CN103269938A - 车辆转向装置 - Google Patents

Abstract

一种车辆转向装置，其通过使用马达的驱动力执行使转向轴到达预定位置的倾斜操作，转向盘安装于转向轴的上端。该车辆转向装置包括：倾斜驱动马达，该倾斜驱动马达使转向轴能够在倾斜操作期间进行移动；以及控制单元，该控制单元控制倾斜驱动马达的驱动。控制单元驱动倾斜驱动马达，以便基于倾斜驱动马达的扭矩与在转向柱中产生的转向扭矩的合力，由机械系统的考虑到转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定倾斜位移量，转向轴可旋转地支承在转向柱中。

Description

车辆转向装置

技术领域

本发明涉及车辆转向装置。更具体地，本发明涉及通过驱动马达将转向盘移动至所存储的倾斜位置（以及伸缩位置）的车辆转向装置。

背景技术

在车辆转向装置的领域中，近年来已经提出了如下车辆转向装置：在该车辆转向装置中，作为转向构件的转向盘的位置能够自动地调节至对于每个驾驶员的最佳位置（例如，参考专利文件1至2）。

在这些车辆转向装置中，预先地存储对于驾驶员的最佳转向盘位置（驾驶员位置），并且通过对设置在仪表板上的控制面板上的选择开关进行操作，将转向盘移动至所存储的位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP-A-63-265766

专利文献2：JP-A-5-229375

发明内容

本发明要解决的问题

在能够通过对马达进行驱动以控制转向盘位置的车辆转向装置中，角度传感器用于检测倾斜位置，并且基于检测结果控制该马达进行驱动。然而，由于角度传感器是昂贵的，所以仅在部分高等级乘用车中采用该车辆转向装置，并且该车辆转向装置还未普及至普通等级的乘用车。

鉴于这些情况创造了本发明，并且本发明的目的是提供如下车辆转向装置：在这种车辆转向装置中，在不使用这种角度传感器的情况下，能够将转向盘移动至预期的倾斜位置。

解决问题的方法

（1）根据本发明的方面，提供了一种车辆转向装置，该车辆转向装置通过使用马达的驱动力执行使转向轴到达预定位置的倾斜操作，转向盘安装于转向轴的上端，该车辆转向装置包括：倾斜驱动马达，该倾斜驱动马达使转向轴能够在倾斜操作期间进行移动；以及控制单元，该控制单元控制倾斜驱动马达的驱动，其中，控制单元驱动倾斜马达，以便基于倾斜驱动马达的扭矩与在转向柱中产生的转向扭矩的合力，由机械系统的考虑到转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定倾斜位移量，转向轴可旋转地支承在转向柱中。

在上述车辆转向装置中，控制倾斜驱动马达进行驱动，从而使得能够基于倾斜驱动马达的扭矩与在转向柱中产生的转向扭矩的合力，通过使用机械系统的考虑到转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定倾斜位移量。这使得能够在不使用传统的昂贵的角度传感器的情况下控制倾斜位置。

（2）在根据（1）所述的车辆转向装置中，控制单元优选地构造为根据倾斜位移量θ通过以预定通电模式调节用于向倾斜驱动马达通电的通电时间而将转向柱倾斜至目标位置。当出现这一情况时，通过调节用于向倾斜驱动马达通电的通电时间，能够将转向柱移动至目标位置。

（3）在根据（1）或（2）所述的车辆转向装置中，当在倾斜操作期间检测到转向扭矩超过预定值时，控制单元优选地驱动倾斜驱动马达从而使转向柱返回至倾斜操作的初始位置。在执行开环控制中，当大的外力（转向扭矩）作用在转向柱上时，可能存在控制之后的转向柱的位置偏离所存储的最佳位置的担心。然而，通过当在倾斜转向柱时检测到转向扭矩超过预定的值时将转向柱返回至其倾斜的初始位置，能够阻止这种偏离的出现。能够对已经返回至初始位置的转向柱再次执行开环控制，由此将转向柱移动至所存储的最佳倾斜位置。

