(shù)：
目前車輛用轉(zhuǎn)向器主要分齒輪齒條式和循環(huán)球式兩種。常用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向?yàn)橐簤簞?dòng)力轉(zhuǎn)向，助力大小通過滑閥或轉(zhuǎn)閥加以控制。傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向存在以下問題在選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)后，助力特性也就確定了，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，不僅轉(zhuǎn)向盤回正能力差，而且難以協(xié)調(diào)低速轉(zhuǎn)向輕便性與高速轉(zhuǎn)向“路感”的矛盾；存在能量損失，即使不轉(zhuǎn)向，油泵也一直工作，增加了能量消耗；由于液壓系統(tǒng)本身存在漏油與維護(hù)問題，提高了維修成本，而液壓油還會(huì)對環(huán)境造成污染。油泵、皮帶輪、液壓管路等元件占用空間，不好布置；低溫工作性能較差。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)直接由電動(dòng)機(jī)提供助力，取消了液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制器、助力電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)構(gòu)等組成?；驹硎强刂破鹘邮苻D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，經(jīng)過判斷和處理后，根據(jù)事先確定好的助力特性輸出控制信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)輸出助力扭矩。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能很好的克服液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向存在的問題，具有節(jié)能，提高安全性，有利于環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)，有逐步取代液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的趨勢，是未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向之一。但是目前世界范圍內(nèi)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還只是應(yīng)用在轎車上，且都為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效節(jié)能、低速轉(zhuǎn)向輕便、高速轉(zhuǎn)向路感強(qiáng)、以及回正能力好的循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器。
本發(fā)明的上述目的是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，即一種循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，除了包括螺桿、螺母、齒扇、循環(huán)鋼球等機(jī)械零件外，還包括(一)助力電動(dòng)機(jī)，用于提供輔助轉(zhuǎn)向力矩；(二)減速機(jī)構(gòu)，輸入端與助力電動(dòng)機(jī)聯(lián)接，起降速增扭的作用；(三)轉(zhuǎn)矩傳感裝置，用于檢測作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；(四)電子控制單元(ECU)，用于根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、車速等信號(hào)，控制助力電動(dòng)機(jī)電流。
其中，所述助力電動(dòng)機(jī)為永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)或永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，電壓制式為DC24V或DC42V。
所述減速機(jī)構(gòu)的輸入端與助力電動(dòng)機(jī)連接，根據(jù)助力位置的不同，輸出端與循環(huán)球轉(zhuǎn)向器中的螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接。具體結(jié)構(gòu)可以為蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或行星齒輪機(jī)構(gòu)。對蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，主動(dòng)件即可以是蝸桿，也可以是蝸輪，即蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)可以雙向傳動(dòng)；蝸桿與電動(dòng)機(jī)連接，蝸輪與螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接；另外從蝸桿強(qiáng)度考慮，蝸桿應(yīng)設(shè)計(jì)成雙頭。對行星齒輪機(jī)構(gòu)，行星輪支架與電動(dòng)機(jī)連接，太陽輪與螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接，齒圈在殼體上。
所述轉(zhuǎn)矩傳感裝置中設(shè)有一扭桿，通過一套精密的機(jī)械裝置，將扭桿的變形放大成角位移或線位移，由角位移或線位移傳感器間接測得扭桿的變形，根據(jù)扭桿剛度即可得轉(zhuǎn)矩。
所述電子控制單元主要由CPU、信號(hào)采集與處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)測電路等組成。其中CPU為8位或16位單片機(jī)，也可以為16位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置有電子開關(guān)(如繼電器)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，迅速切斷開關(guān)，以保證系統(tǒng)安全。
本發(fā)明的有益效果是，只在轉(zhuǎn)向時(shí)電動(dòng)機(jī)才提供助力(不像液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn))，因而能減少能量消耗；能在各種行駛工況下提供合適的助力，減小由路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動(dòng)，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減輕汽車低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的主動(dòng)安全性，且可通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來滿足不同使用對象的需要；取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向大大減少，因而其質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低噪聲；沒有液壓回路，比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向更易調(diào)整和檢測，裝配自動(dòng)化程度更高，并且可以通過設(shè)置不同的程序，能快速與不同車型匹配，因而能縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期；不存在滲油問題，可大大降低保修成本，減小對環(huán)境的污染；比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向具有更好的低溫工作性能。


本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)可以通過附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的控制原理圖。
圖2是本發(fā)明采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)且布置在螺桿上的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)且布置在齒扇軸上的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)且布置在螺桿上的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖5是本發(fā)明采用直流永磁有刷電動(dòng)機(jī)的電子控制單元原理圖。
上述圖2、圖3中，1為傳動(dòng)銷；2為滑套；3為鋼球；4為輸入軸；5為扭桿；6為角位移傳感器；7為螺桿；8為螺母；9為齒扇；10為蝸輪；11為蝸桿；12為助力電動(dòng)機(jī)。
上述圖4中，1為傳動(dòng)銷；2為滑套；3為鋼球；4為輸入軸；5為扭桿；6為角位移傳感器；7為螺桿；8為螺母；9為齒扇；10為行星輪；11為太陽輪；12為行星輪托架；13為助力電動(dòng)機(jī)。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，電子控制單元根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Ts與車速V確定助力電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Icmd，然后根據(jù)助力電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流I與目標(biāo)電流Icmd對助力電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行反饋跟蹤控制。
