CN101973312B - 带有可变传动比电机系统vtms的随速变传动比的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，提供了一种电子控制的电动助力转向稳定性安全装置，这些通过在转向盘和下传动轴之间装有一个VTMS(转向系变传动比电机系统)，并连接一个带转向系变传动比的电动助力转向系统实现，其中VTMS由中间传动轴，电机角度传感器，电机定子线圈，转子永磁体，定子骨架，输出轴，保护轴套，继电器八个基本构件组成。本发明通过监测VTMS的各种信号值计算出汽车转向管柱扭矩量，从而省掉传统的扭矩传感器和扭力杆等关键部件，同时节约成本，安装制造简单，在转向过程中VTMS与助力电机柔性控制，相互补偿，从而将转向的灵敏性、轻便性和稳定性完美结合，提高了操纵性能和安全性能。

Description

带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统

技术领域

本发明涉及转向机构，尤其涉及一种VTMS(Variable Transmission MotorSystem，转向系变传动比电机系统)随速变传动比的电动助力转向系统。

背景技术

现有的电动助力转向系统是在原有传统机械转向系统发展起来的，传统的机械转向系统的角传动比是固定不变的，目前电动助力转向也不能改变转向系的角传动比，只能减轻转向的转矩，因而在低速、原地泊车时不能利用减小转向行程(转向角度)来减轻驾驶员的劳动强度，在高速时不能满足转向稳重(低灵敏度)的要求。

换句话说，不论是在市区窄小的街道缓行或是高速公路上奔驰，方向盘与前轮的转向角度比始终一成不变。如果采用直接转向，驾驶者在过急弯时就不需要大幅转动方向盘，但是在高速行驶时，方向盘细微的动作都将会影响到行驶稳定性；反过来说，转向系统越是间接，车辆在高速公路上的行驶稳定性就越高，但是必须牺牲过弯时的操控性。所以，传统的转向系统都必须在安全性与舒适性之间做出权衡。

目前的转向系随速变传动比技术都是基于行星齿轮传动变速系统，此系统机构复杂，装配制造精度高，控制算法繁琐，成本高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种VTMS随速变传动比的电动助力转向系统，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

VTMS随速变传动比的电动助力转向系统，VTMS采用定子与转子同时旋转，产生一个相对转速，通过调整这个相对转速可以调整转向系传动比，同时VTMS可以产生感应电流，输出力矩，这样可以检测出输入扭矩，从而省去扭力杆及传感器电动助力转向的关键部件，节约成本，使得结构变得简单，彻底改变了传统的转向过程，使前车轮的转向角度可以完全按照驾驶者的意愿进行。

其具体方法为：在转向盘和下传动轴之间装有一个VTMS系统，并连接一个传统的电动助力转向系统，其中的VTMS由中间传动轴、电机角度传感器、电机定子线圈、转子永磁体、定子骨架、输出轴、保护轴套、继电器八个基本构件组成。其中，中间传动轴与转子永磁体相连，为一体结构，输出轴和定子骨架相连，定子骨架通过轴承安装在车体上的仪表盘支架上，在本发明中，电机的定子与转子都能自由旋转，通过电磁耦合产生电磁力矩传递动力，在进行变传动比控制时，汽车的转向盘带动中间传动轴转动，通过电磁感应带动嵌入在定子骨架上的定子线圈转动。

在本发明中，定子骨架与输出轴相连，输出轴与下传动轴相连。从下传动轴传出的最终整体转向角度是由驾驶者输入的转向盘角度和VTMS后叠加的角度。此外，转向系变传动比的电动助力转向系统的组成部件包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的稳定控制单元和多个传感器。

另外，转向系变传动比的电动助力转向系统始终通过车载网络与动态稳定控制单元联网。

使用时，转向盘角度传感器检测转向盘的绝对位置，电机角度传感器检测电机转子与定子的相对转速，同时还要判断定子和转子是同向运动还是反向运动，得出VTMS当前的传动比值，传动比增大还减少。通常情况下，中间传动轴和定子骨架共同工作的，车轮角度的转动是转向盘转角和VTMS共同作用下产生的一个运动。低速时，中间传动轴和定子骨架转动相同，叠加后增加了实际的转向角度，可以减少转向角度的需求(传动比减小)。高速时，中间传动轴和定子骨架转动相反，叠加后减少了实际的转向角度(传动比增大)，汽车转向灵敏度降低，从而提高了汽车的稳定性和安全性。

另外，如果VTMS出现故障，继电器推动保护轴套沿轴向移动，保护轴套插入中间传动轴，VTMS将静止固定，转向动力由中间传动轴传向输出轴，只有转向盘一个输入，这样将丧失转向系变速功能，转向系同样能工作，提高了整个系统的冗余性。

