CN1712296A

CN1712296A - 可转向车辆的转向装置

Info

Publication number: CN1712296A
Application number: CNA2005100779609A
Authority: CN
Inventors: 原一男; 久保川范规; 下光喜代崇; 小薗井彻也
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: EP1607303B1; EP1607303A2; KR100693965B1; JP2006001417A; US20050279562A1; JP4604566B2; US7322439B2; EP1607303A3; CN100434323C; KR20060046457A

Abstract

本发明公开了一种用于可转向车辆的转向装置，包括转向单元，操作单元，后备单元和控制单元。后备单元选择性地连接/断开转向单元和操作单元。控制单元可在包括SBW模式和PS模式的两种控制模式中工作。在SBW模式下，控制单元将转向单元与操作单元分离；按照手动转向力度控制车辆的转向角度；以及当SBW至PS模式切换条件满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度这一条件。在PS模式下，控制单元连接转向单元和操作单元；控制辅助转向力度以增强手动转向力度。

Description

可转向车辆的转向装置

技术领域

本发明一般地涉及用于可转向车辆的转向装置或系统，而更为具体地涉及一种用于可转向车辆的转向装置，配备一后备单元用于选择性地以机械方式连接一转向单元和一操作单元以及将转向单元与操作单元机械分离。

背景技术

一项已出版的日本专利申请No.2001-171543(此后称作“JP2001-171543”)表明一种马达驱动式转向装置，包括一方向盘、一转向机构、一离合器用于选择性地连接和断开方向盘和转向机构、一转向马达、以及一反馈马达。当在方向盘与转向机构机械分离的电传转向模式下，配备转向装置的车辆的转向角度在一齿条轴接触于一齿条止动器的情况下达到一最大转向角度时，一控制器接合离合器以连接方向盘和转向机构，并将反馈马达和转向马达的输出扭矩设定为零。

JP2002-171543中所述的转向装置意欲在不采用其额定功率大的反馈马达的情况下、在转向角度处于最大值的条件下提供较大的反作用力。不过，转向装置用来在不机械连接方向盘和转向机构的情况下、借助于转向马达来移动转向齿条，直至转向齿条达到齿条止动器为止。在车速为或接近零而转向角度为或接近最大的条件下，移动转向齿条所需的力度很大。因此，转向马达的额定功率设计得很大。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于可转向车辆的转向装置，用来以额定功率较小的转向马达来进行电传转向控制。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于可转向车辆的转向装置，包括：转向单元，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；操作单元，用来接受手动转向力度；后备单元，用来选择性地以机械方式连接转向单元和操作单元以及将转向单元与操作单元机械分离；以及控制单元，电连接于转向单元、操作单元和后备单元以与之进行信号通讯，并可在包括SBW模式和PS模式的至少两种控制模式下工作；控制单元用来在SBW模式中执行以下操作：将转向单元与操作单元机械分离；按照手动转向力度控制转向角度；以及当SBW至PS模式切换条件满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度这一条件；以及控制单元用来在PS模式下执行以下操作：以机械方式连接转向单元和操作单元；控制辅助转向力度以增强手动转向力度；以及当PS至SBW模式切换条件满足时将控制模式从PS模式切换到SBW模式，PS至SBW模式切换条件包括转向角度小于或等于第二门槛角度这一条件。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于可转向车辆的转向装置，包括：转向单元，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；控制单元，用来接受手动转向力度；后备单元，用来选择性地以机械方式连接转向单元和操作单元以及将转向单元与操作单元机械分离；以及控制单元，电连接于转向单元、操作单元和后备单元以与之进行信号通讯，控制单元用来执行以下操作：当控制转向角度所需的转向力度相对较小时，在后备单元将转向单元与操作单元机械分离的情况下，按照手动转向力度控制转向角度；以及当所需的转向力度相对较大时，在后备单元以机械方式连接转向单元和操作单元的情况下，控制辅助转向力度以增强手动转向力度。

