CN107310623A - 一种并联结构的双电机电动助力转向***及助力转向方法 - Google Patents

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Abstract

一种并联结构的双电机电动助力转向***及助力转向方法，包括转向盘转角及位置传感器；转向盘转角及位置传感器和转向盘转矩传感器设置于转向盘下方；转向盘和车轮与转向器相连，转向器与并联结构的双电机***相连；转向盘转角及位置传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器以及并联结构的双电机***均与ECU相连。本发明通过ECU改变双电机***电机的控制电流，从而灵活地改变助力特性曲线，很好的协调了转向“轻”与“灵”的矛盾，使操作更稳定，并能够实现双电机转矩耦合助力转向模式、主电机助力转向模式、阻尼控制模式以及回正控制模式四种工作模式，在保证转向轻便性的同时，提高了驾驶的舒适性和安全性。

Description

一种并联结构的双电机电动助力转向***及助力转向方法
技术领域
本发明涉及助力转向技术领域，特别涉及一种并联结构的双电机电动助力转向***及助力转向方法。
背景技术
目前商用车都采用的是液压助力转向，虽然实现了商用车的助力转向但却存在很多缺点：油泵由发动机驱动，持续工作，能量消耗多；液压油泄漏、橡胶管污染环境；助力特性与控制阀结构有关，***一旦定型，助力特性便不能改变；助力和车速无关，不能协调转向轻便性和路感的矛盾等等。现有电动助力转向***安全性、可靠性高，转向特性曲线较理想。同时，由于采用直流电机，不需发动机提供高压油，整车燃油经济性好。但是受安装尺寸等方面的限制，电动助力转向输出转矩较小，无法满足商用车辆转向助力的要求，目前应用领域仍限于乘用车或轻型商用车。在商用车的转向***中用于布置助力电机的空间十分有限，目前有提出的双电机构想结构过于复杂且占用空间大。
传统商用车上的助力转向多采用液压助力转向***，但液压助力转向在使用中存在很大的缺陷，如选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此协调轻便性与路感的关系十分困难，从而影响操纵稳定性；同时在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗；存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并联结构的双电机电动助力转向***及助力转向方法，***的工作可靠性高，且整个***的寿命长，同时整个***的寿命也大大延长。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种并联结构的双电机电动助力转向***，包括转向盘、转向盘转角及位置传感器、转向盘转矩传感器、转向器、并联结构的双电机***、车速传感器和电子控制单元；转向盘转角及位置传感器和转向盘转矩传感器设置于转向盘下方；转向盘和车轮与转向器相连，转向器与并联结构的双电机***相连；转向盘转角及位置传感器、转向盘转矩传感器、车速传感器以及并联结构的双电机***均与电子控制单元相连。
本发明进一步的改进在于，并联结构的双电机***包括主助力电机、辅助助力电机和单向离合器总成，主助力电机和辅助助力电机通过单向离合器总成连接，单向离合器总成的输出轴与转向器相连接。
本发明进一步的改进在于，主助力电机采用中空电机，辅助助力电机的输出轴从主助力电机的中空轴中心穿过，在主助力电机的内部通过单向离合器总成实现与主助力电机的转子与辅助助力电机的输出轴的结合或者断开，从而达到单电机提供助力或者双电机通过转矩耦合提供转向所需要的助力。
本发明进一步的改进在于，主助力电机包括主助力电机转子，主助力电机转子经动力输出端将动力传递给转向器；
辅助助力电机包括辅助助力电机转子，辅助助力电机的动力由辅助助力电机转子传递至单向离合器总成，然后通过单向离合器与主助力单机转子进行转矩耦合，最后通过动力输出端将动力传递给转向器。
本发明进一步的改进在于，辅助助力电机转子由支撑装置进行支撑。
