一种电动多模式线控转向系统及其模式切换方法
技术领域
本发明主要涉及汽车线控转向
技术领域
，尤其涉及汽车多模式线控转向及其模式切换方法，具体指一种用于汽车的电机驱动多模式线控转向系统及模式切换方法。背景技术
如今线控技术不断普及，其在车辆转向领域内的应用日趋广泛。作为保障节能与新能源汽车、智能网联汽车主动安全性与操纵稳定性的关键性技术，线控转向系统能够提高汽车的安全性能，去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害；智能化的线控转向系统能够根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理，并作出相应的调整，能够改善驾驶特性和增强操纵性，改善驾驶员的路感，增强汽车舒适性。线控转向系统，取消方向盘单元和转向执行单元之间的全部机械连接，控制系统根据传感器感知信号判断驾驶员行驶意图，转向动力源仅由转向电机提供，而路面信息可以通过路感模拟电机获得，为驾驶员提供了充分的道路感知，同时又避免了不必要的路面颠簸传递至方向盘对驾驶员造成干扰和驾驶疲劳。此外，线控转向系统因其能自由设计汽车转向的力和角传递特性，故可以根本上解决转向系统传动比设计中的“轻与灵”的矛盾，省去的部分转向操作机构也可以极大地优化驾驶舱的布置空间。当下，取消机械连接的线控转向系统更加符合智能车无人驾驶及自动泊车的技术需要，为实现自动驾驶、无人驾驶、智能辅助驾驶等先进技术提供了最佳的解决方案。但是现有的线控转向系统转向执行部分依然保持着传统的转向器结构转向梯形来实现几何转向运动，仍未能实现左右轮的转角解耦；并且仅依赖电子系统冗余备份，缺少机械冗余备份结构、工作模式单一，在系统电气电子元件失效的情况下无法继续完成转向行为，存在失效风险，影响整个线控转向的安全性。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种电动多模式线控转向系统及其模式切换方法，该系统属于一种新的分布式线控转向结构，并且可以遵照所述模式切换方法，根据车辆动力学状态和线控转向执行器故障失效状态由电子控制单元控制系统自动实现，或驾驶员通过操纵三个模式选择按钮人为实现三种转向工作模式，即线控各轮独立转向模式、线控转向梯形转向模式、电动助力转向模式；该系统实现了转向系统中左右轮转角耦合的问题的同时，实现了转向系统结构冗余备份，在系统电子元件或电气设备失效的情况下仍能保证顺利完成转向动作，大大提高线控转向系统的安全性。
结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
一种电动多模式线控转向系统，由方向盘单元I、电子控制单元II和转向执行单元III、模式选择与显示单元IV组成；
所述方向盘单元I，用于驾驶员操纵输入转向动作，由方向盘(38)、扭矩转角传感器(4)、路感电机(1)、路感电机减速机构(A)、电磁离合器(15)、扭转杆(6)、转向主动轴(7)、上传动轴(8)、销钉(5)、第一转向万向节(14)、第二转向万向节(16)和下传动轴(17)组成；所述路感电机减速机构(A)，采用蜗轮蜗杆式减速机构；
所述转向执行单元III，用于执行车轮转向动作，由左右转向轮(39)、第一转向执行电机机构(B)、第二转向执行电机机构(C)、转向器(D)、第一丝杠位置传感器(40)、第二丝杠位置传感器(41)、电磁开关阀一(42)、电磁开关阀二(43)、油箱(44)组成；其中，所述转向器(D)上端与所述方向盘单元I相连，所述转向器(D)左右两端分别与所述第一转向执行电机机构(B)和所述第二转向执行电机机构(C)相连，所述第一转向执行机构(B)和所述第二转向执行电机机构(C)分别与所述左右转向轮(39)经转向横拉杆相连，所述第一转向执行电机机构(B)和所述第二转向执行电机机构(C)核心均为空心电机与丝杠螺母运动转换机构，所述电磁开关阀一(42)和所述电磁开关阀二(43)分别与所述油箱(44)油管连接，可以控制油路是否与油箱(44)连通；
所述模式选择与显示单元IV，用于人为转向模式选择和状态显示，其包括三个模式选择按钮(75)和中控屏(74)，其中三个模式选择按钮(75)分别是：I按钮、II按钮和III按钮；
所述电子控制单元II，用于接收状态信号并发送控制指令，其分别与所述路感电机(1)、所述扭矩转角传感器(4)、所述电磁离合器(15)、所述第一转向执行电机机构(B)、所述第二转向执行电机机构(C)、所述第一丝杠位置传感器(40)、所述第二丝杠位置传感器(41)、所述电磁开关阀一(42)、所述电磁开关阀二(43)和所述三个模式选择按钮(75)信号线连接，与所述中控屏(74)CAN通信线连接。
作为一种优选，所述的一种电动多模式线控转向系统可以根据车辆动力学状态和线控转向执行器故障失效状态由所述电子控制单元II控制自动实现，或驾驶员通过操纵所述三个模式选择按钮(75)人为实现三种转向工作模式：
模式一，即线控各轮独立转向模式；
模式二，即线控转向梯形转向模式；
模式三，即电动助力转向模式；
其中，所述模式二和所述模式三对所述模式一起到了失效保护备份作用，而所述模式三又对所述模式二起到了失效保护备份作用。
