CN105691446A - 一种转向管柱式电动助力装置 - Google Patents

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Abstract

一种转向管柱式电动助力装置包括壳体，壳体一端安装行星齿轮减速器，壳体内设置横隔板，横隔板与行星齿轮减速器之间的壳体内安装中空式内转子无刷电机，中空式内转子无刷电机的线圈定子与壳体内壁连接，中空式内转子无刷电机的磁钢转子中心内孔设置轴套，轴套固定安装在套管轴上，套管轴一端通过第一定位轴承与壳体的横隔板连接。采用中空的内转子无刷电机和行星齿轮减速器与转向管柱同轴布置，占用空间小，不会与周围部件发生干涉，易于在汽车上布置，且拆卸安装操作简便，电机的动作通过行星齿轮减速器放大扭矩并降低转速，起到转向助力作用。机械传动效率得到大幅提升，能够使车辆的转向操作更加灵活、轻便，稳定性更强等。

Description

一种转向管柱式电动助力装置
技术领域
本发明涉及一种汽车转向装置，具体的说是一种转向管柱式电动助力装置。
背景技术
目前各种车辆上使用的电动转向助力***大都是在转向管柱上安装蜗轮蜗杆减速装置实现的，这类结构受自身尺寸所限，传动比相对较低，传动效率较低，直接影响输出扭矩的大小。由于需要和外置电机一起安装在转向管柱的侧面，占用空间较大，由于车辆仪表台下分布着多种总成、部件，因此现有车辆的转向管柱与周边部件在装配、维修时经常发生干涉，安装和拆卸操作难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型转向管柱式电动助力装置，它能够解决现有技术存在的问题。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：包括壳体，壳体内设置横隔板，横隔板与上盖之间安装传感器，壳体另一端安装行星齿轮减速器，横隔板与行星齿轮减速器之间的壳体内安装中空式内转子无刷电机。中空式内转子无刷电机的线圈定子与壳体内壁连接，中空式内转子无刷电机的磁钢转子安装在轴套上，轴套固定安装在套管轴上，套管轴一端通过第一定位轴承与壳体的横隔板定位连接，套管轴另一端通过第二定位轴承与行星齿轮减速器定位连接，套管轴的端部设置外齿轮，外齿轮与行星齿轮减速器输入端的行星齿轮相啮合，套管轴内安装输出轴，输出轴一端用滚针轴承定位于套管轴一端内侧，输出轴另一端与行星齿轮减速器的输出端键连接，并用下盖输出端部球轴承定位支撑。输入轴一端的壳体上安装上盖，由第一定位轴承和安装在输入轴另一端的滚针轴承定位支撑，输入轴与车辆转向管柱的转向轴连接。输入轴与输出轴之间安装扭杆和力矩角度传感器，扭杆一端与输入轴固定连接，扭杆另一端与输出轴固定连接。所述中空式内转子无刷电机的磁钢转子与行星齿轮减速器外套之间安装位置传感器。所述位置传感器是增量编码器式位置传感器，增量编码器式位置传感器的双磁环随中空式内转子无刷电机的磁钢转子同步转动，增量编码器式位置传感器的感应电路板与行星齿轮减速器外套端部固定连接。所述增量编码器式位置传感器的双磁环粘贴在支撑环端面，支撑环的孔压配合在套管轴上，支撑环远离磁钢转子的一端设置环形折边，增量编码器式位置传感器的双磁环同心粘贴在环形折边上并随中空式内转子无刷电机的磁钢转子一同转动。壳体远离上盖的一端设置下盖，行星齿轮减速器固定安装在减速器外套内，下盖与壳体连接。
本发明的优点在于：采用中空的内转子无刷电机和行星齿轮减速器与转向管柱同轴布置，占用空间小，不会与周围部件发生干涉，易于在汽车上布置，且拆卸安装操作简便，电机的动作通过行星齿轮减速器放大扭矩并降低转速，起到转向助力作用。与现有的电动助力装置相比，机械传动效率得到大幅提升，输出扭矩增大，能够使车辆的转向操作更加灵活、轻便，稳定性更强等。
附图说明
图1是本发明机头结构示意图；
图2是本发明应用在汽车上的整体电动转向管柱总成示意图；
图3是本发明为限制输出轴与输入轴之间的相对旋转角度，采用一字槽双斜面结构的结构示意图；
图4是本发明为限制输出轴与输入轴之间的相对旋转角度，采用四槽结构的结构示意图；
