一种具有失效保护功能的线控转向系统

1.本发明属于汽车线控转向系统技术领域，具体涉及一种具有失效保护功能的线控转向系统。


背景技术：

2.随着汽车技术的发展，“智能化、网联化、电动化”是未来汽车的发展方向，线控转向系统是汽车智能化进程中必要的执行器。相对于传统转向系统，采用线控技术，可以进一步降低系统部件的复杂性，减少机械与液压结构，利于实现汽车底盘模块化设计。但由于安全设计的要求，需要考虑方向盘和转向轮的机械连接，用于线控失效的保护措施，因此线控转向系统中必须具有失效保护功能。
3.目前线控转向系统的失效保护一般采用机械式、硬件冗余以及软件容错等三种方式。中国发明专利申请号为cn200910214211.4，名称为“一种线控转向系统失效防护装置”公开了通过传动轴自身重力或者加设的复位装置的作用下，通过传动轴上齿轮与上转向柱、下转向柱的齿轮同时啮合，使上转向柱和下转向柱机械连接，将线控转向变为机械转向，达到线控转向系统的失效保护，但该专利存在如下不足：1)只能在电机失效时从线控转向切换为机械转向，但对于电机发生精度故障时无法起到保护作用；2)通过传动轴自身重力或者弹簧等复位装置使传动轴上齿轮与上、下转向柱的齿轮进行啮合，会出现不能正常啮合，甚至打滑的现象。中国发明专利申请号为cn202010815446.5，名称为“一种线控转向系统、控制方法以及汽车”中公开了一种采用两块处理器进行相互校验，实现硬件冗余的失效保护方法，其缺点是该失效保护方法至少需要两块处理器，结构复杂、成本较高且工作过程中可能出现信号干扰。


技术实现要素：

4.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有失效保护功能的线控转向系统，以克服现有的线控转向系统中转向电机发生故障时不能自动采取相应措施，使车轮继续保持转向，造成汽车转向失控的问题；本发明不仅能够实现线控系统的失效保护功能，还能在转向电机出现精度故障时，自动的采取相应修正措施，使车轮保持精度转向。本发明通过控制电磁线圈的电流大小，调节覆磁层与电磁线圈磁吸力的大小，从而实现第二转向传动轴在第一转向传动轴转动的影响下转动一定的角度，修正转向电机的精度故障带来的转向误差，实现车轮的精度转向；通过控制单元给电磁线圈通入电流的大小，产生不同强度的磁场，改变磁致伸缩块的长短，进而使得圆形凸块插入凹槽块中的凹槽中，产生剪切力来确保第一转向传动轴与第二转向传动轴机械连接，实现线控转向系统中转向电机发生失效时方向盘的转矩能够传递给转向轮，实现车轮的正常转向。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明的一种具有失效保护功能的线控转向系统，包括：方向盘、转角传感器、第一转向传动轴、控制单元、失效保护装置、第二转向传动轴、转向电机输出轴齿轮、转向齿
条、位移传感器、转向电机、转向轮、转向轴；
