CN100389038C - 带有电机锁止器的助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种助力转向装置，它包括一个叠加传动装置的。它可以得到可靠的转向特性，而不取决于所采用的传动装置类型。为此，一个机械的锁止器10设置在一个传动件上，传动件优选本身在蜗杆20上。该锁止器除了电机30的电关闭时还在故障情况下起作用并且可靠地防止电机继续旋转运动，这通过在长孔形的槽21内插入一根锁止销11。槽形状的优点是，不需要锁止销11的太精确的定位。即包容装配误差。也降低噪声的产生，因为锁止销11在卡锁到其中一个槽21内之前不太可能首先碰到其中一个中间接片上继而产生不舒服的啪嗒噪声。另外可以设有一个诊断电路40，它在汽车运行之前检验锁止器10的功能。

Description

带有电机锁止器的助力转向装置

技术领域

本发明涉及一种助力转向装置，它包括一个电机和一个由电机控制的叠加传动装置，叠加传动装置给通过一个转向把手预定的转向角叠加一个修正角。在这样的助力转向装置中，转向机的传动比不是固定的大小，而是可以根据不同的参数例如根据车速变化地进行调整并且适配于出现的行驶情况。

背景技术

由DE-A1-19601826已知这样一种助力转向装置。在那里介绍了一种转向装置，它具有一个电机和一个由电机控制的叠加传动装置，叠加传动装置给一个在汽车的转向把手上预定的转向角叠加一个修正角。即由驾驶员影响的旋转运动被叠加一个附加的旋转运动。为此，电机的转子与叠加传动装置的一个机械的传动件例如一个蜗轮或一个螺旋齿轮连接，通过后者将由电机产生的并且需要叠加给手动的旋转运动的运动输入到转向装置中。叠加的尺度例如取决于当时的车速。通过一种这样的助力转向装置，传动比可以非常弹性地变化。例如很有帮助的是，传动比在汽车快速行驶期间小于在汽车慢速或者停车期间。即使当例如由于电机或其电子控制系统失效应该取消支持时，对于驾驶员也不存在危险的情况，因为他原则上也可以不使用助力支持使汽车转向。

然而在电机本身或者在其电子控制系统不能排除故障或者故障功能，它们造成无意的电机运动继而造成转向支持的无意的干预。这对于驾驶员和汽车又可能导致很不舒服的或者甚至危险的情况。

在DE-A1-10000219中建议一种带有改进的叠加传动装置的助力转向装置，它主要具有一个“构成自行制动的蜗轮蜗杆传动装置”(见第2栏第18至30行以及权利要求13)。在那里，该结构用于降低相互啮合的传动件的间隙。然而在那里没有描述一种这样的构成自行制动的传动装置也可以帮助降低开头所述的问题，即抵消由于在控制系统中出现的故障或者故障功能引起的危险的效果。

实践显示，尽管存在一个自行制动的蜗轮蜗杆传动装置，在伺服电机(不期望的或者期望的)失效的情况下，在汽车转向时仍存在很高的不安全性。也就是说，有不能忽视的残余的安全风险。这特别是在不具有自行制动功能的螺旋齿轮传动装置或者其它类型的传动装置中。

发明内容

因此本发明的目的是，为开头所述类型的助力转向装置设置一种安全装置，它防止可能出现的意外的转向支持，而不取决于所采用的传动装置类型。

根据本发明，提出一种助力转向装置，它包括一个电机和一个由电机控制的叠加传动装置，叠加传动装置给一个在汽车的转向把手上预定的转向角叠加一个修正角，其中，电机的转子使叠加传动装置的一个机械的传动件运动并且电机具有一个机械的锁止器，该锁止器除了电机电关闭外也起作用并且该锁止器至少在有干扰的情况下将叠加传动装置的机械的传动件固定并且防止其运动，其特征在于：传动件设有一些长孔形的槽，机械的锁止器的一根销插入到所述槽内，并且锁止器与一个诊断电路连接，诊断电路在锁止器解联锁之前检验电机和锁止器的无故障的锁止功能。

据此，电机设有一个机械的锁止器，它除了电机电关闭外也起作用，并且通过传动件(例如蜗杆、蜗轮或螺旋齿轮)设有一些长孔形的槽并将机械的锁止器的一根销插入到槽内的方式，锁止器至少在有干扰的情况下将叠加传动装置的机械的传动件固定并防止其运动。

