主动转向系统和车辆的制作方法

1.本公开属于车辆转向技术领域，具体而言，涉及一种主动转向系统和具有该主动转向系统的车辆。

背景技术：

2.目前关于汽车主动转向系统的研究主要分为三大类，第一，利用电动助力转向的主动转向系统；第二，基于液压助力转向机的电动伺服液压主动转向系统；第三，基于电磁阀的液压主动转向系统。其中第一种电动助力转向的主动转向系统主要适用于较小的乘用车，第二种液压助力主动转向系统主要适用于商用车，第三种电磁阀液压主动转向系统主要用于工程车辆。
3.液压助力转向结构涉及到转向阀、液压泵、液压管道等部件构成，车辆在整个运行过程中，该套装置均进行工作，尤其是在低速大转向过程中，转向系统所需液压泵供给较大的助力，能耗较高，液压管路结构复杂，控制油液阀门较多，维护保养成本较高，油路的长时间高压状态一定程度上也影响了整个转向系统的使用寿命。电力液压助力转向系统也存在相似问题。
4.相对于液压主动转向系统，电动转向系统无需液压助力部分，缩短了动力传输过程，但该转向系统仍然存在转一系列转向装置；针对该问题，后来学者研究并采用了滑移转向方案，即去掉现有转向机构，直接采用轮毂电机驱动转向车轮，依靠车辆车轮轮速差或者转矩差实现转向，但该转向方式存在各个转向车轮之间的转向协调控制问题，车轮转向过于灵活，车轮过大转向和协调能力较差时，容易导致车轮转向过程卡死，从而存在一定的安全隐患，同时，在受到路面不平度影响时，转向车轮容易发生跳动，转向角度不精确，从而降低车辆行驶的稳定性。
5.针对以上问题，盐城工学院提出了一种基于电机驱动的四轮转向独立转向机构，该转向结构采用多涡轮传递动力实现转向，该转向方式成功去掉了液压转向，同时实现了驱动电机与车轮间运动的相互独立，但本发明结构存在两个问题，第一，该转向结构通过多个涡轮传动动力，降低了动力传递效率，多对齿轮磨损问题也增加了后期对系统的维护成本；第二，该转向结构介绍了对不同转角大小采用不同转角模式，但并未对转向模式之间的切换和过度的平稳性做相关说明，因此就转向模式切换过程中转向实现的可靠性和稳定性有待商榷。

