CN111284553A - 一种机械助力转向方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的机械助力转向方法及装置，针对前置前驱布置形式的汽车，从差速器外壳到转向齿条上设计了一系列零部件，包括减速机构、万向传动机构、行星齿轮机构、转向离合器、转向制动器、带传动机构和磁粉离合器。发动机的动力经减速机构的减速、万向传动机构的变角度传递、行星齿轮机构的换向减速、带传动机构的减速后，在ECU对磁粉离合器的精确控制下，经螺杆螺母副的作用，动力转化为转向齿条的轴向移动，起到了良好的助力效果。与液压助力、电动助力相比，机械助力装置的机械能被直接利用，机械效率高，节约能源，减少了液压油泄漏污染、电机易发热等情况的出现，与汽车高低速匹配效果好，驾驶员路感好，汽车的操纵性好。

Description

一种机械助力转向方法及装置

技术领域

本发明属于汽车转向器技术领域，具体是一种机械助力转向方法及装置。

背景技术

自1902年英国人Frederick W.Lanchester发明“液压驱动转向”以来，助力转向已经走过一个多世纪，机械液压助力转向、电控液压助力转向、电动助力转向、线控助力转向等相继产生。但机械液压助力大小受发动机转速高低影响较大，电控液压助力的液压泵由电动机直接驱动，克服了受发动机转速影响的缺点，但仍需液压油传动，液压***需严格密封及漏油对环境有污染的缺点。

为克服这些缺点，北京理工大学的林逸等（公布号：CN1647984A，公布日期：2005年8月3日）提供一种循环球式电动助力转向器，本专利的转向由电动机直接驱动，克服液压助力转向存在的高低速转向路感差的问题，但只能提供有限的辅助力度，难以在大型车辆上使用。为解决电动助力转向助力小，杨亮终等（公布号：CN105438254A，公布日期：2006年3月30日）公布了一种可输出大扭矩的纯电动助力转向器，通过多级行星齿轮机构的减速增矩作用使电机可驱动重型汽车及各类客货汽车等商用车。但电动助力的电动机在连续工作时，仍存在助力电机易过热及路感信息匮乏的问题。

发明内容

为克服液压助力转向助力大小受发动机转速高低影响较大及电动助力转向助力电机易过热的缺点，结合传统的机械传动效率高、稳定的优点，本专利提出一套由发动机通过减速器来实现机械助力转向的装置。

1. 为实现上述目的，本发明主要通过以下技术方案来实现：

本装置主要有减速机构、万向传动机构（11）、行星齿轮机构、带传动机构（15）、磁粉离合器（19）组成。除上述机构外，为实现机械助力转向，还需要转矩传感器（25）、转向控制单元（ECU）、齿轮齿条式转向器（23）等装置。

所述减速机构的主动齿轮（8）与焊接在差速器壳体（6）上的空心轴（7）通过键连接，从动齿轮（10）被安装于万向传动机构（11）的主动轴（9）上。动力由发动机（1）经离合器（2）、变速器（3）、主减速器（4）传递至差速器壳体（6），再经主动齿轮（8）与从动齿轮（10）的减速传动，转速进一步降低。

为避免汽车行驶过程中转向***与传动***的相对运动以及二者之间的装配误差，在所述减速机构与行星齿轮机构之间设置一等速万向传动机构（11），其可实现轴线相交变角度的主动轴与从动轴的等速传递。所述万向传动机构（11）的主动轴与从动齿轮（10）连接，从动轴与行星齿轮机构的太阳轮（12）连接。

所述行星齿轮机构由太阳轮（12）、行星轮（17）、行星架（18）、齿圈（14）及转向离合器（13）、转向制动器（22）等装置构成，其中齿圈（14）中心轴线与太阳轮（12）重合，行星轮（17）与太阳轮（12）、齿圈（14）同时啮合，行星架（18）经转向制动器（22）与车身相连，万向传动机构的从动轴与带轮输入轴（16）通过转向离合器（13）相连。为使控制简单，转向离合器和转向控制器均采用电磁离合器。在汽车前进或后退时，通过转向离合器（13）与转向制动器（22）的分离、接合，动力经行星齿轮机构后，其方向会发生改变，进而使助力装置在汽车左、右转向时均可实现助力作用。