按照本发明的又一方面，提供了一种用于可转向车辆的转向装置，包括：转向装置，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；操作装置，用来接受手动转向力度；后备装置，用来选择性地以机械方式连接转向装置和操作装置以及将转向装置与操作装置机械分离；以及控制装置，可在包括SBW模式和PS模式的至少两种控制模式下工作，用于在SBW模式下执行以下操作：将转向装置与操作装置机械分离；按照手动转向力度控制转向角度；以及当SBW至PS模式切换条件满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度这一条件；以及用来在PS模式下执行以下操作：以机械方式连接转向装置和操作装置；控制辅助转向力度以增强手动转向力度；以及当PS至SBW模式切换条件满足时将控制模式从PS模式切换到SBW模式，PS至SBW模式切换条件包括转向角度小于或等于第二门槛角度这一条件。

按照本发明的再一方面，提供了一种控制用于可转向车辆的转向装置的方法，转向装置包括转向单元，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；操作单元，用来接受手动转向力度；以及后备单元，用来选择性地以机械方式连接转向单元和操作单元以及将转向单元与操作单元机械分离，所述方法包括：在包括SBW模式和PS模式的至少两种控制模式下运作；在SBW模式下执行以下操作：将转向单元与操作单元机械分离；按照手动转向力度控制转向角度；以及当SBW至PS模式切换条件得以满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度这一条件；以及在PS模式下执行以下操作：以机械方式连接转向单元和操作单元；控制辅助转向力度以增强手动转向力度；以及当PS至SBW模式切换条件得以满足时，将控制模式从PS模式切换到SBW模式，PS至SBW模式切换条件包括转向角度小于或等于第二门槛角度这一条件。

附图说明

本发明的以上各项目的和其他各项目的、各种特性和优点，从以下结合各附图所作的实现本发明的各最佳模式的详细说明中会是显而易见的。

图1是示意简图，示出配备有本发明第一实施例的转向装置的机动车辆；

图2是用在图1转向装置之中的电磁离合器14的纵向剖面视图；

图3是用在图1转向装置之中的缆索配置10的横截面视图；

图4是用在图1转向装置之中的扭矩传感器7的纵向剖面视图；

图5是系统框图，示出图1转向装置的控制系统；

图6是系统框图，示出在PS模式下转向力度指令部分40如何在图5控制系统中工作；

图7是流程图，示出由用在图1转向装置中的第一控制器4a执行的程序；

图8一是简图，示出移动典型的齿条齿轮式转向装置的转向齿条所需的力度如何相对于其转向角度变化；

图9是一简图，示出移动典型的齿条齿轮式转向装置的转向齿条所需的力度如何相对于配备转向装置的车辆的车速变化；

图10是系统方框图，示出在本发明第二实施例的可转向车辆的转向装置的控制系统中，转向力度指令部分40和反馈扭矩指令部分38在PS模式下如何工作；

图11是一简图，示出在本发明第三实施例的可转向车辆的转向装置中，其转向减速比在PS模式下如何相对于其转向角度变化；

图12是一简图，示出在第三实施例的转向装置中转向减速比在SBW模式下如何相对于车辆的车速变化。

图13是系统框图，示出在本发明第三实施例的转向装置的控制系统中转向力度指令部分40在PS模式下如何工作；

图14是流程图，表明由用在第三实施例的转向装置中的第一控制器4a执行的程序。

具体实施方式

现在参照图1至9，图中示出本发明第一实施例的可转向车辆的转向装置。图1是一示意简图，表明配备有第一实施例的转向装置的机动车辆。此转向装置包括带有后备系统的附加电传转向(redundant steer-by-wire)(SBW)系统以便提供失效防护特性。具体地说，转向装置包括一对控制通道，各自包括各传感器、转向装置，以及用于控制转向装置的控制器。如图1中所示，转向装置包括操作单元(方向盘)9、反馈单元1、后备单元2、转向单元3以及控制单元4。