技术实现要素：

6.本公开旨在解决上述问题之一。
7.为此，本公开第一方面实施提供的结构简单且抗干扰力强的主动转向系统，包括：
8.转向驱动电机；
9.蜗杆，所述蜗杆与所述转向驱动电机的输出端相连；
10.蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆相啮合，所述蜗轮通过车桥带动车轮转向；和
11.转向驱动电机控制器，被配置成根据车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到的所述转向驱动电机的转动信号。
12.本公开第一方面实施例提供的主动转向系统，具有以下特点及有益效果：
13.本公开第一方面实施例提供的主动转向系统，是基于涡轮蜗杆的整桥电驱动转向系统。本公开第一方面实施例采用电机直接驱动蜗轮蜗杆的方式实现转向，避免了复杂的液压装置和方向盘等相关部件，简化了转向结构；本公开第一方面实施例采用涡轮蜗杆的反向自锁能力，解决了滑移转向机构应对路面抗干扰能力较差的问题。同时，蜗轮蜗杆传动相当于螺旋传动和多齿啮合传动，具有传动平稳、噪声较低等优势，增加了转向过程的安全性和稳定性；利用涡轮蜗杆可实现较大传动比的特点，实现了转向过程减速增扭的作用，提高整个转向过程的动力传输效率。
14.在一些实施例中，所述转向驱动电机的输出端通过联轴器与所述蜗杆连接。
15.在一些实施例中，仅在圆心角α范围内的所述蜗杆的周缘上设有与所述蜗轮相啮合的蜗齿，α为车轮最大转角的两倍。
16.在一些实施例中，所述蜗杆的摩擦角小于所述蜗杆的螺旋升角。
17.在一些实施例中，所述转向驱动电机与车架连接。
18.在一些实施例中，本公开第一方面实施例提供的主动转向系统还包括：设置在两侧车轮处的轮边电机和相应轮边电机控制器，所述轮边电机控制器被配置成根据相应侧车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到相应测所述转轮边电机的转动信号，所述转向驱动电机控制器被配置成两侧所述转轮边电机的转动信号之差。
19.本公开第二方面实施例提供的车辆，设置有如本公开第一方面任一种所述的主动转向系统。
附图说明
20.图1和图2分别为本公开第一方面实施例提供的第一种主动转向系统的俯视图和侧视图。
21.图3为图1所示主动转向系统中蜗杆的横截面图。
22.图4为图1所示主动转向系统的控制框图。
23.图5和图6分别为本公开第一方面实施例提供的第二种主动转向系统的俯视图和侧视图。
24.图7为图5所示主动转向系统的控制框图。
25.图中：
26.100-主动转向系统，110-转向驱动电机，120-蜗杆，130-蜗轮，140-车桥，150-车轮，160-副车架，170-车身，180-轮边电机。
具体实施方式
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
28.相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、
等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
29.本公开第一方面实施例提供的针对商用车上的纯电动整桥转向系统，是基于涡轮蜗杆的整桥转向系统。该转向系统应用对象为采用多轴转向的无人驾驶商用车上，对转向系统的回正能力、操作的灵敏度和驾驶员的路感等无需求，因此去掉了方向盘、转向操纵等一些列机构，简化转向系统装置，缩短动力传递过程，提高动力传递效率。
30.参见图1、图2(图中虚线表示车辆中轴线)，本公开第一方面实施例提供的第一种主动转向系统100，适于大功率电源车辆，包括：
31.转向驱动电机110；
32.蜗杆120，蜗杆120与转向驱动电机110的输出端相连；
33.蜗轮130，蜗轮130与蜗杆120相啮合，蜗轮130通过车桥140带动车轮150转向；和
34.转向驱动电机控制器(该控制器在图中未示意出)，被配置成根据车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到的转向驱动电机110的转动信号。
35.在一些实施例中，转向驱动电机110的输出端通过联轴器与蜗杆120的端部连接，用于为蜗杆120提供动力，以驱动蜗杆120转动。可选地，将转向驱动电机110安装于车架上。转向驱动电机110可根据实际应用的车辆类型进行选择，对于大功率电源车辆来说，可选用具有固定磁场的直流电机，将固定在磁铁壳内的磁铁与蜗杆120做成一体，蜗杆120的另一端通过轴承安装在整个车架上。
36.在一些实施例中，蜗杆120和蜗轮130相啮合，蜗轮130与车桥之间固定连接，将转向驱动电机110提供的动力传递至车桥140，进而由车桥140带动车轮150转向。参见图3，仅在圆心角α范围内的蜗杆120的周缘上设有与涡轮130相啮合的蜗齿，α应为车轮最大转角的两倍。
37.在一些实施例中，控制器用于根据车辆的期望转角信号和实时测得的车轮转角信号得到转向驱动电机110的转动信号，由该转动信号控制转向驱动电机110。具体地，参见图4，整车控制单元根据当前车辆行驶状态计算出车轮的期望转角信号，根据该期望转角信号推算出转向驱动电机110的期望转动角度，并将该转动角度传送给转向驱动电机控制器，控制转向驱动电机110转动一定的角度，同时通过编码器读取转向驱动电机110转过的角度，作为反馈信号反馈到转向驱动电机控制器中，进一步调整转向驱动电机110的转动，直至转向驱动电机110的实际转动角度与期望转动角度保持一致。
38.图1、图2所示主动转向系统主要适用于大功率电源车辆，由转向驱动电机110驱动车桥140进行转向，实现车轮150的转向。具体工作过程为：整车控制单元将车辆的期望转角信号发送给控制器，由该控制器控制转向驱动电机110的转动，从而带动蜗杆120转动。车桥140与车架160之间安装有蜗轮130，车桥140可以相对车架160绕垂直于地面的轴旋转，蜗轮130与车桥140之间是固定连接，带动车桥140一起转动，蜗轮130的径向尺寸设计要求较大，以便能够承受车身170的俯仰和侧翻载荷，且蜗轮130的局部周缘处存在蜗齿，通过啮合与蜗杆110之间进行动力的传递，将驱动力传递到蜗轮130，进一步带动车桥140的转向，车轮150与车桥140之间无转向主销，车轮150始终与转向桥保持垂直，由车桥140的整体转向带动车轮150实现转向，车轮转角大小等于车桥转角。将蜗杆120的摩擦角设置为小于蜗杆120
