CN104691616A - 汽车防过度自转向电控限位装置及限位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车防过度自转向电控限位装置，包括：限位装置、传感器、控制器。限位装置配置在方向盘与车轮之间，选择性的限制方向盘的转向角度；传感器用于获取方向盘转向角度和车轮与方向盘间传递的扭矩；控制器配置成根据传感器获取的转向角度与扭矩，控制限位装置限制方向盘的转向。本发明通过在转向轴上加装电控限位装置实现了防止车轮受地面冲击出现意外大角度偏转、提高汽车行驶安全性的目的。本发明的技术方案相对判断迅速且造价成本低，避免当驾驶员疏忽大意降低把握转向盘的力矩时，路面干扰造成的汽车大角度自转向现象，并且当驾驶员能够或重新恢复控制转向时，该装置主动退出介入，避免干扰驾驶员的转向控制。

Description

汽车防过度自转向电控限位装置及限位控制方法

技术领域

本发明涉及汽车转向控制技术领域，具体涉及用于防止路面干扰引起的汽车过度自转向的电控限位装置及限位控制方法。

背景技术

随着汽车的普及，由于汽车转向失控而引起的交通事故逐年增加。汽车转向失控主要有以下几个原因：1汽车转向系统的机械结构老化；2轮胎爆裂；3车轮受到路面的干扰而发生转动。

对于第一种、第二种情况，一般可以通过汽车的合理保养尽可能避免，而第三种情况往往由于汽车的转向系统突然受到路面干扰而引起转向，例如汽车偏离道路行驶导致轮胎撞击路肩引起的突发转向、汽车驶入积雪压实的车辙时导致的突发转向、汽车在非公路道路行驶时路面严重崎岖不平导致的突发转向等，此时由于事发突然，驾驶员来不及控制转向最终导致发生与对向行驶汽车碰撞、驶入路边沟壑、侧滑甩尾等交通事故。这种情况对于转向系统拟效率较高的车辆更易发生。

现有的汽车辅助驾驶技术大多基于电动助力转向系统，利用先进视觉感知或雷达技术，通过转向干预避免道路行驶轨迹偏移造成的潜在事故发生。此类技术系统复杂，造价高昂，且对于驾驶员疏忽大意，放松对转向盘把持力度时路面干扰引起的突发自转向由于判断处理时间长，控制效果不甚理想。

发明内容

本发明设计开发了一种汽车防过度自转向电控限位装置，避免因车轮受地面冲击出现意外大角度偏转，提高了汽车行驶安全性。

本发明提供的技术方案为：

一种汽车防过度自转向电控限位装置，包括：

限位装置，其配置在方向盘与车轮之间，选择性的限制方向盘的转向角度；

传感器，其用于获取方向盘转向角度和车轮与方向盘间传递的扭矩；

控制器，其配置成根据所述传感器获取的转向角度与扭矩，控制所述限位装置限制方向盘的转向角度。

优选的是，所述限位装置包括：

转向轴，用于传递方向盘与车轮间的转向力，所述转向轴周向方向上设置有限位槽；

限位销，其可选择性的与所述限位槽配合，限制所述转向轴的转动角度；

移动机构，其与所述限位销连接，驱动所述限位销上下移动，完成与所述限位槽的配合或分离。

优选的是，所述移动机构包括：

壳体；

电磁铁，其通电后产生的磁力推动所述限位销向前移动，使所述限位销插入到所述限位槽内；

回位弹簧，其与所述限位销和壳体相连接，在所述电磁体断电后所述回位弹簧使所述限位销受到弹簧力从所述限位槽内拔出。

优选的是，在所述壳体和限位销之间设置有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧用于降低所述限位销和壳体间的碰撞力。

优选的是，所述限位槽设置在所述转向轴沿其周向设置的圆柱形凸台上，所述限位槽的深度小于所述圆柱形凸台与所述转向轴的半径之差。

优选的是，所述限位槽长度不大于所述圆柱形凸台周长的四分之一。

优选的是，所述限位销与所述限位槽的配合部为圆柱体，并且所述限位销前端设置有圆角。

优选的是，其特征在于，还包括转向柱，所述转向轴从所述转向柱中穿过，所述壳体固定在所述转向柱上，所述转向柱在所述限位销的移动路径上开设有通孔以使所述限位销通过。

一种汽车防过度自转向限位控制方法，使用上述的电控限位装置，并包括以下步骤：

步骤一、使用传感器测量方向盘转向角度α并换算为转向速度ω，和车轮与方向盘间传递的扭矩M；

步骤二、控制器判断方向盘转向速度ω是否大于预设的转向速度阀值ω₀，若结果为否，则返回步骤一；若结果为是，则进行下一步；

步骤三、控制器判断车轮与方向盘间传递的扭矩M是否小于预设的扭矩阀值M₀，若结果为否，则返回步骤一；若结果为是，则进行下一步；

步骤四、控制器给限位装置发送信号，限制方向盘的转向角度；

步骤五、控制器判断方向盘转向角度α是否小于预设的角度阀值α₀，若结果为是则立即控制限位装置解除对方向盘转向的限制；若结果为否，则在经过时间t后解除对方向盘转向的限制。