作为一种优选，所述方向盘单元I中，所述路感电机(1)通过所述路感电机减速机构(A)与所述上传动轴(8)相连，所述上传动轴(8)上端通过所述销钉(5)与所述扭转杆(6)和所述转向主动轴(7)下端相连，所述扭矩转角传感器(4)安装在所述转向主动轴(7)上，所述转向主动轴(7)上端与所述方向盘(38)相连，所述上传动轴(8)下端通过所述第一转向万向节(14)与所述电磁离合器(15)上端相连，所述电磁离合器(15)下端通过所述第二转向万向节(16)与所述下传动轴(17)相连。
作为一种优选，所述第一转向执行电机机构(B)和所述第二转向执行电机机构(C)，包括：第一电机壳体(71)，通过螺栓与所述转向器(D)相连；第二电机壳体(72)，通过螺栓与所述转向器(D)相连；第一电机端盖(69)，通过螺栓和所述第一电机壳体(71)相连；第二电机端盖(70)，通过螺栓和所述第二电机壳体(72)相连；第一电机定子(26)，固定在所述第一电机壳体(71)内壁；第二电机定子(34)，固定在所述第二电机壳体(72)内壁；第一电机转子(24)，其中心内孔加工有螺纹，并通过轴承支撑连接在所述第一电机壳体(71)上；第二电机转子(32)，其中心内孔加工有螺纹，并通过轴承支撑连接在所述第二电机壳体(72)上；第一丝杠(27)，其内部为底部开一小孔的空心液压腔室，其外圆柱加工有螺纹，与所述第一电机转子(24)配合形成滑动丝杠副机构，实现将所述第一电机转子(24)的转动转换成所述第一丝杠(27)的平动；第二丝杠(35)，其内部为底部开一小孔的空心液压腔室，其外圆柱加工有螺纹，与所述第二电机转子(32)配合形成滑动丝杠副机构，实现将所述第二电机转子(32)的转动转换成所述第二丝杠(35)的平动；第一O型密封圈(28)，其放置在所述第一丝杠(27)内部，用于密封所述第一丝杠(27)的内部液压腔室；第二O型密封圈(36)，其放置在所述第二丝杠(35)内部，用于密封所述第二丝杠(35)的内部液压腔室；第一油箍(63)，固定在所述第一丝杠(27)底部小孔上，实现所述第一丝杠(27)的内部液压腔室与所述电磁开关阀一(42)的管路连接；第二油箍(64)，固定在所述第二丝杠(35)底部小孔上，实现所述第二丝杠(35)的内部液压腔室与所述电磁开关阀二(43)的管路连接。
作为一种优选，所述转向器(D)，包括：转向器壳体(22)，用于容置所述转向器(D)总成各零件，其两端分别与所述第一电机壳体(71)和所述第二电机壳体(72)连接形成两个腔室，用于给所述第一丝杠(27)和所述第二丝杠(35)移动收缩时留有移动空间；转向齿轮轴(20)，其通过轴承安装在所述转向器壳体(22)内壁上，且其上端通过万向节与所述下传动轴(17)机械连接传入转向力矩，其中部加工有齿轮；端盖(51)，其通过螺栓与所述转向器壳体(22)固定连接；密封圈(56)，其安装在所述端盖(51)和所述转向齿轮轴(20)之间，用以密封润滑脂；转向齿轮轴螺母(54)，其通过螺纹副与所述转向齿轮轴(20)连接；端盖螺母(55)，其通过螺纹副与所述转向器壳体(22)连接；齿条支撑座(57)；齿条(21)，其通过所述齿条支撑座(57)和衬套与所述转向器壳体(22)支撑连接，且其与所述转向齿轮轴(20)中部的齿轮啮合传动、与所述第一丝杠(27)和所述第二丝杠(35)两端分别封闭形成液压缸；调整螺塞(58)，其螺纹旋入所述转向器壳体(22)内，通过压紧弹簧压紧所述齿条支撑座(57)，用以消除齿轮齿条副传动间隙；
调整螺塞锁紧螺母(61)，用以锁止调整螺塞(58)。
一种电动多模式线控转向系统模式切换方法，用以三种转向模式的模式切换主控制程序、线控各轮独立转向模式(模式一)控制子程序、线控转向梯形转向模式(模式二)控制子程序和电动助力转向模式(模式三)控制子程序，具体过程分别如下：
三种转向模式的模式切换主控制程序如下：
步骤一、系统自检，并记录电机一和电机二的失效状态；
步骤二、读取驾驶员模式选择信号状态；
步骤三、判断驾驶员是否进行了模式选择；如果否，跳至步骤六；
步骤四、判断模式选择信号是否为模式一；如果是，跳至步骤六；
步骤五、判断模式选择信号是否为模式二；如果否，跳至步骤七；
步骤六、根据电机一和电机二的失效状态以及驾驶员模式选择信号状态，判断下述条件：
如果电机一和电机二均未失效，且驾驶员模式选择状态为关闭或模式一，则跳至步骤八；
如果有一个电机未失效，且驾驶员模式选择状态为关闭或模式二，则跳至步骤七；
如果电机一和电机二均失效，且驾驶员模式选择状态为关闭，则跳至步骤十；
如果电机一和电机二均失效，且驾驶员模式选择状态为模式二，则跳至步骤十四；
如果电机一失效，且当前驾驶员选择的模式信号为模式一，则跳至步骤十二；
如果电机二失效，且当前驾驶员选择的模式信号为模式一，则跳至步骤十三；
步骤七、判断上一个循环是否为模式一，且判断如下条件：
如果是，且驾驶员模式选择状态不为模式三，则跳至步骤十一后再调至步骤九；
如果否，且驾驶员模式选择状态不为模式三，则直接跳至步骤九；
如果是，且驾驶员模式选择状态为模式三，则跳至步骤十一后再调至步骤十；
如果否，且驾驶员模式选择状态为模式三，则直接跳至步骤十；
步骤八、进入模式一处理子程序；
步骤九、进入模式二处理子程序；
步骤十、进入模式三处理子程序；
