一种变传动比循环球式电液转向系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种变传动比循环球式电液转向系统及其控制方法，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块、机械传动模块、电机助力模块以及主控制器模块；本发明专利技术的电液转向系统能够根据不同工况的传动比信号选择不同的电机助力模式，通过液压助力电机和电动助力电机协调控制转向，实现转向助力大小随谐波转角的传动比信号可调，融合了电动响应快和液压助力大、变传动比稳定性好的三重优势，提高了响应速度，加强了抗干扰能力，并在一定程度上降低了整体能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种变传动比循环球式电液转向系统及其控制方法
本专利技术属于汽车转向系统
，具体涉及一种变传动比循环球式电液转向系统及其控制方法。
技术介绍
随着车辆控制技术的发展以及人们对驾驶安全性和舒适性要求越来越高；液压助力转向系统由于存在不能实现主动控制、转向助力特性不可调等问题，已经不能满足新的要求。电动助力转向系统虽然能够解决上述问题，但是在中重型商用车的应用上存在着助力不足的缺陷，而且目前提出的电控液压转向系统仍存在能耗较大，响应速度慢，路感较差等缺点。因此，复合式的电控液压助力转向系统的研究有着重要的意义。现有的商用车电控液压助力转向系统的传动比是固定的，不能根据车辆运行工况对操纵稳定性的要求实现主动修正控制，在低速转向时，驾驶员的转向力度大，转向手感和舒适性差；在高速转向时，驾驶员的操作反应时间短，商用车辆的质量惯性大，因此安全性和稳定性较低。现有技术中提出的一些行星齿轮和齿轮齿条式转向器组成的变传动比机构很难满足商用车所需大传动比、大转矩的特点，新型的适应商用车的变传动比机构需要被研究。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种变传动比循环球式电液转向系统及其控制方法，以解决现有商用车转向系统传动比固定、液压助力转向系统传动效率较低、路感较差且响应速度慢的问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种变传动比循环球式电液转向系统，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块、机械传动模块、电机助力模块以及主控制器模块；其中，所述转向盘模块包括：转向盘、第一转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器；所述转向盘与第一转向管柱固定连接；所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与第一转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块；所述变传动比液压助力模块包括：变传动比模块、第二转向管柱、第二转向管柱转矩传感器、循环球式液压助力转向器以及液压助力模块；所述第二转向管柱转矩传感器与第二转向管柱固定连接，用于采集第二转向管柱的转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块；所述变传动比模块包括：转角电机、转角电机转角控制器、转角电机转角传感器、谐波齿轮机构、锁止机构；所述转角电机转角传感器和转角电机固定连接，用于采集转角电机的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；所述转角电机转角控制器输入端连接主控制器模块，输出端连接转角电机，用于通过对当前时刻的前轮转角进行换算，得出转角电机需要输出的实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，得到实时的转角电机控制信号，对转角电机进行控制；所述谐波齿轮机构包括：波发生器、柔轮和刚轮；所述柔轮为外齿轮，刚轮为内齿轮，刚轮和柔轮之间存在齿差；第一转向管柱作为输入端与谐波齿轮机构的柔轮通过花键无间隙连接，带动柔轮转动；波发生器由回转部件和柔性轴承组成；波发生器设置于柔轮的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮发生弹性形变，柔轮变成椭圆形齿轮随回转部件旋转的相反方向转动；位于波发生器中部的回转部件与转角电机的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮与第二转向管柱的一端通过花键无间隙连接；第二转向管柱的另一端与循环球式液压助力转向器相连；所述循环球式液压助力转向器(13)由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副(11)；第二级为齿条与齿扇传动副(12)；第二转向管柱通过螺杆与螺母传动副与循环球式液压助力转向器相连；所述液压助力模块包括：液压泵、液压泵驱动电机、液压泵驱动电机控制器、第一减速机构、油箱、伺服比例电磁阀、油管、第一压力传感器及第二压力传感器；所述液压泵驱动电机控制器输入端连接主控制器模块，输出端连接液压泵驱动电机，用于接收主控制器模块发出的液压泵驱动电机控制信号控制液压泵驱动电机；所述液压泵驱动电机通过第一减速机构与液压泵相连，将来自油箱的液压油通过伺服比例电磁阀泵入循环球