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技术领域

本实用新型属于车辆工程技术领域，具体涉及助力转向技术。

背景技术

目前汽车转向助力装置主要采用机械式液压助力转向装置、电控液压助力 转向装置和电动助力转向装置三种。

机械液压助力转向系统：机械液压助力转向系统主要由转向油罐、转向油 泵、转向控制阀和转向液压助力缸等构成。机械式液压助力转向系统是将一部 分发动机动力输出转化成液压泵压力，对转向系统施加辅助作用力，帮助驾驶 员实现转向动作。机械式液压助力转向系统分为常压式液压助力转向系统和常 流式液压助力转向系统两种。常压式液压助力转向系统的特点是无论方向盘处 于中间位置还是转向位置，方向盘保持静止还是在转动，系统管路中的油液总 是保持高压状态；而常流式液压助力转向系统的转向油泵虽然始终工作，但液 压助力系统不工作时，油泵处于空转状态，管路的负荷要比常压式小，现在大 多数液压转向助力系统都采用常流式。在上述两种液压助力转向系统中转向油 泵都是必备部件，转向油泵将发动机输出的机械能转化为油液的压力。机械式 液压助力转向系统有如下缺点，例如：由于转向油泵依靠发动机来驱动，能耗 比较高；液压系统的管路结构非常复杂，控制油液的阀门数量较多，后期的保 养维护成本高；整套油路经常保持高压状态，使用寿命也会受到影响等。液压 助力转向也有其独特的优点，例如：方向盘与转向车轮之间全部是机械部件连 接，操控精准，路感直接，信息反馈丰富；液压泵由发动机驱动，转向动力充 沛，大小车辆都适用；技术成熟，可靠性高，平均制造成本低。

电控液压助力转向系统：电控液压助力转向系统的是在传统的机械式液压 助力转向系统的基础上增加了电子控制和执行元件，将车速引入系统中，实现 了车速感应型助力特性的液压助力转向。电控液压助力转向系统的种类很多， 但其原理基本上都是采用一个电动泵作为液压泵，电子控制单元接收扭矩传感 器和车速传感器输入的扭矩和车速等信号，通过分析计算，控制转向控制阀的 开启程度改变油液压力，从而实现转向助力力度的大小调节，满足高、低速时 的转向助力要求。电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点，同时还降低 了能耗，反应也更加灵敏，转向助力大小也能根据转角、车速等参数自行调节。 电控液压助力转向系统由于引入了很多电子单元，结构较为复杂，其制造、维 修成本也会相应增加，使用稳定性也不如机械式液压助力转向系统牢靠。

电动助力转向系统：电动助力转向系统主要由扭矩传感器、车速传感器、 控制单元、电动机和减速机构等构成。电动助力转向系统直接利用电动机作为 动力源，电子控制单元根据方向盘扭矩和车速等信号，控制电动机输出扭矩的 大小和方向，使之得到一个与工况相适应的转向作用力，给车辆的转向车轮提 供恰当的助力扭矩。由于电动机直接驱动转向机构，只能提供有限的辅助力度， 难以在大型车辆上使用；同时电子部件较多，系统稳定性、可靠性都不如机械 式部件；电控单元决定着电动机的旋转方向和助力电流的大小，控制程序成为 电动助力转向系统核心技术，很难完全消除超调，该系统隔离了人与路面的直 接联系，使得路感信息匮乏，以及成本较高等等，这些都是电动助力转向系统 的劣势所在。从长远来看，电动助力转向系统似乎成为发展趋势所在，轻便、 节能、响应迅速，不过在驾驶层面的劣势短期内还不能得到很好的弥补。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种齿轮齿条式磁流体电控液 压助力转向装置，简化结构，降低成本，提升可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种齿轮齿条式磁 流体电控液压助力转向装置，包括磁流体液压缸以及设于磁流体液压缸内的活 塞，所述活塞的轴向两端设置有活塞杆，所述活塞杆与转向器的齿条刚性连接， 所述磁流体液压缸内部在活塞的左右两侧分别设有绝缘密封的磁流体腔，所述 磁流体腔内设有导电液体，两侧的磁流体腔通过导液管连通，在磁流体液压缸 的上下内表面平行设置一对电极板，两个电极板之间通过上电产生一个垂直方 向的电场，两个电极板与汽车电子控制单元电连接，磁流体液压缸的内表面水 平对称布置两块磁性相反的强磁体，两块强磁体在磁流体液压缸内形成水平方 向的强磁场，该强磁场和电场的方向相互垂直。

