CN104002855A - 机动车辆转向装置及用于检测转向扭矩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车辆的转向装置，其带有方向盘（2）和转向柱（3），该转向装置包括第一扭矩传感器（6），该第一扭矩传感器（6）带有线性分辨率，以用于检测围绕转向柱（3）的无扭矩状态的第一预设范围中的转向扭矩。按照本发明，该转向装置包括第二扭矩传感器（7），其具有线性分辨率，以用于检测围绕转向柱（3）的无扭矩状态的第二预设范围内的转向扭矩，其中第二范围包括与第一范围相比更大的值，并且其中第二扭矩传感器（7）的分辨率比第一扭矩传感器（6）的分辨率更粗糙。

Description

机动车辆转向装置及用于检测转向扭矩的方法

技术领域

本发明涉及机动车辆转向装置和用于检测转向扭矩的方法。

背景技术

EP 2 505 980 A2公开了具有方向盘与转向柱的通用类型的机动车辆的转向装置，其方向盘带有扭矩传感器，该传感器用于检测在围绕转向柱的无扭矩状态的预设范围内（其可以为转向柱中的扭转元件的角度范围或者由此映射的扭矩范围）的转向扭矩（即，驾驶员通过方向盘作用于转向柱上的扭矩）。其也公开了通过在不同旋转角度范围内的两个不同映射函数测定扭矩，其中在旋转角度和转向扭矩之间存在不同的关系，但是扭矩在两种情况下都是基于相同传感器的信号被确定的。

扭矩传感器产生代表扭转角度的电信号，从该信号确定与此角度相关联的转向扭矩。此类角度传感器通常带有在整个测量范围内恒定的角度分辨率，即，线性分辨率。

发明内容

本发明基于这样的目标：详细说明一种转向装置和用于检测转向扭矩的方法，该装置和方法容许通过尽可能少的支出实现精确的动力转向，且在小转向扭矩情况下具有良好的反应行为和转向感受。

依据本发明，通过带有以下特征的转向装置和用于检测转向扭矩的方法来完成该目的。本发明的有益的改进在以下被详细说明。

本发明不用具有在整个检测范围内提高的分辨率的扭矩传感器或带有非线性分辨率的扭矩传感器，这在小转向扭矩情况下可能会用以便于实现具有良好的反应行为和转向感受的精确转向，在本发明中，具有相对粗糙的线性分辨率的第二扭矩传感器被用于检测相对大的转向扭矩，其中已经证明了第二扭矩传感器对于相对大的转向扭矩是足够的。

已经变得很明显的是，在实践中，这样的二级转向扭矩检测可以在相对高可靠性以及相比使用单个扭矩传感器的更少花费的情况下进行，该单个转向扭矩传感器至少对于小转向扭矩可以获得精细的分辨率。这是由于一个事实，即带有线性分辨率和高可靠度的转向柱扭矩传感器被大量地生产并可以获得几乎任何所需的分辨率，其结果是本发明可以通过市售的扭矩传感器容易并且经济高效地实施。

本发明的显著的额外的益处在于，以此方式可以通过进一步处理检测的转向扭矩来以如下方式实现余度，即，当两个扭矩传感器中的一个故障时，保持基本功能。

本发明的一个优选适用领域为动力转向系统，尤其是电动（即，非液压）动力转向系统，其中总是通过转向柱扭矩传感器来检测转向扭矩。根据在具体时间起作用的转向扭矩的绝对值，仅相应的扭矩传感器的信号在电动动力转向的电子控制单元中被处理，其中控制单元计算动力转向辅助的必要值并相应地驱动用于提供动力转向辅助装置的伺服电机。

然而，可选择地，检测到的转向扭矩同样可以被用于除了动力转向系统外的转向系统，例如用于线控转向系统。

在本发明的一个优选实施例中，每个扭矩传感器被配置为按照惯例基于转向柱中的弹性扭转检测转向扭矩，即，基于有达到某一旋转角度的旋转弹性的转向柱的一部分的旋转，并且，每个扭矩传感器被配置为输出代表扭转角度的电信号，该扭转角度即，转向柱中的弹性扭转的角度。在此情况下，扭矩传感器的分辨率是角分辨率，该预设范围是围绕转向柱的无扭矩状态的对称的角度范围，并且预设的第二角度范围围绕或包括预设的第一角度范围。