本发明进一步的改进在于，车轮通过转向横拉杆与转向摇臂相连，转向摇臂与转向器相连。
本发明进一步的改进在于，转向器通过转向器减速机构与双电机***相连。
一种并联结构的双电机电动助力转向***的转向方法，当ECU检测到转向盘转矩大于5～6N·m时，则采用双电机转矩耦合助力转向模式，此时单向离合器接合，辅助助力电机的输出轴和主助力电机的转子接合，由主助力电机的输出轴进行动力输出，此时进行的是转矩耦合，在这种工作模式下双电机***能够输出足够大的转矩以供商用车的转向***使用；
当ECU检测到转向盘转矩低于5～6N·m，则采用主电机助力转向模式，此时单向离合器处于断开状态，只有主助力电机进行转矩的输出，辅助助力电机处于非工作状态，双电机***的总的输出转矩降低；
当ECU检测到驾驶员不进行转向时，则采用阻尼控制模式，此时采用主助力电机始终处于与单向转向器接合状态，将主助力电机两端短接时，主助力电机产生的转矩和主助力电机的转速方向相反；
当ECU检测到转向盘转角达到最大时，同时检测到转向盘转速信号由0开始变化，则采用回正控制模式，此时主助力电机输出转矩给转向器，辅助驾驶员进行回正操作。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过设置并联结构的双电机***和ECU，双电机电动助力转向***可以通过ECU改变双电机***电机的控制电流，从而灵活地改变助力特性曲线，很好的协调了转向“轻”与“灵”的矛盾，使操作更稳定，同时也便于多种工作模式的实现，解决了液压助力转向***不足的难题。
进一步的，相比于传统的液压助力转向***，本发明在结构上，主助力电机采用中空的形式，辅助助力电机的输出轴布置在主助力电机的内部，在结构上大大节省了布置空间，为布置其他总成提供更多空间。本发明的双电机的结构上十分紧促，所占用的转向***的空间十分少，为转向系的其他部件的布置留下了更多的空间。同时本发明的双电机***总成零部件少，***的工作可靠性高。
商用车由于自重大等因素，其在原地转向或者低速行驶时转向时需要较大转矩，在本发明的双电机转矩耦合助力转向模式下单向离合器接合，辅助助力电机的输出轴和主助力电机的转子接合，进而由主助力电机的输出轴进行动力输出，此时进行的是转矩耦合，在这种工作模式下双电机***能够输出足够大的转矩以供商用车的转向***使用，相比与传统的单电机助力转向***本发明中的双电机***能够输出更大转矩，且随着电机参数选择的不同，该输出转矩也会有较大范围的变化，以便能够适应不同商用车的转向***的需求。当商用车的车速达到一定程度时，转向***的转向轻便性能随之变好，此时转向***所需要的转向助力减少。在主电机助力转向模式下，单向离合器处于断开状态。此时只有主助力电机进行转矩的输出，辅助助力电机处于非工作状态，双电机***的总的输出转矩降低，在解决转向“轻与灵”的问题同时，增加驾驶员此时的“路感”，提高驾驶的乐趣和驾驶安全性。同时由于只有主助力电机工作，辅助助力电机处于非工作状态，使得双电机***的耗电量大大降低。在保证提供转向***需要的助力的同时也能降低整个***能耗，保证转向轻便性的同时也能提高整车的油耗性能。本发明中双电机***在工作时主助力电机始终处于与单向转向器接合状态。将主助力电机两端短接时，主助力电机产生的转矩和主助力电机的转速方向相反，也就是说主助力电机的转矩对主助力电机的转动起制动作用。同时，电机制动转矩的大小和主助力电机转速成正比，主助力电机转动越快，制动作用越强。根据这一原理，当汽车高速直线行驶时，电子控制单元将主助力电机两端短路，利用主助力电机的制动作用提高转向***的阻尼，从而减轻转向盘在中位附近的抖动，改善驾驶员的手感。提高高速行驶时的驾驶安全性。需要进行回正时，由主助力电机输出转矩给转向器，辅助驾驶员进行回正操作，减轻驾驶员的驾驶疲劳等。本发明在实现转向时，可以采用双电机转矩耦合助力转向模式、主电机助力转向模式、阻尼控制模式以及回正控制模式四种工作模式，丰富了双电机电动助力转向的控制策略，在保证转向轻便性的同时，提高了驾驶的舒适性和安全性。
附图说明
图1是双电机电动助力转向***示意图。
图2是双电机***示意图。