（4）在根据（3）所述的车辆转向装置中，车辆转向装置优选地包括检测转向柱返回至初始位置的传感器。当出现这一情况时，能够基于由传感器进行的检测以确保的方式使转向柱返回至预定的初始位置。

（5）在根据（1）至（4）中的任一项所述的车辆转向装置中，车辆转向装置优选地包括伸缩驱动马达，该伸缩驱动马达使转向柱能够伸缩，并且控制单元控制伸缩驱动马达的驱动且优选地驱动该伸缩驱动马达，从而基于伸缩驱动马达的扭矩与在转向柱中产生的转向扭矩的合力、由机械系统的考虑到转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定伸缩位移量。当出现这一情况时，不仅能够将转向盘移动至所存储的最佳倾斜位置，还能够将转向盘移动至所存储的最佳伸缩位置。

（6）在根据在根据（1）至（5）中的任一项所述的车辆转向装置中，转向辅助马达优选地用作倾斜驱动马达和伸缩驱动马达。当出现这一情况时，单个马达能够起到转向辅助马达、倾斜驱动马达和伸缩驱动马达三种作用，由此，减少车辆转向装置所涉及的部件的数量。

本发明的优点

根据本发明的车辆转向装置，在不使用任何角度传感器的情况下，能够将转向盘移动至预期的倾斜位置。

附图说明

图1是示出了本发明的车辆转向装置的实施方式的一部分的说明性视图。

图2是利用本发明实施方式的车辆转向装置进行的倾斜位置控制的流程图。

图3是通电模式的说明性视图。

具体实施方式

下文中，参照附图，将对根据本发明实施方式的车辆转向装置的实施方式进行详细地描述。

图1是示出根据本发明实施方式的车辆转向装置的一部分的说明性视图。作为电动助力转向装置的示例的电动助力转向装置包括由驾驶员转动的转向盘1、与转向盘的转动相关联地使转向轮2进行转向的转向机构3、辅助驾驶员转向的转向辅助机构4、以及将转向盘1和转向机构3进行连接以便将转向盘1的旋转传递至转向机构3的转向轴5和居间轴6。

转向轴5包括上转向轴5a和下转向轴5b。转向盘1连接至上转向轴5a的一端（上端），并且下转向轴5b经由伸缩驱动部10和万向节（未示出）连接至上转向轴5a的另一端。

上转向轴5a插入穿过设置在管状上转向柱7a中的伸缩驱动部10的内部。上转向轴5a连接至伸缩驱动部10，从而使得上转向轴5a能够竖向地延伸或收缩，但是不能够相对于伸缩驱动部10进行旋转。另一方面，该伸缩驱动部10可旋转地支承在上转向柱7a上。因此，上转向轴5a经由伸缩驱动部10可旋转地支承在上转向柱7a的内部。上转向柱7a附连至下转向柱7b的上端部，从而经由旋转轴8能够竖向旋转。下转向柱7b固定至车辆的底盘9。

伸缩驱动部10包括伸缩驱动马达（未示出）并且驱动上转向轴5a以通过使用例如蜗杆机构和进给螺杆机构使上转向轴5a沿轴向方向往复运动。

在下转向柱7b上设置有倾斜驱动部11，该倾斜驱动部11使得上转向柱7a、即转向盘1倾斜。在倾斜驱动部11中设置有杆12，使得杆12在轴向方向上往复运动，并且杆12的远端部经由销钉14附连至一体地形成在上转向柱7a上的臂部13以便在轴向方向上往复运动。倾斜驱动部11包括倾斜驱动马达15，并且通过旋转地驱动该倾斜驱动马达15，杆12经由未示出的蜗杆机构和进给螺柱机构延伸或收缩。当杆12延伸时，上转向柱7a如图1中长短交替的点划线所指示地向上旋转，由此将转向盘1移动至最靠上的撤回位置。相反地，当杆12收缩时，上转向柱7a向下旋转，由此将转向盘1移动至如图1中的实线所指示的上转向轴5a与上转向柱7a基本上同轴的位置。