7.所述第一转向传动轴的上端固接方向盘，下端连接失效保护装置，转角传感器安装在第一转向传动轴上，用于检测方向盘的转角信号；第一转向传动轴用于将方向盘的转角传递给失效保护装置；所述第二转向传动轴的一端连接失效保护装置，另一端固连转向电机输出轴齿轮；所述第一转向传动轴、第二转向传动轴之间设有一定的距离，径向长度一致，安装时两者转向传动轴轴线重合；所述失效保护装置包括：线圈固定支架、第一弹簧、第二弹簧、电磁线圈、第一弹簧室、第二弹簧室、磁致伸缩块、覆磁层、凹槽块、圆形凸块、圆形凸块上挡板、圆形凸块下挡板；所述线圈固定支架设置在第一转向传动轴的下端，电磁线圈固定安装在线圈固定支架上；线圈固定支架下端设有第一弹簧室和第二弹簧室，第一弹簧室和第二弹簧室分别固定安装在线圈固定支架的两侧；第一弹簧室和第二弹簧室均三面密封，靠近轴线一面均设有圆形凸块上挡板、圆形凸块下挡板；两个圆形凸块上挡板均固接于电磁线圈固定支架上，两个圆形凸块下挡板分别固接于第一弹簧室、第二弹簧室的下端面；第一弹簧一端固定安装在第一弹簧室内，另一端固接圆形凸块；圆形凸块上挡板、圆形凸块下挡板之间的距离等于圆形凸块的最大直径；第二弹簧一端固定安装在第二弹簧室内，另一端固接圆形凸块，圆形凸块上挡板、圆形凸块下挡板之间的距离等于圆形凸块的最大直径；所述磁致伸缩块固接于第二转向传动轴上端，磁致伸缩块上端固接有凹槽块，凹槽块两侧均设有圆形凹槽，且凹槽块上端固接有一层覆磁层，覆磁层与第一弹簧室、第二弹簧室之间设有间隙；
8.所述转向电机输出轴齿轮与转向齿条啮合，且其下端固连转向电机；所述转向齿条上安装有位移传感器，用于检测转向齿条位移信号；所述转向轴一端与转向齿条连接，另一端与转向轮连接；
9.所述控制单元分别与转角传感器、位移传感器连接，通过转角传感器采集方向盘转角信号，用以判断驾驶员转向意图，通过位移传感器采集转向齿条位移信号，用于判断实际车轮转向反馈；所述控制单元还分别与失效保护装置、转向电机连接，发送控制信号给转向电机、失效保护装置中的电磁线圈。
10.进一步地，所述圆形凸块的大小选取与其对应的圆形凹槽相匹配。
11.进一步地，所述凹槽块的直径长度等于第一弹簧室与第二弹簧室之间的距离。
12.进一步地，所述圆形凸块上挡板的尺寸与同侧圆形凹槽上边沿尺寸一致，圆形凸块下挡板的尺寸与同侧圆形凹槽下边沿尺寸一致。
13.进一步地，所述第一弹簧、第二弹簧均具有一定的预紧力。
14.进一步地，所述圆形凸块上挡板与圆形凸块下挡板之间的距离等于圆形凸块最大直径。
15.进一步地，所述磁致伸缩块在磁场的作用下沿着垂直方向伸张，且通过控制电磁线圈的电流大小，使得圆形凸块插入同侧对应的圆形凹槽内。
16.进一步地，所述覆磁层的极性与电磁线圈产生磁场的极性相反，且通过控制电磁线圈电流大小，实现协调两者的磁吸力，获得精度转向。
17.本发明的有益效果：
18.1)本发明采用电磁线圈通入电流产生磁场，覆磁层与通电的电磁线圈产生磁吸力这一原理，使得第二转向传动轴在磁吸力的作用下转动一定的角度，从而修正转向电机发
生精度故障造成转向误差。
19.2)本发明采用磁致伸缩块、覆磁层、电磁线圈组合的结构形式，通过控制单元给电磁线圈通入适当的电流，调节磁致伸缩块的长度以及覆磁层与电磁线圈之间磁吸力的大小，使得系统中转向电机发生精度故障时自动修正，实现了车轮的精度转向。
20.3)本发明采用圆形凸块、圆形凹槽的键连接结构，使得常规机械转向与线控转向相结合，确保了转向电机失效时方向盘的转角可靠的传递给转向轮，实现失效保护功能。
附图说明
21.图1为本发明系统的结构示意图；
22.图2为本发明失效保护装置连接关系示意图；
23.图中：1、方向盘；2、转角传感器；3、第一转向传动轴；4、控制单元；5、失效保护装置；6、第二转向传动轴；7、转向电机输出轴齿轮；8、位移传感器；9、转向齿条；10、转向电机；11、转向轴；12、转向轮；13、线圈固定支架；14、第一弹簧；15、第一弹簧室；16、圆形凹槽；17、磁致伸缩块；18、电磁线圈；19、第二弹簧；20、第二弹簧室；21、圆形凹槽上边沿；22、圆形凹槽下边沿；23、圆形凸块；24、覆磁层；25、凹槽块；26、圆形凸块上挡板；27、圆形凸块下挡板。