优选的，在导液管上连接有带有单向阀的导电液体存储器。

优选的，在磁流体腔的两端分别设置有密封环，在磁流体液压缸的内表面、 活塞及活塞杆外表面均设置一层绝缘层。

优选的，所述磁流体液压缸的横截面为长方形或正方形截面。

本实用新型齿轮齿条式磁流体式电控液压助力转向装置，借助于磁流体式 液压活塞机构驱动转向器的齿条，汽车电子控制单元通过调节电极板两端的电 压值和电源极性，实现磁流体电控液压助力转向装置的助力大小和方向的控制， 与电动助力转向系统相比，省去了助力电机和复杂的减速机构，结构简单，运 行可靠、故障率低、体积小、便于在整车上的布置。而且，齿轮齿条式磁流体 电控液压助力转向装置在性能和功能上都能达到电动助力转向系统所能够完成 的功能，由于采用液压系统助力，避免了电动助力转向系统由助力电机带来的 力矩波动，可靠性更高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为图1中磁流体液压缸的A-A剖面示意图；

图3为本实用新型汽车电子控制单元原理图；

图4为本实用新型中电子控制单元的主程序流程图；

图5为本实用新型中电子控制空单元中定时中断程序流程；

图6为本实用新型中控制模式选择和各控制模式流程图；

图中：1、方向盘，2、转向管柱，3、方向盘扭矩传感器，4、方向盘角度传 感器，5、转向柱齿轮轴，6、转向柱齿轮，7、转向器齿条，8、转向横拉杆，9、 磁流体液压缸，10、磁流体液压缸内表面绝缘层，11、密封环，12、活塞，13、 电极板，14、导液管，15、导电液体，16、导电液体存储器，17、左侧磁流体 腔，18、右侧磁流体腔，19、汽车电子控制单元(ECU)，20、转向车轮，21、 磁流体液压助力装置，22、强磁体，23、单向阀，24、活塞表面绝缘层，25活 塞杆。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型齿轮齿条式磁流体电控液压助力转向装置主要包 括方向盘1、转向管柱2、方向盘扭矩传感器3、方向盘角度传感器4、转向柱 齿轮轴5、转向柱齿轮6、转向器齿条7、转向横拉杆8、转向车轮20、磁流体 液压助力装置21和汽车电子控制单元19。

其中，方向盘1、转向管柱2、转向柱齿轮轴5、转向柱齿轮6、转向器齿 条7、转向横拉杆8和转向车轮20依次连接构成了常规的机械式齿轮齿条转向 机构，该齿轮齿条转向机构选用的是车辆上现有的技术成熟的结构形式；方向 盘扭矩传感器3和方向盘角度传感器4安装于转向柱齿轮轴5上，其同样也采 用现有技术中成熟产品，这两个传感器能够分别将方向盘的扭矩值和方向盘的 角度值转化成相应的线性电压信号传递给汽车电子控制单元19。

如图1和图2所示，磁流体液压助力装置21主要由磁流体液压缸9，活塞 12、电极板13、强磁体22和导电液体15构成；磁流体液压缸9的横截面为长 方形或正方形截面，在磁流体液压缸9的内表面设置磁流体液压缸内表面绝缘 层10，在磁流体液压缸9的上下内表面均匀对称平行放置一对电极板13，两个 电极板13之间通过上电可以产生一个下上垂直方向的电场，上下两个电极板13 分别由导线与汽车电子控制单元19相连接，汽车电子控制单元19可以控制两 个电极板13之间的电压值和电源极性，来改变电场的强度和方向；磁流体液压 缸9的内表面水平均匀对称布置两块强磁性的强磁体22，分别是磁体的N极和 S极，这样会在磁流体液压缸内形成径向的水平的方向的强磁场，该磁场和电场 的方向相互垂直；磁流体液压缸内有一个活塞12，活塞12与两端的活塞杆25 为一体的结构，活塞设有活塞表面绝缘层24，活塞杆25与转向器齿条7为刚性 连接，活塞12能够在左侧磁流体腔17和右侧磁流体腔18内自由移动；在磁流 体腔内充满导电液体15，两个磁流体腔里面的导电液体由导液管14连接保证导 电液体能在左右两个磁流体腔内自由流动；在两侧磁流体腔的两端分别设置了 密封环11，保证活塞12在工作时导电液体15不会泄露；为了保证在磁流体液 压缸内始终充满导电液体15，在导液管14的一端通过一个三通连接着带有单向 阀23的导电液体存储器16，，当磁流体腔内的导电液体15没有充满时，导电液 体存储器16内的导电液体会自动流进磁流体液压缸内，但是磁流体液压缸内的 导电液体由于单向阀23的作用，不会自动回流到导电液体存储器16中。

