基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統及方法與流程

2023-11-07 05:44:42 2

本發明屬於汽車轉向技術領域，特別涉及一種基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統及方法。

背景技術：

目前，商用車使用的助力轉向系統多為液壓助力轉向系統，但是存在結構複雜、功率消耗大、易洩露、轉向助力不易控制以及轉向助力特性單一等諸多問題，與液壓助力轉向系統相比，電動助力轉向系統具有助力特性可調、轉向跟隨性好、燃油消耗低和無汙染等優點，因此在乘用車中得到廣泛應用，由於商用車載重量大且在不同車速和不同載重量下所需轉向力矩在很大範圍內變化，特別是在汽車滿載且低速行駛的工況下，汽車轉向所需力矩極大，且受汽車用電池供電電壓，安裝尺寸等方面的限制，普通單電動助力轉向系統的電機已不能滿足此商用車對轉向助力矩的要求。因此本發明提出一種雙電機的電動助力轉向系統，不但具有普通電動助力轉向系統的優點，同時可實現容錯控制，對汽車轉向輕便性和安全性有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統及方法，以解決電動助力轉向輸出轉矩過小，無法滿足在商用車上應用的問題。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統，包括方向盤、轉矩耦合齒輪、第二助力電機齒輪、減速器、第一助力電機、第二助力電機、同步器、行星輪機構和第一助力電機齒輪；方向盤和減速器之間依次設置有第一轉向軸和第二轉向軸；第一助力電機的輸出軸上設置有第一助力電機齒輪，第一助力電機齒輪通過連接軸與行星輪機構連接；第二助力電機的輸出軸設置有轉矩耦合齒輪，轉矩耦合齒輪的一側同軸設置有第二助力電機齒輪；第一助力電機齒輪和轉矩耦合齒輪嚙合；轉矩耦合齒輪和第二助力電機齒輪之間設置有同步器；

行星輪機構包括太陽輪、行星輪、行星架和齒圈；太陽輪設置在齒圈的中心，行星輪嚙合在太陽輪和齒圈之間，行星架設置在行星輪上；第一助力電機齒輪通過連接軸垂直連接於太陽輪的中心；第二助力電機齒輪與齒圈嚙合；行星輪機構的齒圈與第二轉向軸通過減速器並聯耦合。

進一步的，電動助力轉向系統還設置有控制模塊；方向盤下方的第一轉向軸上設置有轉矩轉角傳感器；行星輪機構與減速器之間的連接軸上設置有第一電磁離合器，第一電磁離合器和減速器之間設置有過載保護器；第一助力電機齒輪與太陽輪之間的連接軸上設置有第二電磁離合器；第一助力電機齒輪與第一助力電機之間的連接軸上設置有第三電磁離合器。

進一步的，轉矩轉角傳感器、第一電磁離合器、第二電磁離合器、第一助力電機、第二助力電機、同步器和第三電磁離合器均與控制模塊連接，控制模塊連接有車速傳感器。

進一步的，過載保護器包括上連接盤柱、下連接盤柱和橡膠連接銷；上連接盤柱和下連接盤柱為設置有若干通孔的盤，且同軸設置；上連接盤柱和下連接盤柱通過設置在通孔內的橡膠連接銷連接；上連接盤柱的上表面通過連接軸與第一電磁離合器連接，下連接盤柱的下表面與減速器軸連接。

進一步的，第一轉向軸和第二轉向軸之間通過萬向節連接。

進一步的，減速器連接有轉向器，轉向器的兩端設置有車輪。

進一步的，同步器能夠沿軸向移動，能夠分別與轉矩耦合齒輪和第二助力電機齒輪連接。

進一步的，一種基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統的助力轉向方法，所述雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統包括方向盤、轉矩耦合齒輪、第二助力電機齒輪、減速器、第一助力電機、第二助力電機、同步器、行星輪機構和第一助力電機齒輪；方向盤和減速器之間依次設置有第一轉向軸和第二轉向軸；第一助力電機的輸出軸上設置有第一助力電機齒輪，第一助力電機齒輪通過連接軸與行星輪機構連接；第二助力電機的輸出軸設置有轉矩耦合齒輪，轉矩耦合齒輪的一側同軸設置有第二助力電機齒輪；第一助力電機齒輪和轉矩耦合齒輪嚙合；轉矩耦合齒輪和第二助力電機齒輪之間的連接軸上設置有同步器；

行星輪機構包括太陽輪、行星輪、行星架和齒圈；太陽輪設置在齒圈的中心，行星輪嚙合在太陽輪和齒圈之間，行星架設置在行星輪上；第一助力電機齒輪通過連接軸垂直連接於太陽輪的中心；第二助力電機齒輪與齒圈嚙合；行星輪機構的齒圈與第二轉向軸通過減速器並聯耦合；