反馈单元1机械连接于后备单元2和方向盘9。反馈单元1包括反馈马达5作为反馈驱动器，一对附加的(redundant)方向盘角度传感器6a、6b，扭矩传感器7，以及旋转编码器8。反馈马达5包括一电动机，电动机包括外壳5a和上部转向轴11，后者作为输出轴可转动地支承在外壳5a上。外壳5a用一支架固定于车辆车身。上部转向轴11的上端牢固地联接于方向盘9。扭矩传感器7设置在反馈马达5与方向盘9之间，并用以检测施加于方向盘9从而上部转向轴11的方向盘扭矩。方向盘角度传感器6a、6b包括绝对分析器(absolute resolver)，设置在扭矩传感器7与方向盘9之间。因而，方向盘角度传感器6a、6b设置用来测定方向盘9的角度位置而不存在由于扭矩传感器7的扭转造成的误差。旋转编码器8于外壳5a内设置在上部转向轴11周围以测定反馈马达5的角度位置。

更为具体地说，反馈马达5于外壳5a中包括一对附加定子5b、5c，以便提供失效防护特性。即使定子5b、5c之一由于某种原因未能被激磁，反馈马达5也能利用另一被激磁的定子5b、5c来产生所需的扭矩。反馈马达5由一无刷马达构成，带有各自配备有霍耳IC(Hall IC)13的定子5b、5c，如图5所示。反馈马达5根据来自霍耳IC13的检测信号进行控制。不过，反馈马达5可能产生马达扭矩波动而对反馈扭矩造成不利影响，因此，在此实施例中，反馈马达5除了来自霍耳IC13的检测信号之外还根据来自旋转编码器8的检测信号进行控制。这就减小了马达扭矩的波动而提高了反馈扭矩的质量。

后备单元2选定性地构作用来机械连接转向单元3和方向盘9用于机械能传递，并以机械方式将转向单元3与方向盘9分离或断开连接。后备单元2包括缆索配置10，以及电磁离合器14。图2是电磁离合器14的纵向剖面视图。如图2之中所示，电磁离合器14包括套筒16、转子18、衔铁毂22、衔铁24，以及轭架26。转子18经由与之一起转动的套筒装接于下部轴15，后者如图1之中所示连接于下部转向19轴以便与之一起转动。衔铁毂22包括一花键孔口，与一花键式上部轴20啮合，后者连接于缆索配置10。衔铁毂22包括沿径向伸展的凸缘21。衔铁毂22的凸缘21经由叶片弹簧23连接于衔铁24，后者沿径向设置在凸缘21外侧。转子18包括沿径向伸展的凸缘17。衔铁24面对转子18凸缘17的接触表面17a。轭架26沿径向设置在转子18外侧并固定于一柱壳(未示出)或车辆车身。轭架26容放电磁线圈25。叶片弹簧23制成一环状，由基底部23a、桥接部23b和自由端部23c组成。叶片弹簧23的基底部23a固定于衔铁毂22凸缘21的离开轭架26较远的表面。叶片弹簧23的桥接部23b从基底部23a沿径向伸展。自由端部23c固定于衔铁24的离开轭架26较远的表面。

在电磁线圈25被激励的情况下，磁通φ生成在电磁离合器14之中。如图2中点划线所示，磁通φ在轭架26、转子18和衔铁24内延伸。在存在磁通φ的情况下，衔铁24克服叶片弹簧23被偏置以接触于转子18的凸缘17，使得上部轴20驱动连接于下部轴15。相反，在电磁线圈25被解除激励的情况下，磁通φ消失，使得借助于叶片弹簧23使衔铁24与转子18脱离接触。电磁离合器14的扭矩定额可以通过改变电磁线圈25的设计以调整磁通φ的大小来任意予以设定。

