CN112758173A - 电动动力转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动动力转向系统包括：转向杆，所述转向杆的相反的端部均机械地连接至相应车轮支架；通过齿轮机构连接至转向杆的电动马达，使得马达的旋转引起转向杆沿其主轴线平移从而使车轮支架移位；以及包括至少一个长形特征的线性位置传感器，所述长形特征沿着转向杆的长度沿对角线方向延伸，使得长形特征相对于转向杆的轴线倾斜；以及感测装置，所述感测装置面向转向杆、并且在任何给定时间只观察到长形特征的某一片段，所述片段在特征整个宽度上且仅沿着特征的一部分长度延伸，所述感测装置产生信号，所述信号根据感测装置所观察到的、由特征和转向杆的相邻部分形成的图案而变化，信号将转向杆的轴向位置编码。

Description

电动动力转向系统
技术领域
本发明涉及一种电动动力转向系统，更具体地涉及一种线控转向式动力转向系统。
背景技术
在汽车的无辅助转向系统的一种常规布置中，方向盘连接至转向轴。转向轴进而连接至转向机构。通常存在两种解决方案用于将马达连接至“齿条”，即在旋转运动与线性运动之间转换：(a)马达驱动蜗轮蜗杆齿轮箱，从而驱动小齿轮；(b)马达经由皮带传动来驱动循环球式螺母和导螺杆。
例如，转向机构可以包括具有齿条的杆(称为转向齿条或转向杆)。随转向轴转动的小齿轮与齿条接合，使得方向盘的转动引起小齿轮旋转，进而引起转向齿条的平移。齿条的每个端部均经由拉杆连接至车辆的车轮的车轮支架，车轮转向角度随着齿条的平移而发生变化。
在大多数汽车中，无辅助转向系统并不常见，因为驾驶员需要花费很大的力气才能转动方向盘。在电动动力辅助转向系统中，提供了马达，该马达通过蜗轮机构和蜗轮来作用在转向轴或转向齿条上。检测驾驶员施加到方向盘的转矩，并且命令马达从马达产生适当的辅助转矩。该辅助转矩以增大驾驶员施加的转矩的方式施加至转向系统的零件。效果是使方向盘更容易转动。
在最近的发展中，正在开发电动动力转向系统，其中从方向盘到转向齿条没有直接的机械链接。实际上，移除了转向轴。电动马达与用于测量驾驶员施加到方向盘的转矩的装置一起被保留。在这种布置中，不是增大了驾驶员施加的转矩，而是马达辅助转矩是施加以引起齿条平移和车轮转动的唯一力。马达可以转动小齿轮，从而复制了转向轴的作用。在替代方案中，齿条可以用导螺杆代替，其中马达通过由马达驱动的传动装置而直接作用在循环球式螺母上。
为了安全起见，对于系统而言，重要的是能够监测或计算齿条的位置，即齿条在其可用的平移运动范围内的位置。在常规系统中，无论是在无辅助的情况下还是在从方向盘到齿条存在机械连接的情况下，都可以通过测量方向盘或转向轴的角位置来推断该位置。对于没有机械连接的电动动力转向系统，这是不可能的，因为方向盘的角度并不明确地指示齿条的位置。可以通过对从标称起始位置起的马达旋转数进行计数来推断该位置，该标称起始位置将与齿条的行程中心对准。
申请人已经意识到，在系统电力丢失的情况下，这种计数可能被破坏或可能丢失。可以实施用于重新知悉位置的启动例程，但这会在启动后立即影响转向的性能，直到已经重新知悉齿条的位置为止。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单的动力转向系统布置，该动力转向系统布置能够在系统启动之后迅速确定转向齿条的位置。
根据第一方面，本发明提供了一种电动动力转向系统，所述电动动力转向系统包括：转向杆，所述转向杆的两个相反的端部均机械地连接至相应的车轮支架；电动马达，所述电动马达通过齿轮机构连接至所述转向杆，使得所述马达的旋转引起所述转向杆沿其主轴线平移，从而使所述车轮支架移位；以及线性位置传感器，所述线性位置传感器包括至少一个长形特征，所述长形特征沿着所述转向杆的长度沿对角线方向延伸，使得所述长形特征相对于所述转向杆的轴线倾斜；以及感测装置，所述感测装置面向所述转向杆、并且在任何给定时间只观察到所述长形特征的某一片段，所述片段在所述特征整个宽度上并且仅沿着所述特征的一部分长度延伸，所述感测装置产生信号，所述信号根据所述感测装置所观察到的、由所述特征和所述转向杆的相邻部分形成的图案而变化，所述信号将所述转向杆的轴向位置编码。
