CN112455530A - 角传动装置、转向***及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆转向技术领域，尤其涉及一种角传动装置、转向***及车辆，该角传动装置包括壳体、电机、减速机构、第一轴、第二轴、第三轴、扭杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮及扭矩转角传感器，所述第一轴、第二轴及第三轴转动支承在所述壳体内，所述扭杆固定在所述第一轴的第二端与所述第三轴的第一端之间，所述第一锥齿轮固定在所述第三轴的第二端，所述第二锥齿轮固定在所述第二轴的第二端；所述减速机构连接在所述电机与第三轴之间。本发明的角传动装置，可以节省结构复杂、零件多的用于选择性地断开和结合的机构，降低该角传动装置结构的复杂度和生产成本。

Description

角传动装置、转向***及车辆

技术领域

本发明属于车辆转向技术领域，尤其涉及一种角传动装置、转向***及车辆。

背景技术

现有的一种转向***的角传动装置，包括本体，本体中安装有输入轴总成、输出轴总成和助力总成，输入轴总成包括安装在本体中的安装支架一，安装支架一内安装有扭力杆，扭力杆套设有输入轴，输入轴的输出端套设有主动锥齿轮，转向传感器与扭力杆相连，输出轴总成包括安装在本体中的安装支架二，安装支架二上安装有输出轴，输出轴上安装有与主动锥齿轮啮合的被动锥齿轮，助力总成包括助力电机，助力电机的输出轴上安装有主动直齿轮，输出轴上还安装有与主动直齿轮啮合的被动直齿轮。该角传动装置通过控制助力电机可实现方向盘转动助力、自动转动和主动回正。

上述角传动装置存在以下问题：

(1)为了获得扭矩检测必然需要将输入轴与主动锥齿轮之间断开并形成相对转动量，由其内部上下两端固定的扭力杆的形变量来体现，这样，输入轴与主动锥齿轮之间需要可选择性地断开和结合的机构，导致该角传动装置结构复杂、成本高。

(2)与扭力杆相连接的两个零件之间没有设置限位结构，可能导致扭杆持续形变，产生永久变形而导致扭杆失效。

(3)其减速机构布置在输出轴的加长段，输出轴的中间未设置轴承结构，输出轴转动稳定性较差，使用寿命降低。采用双直齿轮的减速机构，在保证速比适合的情况，在考虑双直齿轮的结构强度的前提下，将可能存在减速机构体积、重量过大的问题。

(4)助力电机采用永磁有刷直流电机，在负载突变时易产生振荡和失步，并且永磁有刷直流电机使用寿命短、节能性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的角传动装置，输入轴与主动锥齿轮之间需要可选择性地断开和结合的机构，导致该角传动装置结构复杂的问题，提供一种角传动装置、转向***及车辆。

为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种角传动装置，包括壳体、电机、减速机构、第一轴、第二轴、第三轴、扭杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮及用于检测所述第一轴的扭矩和转动角度的扭矩转角传感器，所述减速机构、第一轴、第二轴、第三轴、扭杆、第一锥齿轮及第二锥齿轮设置在所述壳体内，所述第一轴、第二轴及第三轴转动支承在所述壳体内，所述第一轴的第一端穿出所述壳体，所述扭杆固定在所述第一轴的第二端与所述第三轴的第一端之间，所述第一轴、扭杆及第三轴同轴设置，所述第一锥齿轮固定在所述第三轴的第二端，所述第二轴的第一端穿出所述壳体，所述第二锥齿轮固定在所述第二轴的第二端；

所述第一轴与第二轴的其中一个为输入轴，另一个为输出轴；

所述减速机构连接在所述电机与第三轴之间，所述电机通过所述减速机构驱动所述第三轴旋转。

可选地，所述扭杆的第一端通过花键或插销与所述第一轴连接，所述扭杆的第二端通过花键或插销与所述第三轴连接。

可选地，所述第一轴内设置有第一花键孔，所述扭杆的第一端设置有插接在所述第一花键孔内的第一外花键；

所述第三轴内设置有第二花键孔，所述扭杆的第二端设置有插接在所述第二花键孔内的第二外花键。

可选地，所述扭杆的位于所述第一外花键与第二外花键的部分形成缩径段，所述缩径段的外径小于所述第一外花键及第二外花键的外径，所述缩径段的外周与所述第一花键孔的内壁之间形成环状间隙，以提供所述扭杆的形变空间。