图中，1为转向盘，2为转向盘转角及位置传感器，3为转向盘转矩传感器，4为转向器，5为转向器减速机构，6为转向摇臂，7为转向横拉杆，8为车轮，9为辅助助力电机，10为辅助助力电机定子，11为主助力电机，12为主助力电机定子，13为单向离合器总成，14为支撑装置，15为主助力单机转子，16为动力输出端，17为辅助助力电机转子，18为电子控制单元，19为双电机***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参见图1，本发明的双电机电动助力转向***，包括转向盘1、转向盘转角及位置传感器2、转向盘转矩传感器3、转向器4、转向器减速机构5、转向摇臂6、转向横拉杆7、双电机***19、车速传感器和电子控制单元(ECU)18。车速传感器设置在车身上；转向盘转角及位置传感器2设置于转向盘1下方，用于实时采集转向盘1的位置和转角信号，转向盘转矩传感器3设置在转向盘1下方，用于实时采集转向盘1的转矩；转向盘1也与转向器4相连。
两个车轮8通过转向横拉杆7与转向摇臂6相连，转向摇臂6与转向器4相连，转向器4通过转向器减速机构5与双电机***19相连。
驾驶员可以实时根据路况等信息转动转向盘1，进而带动转向器4运动，再通过转向器减速机构5减速增扭后，将动力传递给双电机***19，双电机***19再将动力通过转向器4传递至转向摇臂6和转向横拉杆7，转向摇臂6和转向横拉杆7进行运动后带动车轮8进行转动，继而完成转向的工作。
参见图2，双电机***19包括主助力电机11、辅助助力电机9和单向离合器总成13(单向离合器总成13是一个整体，它是由主动盘、压紧弹簧、单向离合器及从动盘等组成，其技术较为成熟)，主助力电机11和辅助助力电机9通过单向离合器总成13连接，单向离合器总成13的输出轴与转向器4相连接。
主助力电机11采用中空电机，辅助助力电机9的输出轴从主助力电机11的中空轴中心穿过，在主助力电机11的内部通过单向离合器总成13实现与主助力电机11的转子与辅助助力电机9的输出轴的结合或者断开，从而达到单电机提供助力或者双电机通过转矩耦合提供转向所需要的助力。
主助力电机11包括主助力电机定子12以及主助力电机转子15，主助力电机转子15经动力输出端16将动力传递给转向器4。
辅助助力电机9包括辅助助力电机定子10和辅助助力电机转子17，其中辅助助力电机转子17由支撑装置14进行支撑，辅助助力电机9的动力由辅助助力电机转子17传递至单向离合器总成13，然后通过单向离合器与主助力单机转子15进行转矩耦合，最后通过动力输出端16将动力传递给转向器4。
转向盘转角及位置传感器2、转向盘转矩传感器3、车速传感器以及双电机***均与电子控制单元18相连。本发明中电子控制单元18采集的信号有车速、主助力电机11与辅助助力电机9的电压、主助力电机11与辅助助力电机9的电流；电子控制单元18采集信号后发出控制信号给双电机***，从而控制双电机***的工作模式。
本发明双电机助力位置的选择，助力位置是指助力电机输出的助力转矩施加在转向***中的具***置。助力位置的选择对电动助力转向***的性能有着重大影响。助力位置的选择(是现有的技术)要考虑汽车前轴负荷大小、助力位置对电机设计的要求、机械***设计的难易程度、电机转矩波动对驾驶员的影响、安装的方便性等诸多因素，并进行综合权衡。目前根据助力位置的不同，齿轮齿条式转向***可分为三种基本结构形式：转向管柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种。若采用循环球式电动助力转向***，从理论上分析，也同样有三种助力位置可以选择：转向管柱助力式、螺杆助力式和摇臂轴助力式。一般采用转向管柱助力式。本发明也将只讨论双电机***安装在转向主管的助力方式。
本发明中并联结构的双电机电动助力转向方法即双电机电动助力转向***的具体的工作模式，由电子控制单元18决定，即具体的工作模式是电子控制单元18根据转向盘转矩传感器3采集到的转向盘的转矩信号、转角传感器信号、车速、双电机***的电流及电压等因素决定。
本发明提供四种工作模式：双电机转矩耦合助力转向模式、主电机助力转向模式、阻尼控制模式以及回正控制模式。