附图说明

下面借助于实施例更详细地描述本发明，其中参考下列示意附图：

图1示出助力转向装置的叠加传动装置，包括设置于其上的带有机械的锁止器的电机；

图2详细示出带有电子控制系统和机械的锁止器的电机(伺服电机)，其中，一根锁止销插入到长孔形的槽内；

图3以伺服电机的截面图的形式示出相对于定子旋转的转子；

图4在转子和定子之间在0°和90°之间的相对角位置增加时产生的电机转矩的上升。

具体实施方式

在图1中示意示出按本发明的一个助力转向装置的结构。它包括一个叠加传动装置12，后者具有一个第一输入传动件1和一个第二输入传动件20以及一个输出传动件4。第一输入传动件1可连接在一个(未示出的)转向把手上，它通常是一个转向盘。输出传动件4可连接在一个(未示出的)转向机上，转向机以已知的方式，例如通过液压支持，将转向运动增强地继续传递到车轮上。第二输入传动件在所示实施例中构成为蜗杆20，它连接在一个电机30上。电机用作为伺服电机，它通过蜗杆20作用到叠加传动装置12的叠加轴2上。所示的助力转向装置涉及一种伺服转向装置，它可以将一个由伺服电机发出的运动叠加给由转向盘施加的运动。因此，转向盘的转向角可以增加或减去一个附加的转向角。

如果现在伺服电机30失效或者其控制系统(见图2中的ECU)有故障地工作，那么有意地断开伺服电机。除外要为此激活机械的锁止器10。如果不是这种情况，那么可能存在下面的危险，即叠加传动装置12的第二输入传动件20由于错误的顶压力矩(Gegenhaltemoment)而可能不受控制地进行旋转。因此在这种情况下不再能可靠地进行转向。

本发明基于的认识是，其中叠加传动装置仅具有一种自行制动的传统助力转向装置是不可靠的。因为调查显示，在这些已知的装置中，振动、摆动等会取消自行制动效果。此外还不可使用没有或有很小的自行制动的其它传动装置类型。

通过按本发明另外安置的机械的锁止器10，可以在伺服电机30的一种(期望或不期望的)失效情况下，可靠地防止叠加传动装置12的第二输入传动件20继续进行旋转运动。因此确保即使在汽车中出现振动时，在所述情况下也能将一个借助于转向盘输入的转向运动精确地传递到转向机上。长孔形的槽21具有如下优点，即不需要锁止销11的太精确的定位。也就是包容装配误差。也降低噪声的产生，因为锁止销11在卡锁到其中一个槽21内之前不太可能首先碰到其中一个中间接片上继而产生不舒服的啪嗒噪声。

同样有效的是，如果转子的角位置继而输入传动件的角位置即在该实施例中为传动蜗杆20的角位置与锁止销11的位置对准不理想，锁止器10也会立即起作用。构成为长孔的槽21实现伺服电机30的一种可靠的机械锁止。槽21的长度优选这样确定，使得它们限制旋转至例如10°的最大允许的角误差。在蜗轮蜗杆传动装置的例如1∶40的传动比的情况下，在锁止状态下还允许误差的角叠加最大为0.25°。

在图1中示出的助力转向装置还详细描述如下：

第一输入传动件1、第二输入传动件20和输出传动件4属于标记为12的叠加传动装置。第一输入传动件1在汽车上连接在一个在图1中未示出的转向盘上。第二输入传动件20借助于伺服电机30驱动。在该实施例中，所示伺服电机优选构成为可无极调节的电机30。输出传动件4在汽车上连接在一个在图1中未示出的转向机上。

第一输入传动件1构成为一根带有一个太阳轮1′的输入轴。输出传动件4构成为一根带有一个太阳轮4′的输出轴。两个太阳轮1′和4′与一定数量的分级行星轮3(Stufenplaneten)啮合，这些行星轮可旋转地支承在一个行星齿轮架2上。太阳轮1′和4′以及行星轮3构成为斜齿的圆柱齿轮。行星齿轮架2设有外齿2′；行星齿轮架与蜗杆20啮合，蜗杆在此构成第二输入传动件。蜗杆20可以直接通过伺服电机30驱动。所述元件20和2因此构成一个蜗轮蜗杆传动装置。另外也可以使用其它的传动装置类型，尤其是螺旋齿轮传动装置或双曲线齿轮传动装置(锥齿轮传动装置)。

作为显著的创新，第二输入传动件20配备有一个总体上标记为10的机械的锁止器。为此详细规定如下：

螺旋齿轮20有一个端面凹孔的凸缘，这些凹孔构成为长孔形的槽21。一根销11在一个弹簧8的作用下可以插入到其中一个槽21内。在伺服电机30工作时，通常借助于一个保持磁铁7克服弹簧8的力防止销11插入。只要伺服电机失效或者有意地关闭，也就是说，只要电机30没有电，就保持磁铁7也不接电，那么弹簧8在最短的时间内将锁止销11压入到其中一个槽21内。因此防止蜗杆20继而也间接地防止行星齿轮架2继续旋转运动。第一输入传动件1始终将转向盘的旋转运动通过分级行星轮3传递到输出传动件4。但是现在传递的转向角和转矩处于固定的传动比，即所谓的叠加传动装置12的固定传动(Standübersetzung)。