步骤十一、进入角度补偿对中子程序；
步骤十二、输出提示指令“电机一失效无法完成模式一选择，请切换模式或及时维修”；
步骤十三、输出提示指令“电机二失效无法完成模式一选择，请切换模式或及时维修”；
步骤十四、输出提示指令“电机一和电机二均失效无法完成模式二选择，请切换模式或及时维修”；
步骤十五、结束并返回。
优选的是，所述步骤十一中的“角度补偿对中子程序”如下：
步骤一、关闭失效侧电磁开关阀，若无失效电机则关闭车轮转角偏小的一端的电磁开关阀；
步骤二、读取失效侧车轮或车轮转角偏小的一侧车轮转角信号，并通过转向梯形几何关系计算出另一侧车轮转角；
步骤三、根据转向执行电机机构的角传动比关系计算出非失效侧或转角偏大的一侧转向执行电机的目标转角控制指令；
步骤四、打开所述非失效侧或转角偏大的一侧的电磁开关阀；
步骤五、将目标转角控制指令输入到所述非失效侧或转角偏大的一侧的转向电机；
步骤六、判断车轮转角与所述目标转角控制指令是否相同，若不同，返回步骤三；
步骤七、关闭所述非失效侧或转角偏大的一侧的电磁开关阀；
程序结束。
优选的是，所述线控各轮独立转向模式(所述模式一)控制子程序如下：
步骤一、断开电磁离合器；
步骤二、打开电磁开关阀一与电磁开关阀二；
步骤三、读取方向盘转角与转矩信号；
步骤四、根据整车转向动力学要求以及当前车辆状态分别生成左右两个转向轮转角信号；
步骤五、根据转向执行电机机构的角传动比关系分别计算得到左右两个转向执行电机的转角控制指令；
步骤六、将所述转向执行电机的转角控制指令分别传递到所述电机一和所述电机二，并反馈所述电机一和所述电机二状态信号至步骤四；
步骤七、所述左右两个转向轮完成各自独立转向，并且各自反馈车轮转角状态信号至步骤三；
程序结束。
优选的是，所述线控转向梯形转向模式(所述模式二)控制子程序如下：
步骤一、断开电磁离合器；
步骤二、关闭电磁开关阀一与电磁开关阀二；
步骤三、读取方向盘转角与转矩信号；
步骤四、据整车转向动力学要求以及当前车辆状态生成一个共同的转向轮转角信号；
步骤五、根据转向执行电机机构的角传动比关系计算得到当前有效转向执行电机的转角控制指令；
步骤六、将所述有效转向执行电机的转角控制指令传递到所述有效转向执行电机，并反馈所述电机一和所述电机二状态信号步骤四；
步骤七、所述左右两个转向轮按照转向梯形关系共同完成转向，并且反馈车轮转角状态信号到步骤三；
程序结束。
优选的是，所述电动助力转向模式(所述模式三)控制子程序如下：
步骤一、电磁离合器接合；
步骤二、关闭电磁开关阀一与电磁开关阀二；
步骤三、读取方向盘转角与转矩信号；
步骤四、根据当前车速以及当前转向盘转矩信号查表生成转向助力大小信号；
步骤五、根据需求的转向助力大小信号和路感电机减速机构速比计算生成路感电机电流控制指令；
步骤六、将所述路感电机电流控制指令传递到所述路感电机，并且反馈所述路感电机状态信号到步骤四；
步骤七、所述路感电机助力驾驶员按照转向梯形关系操纵所述左右两个转向轮完成转向，并且反馈车轮转角状态到步骤三；
程序结束。
与现有技术相比本发明的有益效果在于：
1、本发明所述的一种电动多模式线控转向系统，可以实现三种转向工作模式，即线控各轮独立转向模式、线控转向梯形转向模式、电动助力转向模式。其中前两种是线控转向模式，即方向盘与转向轮完全机械解耦；后一种是传统电动助力机械转向模式，即方向盘与转向执行单元和转向轮机械相连。
2、本发明所述的一种电动多模式线控转向系统及其模式切换方法，可以在线控转向系统关键部件失效情况下，自动完成三种转向工作模式的安全切换，提高了线控转向系统冗余安全性的同时，增强了其失效保护下的持续行驶服役能力。
3、本发明所述的一种电动多模式线控转向系统及其模式切换方法，可以在正常行驶工作情况下，根据驾驶员对汽车灵活转向的需求人为完成三种转向工作模式的安全切换，为驾驶员提供更多的选择，极大丰富了驾驶乐趣。
4、本发明所述的一种电动多模式线控转向系统将转向驱动电机和转向器总成同轴集成为一体，大大减小了线控转向机构占用的空间，为车辆上的其他零部件布置提供了空间。
5、本发明所述的一种电动多模式线控转向系统及其模式切换方法，由于增加了专门用于转向状态/故障信息显示的显示屏及其模式选择开关，增加了底盘控制领域的人机交互能力和用户决策权限。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法例对本发明进一步说明，附图仅用于表示出
具体实施方式
，而并不认为是对本发明的限制。
图1：本发明所述电动多模式线控转向系统结构组成框图
图2：本发明所述电动多模式线控转向系统机械结构图
图3：本发明所述电动多模式线控转向系统中，转向器结构图
图4：本发明所述电动多模式线控转向系统中，路感电机减速机构结构图
图5：本发明所述电动多模式线控转向系统中，转向器壳体外观结构图
图6：本发明所述电动多模式线控转向系统模式切换方法中，主程序逻辑流程图
图7：本发明所述电动多模式线控转向系统模式切换方法中，模式一子程序逻辑流程图
图8：本发明所述电动多模式线控转向系统模式切换方法中，模式二子程序逻辑流程图
图9：本发明所述电动多模式线控转向系统模式切换方法中，模式三子程序逻辑流程图
图10：本发明所述电动多模式线控转向系统模式切换方法中，角度补偿对中子程序逻辑流程图
