CN105050883A - 独立辅助电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主电动助力，其在主转向系统故障的情况下辅助第二候补转向。主系统和候补系统可基于转向柱或转向齿条，或者任何这两者的组合。第二转向助力系统是一种低成本的设计，其保证转向扭矩水平不会超过预定值。第二电动转向助力的交付通常小于主转向助力系统提供的助力的50％。第二系统提供的助力水平足够提供车辆的安全操作。

Description

独立辅助电动助力转向系统

相关申请交叉引用

本申请主张2013年1月21日提交的美国临时专利申请编号61/754701的权益。

背景技术

本发明涉及一种用于电机车辆的电动助力转向系统。该动力转向系统包含输入轴，该输入轴与转向轮工作啮合，并用来传递将被转向的转向轮所需的扭矩。输出部件与将被转向的轮子工作啮合。电动电机被安置在动力转向系统上，通过其电动助力作用在输入轴或输出部件(齿条)上。传感单元被用来感测作用在输入轴上的转向扭矩的方向和强度，以及其它特定的转向参数。电子单元被用来处理特定的转向参数并控制电动电机。

例如在德国公开的专利申请号4407729就描述了电动助力转向系统。在该电动助力转向系统中，电动电机由电子控制单元控制，作为转矩的函数。

本发明还可在电机车辆的动力转向系统中使用，其中转向杆以轴向可移动的方式进行控制。这种类型的动力转向系统从DE10310492A1中可知。辅助系统可与不同的主电动助力系统组合，例如基于EPS的柱和齿条，其中基于EPS的齿条可以是基于齿轮、双齿轮、同轴齿条和带驱动EPS或者任何类型的用于主助力装置的啮合系统。

在电动助力转向系统中，目前用于车辆的动力助力可在转向系统故障的情况下突然丢失。目前电动助力转向系统具有多层诊断能力，可在系统故障的情况下关闭系统，故障可导致危险的情况，其中无效助力机构被视为安全状态，其中被动系统必须遵守ECE79需求。

转向系统的原理必须以这样的方式进行设计，在车辆运行期间由ECE79标准建立的转向扭矩的设定水平不会被超过。用于保持转向扭矩在预设水平之下的需求可产生对车辆设计的限制，其可影响车辆的整体动态性能。

电动助力转向系统已经开发了用来评估由电动助力转向系统所提供的助力信息的概念。当识别出系统困难时，可以有部分冗余路径，其可被用来避免电力转向系统的突然关闭。

目前用于电力转向系统的诊断和冗余的概念被合并入单一的电动助力转向系统。这样的系统有两个主要的缺点：

·共因失效模式如进水、EMC、物理损伤、机械故障等不能在这样的概念中考虑并且最终将导致转向助力的损失。

·这种冗余系统的第二个缺点是，复制转向系统的主要电子部分是非常高成本的选择。在主装置上的转向模块的质量和性能需求要求在冗余路径中使用昂贵的技术，因为它必须基于相同的技术水平。

本发明被设计提供独立的第二助力转向系统，以避免当前电动助力转向系统的不足。第二转向助力是低成本和简单的设计，其可避免常见的故障问题。

发明内容

本发明涉及一种主电动助力，其在主转向系统故障的情况下辅助第二候补转向助力。主系统和候补系统可基于转向柱或转向齿条，或者任何这两者的组合。第二转向助力系统是低成本的设计，其保证转向扭矩水平不会超过预定值。第二电动转向助力通常交付的助力小于主转向助力系统提供的50％。第二系统提供的这种级别的助力足以提供车辆的安全和舒适操作。第二助力系统可能仅在预定的时间内有效工作，从而允许车辆的驾驶员采取适当的行动以解决主电动转向助力中的故障。第二转向助力系统至少部分地与主电动转向助力系统分开，以避免常见的故障，其可能会危及整个电动转向系统。