因此在这种情况下能够以完全的安全性进行汽车的可靠的转向。在这种情况下，仅需放弃转向过程的借助于伺服电机的支持。

尽管设置长孔槽21，如果锁止销11在插入和/或抽出时经常碰到接片并且因此造成不舒服的噪声，那么可以设置一个用于噪声减震的辅助机构，例如按一种液压的减震器的形式。另外也可以如下方式实现该辅助机构，即锁止销和磁铁的衔铁构成分开的结构件，在它们之间设置一个柔性的中间元件，例如一个减震弹簧。

在此所述实施例转移在所谓的AFS(主动式前轮转向)转向装置，也简称为AS(主动式转向)。电机30是一个变频器馈电的无刷的直流电机，它可以通过一个锁止器10锁止。锁止作用这样大，使得即使在发出最大转矩(Md＝Mdmax，见图2)时电机30也可以固定保持在静止状态。在根本意义上在此涉及锁止器，很少涉及一个制动器或类似物。所述锁止器以及后面还描述的功能诊断可以用于不同的电机类型，例如用于异步电机或直流有刷电机。

在图2中还更详细地描述电机30和锁止器10。在图中可以看出，销11插入到长孔形的槽21内，销也可以是一根杆，槽位于设置于其上的传动件上，在此为蜗杆20。槽也可以设置在传动件20的其它位置上或者也可能在行星齿轮架(见图1中的附图标记“2”)上。在AS中，槽21优选设置在蜗杆20上。但是这同样可以发生在一个齿轮或一个带轮上。

锁止器10的目的是，锁止未通电的电机30。这表示，如果汽车关闭，即点火系统关闭，那么锁止器总是置入。在此建议的助力转向装置也有一个诊断电路40，它检验锁止器10的功能。在接通点火系统时，AS系统启动并且执行下述诊断：

首先在锁止器10关闭在电机30上时，在转子磁场的方向上即在转子固定的dq坐标系(见图2)的d轴方向上调整定子磁场。转子的方向得自于一个转子位置传感器，它可以是一个分解器即一个电感传感器，或者它可以是一个磁阻传感器。磁场的大小通过在各电机相上发出预定的电压这样选择，使得在定子磁场垂直于转子磁场时(在q方向上)产生期望的最大转矩。

因为两个场首先平行延伸不产生转矩并且电机不运动。然后定子磁场相对于转子磁场逐步旋转，直到这两个场最终处于彼此垂直。其中，在电机轴上产生的转矩也从零一直增加到最大值，最大值在90°时达到(图4)。电机30在这种情况下不能运动，因为它被锁止器10锁止。可能出现的是，锁止销11不完全卡入到一个槽21内(见图2)。在这样的情况下，转子最多允许以在两个槽之间的角度继续运动。如果转子在转矩建立期间运动超过两个槽之间的角度，那么得不到锁止器的锁止作用并且有锁止器故障。

图3示出定子磁场，它通过定子电流IS描述并且它从零角位置(

)一直旋转到九十度位置(

)。在图4中，建立的转矩Md涉及最大转矩Mdmax。虚线示出理想的正弦曲线，实线示出实际测量的曲线，它主要受结构件误差和角位置传感器的误差波动影响。

除了锁止器10的功能检验，诊断电路40也可以检验在电机供电线中的电流传感器的功能以及在末级和电机绕组(各相U、V、W)之间的线路的连接。因为通过定子磁场旋转运动90°，必须在每个相至少暂时地流过一个电流。除了发出的电压之外，电流的大小也取决于线路和接触的质量。如果电流传感器在整个过程期间提供零数值或者一个其它的常数值，那么这个传感器有故障或者所属的相没有连接。

是否在传感器中或者在所述相上有故障，通过下面的方式可以区分，即在一个相未连接的情况下，两个保留的相流过相同的电流(具有不同的符号)并且所属的电流传感器相应提供相同的数值。如果相反传感器有故障，那么保留的电流传感器提供大小不同的数值。

在此描述的诊断方法中，转矩Md通过相对于转子旋转定子磁场建立，该诊断方法主要具有下列优点：

首先能够测试各电流传感器和各电机相，因为所有相暂时地借助于也称之为功率控制单元PCU的变流电路(Sromrichterschaltung)通电。另外如果由位置传感器提供的数值是错误的，那么在定子磁场的旋转运动期间也有一次达到最大转矩。此处建议的方法主要建立在定子磁场的一个相旋上。