可选地，所述输入轴的第一端设置有第三外花键和螺栓限位环槽，所述输入轴通过所述第三外花键和螺栓限位环槽与转向管柱下端的万向节总成连接。

可选地，所述第三轴的第一端设置有键槽，所述第一轴的第二端设置有插接在所述键槽内的键块，所述键槽的内壁上形成有不重合的第一止位与第二止位；

在所述扭杆发生形变导致所述第一轴与第三轴产生相对运动时，所述键块可在所述键槽内在由第一止位与第二止位限定的角度范围内转动，当所述键块与键槽在第一止位或第二止位接触时，所述第一轴与第三轴结合一体并直接传递转向扭矩，以阻止所述扭杆的进一步形变；

在手动转向模式下，当所述键块与键槽在第一止位或第二止位接触时，方向盘的旋转阻力增大，以表示到达转向的极限位置。

可选地，所述键块为方形块，所述键槽的截面为长圆形或椭圆形。

可选地，所述减速机构包括固定或一体形成在所述电机的输出轴上的蜗杆以及固定或一体形成在所述第三轴上的蜗轮，所述电机的外壳固定在所述壳体的外部，所述电机的输出轴穿入所述壳体内，所述蜗杆与所述蜗轮啮合。

可选地，所述壳体包括底壳及固定在所述底壳上的端盖；

所述第一轴通过第一轴承转动支承在所述端盖上；

所述第二轴通过第二轴承转动支承在所述底壳上，所述第二轴承与所述第二锥齿轮的一侧端面抵接；

所述第三轴通过第三轴承及第四轴承转动支承在所述底壳上，所述第三轴承位于所述蜗轮的轴向一侧，所述第四轴承与所述第一锥齿轮的一侧端面抵接。

可选地，所述扭矩转角传感器包括磁环、磁环外套及磁阻，所述磁环固定在所述第一轴上的外周上并跟随所述第一轴旋转，所述磁环外套固定在所述壳体上，所述磁阻环绕所述磁环设置并固定在所述磁环外套内。

根据本发明实施例的角传动装置，断开的第一轴与第三轴通过扭杆连接，第一锥齿轮设置在第三轴上并与第二轴的第二锥齿轮啮合，通过扭矩转角传感器检测第一轴的扭矩和转动角度。这样，在检测扭矩时，第一锥齿轮与第一轴不需要选择性地断开与结合。可以节省结构复杂、零件多的用于选择性地断开和结合的机构，降低该角传动装置结构的复杂度和生产成本。该角传动装置可适用于电动转向助力，也可适用于自动转向(电控转向)，以实现无人驾驶功能。

另一方面，本发明实施例还提供一种转向***，其包括上述的角传动装置。

再一方面，本发明实施例还提供一种车辆，其包括上述的角传动装置。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的角传动装置的剖视图；