转向机构3包括用作输入轴的小齿轮轴16以及用作输出轴的齿条轴17。居间轴6连接至小齿轮轴16，并且转向盘1的旋转经由转向轴5和居间轴6传递至小齿轮轴16。如此，小齿轮轴16旋转。小齿轮轴16的旋转借助于稍后将说明的小齿轮与齿条轴17的啮合转换成齿条轴17的轴向运动，由此使连接至齿条轴17的转向轮2转向。

小齿轮轴16包括输入轴19、输出轴21和小齿轮22，输入轴19经由接头18连接至居间轴6，输出轴21经由扭力杆20连接至输入轴19，小齿轮22形成在输出轴21的端部（下端）。输入轴19和输出轴21经由扭力杆22连接在一起，以便在相同的直线上相对地旋转。如此，当通过转动转向盘1将在输入轴19的轴线上的旋转扭矩输入输入轴19时，扭力杆22通过其弹性扭转变形将旋转扭矩传递至输出轴21。

在扭力杆22的周缘上设置有扭矩传感器23，并且该扭矩传感器23制作为用于基于输入轴19与输出轴21之间的相对旋转位移量检测由驾驶员输入的转向扭矩。由扭矩传感器23检测的转向扭矩输入至配备在车辆上的ECU（电子控制单元）24。

转向辅助机构4用于例如根据转向扭矩向转向机构3施加转向辅助力，并且转向辅助机构4包括转向辅助电动马达25、将电动马达25的动力传递至转向机构3的齿条轴13的传动机构26。该传动机构26包括减速机构27和滚珠丝杠机构28，其中，减速机构27由用于将电动马达25的旋转传递至齿条轴13、同时降低其速度的齿轮构成，滚珠丝杠机构28用作将电动马达25的由减速机构27传递的旋转转换成齿条轴13的轴向运动的转换机构。

当由驾驶员转动转向盘1时，由设置在扭力杆20的周缘上的扭矩传感器23检测所产生的转向扭矩，并且将所检测的转向扭矩输入至ECU24。该ECU24基于输入的检测结果以及从未示出的车辆速度传感器输入的车辆速度控制电动马达25。如此，从电动马达25产生基于转向扭矩和车辆速度的动力。由构成传动机构26的减速机构27和滚珠丝杠机构28将所输出的动力作为转向辅助力传递至齿条轴13，由此辅助驾驶员转动转向盘1。

倾斜驱动马达15、伸缩驱动马达和转向辅助电动马达25连接至ECU24，并且这些马达的驱动由ECU24的控制模块控制。

在根据本实施方式的电动助力转向装置中，能够将转向盘1的位置控制至对于驾驶车辆的驾驶员的最佳位置。该最佳位置能够预先存储在ECU24的存储模块中。存储模块中的最佳位置的存储能够由已知的方法实施，在已知的方法中，例如，当转向盘1处于预期位置时，对设置在车辆的仪表板上的控制面板（未示出）上的设定开关进行操作。

通过控制倾斜驱动马达15来实施对转向盘1的倾斜位置的控制，从而使得能够基于倾斜驱动马达15的扭矩与在上转向柱7a中产生的转向扭矩的合力、通过使用机械系统的考虑到转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定倾斜位移量。

当试图使包括转向盘1的倾斜驱动侧移位倾斜位移θ时，倾斜驱动侧需要基于倾斜驱动侧的总质量mg（g代表重力加速度）以及对应于在倾斜驱动侧的总长度上的倾斜驱动侧的形状的惯性J（倾斜惯性）的力。

此外，注意倾斜驱动侧的远端部（例如，转向盘），认为该远端部带有延迟地跟随旋转轴7即倾斜驱动轴的旋转。在像这样的共用部件中，相对于某点的位移速度v，相异的点的位移速度v’延迟的特性称为粘滞性，并且存在如下可能性：在旋转轴7充当起源的情况下，该粘滞性作用在倾斜驱动侧上，并且这被称为倾斜粘滞性C。