图中：
I-方向盘单元、II-电子控制单元、III-转向执行单元、IV-模式选择与显示单元
A-路感电机减速机构、B-第一转向执行电机机构、C-第二转向执行电机机构、D-转向器路感电机(1)、减速器上壳体(2)、第一深沟球轴承(3)、扭矩转角传感器(4)、销钉(5)、扭转杆(6)、转向主动轴(7)、上传动轴(8)、蜗轮(9)、减速器下壳体(10)、第二深沟球轴承(11)、键(12)、隔套(13)、第一转向万向节(14)、电磁离合器(15)、第二转向万向节(16)、下传动轴(17)、第三转向万向节(18)、第二螺栓(19)、转向齿轮轴(20)、齿条(21)、转向器壳体(22)、第三深沟球轴承(23)、第一电机转子(24)、第四深沟球轴承(25)、第一电机定子(26)、第一丝杠(27)、第一O型密封圈(28)、第一齿条衬套(29)、第一螺栓(30)、第五深沟球轴承(31)、第二电机转子(32)、第六深沟球轴承(33)、第二电机定子(34)、第二丝杠(35)、第二O型密封圈(36)、第二齿条衬套(37)、方向盘(38)、左右转向轮(39)、第一丝杠位置传感器(40)、第二丝杠位置传感器(41)、电磁开关阀一(42)、电磁开关阀二(43)、油箱(44)、第七深沟球轴承(45)、第三螺栓(46)、联轴器(47)、第八深沟球轴承(48)、蜗杆(49)、第四螺栓(50)、端盖(51)、第九深沟球轴承(52)、第十深沟球轴承(53)、转向齿轮轴螺母(54)、端盖螺母(55)、第一密封圈(56)、齿条支撑座(57)、调整螺塞(58)、弹簧(59)、垫片(60)、调整螺塞锁紧螺母(61)、第七螺栓(62)、第一油箍(63)、第二油箍(64)、第二密封圈(65)、第三密封圈(66)、第五螺栓(67)、第六螺栓(68)、第一电机端盖(69)、第二电机端盖(70)、第一电机壳体(71)、第二电机壳体(72)、ECU(73)、中控屏(74)、三个模式选择按钮(75)
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
如图1所示，一种电动多模式线控转向系统，由方向盘单元I、电子控制单元II和转向执行单元III、模式选择与显示单元IV组成；
如图2所示，所述方向盘单元I由方向盘(38)、扭矩转角传感器(4)、路感电机(1)、路感电机减速机构(A)、电磁离合器(15)、扭转杆(6)、转向主动轴(7)、上传动轴(8)、销钉(5)、第一转向万向节(14)、第二转向万向节(16)和下传动轴(17)组成；所述路感电机减速机构(A)，采用蜗轮蜗杆式减速机构。
如图2和图4所示，路感电机减速机构(A)由联轴器(47)、第七深沟球轴承(45)、第八深沟球轴承(48)、蜗杆(49)、蜗轮(9)、第一深沟球轴承(3)、第二深沟球轴承(11)、减速器上壳体(2)和减速器下壳体(10)组成；路感电机(1)输出轴通过联轴器(47)与蜗杆(49)同轴相连，蜗杆(49)通过第七深沟球轴承(45)和第八深沟球轴承(48)支撑固定在减速器下壳体(10)上，蜗轮(9)与蜗杆(49)啮合传动，蜗轮(9)通过键(12)连接在上传动轴(8)上，蜗轮(9)上端通过轴阶限位，蜗轮(9)下端通过隔套(13)与第二深沟球轴承(11)实现限位；上传动轴(8)通过第一深沟球轴承(3)和第二深沟球轴承(11)分别支撑固定在减速器上壳体(2)和减速器下壳体(10)上。
如图2所示，路感电机(1)通过第三螺栓(46)固定连接在减速器下壳体(10)上，减速器下壳体(10)和减速器上壳体(2)通过第七螺栓(62)固连在一起；转向主动轴(7)下端套装在扭转杆(6)上端，且转向主动轴(7)与扭转杆(6)沿径向留有间隙，上传动轴(8)上端套装在扭转杆(6)下端，且上传动轴(8)与扭转杆(6)沿径向留有间隙，转向主动轴(7)与扭转杆(6)以及上传动轴(8)与扭转杆(6)之间分别用销钉(5)连接，实现转向主动轴(7)的扭矩通过扭转杆(6)弹性传递到上传动轴(8)，用以为扭矩转角传感器(4)提供相对扭转变形，测量方向盘(38)输入转矩大小；上传动轴(8)上端通过第一深沟球轴承(3)支撑连接在减速器上壳体(2)内壁，上传动轴(8)下端通过第二深沟球轴承(11)支撑连接在减速器下壳体(10)内壁；路感电机(1)连接路感电机减速机构(A)后与转向主动轴(7)实现啮合传动，扭矩转角传感器(4)安装在转向主动轴(7)上，用以测量方向盘(38)输入的转角和转矩大小；转向主动轴(7)上端连接方向盘(38)，转向主动轴(7)下端通过扭转杆(6)与上传动轴(8)上端相连，上传动轴(8)下端通过第一转向万向节(14)与电磁离合器(15)一端相连，电磁离合器(15)另一端通过第二转向万向节(16)与下传动轴(17)相连。
