一种带有机械冗余的线控转向路感模拟系统技术方案

本发明专利技术公开了一种带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，包括：路感模拟电机，无故障时由其根据工况调节输出至转向盘的总转矩，实现理想路感反馈；行星齿轮机构，实现减速增扭；动力耦合机构，将齿圈和太阳轮通过齿轮传动实现动力耦合；电磁离合器，在路感模拟电机故障时切换至备份系统；机械路感模拟机构，包括滚珠丝杠齿轮副、减振器和扭转弹簧等，由滚珠丝杠齿轮副将齿圈的旋转运动转换为丝杠相对于减振器的直线运动，并作为备份系统在路感模拟电机故障时将扭转弹簧产生的弹性力、减振器产生的阻尼力传递至转向盘，完成路感的替代模拟；从而保障在路感模拟电机等电子元件故障时迅速切换至备份系统，提升系统的可靠性和安全性。和安全性。和安全性。

A road sense simulation system of steering by wire with mechanical redundancy

【技术实现步骤摘要】
一种带有机械冗余的线控转向路感模拟系统


[0001]本专利技术涉及汽车线控转向领域，更具体的是，本专利技术涉及到一种线控转向路感模拟机械冗余装置。

技术介绍

[0002]在汽车新四化的背景下，汽车转向系统的线控化是实现智能驾驶的必经之路。转向系统是驾驶员操控汽车最重要的手段之一，相较于传统助力转向系统，线控转向系统取消了方向盘与车轮之间的机械连接，依靠传感器、电控单元以及执行器来实现汽车转向和路感反馈，因此突破了原有机械连接的制约，在设计上具有更加广阔的空间，在性能提升方面具有更大的潜力。一方面，线控转向系统可以自由设计传动比，兼顾低速下的转向轻便和高速下的转向灵敏，解决了转向“轻”与“灵”的矛盾，另一方面，线控转向技术与ABS、TCS、ESP等技术具有协同工作的能力，有利于底盘技术的综合控制与发展，并具备主动安全控制的能力，在车辆操控稳定性、动力性、安全性等方面都具有更大的提升空间。
[0003]由于线控转向技术在改善汽车转向以及整车性能上的潜力，各大厂商也开始了对线控转向技术的研究。Nissan公司生产的英菲尼迪Q50汽车是首款搭载线控转向系统的量产型汽车，其线控转向系统采用双转向执行电机来实现车轮转向，当一侧电机出现故障，另一侧电机可作为备份接替工作，并且当两执行电机同时故障时，通过接合离合器还可以转换为机械转向系统，仍然具备和传统转向汽车相同的功能。
[0004]但是英菲尼迪Q50的转向系统中仍然有机械中间轴，还不能完全算作线控转向系统。与其设计理念不同的是，博世倡导的是电子备份冗余式线控转向系统，这种类型完全取消了方向盘和转向执行机构之间的机械连接，才能算是真正的线控转向。博世转向系统进行路演的奥迪A3车上搭载的线控转向技术是是一套失效可操作的系统架构，该线控转向系统采用全冗余的软硬件方案，整个系统架构，包括整车电源，通讯、信号、转向执行电机以及处理器等都采取了全冗余的系统方案，即相当于整个线控转向系统有两套系统实时并联工作，当其中一套失效时，另一套也能继续保证转向指令被执行。这套系统可被用于L3及以上级别自动驾驶的转向系统。
[0005]虽然线控转向系统在改善整车性能方面具有巨大的优势，但相较于传统线控转向系统的机械连接方案，通过控制信号实现驾驶操纵指令的线控转向系统在其稳定性、安全性、可靠性方面仍具有较大的挑战。从系统构成来说，线控转向系统的正常工作离不开各种电源、传感器、通讯系统、执行器以及处理器等的良好工作状态，但其巨大的复杂度使得线控转向系统的可靠性下降。
[0006]因此冗余系统对于线控转向系统正常工作是必不可少的，可以进一步确保系统的整体安全性、可靠性。对于线控转向系统，可将其分为路感模拟系统以及转向执行系统。通过对路感模拟系统进行冗余设计，将进一步提升整个线控转向系统的可靠性和安全性，同时也可以避免因路感模拟系统的故障导致切换至机械转向系统时产生的一系列安全问题。