图3是用于后备单元2之中的缆索配置10的横剖面视图。如图3之中所示，缆索配置10包括缆索10a、缆索10b、上部缆索卷轴10c和下部缆索卷轴10d。上部缆索卷轴10装接于上部转向轴11的下端部以便与之一起转动。下部缆索卷轴10d装接于上部轴20以便与之一起转动。缆索10a、10b缠绕在上部缆索卷轴10c和下部缆索卷轴10d上。缆索10a、10b包括内部缆索81a、81b和挠性导引管套82a、82b。导引管套82a、82b容放和导引内部缆索81a、81b。内部缆索81a、81b的一端部在沿纵向间隔开的各纵向位置处沿不同方向由上部缆索卷轴10c卷绕。内部缆索81a、81b的另一端部在沿纵向间隔开的各纵向位置处沿不同方向也由下部缆索卷轴10d予以卷绕。在电磁离合器14被啮合的情况下，当方向盘9被转动时，缆索10a、10b之一用以将方向盘扭矩传输给前车轮27、27，而另一缆索用以将反作用扭矩从前车轮27、27传输给方向盘9。设计一如上述的后备单元2像一般的转轴转向装置那样用作转向力度传动装置。附带说一下，在所示各实施例中，转向力度指的是转向力、转向扭矩，或用于转向的其他力度。

再回来参照图1，转向单元3包括转向齿条总成28，一对附加的转向马达29、30，一对附加的转向角传感器31a、31b，扭矩传感器32，以及一对附加的旋转编码器33、34。

转向齿条总成28包括齿条28a，转向拉杆28b、28b，转向节臂28c、28c，以及壳体28d。在车辆横向上延伸的齿条28a支承在壳体28d上以便在车辆的横向上滑动。转向节臂28c承载前车轮27。转向拉杆28b联接齿条28a的端部和转向节臂28c。齿条28a包括制成为齿条(未示出)的中部，与制成或设置在下转向轴19上的齿轮(未示出)啮合。

第一和第二转向马达29、30设置在电磁离合器14与转向齿条总成28之间，并设计用来分别经由蜗轮35a、35b使下转向轴19转动。类似于反馈马达5，转向马达29、30是由具有配备有各霍耳IC36的定子的无刷马达构成的，如图5之中所示。旋转编码器33围绕转向马达29、30的输出轴设置以测定转向马达29、30的角度位置。

扭矩传感器32装接于下转向轴19的位于转向齿条总成28与第二转向马达30之间的部分上。转向角度传感器31a、31b是由绝对分析器构成的，用来测定下转向轴19的角度位置，或者前车轮27、27的平均转向角度。转向角度传感器31a、31b设置在下转向轴19的下端部上。因此，转向角度传感器31a、31b测定方向盘9的角度位置，而不带有扭矩传感器32处的扭转造成的误差。

在电磁离合器14啮合的情况下，方向盘扭矩从方向盘9经由下转向轴19被传输给转向齿条总成28。

图4是扭矩传感器7的纵向剖面视图。扭矩传感器7包括扭杆7a、第一轴7b、第二轴7c、第一磁体7d、第二磁体7e、线圈7f，以及第三磁体7g。扭杆7a在上部转向轴11的纵向轴线上延伸，第二轴7b具有固定于扭杆7a下端部的下端部。第一磁体7d固定于第一轴7b。第二轴7c具有沿着扭杆7a和第一轴7b的纵向轴线的纵向轴线。第二轴7c具有固定于扭杆7a上端部的上端部。第二磁体7e固定于第二轴7c。线圈7f沿径向设置在第一磁体7d外侧。第三磁体7g沿径向设置在线圈7f外侧。第一磁体7d、第二磁体7e和第三磁体7g用以形成磁路。在上述的结构中，当扭杆7a受扭时，第一磁体7d相对于第二磁体7e转动。第一磁体7d与第二磁体7e之间的相对位移导致线圈7f感应的变化。扭矩传感器7包括两组第一磁体7d、第二磁体7e、线圈7f和第三磁体7g，以便提供失效防护特性。扭矩传感器7检测两个测量值并将其输出给控制单元4。扭矩传感器32包括与扭矩传感器7同样的结构。