图2是本发明一实施例提供的角传动装置的第一轴、第三轴及扭杆的***图；

图3是本发明一实施例提供的角传动装置的键块与键槽的配合图(放大)；

图4是本发明一实施例提供的角传动装置的扭矩转角传感器与第一轴的装配图。

说明书中的附图标记如下：

1、壳体；2、电机；3、减速机构；31、蜗杆；32、蜗轮；4、第一轴；41、第一花键孔；42、环状间隙；43、键块；5、第二轴；6、第三轴；61、第二花键孔；62、键槽；7、扭杆；71、第一外花键；72、第二外花键；73、缩径段；8、第一锥齿轮；9、第二锥齿轮；10、扭矩转角传感器；101、；102、；103、；20、第一轴承；30、第二轴承；40、第三轴承；50、第四轴承。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，本发明实施例提供的角传动装置，包括壳体1、电机2、减速机构3、第一轴4、第二轴5、第三轴6、扭杆7、第一锥齿轮8、第二锥齿轮9及用于检测所述第一轴4的扭矩和转动角度的扭矩转角传感器10，所述减速机构3、第一轴4、第二轴5、第三轴6、扭杆7、第一锥齿轮8及第二锥齿轮9设置在所述壳体1内，所述第一轴4、第二轴5及第三轴6转动支承在所述壳体1内，所述第一轴4的第一端穿出所述壳体1，所述扭杆7固定在所述第一轴4的第二端与所述第三轴6的第一端之间，所述第一轴4、扭杆7及第三轴6同轴设置，所述第一锥齿轮8固定在所述第三轴6的第二端，所述第二轴5的第一端穿出所述壳体1，所述第二锥齿轮9固定在所述第二轴5的第二端。所述减速机构3连接在所述电机2与第三轴6之间，所述电机4通过所述减速机构3驱动所述第三轴6旋转。

在一实施例中，第一轴4与第二轴5垂直，第一锥齿轮8及第二锥齿轮9正交啮合，该电动助力角传动装置为输入轴、输出轴交角为90度的角传动。

然而，该电动助力角传动装置也可以应用于其它角度的角传动，例如120度或135度等。此时，第一锥齿轮8及第二锥齿轮9的啮合角度为120度或135度。

扭矩转角传感器10采用TAS系列。

如图4所示，所述扭矩转角传感器10包括磁环101、磁环外套102及环形的磁阻103，所述磁环101固定在所述第一轴4上的外周上并跟随所述第一轴4旋转，所述磁环外套102固定在所述壳体1上，所述磁阻103环绕所述磁环101设置并固定在所述磁环外套102内。

电机2采用无刷直流电机，例如24V的无刷直流电机。相对于传统的永磁有刷直流电机，寿命更长、节能性更佳。

当然，其他工作电压或其他可控电机种类(如永磁同步电机)也可实现相同功能。

在一实施例中，如图1所示，所述第一轴4为输入轴，第二轴5为输出轴。所述第一轴4(输入轴)的第一端设置有第三外花键和螺栓限位环槽，所述第一轴4(输入轴)通过所述第三外花键和螺栓限位环槽与转向管柱下端的万向节总成连接。转向管柱的上端连接方向盘。

扭矩转角传感器10检测第一轴4与扭杆2的相对转动角度范围，并根据扭杆7的刚度换算成扭矩范围，当电控转向模式下切换成手动转向模式时，第一轴4和第三轴6之间存在相对转动，即可通过扭矩大小判断何时断开电机2的扭矩输入并完全由手动转向模式接管。扭矩转角传感器10同时检测第一轴4的转动角度，输入轴1的转动角度对应于方向盘的角度位置，零位标定过后的电动助力角传动装置可将输入轴的实时转动角度传递给带存储功能的控制器，以确保控制器始终明确当前方向盘的角度位置。

所述扭杆7的第一端通过花键或插销与所述第一轴4连接，所述扭杆7的第二端通过花键或插销与所述第三轴6连接。

在一实施例中，如图1及图2所示，所述第一轴4内设置有第一花键孔41，所述扭杆7的第一端设置有插接在所述第一花键孔41内的第一外花键71。所述第三轴6内设置有第二花键孔61，所述扭杆7的第二端设置有插接在所述第二花键孔61内的第二外花键72。

在一实施例中，如图1及图2所示，所述扭杆7的位于所述第一外花键71与第二外花键72的部分形成缩径段73，所述缩径段73的外径小于所述第一外花键71及第二外花键72的外径，所述缩径段73的外周与所述第一花键孔41的内壁之间形成环状间隙42，以提供所述扭杆7的形变空间。