技术实现思路

[0007]针对上述线控转向系统存在的各种技术问题，本专利技术设计开发了一种带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，具备电子路感模拟和机械路感模拟两种工作模式，并可在电子路感模拟系统故障时切换至机械路感模拟模式，虽然切换至机械路感模拟模式时反馈至驾驶员的路感反馈力矩有所波动，但仍能满足低速下驾驶员的路感反馈需求，即实现了“降级”备份，且在转向过程中电子路感模拟系统失效时这一危险工况下仍旧有路感反馈，不会产生路感丢失这一危险情况，可靠性高，可以有效避免路感模拟系统电子元件过多导致的可靠性、安全性下降问题，同时保证了该路感模拟系统结构简单、便于拆装，便于在汽车上进行安装应用，便于该系统实现进一步的实车应用。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，包括：
[0010]路感模拟系统壳体，其上固定有路感模拟电机，所述路感模拟电机用于产生反馈力矩以使驾驶员获得良好的路感反馈；
[0011]电机轴，与上述路感模拟电机同轴连接；
[0012]一级传动主动齿轮，通过键连接同轴布置在所述电机轴上；
[0013]电机减速器输出轴，其上同轴布置有一级传动从动齿轮，二者以键连接；
[0014]太阳轮轴，与所述电机减速器输出轴通过电磁离合器选择性连接，可以实现对电机动力的传递与中断；
[0015]电磁离合器，用于控制所述电机减速器输出轴与所述太阳轮轴之间选择性的连接与断开，并在电机正常工作这一常见工况下实现断电工作，实现所述电机减速器输出轴与太阳轮轴之间的轴向连接，实现动力传递；
[0016]优选的是，所述电磁离合器包括：
[0017]电磁离合器壳体，与所述路感模拟系统壳体以螺钉连接；
[0018]电磁线圈，固定在所述电磁离合器壳体凹槽中；
[0019]衔铁，以花键连接并滑动套设在所述太阳轮轴上，二者以相同转速工作；
[0020]力矩调整环，其与所述太阳轮轴以螺纹相连接；
[0021]弹簧，一端支撑在所述力矩调整环的凹槽中，一端固定连接在所述衔铁上，且其施加在所述衔铁上的压紧力可以通过拨动上述力矩调整环来调节；
[0022]弹簧定位环，以楔键连接固定在所述太阳轮上，以实现对所述第一弹簧的轴向定位；
[0023]摩擦片，通过螺钉安装在所述电机减速器输出轴的法兰上，以增大所述电磁离合器的工作转矩；
[0024]其中，当所述电磁离合器断电时，所述弹簧压紧所述衔铁并使其紧靠在所述电机减速器输出轴的法兰上，以实现所述电机减速器输出轴和所述太阳轮轴的轴向连接，使二者同速转动；当所述电磁离合器通电时，所述电磁线圈产生电磁吸力并吸引所述衔铁轴向移动，并使衔铁紧靠在所述太阳轮轴的花键段的花键末端，所述弹簧将所述衔铁压紧在所述第摩擦片上，实现所述电机减速器输出轴与所述太阳轮轴的轴向分离，使得所述太阳轮轴可以自由转动；
[0025]行星齿轮机构总成，其由所述太阳轮轴、太阳轮、行星轮轴、行星轮轴定位挡圈、定
位环、行星轮轴承、行星架、齿圈等构成，其包括：
[0026]太阳轮，以键连接同轴布置在所述太阳轮轴上；
[0027]行星轮，通过行星轮轴承布置在行星轮轴上，且与所述太阳轮相互啮合；
[0028]行星轮轴，套在行星架通孔中，并用行星轮轴定位挡圈实现轴向定位；
[0029]齿圈，与所述行星轮相互啮合，并支撑在所述太阳轮轴上；
[0030]行星架，支撑在所述路感模拟系统壳体上，开有通孔以与所述行星轮轴进行配合，并将所述行星轮饶所述太阳轮轴轴线的圆周运动转化为行星架饶其自身轴线的旋转运动；
[0031]优选的是，所述行星架伸出所述路感模拟系统壳体的轴段部分具有花键，可以与转向盘配合，将所述行星架上的力矩经过转向盘传递至驾驶员；
[0032]动力耦合机构，包括一级耦合小齿轮，一级耦合大齿轮，动力耦合轴，二级耦合小齿轮等构成；