如果取而代之采用单纯的幅值上升，以便建立转矩，那么首先调整定子磁场垂直于转子(q方向)并且紧接着将定子电流仅在大小方面从零提高到最大值。在此然而有一些转子位置，其中，一个相保持不通电。因此不能进行该电机相及其所属的电流传感器的测试。在转子位置角的错误数值时另外不能得到完整的电机转矩。

如果成功进行锁止器和电流线路的测试，那么可以打开锁止器并且释放电机用于运行。现在，诊断电路40还可以用于检验转子位置传感器31的功能(见图2)：

如果现在再次将一个场放置在转子磁场的方向(d方向)上，那么现在可以自由旋转的转子不允许运动。如果转子运动，那么由转子位置传感器31提供的数值是错误的。因为电机30在安装状态下仅在较大的转矩时运动，角信号上的误差一定不是不明显的。它可能大约为四十度(大约40°)或者更大。出现的误差主要取决于电机轴上的摩擦。在较小的误差(＜10°)时产生的转矩相对较小并且电机可能不运动。但是这样小的误差角不是原则性的问题，因为电机以其惯常的方式运行，仅仅效率变差。相反在较大的误差角(大约90°)时电机可以不受控制地运行并且如果误差未及时识别就可能导致危险的行驶情况。

在点火循环结束时，这样定位转子，使得锁止销落入到一个槽内。槽的位置可以从起始位置和已知的槽分布计算出，起始位置在点火循环开始时在打开锁止器之前片刻存储。驶近相应后面的槽。如果到达这个位置，那么锁止器可以按理想的方式关闭。这种由诊断电路和控制电路执行的定位方法的优点主要在于，不出现噪声、咔嗒声或类似的声学干扰，因为在锁止器测试时在每一个点火循环开始时销已经最优地安置在槽内。

所述诊断电路40可以看作为单独的方案，它可以检验任意一种锁止器。该诊断允许在最短的时间内(若干个10ms)确定锁止器、电机线路、电流传感器以及转子位置传感器的状态。它在已经启动运行之前识别可能负面影响整个系统安全性的这些部件的严重缺陷继而可以有效地有助于提高安全性。

Claims (9)

1.一种助力转向装置，它包括一个电机(30)和一个由电机控制的叠加传动装置(12)，叠加传动装置给一个在汽车的转向把手上预定的转向角叠加一个修正角，其中，电机(30)的转子使叠加传动装置(12)的一个机械的传动件(20)运动并且电机(30)具有一个机械的锁止器(10)，该锁止器除了电机(30)电关闭外也起作用并且该锁止器至少在有干扰的情况下将叠加传动装置(12)的机械的传动件(20)固定并且防止其运动，其特征在于：传动件(20)设有一些长孔形的槽(21)，机械的锁止器(10)的一根销(11)插入到所述槽内，并且锁止器(10)与一个诊断电路(40)连接，诊断电路在锁止器解联锁之前检验电机(30)和锁止器(10)的无故障的锁止功能。

2.按权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于：销(11)弹性地支承并且具有一个尖形延伸的形状，该形状确保销(11)至少这样深地插入到槽(21)内，使得电机(30)的转子即使在发出最大转矩的情况下也保持固定。

3.按权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于：可由锁止器(10)固定的机械的传动件是一个蜗杆(20)、一个蜗轮、一个螺纹件或者一个螺旋齿轮。

4.按权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于：诊断电路(40)与电流传感器连接，电流传感器测量电机(30)的定子的电流供给，并且诊断电路(40)检验是否在转矩(Md)上升的情况下电流传感器指示电流值不等于零或者至少在诊断期间变化。

5.按权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于：诊断电路(40)监控电机(30)的定子绕组(U，V，W)的通电并且控制定子磁场相对于转子磁场逐步的旋转，使得由电机(30)施加的转矩(Md)从零数值一直上升至其最大值(Mdmax)。

6.按权利要求1所述的助力转向装置，其特征在于：诊断电路(40)与一个转子位置传感器(31)连接，后者测量转子的角位置，诊断电路(40)检验是否在转矩(Md)上升的情况下电机(30)的转子保持静止状态。

7.按权利要求6所述的助力转向装置，其特征在于：转子位置传感器是一个电感传感器或者一个磁阻传感器(40)。

8.按权利要求5所述的助力转向装置，其特征在于：诊断电路(40)也检验转子位置传感器(31)的功能，这是通过诊断电路(40)在转子机械解锁的情况下产生一个在转子方向上定向的定子磁场并且然后通过诊断电路(40)监控转子是否运动。

9.按权利要求5所述的助力转向装置，其特征在于：诊断电路(40)在点火循环开始时并且在锁止器解联锁之前存储由转子位置传感器(31)测量的角位置，并且控制电路(ECU)控制电机(30)的通电，以便借助于存储的角位置和已知的槽分布将转子最优地定位到锁止销的位置。

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