图5是本发明为限制输出轴与输入轴之间的相对旋转角度，采用六槽结构的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的一种新型转向管柱式电动助力装置包括壳体1，壳体1与横隔板一体，壳体1横隔板输入轴7一侧安装力矩角度传感器12，中部安装中空式内转子无刷电机，壳体1输出轴11一侧安装行星齿轮减速器8。中空式内转子无刷电机的线圈定子2与壳体1内壁固定连接，其磁钢转子3固定安装在轴套4外侧，轴套4固定安装在套管轴5上，套管轴5一端通过第二定位轴承22与横隔板连接，套管轴5另一端通过第三定位轴承23与行星齿轮减速器8定位连接连接，套管轴5的下端即作为行星齿轮减速器8的输入轴，套管轴5端部加工有外齿圈，外齿圈与行星齿轮减速器8输入端的行星齿轮相啮合，套管轴5内安装输出轴11，输出轴11两端与套管轴5之间分别由滚针轴承16和第四定位轴承24定位支撑。输出轴11与行星齿轮减速器8的输出端键连接。输入轴7由第一定位轴承21和输入轴另一端的滚针轴承16定位支撑，输入轴7输入端的壳体1上安装有上盖6，上盖6与壳体1止口连接。输入轴7可与车辆转向管柱的转向轴连接，输入轴7与输出轴11之间安装扭杆10和力矩角度传感器12，扭杆10一端与输入轴7固定连接，扭杆10另一端与输出轴11固定连接。中空式内转子无刷电机和行星齿轮减速器8都是中空的，输出轴11可从中间穿过。套管轴5输出端就是行星齿轮减速器8的输入端。行星齿轮减速器的输出端行星架内孔可通过键与输出轴11固定连接，以保证输出轴11大扭矩输出的可靠性。输出轴11输出端的壳体1上安装有下盖6，上盖6与壳体1止口连接。
本发明使用的中空式内转子无刷电机是采用了内转子式无刷电机结构，中空式内转子无刷电机的定子是线圈，其与管柱壳体内壁固定相连为一体。中空式内转子无刷电机的转子是一圈瓦形磁钢组、瓦形磁钢组固定在一个圆筒形轴套4上，轴套4固定在套管轴5上。
本发明所述力矩角度传感器12可采用非接触式EPS传感器也可采用接触式EPS传感器，力矩角度传感器12主要用于向控制器（ECU）传递转动方向盘扭矩信号和方向盘转向角度的信号，使控制器（ECU）控制电机实现电动转向管柱式助力转向。本发明所述扭杆10两端扭杆两端可均采用圆柱销与输入轴7和输出轴11固定，也可一端用花键压入输出轴11的杯形孔内，另一端通过圆柱销与输入轴7固定。
本发明所述助力装置可制作成独立的助力机头装置，输入轴7和输出轴11分别通过万向节与车辆方向盘的转向轴和下传动轴连接。也可制作成整体电动转向管柱总成，即传统的转向管柱与机头助力装置设计成一体，所述输入轴7上端通过转向轴直接与车辆方向盘连接，所述输出轴11通过下传动轴总成直接与车辆的转向机输入端连接。车辆转向时，驾驶员转动方向盘带动输入轴7旋转，输入轴7带动扭杆10一端转动，扭杆另一端是不能转动的，使扭杆10扭转变形，力矩角度传感器12将扭杆10产生扭转变形，使传感器生成力矩和角度输出信号，其转化为电信号发送至控制器（ECU），控制器（ECU）根据该信号向中空式内转子无刷电机发出指令，驱动中空式内转子无刷电机向方向盘的旋转方向助力转动。此时磁钢转子3带动套管轴5转动，行星齿轮减速器8将套管轴5转动的扭矩放大后传递给输出轴11，行星齿轮减速器8能够通过内部两级变速达到增大输出力矩和降低转速的效果，同时提高了传动效率。本发明中电机与转向管柱同轴设置，占用空间小，不会与周围部件发生干涉，拆卸安装操作简便，电机的动作通过行星齿轮减速器8放大扭矩，与现有的电动助力装置相比，机械传动效率得到大幅提升，能够使车辆的转向操作更加灵活、轻便，稳定性更强，增大了输出扭矩，并可以实现转向机构的主动回正。本发明所述助力装置的安装位置与现有的车辆一致，不需改动车辆转向机结构，并且助力装置设置在驾驶舱内，采用了无刷电机、减少了电磁兼容的影响，不受环境影响，故障率低、使用寿命长，同样尺寸大小，输出力矩大。