现在，假定在倾斜驱动马达15中，马达电压为V，马达电阻为R，马达电流为I，反电动势系数为k，马达旋转角速度为ω，马达扭矩为Tm，扭矩常数为G，减速比为n，以及施加在倾斜驱动侧的载荷（转向扭矩）为T载荷，能够构建下列表达式（1）至（4），并且在这四个表达式中，由作为运动方程式的表达式（3），倾斜驱动马达15的马达扭矩与转向扭矩之间的差值（n·Tm±T载荷）成为倾斜驱动侧的惯性量与粘滞性量的总和（Jθ"+Cθ'）。

V=R·I+k·ω…(1)

Tm=G·I…(2)

n·Tm±T载荷=Jθ"+Cθ'…(3)

ω=n·θ'…(4)

能够从上述表达式（1）至（4）推导出将倾斜驱动马达的电流I和倾斜角度θ作为变量的方程式θ=f(I)。当施加在倾斜驱动侧的载荷的不改变时，相对于倾斜驱动马达15的电流I唯一地确定倾斜角度θ，并且因此，通过使用预设的电流模式执行开环控制，能够将转向盘1的位置移动至预期的倾斜位置。

例如，能够将图3中所示的梯形模式用作所述电流模式，并且当出现这一情况时，能够通过改变对应于除了电流上升部分A和电流下降部分B之外的恒定值部分C的时间t来改变倾斜角度θ。已知作为电流特性，上升部分A和下降部分B的和基本上是恒定的，并且因此能够通过在考虑该部分的情况下设定通电时间来改变倾斜角度θ。

假定倾斜位移量θ的时间微分为dθ/dt(=θ')，那么它变为由倾斜驱动马达15驱动倾斜驱动部所必需的扭矩Tm带来的Jθ"+Cθ'部分的机械位移。

假定此时驾驶员转动转向盘1，转向扭矩（T载荷）添加至倾斜驱动侧的惯性和粘滞性。此时，由于转向扭矩T载荷是暂时性地作用的载荷，假定倾斜驱动马达15所需的目标扭矩T'为Tm±T载荷，即使转向扭矩起作用，也能够仅产生转向盘1到达存储在存储模块中的目标位置所必需的驱动扭矩，而不试图产生包括转向扭矩的不必要的马达扭矩。

此处，在预设的通电模式下，尽管根据上文所描述的倾斜角θ确定了通电时间，但是通过将根据目标扭矩T'的电流值作为在该通电模式中的恒定电流值的校正值进行添加而使得倾斜驱动马达受到驱动，即使在出现倾斜驱动马达的载荷改变、即转向扭矩改变的情况下，也能够使得转向柱在所确定的通电时间内到达目标倾斜位置。

然而，在载荷改变较大的情况下，控制之后的转向柱的位置偏离目标位置。因此，当出现外力的改变超过预定值的情况时，优选地，中断倾斜控制且将转向柱移动至初始位置。

图2是包括转向柱移动至初始位置的倾斜位置控制的流程图。

在驾驶员操作倾斜控制启动开关时，在步骤S1中，ECU24的控制模块向驾驶员发出警告，保持他的或她的手从转向盘1的周缘撤回。能够通过在设置于仪表板上的控制面板上显示警告或产生响亮地表示警告的声音来实施该警告。

接下来，在步骤S2中，执行将上转向柱5a移动至预先存储在ECU24的存储模块中的对于驾驶员的最佳倾斜位置的控制。

当启动倾斜控制时，始终对转向扭矩的检测进行监控。然后，当由电动助力转向装置P的扭矩传感器23检测扭矩时（步骤S3），控制模块判定所检测的扭矩值的绝对值是否小于预定的阈值（步骤S4）。

如果在步骤S4中，ECU24的控制模块判定所检测的扭矩值的绝对值小于预定的阈值（是），那么控制模块使得控制过程前进至步骤S5，在步骤S5中，控制模块判定预定的倾斜位置控制是否已经结束。如果在步骤S5中，控制模块判定预定的倾斜位置控制已经结束（是），那么控制模块终止控制过程。如果在步骤S5中，控制模块判定预定的倾斜位置控制还未结束（否），那么控制模块使得控制过程返回至步骤S2，在步骤S2中，倾斜位置记忆控制继续进行。