电机角度传感器属于电磁感应式传感器，能将转向电机的转向角度信号输出到控制单元。这个电机角度传感器的转子为凸极式，与电机转子连成一体。其定子线圈呈圆环状，套在凸极式转子外，通过电磁感应原理，检测出凸极式转子的转角。

有益效果：

本发明的有益效果主要体现在下列几个方面：

首先，VTMS随速变传动比的电动助力转向系统可以在车辆转向过度时，主动对转向轮进行反转向调整。VTMS随速变传动比的电动助力转向系统，可通过调整转向轮的转向角度来提高汽车的安全性、稳定性和舒适性。在高速变线和过弯时，它能确保舒适且优异的路面响应，在低速行驶时，它可减小转向行程(转向角度)使车辆转向更灵活敏捷。此外，主动转向系统还能在车辆制动时带来更好的可控性和操控感。

其次，VTMS随速变传动比的电动助力转向系统使得整个变速过程变得简单，省掉了复杂的机械变速系统，大大降低了成本，使得整个变速系统变得直接，简单。VTMS定子与转子同时旋转，产生一个相对转速，可以产生感应电流，经电路和软件处理，VTMS可输出力矩，这样可以检测出输入扭矩，从而省去扭力杆及力矩传感器等电动助力转向的关键部件，节约成本，使得结构变得简单。从而使得整个转向系统结构紧凑，零部件数量减少，整个系统的可靠性增加。

再者，该系统与汽车电子稳定控制系统共同作用，可以自动进行车辆控制，但如果依靠手动掌握这种技巧，需驾驶员练习相当长的时间。转向系变传动比的主动电动助力转向系统也有助于在多种路面共存的情况下完成减速。如果这时要制动，即使装备了ABS，也必需实施轻微的反转向，才能保证车辆直线行驶，而现在转向系变传动比的主动电动助力转向系统可以通过电动机调整车辆，代替驾驶员实施反转向，可确保稳定性，即使在两种不同的路面上行驶也能自如的向车辆施加更大的制动力，制动距离更为缩短。

除了更舒适、更灵活之外，VTMS随速变传动比的电动助力转向系统还有很重要的一点就是更安全，这一点主要体现在车辆高速行驶中的突然转向。在公路上高速行驶时突然变线以超越另一辆车然后回到车道时，或者高速行驶中突然发现前方有障碍物需要急转弯时，很容易出现转向不足或者转向过度，车辆将偏离自己预定的方向，可能失去控制。在这种情况下，通常的汽车电子稳定控制系统系统通过干预制动过程控制车辆的稳定，行车速度将大幅度降低，增加能量的损耗。而转向系变传动比的主动电动助力转向系统从转向一开始就会判断转向后出现的情况，通过电子控制的VTMS自动修正转向角度，干预降低偏航情况的发生。而汽车电子稳定控制系统系统不必像在其他车辆中那样干预驾驶，保证车辆行驶的平稳性。

最后，当调整转向系变传动比后无法完成对车辆的控制时(此时已经发生轻微转向过度和转向不足)，转向轮反转向调整，以确保汽车稳定性要求。不过，当转向系变传动比的主动电动助力转向系统无法完成对车辆的控制时，汽车电子稳定控制系统系统将参与到工作中来。因此，使用VTMS随速变传动比的电动助力转向系统后，汽车电子稳定控制系统系统开启的频率将减少，大大提高了车辆行驶的平稳性。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的VTMS结构示意图；

图3为本发明的控制系统示意图。

其中：转向盘1、转向盘角度传感器2、转向管柱3、中间传动轴4、VTMS5、控制器6、下传动轴7、横拉杆8、前轮9、齿轮齿条转向器10、助力电机11、蜗轮蜗杆减速器12、电机转角信号13、助力模块14、VTMS控制模块15、车身稳定性控制模块16、转向盘转角信号17、力矩信号18、轮速信号19、陀螺仪信号20、电机转角传感器21、电机定子绕组22、永久磁铁转子23、定子骨架24、输出轴25、保护轴套26、继电器27。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1的VTMS随速变传动比的电动阻力转向系统，以及图2的VTMS结构示意图和图3的控制系统示意图，VTMS 5由中间传动轴4、电机转角传感器21、电机定子绕组22、永久磁铁转子23、定子骨架24、输出轴25、离合器26、继电器27组成。VTMS 5与中间传动轴4同轴，VTMS 5中的永久磁铁转子23嵌入在中间传动轴4上，而电机定子绕组22固定在VTMS 5外壳体上，VTMS 5外壳体固定在汽车仪表盘支架上，同时电机定子绕组22可绕中间传动轴4旋转，电机定子绕组22和永久磁铁转子23组成一个电磁耦合力矩传递系统，原理和电机基本相同，电机定子绕组22连接控制器6，由于电机定子绕组22可以旋转而不固定，所以当控制器6中的VTMS控制模块15驱动VTMS 5时，电机定子绕组22和永久磁铁转子23由于电磁感应将产生转矩，作相对旋转运动，并被电机转角传感器21转为电机转角信号13送入VTMS控制模块15形成控制闭环，转矩信号18被送入控制器6中的助力模块，驱动助力电机11，形成转向助力力矩。