具体实施方式
24.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
25.参阅图1、图2所示，本发明的一种具有失效保护功能的线控转向系统，包括：方向盘1、转角传感器2、第一转向传动轴3、控制单元4、失效保护装置5、第二转向传动轴6、转向电机输出轴齿轮7、位移传感器8、转向齿条9、转向电机10、转向轴11、转向轮12、线圈固定支架13、第一弹簧14、第一弹簧室15、圆形凹槽16、磁致伸缩块17、电磁线圈18、第二弹簧19、第二弹簧室20、圆形凹槽上边沿21、圆形凹槽下边沿22、圆形凸块23、覆磁层24、凹槽块25、圆形凸块上挡板26、圆形凸块下挡板27；
26.所述第一转向传动轴3的上端固接方向盘1，下端连接失效保护装置5，转角传感器2安装在第一转向传动轴3上，用于检测方向盘1的转角信号，第一转向传动轴3用于将方向盘 1的转角传递给失效保护装置5；所述第二转向传动轴6的一端连接失效保护装置5，另一端连接转向电机输出轴齿轮7；所述失效保护装置5结构包括：第一转向传动轴3、第二转向传动轴6、线圈固定支架13、第一弹簧14、第二弹簧19、电磁线圈18、第一弹簧室15、第二弹簧室20、磁致伸缩块17、覆磁层24、凹槽块25、圆形凹槽16、圆形凸块23、圆形凸块上挡板26、圆形凸块下挡板27，所述第一转向传动轴3、第二转向传动轴6之间设有一定的距离，径向长度一致，安装时两者转向传动轴轴线重合，线圈固定支架13设置在第一转向传动轴3的下端，电磁线圈18固定安装在线圈固定支架13上，线圈固定支架13下端，设有第一弹簧室15和第二弹簧室20，第一弹簧室15和第二弹簧室20分别固定安装在线圈固定支架 13的两侧，第一弹簧室15和第二弹簧室20均三面密封，靠近轴线一面均设有圆形凸块上、下挡板，圆形凸块上挡板26分别固接于线圈固定支架13上，圆形凸块下挡板27分别固接于第一、二弹簧室的下端面，第一弹簧14一端固定安装在第一弹簧室15内，另一端固接圆形凸块23，圆形凸块上、下挡板之间的距离正好等于圆形凸块23最大直径，同样，第二弹簧 19一端固定安装在
第二弹簧室20内，另一端固接圆形凸块23，圆形凸块上、下挡板之间的距离正好等于圆形凸块23最大直径；所述第二转向传动轴6上端固接有磁致伸缩块17，磁致伸缩块17上端固接有凹槽块25，凹槽块25两侧均设有圆形凹槽16，且凹槽块25上端固接有一层覆磁层24，覆磁层24与弹簧室之间设有间隙。
27.所述转向电机输出轴齿轮7与转向齿条9啮合，且其下端固连转向电机10，上端固连第二转向传动轴6，所述转向齿条9安装有位移传感器8，用来检测转向齿条9位移信号；所述转向轴11一端与转向齿条9连接，另一端与转向轮12连接。
28.所述控制单元(ecu)4通过导线分别与转角传感器2、移传感器8连接，通过转角传感器2采集方向盘1转角信号，用以判断驾驶员转向意图，通过位移传感器8采集转向齿条 9位移信号，用于判断实际车轮转向反馈；通过导线分别与失效保护装置5、转向电机10连接，发送控制信号给转向电机10、电磁线圈18。