检验如下优选实施例的详细说明和附图之后，本发明的其它目的和优势对本领域技术人员将会变得清晰。

附图说明

图1是电动助力转向系统的示意图；

图2是转向系统的侧视图；

图3是图2中转向系统的一部分的横截面图；

图4是本发明的转向系统的透视图；

图5是图4中转向系统的一部分的侧视图；

图6是图5中转向系统的部分横截面图；

图7是高刚度和低成本传感器的示例的透视图。

具体实施方式

如上所述，辅助电动助力系统可与任何现有的可获得的主转向助力系统相结合。为了更好的理解概念并简化辅助系统的功能描述，图1和图2给出了两个基本原理，其描述了众所周知的基于电动助力系统的用于带驱动和小齿轮的设计。

如图1所示，电动助力转向系统包含转向齿轮，在转向系统1中以齿条-小齿轮的形式出现。齿条-小齿轮转向系统是传统的众所周知的，因此不会被进一步描述。齿条-小齿轮转向系统的小齿轮(未示出)实现输入轴2，例如，通过转向柱3配备万向节的方式，与转向轮4工作啮合。不同的转向齿轮，例如循环-球转向系统，也可用来代替齿条-小齿轮转向系统。

齿条-小齿轮转向系统1的齿条架(未示出)连同两个转向轴链接5和6一起形成输出部件，其与将被转向的轮子(未示出)工作啮合。齿条架构成转向系统的输出元件。

通过这种动力转向系统，转向扭矩可从转向轮4转移到将被转向的轮子。

电源助力可被电动电机7施加到输入轴2。在图1所示的示例性实施例中，电动电机7被设置成其轴线垂直于输入轴2的轴线并因此垂直于小齿轮的轴线。其轴线也可以是相对输入轴的轴线不同的角度，例如以60°-130°的角度。

利用相同或相似的效果，电动电机7可被设置成其轴线平行于输入轴2的轴线并因此平行于转向柱3的小齿轮或另一部分的轴线。

在如上所述电动电机7的两种设置类型中，后者作用于输入轴2以及齿条-小齿轮转向系统1的小齿轮。电动电机7也被设置成其轴线平行或成角、或共轴于齿条-小齿轮转向系统1的齿条架的轴线。

传感单元8被用来感测作用于输入轴2的转向扭矩的方向和强度，以及其它转向特定的参数。在示例性实施例中，传感单元8被设置在输入轴2上。然而，传感器单元8也可被提供在转向系统的其它地方。

电子单元9被用来处理转向特定的参数并且控制电动电机7。

根据本发明，提供了检测单元10，用于在每一种情况下确定出现车辆的各种装置的参数。这些确定的参数被传送到电子单元9，用于自适应控制电动电机7。因此转向特性曲线可适用于相应车辆的各种装置。这种方式是可能的，仅通过电子单元9中软件创建的控制算法，可产生转向特性轮廓，其精确对应于“标称”特性曲线。

有利地，出现在每一种情况下的车辆的各种装置参数包括车辆特定的前轴负荷，通过其，例如不同的引擎变种可被考虑。

为了考虑不同的轮胎类型，其在车辆的使用寿命期间可被安装在一个特定的车辆上，轮胎特性值可被检测。这些值可包括，例如与轮胎滑移刚度、力/变形行为、和/或特定轮胎类型的参数相关的信息。在这种情况下，几个不同的轮胎版本，其最重要的驾驶特性，相比较地可被合并成特性组。

出现在每一种情况下的车辆的各种装置的参数可被读取到检测单元，例如根据条形码标识符。在这种情况下，例如，不同的条码标识符与不同的发动机变种或轮胎类型相关。

在车辆制造商的处所，检测单元10可被集成到计算机终端(流水线可编程单元)，到服务定位商店测试器，或者在特殊情况下，到电子单元9。随后，参数可被读取到电子单元9，通过提供用于该目的车辆接口。