因为长形特征是对角线，所以当转向杆沿一个方向平移时，长形特征将横穿感测装置的灵敏区域从一侧移动到另一侧，并且当转向杆沿相反的方向平移时，长形特征将沿相反的方向横穿灵敏区域移动。因此，随着编码器元件的片段的位置将从一侧移动到另一侧，由感测元件观察到的图案将发生变化。这种布置的益处在于，与其中存储有计数值的现有技术布置不同，传感器的输出将是在断电时不会丢失的绝对值。
长形特征可以是凸起的脊或凹陷的通道。
编码器元件可以包括物理特性与转向杆的部分不同的材料条带。
长形特征可以相对于转向杆的其他平坦部分凹进、或凸起、或齐平。在齐平的情况下，长形特征可能显示为条纹。
长形特征可以位于与包含所述转向杆的轴线的平面平行且偏离的平面中。在转向杆是圆柱体的情况下，平面的长形边缘可以位于圆柱体的半径上，该平面通过切除一部分圆柱体而有效地形成。
平坦部分的宽度可以大于长形特征的宽度，以便在长形特征的每一侧形成台部。
感测装置可以位于平坦表面上方的一小段距离处并与该表面平行。
最优选地，长形特征包括在转向杆中形成的长形通道或槽缝，该长形通道或槽缝包含与转向杆的与通道的侧面相邻的材料不同的材料。
通道中的材料可以是空气，其中槽缝形成开放通道。尽管优选的是U形截面，但是槽缝可以具有某一截面范围中的任何截面。
该材料可以是具有与转向杆的周围材料不同的特性的固体材料。该固体材料的顶面可以与转向杆周围的材料齐平。
在简单的布置中，可以从图案的变化中检测到转向杆在其平移范围内的位置，其中，如传感器元件所观察到的，长形特征的片段从一侧移动到另一侧。
感测装置可以包括传感器元件阵列。传感器阵列的每个传感器元件可以产生单个信号，该信号根据长形特征的片段与传感器阵列的对准而变化。例如，该信号可以从当长形特征片段偏离长形特征并且未被该元件观察到时的零变化到当长形特征的片段与传感器元件完全对准时的最大值。当然，该信号可以被反转，当长形特征不面向传感器元件时，出现最大值。
在优选的布置中，传感器可以包括与所述对角长形特征正交或与所述转向杆的轴线正交地延伸的传感器元件阵列，每个传感器元件取决于所述长形特征与所述传感器元件的相对对准而产生信号。
从所有传感器元件输出的信号可以被馈送到信号处理器，该信号处理器根据这些信号产生指示转向杆的位置的位置信号。随着转向杆的移动，编码器元件将横穿阵列移动，从而导致来自每个传感器的信号发生变化，并且这种变化可以被信号处理器检测到。
作为阵列的替代方案，传感器可以包括长形感测元件，该长形感测元件具有连续输出，该连续输出对应于特征在垂直于转向杆运动的方向上的位置。
传感器元件阵列可以具有一定长度，并且可以相对于转向杆定向，使得转向杆位于其平移范围的一端时，长形特征的片段的面向传感器阵列的部分在传感器阵列的第一端处或靠近第一端，并且当转向杆位于其平移范围的相反端时，编码器元件的面向传感器的部分在传感器阵列的第二端处或靠近第二端。
因此，传感器阵列的合适长度将取决于槽缝的长度、所允许的平移运动的范围、以及编码器元件是怎样的对角线。
长形特征(例如槽缝)的宽度可以小于传感器阵列的长度的三分之一并且优选地小于线性传感器的长度的五分之一。槽缝的宽度可以例如等于阵列中的单个传感器元件的宽度。
在本说明书的上下文中，传感器元件的宽度可以被认为是传感器元件的灵敏区域的宽度，该宽度可以比传感器元件的物理宽度更宽或更窄。传感器将观察到位于传感器宽度内的任何东西。
