CN104760612A - 一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法，系统中主助力电机和辅助助力电机通过第一常闭电磁离合器和第二电磁离合器连接第一转矩耦合器；第一转矩耦合器的输出轴通过第三电磁离合器连接第二转矩耦合器；第二转矩耦合器的输出端连接转向器；方向盘转矩转角传感器的输出端、主助力电机的控制端、辅助助力电机的控制端、第一、第二、第三电磁离合器的控制端连接控制单元。本发明通过设置两台经过电磁离合器与转矩耦合器相连的助力电机，根据车速信号、方向盘转角转矩信号，通过控制单元控制单个助力电机或者两台助力电机同时输出转矩，满足商用车等需要较大助力转矩的需求，并且提高了商用车的燃油经济性，降低运行成本。

Description

一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法

【技术领域】

本发明涉及助力转向技术领域，特别涉及一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法。

【背景技术】

现有电动助力转向系统安全性、可靠性高，转向特性曲线较理想。同时，由于采用直流电机，不需发动机提供高压油，整车燃油经济性好。但是受汽车用电池供电电压，安装尺寸等方面的限制，电动助力转向输出转矩较小，无法满足商用车辆转向助力的要求，目前应用领域仍限于乘用车或轻型商用车。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种双电机电动助力转向系统及其助力转向方法，以解决电动助力转向输出转矩过小，无法满足在商用车上应用的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双电机电动助力转向系统，包括方向盘、方向盘转矩转角传感器、控制单元、第一转矩耦合器、第二转矩耦合器、转向器、主助力电机和辅助助力电机、第一电磁离合器、第二电磁离合器和第三电磁离合器；方向盘转矩转角传感器设置于方向盘下方，用于实时采集方向盘的转矩、转角信号；主助力电机和辅助助力电机通过第一常闭电磁离合器和第二电磁离合器连接第一转矩耦合器；第一转矩耦合器的输出轴通过第三电磁离合器连接第二转矩耦合器；第二转矩耦合器的输出端连接转向器；方向盘转矩转角传感器的输出端、主助力电机的控制端、辅助助力电机的控制端、第一电磁离合器的控制端、第二电磁离合器的控制端和第三电磁离合器的控制端连接控制单元。

优选的，第一转矩耦合器的输出轴与第三电磁离合器之间依次连接有减速器和过载保护器。

优选的，过载保护器包括上法兰盘和下法兰盘；上法兰盘和下法兰盘中开有若干对相对应的孔，并通过橡胶连接销连接。

优选的，方向盘通过下方依次连接的第一转向轴和第二转向轴连接第二转矩耦合器。

优选的，第一电磁离合器和第三电磁离合器为常闭的电磁离合器。

优选的，控制单元根据车速、方向盘转矩、转角信号控制主助力电机和辅助助力电机的输出转矩；当所需助力转矩小于或等于主助力电机能够输出的最大转矩时，控制单元断开第二电磁离合器并控制辅助助力电机在低转速输出或者停机状态；当所需助力转矩大于主助力电机能够输出的最大转矩时，控制单元闭合第二电磁离合器，并提高辅助助力电机的转矩输出，通过第一转矩耦合器实现两助力电机的转矩耦合输出。

一种双电机电动助力转向系统的助力转向方法，包括以下步骤：车速传感器采集的车速信号，方向盘转矩转角传感器采集的转角信号输出至控制单元，由控制单元根据车速、方向盘转角信号计算出侧向加速度，并与控制单元中存储的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，控制单元将计算得出的方向盘应当具有的转向力矩与方向盘转矩转角传感器测出的方向盘转矩进行比较，得出助力电机应当输出的转矩；控制单元对助力电机应当输出转矩进行判断，若助力电机应当输出的转矩小于或等于主助力电机所能提供的最大转矩，控制单元断开第二电磁离合器，并控制辅助助力电机处于低转矩、低转速或停机状态，通过控制单元控制主助力电机的输出转矩；若助力电机应当输出的转矩大于主助力电机所能提供的最大转矩，控制单元闭合第二电磁离合器，并提高辅助助力电机的输出转矩和输出转速，由控制单元控制主助力电机和辅助助力电机通过第一转矩耦合器实现转矩耦合，共同输出转矩完成转向助力。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明通过设置两台经过第一电磁离合器和电第二磁离合器通过第一转矩耦合器实现转矩耦合的助力电机，根据所需助力转矩的大小，控制单个助力电机或者两台助力电机同时输出转矩，满足商务车等需要较大转向助力转矩的需求，采用大输出转矩的电动助力转向系统对于提高商用车的燃油经济性，降低运行成本具有积极意义。本发明通过设置减速器起到减速增扭的作用，进一步提高助力电机输出转矩；本发明通过设置过载保护器，当电机和控制模块故障，发生自动转向时，由于转矩过大，橡胶连接销将发生断裂，切断转矩传递，起到过载保护的作用。

