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技术领域

本发明涉及车辆转向系统技术领域，尤其涉及一种汽车电动助力转向系统。

背景技术

电动助力转向系统(Electric Power Steering System，EPS)是一种直接 依靠电机提供助力扭矩的转向系统。这种系统不同于传统的液压动力转向系统， 它不需要复杂的机械和液压控制，而是根据微处理器采集汽车的车速和驾驶员操 纵力矩的大小来控制助力电机电流的大小和方向，以实现对汽车方向盘助力的目 的。这种方法可为转向特性的设置提供充分的自由度，能精确实现人们预先设置 的不同车速、不同转弯所需要的转向助力，可使驾驶员获得较强的路感、较轻的 操纵力，使车辆具有较好的回正稳定性、较高的抗干扰性和快速响应能力。特别 是它能够解决纯液压动力转向在汽车高速行驶时方向盘的发飘问题，而且还具有 高效、节能、高性能、低成本等一系列有点。因此，电动助力转向系统取代液压 助力转向系统已经成为现代汽车发展的必然趋势。

传感器的作用是：探测驾驶员转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和 方向，并将此信息转换为电信号传送到电子控制单元(ECU)，ECU根据这个信号连 同车速等信号来产生相应的助力电流，驱动电机产生助力，协助驾驶员转向。国 外传感器的研究呈现出两个发展趋势，一是从提供单一扭矩信号向提供复合信号 方向发展；二是从接触式向非接触式方向发展。国内对于EPS传感器也进行了一 定的研究，但多数还很难满足配套产品的要求。目前国内对于一款EPS产品而言， 可以选用的传感器类型主要有两种，一类日本NSK在昌河北斗星EPS中装用的扭矩 传感器，二是美国BI公司为Delphi公司配套的扭矩、位置复合传感器，另外近年 某些国内厂家在借鉴国外相关传感器的基础上，开发了无接触式电感式扭矩传感 器或霍尔式扭矩传感器，但都不具有方向盘转角传感器功能。

现有的配套的EPS采用的传感器是接触的复合式传感器，接触式的传感器造 成EPS的噪音大；现有结构的传感器精度低，采集的信号偏差大，造成EPS的响应 慢，驾驶员的操纵舒适性能低；现有结构的传感器结构复杂，体积较大，在EPS 的车身布局时受的限制比较多；现有结构的传感器以接触式为主，在EPS的使用 中，产生点蚀磨损，使EPS总成的使用寿命降低，后续的维护保养困难。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种结构设计简单、合理，可有效降低噪 音，提高操纵的舒适度，响应速度快，结构紧凑且占用的空间小，使用寿命长， 维护保养容易的汽车电动助力转向系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的汽车电动助力转向系统，包括涡轮蜗杆箱、装设于所述涡轮蜗杆箱一 侧的助力电机、装设于所述涡轮蜗杆箱一端的转向管柱、与所属转向管柱连接的 转向轴、装设于所述涡轮蜗杆箱另一端的中间轴以及与所述中间轴连接的机头节 叉；所述涡轮蜗杆箱包括箱壳、输入轴、输出轴以及位于所述箱壳内侧的无接触 式扭矩传感器、无接触式转角传感器、信号调理板、蜗轮和蜗杆；所述输入轴一 端穿入所述箱壳一侧内部，另一端露出所述箱壳外侧；所述输出轴一端穿入所述 箱壳另一侧内部且通过扭杆与所述输入轴穿入所述箱壳内的一端装配连接，所述 输出轴另一端露出所述箱壳外侧；所述扭杆两端分别轴向穿入所述输入轴和输出 轴内并通过销轴连接固定；所述无接触式扭矩传感器装设于所述输入轴和输出轴 的连接部位且包括多级磁铁环、磁轭总成和集磁环总成；所述多级磁铁环固定套 设于所述输入轴穿入所述箱壳内的一端；所述磁轭总成套设于所述输入轴和输出 轴的连接部外侧且一端沿径向无接触式环绕在所述多级磁铁环外侧；所述集磁环 总成无接触式罩设于所述磁轭总成一端外侧且通过线缆与所述信号调理板连接； 所述无接触式转角传感器包括主齿轮以及与所述主齿轮匹配啮合的至少一对从齿 轮；所述主齿轮固定套设于所述输出轴穿入所述箱壳内的一端；所述的一对从齿 轮一端均装设有水平充磁的永磁体；所述信号调理板装设于所述无接触式扭矩传 感器一侧且与车身的供电系统连接，所述信号调理板包括调理板板体以及集成于 所述调理板板体上且彼此电连接的的ECU模块、GMR传感器芯片和霍尔芯片；所述 GMR传感器芯片与所述永磁体匹配对应且无接触式测量所述一对从齿轮的转角；所 述霍尔芯片通过所述线缆与所述集磁环总成连接；所述蜗轮装设于所述输出轴穿 入所述箱壳内的一端，所述蜗杆与所述蜗轮匹配啮合且一端与所述助力电机连接。