如图3所示为汽车电子控制控制单元(ECU)的原理图，主要由CPU、信 号采集及处理电路、驱动电路、监测电路和CAN总线通讯电路等构成。CPU为 8位或16位单片机，信号采集处理电路主要用于采集方向盘扭矩信号、方向盘 转速信号、车速信号、发动机转速信号、点火信号和电极两端的电压信号等。 驱动电路主要包括电极驱动电路和继电器开关驱动电路，其中电极的驱动电路 采用H桥电路，由Mosfet管Q1、Q2、Q3和Q4构成，Mosfet管的开关有该元 件栅极上的PWM信号控制，通过控制PWM信号的占空比可以实现电极两端电 压的调节和电极两端的极性的切换。主电路的继电器主要是当系统出现异常后， 迅速切断开关，保证系统的安全。监测电路主要用于对系统工作状态的监测， 提高系统的安全可靠性。CAN总线数据通讯电路主要用于本系统的电控单元与 其他设备之间的数据通讯和故障报警。所述电极板驱动电路采用H桥电路。所 述汽车电子控制单元还设有检测电路和继电器开关驱动电路，在检测电路检测 到磁流体电控液压助力转向装置出现故障后控制继电器开关驱动电路切断该磁 流体电控液压助力转向装置的开关。该磁流体电控液压助力转向装置由车载电 源蓄电池直接供电。

在齿轮齿条式磁流体电控液压助力转向系统中，方向盘扭矩传感器3、方 向盘角度传感器4和转向管柱2同轴；磁流体液压助力缸内的活塞12与活塞杆 25为一体的结构，活塞杆25与转向器齿条7刚性连接。

当驾驶员转动方向盘时1时，转向管柱2、方向盘扭矩传感器3、方向盘 角度传感器4和转向柱齿轮轴5也会与方向盘1以相同的方向和相同的角度一 起转动，此时转向柱齿轮轴5上的转向柱齿轮6通过与转向器齿条7的啮合让 转向器齿条实现左右移动，转向器齿条通过转向横拉杆8带动转向车轮20转动， 完成转向系统的工作，这就是齿轮齿条式机械转向器的基本工作原理。由于汽 车的载荷比较重，轮胎与地面的摩擦力很大，在没有助力的情况下，驾驶员转 动方向盘时十分费力，因此需要在原有机械转向系统的基础上加上转向助力系 统。本实用新型就是采用了磁流体液压缸作为齿轮齿条转向器的助力系统，当 驾驶员转动方向盘1时，汽车电子控制单元19会采集方向盘扭矩传感器3、方 向盘角度传感器4、车速传感器和发动机转速传感器的数据，根据车辆的行驶信 息确定磁流体液压助力系统的作用力的大小和方向，通过调节磁流体液压缸内 部电极板13的两块电极之间电压值和电源极性来控制磁流体液压缸体内导电液 体15的受到的洛伦兹力的大小和方向，导电液体15在洛伦兹力的作用下推动 活塞12移动，活塞12通过活塞杆25将力传递给转向器齿条7，完成齿轮齿条 式转向系统的助力。