電動助力轉向系統還設置有控制模塊；方向盤下方的第一轉向軸上設置有轉矩轉角傳感器；行星輪機構與減速器之間的連接軸上設置有第一電磁離合器，第一電磁離合器和減速器之間設置有過載保護器；第一助力電機齒輪與太陽輪之間的連接軸上設置有第二電磁離合器；第一助力電機齒輪與第一助力電機之間的連接軸上設置有第三電磁離合器；

同步器能夠沿軸向移動，能夠分別與轉矩耦合齒輪和第二助力電機齒輪連接；

所述基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統的助力轉向方法，包括以下步驟：

1)車速傳感器採集的車速信號，方向盤轉矩轉角傳感器採集的轉角信號輸出至控制模塊，並與控制模塊中存儲的轉向力矩、方向盤轉角和車速變化曲線進行比較，得出方向盤應當具有的轉向力矩；

2)控制模塊將計算得到的方向盤應當具有的轉向力矩與轉矩轉角傳感器測出的方向盤轉矩進行比較，得出助力電機應當輸出的轉矩；

3)控制模塊對助力電機應當輸出轉矩進行判斷，若助力電機應當輸出的轉矩大於第一助力電機、第二助力電機單獨助力時的轉矩，選擇雙電機耦合助力模式，此時控制模塊控制第一助力電機、第二助力電機工作，第二電磁離合器、第三電磁離合器閉合，同步器位與轉矩耦合齒輪結合；

若助力電機應當輸出的轉矩大於第二助力電機單獨助力的轉矩，則選擇第一助力電機單獨助力模式，此時，控制模塊控制第一助力電機工作、第二助力電機關斷，第二電磁離合器、第三電磁離合器閉合，同步器位於中間位置；

第二助力電機單獨助力模式，分為兩種模式；若助力電機應當輸出的轉矩大於第二助力電機單獨助力模式一的最大轉矩，則選擇第二助力電機單獨助力模式二，此時，控制模塊控制第一助力電機關斷、第二助力電機工作，第二電磁離合器、第三電磁離合器開啟，同步器和第二助力電機齒輪結合；若助力電機應當輸出的轉矩小於等於第二助力電機單獨助力模式一的最大轉矩，則選擇第二助力電機單獨助力模式一，此時，控制模塊控制第一助力電機關斷、第二助力電機工作，第二電磁離合器閉合、第三電磁離合器開啟，同步器和轉矩耦合齒輪合。

與現有技術相比，本發明有以下技術效果：

本發明通過設置雙電機行星齒輪結構，根據所需助力轉矩的大小，可以實現靈活多變的助力模式，滿足商用車輛大助力轉矩的需求。當需求助力轉矩相對較小時，根據條件不同選擇第一助力電機單獨助力模式、第二助力電機單獨助力模式一和第二助力電機單獨助力模式二；當需求助力轉矩相對較大時，可以選擇雙電機耦合助力模式。本發明對於提高燃油經濟性和駕駛員駕駛舒適性具有重要的作用。

本發明中，通過多個電磁離合器的配合使用，避免了電機之間互相拖動影響，避免造成功率浪費。

本發明中，通過設置減速器起到減速增扭的作用，進一步提高助力電機輸出轉矩；本發明通過設置過載保護器，當電機和控制模塊故障，發生自動轉向時，由於轉矩過大，橡膠連接銷將發生斷裂，切斷轉矩傳遞，起到過載保護的作用。

本發明中，第一電磁離合器處於常閉狀態，當電機出現故障時，第一電磁離合器開啟，防止車輛自動轉向發生重大事故，對系統起到保護作用。本發明包含過載保護器和第一電磁離合器的雙重保護，保證電動助力轉向故障下的轉向可靠性。

附圖說明

圖1為本發明雙電機電動助力轉向系統的結構圖；

圖2a為過載保護器的結構圖；

圖2b上連接盤柱和下連接盤柱連接處的剖視圖；

圖3為本發明雙電機電動助力轉向系統的控制策略圖。

其中：1、方向盤；2、轉矩轉角傳感器；3、控制模塊；4、萬向節；5、轉矩耦合齒輪；6、第二助力電機齒輪；7、齒圈；8、減速器；9、車輪；10、轉向器；11、過載保護器；12、第一電磁離合器；13、行星架；14、太陽輪；15、行星輪；16、第二電磁離合器；17、第一助力電機齒輪；18、同步器；19、第二電磁離合器；20、第一助力電機；21、第二助力電機；22、第二轉向軸；23、第一轉向軸；24、上連接盤柱；25、下連接盤柱；26、橡膠連接銷。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進一步說明：