再返回参照图1，控制单元4包括第一控制器4a和第二控制器4b。控制器4a、4b各自一般是由一微机构成的。控制器4a、4b各自包括输入/输出接口(I/O)、存储器(RAM、ROM)和微处理器或中央处理单元(CPU)。输入/输出接口(I/O)从发动机/车辆传感器接收输入信息。中央处理单元(CPU)允许通过I/O接口获取来自前面说明的发动机/车辆传感器的输入信息。CPU负责执行储存在各存储器中的转向控制程序并能够进行必要的算术和逻辑运算。计算结果，亦即算出的输出信号，经由控制器4a、4b的输出接口线路被传输给输出单元。具体地说，控制器4a、4b各自用来接收来自反馈单元1的传感信号，亦即，来自转向轮角度传感器6a、6b的信号、来自扭矩传感器7的两种信号、来自旋转编码器8的信号和来自霍耳IC13的信号。控制器4a、4b还用来接收来自转向单元3的传感信号，亦即，来自转向角度传感器31a、31b的信号、来自扭矩传感器32的两种信号、来自旋转编码器33、34的信号和来自霍耳IC36的信号。此外，控制器4a、4b用来接收来自车速传感器50的信号，此传感器用来通过检测和处理车轮的转动速度来测定车辆的纵向行进速度。

控制器4a、4b用来按照来自各传感器的信号控制反馈马达5、转向马达29、30，以及电磁离合器14。控制器4a、4b各自用来监测或诊查另一控制器的状况。在第一实施例中，第一控制器4a在正常状况下起作用，而第二控制器4b在第一控制器4a不正常工作的非正常状况下起作用。

图5是图示第一控制器4a的控制通道的系统方框图。第二控制器4b基本上等同于或构作成第一控制器4a。第一控制器4a包括诊查部分37、反馈力度指令部分38、反馈马达驱动部分39、转向力度指令部分40、转向马达驱动部分41，以及控制通道选择部分42。

诊查部分37用来从各传感器接收表明各测量值的各传感信号，按照储存的程序处理或调节各测量值，以及向反馈力度指令部分28以及向转向力度指令部分40输出表明已处理的各测量值的信号。各输出信号也被输入到控制通道选择部分42。此外，诊查部分37用来按照各测量值来确定是否存在使SBW模式控制不起作用的反常现象、失效或故障。当确定出存在反常现象时，诊查部分37输出控制指令给电磁离合器14，使得电磁离合器14被接合以机械连接方向盘9和转向齿条总成28。以此方式，即使在转向装置的SBW模式控制系统中存在反常现象时，转向装置也可按照手动操纵力度来操纵前车轮27、27。

反馈力度指令部分38用来按照来自诊查部分37的信号计算反馈力度指令，并将反馈力度指令输出给反馈马达驱动部分39和控制通道选择部分42。

反馈马达驱动部分39用来按照反馈力度指令计算驱动电流指令，并将驱动电流指令输出给第一定子5b和第二定子5c。装在反馈马达5之中的电流传感器5d、5e用来监测驱动电流，并将所监测的驱动电流输出给诊查部分37。

转向力度指令部分40用来按照来自诊查部分37的指令信号计算转向角度指令，并将转向角度指令输出给转向马达驱动部分41和控制通道选择部分42。

转向马达驱动部分41用来按照转向力度指令计算驱动电流指令，并将驱动电流指令输出给第一转向马达29和第二转向马达30。装在第一转向马达29以及第二转向马达30中的电流传感器29a、30a用来监测驱动电流，并将所监测的驱动电流输出给诊查部分37。

