CN1059394C - 一种用于车辆转向的马达驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆转向的马达驱动系统，其特征是转向控制装置1(如方向盘)与转向装置3(如转向机)间通过一马达驱动装置2相连，该马达驱动装置2可以向转向装置3传递一与驾驶员所给转向控制装置1的运动有一幅度差的运动，所述幅度的改变由一控制单元根据各个参数控制。因此驾驶员可以用一个与无此装置2时所要负出的作用力相当的作用力，及一个较小的控制装置1的运动幅度进行转向操作。这就允许使用一些以总运动很小为特点的控制装置，如一转向杆、一转向把手或一操纵杆形式的装置，同时可保持与通常完全由齿轮传动的转向装置的精度相当的精度。本发明尤其对所有那些需要控制装置大范围运动的转向操作(如停车)很有用，同时允许上肢功能欠缺，但可能有足够的手劲和腕力握方向盘，确无足够的肩膀力移动胳膊使方向盘在较大范围内移动的人用通常的方向盘进行转向操作。

Description

一种用于车辆转向的马达驱动系统
本发明涉及一种用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于转向控制装置(如方向盘)与转向装置(如转向机)间通过一个马达驱动装置相连，该马达驱动装置用于向转向装置传递一与驾驶员所给转向控制装置的转动有一幅度差的转动，所述幅度的变化可以根据各种参数的不同有所改变。
通过此控制装置与马达驱动装置进行车辆转向操作时，所述马达驱动装置可以将传给转向装置的运动相对驾驶员给转向控制装置的转动进行放大。此时，驾驶员所做的工作，即给所述控制装置一个与无此马达驱动装置时其要给的作用力相当的作用力，比无此马达驱动装置时需要做的工作少，而且转向容易，尤其在小半径操作时更是如此。
再有，此马达驱动装置被恰当地控制后，甚至可以使传给转向装置的运动与驾驶员给控制装置的运动相比有所减小，从而减小驾驶员动作对转向装置的影响。
本申请人，基于对现有技术状况的了解，相信正在销售的装置或其它专利申请的主题都不能取得本发明主题的优益效果。
很多装置，甚至是电子装置，可以减少转向工作，这些装置被称为动力转向装置，其特征是驾驶员做出的转向动作在输入与输出间保持不变，只是把驾驶员作用于控制装置上的力和扭矩被放大了。为此，在所有已知的动力转向装置中转向作用的增加都是通过一个置于车架与转向装置间的执行器进行的，无论此执行器是电力或液力型的，或其它类型的。在各类装置中此类电动力转向装置已被以下公司申请专利：ADWEST ENGINEERING LTD.(WO 9212037，etc)，ALFRED TEVES GMBH(WO9214640，WO 9212885，etc)，DR.ING.H.C.F.PORSCHE AG(EP 0447626，etc)，HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKE KAISHA(EP0590576，etc.)，KOSHIOSEIKO CO.(EP 0611691，EP 0350817，EP 0460406，EP 0572961，EP 0566168，EP 0556869。EP 0556870，EP 0554703，EP 0531870，EP 0536590，EP0535422，EP 0611691，EP 0599260，etc.)，LUCAS INDUSTRIES(EP 0403234，etc.)，MAN NUTZFAHRZEUGE AG(EP 0580997，etc.)，MITSUBISHI DENKIKABUSHIKI KAISHA(EP 0360469，EP 0360470，EP 0351087，EP 0361726，EP0513941，EP 0567991，etc.)，MITSUBISHI JIDOSHA KOGYO KABUSHIKIKAISHA(EP 0440365，etc.)，NIPPONDENSO CO.(EP 0460582，etc.)，REGIENATIONAL DES USINE RENAULT S.A(EP 0478437，etc.)，ROBERT BOSCHGMBH(EP 0480159，EP 0501017，EP 0545034，EP 0525574，etc)，SEXTANTAVIONIQUE(EP 0522924，etc.)，STEERING DEVELOPMENT LTD.