但是，可选择地，该扭矩传感器也可以按照除角测量原理以外的工作原理运行，例如，压电式元件，利用其可以在实际无关于扭转的情况下感测扭矩。对于运动动力学理想的转向柱的旋转弹性在这种情况下可以通过转向柱或转向柱的任何部分的固有弹性被实施。

在本发明的一个优选实施例中，该转向柱包括第一扭转元件和第二扭转元件，其依照力通量串联连接，其中第一扭矩传感器被配置为检测第一扭转元件的扭转并输出代表第一扭转元件的扭转角度的第一电信号，其中第二扭矩传感器被配置为检测第二扭转元件的扭转并输出代表第二扭转元件的扭转角的第二电信号，以及其中第二扭转元件的旋转比第一扭转元件更具刚性。

市售的转向柱扭矩传感器经常是由传感器和扭转元件系统构成的集成组件，并在这种情况下可以通过简单地将两个这样的组件在转向柱的力通量中前后排列来最容易地实施本发明。

然而，可选择地，同样可能仅使用单一扭转元件，通过两个具有差异的分辨率的不同的传感器系统来连续地感测该单一扭转元件的旋转。

在本发明的一个优选实施例中，按照惯例，围绕转向柱的无扭矩状态的、第一和第二扭转元件可以在其中旋转的角度范围，通常由挡块相应地限制，并且该扭转元件的抗扭刚度和挡块的角度位置以如下方式设置，即随着转向扭矩变得更大，当第一扭转元件由于达到相关挡块中的一个而停止旋转时，第二扭转元件开始旋转。

附图说明

以下参考附图描述了示例性实施例，其中：

图1所示为机动车辆转向系统的基本轮廓线；以及

图2所示为作为图1所示的转向系统中的转向角度的函数的转向扭矩的曲线图。

具体实施方式

图1所示的用于机动车辆的电动动力转向系统包括转向齿条1、方向盘2和转向柱3。该转向柱3将方向盘2机械连接到转向齿条1。转向齿条1的两端的每一个通过相应的转向拉杆4、5机械连接到车轮托架（未示出），用来通过方向盘2操纵左侧和右侧的车轮/轮胎总成。此外，用来提供动力转向辅助的电动伺服电机（未示出）被机械地耦接至转向柱3或者转向齿条1。

两个扭矩传感器模块6和7被整合在转向柱3中，具体地，前后排列在转向柱3的力通量中。基于在转向柱3力通量中的相关的弹性旋转扭转元件旋转的角度，每一个传感器模块6、7检测作用在转向柱3上的转向扭矩。该传感器系统例如可以是电感式的、电容式的或光学的。在所有情况中，每一个传感器模块6、7具有受限制的角分辨率，并且在此第一传感器模块6的角分辨率比起第二传感器模块7的角分辨率更高，即更精细。

图2所示为转向柱总扭转角a和转向柱3中的转向扭矩b的绝对值之间的传递函数。转向扭矩对扭转角a的依赖性在此为抛物线函数，其对于转向系统经常是优选的，但其也可以是不同函数。确定的转向扭矩b导致转向柱3的相应的扭转角度a。

该第一传感器模块6覆盖窄的扭转角度范围A1，其围绕转向柱3的无扭矩状态对称并由aA1延伸至aA1。该第二传感器模块7覆盖宽的扭转角度范围B1，其从–aB1对称地延伸至aB1。窄的转向扭矩范围A2对应于窄的扭转角度范围A1，并且宽的转向扭矩范围B2对应于宽的扭转角度范围B1。

第一传感器模块6的高的角分辨率允许对小的转向扭矩值的精确检测。这对于向电动动力转向系统的电子控制单元（未示出）给出精确反馈是重要的。驾驶员可以因此被提供以好的转向体验和操作特性以及舒适特性，举例来说，对转向系统的牵引、漂移或卡紧的自动补偿可以被优化。

相对低或相对粗糙的角分辨率对于第二传感器模块7是足够的，因为由用于大转向扭矩值的测量到的转向扭矩信号提出精确度需求低于用于小转向扭矩值的。

该传感器模块6和7的机械阻力扭转元件以此种方式被配置，即两个元件具有关于旋转线性增长的弹簧刚度。如果关于旋转的抗扭刚度或弹簧刚度随着旋转增长而线性增大，与旋转角度相关的扭矩以例如接近二次方的方式变大，如图2所示。