所述汽车电动助力转向系统，其中：所述霍尔芯片为设于所述调理板板体上 的一对线性霍尔芯片。

所述汽车电动助力转向系统，其中：所述助力电机装设于所述涡轮蜗杆箱一 侧，其动力输出轴与所述蜗轮匹配连接；所述蜗轮由所述助力电机驱动运转并带 动所述蜗杆旋转。

所述汽车电动助力转向系统，其中：所述转向管柱一端匹配套接固定于所述 输入轴露出所述箱壳外侧的一端，其外侧匹配装设有管柱安装支架；所述管柱安 装支架与车身连接。

所述汽车电动助力转向系统，其中：所述转向轴一端连接方向盘，另一端与 所述输入轴露出所述箱壳外侧的一端端部匹配连接。

所述汽车电动助力转向系统，其中：所述中间轴两端设有一对呈U形的安装 叉，其一端通过所述安装叉与所述输出轴露出所述箱壳外侧的一端铰接，所述中 间轴的另一端则通过另一所述安装叉与所述机头节叉一端铰接；所述机头节叉的 另一端与转向器连接。

所述汽车电动助力转向系统，其中：所述箱壳是由左壳和右壳装配连接组成； 所述输入轴自所述右壳一侧穿入所述箱壳内；所述输出轴自所述左壳一侧穿入所 述箱壳内。

所述汽车电动助力转向系统，其中：在所述左壳的左侧端内侧匹配嵌设有轴 承，所述输出轴与左壳之间通过所述轴承连接。

有益效果：

本发明汽车电动助力转向系统结构设计简单、合理，可有效降低噪音，提高 操纵的舒适度，响应速度快；其中，采用的是无接触式的扭矩传感器和转角传感 器，集成结构简单，不仅占用的空间小，有利于EPS在车身的布局，而且传感器 无接触噪音，可以大大的降低EPS的噪音，后续的维护保养容易；同时无接触式 的扭矩传感器和转角传感器，从根本上消除传感器磨损的接触源头(疲劳点蚀、 磨损为主的失效)，寿命达到1000万次以上，从而提高了EPS的寿命；该无接触式 扭矩传感器传递精度在0.05NM、无接触式转角传感器的精度在0.5°、传感器零 点飘逸为1％、具有智能化的自动故障诊断功能、较好温度离散性，采集的信号偏 差小，EPS的响应速度快，驾驶员的操纵舒适性能高。同时，本发明还具有以下 优点：

(1)通过设计无接触式的扭矩传感器和转角传感器，并将其集成到蜗轮蜗杆 箱中，满足中高端EPS的对传感器的功能需求，解决影响电动助力转向系统性能 提升的关键问题；集成传感器一体的EPS，与现有的外购独立传感器相比，空间 占用少结构更加紧凑，同时也消除安装独立传感器带来的装配隐患；