(EP0165758)，TEXAS INDTRUMENTS INCORPORATED(EP 481568，etc.)，THERAYMOND CO.(EP 0490673，EP 0596 167，etc.)，TOYOTA  JIDOSHAKABUSHIKI KAISHA(EP 0531962，etc.)，VALEO ELECRONIQUE(EP 0461037，etc.)，VALEO SYSTEMES DESSUYAGE(EP 0491601，etc.)，VOLKSWAGEN AG(EP 0591653，etc.)，ZF FRIEDRICHSHAFEN AG(WO 9314966，WO 9312965，etc.)。
相反，在本发明系统中，驾驶员转向工作的减小并不是通过沿转动方向放大作用力完成的而是通过沿施力方向放大转动角度取得的。因此，转向柱不是连续的一整根，即控制装置与转向装置不直接相连，这与任何已知转向系统，不论它是否是动力型不同。控制装置与转向装置间插入马达驱动装置使放大或减小转动成为可能，从而获得一个与通常情况下由转向系统利用减速齿轮传动装置获得角度不同的转向角度。但是，可以考虑将本发明转向系统与公知的动力转向装置连接在一起，从而综合二类装置的优点。
GB-A-2275032公开了一种用于车辆转向系统中的控制装置，其中转向柱被分成一输入轴和一输出轴，两轴间装有一自锁电动马达形式的马达驱动装置。但是，该系统目的是一个通过其对前转向轮的自动干涉满足最高的安全性需求，同时尽可能避免驾驶员的无理操作，所述干涉其目的在于补偿对应传感器探测到的特殊行驶工况(如侧风)。这种工作机理意味着，只有当从传感器输入的信号显示需要自动干涉时该系统才起作用，同时要求尽可能减小该系统对方向盘正确操作的影响。这与本发明的工作机理正好相反，本发明系统只能由驾驶员转动方向盘的输入量决定是否起作用。因此，很明显，设计这种自动控制系统的目的并不是帮助驾驶员进行驾驶而是提供一种叠加在驾驶员动作上的自动转向动作。
本发明的一个目的是在车辆转向操作中，通过相对给予控制装置的运动来恰当地修改传给转向装置的运动幅度来帮助驾驶员。
本发明的另一个目的是控制驾驶员作用在转向装置上的动作从而防止不良操作的发生。
本发明的另一个目的是使遥控转向更易进行。
本发明的另一个目的是达到上述所有目的的同时还要使转向系统具有一定的可靠性，一旦其中的马达驱动装置或控制单元失灵，要使该系统的可靠性与一个机械系统的可靠性相当。
本发明的另一个目的是在一辆装通常转向系统的现有技术车辆上只对原转向装置的结构与布置只作较少的改变就可达到上述所有目的。
本发明的另一个目的是以一个很小的成本达到上述所有目的。
正是由于马达驱动装置的作用，驾驶员才可以用一个与不带此马达驱动装置时所需作用力相当的作用力完成转向操作，但移动控制装置的幅度较小。这就使得可以用一些以总运动很小为特征的控制装置(如一转向杆、一转向把手或一操纵杆形式的装置)完成转向操作，同时保持转向控制精度与通常的完全齿轮传动装置的精度相当。
因此，本发明的主题对那些需要控制装置大范围动作的转向操作，如在停车操作时或在崎岖路上行驶时方向盘的转动，尤其有用。再有，本发明主题尤其对于让那些上肢功能有欠缺的人，如被一些疾病影响的人或一只胳膊不能活动的人能够用常用方向盘或舵完成转向操作很有用。实际上，这些人可能有足够的手劲与腕力握方向盘，确无足够的肩膀力移动胳膊，只能将方向盘在一很小的角度内转动。
恰当地改变控制装置传给转向装置的运动的幅度也是有可能的，即在某些情况下允许放大驾驶员的动作，在其它情况下允许直接传递或减小驾驶员动作的效果。
为保证本转向系统的可靠性，甚至于马达驱动装置失灵后的可靠性，采用一个单向马达驱动装置或者装一个可以使马达驱动装置中分别与控制装置和转向装置相连的两部件相互结成一整体的简单锁止装置就足够了。
参考如下附图通过对下面一些最佳实施例的详细描述可以使本领域技术人员对本发明转向装置的上述及其它目的，优点和特征更清楚，这些实施例是非限制性实施例，其中附图如下：
图1示意性地示出了本发明第一实施例，其中马达驱动装置置于转向装置(形为一方向盘)与控制装置(形为一转向机)之间。
图2示意性地示出了与图1所示实施例相同的本发明第二实施例，其中马达驱动装置装有一个锁止装置用于在预定情况下将马达驱动装置中分别与控制装置和转向装置相连的两部件相互连接成一体。
图3示意性地示出了与图2所示实施例相同的本发明第三实施例，该实施例装有一个方向盘角位置传感器，一个车轮角位置传感器和一个用于阻止控制装置移动的锁止装置。