上述的齿轮齿条式磁流体电控液压助力转向装置只采用了一个简单的液 压缸，液压缸的内壁的四个平面上对称平行放置了一对电极板和强磁体，保证 产生的电场和磁场相互垂直；既省去了传统液压助力转向系统的转向油泵、转 向控制阀等复杂的液压控制油路，也省去了电动助力转向系统的助力电机和复 杂的减速机构，结构简单，制造成本低。

本实用新型齿轮齿条式磁流体电控液压助力转向系统的方向盘与转向车 轮之间全部是机械部件连接，操控精准，路感直接，转向动力充分，继承了传 统液压助力转向系统的优点；本实用新型避免了现有电动助力转向系统电子部 件较多，系统稳定性和可靠性差缺点，并且可以根据车速信息调节转向系统的 助力大小，还可以实现转向系统的主动回正功能。本实用新型实现了转向轻便、 节能、响应迅速地目标，兼具多种优点，极具市场前景。

在车辆行驶过程中，驾驶员转动方向盘1时，方向盘扭矩传感器2和方向 盘角度传感器3会给出相应的信号。方向盘扭矩传感器2输出扭矩信号并将扭 矩信号转换为电压信号，电压信号的幅值与方向盘的扭矩值成正比例关系，方 向盘扭矩信号的零位对应于电压值的2.5V；方向盘角度传感器3输出方向盘的 角度信号并将方向盘的角度信号转换为电压信号，电压信号的幅值与方向盘的 角度值成正比例关系，方向盘角度信号的零位对应于电压值的2.5V。方向盘扭 矩信号、方向盘角度信号和车速信号输入汽车电子控制单元19，汽车电子控制 单元19根据方向盘扭矩、方向盘转角和车速的信息判断助力系统的工作模式并 确定助力系统助力的大小和方向，实现磁流体液压助力转向系统的助力控制、 回正控制和阻尼控制三种工作模式。车辆在不同车速下转向时，磁流体电控液 压助力转向系统能够提供不同的转向助力。转向助力系统进行助力时时既要减 轻驾驶员的操纵负担，又不能使驾驶员失去路感；需要兼顾车辆低速时的操纵 轻便性和高速时的操纵稳定性；同时提高车辆低速时的回正性能，抑制车辆高 速时回正超调和振荡的趋势，从而提高车辆的直线行驶性能；在高速转向和快 速转向时能够实现阻尼控制(通过对助力系统施加较小的反作用力，使方向盘 变沉重，模拟电动助力转向系统在阻尼控制控制模式中电机短接产生的阻尼效 果)，防止车辆侧滑和翻车现象的发生。

磁流体电控液压缸助力系统的具体工作过程如下：

当系统没有通电时，磁流体液压缸体内的电极板没有通电，导电液体贮存 在活塞两侧的磁流体腔内，导电液体在磁流体液压缸内只会受到由强磁体产生 的水平方向的磁场作用，而没有受到垂直方向的电场作用，导电液体不会产生 洛伦兹力，此时液压缸内的活塞处于自由不受力状态，这时磁流体液压助力系 统不会对转向系统产生助力作用。

系统通电时，磁流体液压助力系统开始对机械转向装置助力。当液压缸上 端的电极板为正极、下端的电极板为负极时，在液压缸体内形成一个垂直方向 的电场，电场方向为由上至下；磁流体液压缸体内壁水平布置的强磁体形成与 活塞运动方向垂直的水平方向的强磁场；导电液体在相互垂直的电场和磁场的 共同作用下会产生向右的洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下导电液体推动活塞向 右侧移动。右侧磁流体腔内的导电液体通过导液管向左侧的磁流体腔内流动， 活塞通过活塞杆推动转向器齿条向右移动，完成对转向机构的向右助力动作， 助力大小可以通过控制电极两端的电压值来调节。当下端的电极板为正极、上 端电极板为负极时，导电液体受到的电场作用的方向为从下至上，正好与上面 的情况相反；受到的磁场作用的方向与上面的情况相同，根据左手定则，导电 液体在相互垂直的电场和磁场的共同作用下会产生向左的洛伦兹力，在洛伦兹 力的作用下，导电液体推动活塞向左侧移动。右侧磁流体腔内的导电液体通过 导液管向左侧的磁流体腔内流动，活塞通过活塞杆推动转向器齿条并向左移动， 完成对转向机构向左的助力功能。