(2)本发明在涡轮蜗杆箱内安放了传感器信号调理电路板，可独立完成对2种 传感器供电，数据采集，信号滤波，零点修正，正反对称校正和故障诊断等功能， 传感器信号调理电路板对传感器数据自动编码，以标准格式数据的输出到ECU， 实现传感器数据的数字化传输,满足当前汽车数据传输总线化的发展趋势；

(3)本发明以霍尔原理和巨磁阻原理为基础，选用市场上成熟的电子芯片，通 过探测磁性的量值传递扭矩和角度物理量，因此所需的零件较少、结构上简单， 易于通过专用模具成形获取零件，附加的机械加工较少，工艺流程简单可靠，本 发明的EPS产品具有高性能，高附加值，适合不同车型等优势；

(4)本发明具备传统的接触式组合传感器的EPS所具备的助力效果，同时本 发明在扭矩传递精度(由0.15NM提高到0.05NM)、角度检测精度(由2°提高到 0.5°)、传感器零点飘逸(由5％提高到1％)、转向轴故障保护(具有智能化的自 动故障诊断功能)、温度离散性(较好的温度离散性)、接触噪音(无)、结构 (简单)、寿命(1000万次)上均大大的优于传统的接触式组合传感器的EPS。

附图说明

图1为本发明汽车电动助力转向系统的结构示意图；

图2为本发明汽车电动助力转向系统的图1中A-A方向的剖视图；

图3为本发明汽车电动助力转向系统的图2中B区域的放大图；

图4为本发明汽车电动助力转向系统的无接触式扭矩传感器的装配示意图；

图5为本发明汽车电动助力转向系统的无接触式转角传感器的俯视装配示意 图；

图6为本发明汽车电动助力转向系统的无接触式转角传感器的左视装配示意 图。

具体实施方式

本发明中涉及到的“左”、“右”以及“内”、“外”方位词均与附图1至5 的朝向一致。

如图1至6所示，本发明汽车电动助力转向系统，包括涡轮蜗杆箱1、助力电机 2、转向管柱3、转向轴4、中间轴5和机头节叉6。

该涡轮蜗杆箱1包括箱壳11、输入轴11、输出轴12、无接触式扭矩传感器13、 无接触式转角传感器14、信号调理板15、扭杆16、蜗轮17和蜗杆18。

其中，该箱壳10是由左壳101和右壳102装配连接组成；该输入轴11自右壳102 一侧穿入该箱壳10内；该输出轴12自左壳101一侧穿入该箱壳10内，该输出轴12 穿入箱壳10内的一端通过扭杆16与输入轴11穿入箱壳10内的一端装配连接，该扭 杆16两端分别轴向穿入输入轴11和输出轴12内并通过销轴161连接固定，其中，在 该左壳101的左侧端内侧还匹配嵌设有轴承121，该输出轴12与左壳101之间通过轴 承121连接。

该无接触式扭矩传感器13位于箱壳10内部，其装设于该输入轴11和输出轴12 的连接部位且包括多级磁铁环131、磁轭总成132和集磁环总成133；该多级磁铁环 131固定套设于该输入轴11穿入箱壳10内的一端；该磁轭总成132呈环状体结构， 其固定套设于该输入轴11和输出轴12的连接部外侧,其一端沿径向无接触式环绕 在多级磁铁环131外侧；该集磁环总成133无接触式罩设于该磁轭总成132一端外 壁，其由内而外穿设有线缆134并通过线缆134与信号调理板15电连接；

该无接触式转角传感器14也位于箱壳10内部，其装设于该输出轴12穿入该箱 壳10内的一端，包括主齿轮141、第一从齿轮142和第二从齿轮143；该主齿轮141 套设于该输出轴12穿入箱壳10内的一端；该第一从齿轮142和第二从齿轮143位于 主齿轮141一侧且与主齿轮141匹配啮合；该第一从齿轮142的一端装设有一块水平 充磁的第一永磁体144，该第二从齿轮143的一端装设有一块水平充磁的第二永磁 体145，该第一永磁体144和第二永磁体145位于同一侧。