本发明中，第二电磁离合器用于控制辅助助力电机的输出转矩是否与主助力电机的输出转矩耦合；同时辅助助力电机也可作为备用电机，当主助力电机故障时，断开第一电磁离合器，闭合第二电磁离合器，由辅助助力电机单独提供助力转矩；第三电磁离合器为常闭状态起到故障保护作用，当系统故障时，第三电磁离合器开启，防止车辆自动转向发生重大事故；本发明包含过载保护器和第三电磁离合器的双重保护，保证电动助力转向故障下的转向可靠性。

【附图说明】

图1为本发明双电机助力转向系统的结构原理图；

图2a为过载保护器的结构图；图2b为图2a的俯视图；

图3为本发明双电机电动助力转向系统的控制策略图；

图4为吉林大学实验得到的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线。

图中：1-方向盘，2-方向盘转矩转角传感器，3-控制单元，4-第二转向轴，5-1-第一转矩耦合器，5-2-第二转矩耦合器，6-转向器，7-第一转向轴，8-主助力电机，9-辅助助力电机，10-1-第一电磁离合器，10-2-第二电磁离合器，10-3-第三电磁离合器，11-减速器，12-过载保护器，13-过载保护器上法兰盘，14-橡胶连接销，15-过载保护器下法兰盘。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本发明一种双电机电动助力转向系统，包括：方向盘1、方向盘转矩转角传感器2、控制单元3、第二转向轴4、第一转矩耦合器5-1、第二转矩耦合器5-2、转向器6、第一转向轴7、主助力电机8、辅助助力电机9、常闭的第一电磁离合器10-1、第二电磁离合器10-2、常闭的第三电磁离合器10-3、减速器11和过载保护器12。

方向盘1下方连接第一转向轴7，第一转向轴7通过万向节连接第二转向轴4；对于转向轴的数量，可以根据具体的布置关系选择，此处以两个转向轴为例。方向盘转矩转角传感器2设置于方向盘1下方，用于实时采集方向盘1的转矩、转角信号；主助力电机8和辅助助力电机9经过第一电磁离合器10-1和第二电磁离合器10-2，通过第一转矩耦合器5-1实现转矩耦合；第一转矩耦合器5-1的输出端连接减速器11的输入端，用于降低单向离合器总成输出转速，增大输出转矩；减速器11输出端连接过载保护器12；过载保护器12后接一常闭第三电磁离合器10-3；常闭第三电磁离合器10-3和第二转向轴4经过第二转矩耦合器5-2实现转矩耦合；第二转矩耦合器5-2的输出转矩作用于转向器6，实现汽车转向。方向盘转矩转角传感器2、主助力电机8、辅助助力电机9、常闭第一电磁离合器10-1、第二电磁离合器10-2和常闭第三电磁离合器10-3连接控制单元3。

过载保护器12的结构如图3所示，过载保护器12包括上法兰盘13和下法兰盘15；上法兰盘13和下法兰盘15中开有四个相对应的孔，通过橡胶连接销14连接，当电动助力转向系统故障时，转矩过大会时橡胶连接销14断裂，使电动助力转向失效，起到过载保护的作用。上法兰盘13连接减速器11的输出端，下法兰盘15连接第三电磁离合器10-3的一端。第三电磁离合器10-3的另一端与第二转向轴4通过转矩耦合器5实现转矩耦合，耦合转矩通过转向器6实现车辆转向。

当助力转向系统故障时，由控制单元3控制，断开第三电磁离合器10-3，防止自动转向的 发生；当主助力电机8故障时，由控制单元3控制，断开第一电磁离合器10-1，闭合第二电磁离合器10-2，由辅助助力电机9单独提供助力转矩；第三电磁离合器10-3输出转矩通过转矩耦合器5与第二转向轴4相连，将合成后的转向转矩输出到转向器6，从而实现助力转向过程。

控制单元3根据车速信号，方向盘转矩、转角信号，计算得到车辆侧向加速度，并对比控制单元3中存储的转向力矩、方向盘转角和车速变化曲线(以吉林大学国家重点实验室利用开放型驾驶模拟器得出驾驶员平均所偏好的转向力矩侧向加速度和车速变化曲线为例)，如图4；该曲线公开于基于驾驶模拟器的驾驶员所偏好的转向盘力矩特性研究一文，中国机械工程，2007年08期；当然也可自己做实验得出不同车速下的方向盘转角与驾驶员偏好的转向力矩曲线控制主助力电机8和辅助助力电机9的输出转矩。