式液压助力转向器，在循环球式液压助力转向器中形成油压差，在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送实际液压助力信号；所述机械传动模块包括：转向摇臂、转向直拉杆、左转向车轮、左转向节、左转向节臂、左转向梯形臂、转向横拉杆、右转向梯形臂、右转向节臂、右转向节、右转向车轮；所述循环球式液压助力转向器的输出端通过齿条与齿扇传动副和转向摇臂的一端连接，转向摇臂的另一端通过转向直拉杆与左转向节臂相连，带动左转向节和左转向车轮偏转；左转向节臂经左转向梯形臂与转向横拉杆的一端相连；转向横拉杆的另一端与右转向梯形臂相连，右转向梯形臂经右转向节臂与右转向节相连，右转向节带动右转向车轮转向；所述电机助力模块包括：电动助力电机、电动助力电机控制器及第二减速机构；电动助力电机控制器输入端连接主控制器模块，输出端连接电动助力电机；电动助力电机通过第二减速机构将电动助力传递到第二转向管柱，为转向系统提供助力；所述主控制器模块包括：信号处理单元、车辆其它状态单元、理想传动比控制器、转角电机转角计算器、稳定性控制器、助力决策单元、诊断单元、故障报警单元、电机驱动单元；信号处理单元与上述各传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、转角电机转角信号C、实际液压助力信号D、第二转向管柱转矩信号；同时信号处理单元与上述车辆其它状态单元电气连接，获取车辆的其它状态信号；车辆其它状态单元用于采集当前车辆状态的车速信号I、横摆角速度信号J、质心侧偏角信号K、侧向加速度信号L；理想传动比控制器用于根据信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；将传动比信号与转向盘转角信号一同输入转角电机转角计算器，以得到转角电机理想转角信号，通过转角电机提供的附加转角和第一转向管柱的转角进行叠加从而实现变传动比控制；稳定性控制器用于根据信号处理单元获得的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号，通过H2/H∞鲁棒控制方法得到车辆稳定性控制信号；再将获得的车辆稳定性控制信号与上述所得的转角电机理想转角信号、转角电机转角信号一同输入到转角电机转角控制器中，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号；主控制器模块输出端分别与转角电机、电动助力电机、伺服比例电磁阀、液压泵驱动电机电气连接，输出转角电机控制信号F，控制转角电机输出转角；输出液压泵驱动电机控制信号G，控制液压泵驱动电机的转矩；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩；诊断单元检测在车辆行驶过程中电液转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变传动比循环球式电液转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块(5)、机械传动模块、电机助力模块以及主控制器模块(33)；/n所述转向盘模块包括：转向盘(5)、第一转向管柱(2)、转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)；/n所述转向盘(1)与第一转向管柱(2)固定连接；/n所述转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)均与第一转向管柱(2)固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块(33)；/n所述变传动比液压助力模块(5)包括：变传动比模块(6)、第二转向管柱(10)、第二转向管柱转矩传感器(9)、循环球式液压助力转向器(13)以及液压助力模块(22)；/n所述第二转向管柱转矩传感器(9)与第二转向管柱(10)固定连接，用于采集第二转向管柱(10)的转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块(33)；/n所述变传动比模块(6)包括：转角电机(7)、转角电机转角控制器、转角电机转角传感器(61)、谐波齿轮机构(8)、锁止机构；/n所述转角电机转角传感器(61)和转角电机(7)固定连接，用于采集转角电机(7)的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机(7)上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；所述转角电机转角控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接转角电机，用于通过对当前时刻的前轮转角进行换算，得出转角电机需要输出的实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，得到实时的转角电机控制信号，对转角电机进行控制；/n所述谐波齿轮机构(8)包括：波发生器(62)、柔轮(63)和刚轮(64)；所述柔轮(63)为外齿轮，刚轮(64)为内齿轮，刚轮(64)和柔轮(63)之间存在齿差；第一转向管柱(2)作为输入端与柔轮(63)通过花键(65)无间隙连接，带动柔轮(63)转动；波发生器(62)由回转部件和柔性轴承组成；波发生器(