感测装置可以并不包括元件阵列。该感测装置可以例如包括比如霍尔效应传感器等一个或多个磁传感器设备和至少一个磁体。霍尔效应传感器可以被定位成间隔开并且与长形特征的片段相邻，使得随着转向杆的移动，片段或多或少地面向一个传感器并且相反的部分面向另一传感器。磁体可以联接至转向杆并且通过金属托架支撑，以便通过转向杆、托架和霍尔效应传感器形成磁路。
传感器装置可以替代性地包括感应传感器。例如，初级线圈可以定位在长形特征的一侧的位置，并且两个次级线圈可以以与霍尔效应传感器几乎相同的方式定位在该特征附近，在支撑线圈和转向杆的芯体周围形成闭合电路。
转向杆可以是金属、例如钢。
技术人员将理解，长形特征可以具有某一范围内的不同形式，并且该长形特征的选择可以取决于被提供来检测由通道的片段和转向杆的相邻部分形成的图案的感测装置的类型。
感测装置不应在转向杆平移时移动，因此可以安装在转向系统的固定部分(例如围绕转向杆的壳体)上。
合适的传感器元件阵列可以包括磁传感器元件阵列。该传感器元件阵列可以包括三个或更多个传感器元件。
在长形特征(例如槽缝)的任一侧的齿条的材料可以是磁性的。在这种情况下，长形特征可以包括在转向杆中形成的槽缝。
替代性地，线性位置传感器元件可以是感应传感器元件。
通过将比例因子应用于输出信号，可以将该信号转换为转向杆的位置信号。这可以取决于槽缝的长度与在正交于槽缝的长轴线的方向上测量到的槽缝的两端之间的偏移量的比率。该信号将指示轴在其被马达平移时的线性位移。
可以在转向杆中提供至少一个附加的参考长形特征。该参考长形特征可以沿着轴轴向延伸与对角长形特征相同的长度。
在对角长形特征是槽缝的情况下，附加的参考长形特征也可以是槽缝。
可以选择对角槽缝和参考槽缝的取向，使得正交于转向杆的长轴线测量到的这些槽缝之间的间距沿槽缝的长度变化。
作为参考槽缝与转向杆的轴线成一直线的替代方案，该参考槽缝也可以沿对角线方向延伸，只要该参考槽缝的取向与另一个槽缝不同以使相对间距沿槽缝的长度变化即可。
在提供参考槽缝的情况下，传感器的传感器元件可以确定参考槽缝的面向传感器元件阵列的部分的位置，并且确定对角槽缝的面向传感器元件阵列的部分的位置，并且将这两个位置一起进行处理，以根据这些槽缝的两个部分之间的间距来确定转向杆的轴向位置。
参考槽缝的使用可以使系统能够不受转向杆绕其轴线的任何滚动的影响，因为这不会改变这些槽缝的面向传感器的两个部分的相对位置。这些部分可以沿着传感器从理想位置平移，但间距不会改变，并且可以将其作为位置测量的基础进行检测。
该槽缝或每个槽缝可以是线性的，使得当转向杆移动时，槽缝的面向线性位置传感器的部分的位置将随转向杆位置变化而线性变化。在其他布置中，当转向杆被马达平移时，槽缝可以不是线性的，从而相对于位置传感器产生非线性移动。
该槽缝或每个槽缝可以形成在转向杆的平坦化部分中。这可以沿着齿条与齿形轮廓偏离，该齿形轮廓形成将马达连接至转向齿条的齿轮机构的一部分。小齿轮或旋转螺母可以与转向杆接合并且连接至马达的转子。
该槽缝或每个槽缝可以机加工到转向杆的表面中。
转向系统可以进一步包括支撑转向手轮或其他用户可操作的致动器的转向轴。
该系统可以包括转矩传感器和信号处理单元或微处理器，该转矩传感器测量手轮处的转矩，该信号处理单元或微处理器接收转矩信号、并且产生指示有待由马达产生的辅助转矩的辅助转矩需求信号。
槽缝可以是开放槽缝，或者可以填充有非磁性或非磁性敏感材料。
附图说明
现在将仅通过举例的方式，参照附图并如附图所展示地描述本发明的各个实施例，在附图中：
图1是根据本发明的转向系统的实施例的概图；
图2是转向系统的转向杆和马达的详细视图；
图3是传感器阵列相对于转向杆的透视图，示出了长形特征的片段如何在传感器阵列的视野内；
图4是转向杆的平面视图，示出了长形特征的对角线取向；
图5是穿过转向杆和传感器阵列的、穿过由传感器阵列观察到的片段的中心截取的截面；
图6是替代方案的透视图，其中，对角长形特征位于与转向杆的轴线平行的另外两个长形特征的旁边；
