一种具有失效防护功能的线控冗余转向系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种具有失效防护功能的线控冗余转向系统及其控制方法，该转向系统包括方向盘、方向盘轴、转向横拉杆、左右前轮、转角扭矩传感器、电控单元，以及：方向盘力感反馈机构，其包括力感反馈电机及力感反馈传动装置；主转向机构，其包括主转向电机及主转向传动装置；备份转向机构，其包括行星齿轮组和行星齿轮组输出轴，方向盘轴与行星齿轮组的输入端连接，行星齿轮组输出轴与转向横拉杆之间通过备份转向传动组件进行传动；所述备份转向机构还包括用于将所述行星齿轮组的齿圈锁紧和松开的松紧装置，以及备份转向驱动电机。本发明通过备份转向机构实现主转向机构故障失效情况下的车辆转向，结构更简单，功能更丰富、控制更灵敏。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车转向系统，尤其是一种线控冗余转向系统及其控制方法。

背景技术

随着自动驾驶技术的发展，线控转向技术的开发越来越受到重视。线控冗余转向系统相比于传统转向系统，其结构布置更加灵活，且能根据需求设计不同的角传递与力传递特性，在车辆的操作稳定性与安全性方面均有显著优势。由于取消了方向盘与前轮间的机械连接部件，需要用力感反馈电机来为驾驶员提供力感，同时电控单元(ECU)还需将驾驶员转向意图通过电信号传递给转向电机从而驱动车辆转向。然而电信号的传递与电机控制无法保证万无一失，因此，在设计线控冗余转向系统时，需要将系统故障容错功能纳入考虑之中，以避免转向失效。

目前已经有较多的线控冗余转向系统故障容错方法，如公开号为CN109774786A，名称为“一种基于线控转向的多模式助力转向系统及其控制方法”的发明专利，采用的是通过离合器来进行系统失效冷备份方法，但是，这种系统失效冷备份方式需要布置离合器实现，这种方式增加了系统结构和控制的复杂度。此外，采用液压传动装置进行转向，所占空间大，不易维护。因此，需要一种结构更为简单、控制灵敏的线控冗余转向系统失效备份方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种结构更简单、具有失效防护功能的线控冗余转向系统及其控制方法，以解决现有技术存在的问题。

根据上述目的，本发明提供一种具有失效防护功能的线控冗余转向系统，包括方向盘、方向盘轴、转向横拉杆及左右前轮，该线控冗余转向系统还包括：

转角扭矩传感器，其用于获取方向盘的转角和扭矩信号；

方向盘力感反馈机构，其包括力感反馈电机及力感反馈传动装置；

主转向机构，其包括主转向电机及用于所述主转向电机与所述转向横拉杆之间传动的主转向传动装置；

备份转向机构，其包括行星齿轮组和行星齿轮组输出轴，所述方向盘轴与所述行星齿轮组的输入端连接，所述行星齿轮组输出轴与所述转向横拉杆之间通过备份转向传动组件进行传动；所述备份转向机构还包括用于将所述行星齿轮组的齿圈锁紧和松开的松紧装置，以及驱动所述松紧装置的备份转向驱动电机；

电控单元(ECU)，其分别与所述转角扭矩传感器、所述力感反馈电机、所述主转向电机以及所述备份转向驱动电机电连接。

进一步地，所述行星齿轮组为双行星排齿轮组，其包括行星架、齿圈、第一行星轮、第一太阳轮、第二行星轮、第二太阳轮；所述第一太阳轮与所述方向盘轴固定连接，所述第一行星轮与所述第一太阳轮啮合，所述第一行星轮与所述齿圈啮合；所述第二行星轮与所述齿圈啮合，所述第二太阳轮与所述行星齿轮组输出轴固定连接。行星齿轮组与方向盘轴沿同一轴向设置，当松紧装置处于松开状态时，齿圈可自由转动，方向盘轴传入的扭矩并不会从行星齿轮组传递给行星齿轮组输出轴；当松紧装置处于锁紧状态时，齿圈被固定，方向盘轴穿入的扭矩则从行星齿轮组传递给行星齿轮组输出轴，从而带动转向横拉杆，实现车辆的转向。

进一步地，所述松紧装置包括包覆在所述齿圈外周的制动鼓、以及带动所述制动鼓锁紧和松开所述齿圈的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠与所述备份转向驱动电机相连。备份转向驱动电机在电控单元的控制下工作，通过电机输出轴正传或反转，进而驱动滚珠丝杠以带动制动鼓锁紧和松开齿圈。

