CN104973120A - 主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法及其装置，其中主动前轮转向装置的转向响应滞后(catch-up)预防方法可以包括(a)判断在应用主动前轮转向装置(AFS)的车辆中是否需要动力转向系统的输出，(b)判断方向盘的转向角度是否增加至预设的预定角度或更高，(c)判断副齿轮(pinion)的输入速度是否大于副齿轮的输出速度，以及当(a)、(b)和(c)均满足时，(d)降低主动前轮转向装置的传动比。

Description

主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法及其装置

技术领域

本申请涉及一种在停止或低速行驶情况下主动前轮转向装置中的预防转向响应滞后(catch-up)的方法和装置。

背景技术

根据车辆速度而以电子方式改变转向传动比的装置被称为主动前轮转向装置(AFS)。具有此转向系统的车辆包括转向传动比变化机构，所述机构由行星齿轮或谐波齿轮构成从而改变驾驶员方向盘输入的输出角度。也就是说，在高速行驶情况下使通过AFS的输出角度小于驾驶员的方向盘输入角度从而提升车辆的驾驶稳定性，并在低/中速行驶情况下使通过AFS的输出角度大于驾驶员的方向盘输入角度从而提升车辆的灵敏度和驾驶便捷性。

考虑周边布局，可以将AFS的致动器安装于转向柱、U形接头(U-joint)或副齿轮(pinion)中，且由于未提供动力辅助，所以致动器会与液压动力转向或电动转向系统一起被应用。

图7为显示了主动前轮转向装置的配置的视图，其中AFS致动器位于转向柱上并且与齿条驱动动力转向系统一起被采用。

所述配置显示了方向盘10、致动器20、电子控制单元(ECU)30、齿条驱动转向传动箱50以及电子稳定性控制器(ESC)，在所述方向盘10中输入驾驶员的转向角度，所述致动器20改变转向传动比，所述电子控制单元30控制致动器20，所述齿条驱动转向传动箱50提供动力辅助，所述电子稳定性控制器通过稳定车辆姿态而根据驾驶员的意愿移动车辆。

图8显示了应用主动前轮转向装置的车辆的效果。

如图8所示的应用主动前轮转向装置的车辆可以显示每个车辆速度下转向传动比主动变化从而提高转向便捷性和驾驶稳定性的效果。另外，如下的两个功能可以额外地实现，第一个功能是：相比于碰撞之前驾驶员想要进行快速转向的情况的避免碰撞转向，通过更迅速地使车辆的前轮转向而辅助避免风险的功能；第二个功能是：在车辆的状态不稳定时，通过与电子稳定性控制器(ESC)协作控制，以使前车轮反向转向从而稳定车辆姿态的功能。

然而，通常地，当车辆停止或在低速状态下被驱动时，主动前轮转向装置在高传动比下被控制以提升驾驶便捷性，且当车辆高速行驶时，主动前轮转向装置在低传动比下被控制以提升行驶稳定性，但是当车辆停止或在低速状态下被驱动时，主动前轮转向装置(AFS)与高传动比接合，结果是在转向结束时会使作用过度且发生转向响应滞后现象，这样会对转向柱产生负面影响。另外，为了解决该问题，在应用电机驱动动力转向(MDPS)的系统中需要提升MDPS电机的性能，结果是会引起额外的研发费用和研发排期。

公开于本背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本申请致力于解决相关技术涉及的上述问题和/或其他问题，并且本申请致力于提供一种主动前轮转向装置的转向响应滞后(catch-up)预防方法，其可以在不增长应用了AFS的车辆的电机驱动动力转向的电机尺寸的情况下，通过主动前轮转向装置(AFS)的控制逻辑，解决在转向结束时由系统性能不足引起的转向响应滞后和过度作用的问题。