图4示意性地示出了本发明第四实施例，其中马达驱动装置置于转向机内部。
图5示意性地示出了与图3所示实施例相同的本发明第五实施例，其中控制装置形为一转向把手，转向装置向一方向控制舵传递运动。
图6示意性地示出了与图4所示实施例相同的本发明第六实施例，其中控制装置为一转向杆，马达驱动装置则是一个向一方向控制舵传递运动的直线执行器。
图7是说明图1所示装置工作过程的方框图，假定驾驶员直接通过一个控制单元操纵马达驱动装置。
图8是说明图3至6所示装置工作的方框图，假定马达驱动装置由一个控制单元根据各位置传感器采集的数值控制。
图9是与上图相同的方框图，假定马达驱动装置由一个控制单元根据各位置传感器及其它传感器检测到的数值控制。该图同时也包括有将转向控制权交给一附加操纵杆进行远距离控制的可能性，该操纵杆与将控制装置和转向装置相连的运动链机械分离。
图10是一双向马达驱动装置的某一实际实施例的示意性纵剖图。
参考图1，本发明的主题包括一个将转向控制装置1(形为一方向盘)与转向装置3(形为一转向机)相连的马达驱动装置2，所述马达驱动装置2是单向形式的，也即，当马达驱动装置不工作时，驾驶员作出的转向动作被直接传给转向机3。该马达驱动装置2可以由驾驶员启动，例如，通过位于方向盘1或车架上的按钮。本系统此种简单的非闭合回路式操作为图7中对应的方框图描述。当控制单元起动马达驱动装置2后，驾驶员向方向盘1施加一作用力的同时，该马达驱动装置会产生一个位移，如一个转动，通过它这个转动作用到转向装置3上。按此方式，小范围地移动控制装置1就可以实现小回转半径的转向或调头，如，在停车中的频繁操作或在市区内行驶，从而获得前述优点。
图2示出了一个与图1所示实施例相同的本发明实施例，所不同的是为假定可双向转动的马达驱动装置2装设一个用于将马达驱动装置2输入和输出部件结为一体的锁止装置4，以便在某些特殊情况下，如控制装置1转角很小的情况下进行转向操作时，或者在马达驱动装置2失灵后，可通过驾驶员直接操作完成转向，如同常用转向系统中发生的情况一样。
图3至6及对应的图8、9中的方框图示出了与前述一些实施例相同的本发明实施例，但这些实施例至少包括一个置于马达驱动装置2上游的传感器5和可能至少一个置于马达驱动装置2下游的传感器6。例如，图8所示方框图，以一个特殊的、非限制的方式从总体上公开了本发明的工作过程，其中马达驱动装置2只有在传感器5测出方向盘转角超过一预定角度时，或转速超过一预定值时，或者二者同时超过对应预定值时，才被按预定模式启动。因此，可以按不同的规则编制控制单元的程序，以实现方向盘转动的增速或减速传递，例如以一个平方规则或一个幂指数规则，等。马达驱动装置2作用在转向装置3上的效果根据所选规则与转动量的不同可以大一些或小一些，甚至于可使驾驶员无需移动放在方向盘上的手就可以进行驾驶。
在本发明主题的另一应用中，转向控制单元可以根据位置、速度、加速度，等传感器传来的信号(图9)，也即根据具体的行驶工况限制预定转向放大率。这在驾驶员的动作不足以应付道路保持状况时尤为有用，因此该系统可以用作一个附加的安全装置以防止大转弯等情况的发生。
在另一实施例中，本发明系统包括一个用于阻止控制装置1运动的锁止装置7，因此允许遥控转向操作。由图9结尾几行方框图概括性地公开的这种功能尤其对于那些需要同时驾驶并操作其它机械的人很有用。再有这种系统使得那些上肢功能不足以致不能使用一个机械转向装置的人驾驶车辆成为可能。该锁止装置7是必须的，以便在驾驶员直接作用遥控装置(如操纵杆)时向方向盘施加一个反作用力。
图5、6示出了本发明系统一个适用于移动一方向舵的实施例。在图5中，驾驶员通过一个键连接在马达驱动装置上游的转向把手1控制方向；在图6中，该转向把手1由一转向杆取代，该转向杆以一合适的杠杆比作用于直线执行器形式的马达驱动装置2，该马达驱动装置2用作转向杆1与方向控制舵9间的运动放大机构。
图10示出了一个马达驱动装置2的实用实施例，该马达驱动装置包括一个步进马达10，一个电磁制动器11和一个行星齿轮减速装置12。方向盘的位置由一个置于马达驱动装置12上游端的第一位置传感器13探测，同时一个置于马达驱动装置下游端的第二位置传感器14测出转向装置的位置。该第一传感器13是一个转动分析器，通过一个齿型带16与方向盘的轴15相连。第二传感器14的使用可以减小体积，该传感器是一个线性换能传感装置，由带丝扣法兰17驱动，一固定在轴19上的螺钉18将该法兰向转向装置方向移动。