另一方面，如果在步骤S4中，控制模块判定所检测的扭矩值的绝对值大于等于预定的阈值（否），那么控制模块使得控制过程前进至步骤S6，并且在步骤S6中，向驾驶员发送已经产生异常的警告。与在步骤S1中发出的警告一样，能够通过在设置于仪表板上的控制面板上显示警告或产生响亮地表示警告的声音来实施该警告。

接下来，ECU24的控制模块驱动倾斜驱动马达15使上转向柱5a返回至预定的初始位置。出现这一情况时，优选地，在紧靠预定的初始位置处设置有构造成当上转向柱5a返回至初始位置时与上转向柱5a的一部分接触或抵接的限位开关或构造成检测上转向柱5a的接近的接近开关。

当转向柱在步骤S7中返回至初始位置时，控制过程返回至步骤S1，在步骤S1中，再次重复倾斜位置记忆控制，并且因此，能够确定精确的倾斜角度。

（其它改型）

应当注意，本发明不局限于之前已描述的实施方式并且在不偏离权利要求的范围的情况下能够进行各种改变。例如，尽管在本实施方式中，将上转向柱的最靠上位置称为其初始位置，然而也可以将上转向柱的最靠下位置称为其初始位置。

此外，尽管在本实施方式中单独地设置倾斜驱动马达、伸缩驱动马达和转向辅助马达，然而能够将转向辅助马达构造成也用作倾斜驱动马达和伸缩驱动马达。

而且，尽管在本实施方式中通过使用开环控制对倾斜位置进行控制，然而还能够类似地通过使用开环控制对伸缩位置进行控制。

附图标记说明

1：转向盘；2：转向轮；3：转向机构；4：转向辅助机构；5：转向轴；5a：上转向轴；5b：下转向轴；6：居间轴；7a：上转向柱；7b：下转向柱；8：旋转轴；9：底盘；10：伸缩驱动部；11：倾斜驱动部；12：杆；13：臂部；14：销钉；15：倾斜驱动马达；16：小齿轮轴；17：齿条轴；18：接头；19：输入轴；20：扭力杆；21：输出轴；22：小齿轮；23：扭矩传感器；24：ECU；25：电动马达；26：传动机构；27：减速机构；28：滚珠丝杠机构。

Claims (6)

1.一种车辆转向装置，所述车辆转向装置通过使用马达的驱动力执行使转向轴到达预定位置的倾斜操作，转向盘安装于所述转向轴的上端，所述车辆转向装置包括：

倾斜驱动马达，所述倾斜驱动马达使所述转向轴能够在所述倾斜操作期间进行移动；以及

控制单元，所述控制单元控制所述倾斜驱动马达的驱动，

其中，所述控制单元驱动所述倾斜驱动马达，以便基于所述倾斜驱动马达的扭矩与在所述转向柱中产生的转向扭矩的合力，由机械系统的考虑到转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定倾斜位移量，所述转向轴可旋转地支承在所述转向柱中。

2.根据权利要求1所述的车辆转向装置，

其中，所述控制单元构造为根据倾斜位移量θ通过以预定的通电模式调节用于向所述倾斜驱动马达通电的通电时间而将所述转向柱倾斜至目标位置。

3.根据权利要求1或2所述的车辆转向装置，

其中，当在所述倾斜操作期间检测到所述转向扭矩超过预定的值时，所述控制单元驱动所述倾斜驱动马达，从而使所述转向柱返回至所述倾斜操作的初始位置。

4.根据权利要求3所述的车辆转向装置，还包括检测所述转向柱返回至所述初始位置的传感器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的车辆转向装置，还包括伸缩驱动马达，所述伸缩驱动马达使所述转向柱能够伸缩，

其中，所述控制单元控制所述伸缩驱动马达的驱动并且驱动所述伸缩驱动马达，以便基于所述伸缩驱动马达的扭矩与在所述转向柱中产生的转向扭矩的合力，由机械系统的考虑到所述转向柱的惯性和粘滞性的开环传递函数确定伸缩位移量。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆转向装置，

其中，转向辅助马达用作所述倾斜驱动马达和所述伸缩驱动马达。

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