CN208682909U - 一种多模式线控转向装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多模式线控转向装置，属于汽车线控转向技术领域，本实用新型通过在汽车的输出轴上依次设置第二行星齿轮系、第一行星齿轮系；再分别通过电机控制第一行星齿轮系、第二行星齿轮系，并通过设置电机控制器、整车控制器对其工作模式进行控制；本实用新型还公开了其控制方法，通过分别控制电机和内齿圈电磁离合器，切换为纯机械转向、电动助力转向、线控转向和自动驾驶的四种不同的工作模式，除纯机械转向外，在其他三种模式下，当一个电机失效时会在电磁制动器的作用下被锁死主轴，同时启用另一个电机来充当动力源；当两个电机同时失效时，本实用新型自动进入纯机械转向模式，无需额外的控制，最大程度地保证转向的可靠性。

Description

一种多模式线控转向装置

技术领域

本实用新型属于汽车主动转向，尤其是涉及汽车线控转向技术领域，具体是一种多模式线控转向装置。

背景技术

汽车智能化正在飞速发展，线控转向是汽车智能化发展过程中的关键环节，尤其是无人驾驶的必备技术之一。线控转向技术逐渐成熟，已经应用到少量车型中。线控转向系统要求具有冗余及容错功能，不仅需要软件上实现诊断及容错控制算法，也需要硬件进行冗余设计，导致线控转向系统硬件布置复杂，成本高，硬件利用率低。

目前线控转向技术研究已有很多，其中英菲尼迪公司设计的双电机冗余线控转向系统已成功在实车中应用，该系统分别在齿条左右两端设计电机转速器驱动转向器小齿轮，带动齿条左右移动，失效时离合器闭合，左侧转向器小齿轮与机械转向管柱连接实现转向，但该系统冗余结构复杂，双电机均由减速器经齿轮齿条转向器驱动转向横拉杆，传动效率低。

韩国现代汽车公司提出双电机驱动齿条的线控转向装置及方法（专利号US201600144890A1），该系统未解决电机空间安装问题及双电机失效的转向模式。Becker等提出一种电控液压的线控转向系统（专利号US20160068182A1），该装置通过两路电机泵控制转向轮缸的压力，驱动两侧横拉杆左右移动，但电机建立液压的响应速度慢，高压油管路增加的漏油及存在气泡等不可靠因素，且无法实现线控转向失效后的直接机械连接。

于蕾艳设计了一种电动汽车线控转向系统及控制方法（专利申请号201310649410.4），该系统设计了转向盘力反馈电机和蜗杆减速器模拟路感，转向电机和行星齿轮减速器驱动转向器小齿轮实现转向，转向器附近加装电机及行星齿轮减速器，需要占据更多的布置空间，经齿轮齿条转向器传动到降低了电机工作效率，且不能实现电机失效的转向模式。

李绍松等设计了一种基于双排行星轮系的汽车前轮主动转向耦合装置（专利申请号201610907896.0），该装置包括安装在壳体上动力驱动装置和安装在壳体内的机械传动装置，手动输入部分动力经输入轴传递，助转角电机部分经涡轮蜗杆传递藕合后的转角由齿圈对外输出，实现了可变传动比传动，使转向过程更加安全、灵活。但该装置采用单电机设计，传动路径复杂，降低了电机工作效率，且不能实现电机失效的转向模式。

杨林等实用新型的一种混合型线控转向系统（专利申请号201610989594.2），该系统路感电机和助力电机分开，只用一套转向执行电机驱动双排行星齿轮减速器，再经蜗杆齿条带动横拉杆左右移动，转向盘单元和转向轮之间具有实时可控的力传递特性和角传递特性，在系统失效时通过离合器恢复到机械转向状态，但该系统结构复杂且传动效率低。

综上，现有线控转向系统存在传动效率低、结构复杂及空间布置困难与冗余及失效工作模式需求之间的矛盾。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的缺陷，提供一种多模式线控转向装置，装置中采用双排行星齿轮系结构，转向盘单元和左右车轮之间具有实时可控的力传递特性和角传递特性，通过分别控制电机的制动开关和内齿圈电磁离合器的吸合开关，达到切换纯机械转向模式、电动助力转向模式、线控转向模式、自动驾驶模式等功能，在系统失效时自动恢复到纯机械转向状态，完全满足安全法规要求。