如图1和图2所示，所述转向执行单元III由左右转向轮(39)、第一转向执行电机机构(B)、第二转向执行电机机构(C)、转向器(D)、第一丝杠位置传感器(40)、第二丝杠位置传感器(41)、电磁开关阀一(42)、电磁开关阀二(43)、油箱(44)组成。第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)核心为空心电机与丝杠螺母运动转换机构，所述第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)中包括，第一电机壳体(71)、第二电机壳体(72)、第一电机定子(26)、第二电机定子(34)、第一电机转子(24)、第二电机转子(32)、第一丝杠(27)、第二丝杠(35)、第五螺栓(67)、第六螺栓(68)、第一电机端盖(69)、第二电机端盖(70)、第一油箍(63)、第二油箍(64)、第一O型密封圈(28)、第二O型密封圈(36)、第一螺栓(30)、第二螺栓(19)、第三深沟球轴承(23)、第四深沟球轴承(25)、第五深沟球轴承(31)和第六深沟球轴承(33)。第一电机壳体(71)和第二电机壳体(72)分别通过第一螺栓(30)和第二螺栓(19)与转向器(D)的转向器壳体(22)两端相连；第一电机端盖(69)和第二电机端盖(70)分别通过第五螺栓(67)和第六螺栓(68)分别与第一电机壳体(71)和第二电机壳体(72)相连；第一电机定子(26)固定在第一电机壳体内(71)内壁，第二电机定子(34)固定在第二电机壳体内(72)内壁；第一电机转子(24)和第二电机转子(32)分别通过第三深沟球轴承(23)、第四深沟球轴承(25)第五深沟球轴承(31)以及第六深沟球轴承(33)分别支撑在第一电机壳体(71)和第二电机壳体(72)上，并且第一电机转子(24)和第二电机转子(32)内部空心内圆柱表面加工为螺纹结构，通过滑动丝杠副分别与第一丝杠(27)和第二丝杠(35)相连实现运动转换功能，把电机转子的转动可以转化为丝杠的平动；第一丝杠位置传感器(40)和第二丝杠位置传感器(41)分别固定在第一转向执行机构的第一电机端盖(69)和第二转向执行电机机构的第二电机端盖(70)的外端，用以检测从中心孔穿出的第一丝杠(27)和第二丝杠(35)伸缩的平动距离，从而根据轮边转向传动机构传动比测算左右转向轮实际转角；第一丝杠(27)和第二丝杠(35)各自外端部中心加工有螺纹孔，用于各自安装球头销分别通过转向横拉杆与左右两个转向车轮(39)的转向节臂球头连接带动两个转向车轮整体或单独偏转，从而实现丝杠的平动转化为左右转向车轮绕其各自主销的转动的运动转换功能；第一丝杠(27)和第二丝杠(35)内部为空心结构，分别与所述转向器(D)内部两端形成可控封闭的充满液压油的液压腔室(也称液压缸)，分别通过第一O型密封圈(28)和第二O型密封圈(36)实现密封；第一丝杠(27)和第二丝杠(35)外端开一小的油孔，用于分别螺纹固定油箍(63)和油箍(64)，上述丝杠内部液压腔室分别通过第一油箍(63)和第二油箍(64)用油管和油箱(44)相连，并且中间分别串接有电磁开关阀一(42)和电磁开关阀二(43)。电磁开关阀一(42)和电磁开关阀二(43)的打开和关闭可以控制第一丝杠(27)与转向器(D)一端部形成的液压腔室以及第二丝杠(35)与转向器(D)另一端部形成的液压腔室是否与油箱(44)联通，从而实现第一丝杠(27)与转向器(D)一端是否固连以及第二丝杠(35)与转向器(D)另一端是否固连。
如图3所示，转向器(D)由，第四螺栓(50)、端盖(51)、第九深沟球轴承(52)、第十深沟球轴承(53)、转向齿轮轴螺母(54)、端盖螺母(55)、密封圈(56)、齿条支撑座(57)、第一齿条衬套(29)、第二齿条衬套(37)、调整螺塞(58)、压紧弹簧(59)、垫片(60)、调整螺塞锁紧螺母(61)、转向齿轮轴(20)、齿条(21)和转向器壳体(22)组成。转向齿轮轴(20)其中部加工有齿轮，通过第九深沟球轴承(52)和第十深沟球轴承(53)安装在转向器壳体(22)内壁上，其上端通过第三转向万向节(18)与下传动轴(17)机械连接传入转向力矩；端盖(51)通过第四螺栓(50)固定连接在转向器壳体(22)上，用以限位第九深沟球轴承(52)；密封圈(56)安装在端盖(51)与转向齿轮轴(20)之间起到密封转向器内部润滑脂的作用；转向齿轮轴螺母(54)通过螺纹副与转向齿轮轴(20)相连，用以锁止装于转向齿轮轴(20)上的第十深沟球轴承(53)；端盖螺母(55)通过螺纹副与转向器壳体(22)相连，用以旋入限位第十深沟球轴承(53)；转向器壳体(22)两端分别与第一电机壳体(71)和第二电机壳体(72)螺栓连接；齿条(21)与转向齿轮轴(20)啮合传动，通过第一齿条衬套(29)、第二齿条衬套(37)和齿条支撑座(57)与转向器壳体(22)相连，用以起到支撑和导向的作用；齿条(21)两端分别插入第一丝杠(27)和第二丝杠(35)内孔中，其端面分别与第一丝杠(27)和第二丝杠(35)之间通过密封圈形成两个可控封闭的液压腔室(可视为液压缸)。当液压腔室油液被封闭在里时，则齿条(21)与丝杠实现同步联动；当液压腔室油液可随意流入排出时，则齿条(21)与丝杠实现相对独立运动。进一步的，在齿条(21)与齿条支撑座(57)之间设置垫片(60)，用以减小两者间运动摩擦；调整螺塞(58)螺纹连接在齿条支撑座(57)下方的转向器壳体(22)侧壁上，压紧弹簧(59)两端分别安装在调整螺塞(58)顶面弹簧安装槽和齿条支撑座(57)顶面弹簧安装槽内，用以压紧齿条支撑座，消除齿轮齿条副传动间隙；调整螺塞锁紧螺母(61)和调整螺塞(58)下端通过螺纹连接。