装电磁制动器11是为了在无动力提供时，即装置不工作或失灵时，利用该制动器11使马达10与减速齿轮12结成一体从而恢复方向盘与转向装置间的直接连接。步进马达的使用是可以令人满意的，因为其扭矩特性较高，这在惯性力较大的系统进行小运动时尤其有用。
如果使用一遥控装置(如操纵杆)，方向盘会被锁死，该操纵杆直接与传感器13的入口相连，因此，该传感器13可以检测到操纵杆的位置。
所有这些实施例都有一共同点，即本发明主题仅改变控制装置1传给转向装置3的动作的幅度，其主要目的是使驾驶员用较小幅度的动作完成转向操作，结果，所做的工作比无该装置时所要做的工作少。
需要指出的是，仅是出于描述本发明主题马达驱动转向系统的所述工作原理的目的描述了上述实施例，而没有进一步描述转向控制装置1、马达驱动装置2、转向装置3及确定方向的装置8、9的实施例。
实际上，很容易理解到：所述马达驱动转向系统可以由任何一种能量(电力、液力、气动、热化学等)驱动的马达或转动/直线执行器完成，也可以用与发动机机车常用转向机不同的转向机构，或与发动机机车车轮，或船艇或飞机上的方向控制舵不同的导向装置来完成，如，叶轮，或用于控制直升飞机水平旋翼的装置，等装置。

Claims (10)

1.一种用于车辆转向的马达驱动系统，包括一个转向控制装置(1)和一个转向装置(3)，二者间通过一个马达驱动装置(2)相连，该马达驱动装置用于改变所述转向控制装置(1)与所述转向装置(3)间所传递的运动的幅度并在系统失灵后恢复二者间的直接连接，所述马达驱动装置(2)的操作由一个控制单元控制，其特征在于：所述马达驱动装置(2)仅对转向控制装置(1)的运动作出响应动作并可完成一项需要向转向控制装置(1)施加一大小相等、方向相反的作用力的工作。
2.如权利要求1所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述马达驱动装置(2)包括一个单向的马达减速器。
3.如权利要求1所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述马达驱动装置(2)包括一个电磁制动器(11)，当系统失灵后，相连的该制动器将所述马达驱动装置(2)中的输入部件与输出部件锁止。
4.如前面任一权利要求所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述马达驱动装置(2)由一个闭环控制系统控制，其中控制单元与控制装置(1)的位置传感器(5)和/或转向装置(3)的位置传感器(6)工作相连。
5.如权利要求4所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述控制单元还与一些用于探测其它参数，如车速、车辆加速度分量等参数的传感器工作相连。
6.如权利要求4所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述马达驱动装置(2)置于所述转向装置(3)内。
7.如权利要求4所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述系统还包括一个用于阻止所述转向控制装置(1)运动并向其提供相应的反作用力的锁止装置(7)，及一个与所述控制单元工作相连的遥控装置用作一个遥控转向控制装置。
8.如权利要求4所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述马达驱动装置(2)包括一个步进马达(10)、一个电磁制动器(11)、一个双向行星减速齿轮装置(12)、一个位于上游端的第一位置传感器(13)和一个位于下游端的第二位置传感器(14)。
9.如权利要求8所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述第一和第二传感器(13，14)是一些通过齿型带(16)分别与方向盘的轴(15)及转向装置的轴(19)相连的转动分析仪。
10.如权利要求8所述的用于车辆转向的马达驱动系统，其特征在于：所述第一和第二传感器(13，14)是一些分别与方向盘的轴(15)及转向装置的轴(19)相连的线性换能传感器，这些线性换能传感器由一个带丝扣法兰(17)所驱动，该法兰则由一固定在所述轴(15，19)上的螺钉(18)移动。
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