双电机转矩耦合助力转向模式是在转向时需要较大转矩时，本发明提供的一种助力转向模式。商用车由于自重大等因素，其在原地转向或者低速行驶时转向时需要较大转矩，在双电机转矩耦合助力转向模式下单向离合器接合，辅助助力电机9的输出轴和主助力电机11的转子接合，进而由主助力电机11的输出轴进行动力输出，此时进行的是转矩耦合，在这种工作模式下双电机***能够输出足够大的转矩以供商用车的转向***使用，当ECU检测到转向盘转矩大于5～6N·m时，则选择这种模式。相比与传统的单电机助力转向***本发明中的双电机***能够输出更大转矩，且随着电机参数选择的不同，该输出转矩也会有较大范围的变化，以便能够适应不同商用车的转向***的需求。
主电机助力转向模式是指，当商用车的车速达到一定程度时，转向***的转向轻便性能随之变好，此时转向***所需要的转向助力减少。在主电机助力转向模式下，电子控制单元18综合采集到的车速及转向盘转矩信号等同时发出控制信号时单向离合器处于断开状态。此时只有主助力电机11进行转矩的输出，辅助助力电机9处于非工作状态，双电机***的总的输出转矩降低，在解决转向“轻与灵”的问题同时，增加驾驶员此时的“路感”，提高驾驶的乐趣和驾驶安全性。同时由于只有主助力电机11工作，辅助助力电机9处于非工作状态，使得双电机***的耗电量大大降低。在保证提供转向***需要的助力的同时也能降低整个***能耗，保证转向轻便性的同时也能提高整车的油耗性能。当ECU检测到转向盘转矩低于5～6N·m，则采用这种工作模式。
阻尼控制模式是指当汽车高速直线行驶时，如果路面有高频的干扰，转向盘便会在中位附近抖动，使驾驶员感觉紧张，同时手感变差。为改善汽车高速行驶时转向盘在中位附近时的性能，考虑在这种工况下利用助力电机对转向***施加一定阻尼，以减少转向盘的抖动，从而改善驾驶员的手感。本发明中双电机***在工作时主助力电机11始终处于与单向转向器接合状态。将主助力电机11两端短接时，主助力电机11产生的转矩和主助力电机11的转速方向相反，也就是说主助力电机11的转矩对主助力电机11的转动起制动作用。因为主助力电机11和转向盘1通过转向器减速机构5连接在一起，所以主助力电机11的转矩对转向盘1的转动也起制动作用，相当于增加了转向***的阻尼。同时，电机制动转矩的大小和主助力电机11转速成正比，也就是说，主助力电机11转动越快，制动作用越强。根据这一原理，当汽车高速直线行驶时，电子控制单元18将主助力电机11两端短路，利用主助力电机11的制动作用提高转向***的阻尼，从而减轻转向盘在中位附近的抖动，改善驾驶员的手感，提高高速行驶时的驾驶安全性。当ECU检测到驾驶员不进行转向时，则采用这种工作模式。
回正控制模式是指驾驶员转向完成需要对转向盘进行回正操作，进行回正控制时，***中加装转向盘转角及位置传感器2，用来检测转向盘1的位置。但电子控制单元18检测需要进行回正时，将会给双电机***发出指令，这时会由主助力电机11输出转矩给转向器4，辅助驾驶员进行回正操作，减轻驾驶员的驾驶疲劳等。当ECU检测到转向盘转角达到最大时，即转向完成，同时检测到转向盘转速信号由0开始变化，即回正开始，此时则采用这种工作模式。
如图1所示，ECU实时采集车速信息、转向盘位置信息、转向盘转角信息、转向盘转矩信息及双电机***的电流及电压信息，并根据提前预设好的控制模式来输出控制信号，进而决定双电机***的工作模式。双电机***在工作时，辅助助力电机定子10及主助力电机定子12保持不动，辅助助力电机9的动力由辅助助力电机转子17传递至单向离合器，其中辅助助力电机转子由支撑装置14进行支撑，然后通过单向离合器与主助力单机转子15进行转矩耦合，最后通过动力输出端16和转向器减速机构5将动力传递给转向器4。驾驶员可以实时根据路况等信息转动转向盘，进而带动转向器运动，再通过转向器减速机构5减速增扭后，将动力传递至转向摇臂6和转向横拉杆7，转向摇臂6和转向横拉杆7进行运动后带动车轮8进行转动，继而完成转向的工作。
如图2所示，双电机***根据ECU发出的控制信号，来决定是否需要单向离合器接合。如果需要则单向离合器接合，双电机***进入双电机助力转向模式。同时ECU也可以控制双电机***的电流和电压，达到调节输出转矩的目的。如果不需要则双电机***进入主助力电机助力模式。同时ECU根据采集到的各种信号，来决定是否为阻尼控制模式和回正控制模式，进而向双电机***发出控制信号来达到进行辅助助力的目的。