图7(a)是转向杆的平面视图，示出了长形特征和另外两个长形特征的对角线取向，并且图7(b)示出了仅具有两个长形特征的另一替代方案；
图8是穿过转向杆和传感器阵列的、穿过由传感器阵列观察到的片段的中心截取的截面；
图9示出了当转向处于左侧完全锁定时针对图1的布置在传感器阵列的视野中观察到的图案、以及来自每个传感器元件的将该图案编码的输出信号；以及
图10示出了当转向处于右侧完全锁定时针对图1的布置在传感器阵列的视野中观察到的图案、以及来自每个传感器元件的输出信号。
图11是使用磁传感器检测转向杆的线性位置的布置的示意图；
图12示出了使用感应传感器的类似布置；以及
图13示出了使用感应传感器的另一替代性布置。
具体实施方式
如图1所示，线控转向类型的电动动力转向系统1包括手轮2，该手轮可以由驾驶员以常规方式转动。该手轮由短轴3支撑。位置传感器4测量短轴3的角位置θ1，并且与位置传感器结合的转矩传感器测量由驾驶员施加至手轮2的转矩T。与手轮2的转动受到车辆的车轮限制的传统转向系统不同，可以提供用于对手轮的旋转提供仿真阻力的机构。该机构还可以用于向驾驶员提供仿真反馈，以模拟传统转向系统的转向感觉。该机构未在附图中示出，但是这种机构的实施方式对于本领域技术人员而言是已知的。
该系统还包括长形转向杆5，该转向杆的两个相反的端部6、7均机械地连接至相应的车轮支架8、9。每个车轮支架均以完全常规的方式支撑车辆的车轮和轮胎，并且布置成使得转向杆5的平移引起车轮的转向角度改变。电动马达10通过齿轮机构11连接至转向杆5，使得马达的旋转引起转向杆沿其主轴线平移，从而使车轮支架移位。齿轮机构可以包括蜗轮，该蜗轮与转向杆上的蜗轮机构接合。替代性地，马达可以通过螺杆驱动机构来驱动转向杆，其中，转向杆上的蜗轮机构与一组球支承件或由马达旋转的螺母接合。
马达10由从信号处理器12输出的辅助转矩需求信号驱动，并且信号处理器12响应于转矩传感器和位置传感器4的输出来产生该转矩需求信号。一般而言，从转矩传感器输出的转矩越高，马达所需的辅助转矩就越高。
该系统还包括线性位置传感器13，该线性位置传感器在转向杆在转向系统的一个锁定位置与另一个锁定位置之间平移时确定转向杆的轴向位置。传感器13包括呈具有开放面的长形槽缝14形式的长形特征，该槽缝沿着转向杆的长度沿对角线方向延伸。槽缝14的长度略大于转向杆在使用中将转向从完全锁定移动到锁定时可能的平移范围。
长形的传感器元件阵列15在与形成在轴中的槽缝14正交的方向或与转向杆的轴线正交的方向上横跨槽缝14延伸。传感器阵列15的长度大于槽缝的宽度，并且被定位成使得不管转向杆的轴向位置如何，槽缝总是面向传感器的一部分。这样，传感器将在任何给定时间观察槽缝的某一片段，其中沿着槽缝的长度测量到的片段的深度由传感器阵列15的视野确定。
槽缝和传感器阵列可以在附图中的图3至图5中最佳可见。
当转向在一个方向完全锁定时，槽缝的由传感器阵列观察到的片段将朝向传感器的一端，并且当转向在另一个方向完全锁定时，该片段将朝向传感器的另一端。这分别示出在图9和图10中。在该示例中，该阵列包括八个传感器元件，当面向转向杆的一部分时，每个传感器元件产生零值信号，并且当面向槽缝14的片段时，每个传感器元件产生正值。可以沿着传感器元件阵列从左到右或从右到左读取图案，并且该图案被编码为阵列的传感器元件的唯一的值序列。
从传感器阵列输出的每个信号被馈送至信号处理器16，该信号处理器组合多个信号以产生指示转向杆的位置并且因此指示车轮的角度的一个输出信号。
产生将转向杆位置编码的单个输出是可能的，因为线性位置传感器提供了指示槽缝的面向传感器的部分在传感器的宽度上位于何处的输出。这样，输出取决于由槽缝形成的图案以及由传感器阵列14观察到的槽缝的侧面的材料。槽缝的对角线取向迫使此图案随着转向杆从一处锁定到另一处锁定的移动而改变。