在各个方面，本申请提供了主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，包括：(a)判断在应用主动前轮转向装置的车辆中是否需要动力转向系统的输出；(b)判断方向盘的转向角度是否增加至预设的预定角度或更高；(c)判断副齿轮(pinion)的输入速度是否大于副齿轮的输出速度；以及当(a)、(b)和(c)均满足时，(d)降低主动前轮转向装置的传动比。

一方面，在对是否需要动力转向系统的输出中的判断，可以判断主动前轮转向装置的传动比是否大于1.0。另一方面，在对是否需要主动前轮转向装置的输出判断中，可以判断车辆是否在停止状态下或在具有预定速度或更低的低速状态下。在另一个方面中，预设的预定角度可以为大约300°。

在另一方面中，在降低主动前轮转向装置的传动比时，可以通过将主动前轮转向装置的传动比降低约0.02而设定新的主动前轮转向装置的传动比。在另一方面中，在判断副齿轮的输入速度是否大于副齿轮的输出速度中，副齿轮的输入速度可以通过将方向盘的转向角速度和主动前轮转向装置的传动比相乘而计算得出。

在另一方面中，在判断副齿轮的输入速度是否大于副齿轮的输出速度中，副齿轮的输出速度可以通过利用以下公式而算出：

在各个其他方面，本申请提供了主动前轮转向装置的转向响应滞后预防装置，包括：控制器和主动前轮转向装置，所述控制器通过判断在应用主动前轮转向装置(AFS)的车辆中是否需要动力转向系统的输出而给出改变传动比的指令，并判断方向盘的转向角度是否增加至预设的预定角度或更高，所述主动前轮转向装置根据控制器的指令控制传动比。

在一方面中，预设的预定角度可以为大约300°。在另一方面中，当控制器判断需要动力转向系统的输出且方向盘的转向角度为预设的预定角度或更大时，控制器可以命令主动前轮转向装置的传动比降低约0.02。在另一方面中，在判断是否需要主动前轮转向装置的输出中，可以判断主动前轮转向装置的传动比是否大于1.0。

如上所述，根据本申请的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法具有以下效果或优点。

在停止或低速行驶状态下，方向盘被转动直至转向结束，但通过防止转向响应滞后或过度作用现象，转向感受可以被提升并可以对驾驶员建立可靠性。由于电机性能不需要为了防止转向响应滞后或过度作用现象而被提升，所以可以节约成本。

下面讨论本申请的其它方面和示例性实施方案。

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。这里所指的混合动力车是指具有两种或两种以上动力源的车辆，例如同时由汽油驱动和电能驱动的汽车。

下面讨论本申请的上述特征及其它特征。

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以阐明。

附图说明

接下来将参照某些示例性实施例及其所显示的附图详细地描述本发明的以上和其它特征，在此之后所给附图仅作为显示的方式，因而对本发明是非限定性的，其中：

图1为显示了应用主动前轮转向装置的转向传动比变化效果的图；

图2为显示了根据本申请的主动前轮转向装置的示例性转向响应滞后预防方法的操作过程的流程图；

图3A-3D为显示了根据本申请的主动前轮转向装置的示例性转向响应滞后预防方法中的传动比相比于现有主动前轮转向装置的系统传动比的变化的图；

图4为显示了在由已知控制方法驱动主动前轮转向装置时在转向结束时发生转向响应滞后现象的图；

图5为显示了通过测试得到的在发生转向响应滞后现象的部分所需要的齿条推力值和电机输出值的表；

图6为显示了通过根据本申请的主动前轮转向装置的示例性转向响应滞后预防方法而防止转向响应滞后现象的图；

图7为显示了主动前轮转向装置的配置的图；以及

图8为显示了应用主动前轮转向装置的车辆的效果的图。

应当了解，所附附图并不必须是按比例绘制的，其示出了某种程度上经过简化了的本发明的基本原理的各个特征。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记表示本发明的同样的或等同的部分。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。