29.本发明提供的一种具有失效保护功能的线控转向系统，将线控转向系统分为正常工作、转向电机发生精度故障和转向电机失效三种工作模式。
30.工作前，转角传感器2实时监控方向盘1和第一转向传动轴3的转角信号，用以判断驾驶员转向意图，通过位移传感器8采集转向齿条9位移信号，用于控制单元4判断实际车轮转向反馈，控制单元4通过对比驾驶员转向意图与实际车轮转向反馈，判断转向电机是否发生故障；控制单元4控制电磁线圈18中无电流通入，圆形凸块23分别在第一弹簧14、第二弹簧19的预紧力作用下位于圆形凸块上挡板26、圆形凸块下挡板27之间，磁致伸缩块17 处于初始位置。
31.正常工作模式：当驾驶员转动方向盘1进行转向时，转角传感器2检测方向盘转角信号，将转角信号传给控制单元4，控制单元4通过计算，判断驾驶员转向意图，控制转向电机10 转动，转向电机10带动转向电机输出轴齿轮7转动，进而带动转向齿条9移动，转向齿条9 带动转向轴11移动，转向轮12实现正常转向。
32.转向电机发生精度故障工作模式：当驾驶员转动方向盘1进行转向时，转角传感器2检测方向盘1转角信号，将转角信号传给控制单元4，控制单元4通过计算，判断驾驶员转向意图，控制转向电机10转动，转向电机10带动转向电机输出轴齿轮7转动，进而带动转向齿条9移动，转向齿条9带动转向轴11移动，转向轮12实现转向。同时，位移传感器8实时采集转向齿条9位移信号，用于确定实际车轮转向反馈，控制单元4通过对比驾驶员转向意图与实际车轮转向反馈，判断转向电机10发生精度故障，此时控制单元4给电磁线圈18 通入适量电流，电磁线圈18产生磁场，固定于凹槽块25上端的覆磁层24在磁场的作用下与电磁线圈18产生磁吸力，磁致伸缩块17在磁场的作用下也向上伸张一定距离，进一步增强磁吸力，第二转向传动轴6在方向盘1转动的影响下转动一定的角度，带动转向电机输出轴齿轮7转动，进而转向齿条9移动，修正转向轮12转角，控制单元4通过控制通入电磁线圈18中电流的大小，调节磁致伸缩块17的长度以及覆磁层24与电磁线圈18产生的磁吸力，可以实现自动修正转向电机10的精度故障带来的转向误差，实现转向轮12的精度转向。
33.转向电机失效工作模式：当驾驶员转动方向盘1进行转向时，转角传感器2检测方向盘 1转角信号，将转角信号传给控制单元4，控制单元4通过计算，判断驾驶员转向意图，控制转向电机10转动，同时，位移传感器8实时采集转向齿条9位移信号，用于确定实际车轮转向反馈，控制单元4通过对比驾驶员转向意图与实际车轮转向反馈，判断转向电机10发生
失效故障，此时控制单元4给电磁线圈18通入适量电流，电磁线圈18产生磁场，磁致伸缩块17在磁场的作用下向上伸张一定距离，凹槽块25克服第一弹簧14、第二弹簧19的预紧力，推动圆形凸块23向两侧移动，直至圆形凸块23正好插入同侧圆形凹槽16内，形成键连接结构，同时覆磁层24与电磁线圈18之间距离很小，两者之间的磁吸力很大，通过键结构的剪切力与磁吸力的联合作用，使得凹槽块25与圆形凸块23连为一体，方向盘1的转角通过第一转向传动轴3、线圈固定支架13、第一弹簧14、第二弹簧19、圆形凸块23、凹槽块25、磁致伸缩块17、第二转向传动轴6、转向电机输出轴齿轮7、转向齿条9、转向轴11，最后传递给转向轮12，即方向盘1的转角能够可靠的传递给转向轮12进行转向，完成失效保护功能。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。