請參閱圖1至圖3，一種基於雙電機行星齒輪結構的電動助力轉向系統，包括方向盤1、轉矩耦合齒輪5、第二助力電機齒輪6、減速器8、第一助力電機20、第二助力電機21、同步器18、行星輪機構和第一助力電機齒輪17；方向盤1和減速器8之間依次設置有第一轉向軸23和第二轉向軸22；第一助力電機20的輸出軸上設置有第一助力電機齒輪17，第一助力電機齒輪17通過連接軸與行星輪機構連接；第二助力電機21的輸出軸設置有轉矩耦合齒輪5，轉矩耦合齒輪5的一側同軸設置有第二助力電機齒輪6；第一助力電機齒輪17和轉矩耦合齒輪5嚙合；轉矩耦合齒輪5和第二助力電機齒輪6之間設置有同步器18；

行星輪機構包括太陽輪14、行星輪15、行星架13和齒圈7；太陽輪14設置在齒圈7的中心，行星輪15嚙合在太陽輪14和齒圈7之間，行星架13設置在行星輪15上；第一助力電機齒輪17通過連接軸垂直連接於太陽輪14的中心；第二助力電機齒輪6與齒圈7嚙合；行星輪機構的齒圈7與第二轉向軸22通過減速器8並聯耦合。

電動助力轉向系統還設置有控制模塊3；方向盤1下方的第一轉向軸23上設置有轉矩轉角傳感器2；行星輪機構與減速器8之間的連接軸上設置有第一電磁離合器12，第一電磁離合器12和減速器8之間設置有過載保護器11；第一助力電機齒輪17與太陽輪14之間的連接軸上設置有第二電磁離合器16；第一助力電機齒輪17與第一助力電機20之間的連接軸上設置有第三電磁離合器19。

轉矩轉角傳感器2、第一電磁離合器12、第二電磁離合器16、第一助力電機20、第二助力電機21、同步器18和第三電磁離合器19均與控制模塊3連接，控制模塊3連接有車速傳感器。

過載保護器11包括上連接盤柱24、下連接盤柱26和橡膠連接銷25；上連接盤柱24和下連接盤柱26為設置有若干通孔的盤，且同軸設置；上連接盤柱24和下連接盤柱26通過設置在通孔內的橡膠連接銷25連接；上連接盤柱24的上表面通過連接軸與第一電磁離合器12連接，下連接盤柱26的下表面與減速器8軸連接。

第一轉向軸23和第二轉向軸22之間通過萬向節4連接。

減速器8連接有轉向器10，轉向器10的兩端設置有車輪9。

同步器能夠沿軸向移動，能夠分別與轉矩耦合齒輪5和第二助力電機齒輪6連接。

本發明的工作原理如下：

1)車速傳感器採集的車速信號，方向盤轉矩轉角傳感器2採集的轉角信號輸出至控制模塊3，並與控制模塊3中存儲的轉向力矩、方向盤轉角和車速變化曲線進行比較，得出方向盤應當具有的轉向力矩；

2)控制模塊3將計算得到的方向盤應當具有的轉向力矩與轉矩轉角傳感器2測出的方向盤轉矩進行比較，得出助力電機應當輸出的轉矩；

3)控制模塊3對助力電機應當輸出轉矩進行判斷，若助力電機應當輸出的轉矩大於第一助力電機20、第二助力電機21單獨助力時的轉矩，選擇雙電機耦合助力模式，此時控制模塊3控制第一助力電機20、第二助力電機21工作，第二電磁離合器16、第三電磁離合器19閉合，同步器位18與轉矩耦合齒輪5結合；

若助力電機應當輸出的轉矩大於第二助力電機21單獨助力的轉矩，則選擇第一助力電機20單獨助力模式，此時，控制模塊控制第一助力電機20工作、第二助力電機21關斷，第二電磁離合器16、第三電磁離合器閉合19，同步器18位於中間位置；

第二助力電機21單獨助力模式，分為兩種模式；若助力電機應當輸出的轉矩大於第二助力電機21單獨助力模式一的最大轉矩，則選擇第二助力電機21單獨助力模式二，此時，控制模塊控制第一助力電機20關斷、第二助力電機21工作，第二電磁離合器16、第三電磁離合器19開啟，同步器18和第二助力電機齒輪6結合；若助力電機應當輸出的轉矩小於等於第二助力電機21單獨助力模式一的最大轉矩，則選擇第二助力電機21單獨助力模式一，此時，控制模塊控制第一助力電機20關斷、第二助力電機21工作，第二電磁離合器16閉合、第三電磁離合器19開啟，同步器18和轉矩耦合齒輪5合。