在图1左侧的图表显示了根据方向盘的角度使转向传动比改变的情况。即，左侧的图表显示了这样的情况，其中显示了轮胎转动1°时所需的方向盘角度的总传动比(T.G.R)被改变。总传动比为判断车辆响应性能的标准之一。

在图1中，可以看出，根据没有使用主动前轮转向装置的车辆的方向盘角度，转向传动比以唯一的曲线形式被改变。然而，当使用主动前轮转向装置的车辆在高速、中速和停止状态下被驱动时，可以看出传动比根据具有不同曲线图的车辆速度主动变化。另外，当具有主动前轮转向装置的车辆停止或在低速状态下被驱动时，通过高传动比改进忙碌转向(busy steering)从而提升驾驶便捷性，且当车辆在高速状态下被驱动时，由低传动比提高驾驶的稳定性。

公开于本申请的高传动比可以根据总传动比和单传动比被判断，随着总传动比(该总传动比为转动轮胎1°时所需的方向盘角度)较小且转向传动箱的单传动比(所述转向传动箱的单传动比是指转动副齿轮1°时齿条杆的移动距离)较大时，高传动比意味着从车辆角度来说的高传动比。

公开于本申请的忙碌转向表示方向盘的转动数量。当方向盘的整圈转动数量为1的车辆和方向盘整圈转动数量为1.5的车辆相互比较时，在方向盘转动数量为1的车辆中的驾驶员的作用的要求小于方向盘转动数量为1.5的车辆，这导致忙碌转向增加。

公开于本申请中的转向响应滞后现象表示的是这样的现象：由于液压动力转向系统流量不足和电机驱动动力转向(MDPS)系统中电机性能不足，而在驾驶员转动方向盘时发生暂停的感觉，就好像方向盘无法被跟随并且被反向推动。

此现象发生在因液压动力转向系统中流量不足而使转向传动箱中的活塞无法被跟随时，此时，以电机驱动动力转向系统的MDPS电机的预定转动速度(rpm)，驾驶员转动方向盘的速度或输出是不足的。

为了解决此问题，在同时应用主动前轮转向装置和电机驱动动力转向系统(MDPS)的车辆中，需要提升MDPS电机的性能。但是，这会使电机被整体重新设计，例如新研发电机模具，并会导致额外研发和研发排期。

因此，根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法意在解决转向响应滞后现象，在不研发新MDPS电机的情况下，其只在转向结束(例如，本申请中的方向盘角度为大约300°或更高)需要大动力辅助的发生转向响应滞后的时候，通过暂时降低主动前轮转向装置的传动比而实现。

应用主动前轮转向装置的转向系统的总传动比与主动前轮转向装置的传动比和动力转向传动箱的单传动比相乘获得的值相等。如图3中所示，主动前轮转向装置的传动比可以被控制在0.8至1.3。另外，齿条杆的传动比一直等于56mm/rev。因此，根据本申请的各个实施方案，最终的系统传动比可以被控制在44.8至72.9mm/rev且忙碌转向增加，并在停止或低速行驶情况下通过在方向盘角度约为300°或更低时的高传动比72.8mm/rev提高驾驶的便捷性，当转向响应滞后发生在方向盘角度约为300°或更高的范围时，通过降低传动比至最小值44.8mm/rev而避免转向响应滞后发生。

图2为显示根据本申请的示例性实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法的操作过程的流程图。

在根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法中，当具有主动前轮转向装置的车辆处于停止或低速驱动状态时，主动前轮转向装置接合至高传动比，且在此情况下，在转向结束时在系统中需要大输出，并且认为由于电机性能不足而发生转向响应滞后或过度作用现象，可以根据本申请执行以下步骤来解决此现象。

首先，在根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法中，可以执行判断主动前轮转向装置的传动比是否大于1.0的步骤(S1-1)。这里，主动前轮转向装置的传动比为1.0的情况代表主动前轮转向装置不影响系统总传动比的情况，即，与不具有主动前轮转向装置的系统状况相同，主动前轮转向装置的传动比大于1的情况代表转向系统的总传动比增加的情况，其结果是相比于不具有主动前轮转向装置的系统需要更大的输出。所述情况为停止或低速的情况，且所述判断步骤甚至可以由车辆行驶速度为预定车辆速度或更小的情况代替。

