CN100457528C - 装有转向角传感器的电动转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动转向装置，其包括：连接到车辆的方向盘的转向轴；用于提供辅助转向动力的电动马达；含有彼此面对的光发射单元和光接收单元的方向传感器；置于所述光发射单元和所述光接收单元之间的旋转件，其具有至少一个槽并随着转向轴旋转而旋转；用于检测电动马达旋转轴的旋转角度的马达位置传感器；和接收来自方向传感器和马达位置传感器的电信号以计算转向角度的控制单元。

Description

装有转向角传感器的电动转向装置

技术领域

本发明涉及一种装有转向角传感器的电动转向装置。更具体地，本发明涉及一种电动转向装置，该装置设有转向角传感器，所述转向角传感器包括用来通过多级减速齿轮检测转向轴旋转方向的方向传感器和用来检测马达轴的旋转角度的传感器，以检测转向轴的绝对转向角，从而降低转向装置的制造成本。

背景技术

通常，利用液压泵的液压作为动力的液压动力转向装置已经被用作车辆的动力转向装置。自从二十世纪90年代，利用电动马达的电动转向装置终于得到普及。

在传统的液压转向装置中，液压泵作为给液压转向装置提供动力的动力源，由车辆的发动机进行操作，而且不论方向盘是否旋转总是消耗能量。另一方面，在电动转向装置中，如果方向盘旋转并产生转矩，由电能操作的电动马达提供辅助的转向动力。因此，当使用电动转向装置时，与液压动力转向装置相比，提高能量效率是可能的。

图1是表示用于车辆的传统电动转向装置的结构的示意图。

如图1所示，传统电动转向装置包括从方向盘101延伸至两个车轮108的转向系统100，和提供辅助转向动力的辅助动力机构120。

转向系统100包括转向轴102，所述转向轴的一端连接到方向盘101以随着方向盘101旋转，另一端通过一对万向节103连接到小齿轮轴104。此外，小齿轮轴104通过齿条-小齿轮机构105连接到齿杆109，同时齿杆109的两端通过连杆106和转向节臂107分别被连接到车辆的两个车轮。

齿条-小齿轮机构105具有安装在小齿轮轴104上的小齿轮111，形成在齿杆109一端的外表面上并与小齿轮111啮合的齿条112。当驾驶员操纵方向盘101时，在转向系统100中产生转矩，转矩引起齿条-小齿轮机构105和连杆106使轮子108转向。

辅助动力机构120包括转矩传感器121，用来检测由驾驶员施加到方向盘101的转矩以输出与检测到的转矩成比例的电信号，电控制单元123，用来根据从转矩传感器121传递的电信号产生控制信号，和电动马达130，用来基于从电控制单元123传递的控制信号产生辅助转向动力。

因此，在电动转向装置中，由方向盘101的旋转产生的转矩通过齿条-小齿轮机构105被传递给齿杆109。电动马达130根据产生的转矩产生的辅助转向动力被传递给齿杆109。换句话说，通过在转向系统100产生的转矩和从电动马达130产生的辅助动力，沿着齿杆109的轴移动齿杆。

在这样的电动转向装置中，根据驾驶车辆中方向盘相对于其初始位置的旋转角或者角速度，转向传感器给出电控制单元的信息。电控制单元执行滚动控制或轨道控制。

图2是解释测量传统转向装置的转向角的方法的方框图。

如图2所示，在测量传统转向装置的转向角的方法中，转向角传感器200使用光学传感器和带狭缝的盘(slit disc)获得转向信息，并且将获得的信息传递给电控制单元123。电控制单元123计算方向盘的转向角和角速度。

此外，依照传统技术的转向角传感器200包括光学传感器301和带狭缝的盘303，如图3和4所示。含有光学传感器301的转向管柱开关被固定在驾驶杆，而带狭缝的盘303安装在转向轴102，以当方向盘旋转的时候随着方向盘旋转。

带狭缝的盘303置于光学传感器301的光发射元件401和光接收元件403之间，以当操纵方向盘时随着转向轴102旋转。此时，依照来自光发射元件401的光是否传递给光接收元件403确定电信号。