在一实施例中，如图3所示，所述第三轴6的第一端设置有键槽62，所述第一轴4的第二端设置有插接在所述键槽62内的键块43，所述键槽62的内壁上形成有不重合的第一止位与第二止位，第一止位与第二止位对应于方向盘左转极限角度与方向盘右转极限角度。在第一止位与第二止位限定的角度范围内(不包含两个端点位置)，键块43与键槽62间隙配合。该角度范围的设计与扭杆7的刚度选型相关。在该角度范围内，第一轴4和第三轴6均是通过扭杆2传递扭矩的，即第一轴4和第三轴6接近同步转动。因为扭杆2的形变的行程存在，第三轴6实际滞后于第一轴4，滞后程度由扭矩转角传感器10的信号传输速率、控制器的处理时间以及电机2的响应时间决定。

手动转向模式下，第一轴4通过扭杆7传递人手输入扭矩给第三轴6，扭矩转角传感器10将检测到得角度信号传递给控制器，控制器根据事先标定的助力曲线输出目标电流给电机2，电机2通过减速机构3、第三轴6、扭杆7带动输出轴1，即人手输入力矩和电机辅助力矩的总和作为转向力矩。电控转向模式下，上层输入角度、角速度或直接扭矩对应的电流信号至电机2，由电机2通过减速机构3、第三轴6、扭杆7带动输入轴1，即电机2的输出力矩直接作为转向力矩。

在所述扭杆7发生形变导致所述第一轴4与第三轴6产生相对运动时，所述键块43可在所述键槽62内在由第一止位与第二止位限定的角度范围内转动，由于刚性桥或独立悬架转向节位置具备机械式角度限位，转向***机械传动造成方向盘对应的存在极限角度位置。方向盘达到左、右极限位置时，即所述键块43与键槽62在第一止位或第二止位接触时，所述第一轴4与第三轴6结合一体并直接传递转向扭矩，以阻止所述扭杆7的进一步形变。在手动转向模式下，当所述键块43与键槽62在第一止位或第二止位接触时，方向盘的旋转阻力增大，以表示到达转向的极限角度位置。

在极限角度位置，为避免电机2继续增大输出扭矩造成电机2过载，在该角传动装置工作前进行软限位角度标定，此角度标定与上述方向盘对应转向节机械式角度限位而存在的极限角度位置一致，当达到软限位角度时，电机2增大阻尼效果，可人为感知到角度极限存在较大差异。为避免标定前无软限位而造成扭杆7持续变形造成损坏，在该角度范围以外时，键块43、键块62直接接触传递转向扭矩并反馈突增手力以示达到极限位置，由于未按照正常流程进行软限位标定，电机2在极限位置可能存在过载情况，此时根据预设的过载电流阀值判断电机2过载情况并报出故障。

在一实施例中，所述键块43为方形块(长方形块或正方形块)，所述键槽62的截面为长圆形(腰形)或椭圆形。例如，在键块43为方形块，键槽62的截面为长圆形时，键槽62的长圆形截面的宽度大于所述键块43的方形截面的边长，且，键槽62的长圆形截面的宽度小于所述键块43的方形截面的对角线长度。再例如，在键块43为方形块，键槽62的截面为椭圆形时，键槽62的椭圆形截面的短轴长度大于所述键块43的方形截面的边长，且，键槽62的椭圆形截面的短轴长度小于所述键块43的方形截面的对角线长度。

然而，键块43与键槽62还可以有其它更多匹配的形状。只要满足以下条件即可：

在由第一止位与第二止位限定的角度范围内(不包含两个端点位置)，键块43与键槽62间隙配合，当所述键块43与键槽62在第一止位或第二止位接触时(方向盘左转到达极限角度位置或者方向盘右转到达极限角度位置)，所述第一轴4与第三轴6结合一体并直接传递转向扭矩。

在一实施例中，如图1所示，所述减速机构3为蜗轮蜗杆减速机构，所述减速机构3包括固定或一体形成在所述电机2的输出轴上的蜗杆31以及固定或一体形成在所述第三轴6上的蜗轮32，所述电机2的外壳固定在所述壳体1的外部，所述电机2的输出轴穿入所述壳体1内，所述蜗杆31与所述蜗轮32啮合。

可将蜗轮32与第三轴6整体车工后滚齿整体机加。当然，为加工方便也可将蜗轮32和第三轴6做成分体，在第三轴6和蜗轮32的配合面之间做平键或花键连接。第三轴6与蜗轮32的转角速度一致。