如图1、图2和图5所示，转向器壳体(22)为两头粗中间细的铸铝壳体，中间用于容置齿轮齿条式转向器(D)的主要零部件，左右两端用于通过第一螺栓(19)和第二螺栓(30)分别同轴连接第一电机壳体(71)和第二电机壳体(72)，并与之形成左右两个空腔，用于给第一丝杠(27)和第二丝杠(35)移动收缩时留有移动空间。
所述电子控制单元II中，核心部件ECU(73)分别与路感电机(1)、扭矩转角传感器(4)、电磁离合器(15)、第一丝杠位置传感器(40)、第二丝杠位置传感器(41)、电磁开关阀一(42)、电磁开关阀二(43)、第一转向执行电机机构(B)、第二转向执行电机机构(C)信号线连接。其中ECU接收扭矩转角传感器(4)采集的方向盘(38)的扭矩转角信号，进而判断驾驶员的转向意图；ECU接收第一丝杠位置传感器(40)和第二丝杠位置传感器(41)信号，获得转向轮的实际转角信号，并根据扭矩转角传感器(4)直接检测到的方向盘的扭矩转角信号，修正输出的执行电机运行控制信号，实现对转向轮实际转角的修正；ECU将离合器控制信号发送到电磁离合器(15)控制其分离或结合，进而控制方向盘单元I与转向执行单元III之间的机械结构连接或断开；ECU分别向路感电机(1)、第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)发送相应的电机运行控制信号，以控制路感电机(1)、第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)的运行状态和力矩输出，同时路感电机(1)、第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)还向ECU反馈包括转速和转矩在内的实时运行状态信号，以实现对路感电机(1)、第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)的闭环控制调节。
所述模式选择与显示单元IV中，由三个模式选择按钮(75)以及中控屏(74)组成，驾驶员可以通过按钮，来向ECU发送信号，进而来人为选择当前的转向模式，如果驾驶员按下I按钮，则指的是驾驶员意图控制转向系统运行在模式一；如果驾驶员按下II按钮，则指的是驾驶员意图控制转向系统运行在模式二；如果驾驶员按下III按钮，则指的是驾驶员意图控制转向系统运行在模式三；如果三个按钮均未按下，则指的是驾驶员并未有意图启动人为转向模式选择，即人为驾驶模式选择状态关闭。ECU将当前的工作模式通过CAN通信在中控屏上显示，并且故障信息也通过CAN通信在中控屏上显示。
本发明所述的一种电动多模式线控转向系统可以根据车辆动力学状态和线控转向执行器故障失效状态由电子控制单元II控制系统自动实现，或驾驶员操纵模式选择与显示单元IV中的三个模式选择按钮人为实现三种转向工作模式，即线控各轮独立转向模式、线控转向梯形转向模式、电动助力转向模式，分别用模式一、模式二、模式三代替。其中前两种是线控转向模式，即方向盘与转向轮完全机械解耦，其中模式一也被称为分布式线控转向，模式二也被称为传统线控转向；后一种是传统电动助力机械转向模式，即方向盘与转向执行单元和转向轮机械相连，模式二和模式三对模式一起到了失效保护备份作用，而模式三又对模式二起到了失效保护备份作用，因此大大提高了线控转向的系统可靠性。
本发明所述的一种电动多模式线控转向系统的电子控制单元II中的存储器中存储有上述三种模式切换控制方法，具体主程序逻辑流程如图6所示，执行步骤如下：
步骤一：系统自检，并记录电机一和电机二的失效状态。
步骤二：读取模式选择与显示单元IV中的驾驶员模式选择信号状态。
步骤三：判断驾驶员是否进行了模式选择；如果否，跳至步骤六。
步骤四：判断模式选择信号是否为模式一；如果是，跳至步骤六。
步骤五：判断模式选择信号是否为模式二；如果否，跳至步骤七。
步骤六：根据系统自检的电机一和电机二的是否失效状态以及驾驶员模式选择信号状态，判断下述条件：
如果电机一和电机二均未失效，且驾驶员模式选择状态为关闭或模式一，则跳至步骤八；
如果有一个电机未失效，且驾驶员模式选择状态为关闭或模式二，则跳至步骤七；
如果电机一和电机二均失效，且驾驶员模式选择状态为关闭，则跳至步骤十；
如果电机一和电机二均失效，且驾驶员模式选择状态为模式二，则跳至步骤十四；
如果电机一失效，且当前驾驶员选择的模式信号为模式一，则跳至步骤十二；
如果电机二失效，且当前驾驶员选择的模式信号为模式一，则跳至步骤十三；
步骤七：判断上一个循环是否为模式一，且判断如下条件：
如果是，且驾驶员模式选择状态不为模式三，则跳至步骤十一后再调至步骤九；
如果否，且驾驶员模式选择状态不为模式三，则直接跳至步骤九；
如果是，且驾驶员模式选择状态为模式三，则跳至步骤十一后再调至步骤十；
如果否，且驾驶员模式选择状态为模式三，则直接跳至步骤十。
步骤八：进入模式一处理子程序。
步骤九：进入模式二处理子程序。
步骤十：进入模式三处理子程序。
步骤十一：进入角度补偿对中子程序。
步骤十二：发送提示指令“电机一失效无法完成模式一选择，请切换模式或及时维修”至模式选择与显示单元IV。