Claims (8)

1.一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，包括转向盘(1)、转向盘转角及位置传感器(2)、转向盘转矩传感器(3)、转向器(4)、并联结构的双电机***(19)、车速传感器和电子控制单元(18)；转向盘转角及位置传感器(2)和转向盘转矩传感器(3)设置于转向盘(1)下方；转向盘(1)和车轮(8)与转向器(4)相连，转向器(4)与并联结构的双电机***(19)相连；转向盘转角及位置传感器(2)、转向盘转矩传感器(3)、车速传感器以及并联结构的双电机***(19)均与电子控制单元(18)相连。
2.根据权利要求1所述的一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，并联结构的双电机***(19)包括主助力电机(11)、辅助助力电机(9)和单向离合器总成(13)，主助力电机(11)和辅助助力电机(9)通过单向离合器总成(13)连接，单向离合器总成(13)的输出轴与转向器(4)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，主助力电机(11)采用中空电机，辅助助力电机(9)的输出轴从主助力电机(11)的中空轴中心穿过，在主助力电机(11)的内部通过单向离合器总成(13)实现与主助力电机(11)的转子与辅助助力电机(9)的输出轴的结合或者断开，从而达到单电机提供助力或者双电机通过转矩耦合提供转向所需要的助力。
4.根据权利要求2或3所述的一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，主助力电机(11)包括主助力电机转子(15)，主助力电机转子(15)经动力输出端(16)将动力传递给转向器(4)；
辅助助力电机(9)包括辅助助力电机转子(17)，辅助助力电机(9)的动力由辅助助力电机转子(17)传递至单向离合器总成(13)，然后通过单向离合器与主助力单机转子(15)进行转矩耦合，最后通过动力输出端(16)将动力传递给转向器(4)。
5.根据权利要求4所述的一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，辅助助力电机转子(17)由支撑装置(14)进行支撑。
6.根据权利要求1所述的一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，车轮(8)通过转向横拉杆(7)与转向摇臂(6)相连，转向摇臂(6)与转向器(4)相连。
7.根据权利要求1所述的一种并联结构的双电机电动助力转向***，其特征在于，转向器(4)通过转向器减速机构(5)与双电机***(19)相连。
8.一种基于权利要求1所述的并联结构的双电机电动助力转向***的转向方法，其特征在于，
当ECU检测到转向盘转矩大于5～6N·m时，则采用双电机转矩耦合助力转向模式，此时单向离合器接合，辅助助力电机(9)的输出轴和主助力电机(11)的转子接合，由主助力电机(11)的输出轴进行动力输出，此时进行的是转矩耦合，在这种工作模式下双电机***(19)能够输出足够大的转矩以供商用车的转向***使用；
当ECU检测到转向盘转矩低于5～6N·m，则采用主电机助力转向模式，此时单向离合器处于断开状态，只有主助力电机(11)进行转矩的输出，辅助助力电机(9)处于非工作状态，双电机***(19)的总的输出转矩降低；
当ECU检测到驾驶员不进行转向时，则采用阻尼控制模式，此时采用主助力电机(11)始终处于与单向转向器接合状态，将主助力电机(11)两端短接时，主助力电机(11)产生的转矩和主助力电机(11)的转速方向相反；
当ECU检测到转向盘转角达到最大时，同时检测到转向盘(1)转速信号由0开始变化，则采用回正控制模式，此时主助力电机(11)输出转矩给转向器(4)，辅助驾驶员进行回正操作。
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