蜗杆31与蜗轮32形成蜗轮蜗杆传动，即蜗轮蜗杆减速器。蜗杆31与电机2的转子转角速度一致，可将电机2的输出轴与蜗杆31做成一体，也可以将电机2的输出轴与蜗杆31做成分体式，并通过联轴器连接。

在一实施例中，如图1所示，所述壳体1包括底壳11及通过螺栓固定在所述底壳11上的端盖12。所述第一轴4通过第一轴承20转动支承在所述端盖12上；所述第二轴5通过第二轴承30转动支承在所述底壳11上，所述第二轴承30与所述第二锥齿轮9的一侧端面抵接，以此实现第二锥齿轮9轴向限位。所述第三轴6通过第三轴承40及第四轴承50转动支承在所述底壳11上，所述第三轴承40位于所述蜗轮32的轴向一侧，所述第四轴承50与所述第一锥齿轮8的一侧端面抵接，以此实现第一锥齿轮8轴向限位。通过轴承支承第一轴4、第二轴5及第三轴6，使得第一轴4、第二轴5及第三轴6能够稳定的转动。

壳体11做成分体式，通过螺栓连接，蜗轮32直径相对较大，蜗轮32以上部分做成端盖12，蜗轮32以下部分做成底壳11，通过模具铸造并机加安装孔位，安装孔位用于将该角传动装置螺栓连接在车架上设置有一个固定支架上。

在一实施例中，第一锥齿轮8、第二锥齿轮9采用直齿锥齿轮。

在一优选实施例中，电机2、减速机构3及扭矩转角传感器10均布置在输入轴端并高度集成，这样，输出轴端结构简单，保证了输出轴结构的最大通用化。

本发明实施例的角传动装置，电机2采用的是无刷直流电机，体积相对较小，并且电机2带霍尔传感器或旋转变压器等位置控制器件，电机2转速、位置、电流信号均与控制器进行交互，实现电机2角度、转速、扭矩可控，对应转向方向、转向速度、转向力大小均可控，最终通过电机2输出给蜗杆31。控制器限制电流大小，同时可集成温度传感器到无刷电机7，避免大负载或极限位置下持续的大电流烧坏电机2。电机2、减速机构3无锁止结构，确保异常断电等异常故障出现时具备可操作性，可人力带动第一轴4、第三轴6、第二轴5转动，此时由于第三轴6带动蜗轮32、蜗杆31、电机2，因此输入力矩稍有增加。另外，此时，键块43和键槽62的限位结构也将起到保护扭杆7的作用，提高了转向安全性。控制器可集成在电机2的后侧盖端亦可做成独立于电机2的壳体的分体式。因此，通过接受整车车速信号的控制器可控制电机2的输出扭矩和转速，实现随速助力、手力改善、主动回正等基础功能，并可在此基础上继续拓展上层感知和控制***实现车辆无人驾驶功能。即，该角传动装置可适用于电动转向助力，也可适用于自动转向(电控转向)，以实现无人驾驶功能。

根据本发明实施例的角传动装置，在检测扭矩时，第一锥齿轮8与第一轴4不需要选择性地断开与结合。可以节省结构复杂、零件多的用于选择性地断开和结合的机构，降低该角传动装置结构的复杂度和生产成本。上述实施例的电动助力角传动装置，在传统角传动装置的基础上于输入位置新增电机(电控)、扭矩转角传感装置、蜗轮蜗杆减速机构。由于角传动均遵循输入、输出传动比为1，因此，以上新增部分亦可增加在输出位置。即，在另一实施例中，所述第二轴为输入轴，第一轴为输出轴。