62)设置于柔轮(63)的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮发生弹性形变，柔轮(63)变成椭圆形齿轮随回转部件旋转的相反方向转动；位于波发生器(62)中部的回转部件与转角电机的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮与第二转向管柱(10)的一端通过花键无间隙连接；第二转向管柱(10)的另一端与循环球式液压助力转向器(13)相连；/n所述循环球式液压助力转向器(13)由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副(11)；第二级为齿条与齿扇传动副(12)；第二转向管柱通过螺杆与螺母传动副(11)与循环球式液压助力转向器(13)相连；/n所述液压助力模块(22)包括：液压泵(31)、液压泵驱动电机(30)、液压泵驱动电机控制器、第一减速机构(36)、油箱(29)、伺服比例电磁阀(23)、油管、第一压力传感器(34)及第二压力传感器(35)；所述液压泵驱动电机控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接液压泵驱动电机(30)，用于接收主控制器模块(33)发出的液压泵驱动电机控制信号控制液压泵驱动电机(30)；所述液压泵驱动电机(30)通过第一减速机构(36)与液压泵(31)相连，将来自油箱(29)的液压油通过伺服比例电磁阀泵入循环球式液压助力转向器(13)，在循环球式液压助力转向器(13)中形成油压差，在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送实际液压助力信号；/n所述机械传动模块包括：转向摇臂(14)、转向直拉杆(19)、左转向车轮(15)、左转向节(16)、左转向节臂(17)、左转向梯形臂(18)、转向横拉杆(24)、右转向梯形臂(25)、右转向节臂(26)、右转向节(27)、右转向车轮(28)；/n所述循环球式液压助力转向器(13)的输出端通过齿条与齿扇传动副(12)和转向摇臂(14)的一端连接，转向摇臂(14)的另一端通过转向直拉杆(19)与左转向节臂(17)相连，带动左转向节(16)和左转向车轮(15)偏转；左转向节臂(17)经左转向梯形臂(18)与转向横拉杆(24)的一端相连；转向横拉杆(24)的另一端与右转向梯形臂(25)相连，右转向梯形臂(25)经右转向节臂(26)与右转向节(27)相连，右转向节带动右转向车轮(28)转向；/n所述电机助力模块包括：电动助力电机(20)、电动助力电机控制器及第二减速机构(21)；电动助力电机控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接电动助力电机(20)；电动助力电机(20)通过第二减速机构(21)将电动助力传递到第二转向管柱(10)，为转向系统提供助力；/n所述主控制器模块(33)包括：信号处理单元、车辆其它状态单元(32)、理想传动比控制器、转角电机转角计...

【技术特征摘要】
1.一种变传动比循环球式电液转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块(5)、机械传动模块、电机助力模块以及主控制器模块(33)；
所述转向盘模块包括：转向盘(5)、第一转向管柱(2)、转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)；
所述转向盘(1)与第一转向管柱(2)固定连接；
所述转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)均与第一转向管柱(2)固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块(33)；
所述变传动比液压助力模块(5)包括：变传动比模块(6)、第二转向管柱(10)、第二转向管柱转矩传感器(9)、循环球式液压助力转向器(13)以及液压助力模块(22)；
所述第二转向管柱转矩传感器(9)与第二转向管柱(10)固定连接，用于采集第二转向管柱(10)的转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块(33)；
所述变传动比模块(6)包括：转角电机(7)、转角电机转角控制器、转角电机转角传感器(61)、谐波齿轮机构(8)、锁止机构；
所述转角电机转角传感器(61)和转角电机(7)固定连接，用于采集转角电机(7)的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机(7)上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；所述转角电机转角控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接转角电机，用于通过对当前时刻的前轮转角进行换算，得出转角电机需要输出的实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，得到实时的转角电机控制信号，对转角电机进行控制；