的螺旋升角，以保证蜗轮130和蜗杆120间的反向自锁作用，从而保证本转向系统对路面不平度的抗干扰能力。
39.参见图5、图6，本实施例第一方面实施例提供的第二种主动转向系统与第一种主动转向系统的区别在于，第二种主动转向系统还包括设在车轮处的轮边电机180，该主动转向系统由于轮边电机180的存在降低了对转向驱动电机110(此时，转向驱动电机110可选用直流电机或者伺服电机)的功率要求，整个转向过程通过转向驱动电机110与轮边电机180之间的协调实现车桥140的转向。即当车辆不转向时，转向驱动电机110不输出力矩，利用蜗轮蜗杆的反向自锁能力抵御由于车桥140两侧轮边电机180的驱动力不平衡和路面不平度造成的车桥140绕蜗轮130的转动现象；当车辆转向时，利用两侧轮边电机180的驱动力矩差从地面获得所需的左右不相等的纵向反作用力，对车桥140施加差动转向力矩；由于蜗轮蜗杆的反向自锁作用，该差动转向力矩不能使车桥140转向，增加了列车辆车在转向过程中的抗扰动能力；通过转向驱动电机110在蜗杆120侧输入的动力解开反向自锁，使得车桥140在上述差动转向力矩的作用下实现转向。根据车轮的期望转角信号对转向驱动电机110进行位置伺服控制，实现期望转向角，保证了车辆转向过程的稳定性和准确性。
40.参见图7，本主动转向系统的转向过程为：整车控制单元将车辆的期望转角信号输出到转向驱动电机控制器和轮边电机控制器，由轮边电机180产生差动转向力矩，通过转向驱动电机110的伺服控制实现目标转角。具体为：整车控制单元计算出被控制车轮期望转角信号(如图7中所示，δ1为整车控制单元输出的左侧车轮期望转角信号，δ3为整车控制单元输出的右侧车轮期望转角信号)，根据该期望转角信号推算出转向驱动电机110的期望转动角度，将被控制车轮期望转角信号传递给相应的轮边电机控制器，并将转向驱动电机110的期望转动角度传递给转向驱动电机控制器，车辆两侧轮边电机转动一定的角度，同时转向驱动电机同步驱动涡轮蜗杆转动，此时读取轮边电机对应编码器的转动角度(如图7中所示，δ1’和δ3’分别为左侧轮边电机编码器和右侧轮边电机编码器的转动角度，δ2’为转向驱动电机编码器的转动角度)，并将该转动角度作为反馈信号反馈到相应的轮边电机控制器和转向驱动电机控制器，调整相应轮边电机和转向驱动电机的转动直到相应轮边电机和转向驱动电机的转角与各自的期望转角一致。该转向系统方案不仅降低了对转向驱动电机110功率的需求，同时由于蜗杆120与蜗轮130之间的反向自锁能力提高了本主动转向系统对路面不平度的抗干扰能力，保证了车辆转向角的精度。
41.综上所述，本公开第一方面实施例提供的主动转向系统，不仅减少了传统的转向盘、液压助力系统等装置，降低了维护成本；缩短了转向动力传输过程，提高了转向效率和转向的灵活性；同时由于该转向系统采用蜗轮蜗杆转向，蜗轮蜗杆的反向自锁能力又进一步避免了由于外界路面不平度的干扰造成的车辆转向不稳定问题，蜗轮蜗杆的大传动比结构又进一步起到了减速增扭的作用，增加了转向动力，提高了转向精度。
42.本公开第二方面实施例提供的车辆，含有本公开第一方面实施例提供的主动转向系统。
43.进一步地，将本公开第一方面实施例提供的主动转向系统用于商用汽车、列车、挂车中时，可减小内轮差并提高车辆行驶稳定性。
44.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
45.尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种主动转向系统，其特征在于，包括：转向驱动电机；蜗杆，所述蜗杆与所述转向驱动电机的输出端相连；蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆相啮合，所述蜗轮通过车桥带动车轮转向；和转向驱动电机控制器，被配置成根据车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到的所述转向驱动电机的转动信号。2.根据权利要求1所述的主动转向系统，其特征在于，所述转向驱动电机的输出端通过联轴器与所述蜗杆连接。3.根据权利要求1所述的主动转向系统，其特征在于，仅在圆心角α范围内的所述蜗杆的周缘上设有与所述蜗轮相啮合的蜗齿，α为车轮最大转角的两倍。4.根据权利要求1所述的主动转向系统，其特征在于，所述蜗杆的摩擦角小于所述蜗杆的螺旋升角。5.根据权利要求1所述的主动转向系统，其特征在于，所述转向驱动电机与车架连接。6.根据权利要求1所述的主动转向系统，其特征在于，所述主动转向系统还包括：设置在两侧车轮处的轮边电机和相应轮边电机控制器，所述轮边电机控制器被配置成根据相应侧车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到相应测所述转轮边电机的转动信号，所述转向驱动电机控制器被配置成两侧所述转轮边电机的转动信号之差。7.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求1～6中任一项所述的主动转向系统。

技术总结

本公开实施例提供的主动转向系统和车辆，所述主动转向系统包括：转向驱动电机；与转向驱动电机的输出端相连的蜗杆；与蜗杆相啮合的蜗轮，蜗轮通过车桥带动车轮转向；和转向驱动电机控制器，被配置成根据车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到的转向驱动电机的转动信号。所述主动转向系统还包括：设置在两侧车轮处的轮边电机和相应轮边电机控制器，轮边电机控制器被配置成根据相应侧车轮的期望转角信号和实时转角信号转换得到相应测所述转轮边电机的转动信号，此时，转向驱动电机控制器被配置成两侧转轮边电机的转动信号之差。所述车辆包括所述主动转向系统。本公开实施例提供的主动转向系统和车辆，结构简单且抗干扰力强。强。强。