根据对槽缝的取向和宽度的了解，以及因此对在转向杆的不同位置处由传感器阵列看到的预期图案的了解，可以通过来自线性位置传感器的输出信号来将转向杆的位置编码。
附图中的图6至图8示出了替代性布置，其中存在两个槽缝，一个是对角线，另一个与转向杆的轴线成一直线。在这种情况下，由传感器阵列观察到的图案将更加复杂，并且包括与两个槽缝的相应片段相对应的两个区域以及槽缝之间的材料。随着转向杆的移动，这两个槽缝及其之间的台部将沿着传感器阵列移动。信号处理器可以通过确定传感器观察到的两个槽缝之间的间距来根据该图案确定转向杆沿其行进范围的位置。可以忽略所观察到图案中的槽缝与台部的实际相对位置。与具有一个槽缝的示例相比，这是有利的，因为它不受转向杆的任何侧向未对准的影响。
图11示出了基于使用两个磁传感器的感测装置的电路。一对线性霍尔效应设备测量形成长形特征的槽缝的每个边缘的位置。磁体被定位成偏离槽缝的一侧，并且磁路由转向杆中的钢和将磁体联接至传感器的金属托架完成。在没有凹口的地方联接强，而在凹口处联接弱，从而在霍尔传感器处产生不同的磁通量。线性位置将由来自每个设备的信号的相对大小以差分方式确定，例如，(信号1-信号2)/(信号1+信号2)。
图12示出了基于使用感应式传感器的感测装置。感应式传感器可以是可变差动变压器。随着轴中的凹口的贯穿，初级线圈与一个次级线圈之间的联接增强，并且初级线圈与相对的次级线圈之间的联接降低。次级线圈可以反相串联布线，使得与初级线圈的相位差指示该位置。这是我对移动芯体而不是移动凹口的LDVT的修改。
在图13所示的替代性布置中，可以使用一对感应接近度传感器来形成感测装置。槽缝将减小线圈的电感。电路将测量两个线圈的相对电感，并且差值用于确定槽缝的位置。

Claims (7)

1.一种电动动力转向系统，包括：转向杆，所述转向杆的相反的端部均机械地连接至相应的车轮支架；电动马达，所述电动马达通过齿轮机构连接至所述转向杆，使得所述马达的旋转引起所述转向杆沿其主轴线平移，从而使所述车轮支架移位；以及线性位置传感器，所述线性位置传感器包括至少一个长形特征，所述长形特征沿着所述转向杆的长度沿对角线方向延伸，使得所述长形特征相对于所述转向杆的轴线倾斜；以及感测装置，所述感测装置面向所述转向杆、并且在任何给定时间只观察到所述长形特征的某一片段，所述片段在所述特征整个宽度上并且仅沿着所述特征的一部分长度延伸，所述感测装置产生信号，所述信号根据所述感测装置所观察到的、由所述特征和所述转向杆的相邻部分形成的图案而变化，所述信号将所述转向杆的轴向位置编码。
2.根据权利要求1所述的电动动力转向系统，其中，所述长形特征包括凸起的脊、或凹陷的通道或槽缝。
3.根据权利要求1或2所述的电动动力转向系统，其中，所述长形特征位于与包含所述转向杆的轴线的平面平行且偏离的平面中。
4.根据任一前述权利要求所述的电动动力转向系统，其中，所述传感器包括与所述对角长形特征正交或与所述转向杆的轴线正交地延伸的传感器元件阵列，每个传感器元件取决于所述长形特征与所述传感器元件的相对对准而产生信号。
5.根据任一前述权利要求所述的电动动力转向系统，其中，提供了至少一个附加的参考长形特征，所述参考长形特征沿着轴轴向延伸与所述对角长形特征相同的长度。
6.根据权利要求5所述的电动动力转向系统，其中，选择所述参考特征和另一长形特征的取向，使得正交于所述转向杆的长轴线测量到的所述特征之间的间距沿着所述特征的长度变化。
7.根据权利要求5或6所述的电动动力转向系统，其中，所述传感器确定所述参考特征的面向所述传感器的部分的位置，并且确定另一特征的面向所述传感器的部分的位置，并且将这两个位置一起进行处理，以根据所述两个特征的两个片段之间的间距来确定所述转向杆的轴向位置。
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