所述谐波齿轮机构(8)包括：波发生器(62)、柔轮(63)和刚轮(64)；所述柔轮(63)为外齿轮，刚轮(64)为内齿轮，刚轮(64)和柔轮(63)之间存在齿差；第一转向管柱(2)作为输入端与柔轮(63)通过花键(65)无间隙连接，带动柔轮(63)转动；波发生器(62)由回转部件和柔性轴承组成；波发生器(62)设置于柔轮(63)的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮发生弹性形变，柔轮(63)变成椭圆形齿轮随回转部件旋转的相反方向转动；位于波发生器(62)中部的回转部件与转角电机的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮与第二转向管柱(10)的一端通过花键无间隙连接；第二转向管柱(10)的另一端与循环球式液压助力转向器(13)相连；
所述循环球式液压助力转向器(13)由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副(11)；第二级为齿条与齿扇传动副(12)；第二转向管柱通过螺杆与螺母传动副(11)与循环球式液压助力转向器(13)相连；
所述液压助力模块(22)包括：液压泵(31)、液压泵驱动电机(30)、液压泵驱动电机控制器、第一减速机构(36)、油箱(29)、伺服比例电磁阀(23)、油管、第一压力传感器(34)及第二压力传感器(35)；所述液压泵驱动电机控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接液压泵驱动电机(30)，用于接收主控制器模块(33)发出的液压泵驱动电机控制信号控制液压泵驱动电机(30)；所述液压泵驱动电机(30)通过第一减速机构(36)与液压泵(31)相连，将来自油箱(29)的液压油通过伺服比例电磁阀泵入循环球式液压助力转向器(13)，在循环球式液压助力转向器(13)中形成油压差，在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送实际液压助力信号；
所述机械传动模块包括：转向摇臂(14)、转向直拉杆(19)、左转向车轮(15)、左转向节(16)、左转向节臂(17)、左转向梯形臂(18)、转向横拉杆(24)、右转向梯形臂(25)、右转向节臂(26)、右转向节(27)、右转向车轮(28)；
所述循环球式液压助力转向器(13)的输出端通过齿条与齿扇传动副(12)和转向摇臂(14)的一端连接，转向摇臂(14)的另一端通过转向直拉杆(19)与左转向节臂(17)相连，带动左转向节(16)和左转向车轮(15)偏转；左转向节臂(17)经左转向梯形臂(18)与转向横拉杆(24)的一端相连；转向横拉杆(24)的另一端与右转向梯形臂(25)相连，右转向梯形臂(25)经右转向节臂(26)与右转向节(27)相连，右转向节带动右转向车轮(28)转向；
所述电机助力模块包括：电动助力电机(20)、电动助力电机控制器及第二减速机构(21)；电动助力电机控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接电动助力电机(20)；电动助力电机(20)通过第二减速机构(21)将电动助力传递到第二转向管柱(10)，为转向系统提供助力；
所述主控制器模块(33)包括：信号处理单元、车辆其它状态单元(32)、理想传动比控制器、转角电机转角计算器、稳定性控制器、助力决策单元、诊断单元、故障报警单元、电机驱动单元；
信号处理单元与上述各传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、转角电机转角信号C、实际液压助力信号D、第二转向管柱转矩信号；同时信号处理单元与上述车辆其它状态单元电气连接，获取车辆的其它状态信号；
车辆其它状态单元用于采集当前车辆状态的车速信号I、横摆角速度信号J、质心侧偏角信号K、侧向加速度信号L；
理想传动比控制器用于根据信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；将传动比信号与转向盘转角信号一同输入转角电机转角计算器，以得到转角电机理想转角信号，通过转角电机提供的附加转角和第一转向管柱的转角进行叠加从而实现变传动比控制；
稳定性控制器用于根据信号处理单元获得的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号，通过H2/H∞鲁棒控制方法得到车辆稳定性控制信号；再将获得的车辆稳定性控制信号与上述所得的转角电机理想转角信号、转角电机转角信号一同输入到转角电机转角控制器中，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号；
主控制器模块输出端分别与转角电机(7)、电动助力电机(20)、伺服比例电磁阀(23)、液压泵驱动电机(30)电气连接，输出转角电机控制信号F，控制转角电机输出转角；输出液压泵驱动电机控制信号G，控制液压泵驱动电机的转矩；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩；
诊断单元检测在车辆行驶过程中电液转向系统是否正常工作，并根据主控制器模块接收的传动比信号与给定的传动比阈值进行比较，判断各电机的工作模式；
助力决策单元通过车载通讯线路接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：周小川，徐坤豪，赵万忠，邹松春，栾众楷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32