CN101486356A - 结合有应变仪的转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机动车的转向系统(10)。该转向系统(10)的特征在于该转向系统(10)的至少一个部件由纤维复合材料制成，并且用于测量转向扭矩的应变仪(16)至少部分地结合在纤维复合塑料中。

Description

结合有应变仪的转向系统
技术领域
本发明涉及机动车的转向系统，该转向系统包括转向输入轴和应变仪。
背景技术
机动车转向系统包括由驾驶员操作的方向盘，所述方向盘产生转向扭矩，该转向扭矩通过转向柱和齿轮施加给具有转向轮的车轴。在操纵或低速行驶期间，为了减小机动车处于停滞状态时操纵方向盘的力，许多机动车都设置有转向辅助系统，其被称为助力转向系统。
在机动车中不仅采用手动的、液压的、电液的转向系统，而且还越来越多地采用机电转向系统。通过直接介入机动车的相应的电子元件和数据处理系统，转向操纵感能够与机动车的相应类型和相应驾驶状况相匹配。由驾驶员施加的扭矩总是需要获得的变量。不管转向辅助系统的物理原理如何，如果将注意力集中在现实的操作感上，那么实际的辅助便总是取决于所施加的扭矩。
如果在液压转向系统中，助力的量是通过以机械方式操作的旋转滑阀来提供的，那么在通过电力致动器进行助力的情况下就总是需要将扭矩转换为电信号。
这种机电式助力转向系统的示例有：
·单/双小齿轮的EPAS
·中心/同心齿条EPAS
·柱式EPAS
机电转向系统主要应用在微型汽车或中型汽车中，因为12伏车载动力系统提供的动力有限，使得轴负载高的机动车类型不能或难以采用机电转向系统。为此，转向操作当前由依赖于液压操作的系统来进行，然而其中的转向阀由电动阀来替代。结果，能够对高轴负载进行操作而不会失去EPAS的传统功能。此外，将驾驶员施加的扭矩转换为电信号是不可避免的。
相关示例有：
·电子阀系统(E阀)
·中间位置封闭系统(Closed-center System)
不管相应的转向辅助系统的物理原理如何，都需要将转向扭矩作测量值，以便能够在诸如电动机等致动器的帮助下为机动车的驾驶员产生适当的转向助力。因此，有必要获取由机动车驾驶员施加的扭矩并将其转换为电信号。本领域普通技术人员目前已知多种不同的扭矩传感器，借助这些传感器可以检测到所产生的相应的转向扭矩。
这些传感器包括下列示例：
·磁弹性传感器，其利用磁场改变时电阻改变的效应，
·感应传感器，其依赖于电磁的物理定律，但是其不具有像上述传感器那样的两个或更多线圈，而是只有一个线圈，
·霍耳效应传感器，其利用霍耳效应测量某位置的磁场和电流，或者
·电位传感器，其属于基于电位计的被动传感器，而且在其帮助下诸如长度和角度的物理变量显示为诸如电压或电流的模电变量。
所有这些事实上已知的系统的缺点在于，它们必须包括设计为具有规定刚度的扭杆，通过该扭杆的旋转角度检测到诸如由液压操作的转向系统所施加的转向扭矩，这样才有可能将其转换为电信号。这种扭杆设计为具有规定刚度，使得其旋转角度能够构成所施加的扭矩的测量尺度。上文所述的原理利用相对转动中包含的这种信息以实现将其转换为电信号的目的。另外，转向组件中结合有扭杆意味着在设计和制造方面需要额外的费用。
还已知的是利用应变仪来确定扭矩。应变仪的基本原理是基于导体的电阻变化进行操作，当测量方向上发生变形时位于传感器中的测量网格的所述电阻便会发生改变。变形的原因可以是例如力、压力或扭矩发生了变化。在当前制造应变仪的方法中，导电图案从施加到底膜上的金属薄片蚀刻出来。然后，借助特殊的胶料将该底膜附接到将待监控的部件上。制造和附接应变仪的操作非常复杂而且经常发生故障。如果待监控的部件由导电材料制成的话，这种情况将更甚，因为那时应变仪与待检测的部件之间必须设置电绝缘层。
发明内容
本发明的目的是提供一种机电转向系统，其使得能够对转向扭矩进行可靠的测量而无需使用扭杆。就实用性而言，该转向系统在结构和制造方面不复杂、简单且成本低，而且其受到的磨损的可能性很小。
根据本发明，该目的通过一种机动车的机电转向系统来实现，其中该转向系统的至少一个部件由纤维复合材料制成，并且用于测量转向扭矩的应变仪至少部分地结合在纤维复合塑料中。
本发明依赖于下列事实，即当转向系统包括至少一个不是由金属或金属合金而是由纤维复合塑料制成的部件时，可以直接将应变仪或金属导体或整个测量网格结合到相应的部件中。结合意指这样的事实，即应变仪或感应测量网格(或相应的感测导体)是直接放置在离散的纤维层之间的，并且其端部被引导穿过且导出该纤维复合部件，以备连接。
可能合适的部件是被驾驶员所施加的扭矩扭转的全部部件。因此，优选地在转向输入轴、延伸轴、转向柱或转向柱的至少部分部件中进行结合。
包括应变仪的部件执行扭矩传感器的功能，而不会失去其最初的功能，该最初的功能是传递驾驶员施加的扭矩。
应变仪也可以各种方式结合在纤维复合塑料中，使得能够通过产生的电阻来形成惠斯登1/4桥或惠斯登半桥或惠斯登全桥。
优选地，纤维复合塑料包括玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维。这些纤维复合塑料通常具有高强度和高弹性系数的特征。而且，它们不会老化，并且不受天气影响以及耐热和防火。
应变仪可以仅由导电材料制成或者在任何位置都不进行电绝缘，但是其也可以通过非导电材料与其附接或接入的部件绝缘。应变仪可以通过突出到纤维复合塑料外的连接部被接触到。
设置电接触的一种可能方式是优选借助滑环进行分流。如此一来，结合在纤维复合塑料中的应变仪在一侧被供以充足的工作电压，在另一侧实际测量信号可以通过滑环进行分流。通过诸如电刷等对滑环进行分流，滑环便被接触，使得能够确保供电并且确保测量信号。也可以设想对应变仪进行固定绕线；这也使得能够向应变仪供应充足的工作电压并确保测量信号分流。这种布线方式例如可以通过扁平螺旋簧来实现。在特别有利的实施方案中，测量值无接触地进行传递，例如经由无线电、蓝牙或类似的传输系统。
根据本发明，应变仪或滑环、扁平螺旋弹簧或无线电接收器可以连接至控制装置。控制装置能够对由应变仪测量到的转向扭矩进行处理并借助电致动器来辅助转向操作。还可以设想对已经确定的输入或计算出的目标变量进行安全性比较。
优选地，将桥式放大器结合到控制装置中。所结合的桥式放大器既能够提供所需的电源电压，还能够对测量信号进行放大。根据所希望的放大幅度，该信号因而可以设在0伏-5伏或0伏-10伏的范围内。接下来，该信号可以模拟或数字形式被转换，并且可以按比例换算出相应的扭矩。如果未使用该转向系统，则桥式放大器的输出电压是0伏。当机动车的驾驶员进行转向运动时，转向输入轴被扭转，使得应变仪内的电阻发生改变。根据所施加的扭矩的值和方向，分流的电压以模拟形式变化。
附图说明
在下文中，将参照附图对本发明进行更为详细的描述。单个图1示出的是用于机动车的本发明的机电转向系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于机动车的本发明的转向系统10。转向系统10包括作为连接至转向柱的连接件的转向输入轴12。在其上端，转向输入轴12连接至未图示的转向柱，而且转向输入轴12的下端经由传动小齿轮26接合至齿条14，使得图中没有示出的方向盘的旋转运动得以通过转向输入轴12和传动小齿轮26传输至齿条14。
根据本发明，转向系统10的至少一部分至少部分地由纤维复合塑料构成。在所示的示例性实施方式中，应变仪16被结合到转向输入轴12中。应变仪16因而能够以不同方式结合在纤维复合塑料中，使得产生的电阻能够形成惠斯登1/4桥或惠斯登半桥或惠斯登全桥。
转向输入轴12由若干滑环18环绕，所述滑环18通过电刷20分流而且使得能够接触结合在纤维复合塑料中的应变仪16。控制装置22确保供应所需的电源电压。进一步地，分流的测量信号通过结合在控制装置22中的测量桥式放大器24进行放大。
本发明具有多种优点。通过避免使用扭杆以及通过设置多功能的部件，转向系统的总体重量被减小，而且转向输入轴12和转向小齿轮能够构造为单体部件。进一步地，省却了安装转向输入轴、扭杆和转向小齿轮的工序，而且通过省略扭杆使转向系统的刚度增大。还可以省略被称为安全板(safety flats)的构件。
附图公开并示出了本发明的示例性实施方案；也可以采用其它机械配置。本发明不限于所描述的示例性实施方式；其仅用于解释本发明。