进一步地，所述力感反馈传动装置为蜗轮蜗杆传动机构，所述蜗轮蜗杆传动机构的涡轮安装在所述方向盘轴上，蜗杆与所述力感反馈电机相连。力感反馈电机可以在电控单元的控制下工作，通过蜗轮蜗杆将扭矩传递给方向盘，从而可以给驾驶员提供转向力感。

进一步地，所述主转向传动装置包括传动带装置、主转向轴和主转向传动组件，所述主转向轴通过所述传动带装置与所述主转向电机相连；所述主转向传动组件用于所述主转向轴和所述转向横拉杆之间传动。在一个优选实施例中，所述主转向传动组件为所述齿轮齿条机构，其齿条固定在所述转向横拉杆上，齿轮设置在所述主转向轴上。正常状态下，主转向电机在电控单元的控制下工作，带动主转向轴旋转，从而带动转向横拉杆运动，实现车辆转向。

进一步地，在一优选实施例中，所述备份转向传动组件为齿轮齿条机构。

本发明还提供了上述具有失效防护功能的线控冗余转向系统的控制方法，所述控制方法包括正常工作模式和失效防护工作模式：

正常工作模式：当处于正常工作状态时，所述松紧装置处于松开状态，所述电控单元根据所述转角扭矩传感器获得的方向盘转角信号，控制所述主转向电机工作，所述主转向电机输出扭矩以驱动所述转向横拉杆工作，实现车辆转向；

失效防护工作模式：当所述主转向机构出现故障时，所述电控单元控制所述备份转向驱动电机工作，驱动所述松紧装置工作于锁紧状态，所述行星齿轮组将所述方向盘轴传入的扭矩传递给所述行星齿轮组输出轴，并通过所述备份转向传动组件驱动所述转向横拉杆工作，实现车辆转向。

进一步地，在正常工作模式下，所述电控单元控制所述力感反馈电机工作，所述力感反馈电机输出扭矩，给驾驶员提供转向力感。

进一步地，在失效防护工作模式下，所述电控单元控制所述力感反馈电机工作，所述力感反馈电机输出扭矩，给驾驶员提供转向助力。

由于采用上述技术方案，本发明采用以行星齿轮组为主要部件的备份转向机构，通过备份转向驱动电机可快速实现行星齿轮组的锁紧和松开，当主转向机构故障时，备份驱动电机在电控单元的控制下可快速地驱动松紧装置，从而将方向盘转轴传入的扭矩输出以实现车辆转向，达到线控冗余转向系统的失效防护功能；在主转向机构正常工作时，电控单元根据方向盘的转角信号控制主转向电机工作，主转向电机输出扭矩从主转向机构传递至转向横拉杆，实现车辆转向的同时，电控单元可根据方向盘转角信号和车速信号，控制力感反馈电机工作，给驾驶员提供转向力感，进一步提升驾驶员的驾驶体验；而且，本发明中力感反馈电机在主转向机构失效时，还可起到转向助力的功能；因此，本发明具有结构简单，功能丰富，控制灵敏等优点，克服了现有技术的缺陷。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施例的具有失效防护功能的线控冗余转向系统的简单结构示意图。

图2是实施例中的松紧装置的结构示意图。

附图中：01-方向盘；02-方向盘轴；03-蜗轮蜗杆传动机构；04-力感反馈电机；05-ECU；06-行星齿轮组；07-制动鼓；08-制动鼓电机；09-主转向轴；10-主转向电机；11-备份转向传动组件；12-主转向传动组件；13-左前轮；14-右前轮；15-转角扭矩传感器；16-行星齿轮组输出轴；17-传动带装置；18-滚珠丝杠；19-转向横拉杆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所做的等效变化与修饰前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参阅图1和2，本实施例提供一种具有失效防护功能的线控冗余转向系统，包括方向盘01、方向盘轴02、转向横拉杆09、左前轮13、右前轮14、转角扭矩传感器15、方向盘力感反馈机构、主转向机构、备份转向机构及ECU05。

其中，转角扭矩传感器15安装在方向盘轴02上，用于获取方向盘01的转角和扭矩信号。本实施例中，转角扭矩传感器15采用精量Meas FGP FCA7300。

方向盘力感反馈机构包括力感反馈电机04及用于力感反馈电机04与方向盘轴02之间传动的力感反馈传动装置。本实施例中，该力感反馈传动装置为蜗轮蜗杆传动机构03，蜗轮蜗杆传动机构03的涡轮安装在方向盘轴02上，蜗杆与力感反馈电机04相连。力感反馈电机04可以在ECU05的控制下工作，通过蜗轮蜗杆传动机构03将扭矩传递给方向盘轴02及方向盘01，从而可以给驾驶员提供转向力感。

