專利名稱：汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，尤其涉及汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器。
背景技術(shù)：
汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車中用于改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)。根據(jù)轉(zhuǎn)向能源的不同，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳統(tǒng)上可以分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類型。
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的，又稱為人力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而成的。
機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由三部分組成，即轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器工作的機(jī)構(gòu)，主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸等組成。轉(zhuǎn)向器是將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)向搖臂的擺動(dòng)或齒條軸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)轉(zhuǎn)向操縱力進(jìn)行放大的機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳給車輪，并使左右車輪按一定關(guān)系進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。
轉(zhuǎn)向器的功用是將駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力矩放大，并降低速度，然后傳給轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)向器主要有齒輪齒條式、循環(huán)球齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式和蝸桿曲柄指銷式等。中、小型轎車以及前軸軸荷小于1.2t的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
如圖1所示，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，要求所有車輪軸線都應(yīng)相交于一點(diǎn)，此交點(diǎn)O稱為汽車轉(zhuǎn)向中心。為保證各車輪只有滾動(dòng)而無(wú)側(cè)滑，汽車轉(zhuǎn)向應(yīng)當(dāng)滿足下面的公式
cotα-cotβ=BL---(1)]]>公式(1)中α———外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；β———內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；B———兩側(cè)主銷軸線與地面交點(diǎn)之間的距離，也稱為輪距；L———汽車軸距。
由轉(zhuǎn)向中心O到外轉(zhuǎn)向輪與地面接觸點(diǎn)的距離R稱為汽車的轉(zhuǎn)彎半徑。轉(zhuǎn)彎半徑越小，則汽車轉(zhuǎn)向所需場(chǎng)地越小，其機(jī)動(dòng)性就越好。
當(dāng)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α達(dá)到最大值αmax時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑R有最小值Rmin，它們之間的關(guān)系為Rmin=Lsinαmax=(Lsinβmax)2+B2+2BLtanβmax---(2)]]>由于轎車齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒條行程受齒條長(zhǎng)度和車身寬度限制，所以內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的最大偏轉(zhuǎn)角度αmax或βmax有限，通常βmax為35°～40°，所以汽車的最小轉(zhuǎn)向半徑只能小到一定程度，因此這種汽車的轉(zhuǎn)向靈活性受到限制。
在上述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)向的角傳動(dòng)比(轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比)固定，汽車的轉(zhuǎn)向特性隨著汽車速度和側(cè)向加速度變化呈現(xiàn)強(qiáng)非線性時(shí)變特性，為控制汽車沿駕駛員期望的軌道行駛，駕駛員必須時(shí)刻調(diào)節(jié)本身的特性，增加了駕駛時(shí)的精神負(fù)擔(dān)。汽車的轉(zhuǎn)向特性在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，駕駛員可以通過(guò)調(diào)節(jié)自己的特性來(lái)滿足人車系統(tǒng)的道路跟隨要求。但在極限工況下，如制動(dòng)甩尾等，由于汽車轉(zhuǎn)向特性發(fā)生急劇變化，如從不足轉(zhuǎn)向變?yōu)檫^(guò)度轉(zhuǎn)向，駕駛員將無(wú)法控制汽車，由此可能導(dǎo)致交通事故。
因此，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW)，不但可以改善汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計(jì)帶來(lái)相當(dāng)大的空間，從而降低駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，提高人車閉環(huán)系統(tǒng)的主動(dòng)安全性能。
在《中國(guó)機(jī)械工程》第15卷第11期2004年6月上半月的“汽車前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”文章中，對(duì)汽車前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。如圖2所示，汽車前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器(ECU)三個(gè)部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。
方向盤模塊主要包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)。方向盤模塊的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖通過(guò)測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給主控制器，同時(shí)接受主控制器送來(lái)的力矩信號(hào)，產(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。
轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的功能是測(cè)量前輪轉(zhuǎn)向信號(hào)反饋給主控制器，并接受主控制器的命令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。
主控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向方向盤回正電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個(gè)電機(jī)的工作，盡可能保證在不同車速下汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性基本一致，減少駕駛員對(duì)汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化而進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。同時(shí)，控制器還可以對(duì)駕駛員的操作指令進(jìn)行識(shí)別，判定在當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理，當(dāng)汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)和駕駛員發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控制或?qū)Ⅰ{駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而以合理的方式自動(dòng)駕駛車輛，使汽車盡快回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。
自動(dòng)防故障系統(tǒng)是電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實(shí)施算法，針對(duì)不同的故障形式和故障等級(jí)作出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。作為應(yīng)用最廣泛的交通工具之一，汽車的安全性是必須首先考慮的因素，因而故障的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)處理是前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的組成系統(tǒng)之一。它采用單獨(dú)的專用處理器，以更好地提高汽車安全性能。電源系統(tǒng)承擔(dān)著控制器、兩個(gè)執(zhí)行馬達(dá)以及其他車用電器的供電。
在這種電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，主要是取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，而代替以控制信號(hào)連接，所以操作更加方便、靈活。但是，在這篇文章中并沒(méi)有提及轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)，即目前采用的轉(zhuǎn)向器主要還是齒輪齒條式、循環(huán)球齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式和蝸桿曲柄指銷式等轉(zhuǎn)向器。因此，上述提到的問(wèn)題依然存在，即由于轎車齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒條行程受齒條長(zhǎng)度和車身寬度限制，汽車最小轉(zhuǎn)向半徑只能小到一定程度，汽車的轉(zhuǎn)向靈活性受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器，該轉(zhuǎn)向器能夠克服內(nèi)外車輪不能獨(dú)立轉(zhuǎn)向的缺點(diǎn)，使內(nèi)外車輪可以根據(jù)ECU計(jì)算所得的最佳轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行獨(dú)立轉(zhuǎn)向，從而保證車輪只有滾動(dòng)而無(wú)側(cè)滑，并且極大提高了轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供一種汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器，該轉(zhuǎn)向器包括依次連接的電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒輪組。
使用這種轉(zhuǎn)向器，電機(jī)接受汽車轉(zhuǎn)向信號(hào)而運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒輪組將運(yùn)動(dòng)傳遞給車輪，使車輪轉(zhuǎn)向。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器相比，由于錐齒輪組的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更加靈活，所以使車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活，旋轉(zhuǎn)至少可以超過(guò)六十度，從而克服了使用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器的車輪轉(zhuǎn)角有限的缺點(diǎn)。
當(dāng)汽車是四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)，該轉(zhuǎn)向器可以使汽車在原地靜止的時(shí)候使四個(gè)車輪轉(zhuǎn)向，使車輛的轉(zhuǎn)向半徑為零，而使汽車實(shí)現(xiàn)零半徑原地轉(zhuǎn)向。例如，設(shè)汽車的軸距為2600mm，輪距1480mm，為實(shí)現(xiàn)零半徑原地轉(zhuǎn)向，各車輪的軸線必須通過(guò)汽車的幾何中心，此時(shí)各車輪都要向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)大約60°，普通轉(zhuǎn)向器是無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)如此大的角度，而錐齒輪轉(zhuǎn)向器可以做到。


圖1是傳統(tǒng)技術(shù)中汽車轉(zhuǎn)向操作的示意圖。
圖2是傳統(tǒng)技術(shù)中汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的框圖。
圖3是本發(fā)明汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是使用本發(fā)明轉(zhuǎn)向器的實(shí)現(xiàn)汽車零半徑原地轉(zhuǎn)向的示意圖。
圖5和圖6是使用本發(fā)明轉(zhuǎn)向器使車輪轉(zhuǎn)向的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器。