Claims (12)

1、一种机动车的转向系统(10)，其特征在于，所述转向系统(10)的至少一个部件由纤维复合材料制成，并且用于测量转向扭矩的应变仪(16)至少部分地结合在纤维复合塑料中。
2、如权利要求1所述的转向系统(10)，其特征在于，所述应变仪(16)结合在转向输入轴(12)中。
3、如权利要求1所述的转向系统(10)，其特征在于，所述应变仪(16)结合在延伸轴中。
4、如权利要求1所述的转向系统(10)，其特征在于，所述应变仪(16)结合在转向柱的部件中。
5、如权利要求1至4中任一项所述的转向系统(10)，其特征在于，所述纤维复合塑料包括选自由玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维组成的集合的纤维。
6、如权利要求1至5中任一项所述的转向系统(10)，其特征在于，所述应变仪(16)的电接触通过至少一个滑环(18)形成，所述滑环(18)向所述应变仪(16)供应电源电压，并且通过所述滑环(18)测量信号得以分流。
7、如权利要求6所述的转向系统(10)，其特征在于，所述滑环通过设置在转向柱套中的电刷(20)进行分流。
8、如权利要求1至5中任一项所述的转向系统(10)，其特征在于，测量信号通过以固定方式绕线的扁平螺旋弹簧进行分流。
9、如权利要求1至5中任一项所述的转向系统(10)，其特征在于，测量信号无接触地进行分流。
10、如权利要求1至9中任一项所述的转向系统(10)，其特征在于，通过结合在控制装置(22)中的放大器(6)供应所述电源电压和放大所述测量信号。
11、如权利要求10所述的转向系统(10)，其特征在于，所述测量信号被作为所选的放大幅度0伏-5伏或0伏-10伏的函数提供给所述控制装置(22)，并且所述测量信号在模拟/数字转变之后被按比例换算成相应的扭矩。
12、如权利要求10或11所述的转向系统(10)，其特征在于，所述放大器配置为测量桥式放大器(24)。
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