[0033]一级耦合小齿轮，通过键连接的形式实现其与所述太阳轮轴的轴向固定连接；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，包括：路感模拟系统壳体；路感模拟电机及其减速机构，用于生成反馈力矩并作用至驾驶员，以实现路感反馈、转向盘的自动回正和模拟限位；机械路感模拟机构，用于在所述路感模拟电机及其减速机构等故障时，通过其弹性元件和阻尼元件替代模拟路感力矩给驾驶员，作为所述路感模拟电机及其减速机构的冗余备份；行星齿轮机构，用于对所述路感模拟电机及其减速机构或所述机械路感模拟机构输入转矩进行减速增扭后输出给驾驶员，实现路感模拟；动力耦合机构，用于将所述行星齿轮机构减少一个自由度，以使所述行星齿轮机构两个输入端以固定比例的转速同步转动，实现动力耦合；电磁离合器，布置在所述路感模拟电机及其减速机构与所述动力耦合机构中间，用于控制所述路感模拟电机的动力是否输入至所述动力耦合机构。2.如权利要求1所述的带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，所述路感模拟系统壳体包括：第一壳体，用于容置所述路感模拟电机及其减速机构、所述电磁离合器和所述机械路感模拟机构中的阻尼元件；第二壳体，用于容置所述行星齿轮机构和所述机械路感模拟机构中的弹性元件；第三壳体，用于容置所述动力耦合机构。3.如权利要求1所述的带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，所述路感模拟电机及其减速机构包括：路感模拟电机，其壳体固定在所述路感模拟系统壳体上，且其电机轴旋转支撑在所述路感模拟系统壳体内部；一级传动小齿轮，通过键连接安装在所述电机轴上；电机减速器输出轴，一端旋转套设在所述路感模拟系统壳体内部，一端旋转套设在所述电磁离合器壳体中；一级传动大齿轮，通过键连接安装在所述电机减速器输出轴上，并与所述一级传动小齿轮啮合传动，实现对所述路感模拟电机输出动力的减速增扭。4.如权利要求1所述的带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，所述行星齿轮机构包括：太阳轮轴，旋转支撑在所述路感模拟系统壳体内部；太阳轮，以键连接固定安装在所述太阳轮轴上；行星架，旋转支撑在所述路感模拟系统壳体内部；行星轮轴，安装在所述行星架圆周分布的通孔中，并通过挡圈对其进行轴向定位；行星轮，旋转支撑在所述行星轮轴上，并与所述太阳轮外啮合传动；齿圈，旋转支撑在所述太阳轮轴上，并与所述行星轮内啮合传动。5.如权利要求1或4所述的带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，所述动力耦合机构包括：一级耦合小齿轮，以键连接固定安装在所述太阳轮上；
动力耦合轴，旋转支撑在所述路感模拟系统壳体内部；一级耦合大齿轮，以键连接固定安装在所述动力耦合轴上，并与所述一级耦合小齿轮啮合传动，从而将来自所述太阳轮轴的动力传递至所述动力耦合轴上；二级耦合小齿轮，以键连接固定安装在所述动力耦合轴上，并与所述齿圈相互啮合，从而将来自所述动力耦合轴的动力传递至所述齿圈上；其中，在所述动力耦合机构的作用下，将实现所述太阳轮和所述齿圈的固定速比同步转动，并使传递至所述太阳轮轴上的动力一部分通过所述太阳轮传递至所述行星轮上，一部分通过所述动力耦合机构传递至所述齿圈上，进一步传递至所述行星轮上，实现动力耦合，并最终从所述行星架处输出。6.如权利要求1或4所述的带有机械冗余的线控转向路感模拟系统，其特征在于，所述电磁离合器包括：电磁离合器壳体，与所述路感模拟系统壳体以螺钉同轴连接；电磁线圈，固定在所述电磁离合器壳体凹槽中；衔铁，以花键连接的形式滑动套设在所述太阳轮轴轴径上；力矩调整环，其与所述太阳轮轴以螺纹相连接；弹簧，一端支...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军年，付东旭，庄硕，王振宇，范瑞浩，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：