图5是表示转向角传感器依照传统技术的输出信号的波形图。

如图5所示，依照来自光发射单元的光是否传递给光接收单元，在电压上存在差异。由电压的变化产生的电信号被传递给电控制单元，于是电控制单元能够测量转向角。

然而，转向角传感器依照传统技术具有一个问题，即0°，±360°，±720°的转向角被认为是同一角度。换句话说，存在的缺陷是转向角传感器不能区分顺时针旋转和反时针旋转。

为了解决这些问题，应当使用高性能的绝对转向传感器来测量绝对转向角。然而，因为绝对转向传感器是昂贵的部件，这导致转向装置的制造成本增加。

为了解决传统技术的上述问题，本申请人提出了一种转向装置，其内容在韩国专利申请No.10-2005-72953公开。然而，存在的问题是在上述申请中公开的转向装置难以在狭窄的空间内安装。

发明内容

因此，提出本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种电动转向装置，该装置设有转向角传感器，所述转向角传感器包括通过多级减速齿轮用于检测转向轴旋转方向的方向传感器和用于检测马达轴旋转角度的传感器，以检测转向轴的绝对转向角，因而降低转向装置的制造成本。

依照本发明的一个方面，提供了一种电动转向装置，其包括：连接到车辆的方向盘的转向轴；用于供应辅助转向动力的电动马达；含有彼此面对的光发射单元和光接收单元的方向传感器；置于所述光发射单元和光接收单元之间的旋转件，其具有至少一个槽并随着转向轴的旋转而旋转，所述槽形成为具有沿着旋转件的旋转方向的圆弧；第一齿轮，其形成在转向轴的外表面上；第二齿轮形，其成在旋转件的外表面上；至少一个减速齿轮，其布置在所述转向轴和旋转件之间以与第一和第二齿轮联合运动；用于检测电动马达的转向轴的旋转角的马达位置传感器；接收来自方向传感器和马达位置传感器的电信号以计算转向角度的电子控制单元。

附图说明

通过下面结合附图所作的详细说明，本发明的上述和其它目的，特征及优点将变得更明显，其中：

图1是传统电动转向装置的结构的示意图；

图2是依照传统技术用于测量转向角的方法的方框图；

图3是表示传统转向角传感器的结构的示意图；

图4是解释传统转向角传感器的原理的示意图；

图5是表示传统转向角传感器的输出信号的波形图；

图6A是依照本发明第一实施例的转向角传感器的透视图；

图6B是依照本发明第一实施例的转向角传感器的侧视图；

图7是依照本发明第一实施例的转向角传感器的局部截面图；

图8是减速齿轮的示意图；

图9A，9B和9C分别表示随转向轴单方向旋转，方向传感器的操作的平面图；和

图10是依照本发明第二实施例的一部分转向角传感器的透视图。

具体实施方式

现在将详细地说明本发明的优选实施例。应当指出，相似的部件由相似的参考序号进行标记，尽管在不同的图中均对它们做出说明。另外，在下述说明中，在与本发明的主题不明显相关时，在此结合引入的已知功能和结构的详细说明将予以省略。

图6A是依照本发明第一实施例的转向角传感器的透视图，图6B是依照本发明第一实施例的转向角传感器的侧视图。图7是依照本发明第一实施例的转向角传感器的局部截面图。

如图6A，6B和7所示，依照本发明第一实施例的转向角传感器包括：具有光发射单元601和光接收单元602的方向传感器610；旋转件620，其随着转向轴102的旋转而旋转且穿过方向传感器610的光发射单元601和光接收单元602之间，并具有在这之间形成的狭槽611；置于转向轴102和旋转件620之间的减速齿轮630；设置在向转向轴102提供辅助动力的电动马达130上的马达位置传感器640；用于检测马达轴的旋转角和接收来自方向传感器610和马达位置传感器640的电信号以计算转向角的电控制单元123。

方向传感器包括：光发射单元601，光接收单元602，和电路板603。

光发射单元601和光接收单元602彼此相向布置。光发射单元601产生并传递比如电信号，磁信号或光信号的信号给光接收单元602。

在光发射单元601和光接收单元602之间旋转的旋转件620具有这样的结构，即其可以中断和允许由光发射单元601产生的信号穿过旋转件620，于是对于方向传感器610检测转向轴102的旋转方向是可能的。

包括光发射元件401和光接收单元403的光传感器被用作方向传感器610。发光二极管(LED)可用作光发射元件401，光电晶体管可用作光接收元件403。然而，光发射元件和光接收元件不限于所述发光二极管和光电晶体管。