随后，可以执行判断方向盘的转向角度是否等于或大于预定角度(例如300°或约等于300°)的步骤(S1-2)。在步骤S1-2中，要求判断转向角度是否为300°或更大的条件的原因是：300°或更大的方向盘转向角度为停止或在低速行驶期间的使用区域，而在高速行驶期间当转向响应滞后预防逻辑被开启且传动比被快速改变时，则难以保证驾驶稳定性；另一个原因是：直到最小为300°时保持高传动比，从而在停止和低速驾驶的情况下因方向盘转动数量的减少而提升驾驶便捷性。这里，参考角度，即预设的预定角度，可以被控制为适当值。

随后，在根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法中，可以执行判断副齿轮的输入速度是否大于副齿轮的输出速度的步骤(S1-3)。这里，公开的副齿轮的输入速度等于通过转向柱的主动前轮转向装置输出的AFS的输出速度，副齿轮的输出速度指的是齿条驱动动力转向系统的电机传送齿条杆的速度。由于在转向响应滞后的情况下副齿轮的输出速度可以不即时跟随副齿轮的输入速度，所以可以判断当副齿轮的输入速度大于输出速度时发生转向响应滞后。

另外，副齿轮的输出速度可以通过以下公式获得：

当判断所有步骤均满足时，可以在根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法中执行降低主动前轮转向装置的传动比(S1-4)。

在一些实施方案中，主动前轮转向装置的传动比可以被降低例如0.02或0.02左右。

另外，当主动前轮转向装置的传动比被降低约0.02后，可以执行返回至第一步骤的过程，判断主动前轮转向装置的传动比是否再次大于1.0。降低传动比时使用的比率0.02为一个示例且可以选择、预先设定或随时调整适当的值。

通过连续重复这些步骤(所有过程在几毫秒内被充分执行)，根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置自然地降低主动前轮转向装置的传动比，以防止转向响应滞后或过度作用现象的发生。

另外，若有步骤没有满足相应的要求，则所述方法进行步骤S1-5，其中传动比可以基于车辆速度和/或驾驶情况被改变。即，在根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法中，在停止或低速驾驶情况下方向盘被控制得意外的大时，主动前轮转向装置的传动比自然地降低以防止过度作用现象或转向响应滞后现象的发生，且在其他状态下，主动前轮转向装置的传动比可以根据车辆速度被正常改变。

图3A-3D为显示了根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法中的传动比相比于现有主动前轮转向装置的系统传动比的变化的图。主动前轮转向装置的单传动比在低速驱动情况下可以例如为1.3，并且可以在较高速度下被改变至传动比例如为0.8。另外，齿条杆的传动比被固定为例如56mm/rev。

即使现有主动前轮转向装置可以改变主动前轮转向装置的传动比，但在停止时无论转向中的方向盘的角度如何，现有的主动前轮转向装置均保持最大传动比。即，由于转向系统的传动比保持在最大值72.8mm/rev，所以当方向盘的角度变大且在转向结束时过度作用或发生转向响应滞后现象时，需要增强电机性能以解决此问题。

但是，根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，通过自然地降低主动前轮转向装置的传动比，使系统的总传动比被控制为从最大值72.8mm/rev至最小值44.8mm/rev，从而防止转向响应滞后现象的产生。

在车辆停止的同时方向盘被控制时，根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法可以通过在直到最小值300°之前保持高传动比并且在方向盘角度为300°或更大时减小传动比而使转向结束时过度作用现象和转向响应滞后现象的发生的可能性最小化，从而通过减小方向盘转动数量而提升驾驶便捷性。进一步地，在300°或更小时通过转向响应滞后预防方法防止传动比变化过快以保证驾驶稳定性。