另外，本发明实施例还提供一种转向***，其包括上述实施例的角传动装置。

另外，本发明实施例还提供一种车辆，其包括上述实施例的角传动装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种角传动装置，其特征在于，包括壳体、电机、减速机构、第一轴、第二轴、第三轴、扭杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮及用于检测所述第一轴的扭矩和转动角度的扭矩转角传感器，所述减速机构、第一轴、第二轴、第三轴、扭杆、第一锥齿轮及第二锥齿轮设置在所述壳体内，所述第一轴、第二轴及第三轴转动支承在所述壳体内，所述第一轴的第一端穿出所述壳体，所述扭杆固定在所述第一轴的第二端与所述第三轴的第一端之间，所述第一轴、扭杆及第三轴同轴设置，所述第一锥齿轮固定在所述第三轴的第二端，所述第二轴的第一端穿出所述壳体，所述第二锥齿轮固定在所述第二轴的第二端；

所述第一轴与第二轴的其中一个为输入轴，另一个为输出轴；

所述减速机构连接在所述电机与第三轴之间，所述电机通过所述减速机构驱动所述第三轴旋转。

2.根据权利要求1所述的角传动装置，其特征在于，所述扭杆的第一端通过花键或插销与所述第一轴连接，所述扭杆的第二端通过花键或插销与所述第三轴连接。

3.根据权利要求1所述的角传动装置，其特征在于，所述第一轴内设置有第一花键孔，所述扭杆的第一端设置有插接在所述第一花键孔内的第一外花键；

所述第三轴内设置有第二花键孔，所述扭杆的第二端设置有插接在所述第二花键孔内的第二外花键。

4.根据权利要求3所述的角传动装置，其特征在于，所述扭杆的位于所述第一外花键与第二外花键的部分形成缩径段，所述缩径段的外径小于所述第一外花键及第二外花键的外径，所述缩径段的外周与所述第一花键孔的内壁之间形成环状间隙，以提供所述扭杆的形变空间。

5.根据权利要求1所述的角传动装置，其特征在于，所述输入轴的第一端设置有第三外花键和螺栓限位环槽，所述输入轴通过所述第三外花键和螺栓限位环槽与转向管柱下端的万向节总成连接。

6.根据权利要求1所述的角传动装置，其特征在于，所述第三轴的第一端设置有键槽，所述第一轴的第二端设置有插接在所述键槽内的键块，所述键槽的内壁上形成有不重合的第一止位与第二止位；

在所述扭杆发生形变导致所述第一轴与第三轴产生相对运动时，所述键块可在所述键槽内在由第一止位与第二止位限定的角度范围内转动，当所述键块与键槽在第一止位或第二止位接触时，所述第一轴与第三轴结合一体并直接传递转向扭矩，以阻止所述扭杆的进一步形变；

在手动转向模式下，当所述键块与键槽在第一止位或第二止位接触时，方向盘的旋转阻力增大，以表示到达转向的极限位置。

7.根据权利要求6所述的角传动装置，其特征在于，所述键块为方形块，所述键槽的截面为长圆形或椭圆形。

8.根据权利要求1所述的角传动装置，其特征在于，所述减速机构包括固定或一体形成在所述电机的输出轴上的蜗杆以及固定或一体形成在所述第三轴上的蜗轮，所述电机的外壳固定在所述壳体的外部，所述电机的输出轴穿入所述壳体内，所述蜗杆与所述蜗轮啮合。

9.根据权利要求8所述的角传动装置，其特征在于，所述壳体包括底壳及固定在所述底壳上的端盖；

所述第一轴通过第一轴承转动支承在所述端盖上；

所述第二轴通过第二轴承转动支承在所述底壳上，所述第二轴承与所述第二锥齿轮的一侧端面抵接；

所述第三轴通过第三轴承及第四轴承转动支承在所述底壳上，所述第三轴承位于所述蜗轮的轴向一侧，所述第四轴承与所述第一锥齿轮的一侧端面抵接。

10.根据权利要求1所述的角传动装置，其特征在于，所述扭矩转角传感器包括磁环、磁环外套及磁阻，所述磁环固定在所述第一轴上的外周上并跟随所述第一轴旋转，所述磁环外套固定在所述壳体上，所述磁阻环绕所述磁环设置并固定在所述磁环外套内。

11.一种转向***，其特征在于，包括权利要求1-10任意一项所述的角传动装置。

12.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-10任意一项所述的角传动装置。

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