本实用新型是这样实现的：

一种多模式线控转向装置，该装置包括齿条，所述的齿条上设置有小齿轮；小齿轮上方设置有输出轴；输出轴上方依次连接有第二行星齿轮系、第一行星齿轮系；所述的输出轴在第一行星齿轮系的上方还依次连接有转向盘传感器、转向盘单元。

第一行星齿轮系通过第一电机控制；第二行星齿轮系通过第二电机控制；第一行星齿轮系包括第一太阳轮、第一行星架、第一行星轮、内齿圈；第二行星齿轮系包括第二行星轮、第二太阳轮、第二行星架、内齿圈；内齿圈同时与第一行星轮和第二行星轮啮合，通过内齿圈把第一行星轮系和第二行星轮系连接起来，并传递转角和转矩；内齿圈外还设置内齿圈电磁离合器，内齿圈电磁离合器信号连接于整车控制器；第一电机（M1）、第二电机（M2）分别通过第一电机控制器（MCU1）、第二电机控制器（MCU2）信号连接于整车控制器（VCU）。

进一步，所述的齿条两侧依次对称设置的转向横拉杆、梯形臂、转向节；通过两侧的转向节将左右车轮连接。

进一步，所述的输出轴与第一太阳轮刚性连接，与第一行星架通过轴承连接；输出轴与第二太阳轮刚性连接，与第二行星架通过轴承连接。

进一步，所述的第一行星架与第一电机连接；所述的第二行星架与第二电机连接。

进一步，所述的转向盘传感器传输转向盘转角和扭矩信息至整车控制器。进一步，所述的第一电机和第二电机均带有电磁制动器，可在主动控制或者被动断电的情况，自动抱死电机主轴。

本实用新型还公开了一种多模式线控转向装置的控制方法，通过分别控制第一电机、第二电机的制动开关和内齿圈电磁离合器的吸合开关，切换四种不同的工作模式，所述内齿圈电磁离合器工作在常闭模式，此时内齿圈被抱死，不可以自由转动。只有在主动控制或者被动断电的情况，由于弹簧弹力作用，离合器分离，内齿圈可以自由转动。

具体的四种控制模式具体如下：

VCU根据驾驶员输入的控制指令，自动控制本装置工作在电动助力、线控转向或自动驾驶3种模式，同时根据故障信息自动切换工作模式：1）没有故障：第一行星齿轮系、第二行星齿轮系传递电机驱动力矩，驱动小齿轮、齿条，实现转向任务；2）有故障：并判断为单电机故障还是双电机故障，整车控制器根据故障信息自动切换转向模式。若为单电机故障，则切断故障电机电源，由非故障电机提供驱动力矩，保障转向系统工作正常；若为双电机故障，则切断所有电机电源，并分离内齿圈电磁离合器，自动切换为纯机械转向工作模式。

纯机械转向模式：所述第一电机（M1）、第二电机（M2）均制动，第一行星架和第二行星架被锁死，第一行星轮和第二行星轮只能自转无法公转；动力从转向盘单元输入，经过第一太阳轮、第一行星轮、内齿圈、第二行星轮、第二太阳轮、输出轴，传递到与小齿轮和齿条；

电动助力转向模式：所述第一电机制动，第一行星架被锁死，第一行星轮只能自转；内齿圈电磁离合器分离，内齿圈可自由转动；动力源有两个，其一从转向盘单元输入，经过第一太阳轮、第一行星轮、内齿圈；其二为第二电机输入，经过第二行星架、第二行星轮后与内齿圈的动力耦合，共同作用在第二太阳轮，最后传递到与小齿轮和齿条；

线控转向模式：内齿圈电磁离合器闭合，内齿圈被锁死；此时，第一电机作为路感电机，通过第一行星架、第一行星轮、第一太阳轮为转向盘单元提供路感反馈；第二电机作为转向电机，通过第二行星架、第二行星轮、第二太阳轮，最后传递到小齿轮和齿条，完成转向动作；