如圖3所示，汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器包括依次連接的電機(jī)1、減速機(jī)構(gòu)2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3和錐齒輪組5。
其中，在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)ECU計(jì)算所得的最佳轉(zhuǎn)角關(guān)系使電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)減速機(jī)構(gòu)2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3和錐齒輪組5將運(yùn)動(dòng)傳遞給汽車車輪4，使車輪4轉(zhuǎn)動(dòng)。
電機(jī)1和減速器2可以采用一般結(jié)構(gòu)，對(duì)此無(wú)需作詳細(xì)說(shuō)明。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3一般可以使用一對(duì)十字軸萬(wàn)向節(jié)，其中與錐齒輪組聯(lián)結(jié)的一端可以自由伸縮一定長(zhǎng)度，以適應(yīng)行駛中車輪的跳動(dòng)。錐齒輪組輸入軸與萬(wàn)向節(jié)相聯(lián)，輸出軸與輸入軸可以成90°，通過(guò)鍵聯(lián)結(jié)與車輪剛性聯(lián)結(jié)在一起。車輪輪轂在制造的時(shí)候需要預(yù)做出一個(gè)軸線與車輪主銷軸線接近的孔，以便與錐齒輪輸出軸聯(lián)結(jié)。
錐齒輪組5包括相互嚙合的一對(duì)錐齒輪51和52，錐齒輪51(為了清楚起見(jiàn)，后面稱之為第一錐齒輪51)連接在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3的動(dòng)力輸出端，用于接受來(lái)自電機(jī)1的動(dòng)力；錐齒輪52(為了清楚起見(jiàn)，后面稱之為第二錐齒輪52)與第一錐齒輪51嚙合，并且其軸線與第一錐齒輪的軸線相垂直。第二錐齒輪52固定安裝在車輪輪轂41上，車輪輪轂在制造的時(shí)候可以預(yù)做出一個(gè)軸線與車輪主銷軸線接近的孔，用來(lái)與錐齒輪輸出軸之間用鍵聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié)在一起。
如圖5和圖6所示，電機(jī)1通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)3驅(qū)動(dòng)第一錐齒輪51旋轉(zhuǎn)，然后驅(qū)動(dòng)第二錐齒輪52旋轉(zhuǎn)。由于第二錐齒輪52與車輪4的輪轂41固定在一起，例如通過(guò)鍵聯(lián)結(jié)，所以帶動(dòng)車輪4轉(zhuǎn)向。
由于采用了錐齒輪組5，所以可以使車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不受限制。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器，無(wú)論齒輪齒條式、循環(huán)球式或蝸桿指銷式，都是依靠轉(zhuǎn)向梯形臂(或齒條)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿，再拉動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，由于這種結(jié)構(gòu)是靠轉(zhuǎn)向梯形臂(或齒條)的左右移動(dòng)來(lái)拉動(dòng)車輪的，所以由于轉(zhuǎn)向梯形臂左右移動(dòng)空間有限，車輪的轉(zhuǎn)角也有限。而錐齒輪轉(zhuǎn)向器在車輪轉(zhuǎn)向過(guò)程中不會(huì)另外占用空間，所以不會(huì)跟其他部分發(fā)生干涉，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度至少可以達(dá)到60度。
對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向的汽車來(lái)說(shuō)，可以在左右前輪上各自安裝一套本發(fā)明的轉(zhuǎn)向器。對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的汽車來(lái)說(shuō)，也可以在四個(gè)輪上各自安裝一套本發(fā)明的轉(zhuǎn)向器。根據(jù)ECU的控制信號(hào)，每套轉(zhuǎn)向器可以獨(dú)立進(jìn)行控制，從而汽車的轉(zhuǎn)向操作非常靈活，車輪理論上可以旋轉(zhuǎn)任意角度。
如圖4所示，對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的汽車來(lái)說(shuō)，通過(guò)獨(dú)立控制分別安裝在四個(gè)車輪上的四套本發(fā)明的轉(zhuǎn)向器，可以實(shí)現(xiàn)汽車以零半徑在原地轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器，該轉(zhuǎn)向器包括依次連接的電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒輪組。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)向器，其中所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一對(duì)十字軸萬(wàn)向節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)向器，其中所述錐齒輪組包括軸向成90度相交的第一錐齒輪和第二錐齒輪。
全文摘要
本發(fā)明提供一種汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器，該轉(zhuǎn)向器包括依次連接的電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒輪組。使用這種轉(zhuǎn)向器，電機(jī)接受汽車轉(zhuǎn)向信號(hào)而運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒輪組將運(yùn)動(dòng)傳遞給車輪，使車輪轉(zhuǎn)向。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器相比，由于錐齒輪組的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更加靈活，所以使車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活，旋轉(zhuǎn)至少可以超過(guò)六十度，從而克服了使用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器的車輪轉(zhuǎn)角有限的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)B62D5/04GK1966330SQ20051012364
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者胡偉 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司