VTMS随速变传动比的电动助力转向系统是这样工作的：

当汽车点火发动后，转动转向盘1时，转向管柱3支撑中间传动轴4，中间传动轴4在转向管柱3中旋转，同时转向盘角度传感器2发出转向盘转角信号17，转向盘转角信号17被传动到控制器6中的助力模块14和车身稳定性控制模块16，作为回正控制和车身稳定性控制用。这时转向动作传递到VTMS 5中，中间传动轴4转动永久磁铁转子23也就转动，电机定子绕组22与定子骨架24做成一体，定子骨架24可以在VTMS 5的外壳体上旋转，当轮速信号19传递到控制器6中的VTMS控制模块15，VTMS控制模块15将控制VTMS 5的转动方向和相对转速，在VTMS中永久磁铁转子23输出是转向盘输入，电机定子绕组22绕永久磁铁转子23作相对旋转运动，电机定子绕组22上作用的电流便为转向盘转矩信号18。VTMS 5与输出轴25相连，VTMS 5转动带动输出轴25转动，输出轴25与下传动轴7相连，下传动轴7与齿轮齿条转向器10相连，齿轮齿条转向器10推动轮胎9转动，这样转向盘1的转动可以通过上述路径传递到轮胎9，使之完成转向动作，同时转向盘转矩信号18被送入控制器6中的助力模块14，驱动助力电机11使之推动齿轮齿条转向器10带动前轮9摆动，从而减少转向时驾驶员所使用的转向力矩。

在实施例一中：

当检测到轮速信号19为0或速度很低时，转动转向盘1，电机定子绕组22绕永久磁铁转子23做相向旋转，电机转角信号13输出为正向转速信号，轮速信号19逐渐变小，电机定子绕组22绕永久磁铁转子23做相向旋转，且电机定子绕组22转速逐渐变高，电机转角信号13输出转速信号也随之变高，同时转向系角传动比减小，转向越来越直接，减少转向行程，使得在原地和低速时转向更灵敏。

在实施例二中：

当检测到轮速信号19为高速时，转动转向盘1，电机定子绕组22绕永久磁铁转子23做反向旋转，电机转角信号13输出为负向转速信号，轮速信号19逐渐增高，电机定子绕组22绕永久磁铁转子23做相向旋转的转速也逐渐增高，电机转角信号13输出转速信号增强，同时转向系角传动比越来越大，转向越间接，使得汽车在高速时转向更稳重，提高汽车行车安全。

在实施例三中：

当检测到轮速信号19为中速时，转动转向盘1，电机定子绕组22绕永久磁铁转子23相对静止，VTMS 5为堵转状态，电机转角信号13输出约为0，VTMS 5不起转向系变速作用；当VTMS 5出现故障后，继电器27推动离合器26吸合，转向动作由中间传动轴4传递到输出轴25，整个转向系统将不具备变传动比的功能，但转向系统还能工作。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，其特征在于，在转向盘和下传动轴之间装有一个VTMS系统，并连接一个带转向系变传动比的电动助力转向系统，其中的VTMS由中间传动轴，电机角度传感器，电机定子线圈，转子永磁体，定子骨架，输出轴，保护轴套，继电器八个基本构件组成，中间传动轴与转子永磁体相连，为一体结构，输出轴和定子骨架相连，定子骨架通过轴承安装在车体上的仪表盘支架上，所述电机的定子与转子都能自由旋转，所述转向盘带动中间传动轴转动，通电后可通过电磁感应带动定子线圈转动，所述定子线圈嵌入在定子骨架上。

2.根据权利要求1所述的带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，其特征在于，定子骨架与输出轴相连，输出轴与下传动轴相连。

3.根据权利要求1所述的带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，其特征在于，所述转向系变传动比的电动助力转向系统的组成部件包括稳定控制单元和多个传感器。

4.根据权利要求1所述的带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，其特征在于，所述转向系变传动比的电动助力转向系统始终通过车载网络与动态稳定控制单元联网。

5.根据权利要求1所述的带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，其特征在于，所述电机角度传感器为电磁感应式传感器，其上的传感器转子为凸极式，与电机转子是连成一体的。

6.根据权利要求5所述的带有可变传动比电机系统VTMS的随速变传动比的电动助力转向系统，其特征在于，所述电机角度传感器，其定子线圈呈圆环状，套在凸极式转子外。

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