自动驾驶模式：第一电机制动，内齿圈电磁离合器闭合，第一行星架和内齿圈被锁死；此时，转向盘单元不动，电机第二电机作为转向电机，通过第二行星架、第二行星轮、第二太阳轮，最后传递到与小齿轮和齿条，完成转向动作。

进一步，根据电动助力转向、线控转向和自动驾驶三种模式下诊断系统是否故障；

1）没有故障：第一行星齿轮系、第二行星齿轮系传递电机驱动力矩，驱动小齿轮、齿条、转向横拉杆、梯形臂、转向节，实现汽车车轮的转向任务；

2）有故障：判断为单电机故障还是双电机故障。

当判断为单电机故障时：切断故障电机电源，故障电机电磁制动器自动闭合，锁住对应电机控制的行星架，之后计算非故障电机驱动电流，通过非故障电机提供驱动力矩，保证转向指令的正常传递；

当判断为双电机故障时：同时切断两个故障电机电源，故障电机电磁制动器自动闭合，锁住两个故障电机对应控制的行星架，并分离内齿圈电磁离合器，无需额外的控制，最大程度地保证转向的可靠性。

本实用新型与现有技术的有益效果在于：

1.本实用新型装置的结构紧凑，易于布置：本实用新型采用双排行星齿轮系结构，充分利用本实用新型输入轴-第一行星齿轮系、第二行星齿轮系-输出轴的径向空间减小电机尺寸，不在小齿轮、齿条附近增加电机减速机构，可沿用传统的机械式转向系统布置方式，因此本实用新型装置具有空间布置简易的优点；

2.传动效率高：本实用新型采用行星齿轮机构，传动效率高。电机不需要增加额外的减速机构，直接传递驱动小齿轮、齿条、转向小齿轮，也可以提高传动效率；

3.容错率高，安全性能好：本实用新型采用双电机结构，互为备份，除纯机械转向外，在其他三种模式下，当一个电机失效时会在电磁制动器的作用下被锁死主轴，同时VCU检测到电机故障启用另一个电机来充当动力源，保证转向指令的正常传递；当两个电机同时失效时，本实用新型自动进入纯机械转向模式，无需额外的控制，最大程度地保证转向的可靠性；

4.高速行驶稳定：利用本实用新型方法可以通过控制小齿轮的精确位移，保证线控转向过程的平稳，且汽车高速行驶时，可由第二电机反转提供转向阻尼力，提高汽车转向的稳定性。

附图说明

图1是本实用新型的一种多模式线控转向装置的原理示意图；

图2是本实用新型的一种多模式线控转向装置控制方法的流程图；

图3是本实用新型的一种多模式线控转向装置中各模式动力传递路径图；

其中，1-转向盘单元，2-转向盘传感器，3-第一太阳轮，4-第一行星架，5-第一行星轮，6-内齿圈，7-内齿圈电磁离合器，8-第二行星轮，9-第二行星架，10-第二太阳轮，11-第二电机，12-第一电机，13-第一电机控制器，14-第二电机控制器，15-整车控制器，16-小齿轮，17-齿条，18-转向横拉杆，19-梯形臂，20-转向节， 21-输入轴，22-输出轴，23-车轮。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的多模式线控转向装置包括转向盘单元1、转向盘单元1通过输出轴22与转向盘单元1依次连接的转向盘传感器2、第一行星齿轮系、第二行星齿轮系、小齿轮16。小齿轮16与齿条17连接，在齿条17两侧依次对称设置的转向横拉杆18、梯形臂19、转向节20；通过两侧的转向节20将左右车轮23连接。

第一行星齿轮系包括第一太阳轮3、第一行星架4、第一行星轮5、内齿圈6；第二行星齿轮系包括第二行星轮8、第二太阳轮10、第二行星架9、内齿圈6；第一行星架4连接有第一电机12；第二行星架9连接有第二电机11。第一行星齿轮系、第二行星齿轮系通过内齿圈6串联，具体的的连接关系为：与输入轴22连接的第一太阳轮3、第一行星架4、第一行星轮5、内齿圈6、第二行星轮8、第二行星架9、第二太阳轮10。