电路板603被连接到光发射单元601和光接收单元602，向光发射单元601供电。当由于光接收单元602接收或者不接收信号而产生特定的电信号时，电路板603传递该产生的信号给电控制单元123。一般，利用印刷电路板(PCB)作为电路板603，但是电路板不限于所述PCB。

减速齿轮630降低转向轴102的旋转速度并将旋转力传递给旋转件620。减速齿轮630包括第一减速齿轮621，第二减速齿轮623，第三减速齿轮625和第四减速齿轮627。传统的正齿轮或斜齿轮可以用作减速齿轮630。

图8是减速齿轮的示意图。

如图8所示，减速齿轮630被置于第一和第二齿轮631和613之间。通过减速齿轮630，第一齿轮631的旋转力最终传递给第二齿轮613。此外，第一齿轮631沿着与第二齿轮613相反的方向旋转，但是这会依照减速齿轮630中齿轮的数量而改变。

第一减速齿轮621与在转向轴102的外围表面上形成的第一齿轮631啮合并旋转。第一齿轮631具有70个齿，而第一减速齿轮621具有50个齿。因此，第一齿轮631与第一减速齿轮621的齿轮齿数比是7∶5。

第二减速齿轮623形成在第一减速齿轮621的表面上并与第一减速齿轮621同轴。第三减速齿轮625与第二减速齿轮623啮合以旋转。第二减速齿轮623具有10个齿，第三减速齿轮625具有40个齿。因此，第二减速齿轮623与第三减速齿轮625的齿数比为1∶4。

第四减速齿轮627同轴地形成在第三减速齿轮625的表面上，与形成在旋转件620外表面上的第二减速齿轮613啮合并旋转。第四减速齿轮627具有20个齿，第二齿轮具有42个齿。因此，第四减速齿轮627与第二齿轮613的齿数比为10∶21。

通过减速齿轮630的操作第二齿轮613与第一齿轮631的最终减速齿数比1∶6。换句话说，当那个转向轴102旋转六次时，旋转件620旋转一次。

如上所述，根据转向轴102的旋转，旋转件620的旋转角能够通过改变第一齿轮631，减速齿轮630和第二齿轮613的齿的数量进行调整。

此外，第一减速齿轮621和第二减速齿轮623一体地形成以彼此同轴，第三减速齿轮625和第四减速齿轮627一体地形成以彼此同轴。因此，它们被布置在平行的表面上。在这种情况下，通过调整齿轮的数量和厚度，使齿轮占据的空间最小化是可能的。

另外，因为第二减速齿轮623的齿数少于第三减速齿轮625的齿数，第一减速齿轮621与第三减速齿轮625交叠。因此，一定程度上减少第一减速齿轮621与第三减速齿轮625交叠的空间是可能的。

马达位置传感器640是被安装在电动马达130上并检测当电动马达运转时电动马达旋转轴的旋转角的装置。马达位置传感器640检测电动马达旋转轴的旋转角并对应该具体角度产生一个脉冲。然后，马达位置传感器将产生的脉冲传递给电控制单元123。

电控制单元123是接收关于车辆速度、转向转矩和电动马达旋转轴的位置的信息的单元，所述信息由包括速度传感器，转矩传感器和马达位置传感器的各种传感器检测并转换为电信号。具体地，按照本发明，电控制单元123接收来自检测转向轴旋转方向的方向传感器610的电信号，也接收来自马达位置传感器640的关于电动马达旋转轴的旋转角的变化信息，以计算转向角度。

图9A，9B和9C分别是随着转向轴单方向旋转，方向传感器的操作的平面图。

此后，依照本发明优选实施例的转向角传感器的操作将参照图9A，9B和9C进行说明。

当车辆的方向盘在反时针方向从初始的中立位置A-A′旋转一定角度，此时，置于光发射元件401和光接收元件403之间的旋转件620在顺时针方向从中立位置A-A′旋转一定角度，以允许来自光发射元件401的光通过狭槽611。此外，由于转向轴102在顺时针方向旋转，旋转件620在反时针方向旋转并到达最终的位置B-B′。在旋转件620的旋转过程中，旋转件620允许来自光发射元件401的光穿过旋转件620的槽611并到达光接收元件403。因此，在这种情况下，电信号稳定地从方向传感器传递给电控制单元。