控制通道选择部分42用来接收来自诊查部分37、反馈力度指令部分38和转向力度指令部分40的信号以按照各信号确定是否在各传感器和第一控制器4a中存在反常现象，并将第一控制器4a的状态输出给第二控制器4b。因而，即使在第一控制器4a的控制通道中存在反常现象，转向装置也继续进行SBW模式控制。

第一控制器4a可运作在两种控制模式下，即电传转向(SBW)模式和动力转向(PS)模式之中。当在于SBW模式下，车辆的状态改变为处在车辆速度低于或等于第一门槛速度X(公里/小时)和转向角度大于或等于第一门槛角度Y(度)的状况下时，第一控制器4a用来将控制模式从SBW模式切换到PS模式。第一门槛速度X一般设定为接近零。第一门槛角度Y一般设定为接近最大转向角度，最大转向角度是一个由齿条止动器机械限定的位置或考虑到其他各因素任意限定的位置。PS模式被恢复之后，第一控制器4a接合电磁离合器14，并开始用转向马达29、30控制辅助转向力度。第一控制器4a用来设定第一门槛角度Y，使得第一门槛角度Y随车辆速度的减小而减小。

另一方面，当在PS模式下，车辆的状态改变为处在车辆速度高于第二门槛速度W(公里/小时)和转向角度小于第二门槛角度Z(度)的状况下时，第一控制器4a用来将控制模式从PS模式切换到SBW模式。第二门槛速度W设定为高于第一门槛速度X，而第二门槛角度Z设定为小于第一门槛角度Y。在SBW模式被恢复之后，第一控制器4a使电磁离合器14脱开接合，并开始用转向马达29、30控制转向角度。

图6是表明转向力度指令部分40在PS模式中如何运作的系统方框图。转向力度指令部分40用来接收来自车速传感器50的信号，以及经由用于消除干扰(noise)的过滤器51来自反馈单元1的扭矩传感器7的信号。转向力度指令部分40用来按照车速信号和扭矩信号采用示于图6方框40中的预定图表来确定辅助转向扭矩，并将辅助转向扭矩输出给转向马达驱动部分41。图表如此设计使得辅助转向扭矩随方向盘扭矩的增大而增大，并随车辆速度的增大而减小。这一特征用于降低司机操纵负荷，并用于提高高速下的车辆稳定性。

以下说明转向装置的操作和性能。图7是表明由第一控制器4a执行的程序的流程图。图7的程序由第一控制器4a在由定时器中断(timerinterrupt)请求的诸如10毫秒等预定处理时间间隔ΔT的间隔处重复执行。虽然第一控制器4a内的各通讯步骤未在图7之中表明，但经过处理的数据储存在存储器中，更新先前的数据，并在时机出现时从存储器中读取参考信息。如图7中所示，首先，在步骤S0处，第一控制器4a确定点火开关是否接通(ON)。当步骤S0的答案为肯定的(是)时，程序前行至步骤S1。另一方面，当步骤S0的答案为否定的(否)时，程序返回。在步骤S1处，第一控制器4a确定是否车辆速度低于或等于第一门槛速度X和前车轮27、27的转向角大于或等于第一门槛角度Y。当步骤S1的答案为是时，程序前行至步骤S2。另一方面，当步骤S1的答案为否时，程序前行至步骤S 5。在步骤S2处，第一控制器4a接合电磁离合器14。继步骤S2之后，在步骤S3处，第一控制器4a通过保持反馈马达5静止并通过按照如图6中所示的图表操作转向马达29、30，来进行PS模式控制。于步骤S4，第一控制器4a确定是否车辆速度高于或等于第二门槛速度W和前车轮27、27的转向角度小于或等于第二门槛角度Z。当步骤S4的答案为是时，程序前行至步骤S5。另一方面，当步骤S4的答案为否时，程序前行至步骤S7。在步骤S5处，第一控制器4a使电磁离合器14脱开接合。继步骤S5之后，在步骤S6处，第一控制器4a进行SBW模式控制。继步骤S6之后，程序返回。在步骤S7处，第一控制器4a保持电磁离合器14接合。继步骤S7之后，在步骤S8，第一控制器4a确定点活开关是否断开(OFF)。当骤S8的答案为是时，程序返回。另一方面，当步骤S8的答案为否时，程序前行至步骤S3。