本发明采用行星齿轮减速器可实现输出轴与管柱同轴设置，与传统的转向管柱中输出轴的安装位置相同，可直接替换现有的转向管柱产品，不需对车辆其它部件进行改造。本发明中使用的行星齿轮减速器8可采用多种现有的行星齿轮减速器结构，例如双行星齿轮减速器、少齿差行星齿轮减速器等。当然本发明也可采用其它形式的减速机构来对套管轴5的旋转动作增大扭矩，但其它减速机构一方面难以实现输出轴与管柱同轴安装，另一方面自身体积也均大于行星齿轮减速器，因此本发明中的行星齿轮减速器虽可以使用其它类型的减速机构替换，但使用效果会大打折扣。本发明所述第一定位轴承22和第二定位轴承23可通过挡圈或其它连接件与套管轴5实现轴向定位。该结构用于对套管轴5形成支撑，并且防止套管轴5轴向移动，确保转向装置内部各部件精确定位，不会对各传感器的检测数据造成影响。车辆装配时，可将用于接收传感器信号以及控制无刷电机动作的控制器整合安装在壳体1上，也可将传感器独立固定在车辆其它部件上。
本发明为了对中空式内转子无刷电机的磁钢转子3进行定位，从而实现对中空式内转子无刷电机的运转状态实施控制，在所述中空式内转子无刷电机的磁钢转子3端面与行星齿轮减速器8的外套端面之间安装位置传感器，包括支撑环14、粘贴在支撑环端面的双磁环13、感应电路板15。位置传感器能够对监测磁钢转子3的转动位置进行实时监控，从而实现控制器（ECU）对电机转动的控制。本发明所述位置传感器13可采用增量编码器式位置传感器、旋转变压器式位置传感器、光电式位置传感器等多种类型的位置传感器，其中优选的结构为增量编码器式位置传感器，这种增量编码器式位置传感器特别适合中间有通轴的结构。该双磁环将随中空式内转子无刷电机的磁钢转子3同步转动，增量编码器式位置传感器的感应电路板与行星齿轮减速器8的外套端面固定。增量编码器式位置传感器的优点是自身具有中空式结构，便于在套管轴上直接固定安装，其成本相对其它结构的位置传感器也是最低的。本发明为了在安装位置有限的条件下可以尽量增大双磁环的半径，使增量编码器式位置传感器的检测信号更加精确该结构还能够使双磁环13远离磁钢转子3的磁钢片，避免增量编码器式位置传感器受到磁场干扰。
本发明为限制输出轴11与输入轴7之间的相对旋转角度保持在设计要求的±5~8°之间，采用了一字槽双斜面结构。除上述一字槽双斜面结构外，本发明还可采用类似的四槽、六槽以及带有间隙的花键等多种结构来限制输入轴11与输入轴7之间的转角间隙，但这些结构可能会增加其它部件的安装难度，并且加工步骤相对复杂。这些结构都是周知结构。
本发明所述行星齿轮减速器8可采用多种结构与壳体1连接，例如可以安装在壳体输出端，也可以安装在下盖内；其中优选的结构为：行星齿轮减速器8固定安装在壳体输出端内，壳体1远离上盖6的一端设置下盖9，下盖9与壳体1通过螺栓或其它连接件连接。该结构不需对现有行星齿轮减速器8总成产品的外壳结构进行改造，生产成本低廉，并且下盖9能够对行星齿轮减速器8起到定位和保护作用，防止转向管柱安装或拆卸过程中行星齿轮减速器8与车辆其它部件发生磕碰而受损。
图中18是力矩角度传感器插头、19是无刷电机插头、20是位置传感器插头，车辆装配时，矩角度传感器插头、无刷电机插头和位置传感器插头均通过导线与车辆的控制器ECU及车辆电源连接。
图中28是转向管柱、26是下传动轴。

Claims (9)

1.一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：包括壳体(1)，壳体(1)与横隔板一体，上盖与壳体(1)横隔板之间安装力矩角度传感器(12)，中间安装中空式内转子无刷电机，壳体(1)输出轴一侧安装行星齿轮减速器(8)；中空式内转子无刷电机的线圈定子(2)与壳体(1)内壁固定连接，其磁钢转子(3)固定在轴套(4)上，轴套(4)固定安装在套管轴(5)上；套管轴(5)一端通过第二定位轴承(22)与横隔板定位连接，套管轴(5)另一端通过第三定位轴承(23)与行星齿轮减速器(8)定位连接，套管轴(5)的另一端即作为行星齿轮减速器(8)的输入轴，其端部加工有外齿，外齿与行星齿轮减速器(8)输入端的行星齿轮啮合；套管轴(5)内安装输出轴(11)，输出轴(11)两端与套管轴(5)之间分别由滚针轴承(16)和第四定位轴承(24)定位支撑，输出轴(11)与行星齿轮减速器(8)的输出端键连接；输入轴(7)由第一定位轴承(21)和输入轴另一侧的滚针轴承(16)定位支撑，输入轴(7)一端的壳体(1)上安装上盖(6)，上盖(6)与壳体(1)止口连接，输入轴(7)可与车辆转向管柱的转向轴连接，输入轴(7)与输出轴(11)之间安装扭杆(10)和力矩角度传感器(12)，扭杆(10)一端与输入轴(7)固定连接，扭杆(10)另一端与输出轴(11)固定连接，中空式内转子无刷电机和行星齿轮减速器(8)都是中空的，输出轴(11)可从中间穿过，套管轴(5)输出端就是行星齿轮减速器(8)的输入端，套管轴(5)输出端加工有外齿直接带动行星齿轮减速器工作，行星齿轮减速器的输出端行星架内孔可通过键与输出轴(11)连接，以保证输出轴输出的大扭矩的可靠性，输出轴(11)一端的壳体(1)上安装下盖(25)，下盖(25)与壳体(1)止口连接，并固定行星齿轮减速器的外套。