图3A-3D显示了：在齿条式电机驱动动力转向(R-MDPS)中，根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，在不增加电机性能的情况下预防了转向响应滞后现象。图4为显示了在由已知控制方法驱动主动前轮转向装置时在转向结束时发生转向响应滞后现象的图。

在图4中，当主动前轮转向装置的传动比为1.0时，可以看出从停止状态方向盘转动到最后时不发生转向响应滞后现象。但是，当主动前轮转向装置的传动比从1.2增加至1.3时，转向响应滞后现象由于超出当前齿条式电机驱动动力转向系统的电机所能承受的扭矩而发生。

图5为显示了通过测试得到的在发生转向响应滞后现象的部分所需要的齿条推力值和电机输出值的表。即，通过图5可知，需要齿条推力为1530kgf以满足在转向结束时的作用，在主动前轮转向装置的单传动比为1.2时用于解决齿条推力所需的电机输出为6.1Nm(1559rpm)，在单传动比为1.3时用于解决齿条推力所需的电机输出为6.16Nm(1685rpm)。

所以，可以利用性能增强的新电机以避免转向响应滞后现象，其可以覆盖到偏离扭矩点从而解决此问题，但是根据本申请各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法自然地降低了主动前轮转向装置的单传动比从而简单地解决转向响应滞后现象。

图6为显示了通过根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法而防止转向响应滞后现象的图。根据本申请的各个实施方案的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，可以看出在不提升电机性能的情况下，主动前轮转向装置的单传动比自然地降低，从而防止转向响应滞后现象的发生。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本申请限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择各种实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (11)

1.一种主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，包括：

a)判断应用了主动前轮转向装置的车辆是否需要动力转向系统的输出；

b)判断方向盘的转向角度是否增加至预设的预定角度或更高；

c)判断副齿轮的输入速度是否大于副齿轮的输出速度；并且

d)当步骤a)、b)和c)被满足时降低主动前轮转向装置的传动比。

2.根据权利要求1所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中在对是否需要动力转向系统的输出的判断中，判断的是主动前轮转向装置的传动比是否大于1.0。

3.根据权利要求1所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中在对是否需要主动前轮转向装置的输出的判断中，判断的是车辆是否处于停止状态或者在具有预定速度或更低速度的低速状态。

4.根据权利要求1所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中所述预设的预定角度大约为300°。

5.根据权利要求1所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中在降低主动前轮转向装置的传动比中，通过将主动前轮转向装置的传动比降低大约0.02而设定新的主动前轮转向装置的传动比。

6.根据权利要求1所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中在对副齿轮的输入速度是否大于副齿轮的输出速度的判断中，所述副齿轮的输入速度通过将方向盘的转向角速度和主动前轮转向装置的传动比相乘而计算得出。

7.根据权利要求1所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中在对副齿轮的输入速度是否大于副齿轮的输出速度的判断中，通过以下公式算出所述副齿轮的输出速度：

8.一种主动前轮转向装置的转向响应滞后预防装置，包括：

控制器，所述控制器通过判断在应用了主动前轮转向装置的车辆中是否需要动力转向系统的输出并且判断方向盘的转向角度是否为预设的预定角度或更高，而给出改变传动比的指令；以及

主动前轮转向装置，所述主动前轮转向装置根据所述控制器的指令控制传动比。

9.根据权利要求8所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防装置，其中所述预设的预定角度大约为300°。

10.根据权利要求8所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防装置，其中当确定需要动力转向系统的输出且方向盘的转向角度为预设的预定角度或更大时，控制器命令主动前轮转向装置的传动比降低大约0.02。

11.根据权利要求8所述的主动前轮转向装置的转向响应滞后预防方法，其中在对是否需要主动前轮转向装置的输出的判断中，判断的是主动前轮转向装置的传动比是否大于1.0。