步骤十三：发送提示指令“电机二失效无法完成模式一选择，请切换模式或及时维修”至模式选择与显示单元IV。
步骤十四：发送提示指令“电机一和电机二均失效无法完成模式二选择，请切换模式或及时维修”至模式选择与显示单元IV。
步骤十五：结束并返回。
下面将以驾驶员选择模式二，且上一个循环为模式一，电机均未失效为例，进行具体程序流程阐述。
程序开始：
进入步骤一；
进入步骤二；
进入步骤三，步骤三判断为是；
进入步骤四，步骤四判断为否；
进入步骤五，步骤五判断为是；
进入步骤六，判定后跳转至步骤七；
进入步骤七，步骤七判断为是；
进入步骤十一；
进入步骤九；
程序结束，返回。
其中所述模式一处理子程序、所述模式二处理子程序、所述模式三处理子程序、所述角度补偿对中子程序四个子程序的处理流程具体如下：
模式一处理子程序：如图7所示，程序开始，步骤一断开电磁离合器；步骤二打开电磁开关阀一与电磁开关阀二；步骤三ECU读取方向盘转角与转矩信号；步骤四ECU根据整车转向动力学要求以及当前车辆状态分别生成两个转向轮转角信号；步骤五根据转向执行电机机构的角传动比关系分别计算得到左右两个转向执行电机的转角控制指令；步骤六将两个信号分别传递到左右两个转向执行电机，并且两个转向执行电机反馈各自电机状态信号到步骤四；步骤七左右两个转向轮完成各自独立转向，并且各自反馈车轮转角状态到步骤三；程序结束。
模式二处理子程序：如图8所示，程序开始，步骤一断开电磁离合器；步骤二关闭电磁开关阀一与电磁开关阀二；步骤三ECU读取方向盘转角与转矩信号；步骤四ECU根据整车转向动力学要求以及当前车辆状态生成一个共同的转向轮转角信号；步骤五根据转向执行电机机构的角传动比关系计算得到当前有效转向执行电机的转角控制指令信号(有效转向执行电机指的是未出现前述失效状态的转向执行电机)；步骤六将信号传递到有效转向执行电机(如果左右两个转向执行电机均未失效，可以根据转向阻力负荷大小决定是由一侧转向执行电机驱动完成，还是按同样的转角信号控制两侧有效转向执行电机共同驱动完成)，并且电机反馈电机状态信号到步骤四；步骤七左右两个转向轮按照转向梯形关系共同完成转向，并且反馈车轮转角状态到步骤三；程序结束。
模式三处理子程序：如图9所示，程序开始，步骤一电磁离合器接合；步骤二关闭电磁开关阀一与电磁开关阀二；步骤三ECU读取方向盘转角与转矩信号；步骤四ECU根据当前车速以及当前转向盘转矩信号查表生成转向助力大小信号(现有技术不再赘述)；步骤五根据需求的转向助力大小信号和路感电机减速机构速比计算生成路感电机电流控制指令信号；步骤六将指令信号传递到路感电机产生助力转矩，并且电机反馈电机状态信号到步骤四；步骤七在路感电机的助力作用下，驾驶员操纵方向盘驱动左右转向轮按照转向梯形关系完成机械转向，并且反馈车轮转角状态到步骤三；程序结束。
角度补偿对中子程序：如图10所示，程序开始，步骤一关闭失效侧电磁开关阀，若无失效电机则关闭车轮转角偏小的一端的电磁开关阀；步骤二ECU读取失效侧车轮或车轮转角偏小的一侧车轮转角信号并通过转向梯形几何关系计算出另一侧车轮转角；步骤三根据转向执行电机机构的角传动比关系计算出非失效侧或转角偏大的一侧转向执行电机的目标转角控制指令；步骤四打开非失效侧或转角偏大的一侧的电磁开关阀；步骤五将目标转角控制指令信息输入到电磁开关阀未关闭一侧(未关闭一侧即为非失效一侧或转角偏大的一侧)的转向电机；步骤六判断车轮转角与ECU计算的目标转角控制指令是否相同，若不同，返回步骤三；若相同，则进入步骤七；步骤七关闭该非失效侧或转角偏大的一侧电磁开关阀；程序结束。
本发明所述的一种电动多模式线控转向系统及其模式切换方法，具体三种工作模式工作状态及其工作模式切换的工作原理如下：
一、线控各轮独立转向模式的具体工作过程如下：
在正常工况下，驾驶员转动方向盘，发出转向操作信号，扭矩转角传感器检测到方向盘的扭矩转角信号，并将采集到的方向盘扭矩转角信号发送至ECU(73)，ECU(73)接收到相应的方向盘扭矩转角信号经处理后输出执行电机运行控制信号，并将执行电机控制信号分别发送至第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)，控制第一电机转子(24)和第二电机转子(32)分别对外输出各自驱动转矩，并且通过滑动丝杠副将电机转子的驱动转矩转化成为丝杠直线运动的力，通过汽车转向横拉杆和转向节臂使两端的转向轮摆动，此时电磁开关阀一(42)和电磁开关阀二(43)处于开启状态，致使两端液压腔室与油箱(44)相通，丝杠直线推力可使液压油在两端液压缸与油箱间自由流通，确保第一丝杠(27)和第二丝杠(35)无阻力自由独立运动，实现线控各轮独立转向，此工作模式为线控转向系统正常工作时的工作模式。
此时，ECU(73)接收第一丝杠位置传感器(40)和第二丝杠位置传感器(41)信号，获得转向轮的实际转向信号，并根据扭矩转角传感器(4)直接检测到的方向盘的扭矩转角信号，修正输出的执行电机运行控制信号，实现对转向轮的实际转向进行修正；同时路感电机(1)、第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)还向ECU(73)反馈包括转速和转矩在内的实时运行状态信号，以实现对路感电机(1)、第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)的闭环控制调节。