多个转向特性可被读取到电子单元9。根据出现在每一种情况下的车辆的各种装置的参数可激活适合的特定的特性。

根据一般的先有技术，用于电机车辆的动力转向系统是众所周知的，并且这里参考了例如DE10310492A1，从而后文中仅仅本发明必不可少的特点将被更加详细地描述。

图2给出了用于电机车辆的电动转向系统，包括外壳11、电动电机12以及用于移动车辆轮子的转向杆13，其没有详细给出。此外，动力转向系统包括具有扭矩传感器14和齿轮单元15的小齿轮30，通其转向杆13驱动连接到电动电机12的输出轴16，输出轴16没有在图2中详细给出。

如图3所示，转向杆13被安排与电动电机12平行。在齿啮合部分上，图2中未示出，转向杆13啮合转向杆的小齿轮30，小齿轮同样未被详细示出，并且在支承节17上包含外部螺纹。转向杆13的支承节17是循环滚珠螺丝和螺母齿轮18的一部分。

支承节17与循环滚珠螺母19啮合，其也是循环滚珠螺丝和螺母齿轮18的一部分。循环滚珠螺母19以轴向固定的方式被安装，并形成主要的螺丝还有转向杆13。循环滚珠螺母19不可旋转地连接到从动盘25并且通过轴承26被安装在外壳11中。其它类型的齿轮驱动系统例如蜗杆和蜗轮可代替循环滚珠螺母驱动。

驱动盘22固定在电动电机12的输出轴16上。牵引装置设计为带23在从动盘25和驱动盘22上牵引，连同这些磁盘，形成牵引驱动。通过牵引驱动，力从电动电机12传递到循环滚珠螺母19。

之前公开的电动转向概念是非常有效的，对于应用电动助力给驾驶者向车辆的转向轮给出的转向输入。动力助力使驾驶者能够更容易地将车辆的转向轮子放置在期望的位置。然而，提供助力给驾驶员所做的转向努力的电动电机总是可能经历困难，其将导致电动电机无法提供预期的助力。当电动转向系统出现故障时，这种故障会以非常快速的方式发生，并且由电动电机提供的助力将不再提供给车辆的驾驶员。电动电机的助力损失可导致努力的显著增加，需要将转向轮转动定为到车辆的轮子期待的位置。电动电机这样的功率损失可以是非常破坏性的，使驾驶员不能向车辆提供转向输入。因为这种变化可以发生得很快，驾驶员可能没有任何预警，其需要转向车辆的努力已被感谢地改变。转向努力的增加可导致危及车辆运行的情况。

尽管用于车辆转向的电动助力系统的此类故障是极为罕见的，在汽车行业仍然需要电动转向系统，在极为罕见的主电动转向助力系统故障时，其提供备份电源助力。

本发明是针对第二电动助力系统，其可向转向轮和转向柱提供一定水平的电动助力，从而当主电动转向助力系统发生故障时允许驾驶员安全驾驶车辆。如图4所示，转向轮51附接到转向柱55。转向柱附接到中间轴59并且中间轴连接到转向齿条61。转向齿条以如前所述的方式工作，并且具有连接到车辆的转向轮的端部。转向轮51的旋转通过转向柱55在中间轴59中转移到转向齿条61。转向轮的旋转运动是以本领域技术人员已知的方式在转向齿条61上转换成水平运动。

电动电机7、12可被用来提供电动助力，以减少车辆驾驶员的必须输入给转向轮51的努力，从而改变连接到转向齿条61的转向轮的方向。以本发明申请之前所述的方式，电动电机12可附接到转向柱55。以本发明申请之前所述的方式，电动电机7可附接到转向齿条61。电动电机的位置是设计选择的问题，它可以被放置在任何位置，仍然可与本发明的装置工作。电动电机提供的电动助力具有汽车工业多年已知的许多优点。