一种汽车，包括上述汽车防过度自转向电控限位装置。

本发明所述的有益效果：本发明通过在转向轴上加装电控限位装置实现了防止车轮受地面冲击出现意外大角度偏转、提高汽车行驶安全性的目的。结构简单可靠，降低开发和改装难度；利用现今汽车普遍配备的转向盘转角转矩传感器测得的信号判断路面引起的突发自转向，相比较当今在主动安全技术领域广泛使用的通过汽车行驶轨迹变化的先进被动测量方式，本发明的技术方案相对判断迅速且造价成本低，避免当驾驶员疏忽大意降低把握转向盘的力矩时，路面干扰造成的汽车大角度自转向现象。当驾驶员能够或重新恢复控制转向时，该装置主动退出介入，避免干扰驾驶员的转向控制。

附图说明

图1是本发明所述的汽车防过度自转向电控限位装置的限位动作机构安装位置示意图。

图2是本发明所述的汽车防过度自转向电控限位装置的结构爆炸图。

图3是本发明所述的汽车防过度自转向电控限位装置的限位槽示意图。

图4是本发明所述的汽车防过度自转向电控限位装置的移动机构剖视图。

图5为本发明所述的汽车防过度自转向电控限位装置的控制系统电气原理图。

图6为本发明所述的汽车防过度自转向控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供一种汽车防过度自转向电控限位装置，能够在当车轮受地面冲击出现意外大角度偏转时，限制方向盘的转动角度，进行控制车辆行驶的方向，避免出现安全事故。

本发明包括限位装置，传感器，控制器。限位装置配置在方向盘与车轮之间，选择性的限制方向盘的转向角度；传感器用于获取方向盘转向角度和车轮与方向盘间传递的扭矩；控制器配置成根据传感器获取的转向角度与扭矩，控制限位装置限制方向盘的转向。本发明利用传感器测量出房向盘转角大小、方向以及转向力矩大小，判断路面引起的突发自转向，进行启动限位装置对方向盘转角进行限制，从而提高行驶稳定性避免事故发生。

如图1、图2所示，限位装置包括转向轴11、限位销6、以及移动机构。转向轴11连接于方向盘与车轮之间，用于传递方向盘与车轮间的转向力。转向轴11沿其周向设置有圆柱形凸台，该圆柱形凸台的直径大于转向轴11的直径，在圆柱形凸台周向方向上设置有限位槽10。限位槽10的宽度略大于限位销6直径，限位销6的头部做出2mm的倒圆角。移动机构能够带动限位销6插入到限位槽10内，从而实现限制转向轴11的转动角度。一并参阅图3，限位槽10的深度小于圆柱形凸台与转向轴11的半径之差，这样可使限位槽10不影响转向轴11的强度。限位槽10的长度占转向轴11凸台周长的四分之一，这样将转向轴的活动范围限制在了90°范围之内。

一并参阅图4，壳体2上部为一内部中空的圆柱体，顶部通孔内壁加工有螺纹，壳体端盖12通过螺纹固定在壳体2上。壳体2中部为阶梯光孔，其上下两个孔分别与限位销6的上台下杆两部分间隙配合，在变径处达到限制限位销6最大下行程的作用。壳体2底部有一小通孔，限位销6下杆部分从此孔穿出。壳体2由铸铝制成，限位销6为导磁的铁质材料。

壳体2中部为直径较细的圆柱体，其外表面缠绕有电磁线圈3。在电磁线圈3外侧安装有非金属材质的线圈护罩13，其将电磁线圈3密封在其中，起到绝缘和密封的作用。限位销6嵌入在壳体2中，在壳体2外的电磁线圈3通电后能够产生电磁力推动限位销6在壳体内向下移动。在壳体2内安装有回位弹簧7，其作用在壳体2和限位销6上方的圆形挡板之间，它的上端与限位销6的圆形挡板下表面接触。限位销6的下方销体部分穿过回位弹簧7，并且回位弹簧7的下端使用金属胶与壳体2内部的与之相接触的表面固连在一起，防止两表面冲击振动。在限位销6与壳体端盖12之间设置有缓冲弹簧5，缓冲弹簧5为刚度较大的弹簧，用来减少限位销6复位时冲击壳体端盖12。缓冲弹簧5布置在壳体端盖12下表面内孔中，并且上端使用金属胶与壳体端盖12的下表面内孔底部相固连，当限位销6回位时缓冲弹簧5限制其运动，避免撞击壳体端盖12造成振动噪声。