输入轴21与第一太阳轮3刚性连接，与第一行星架4通过轴承连接；输出轴22与第二太阳轮10刚性连接，与第二行星架9通过轴承连接。

第一行星齿轮系和第二行星齿轮系通过共用一个内齿圈进行连接，具体地，内齿圈6同时与第一行星轮5和第二行星轮8啮合，使得第一行星轮系和第二行星轮系之间可以相互传递转角和力矩。第一电机12、第二电机11，均带有电磁制动器，可在主动控制或者被动断电的情况，自动抱死电机主轴。内齿圈电磁离合器7工作在常闭模式，此时内齿圈6被抱死，不可以自由转动。只有在主动控制或者被动断电的情况，由于弹簧弹力作用，离合器分离，内齿圈6可以自由转动。

通过分别控制第一电机12、第二电机11的制动开关和内齿圈电磁离合器7的吸合开关，切换四种不同的工作模式，所述内齿圈电磁离合器7工作在常闭模式，此时内齿圈6被抱死，不可以自由转动。只有在主动控制或者被动断电的情况，由于弹簧弹力作用，离合器分离，内齿圈6可以自由转动。

如图2所示，通过整车控制器15通过转向盘传感器2等采集转向盘转角、转向盘扭矩、车速、横摆角速度、小齿轮转角等信号，之后判断工作模型，具体分为四种不同的工作模型，分别为纯机械转向、电动助力转向、线控转向和自动驾驶四种模式。在正常行驶过程中，本实用新型主要工作在线控转向模式下。当线控转向模式出现故障，如第二电机11故障时，整车控制器15检测到故障信号，主动断开对第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第二行星架9锁死。同时改变第一电机12的控制策略，电机由路感反馈工作模式切换到转向助力模式，并分离内齿圈电磁离合器7，系统由线控转向模式切换到电动助力转向模式，以保持转向功能的正常，等待车辆安全后检修。

当接受到驾驶员发出的自动驾驶指令时，系统自动工作在自动驾驶模式下，此时转向盘单元1处于自由状态且转向盘输入不会对系统转向造成任何影响。当电机发送故障时，VCU15检测到故障信号并判断为单电机故障或双电机故障。若为单电机故障，则系统切换为电动助力模式；若为双电机故障，则系统切换为纯机械转向模式，保证车辆的转向功能正常。

如图2~图3所示，四种不同的工作模型的详细介绍如下：

纯机械转向模式：所述第一电机12、第二电机11均制动，第一行星架4和第二行星架9被锁死，第一行星轮5和第二行星轮8只能自转无法公转。动力从转向盘单元1输入，经过第一太阳轮3、第一行星轮5、内齿圈6、第二行星轮8、第二太阳轮10、输出轴12，传递到与小齿轮16和齿条17。

电动助力转向模式：第一电机12制动，第一行星架4被锁死，第一行星轮5只能自转。内齿圈电磁离合器7分离，内齿圈6可自由转动。动力源有两个，其一为驾驶员手力，从转向盘单元1输入，经过、第一太阳轮3、第一行星轮5、内齿圈6；其二为第二电机11，经过第二行星架9、第二行星轮8后与内齿圈6的动力耦合，共同作用在第二太阳轮10，最后传递到与小齿轮16和齿条17。电动助力转向模式下，诊断系统是否故障、以及为单电机故障还是双电机故障，具体地：

当第二电机11故障时，VCU15检测到故障信号，主动断开对第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第二行星架9锁死。同时改变电机第一电机12的控制策略，使其切换到转向助力模式，以保持转向功能的正常，等待车辆安全后检修；

当第一电机12和第二电机11同时故障时，VCU15检测到故障信号，同时主动断开对第一电机12和第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第一行星架4和第二行星架9被锁死，系统切换到纯机械转向模式。

线控转向模式：内齿圈电磁离合器7闭合，内齿圈6被锁死。此时，第一电机12作为路感电机，通过第一行星架4、第一行星轮5、第一太阳轮3和为转向盘1提供路感反馈；第二电机11作为转向电机，通过第二行星架9、第二行星轮8、第二太阳轮10，最后传递到与小齿轮16和齿条17，驱动转向横拉杆18，梯形臂19，转向节20，对车轮23完成转向动作。线控转向模式下，诊断系统是否故障、以及为单电机故障还是双电机故障，具体地：