所述带传动机构（15）由带轮输入轴（16）、小带轮、大带轮、带轮输出轴（21）以及连接大小带轮的皮带等装置组成，经带传动机构可再度降低磁粉离合器的输入转速。

所述磁粉离合器（19）由带轮输出轴（21）、金属外壳（28）、磁性粉末（29）、励磁线圈（30）、电磁转子（31）、导电环（32）及齿条轴（20）等部分组成。其中齿条轴（20）左端加工有螺杆，右端为与齿轮相配合的齿条。金属外壳（28）与电磁转子（31）之间留有1.5～2mm的间隙，内装极微小的耐磨球状磁性粉末（29）。电磁转子（31）外端凹槽中放置励磁线圈（30），电流经导电环（32）通入励磁线圈（30）中，通过改变励磁电流的大小，实现电磁转子（31）转速及扭矩的调节。电磁转子（31）内端开有与螺杆相配合的螺槽，螺槽内则放置规定数量的滚珠，共同构成滚珠螺杆螺母副，可将电磁转子（31）的转动转化为齿条轴（20）的轴向移动，实现助力作用。

2. 本发明的有益效果主要有以下几点：

1）发动机的动力经减速器后直接助力转向，无须像液压助力转向或电动助力转向一样，将机械能转化液压能或电能，再转化为机械能，能量损失少；

2）与液压助力转向的油泵在一直运转相比，机械助力转向只在转向离合器或制动器接合时才提供助力，减少了能量消耗，同时无液压回路，没有液压油泄漏及对环境污染的问题；

3）与普通的电动助力转向相比，经减速机构、行星齿轮机构及带传动机构的减速增矩作用，转向助力转矩大，因此机械助力转向不仅适用于普通乘用车，同时也可用于重型汽车及各类货车等商用车；

4）在低速工况下，汽车转向阻力大，机械助力转向装置提供的转向助力也较大；高速工况下，汽车转向阻力小，机械转向助力也较小，二者较为匹配，与电控液压助力转向、电动助力转向相比，控制简单，驾驶员的路感好。

附图说明

图1为本发明机械助力装置的总体简图；

图2为本发明磁粉离合器示意图；

图3为本发明机械助力装置的电控***示意图；

图4为本发明汽车前进、左转时各部件运动方向示意图；

图5为本发明汽车前进、右转时各部件运动方向示意图；

图6为本发明汽车倒退、左转时各部件运动方向示意图；

图7为本发明汽车倒退、右转时各部件运动方向示意图。

图中：1-发动机，2-离合器，3-变速器，4-主减速器，5-差速器，6-差速器壳体，7-空心轴，8-减速机构的主动齿轮，9-万向传动机构的主动轴，10-减速机构的从动齿轮，11-万向传动机构，12-太阳轮,13-转向离合器，14-齿圈，15-带传动机构，16-带轮输入轴，17-行星轮，18-行星架，19-磁粉离合器，20-齿条轴，21-带轮输出轴，22-转向制动器，23-齿轮齿条转向器，24-扭杆，25-转矩传感器，26-转向输入轴，27-转向盘，28-金属外筒，29-电磁粉末，30-励磁线圈,31-电磁转子,32-导电环。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步阐述，但本发明的保护内容不限于所述范围。

实施例1：

1. 参见附图1、附图3，发动机起动后，当汽车转向ECU根据转向输入轴上的转矩传感器（25）的信号，检测到左转向需要转向助力时，ECU可由车速传感器确定差速器壳体（6）的转动方向；