如图1所示，当左右轮实施正常的线控独立转向控制时，ECU(73)接收到路面的信息进行处理，输出路感电机运行控制信号，将路感电机运行控制信号发送到路感电机(1)，控制路感电机(1)向外输出路感模拟转矩，控制路感电机(1)输出路感模拟转矩到路感电机减速机构(A)，路感电机减速机构(A)中，控制路感电机(1)的输出端驱动蜗杆(49)旋转，蜗杆(49)带动蜗轮(9)转动，进而带动上传动轴(8)旋转，并依次带动扭转杆(6)、转向主动轴(7)和方向盘(38)转动，最终通过路感模拟转矩表现出的路面模拟信号通过方向盘(38)反馈至驾驶员，实现路感模拟。
此外，如图1所示，当左右轮实施正常的线控独立转向控制时，ECU(73)控制电磁离合器分离，使方向盘单元I和转向执行单元III之间无机械连接；
正常时的线控各轮独立转向模式向失效备份时的线控转向梯形转向模式的切换：
当车辆在转向过程中，若出现一个转向电机损坏，将由线控各轮独立转向模式控制切换到线控转向梯形转向模式控制，由于在线控各轮独立转向模式下，左右轮转角独立可控、转角差异可能较大。当失效时作为安全备份，需要切换至线控转向梯形转向控制，此时左右轮转角需要严格满足转向梯形决定的转角关系，故在切换过程中需要对单轮转角进行调整，使其满足前轮转角从独立转向到转向梯形的切换。具体实施方案如下：当一个轮的转向电机失效时，将失效端的电磁开关阀关闭，正常工作的一端的电磁开关阀保持开启，通过失效端的丝杠位置传感器计算出失效端车轮转角，并以此为标准，通过转向梯形计算出此时正常工作端车轮转角，并通过正常工作的转向电机进行调节，当达到目标转角后将正常工作的一端的电磁开关阀关闭，完成切换过程。
二、线控转向梯形转向模式的具体工作过程如下：
当第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)中仅有一个为正常工作的转向执行电机机构时，转向系统进入失效备份下的线控转向梯形转向模式。此时，驾驶员转动方向盘，发出转向操作信号，扭矩转角传感器检测到方向盘的扭矩转角信号，并将采集到的方向盘扭矩转角信号发送至ECU(73)，ECU(73)接收到相应的方向盘扭矩转角信号经处理后输出执行电机运行控制信号，并将执行电机控制信号分别发送至有效转向执行电机机构，控制有效电机转子对外输出驱动转矩，并且通过滑动丝杠副将电机转子的驱动转矩转化成为丝杠直线运动的力，且通过汽车转向横拉杆和转向节臂使两端的转向轮摆动，此时电磁开关阀一(42)和电磁开关阀二(43)处于关闭状态，即第一丝杠(27)和第二丝杠(35)与齿条(21)由于液压油的不可压缩性固连在了一起，有效转向执行电机机构通过齿条(21)的作用可以将力传递到失效转向执行电机机构从而使两端的转向轮摆动，实现失效备份转向过程。
特别地，在正常转向工况切换至失效备份转向工况下的情况下，由于正常转向工况执行的为线控各轮独立转向的控制策略，而失效备份转向工况下的线控转向梯形转向控制策略则遵循传统的转向梯形几何转向规律，两种转向模式控制下在内侧车轮具有相同转角的情况下外侧车轮的转角通常不相同，故在进行两种工况的切换的时候，需先将故障一侧的电磁开关阀关闭，根据故障一侧的车轮转角，通过转向梯形的几何关系，调节正常工作一侧的转向轮转角，使其满足失效下的线控转向梯形转向策略。
在线控转向梯形转向模式下，ECU(73)控制电磁离合器分离，使方向盘单元I和转向执行单元III之间无机械连接；
失效备份时的左右轮线控转向梯形模式向完全失效下的传统电动助力转向的切换：
由于线控转向梯形转向模式与传统电动助力转向均满足左右车轮转向梯形几何转向关系，此时只需将电磁离合器接合，并且将路感电机作为转向助力电机来使用。
三、电动助力转向模式的具体工作过程如下：
当第一转向执行电机机构(B)和第二转向执行电机机构(C)均无法工作时，转向系统进入传统的电动助力转向模式，此模式为现今传统汽车普遍转向方式。此时，ECU(73)控制使电磁离合器(15)结合，方向盘单元I和转向执行单元III之间，由方向盘(38)、转向主动轴(7)、扭转杆(6)和上传动轴(8)依次连接组成的方向盘转向杆系通过电磁离合器(15)与转向器(D)和转向齿轮轴(20)机械连接，驾驶员操作方向盘(38)在路感电机减速机构(A)的转动助力下经方向盘转向杆系共同输出驱动扭矩，再经包括转向器在内的转向执行单元III在转向器、转向横拉杆、转向节臂组成的转向梯形的作用下推动左右车轮按照转向梯形几何关系转动。此时电磁开关阀一(42)和电磁开关阀二(43)处于关闭状态，即第一丝杠(27)和第二丝杠(35)与齿条(21)由于液压油的不可压缩性固连在一起，并且通过齿轮齿条传动副将转向轮转向驱动转矩转化成推动转向轮转动的力，从而实现左右轮驾驶人转向梯形转向过程。
特别的，当两个电机同时失效时，两电磁开关阀与电磁离合器同时关闭并且路感电机作为助力电机使用。由于此种工况为危险工况，出现就需立即维修，故这里的设计能保证车辆仍处于可控状态。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：自动驾驶的转向控制方法和方向盘转向单元