主转向机构包括主转向电机10及用于主转向电机10与转向横拉杆19之间传动的主转向传动装置。本实施例中主转向传动装置包括传动带装置17、主转向轴09和主转向传动组件12，主转向轴09通过传动带装置17与主转向电机10相连；主转向传动组件12用于主转向轴09和转向横拉杆19之间传动。主转向传动组件12优选为齿轮齿条机构，其齿条固定在转向横拉杆19上，齿轮设置在主转向轴09上。正常状态下，主转向电机10在ECU05的控制下工作，带动主转向轴09旋转，从而带动转向横拉杆19运动，实现车辆转向。

备份转向机构包括行星齿轮组06和行星齿轮组输出轴16，方向盘轴02与行星齿轮组06的输入端连接，行星齿轮组输出轴16与转向横拉杆19之间通过备份转向传动组件11进行传动。备份转向机构还包括用于将行星齿轮组06的齿圈锁紧和松开的松紧装置，以及驱动松紧装置的备份转向驱动电机08。如图2所示，该松紧装置包括包覆在所述齿圈外周的制动鼓07、以及带动制动鼓07锁紧和松开所述齿圈的滚珠丝杠18，滚珠丝杠18与备份转向驱动电机08相连。备份转向驱动电机08在ECU05的控制下工作，通过电机输出轴正传或反转，进而驱动滚珠丝杠18以带动制动鼓07锁紧和松开齿圈。行星齿轮组06的齿圈被锁紧固定后，将会把方向盘轴02输入的扭矩通过行星齿轮组输出轴16传递给方向盘横拉杆19，可实现车辆转向。行星齿轮组06的齿圈被松开后，方向盘轴02的扭矩不会输出至行星齿轮组输出轴16，因而无法带动方向盘横拉杆19。本实施例中，所述备份转向传动组件为齿轮齿条机构，其齿轮设置在行星齿轮组输出轴16上，齿条设置在方向盘横拉杆19上。

ECU05分别与转角扭矩传感器15、力感反馈电机04、主转向电机10以及备份转向驱动电机08电连接。本实施例中，ECU采用飞思卡尔MC9S 12G。

在本实施例中，行星齿轮组06为双行星排齿轮组，其包括行星架、齿圈、第一行星轮、第一太阳轮、第二行星轮、第二太阳轮；所述第一太阳轮与所述方向盘轴02固定连接，所述第一行星轮与所述第一太阳轮啮合，所述第一行星轮与所述齿圈啮合；所述第二行星轮与所述齿圈啮合，所述第二太阳轮与所述行星齿轮组输出轴16固定连接。行星齿轮组06与方向盘轴02沿同一轴向设置，当松紧装置处于松开状态时，齿圈可自由转动，方向盘轴02传入的扭矩并不会从行星齿轮组06传递给行星齿轮组输出轴16；当松紧装置处于锁紧状态时，齿圈被固定，方向盘轴02穿入的扭矩则从行星齿轮组06传递给行星齿轮组输出轴16，从而带动转向横拉杆19，实现车辆的转向。

本实施例上述的线控冗余转向系统，通过独立设置的主转向机构和备份转向机构，而具备了失效防护功能，应用于车辆中时，其控制方法包括正常工作模式和失效防护工作模式。分别对两种工作模式详细说明如下。

正常工作模式：当处于正常工作状态时，所述松紧装置处于松开状态，ECU05根据转角扭矩传感器15获得的方向盘转角信号，控制主转向电机10工作，主转向电机10输出扭矩以驱动所述转向横拉杆工作，实现车辆转向。此时，备份转向机构中的松紧装置处于松开状态。同时，ECU05根据方向盘转角信号和车速信号，控制力感反馈电机04工作，力感反馈电机04输出扭矩，给驾驶员提供转向力感。

失效防护工作模式：当主转向机构出现故障时，ECT05控制备份转向驱动电机08工作，驱动所述松紧装置工作于锁紧状态，行星齿轮组06将方向盘轴02传入的扭矩传递给行星齿轮组输出轴16，并通过备份转向传动组件驱动转向横拉杆19工作，实现车辆转向。失效防护工作模式可以避免由于主转向机构故障造成转向失效，从而实现防止转向失效功能。同时，ECU05还可控制力感反馈电机04工作，力感反馈电机04输出扭矩，给驾驶员提供转向助力。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用以限定本发明的保护范围；同时以上的描述，对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本发明所揭露概念下所完成之等效改变或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。