2.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述中空式内转子无刷电机的磁钢转子（3）与行星齿轮减速器（8）之间安装位置传感器（双磁环13、支撑环14、感应电路板15）。
3.根据权利要求2所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述位置传感器是增量编码器式位置传感器，增量编码器式位置传感器的双磁环(13)及支撑环(14)随中空式内转子无刷电机的磁钢转子(3)同步转动，增量编码器式位置传感器的感应电路板与行星齿轮减速器(8)的端面固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述增量编码器式位置传感器的双磁环(13)通过支撑环(14)与套管轴(5)连接，支撑环(14)远离磁钢转子(3)的一端有一环形折边，增量编码器式位置传感器的双磁环(13)同心粘接在环形折边上，该双磁环随中空式内转子无刷电机的磁钢转子(3)一同转动。
5.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：所述输出轴(11)靠近转向轴(7)的一端设置凹孔，该凹孔可以是一字型槽、十字槽、六字槽，在输入轴端部有相应的凸台***其内，保证相互间左右方向两个产生5～8°的间隙，输出轴凹孔内侧壁与输入轴凸台外侧圆柱之间安装滚针轴承(17)。
6.根据权利要求5所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：中空式内转子无刷电机的线圈定子(2)与壳体(1)内壁固定连接，其磁钢转子(3)固定在轴套(4)上，轴套(4)固定安装在套管轴(5)上，套管轴(5)一端通过第二定位轴承(22)与横隔板连接，套管轴(5)另一端通过第三定位轴承(23)与行星齿轮减速器(8)定位连接。
7.根据权利要求5所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：套管轴(5)的另一端即作为行星齿轮减速器(8)的输入轴，该端部加工有外齿，外齿与行星齿轮减速器(8)输入端的行星齿轮啮合，套管轴(5)内安装输出轴(11)，输出轴(11)两端与套管轴(5)之间分别由滚针轴承（16）和第四定位轴承（24）定位支撑，输出轴（11）与行星齿轮减速器（8）的输出端键连接，输入轴（7）由上盖内第一定位轴承（21）和安装在输出轴内孔的滚针轴承（16）定位支撑，输入轴（7）一端的壳体（1）上安装上盖（6），上盖（6）与壳体（1）止口连接。
8.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：输入轴（7）可与车辆转向管柱的转向轴连接，输入轴（7）与输出轴（11）之间安装扭杆（10）和力矩角度传感器（12），扭杆（10）一端与输入轴（7）固定连接，扭杆（10）另一端与输出轴（11）固定连接，中空式内转子无刷电机和行星齿轮减速器（8）都是中空的，输出轴（11）可从中间穿过，套管轴（5）输出端就是行星齿轮减速器（8）的输入端，套管轴（5）输出端加工有外齿直接带动行星齿轮减速器工作，行星齿轮减速器的输出端行星架内孔可通过键与输出轴（11）连接，以保证输出轴输出的大扭矩的可靠性。
9.根据权利要求1所述的一种转向管柱式电动助力装置，其特征在于：壳体（1）远离上盖（6）的一端设置下盖（9），下盖（9）与壳体（1）止口连接，输出轴（11）从下盖（9）中间伸出，可与下传动轴连接到转向器输入轴。
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