如圖2所示，扭桿5的一端與轉(zhuǎn)向器輸入端4連接，另一端與螺桿7過盈配合剛性連接，扭桿5的扭轉(zhuǎn)變形通過鋼球3傳遞給滑套2，傳動(dòng)銷1與螺桿7剛性連接，并通過與滑套2上的螺旋槽配合，在滑套2轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生軸向移動(dòng)，通過角位移傳感器6測量滑套2的軸向移動(dòng)量，將扭桿5的相對變形(即轉(zhuǎn)向器輸入端4與螺桿7的相對轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換為表示轉(zhuǎn)矩的電信號(hào)輸入給電子控制單元(ECU)。螺桿7與螺母8構(gòu)成循環(huán)球傳動(dòng)副。螺母8上的齒條與齒扇軸(即搖臂軸)上的齒扇9相嚙合，將轉(zhuǎn)向力矩輸出。蝸輪10通過花鍵與螺桿7連接。電動(dòng)機(jī)12的輸出軸與蝸桿11通過花鍵連接，經(jīng)過蝸輪10與蝸桿11組成的蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)向力矩傳遞到螺桿7上。
如圖3所示，蝸輪10通過花鍵與齒扇軸(即搖臂軸)連接，電動(dòng)機(jī)12的輸出軸與蝸桿11通過花鍵連接，經(jīng)過蝸輪10與蝸桿11組成的減速機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)向力矩傳遞到齒扇軸(即搖臂軸)上。
如圖4所示，電動(dòng)機(jī)13的輸出軸與行星托架12通過花鍵連接，經(jīng)過太陽輪11、行星輪10及行星輪托架12組成的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)將助力電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)向力矩傳遞到螺桿7上。其中太陽輪11通過花鍵與螺桿7連接。
如圖5所示，電子控制單元主要由CPU、信號(hào)采集與處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)測電路等組成。CPU為8位或16位單片機(jī)，也可以為16位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。信號(hào)采集與處理電路用于采集電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)，以及處理轉(zhuǎn)矩信號(hào)、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等。驅(qū)動(dòng)電路包括電子開關(guān)(如繼電器)、狀態(tài)指示燈和電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。其中電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)H型PWM功率轉(zhuǎn)換電路，由MOSFET管G1、G2、G3、G4組成。MOSFET管的開關(guān)由PWM信號(hào)的高低電平控制，PWM信號(hào)的頻率為20kHz。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中還設(shè)置有電子開關(guān)(如繼電器)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，迅速切斷開關(guān)，以保證系統(tǒng)安全。監(jiān)測電路用于對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，提高系統(tǒng)的安全可靠性。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。其特征是采用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，助力大小與方向由電子控制單元ECU控制，并經(jīng)減速機(jī)構(gòu)作用到循環(huán)球轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，其特征是電子控制單元ECU采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、車速及電動(dòng)機(jī)的電流等信號(hào)，通過控制電流實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)輸出力矩的調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，其特征是轉(zhuǎn)矩傳感裝置中設(shè)有一扭桿，通過機(jī)械裝置，將扭桿的變形放大成角位移或線位移，由角位移或線位移傳感器間接測得扭桿的變形，以此得到作用在扭桿上的轉(zhuǎn)矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)矩測量機(jī)構(gòu)，其特征是扭桿變形的大小通過滑套上的螺旋槽放大后，傳感器將軸套的軸向位移轉(zhuǎn)換為傳感器的電角度，由電位計(jì)測得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電助力轉(zhuǎn)向器，其特征是助力電動(dòng)機(jī)采用永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)或永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，電壓制式為DC24V或DC42V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，其特征是根據(jù)助力位置的不同，減速機(jī)構(gòu)輸出端與循環(huán)球轉(zhuǎn)向器中的螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接。減速機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或行星齒輪機(jī)構(gòu)。對蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，主動(dòng)件即可以是蝸桿，也可以是蝸輪，即蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)可以雙向傳動(dòng)；蝸桿與電動(dòng)機(jī)連接，蝸輪與螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接。對行星齒輪機(jī)構(gòu)，行星輪支架與電動(dòng)機(jī)連接，太陽輪與螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接，齒圈在殼體上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，其特征是電子控制單元在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置有電子開關(guān)(如繼電器)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，迅速切斷開關(guān)，以保證系統(tǒng)安全。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，其特征是轉(zhuǎn)矩測量裝置、減速機(jī)構(gòu)與循環(huán)球轉(zhuǎn)向器采用整體式結(jié)構(gòu)，一起封裝在轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)。
全文摘要
一種循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器。除了包括螺桿、螺母、齒扇、鋼球等機(jī)械零件外，還包括轉(zhuǎn)矩傳感裝置、助力電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元等。電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與車速確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流，然后對電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行反饋跟蹤控制。減速機(jī)構(gòu)輸入端與電動(dòng)機(jī)連接，減速機(jī)構(gòu)輸出端與循環(huán)球轉(zhuǎn)向器中的螺桿或齒扇軸(搖臂軸)連接。本適用新型可節(jié)約能量、在各種行駛工況下提供合適的助力、零件少、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、裝配自動(dòng)化程度高，是一種節(jié)能、安全、環(huán)保的車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
文檔編號(hào)B62D3/00GK1647984SQ20051005524
公開日2005年8月3日 申請日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月17日
發(fā)明者林逸, 施國標(biāo), 王建華, 申榮衛(wèi) 申請人:北京理工大學(xué)