2. 参见附图1、附图4，当汽车在前进时，差速器壳体（6）、减速机构主动齿轮（8）转动方向均与汽车前进的方向相同，减速机构的从动齿轮（10）、太阳轮（12）的转动方向均与汽车前进的方向相反，为使左转向时机械助力装置起作用，齿圈（14）的转动方向应与太阳轮（12）相同，转向离合器（13）接合、转向制动器（22）分离；

3. 参见附图2、附图3、附图4，转向离合器（13）接合后，动力经发动机（1）、离合器（2）、变速器（3）、主减速器（4）、差速器（5）、减速机构、万向传动机构（11）、行星齿轮机构、带传动机构（15）传至金属外筒（28），ECU根据车速、发动机转速、扭矩大小及方向等信号，确定出最佳的机械助力扭矩的大小，根据磁粉离合器（19）的转矩-电流特性曲线得到励磁电流值，向导电环（32）通入电流。励磁线圈（30）中有电流后，电磁粉末（29）在磁场作用下被吸引聚集，使磁粉离合器（19）的金属外筒（28）与电磁转子（31）接合，齿条轴（20）左端的螺杆在螺母的带动下沿轴向向左移动，起助力作用。

实施例2

1. 参见附图1、附图3，发动机起动后，当汽车转向ECU根据转向输入轴上的转矩传感器（25）的信号，检测到右转向需要转向助力时，ECU可由车速传感器确定差速器壳体（6）的转动方向；

2. 参见附图1、附图5，当汽车在前进时，差速器壳体（6）、减速机构主动齿轮（8）转动方向均与汽车前进的方向相同，减速机构的从动齿轮（10）、太阳轮（12）的转动方向均与汽车前进的方向相反，为使右转向时机械助力装置起作用，齿圈（14）的转动方向应与太阳轮（12）相反。根据行星齿轮机构的运动学特性方程式，转向制动器（22）接合、转向离合器（13）分离；

3. 参见附图2、附图3、附图5，转向制动器（22）接合后，动力经发动机（1）、离合器（2）、变速器（3）、主减速器（4）、差速器（5）、减速机构、万向传动机构（11）传至太阳轮（12），由于行星架（18）被固定，行星轮（17）的转动方向与太阳轮（12）相反，与齿圈（14）相同，最终使金属外筒（28）的转动方向与汽车前进的方向相同，ECU根据车速、发动机转速、扭矩大小及方向等信号，确定出最佳的机械助力扭矩的大小，根据磁粉离合器（19）的转矩-电流特性曲线得到励磁电流值，向导电环（32）通入电流。励磁线圈（30）中有电流后，电磁粉末（29）在磁场作用下被吸引聚集，使磁粉离合器（19）的金属外筒（28）与电磁转子（31）接合，齿条轴（20）左端的螺杆在螺母的带动下沿轴向向右移动，起助力作用。

实施例3

1. 参见附图1、附图3，发动机起动后，当汽车转向ECU根据转向输入轴上的转矩传感器（25）的信号，检测到左转向需要转向助力时，ECU可由车速传感器确定差速器壳体（6）的转动方向；

2. 参见附图1、附图6，当汽车在倒退时，差速器壳体（6）、减速机构主动齿轮（8）转动方向均与汽车倒退的方向相同，减速机构的从动齿轮（10）、太阳轮（12）的转动方向均与汽车倒退的方向相反，为使左转向时机械助力装置起作用，齿圈（14）的转动方向应与太阳轮（12）相反。根据行星齿轮机构的运动学特性方程式，转向制动器（22）接合、转向离合器（13）分离；

3. 参见附图2、附图3、附图6，转向制动器（22）接合后，动力经发动机（1）、离合器（2）、变速器（3）、主减速器（4）、差速器（5）、减速机构、万向传动机构（11）传至太阳轮（12），由于行星架（18）被固定，行星轮（17）的转动方向与太阳轮（12）相反，与齿圈（14）相同，最终使金属外筒（28）的转动方向与汽车倒退的方向相同，ECU根据车速、发动机转速、扭矩大小及方向等信号，确定出最佳的机械助力扭矩的大小，根据磁粉离合器（19）的转矩-电流特性曲线得到励磁电流值，向导电环（32）通入电流。励磁线圈（30）中有电流后，电磁粉末（29）在磁场作用下被吸引聚集，使磁粉离合器（19）的金属外筒（28）与电磁转子（31）接合，齿条轴（20）左端的螺杆在螺母的带动下沿轴向向左移动，起助力作用。