本发明的第二电动助力装置65被设计提供一定水平的电动助力，以减少转向努力从而以安全的方式转向车辆。装置65被设计为，只有当车辆使用的主电动助力系统发生故障时，才可被激活和啮合。在今天计算机控制的车辆中，监控系统可被附接到主电动助力系统以产生信号，如果主电动助力系统不能正常工作或者主系统提供的助力有显著的减少。也可以提供传感器56，其附接到转向柱55，其监控需要的扭矩水平以旋转该转向柱。如果传感器确定扭矩水平已超过预定值，这将表明用于转向车辆的主电动助力系统已达到故障点，其中需要用来改变转向轮的方向的扭矩水平高得令人无法接受。如果利用这样的传感单元，设计可考虑特性例如刚度和摩擦，其中转向感觉是个问题。此类传感单元56的示例如图7所示。传感单元测量幅度和频率以测量系统中的扭转并计算所施加的扭矩。此类传感单元通常可从供应商如Golledge(戈利奇)、AlliedElectronics(联合电子)和Honeywell(霍尼韦尔)处获得。传感单元通常包括激励和评价单元35、无线信号耦合器37和表面声波传感器39。此类传感单元基于超声波测量并且具有比转向柱55和中间轴59的组件高得多的刚度，从而系统的整体刚度的影响可以忽略不计。应该注意的是，可以使用其它方式来确定什么时候主电动助力中有故障或错误提供给车辆的转向柱。可以理解，任何这些额外的系统可被用来确定主电动助力系统有问题并且需要第二电动助力来减少必要的转向努力从而控制车辆到可接受的水平。

第二动力助力装置65在图5和图6中位于转向柱55上，而主电动助力电机7、12位于转向齿条61上。然而如前所述，可以理解，主电动助力装置和第二电动助力装置的位置可以是转向柱或转向齿条，而不影响任何装置的操作。第二电动助力装置具有锁定或啮合单元71，其锁定角度齿轮70到转向柱55。锁定单元71是由发送到连接器72的信号促使啮合的。该信号是由之前描述的监控系统中的一个确定的，其确定主电动助力系统不在可接受的助力水平上运行。当信号被连接器72接收时，信号被发送到锁定单元71以啮合齿轮70与位于转向柱55中的转向轴74。第二电动电机75具有输出轴77并且蜗杆齿轮79被安装在输出轴的一端，其从电动电机75延伸。蜗轮齿轮被安排与转向轴74上的齿轮70啮合。电源81可操作连接到第二电动电机75。电源81被连接以提供电源给第二电动电机。当接收到第二电动助力装置的信号时，其说明主电动电机不在可接受的水平上运行，则第二电动助力电动电机是仅仅运行的。电源可以是电池、电容器，或其它来源的电能，其适于操作第二电动电机75以提供可接受的第二水平动力助力给车辆的转向系统。电源81也可被设计用来提供动力给第二电动电机，仅仅有一段时间但足够让车辆驾驶员处理主电动电机提供的电动助力的减少。对于汽车电池供应仍然可获得的故障模式，跛行的家庭服务类型更有可能。在其它情况下，在汽车电池供应不可获得的故障模式中，辅助但内置的能源可被设计成如电池组或电容器。

也可利用提供给连接器72的信号发送信号给主电动助力系统从而脱离主电动电机7、12与啮合的转向柱55或转向齿条61。因此，信号可被用来有效地去除主电动电机，其可操作连接到转向系统。通过断开主电动电机与转向系统，转动转向轮以改变转向轮的位置所需的努力将不需要克服由主电动电机提供的任何阻力。

第二动力助力装置被设计提供的助力水平约小于由主电动电机7、12提供的一半。已被发现，这种水平的动力助力对允许驾驶员有足够的动力以安全的方式轻松地操作车辆是有效的。事实上实践中已经发现，第二电动电机可以向转向系统提供的助力水平是主电动电机7、12提供的约25％-约15％，而不会显著危及驾驶员控制车辆转向的能力。然而，第二电动电机75提供的动力助力的减少可警告驾驶员，用于车辆转向的主电动助力系统有故障。这允许驾驶员采取适当的措施以确保车辆以安全的方式运行。