该信号调理板15位于箱壳10内部，其装设于该无接触式扭矩传感器13一侧且 与车身的供电系统连接，包括调理板板体151及集成于调理板板体151上的ECU模块 152、第一GMR传感器芯片153、第二GMR传感器芯片154和霍尔芯片155；其中，该 第一GMR传感器芯片153与无接触式转角传感器14的第一永磁体144匹配对应且彼 此无接触，该第二GMR传感器芯片154与无接触式转角传感器14的第二永磁体145 匹配对应且彼此无接触，通过第一GMR传感器芯片153和第二GMR传感器芯片154可 无接触式测量第一从齿轮142和第二从齿轮143的转角；该霍尔芯片155为设于调理 板板体151上的一对线性霍尔芯片，其与该集磁环总成133的线缆134匹配连接；该 无接触式扭矩传感器13和无接触式转角传感器14的信号采集后输入信号调理板15 上的ECU模块152进行处理。

其中，在扭杆16未受到扭力时，磁轭总成132和多级磁铁环131在周向的相对 位置固定，磁轭总成132上未受到磁化，因此集磁环总成133上磁感应强度为零， 用2个霍尔芯片155探测集磁环总成133上磁感应强度，2个霍尔芯片输出电信号为 零。在扭杆受到扭力时，磁轭总成132和多级磁铁环131在周向的相对位置发生变 化，磁轭总成132上受到磁化，因此集磁环总成133上磁感应强度为一值，此值的 大小正比于扭杆的变形量，即正比于方向盘上施加的扭力大小，此值得正负与方 向盘上施加的扭力的方向相关，用2个线性霍尔芯片155探测集磁环总成133上磁感 应强度，2个霍尔芯片155输出电压信号，电压信号的大小与集磁环总成133上磁感 应强度成正比，电压信号的正负与集磁环总成133上磁感应磁极(S极,N极)相关。

该蜗轮17位于箱壳10内部，其装设于该输出轴12穿入箱壳10内的一端，该蜗 杆18与该蜗轮17匹配啮合，其一端与助力电机2连接。

该助力电机2装设于涡轮蜗杆箱1一侧，其动力输出轴与涡轮蜗杆箱1的蜗轮17 匹配连接，该蜗轮17由助力电机2驱动运转，进而带动蜗轮17旋转。

该转向管柱3一端匹配套接固定于该涡轮蜗杆箱1的输入轴12露出箱壳10外侧 的一端，其外侧匹配装设有管柱安装支架31，该管柱安装支架31与车身(图中未 示)连接。该转向轴4一端连接转向操纵的方向盘(图中未示)，另一端与输入轴 11露出箱壳10外侧的一端匹配连接；该中间轴5呈杆状结构，其两端设有一对呈U 形的安装叉51，其中，该中间轴5一端通过其中一个安装叉51与涡轮蜗杆箱1的输 出轴12露出箱壳10外侧的一端铰接，该中间轴5的另一端则通过另一安装叉51铰接 于机头节叉6一端；该机头节叉6另一端与转向器(图中未示)连接。

本发明的工作原理：

其中，当输入轴11接受到转向轴4的力矩时，通过销轴161传递给扭杆16，扭 杆16产生变形和一定转角，无接触式扭矩传感器13和无接触式转角传感器14将采 集的数据传递给信号调理板15，该信号调理板15对接收的信号进行处理后传递ECU 模块152，该ECU模块152进行分析判定后，给助力电机2输入不同的电流，助力电 机2根据电流的不同产生不同的助力力矩，该助力力矩通过涡轮蜗杆箱1中的蜗杆 18与蜗轮17进行减速放大，传输给输出轴12，输出轴12带动中间轴5进而驱动机头 节叉6实现转向器的助力与阻力作用。

本发明构设计简单、合理，转向效率高，其不仅可有效降低噪音，而且提高 了操纵的舒适度，同时，响应速度快，整个结构紧凑且占用空间小，使用寿命长， 维护保养容易。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式 的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所 要求保护的范围。