齿轮齿条式磁流体电控液压助力转向系统的控制器的主程序流程图如图4 所示，控制器加电后进入主程序，首先对系统的A/D、I/O、PWM、Timer、PLL、 CAN等模块进行初始化操作，并对各模块进行自检，出现故障则故障报警，系 统自检成功后，开启看门狗功能。之后系统进一步检测点火开关和发动机是否 启动(点火开关不打开或发动机没有启动，助力系统不工作)，如果都已经打开， 则控制主电路中的继电器闭合，最后系统开启定时器中断功能，本实用新型采 用了定时2ms的中断，系统每隔2ms进入一次中断程序，在中断程序中完成控 制模式的选择和控制量的刷新。

定时中断程序的流程图如图5所示，每次进入定时中断程序后，系统检测 点火开关是否打开，发动机是否启动，若系统正常则闭合主电路继电器，采集 扭矩、转角、电压和车速信号，然后根据传感器信号判断应该进入哪种工作模 式，调用相应的工作模式程序后，退出定时中断程序。

磁流体电控液压助力转向系统有三种工作模式：助力模式、阻尼模式和回 正模式。系统按照图6所示流程判断系统进入哪一种工作模式，若转矩大于1Nm， 则进入助力模式；转矩小于等于1Nm，在判断方向盘扭矩和方向盘转动方向是 否相反以及车速是否小于70km/h，如果方向盘扭矩和方向盘转动方向相反而且 车速不小于70km/h，进入阻尼控制模式；如果方向盘扭矩和方向盘转动方向相 反而且车速在5km/h至70km/h之间，则系统进入回正控制模式。

系统进入助力控制模式时，按照图6所示，首先对方向盘的扭矩信号进行 相位补偿，解决相位迟滞问题，然后进入基本助力控制模块。控制系统首先根 据方向盘扭矩信号和车速信号在基本助力特性图表查出电极两端的基本助力电 压值，然后计算出系统摩擦补偿的电压值，之后将电极两端的基本助力电压值 与系统摩擦补偿的电压值相加计算出总的目标电压值，最后在电极板两端施加 对应目标电压值的电压，实现电极板两端的电压的跟随控制，最后退出助力控 制模式。

系统进入阻尼控制模式时，系统首先根据车速确定对系统需要施加阻尼的 电压值，车速越高，需要施加在电极板两端的电压值越大。系统施加的力较小， 并且与方向盘的转动方向相反，以增加驾驶员的路感。系统最终控制电极板两 端的电压，实现系统的阻尼控制，帮助系统产生阻尼。

系统进入回正控制模式时，系统先检测方向盘转角信号和车速信号，然后根 据方向盘转角和车速的数值确定回正控制时相应的电极两端的目标电压值和电 源极性，最终通过控制电极两端的电压和电源极性实现回正控制，最后退出回 正控制模式程序。

无论传统的液压助力转向系统还是电控液压助力转向系统都是依靠转向车 轮的自身的定位参数完成转向系统的自动回正，在汽车结构参数一定的情况下， 回正力矩的大小还与前轮负荷、路面条件、轮胎气压、车速等有着密切的关系。 汽车高速行驶时，回正力矩较大，容易产生“回正超调”。回正超调会引起转向 盘在中位附近振荡，从而大大降低了汽车的操纵稳定性。汽车低速行驶时，回 正力矩较小，容易产生“回正不足”。回正不足时，需要驾驶员对转向盘位置进 行修正，从而增加了驾驶员的劳动强度。因此通过回正控制，控制电机两端电 压值和电源极性，解决“回正超调”和“回正不足”的问题。

而磁流体式电控液压助力转向系统通过控制电极板两端的电压就可以调节 对转向系统的助力，就可以实现主动回正功能。回正控制策略研究包含两部分 的内容：一部分是确保转向盘回到中位的控制策略，称为“回正控制”；另一部 分是调节转向盘回正时系统阻尼的控制策略，称为“主动阻尼控制”。回正控制 的作用是用来克服转向系统的阻尼、摩擦，确保转向盘能快速、准确地回到中 位。阻尼控制策略用来调节转向盘的回正速度。