然而，传感器模块6和7的机械阻力扭转元件还可以以这样的方式设置，即它们的抗扭刚度或弹簧刚度各自恒定。在这种情况下，与旋转角度相关的扭矩会变得例如近似线性增大。

第二传感器模块7的扭转元件的刚度大于第一传感器模块6的扭转元件的刚度，这还可以通过第二传感器模块7的扭转元件的适当预应力来完成，其导致需要相对大的转向扭矩来旋转第二传感器模块7的扭转元件。

两个传感器模块6、7中的每一个带有两个机械端部挡块，一个用于右向旋转，一个用于左向旋转。传感器模块6、7的抗扭刚度和挡块的角度位置以此种方式来调整，即，对于小转向扭矩，仅仅或主要是第一传感器模块6的扭转元件被旋转，但是最多仅到总的扭转角度达到aA1和aA1值中的一个时的点。在这个点，第一传感器模块6的机械挡块中的一个开始生效。对于在aA1和aA1之间的总的扭转角度，仅第一传感器模块6的转向扭矩信号被反馈到电动动力转向系统的电子控制单元。

在相对大的总扭转角度的情况下，第一传感器模块6的扭转元件由于被机械端部挡块之一限制而不能进一步旋转。对于在aA1和aB1之间以及在aA1和aB1之间的总的扭转角度，仅第二传感器模块7的扭转元件旋转，并且仅第二传感器模块7的转向扭矩信号反馈到电动动力转向系统的电子控制单元。

Claims (7)

1.一种机动车辆的转向装置，其具有方向盘（2）和转向柱（3），该转向装置具有第一扭矩传感器（6），该第一扭矩传感器（6）具有线性分辨率，以用于检测在围绕转向柱（3）的无扭矩状态的第一预设范围中的转向扭矩，其特征在于，转向装置带有第二扭矩传感器（7），该第二扭矩传感器（7）具备线性分辨率，以用于检测在围绕转向柱（3）的无扭矩状态的第二预设范围中的转向扭矩，其中第二范围包括与第一范围相比更大的值，并且其中第二扭矩传感器（7）的分辨率比第一扭矩传感器（6）的分辨率更粗糙。

2.如权利要求1所述的转向装置，其特征在于，转向装置被配置为动力转向系统，特别是配置为机动车辆的电动动力转向系统。

3.如权利要求1或2所述的转向装置，其特征在于，每个扭矩传感器（6、7）被配置为基于转向柱（3）中的弹性扭转来检测转向扭矩并输出代表扭转角度的电信号，扭矩传感器（6、7）的分辨率为角分辨率，预设范围是围绕转向柱（3）的无扭矩状态的对称的角度范围（A1、A2），预设的第二角度范围（A2）围绕或包括预设的第一角度范围（A1）。

4.如权利要求3所述的转向装置，其特征在于，转向柱（3）包括第一扭转元件和第二扭转元件，该第一扭转元件和第二扭转元件按照力通量串联连接，第一扭矩传感器（6）被配置为检测第一扭转元件的扭转，并输出代表第一扭转元件的扭转角度的第一电信号，第二扭矩传感器（7）被配置为检测第二扭转元件的扭转，并输出代表第二扭转元件的扭转角度的第二电信号，以及第二扭转元件与第一扭转元件相比更具刚性。

5.如权利要求4所述的转向装置，其特征在于，通过挡块分别限制围绕转向柱（3）的无扭矩状态的角度范围(A1、B1)，第一和第二扭转元件可以在该范围(A1、B1)中旋转，以及扭转元件的抗扭刚度和挡块的角度位置被以此种方式配置，即，随着转向扭矩变大，第二扭转元件实质上在第一扭转元件停止旋转时开始旋转。

6.一种用于检测机动车辆的动力转向系统中的转向扭矩的方法，该动力转向系统具有方向盘（2）和转向柱（3），本方法通过具有线性分辨率的第一扭矩传感器（6）获取第一电信号，该第一电信号代表在围绕转向柱（3）的无扭矩状态的第一预设范围内的转向扭矩，其特征在于，通过具备线性分辨率的第二扭矩传感器（7）获取第二电信号，该第二电信号代表在围绕转向柱（3）的无扭矩状态的第二预设范围中的转向扭矩，其中第二范围包括大于第一范围的值，并且其中，以比第一电信号更粗糙的分辨率获取第二电信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法在带有权利要求1到5所述的一个或多个特征的转向装置中执行。