本发明还包括转向柱9，转向轴11从转向柱9中穿过，转向柱9与转向轴11的凸台相对应处也开有尺寸更大一些的圆周方向通槽，使其保证限位销6从通槽内插入。转向柱9通槽两侧各对称布置有两个矩形固定台面8，在固定台面8两端各设置有螺纹孔，壳体2下端设置有安装法兰面4，期上有与螺纹孔相配合的通孔，通过螺钉1将壳体2与转向柱9固定在一起。

本发明的使用传感器为转角转矩传感器，其能够测量出方向盘的转角及与车轮间传递的扭矩。

如图5所示，本发明的控制器包括单片机17，电磁线圈驱动放大电路以及电源模块16，并利用车载12V电源15为控制器供电。

转向盘转角转矩传感器14的Vcc，VOUT，GND，A1，A2，A3引脚分别与单片机的Vcc，P3.2，GND，P3.4，P3.1，P3.0引脚相连接，控制器中的电磁线圈驱动放大电路为现有常用的三极管驱动放大电路，由光电耦合器、三极管放大电路和续流二极管组成。光电耦合器可以选择型号为TIL117，三极管放大电路由三极管和两个电阻组成，其中三极管VT可以选择型号为9013，另外续流二极管VD可以选择IN4001。电磁铁驱动放大电路的光电耦合器的输入端分别与单片机的Vcc，P1.5引脚相连，电磁铁驱动放大电路的续流二极管VD输出端共同和电源模块的12V端、电磁线圈的输入端相连。电磁铁驱动放大电路的三极管VT的集电极端共同和续流二极管VD的输入端、电磁线圈的输出端相连。最后将单片机的Vcc端和GND端接在电源模块15的5V端和GND端。车载12V电源16电池正负端分别和控制器的电源模块的正负输入端相连，予以供电。本发明所述的电控系统的控制器内存入事先编好的汽车防过度自转向电控限位装置的控制程序。

如图6所示，控制器对本装置的控制流程为：

1、程序初始化，控制器读取事先存储的力矩阈值M₀，转角阈值α₀，角度变化率的阈值ω₀和循环等待次数i；

2、单片机读取转向盘转角转矩传感器测得的转向盘转角α，采样周期为0.05s，并根据公式计算出角度变化率ω的绝对值|ω|；

3、判断信号|ω|是否大于阈值ω₀；

“否”则返回至程序初始化步骤，重新采样；

“是”则表明车轮迅速转向，此时单片机读取转向盘转角转矩传感器测得的转向盘力矩M；

4、判断信号|M|是否小于M₀；

“是”则进行下一步操作，控制器控制电磁线圈通电，限位销伸出，方向盘限位锁止；

“否”则返回至程序初始化步骤。

5、单片机再次读取转向盘转角转矩传感器测得的转向盘转角α；

6、判断α是否小于α₀；

“否”则在i小于100的情况下，令i＝i+1。循环读取α；当i大于100时，单片机控制电磁线圈3断电，限位销10在复位弹簧7的作用下恢复初始状态，限位作用取消，即超出一定时间，防过度自转向电控限位装置自动退出，将转向控制权力移交给驾驶员，以免系统故障导致转向失控。

“是”则说明车轮已走出异常区域，且车轮处在回正状态。则单片机控制电磁线圈3断电，限位销10在复位弹簧7的作用下恢复初始状态，限位作用取消。

7、工作循环结束。

本发明提供的汽车防过度自转向电控限位装置的工作过程如下：在汽车正常行驶过程中，车轮前进方向与驾驶员预期方向基本一致，控制器通过转向盘转角转矩传感器测得的转向盘转角信号和转向盘力矩信号可以判断当前是驾驶员正常操纵车辆行驶，判断依据为：当驾驶员操纵车辆在直线行驶时，一般方向盘转角不超过±30°，转向轴上的力矩接近0；而当驾驶员操纵车辆正常大角度转向时，此时转向盘力矩必然超过设定阈值。

防过度自转向电控限位装置设置转向盘转角转矩传感器的的力矩阈值为M₀，M₀为方向盘上无外力时，车轮受到突然的地面冲击在转向轴上产生的最大力矩，由于突然转向时驾驶员一般把持方向盘的力矩很小，故而测得的此力矩一般较小。而当汽车在人为转向时，转向轴上的力矩一定大于阈值M₀。此时，限位销6在回位弹簧7的作用下不从壳体2中弹出，从而转向轴11可自由旋转。