当第二电机11故障时，VCU15检测到故障信号，主动断开对第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第二行星架9锁死。同时改变第一电机12的控制策略，由路感反馈工作模式切换到转向助力模式，并分离内齿圈电磁离合器7，系统由线控转向模式切换到电动助力转向模式，以保持转向功能的正常，等待车辆安全后检修。

当第一电机12和第二电机11同时故障时，VCU检测到故障信号，同时断开主动断开对第一电机12和第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第一行星架4和第二行星架9被锁死，系统切换到纯机械转向模式。

自动驾驶模式：第一电机12制动，内齿圈电磁离合器7闭合，第一行星架4和内齿圈6被锁死。此时，转向盘1不动，第二电机11作为转向电机，通过第二行星架9、第二行星轮8、第二太阳轮10，最后传递到与小齿轮16和齿条17，驱动转向横拉杆18，梯形臂19，转向节20，对车轮23完成转向动作。自动驾驶模式下，诊断系统是否故障、以及为单电机故障还是双电机故障，具体地：

当第二电机11故障时，VCU检测到故障信号，主动断开对第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第二行星架9锁死。同时改变第一电机12的控制策略，由路感反馈工作模式切换到转向助力模式，并分离内齿圈电磁离合器7，系统由线控转向模式切换到电动助力转向模式，以保持转向功能的正常，等待车辆安全后检修。

当第一电机12和第二电机11同时故障时，VCU15检测到故障信号，同时断开主动断开对第一电机12和第二电机11的供电，使其制动，电机主轴被抱死，第一行星架4和第二行星架9被锁死，系统切换到纯机械转向模式。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多模式线控转向装置，其特征在于，所述的装置包括齿条（17），所述的齿条（17）上设置有小齿轮（16）；

所述的小齿轮（16）上方设置有输入轴（21）、输出轴（22）；

输入轴（21）、输出轴（22）之间依次插入第一行星齿轮系、第二行星齿轮系；所述的第一行星齿轮系通过第一电机（12）驱动；第二行星齿轮系通过第二电机（11）驱动；

所述的在第一行星齿轮系的上方通过输入轴（21）还依次连接有转向盘传感器（2）、转向盘单元（1）；

所述的第一行星齿轮系包括第一太阳轮（3）、第一行星架（4）、第一行星轮（5）、内齿圈（6）；所述的第二行星齿轮系包括第二行星轮（8）、第二太阳轮（10）、第二行星架（9）、内齿圈（6）；

所述内齿圈（6）同时与第一行星轮（5）和第二行星轮（8）啮合；

所述的内齿圈（6）外还设置内齿圈电磁离合器（7），所述的内齿圈电磁离合器（7）信号连接于整车控制器（15）；

所述的第一电机（12）、第二电机（11）分别通过第一电机控制器（13）、第二电机控制器（14）信号连接于整车控制器（15）。

2.根据权利要求1所述的一种多模式线控转向装置，其特征在于，所述的齿条（17）两侧依次对称设置的转向横拉杆（18）、梯形臂（19）、转向节（20）；通过两侧的转向节（20）将左右车轮（23）连接。

3.根据权利要求1所述的一种多模式线控转向装置，其特征在于，所述的输入轴（21）与第一太阳轮（3）刚性连接，与第一行星架（4）通过轴承连接；输出轴（22）与第二太阳轮（10）刚性连接，与第二行星架（9）通过轴承连接。

4.根据权利要求3所述的一种多模式线控转向装置，其特征在于，所述的第一行星架（4）与第一电机（12）连接；所述的第二行星架（9）与第二电机（11）连接。

5.根据权利要求1所述的一种多模式线控转向装置，其特征在于，所述的转向盘传感器（2）传输信息至整车控制器（15）。

6.根据权利要求1所述的一种多模式线控转向装置，其特征在于，所述的第一电机（12）和第二电机（11）均带有电磁制动器。