请参阅图3所示，本发明一种双电机电动助力转向系统的转向助力方法，包括以下步骤：

车速传感器采集的车速信号，方向盘转矩转角传感器2采集的转角、转矩信号输出至控制单元3，由控制单元3根据车速、方向盘转角信号计算出侧向加速度，并与控制单元3中存储的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，控制单元3将计算的应当具有的转向力矩与方向盘转矩转角传感器2测出的方向盘转矩进行比较，计算得出助力电机应当输出的转矩；接着对助力电机应当输出转矩进行判断，若助力电机应当输出的转矩小于或等于主助力电机8所能提供的最大转矩，控制单元3断开第二电磁离合器10-2，并控制辅助助力电机9处于低转矩、低转速输出或者停机状态，通过控制单元3控制主助力电机8的输出转矩完成转向助力；若输出转矩大于主助力电机8所能提供的最大转矩，控制单元3闭合第二电磁离合器10-2，并控制辅助助力电机处于高转矩、高转速输出状态，通过第一转矩耦合器5-1耦合助力转矩完成转向助力。当助力转向系统故障时，由控制单元3控制，断开第三电磁离合器10-3，防止自动转向的发生；当主助力电机8故障时，由控制单元3控制，断开第一电磁离合器10-1，闭合第二电磁离合器10-2，由辅助 助力电机9单独提供助力转矩。该双电机电动助力转向系统需实时采集方向盘转角转矩信号，车速信号，调节两电机输出转矩和转速，对两电机转速进行连续修正，实现闭环控制。

Claims (7)

1.一种双电机电动助力转向系统，其特征在于，包括方向盘(1)、方向盘转矩转角传感器(2)、控制单元(3)、第一转矩耦合器(5-1)、第二转矩耦合器(5-2)、转向器(6)、主助力电机(8)和辅助助力电机(9)、第一电磁离合器(10-1)、第二电磁离合器(10-2)和第三电磁离合器(10-3)；

方向盘转矩转角传感器(2)设置于方向盘(1)下方，用于实时采集方向盘(1)的转矩、转角信号；主助力电机(8)和辅助助力电机(9)通过第一常闭电磁离合器(10-1)和第二电磁离合器(10-2)连接第一转矩耦合器(5-1)；第一转矩耦合器(5-1)的输出轴通过第三电磁离合器(10-3)连接第二转矩耦合器(5-2)；第二转矩耦合器(5-2)的输出端连接转向器(6)；

方向盘转矩转角传感器(2)的输出端、主助力电机(8)的控制端、辅助助力电机(9)的控制端、第一电磁离合器(10-1)的控制端、第二电磁离合器(10-2)的控制端和第三电磁离合器(10-3)的控制端连接控制单元(3)。

2.根据权利要求1所述的一种双电机电动助力转向系统，其特征在于，第一转矩耦合器(5-1)的输出轴与第三电磁离合器(10-3)之间依次连接有减速器(11)和过载保护器(12)。

3.根据权利要求2所述的一种双电机电动助力转向系统，其特征在于，过载保护器(12)包括上法兰盘(13)和下法兰盘(15)；上法兰盘(13)和下法兰盘(15)中开有若干对相对应的孔，并通过橡胶连接销(14)连接。

4.根据权利要求1所述的一种双电机电动助力转向系统，其特征在于，方向盘(1)通过下方依次连接的第一转向轴(7)和第二转向轴(4)连接第二转矩耦合器(5-2)。

5.根据权利要求1所述的一种双电机电动助力转向系统，其特征在于，第一电磁离合器(10-1)和第三电磁离合器(10-3)为常闭的电磁离合器。

6.根据权利要求1所述的一种双电机电动助力转向系统，其特征在于，控制单元(3)根据车速、方向盘转矩、转角信号控制主助力电机(8)和辅助助力电机(9)的输出转矩；当所需助力转矩小于或等于主助力电机(8)能够输出的最大转矩时，控制单元(3)断开第二电磁离合器(10-2)并控制辅助助力电机(9)在低转速输出或者停机状态；当所需助力转矩大于主助力电机(8)能够输出的最大转矩时，控制单元(3)闭合第二电磁离合器(10-2)，并提高辅助助力电机(9)的转矩输出，通过第一转矩耦合器(5-1)实现两助力电机的转矩耦合输出。

7.一种双电机电动助力转向系统的助力转向方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一项所述的双电机电动助力转向系统，包括以下步骤：车速传感器采集的车速信号，方向盘转矩转角传感器(2)采集的转角信号输出至控制单元(3)，由控制单元(3)根据车速、方向盘转角信号计算出侧向加速度，并与控制单元(3)中存储的驾驶员平均所偏爱的转向力矩、侧向加速度和车速变化曲线进行比较，得出方向盘应当具有的转向力矩；然后，控制单元(3)将计算得出的方向盘应当具有的转向力矩与方向盘转矩转角传感器(2)测出的方向盘转矩进行比较，得出助力电机应当输出的转矩；控制单元(3)对助力电机应当输出转矩进行判断，若助力电机应当输出的转矩小于或等于主助力电机(8)所能提供的最大转矩，控制单元(3)断开第二电磁离合器(10-2)，并控制辅助助力电机(9)处于低转矩、低转速或停机状态，通过控制单元(3)控制主助力电机(8)的输出转矩；若助力电机应当输出的转矩大于主助力电机(8)所能提供的最大转矩，控制单元(3)闭合第二电磁离合器(10-2)，并提高辅助助力电机(9)的输出转矩和输出转速，由控制单元(3)控制主助力电机(8)和辅助助力电机(9)通过第一转矩耦合器(5-1)实现转矩耦合，共同输出转矩完成转向助力。