电源81被用来操作第二电动电机75，其被设计成在预定的时间内提供电能给第二电动电机。通常利用电池、电容器或其它装置向第二电动电机提供动力将仅有足够运行第二电动电机一段时间的能量。第二电动电机和电源81通常不被设计成置换用于车辆转向系统的主电动助力。相反地，电源81和第二电动电机75被设计成允许转向系统被用在较低的助力水平下从而向驾驶员提供警告电动转向助力系统有问题并且给驾驶员足够的时间来采取适当的行动从而在不断变化的情况下安全操作车辆。

本发明的第二动力助力装置65可被设计成与主电动电机7、12一起合作。在该配置中，输出轴77连接到第二电动电机75。连接器73被提供在第二动力助力装置上并且连接器73可操作连接到车辆的ECU。主助力和第二助力可以这样的方式进行控制，它们合作提供所需的助力水平。通过啮合离合器，该控制还可实现啮合和脱离策略，如此或者主转向在故障的情况下被脱离以减少第二系统所需的扭矩，或者在故障的情况下啮合第二系统，如果持续啮合对摩擦力和惯性原理来说是个问题。

作为示例，当ECU确定主电动助力系统无法提供足够水平的助力时，ECU将发送信号给连接器73。被用来操作第二电动电机75的电源81被设计成在车辆正常运行期间保持其最大输出。电源81可被如此设计，它可提供能量给与车辆的其它动力系统分开的第二电动电机75。作为示例，使用电池或电容器作为电源81将允许存储电能在必要时被用于操作第二电动电机75。车辆的主电动系统的故障将不会导致作为电源81的电池或电容器的故障。这提供了有效的备份电动转向助力系统，其不受车辆中其它系统的故障影响。

表格1中给出了辅助系统的设计实例。

本发明的上述描述是为了示例性的目的。本领域技术人员可以理解，可进行各种改变和修改而不背离本发明的范围。因此，上述描述全部被构造成说明性的而不是限制性的，本发明的范围仅由所附权利要求定义。

Claims (11)

1.一种转向系统，用于控制车辆至少一端的轮子，包含：

转向柱；

转向齿条，连接到所述车辆至少一端的轮子；

第一转向助力电机，用于辅助将运动从所述转向柱转移到所述转向齿条从而控制所述轮子的位置到期待的位置；

传感器，用于确定所述第一转向助力电机中的故障；

第二转向助力电机，用于辅助将运动从所述转向柱转移到所述转向齿条，当所述第一转向助力电机故障时，所述第二转向助力电机被所述传感器单独激活，所述第二转向助力电机提供的转向助力小于所述第一转向助力电机的1/2。

2.权利要求1的所述系统，其中所述第二转向助力电机是电动电机。

3.权利要求2的所述系统，其中所述第二转向助力电机可操作附接到转向柱，其连接转向轮到所述转向齿条。

4.权利要求2的所述系统，其中所述第二转向助力电机可操作附接到所述转向齿条。

5.权利要求1的所述系统，其中监控系统可操作连接到所述传感器，当所述传感器确定所述第一转向助力电机运行不能常时，所述监控系统提供信号。

6.权利要求1的所述系统，其中所述传感器是超声波测量装置。

7.权利要求1的所述系统，其中电源向所述第二转向助力电机提供动力。

8.权利要求7的所述系统，其中所述电源是电池或电容器。

9.权利要求5的所述系统，其中所述信号激活锁定单元，从而可操作连接所述第二转向助力电机与所述转向柱。

10.权利要求1的所述系统，其中所述第二转向助力电机提供的助力是所述第一转向助力电机提供的约15％-约25％。

11.权利要求9的所述系统，其中所述第二转向助力电机可操作连接到所述第一转向助力电机。