当前车轮27、27在车速极低的条件下转向最大转向角度时，第一控制器4a执行一系列步骤S0、S1、S2、S3和S4，如图7之中所示。接着，第一控制器4a重复地执行一系列步骤S7、S8、S3和S4，直至在步骤S4处确定出车辆状态改变为处在车速高于或等于第二门槛速度W且前车轮27、27的转向角度小于或等于第二门槛角度Z的状况下为止。因而，在转向角度为或接近最大转向角度的条件下，第一控制器4a接合电磁离合器14而机械连接方向盘9和转向齿条总成28，并通过操作转向马达29、30进行PS模式控制。

按照上述的控制，当车速极低，即为或接近零时，以及转向角度很大，即为或接近最大时，在PS模式下，司机转向力度用于产生移动转向齿条总成28所需的力度的一部分。因此，转向马达29、30的载荷比在一般的转向装置在转向角度的整个范围内进行SBW控制的情况下要小得多。用在转向装置之中的转向马达29、30可以缩小并设计得具有较小的额定功率。在方向盘9以机械方式连接于转向齿条总成28的情况下，反作用力按照转向角度被输入或反馈给方向盘9。这在不操作反馈马达5的情况下就将给出适当大小的反馈转向力度。因此，反馈马达5也可以缩小并设计得其具较小的额定功率。

当在步骤S4处确定出车辆的状态改变为处在车速高于或等于第二门槛速度W且前车轮27、27的转向角度小于或等于第二门槛角度Z的条件下时，第一控制器4a执行一系列步骤S4、S5和S6。具体地说，第一控制器4a使电磁离合器14脱开节合，并将控制模式从PS模式切换到SBW模式。当车辆的状态脱离车辆速度极低，即为或接近零，且转向角度很大，即为或接近最大，的条件时，移动转向齿条总成28所需的载荷是较小的。因此，当SBW模式被恢复后，转向马达29、30的输出保持较小。

从PS模式到SBW模式的切换点与从SBW模式到PS模式的切换点之间的差别用作迟滞区以防止控制模式切换的不适当的频繁重复。因此，这在车辆状态在车速极低且转向角度很大的条件附近改变时可防止电磁离合器14频繁地接合和脱开而产生振动和噪声。

当车速高于第一门槛速度X或前车轮27、27的转向角度小于第一门槛角度Y时，第一控制器4a重复地执行一系列步骤S0、S1、S5和S6。因而，第一控制器4a继续进行SBW模式控制。假如当车辆在路上行经凹坑使得转向角度急速变化时，电磁离合器14是接合的，则很大的回跳就会被传递到方向盘9，这将对车辆的驾驶性造成不良影响。在第一实施例中，在车辆以正常速度行驶时，转向装置继续在电磁离合器14被脱开的情况下进行SBW模式控制，不会对车辆的驾驶性造成不良影响。

一般，移动转向齿条所需的力度(所需的齿条推力，或齿条载荷)当车速为或接近零时显示如图8中所示的特性。图8中所示的特征曲线是由于悬架几何结构和轮胎与路面之间的摩擦造成的。如图8之中所示，移动转向齿条所需的力度随转向角度的增大而增大。此外，移动转向齿条所需的力度随车速的减小而增大，如图9之中所示。移动转向齿条所需的力度的变化率在车速为或接近零的区域内是很大的。作为当然之事，这些特性在没有动力辅助的情况下被提供给手动转向系统中的司机。因而，移动转向齿条所需的力度在车速极低而转向角度很大的区域内是很大的。如果在此区域内执行SBW模式控制，转向马达就需要是一种具有大额定功率的马达。此外，转向马达在此区域内的高负荷导致供电的增加并从而转向马达温度的升高。如果转向马达的负荷受到限制以便减少温度的升高，则会有可能转向角度不能达到最大角度。