实施例4：

1. 参见附图1、附图3，发动机起动后，当汽车转向ECU根据转向输入轴上的转矩传感器（25）的信号，检测到右转向需要转向助力时，ECU可由车速传感器确定差速器壳体（6）的转动方向；

2. 参见附图1、附图7，当汽车在倒退时，差速器壳体（6）、减速机构主动齿轮（8）转动方向均与汽车倒退的方向相同，减速机构的从动齿轮（10）、太阳轮（12）的转动方向均与汽车倒退的方向相反，为使右转向时机械助力装置起作用，齿圈（14）的转动方向应与太阳轮（12）相同，转向离合器（13）接合、转向制动器（22）分离；

3. 参见附图2、附图3、附图7，转向离合器（13）接合后，动力经发动机（1）、离合器（2）、变速器（3）、主减速器（4）、差速器（5）、减速机构、万向传动机构（11）、行星齿轮机构、带传动机构（15）传至金属外筒（28），ECU根据车速、发动机转速、扭矩大小及方向等信号，确定出最佳的机械助力扭矩的大小，根据磁粉离合器（19）的转矩-电流特性曲线得到励磁电流值，向导电环（32）通入电流。励磁线圈（30）中有电流后，电磁粉末（29）在磁场作用下被吸引聚集，使磁粉离合器（19）的金属外筒（28）与电磁转子（31）接合，齿条轴（20）左端的螺杆在螺母的带动下沿轴向向右移动，起助力作用。

Claims (4)

1.一种机械助力转向方法及装置包括减速机构、万向传动机构、行星齿轮机构、转向离合器、转向制动器、带传动机构和磁粉离合器，所述减速机构的主动齿轮被花键与焊接在差速器壳体上的空心轴连接，从动齿轮被普通平键与万向传动机构的输入轴连接起来，为保证传动的等速性，所述万向传动机构采用双十字轴等速万向节，所述行星齿轮机构的太阳轮被普通平键与万向节输出轴连接，齿圈与小带轮分别通过键固定在带轮输入轴上，所述行星齿轮机构的行星架与车身通过转向制动器连接，万向传动机构的输出轴与带轮输入轴则通过转向离合器连接。

2.根据权利要求1所述的减速机构，为保证汽车在正常前进及倒退的过程中，机械助力装置均可发挥良好的助力作用，将助力转向时汽车车速限制在0～90km/h，对应的差速器壳体转速约为0～600r/min，人手转动方向盘的转速约为40～60 r/min，为了使方向盘的转速与汽车车速匹配，将机械助力转向装置的减速传动比设为6～8，所述的减速机构主从动齿轮传动比为2～4，行星齿轮机构齿圈与太阳轮的齿数比为2～3，带轮传动比为2～4。

3.根据权利要求1所述的行星齿轮机构，为使驾驶员在汽车加减速、制动、左右转向时，转向连续平稳，转向离合器和转向制动器均采用电磁离合器，ECU通过控制励磁线圈中电流的通断实现离合器的分离和接合，响应速度快。

4.根据权利要求1所述的磁粉离合器，其励磁线圈被放置于电磁转子外端凹槽中，ECU通过控制励磁线圈中的电流来改变电磁转子的输出转矩及转速，电磁转子内端开有与螺杆相配合的螺槽，与螺杆构成螺杆螺母副，为减小螺杆螺母的运动摩擦，采用滚珠丝杠螺母副，控制精度高，所述磁粉离合器外端装有冷却装置，保证磁粉离合器的良好运行。

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