例如，当驾驶员操作方向盘并向右转动时，旋转件停留在上述位置，电控制单元就能检测到当前车辆的方向盘已经向右旋转。

另一方面，每当电动马达的旋转轴旋转一定角度时，马达位置传感器都传递电信号给电控制单元。因此，通过这样的电信号，电控制单元能知道电动马达旋转轴的旋转角，并且如果它计算电动马达旋转轴的旋转角度及蜗轮与蜗杆的减速比就能够计算转向轴的旋转角度。换句话说，如果由马达位置传感器检测到的电动马达旋转轴的旋转角为0.28度，蜗轮与蜗杆的减速比为4∶1的话，绝对转向角为1.12度(0.28x4)。

从方向传感器传递的电信号指示转向轴的旋转方向，从马达位置传感器传递的电信号指示转向轴的旋转角。因此，识别转向轴的旋转方向和绝对旋转角度是可能的。

这样的原理对于转向轴在任一方向旋转的情况都是可应用的，例如，顺时针或反时针。此外，当已经在一个方向旋转的转向轴在反方向旋转并且越过中立位置时，旋转件也越过中立位置以临时截取来自方向传感器的光发射单元的光。结果，电信号的临时变化发生。依照这样的电信号变化，电控制单元检测转向轴在反方向旋转。

图10是依照本发明第二实施例的转向角传感器的局部透视图。

在依照本发明的第二实施例的转向角传感器中，如图10所示，狭槽611包括具有所需长度的第一槽1001和具有的长度比第一槽1001的长的第二槽1003。方向传感器610包括：依照第一槽1001的运动进行操作的第一方向传感器1005，和依照第二槽1003的运动进行操作的第二方向传感器1007。此外，第一和第二槽1001和1003彼此同轴并具有圆弧形状。

在依照如上所述的本发明第一实施例的转向角传感器中，存在的问题是，当旋转件越过中立位置时，因为只形成有一个槽，难以同时处理多个信号。此外，存在的另一个问题是，因为在转向过程中发生的各种错误，对于方向传感器难以精确地检测中立位置。

与此同时，在依照本发明第二实施例的转向角传感器中，当旋转件620越过中立位置A-A′时，第一和第二方向传感器1005和1007分别随着第一槽1001和第二槽1003的运动进行操作。

换句话说，第一槽1001和第一方向传感器1005检测中立位置A-A′以将第一信号传递给电控制单元(没有画出)，同时第二槽1003和第二方向传感器1007也检测中立位置A-A′以将第二信号传递给电控制单元。

因此，在这种情况下，电控制单元将第一信号与第二信号进行比较并计算预定范围内的值，从而确认与所述值对应的位置作为中立位置A-A′。

本发明第二实施例的转向角传感器具有和本发明第一实施例的转向角传感器一样的结构和操作。因此，一样的参考序号指示相同的元件，而且省略所述结构和操作的详细说明。

如上所述，依照本发明，转向角传感器利用方向传感器和马达位置传感器检测转向轴的绝对转向角度，其中所述方向传感器通过多级减速齿轮检测转向轴的旋转方向，马达位置传感器检测电动马达旋转轴的旋转角度。由此，具有降低转向装置制造成本的优点。

虽然通过最佳实施例和优选方案对本发明进行了说明，应当认识到本发明不限于已公开的实施例和附图，而相反，在权利要求的精神和范围内，意图使本发明覆盖各种修改和变化。

Claims (2)

1、一种电动转向装置，其包括：

连接到车辆的方向盘的转向轴；

用于提供辅助转向动力的电动马达；

包括彼此面对的光发射单元和光接收单元的方向传感器；

置于所述光发射单元和所述光接收单元之间的旋转件，其具有至少一个槽并随着转向轴旋转而旋转，所述槽形成为具有沿着旋转件的旋转方向的圆弧；

第一齿轮，其形成在转向轴的外表面上；

第二齿轮，其形成在旋转件的外表面上；

至少一个减速齿轮，其布置在所述转向轴和旋转件之间以与第一和第二齿轮联合运动；

用于检测电动马达旋转轴的旋转角度的马达位置传感器；和

接收来自方向传感器和马达位置传感器的电信号以计算转向角度的电子控制单元。

2、如权利要求1所述的电动转向装置，其中所述减速齿轮包括至少两个多级齿轮。

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