当车轮受到地面高度等影响发生意外偏转时，车轮前进方向与驾驶员预期方向不一致，此时，驾驶员的手可能处于较放松的状态导致驾驶员的没有足够的时间抓住方向盘来控制车辆，车轮受到冲击后发生非人为因素的偏转，此偏转经过转向机构传到转向轴，带动方向盘脱离驾驶员的手转动。这时转向盘转角转矩传感器检测转向盘转角α并计算转向盘转角变化率ω的值，当转向盘转角变化率ω大于ω₀时，且到转向轴处的力矩小于阈值M₀时，可以判断此时可能发生汽车意外偏转，故而单片机控制驱动电流流入电磁线圈3，限位销6被电磁线圈3产生的磁力吸引，限位销6伸入转向轴上的限位槽10中，锁止转向盘的继续转动，起到限位以免失稳的作用。限位槽10控制转向柱的最大转角为90°。设定传感器的转角阈值为α₀＝±60°，当方向盘的转角α进入这个范围之内时，说明驾驶员已经操纵汽车转向回正车轮，此时，单片机控制停止向电磁线圈3流入电流，限位销6在回位弹簧的作用下退回非限位位置，并在缓冲弹簧5的作用下减少限位销6与壳体2之间的冲击，以延长产品的使用寿命并减小噪声。此外为防止系统传感器失效测量有误，导致限位动作机构始终限制方向盘转向造成的失灵现象，在经过5s之后，该装置自动控制电磁线圈断电，限位销6从限位槽10中退出，将转向控制权归还驾驶员。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，包括：

限位装置，其配置在方向盘与车轮之间，选择性的限制方向盘的转向角度；

传感器，其用于获取方向盘转向角度和车轮与方向盘间传递的扭矩；

控制器，其配置成根据所述传感器获取的转向角度与扭矩，控制所述限位装置限制方向盘的转向角度。

2.根据权利要求1所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，所述限位装置包括：

转向轴，其用于传递方向盘与车轮间的转向力，所述转向轴周向方向上设置有限位槽；

限位销，其可选择性的与所述限位槽配合，限制所述转向轴的转动角度；

移动机构，其与所述限位销连接，驱动所述限位销上下移动，完成与所述限位槽的配合或分离。

3.根据权利要求2所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，

所述移动机构包括：

壳体；

电磁铁，其通电后产生的磁力推动所述限位销向前移动，使所述限位销插入到所述限位槽内；

回位弹簧，其与所述限位销和壳体相连接，在所述电磁体断电后所述回位弹簧使所述限位销受到弹簧力从所述限位槽内拔出。

4.根据权利要求3所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，在所述壳体和限位销之间设置有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧用于降低所述限位销和壳体间的碰撞力。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，所述限位槽设置在所述转向轴沿其周向设置的圆柱形凸台上，所述限位槽的深度小于所述圆柱形凸台与所述转向轴的半径之差。

6.根据权利要求5所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，所述限位槽长度不大于所述圆柱形凸台周长的四分之一。

7.根据权利要求6所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，所述限位销与所述限位槽的配合部为圆柱体，并且所述限位销前端设置有圆角。

8.根据权利要求2-4、6、7中任一项所述的汽车防过度自转向电控限位装置，其特征在于，还包括转向柱，所述转向轴从所述转向柱中穿过，所述壳体固定在所述转向柱上，所述转向柱在所述限位销的移动路径上开设有通孔以使所述限位销通过。

9.一种汽车防过度自转向限位控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-8中任一项所述的电控限位装置，并包括以下步骤：

步骤一、使用传感器测量方向盘转向角度α并换算为转向速度ω，和车轮与方向盘间传递的扭矩M；

步骤二、控制器判断方向盘转向速度ω是否大于预设的转向速度阀值ω₀，若结果为否，则返回步骤一；若结果为是，则进行下一步；

步骤三、控制器判断车轮与方向盘间传递的扭矩M是否小于预设的扭矩阀值M₀，若结果为否，则返回步骤一；若结果为是，则进行下一步；

步骤四、控制器给限位装置发送信号，限制方向盘的转向角度；

步骤五、控制器判断方向盘转向角度α是否小于预设的角度阀值α₀，若结果为是则立即控制限位装置解除对方向盘转向的限制；若结果为否，则在经过时间t后解除对方向盘转向的限制。

10.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述汽车防过度自转向电控限位装置。