以上提及的问题借助于符合第一实施例的转向装置得以解决，此装置通过在车速低于或等于第一门槛速度X且转向角度大于第一门槛角度Y的区域内接合电磁离合器14和操作转向马达29、30进行PS模式控制。在PS模式下，在方向盘9机械连接于转向齿条总成28的情况下，转向装置启动转向马达29、30以增强手动转向力度。因此，即使当转向角度为或接近最大转向角度时，装置也可有效地以减少转向马达29、30电耗的增加和温度的升高。因此，小额定功率的转向马达29、30能够以最大转向角度使前车轮27、27转向。

假设在来自车速传感器50的测定车速低于第一门槛速度X的条件下车辆在方向盘被充分转动的情况下转上一条劣质的道路。在这样一种情势下，即使当司机企图抓牢方向盘9，方向盘9也被施加以由道路反作用所造成的反馈扭矩，使得方向盘9的角度产生波动。如果电磁离合器14按照方向盘角度的波动而反复地接合和脱开，这种操作会产生振动和噪声而对车辆的驾驶性造成不良影响。此外，在电磁离合器14于转向角度为或接近最大转向角度的条件下接合的情况下，反馈扭矩迅速增大使得司机会感到震动。

与以上假设的范例相反，符合第一实施例的转向装置用来当车辆的状态变为处在车速低于或等于第一门槛速度X且前车轮27、27的转向角度大于或等于第一门槛角度Y的条件下时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，而在车辆的状态变为处在车速高于或等于高于第一门槛速度X的第二门槛速度W且前车轮27、27的转向角度小于或等于小于第二门槛角度Y的第二门槛角度Z的条件下时将控制模式从PS模式切换到SBW模式。亦即，PS模式与SBW模式之间的过渡被给予一个迟滞区，从而防止电磁离合器14被反复接合和脱开，并减少电磁离合器14状态改变时的噪声和振动。此外，当车轮打滑而暂时增大所测定的带有差误的车辆速度时，转向装置有效地防止不适当地频繁反复切换电磁离合器14的状态。

以下说明由符合第一实施例的转向装置产生的各种效果。

(Ef1)一种用于可转向车辆的转向装置，包括：转向单元3，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；操作单元9，用来接受手动转向力度；后备单元2，选择性地构作用来以机械方式连接转向单元3和操作单元1、9，并以机械方式将转向单元3与操作单元1、9分离；以及控制单元4，电连接于转向单元3、操作单元9和后备单元2以进行信号通讯，并可在包括SBW模式和PS模式的至少两种控制模式中工作，控制单元4用来在SBW模式中执行以下操作：将转向单元3与操作单元1、9机械分离；按照手动转向力度控制转向角度；以及当SBW至PS模式切换条件满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度Y这样的条件；切控制单元4用来在PS模式下执行以下操作：以机械方式连接转向单元3和操作单元1、9；控制辅助转向力度以增大手动转向力度；以及当PS至SBW模式切换条件满足时将控制模式从PS模式切换到SBW模式，PS至SBW模式切换条件包括转向角度小于或等于第二门槛角度Z这样的条件，在转向角度在或接近最大转向角度的区域内有效地减小转向马达29、30的负荷并因而有效地减小马达29、30的尺寸。

(Ef2)转向装置，其中控制单元4用来设定第一门槛角度Y，使得第一门槛角度Y随车辆速度的减小而减小，有效地进一步减小转向马达29、30的负荷并因而可有效地减小转向马达29、30的尺寸，因为移动转向齿条所需的力度随车辆速度的减小而增大。

(Ef3)转向装置，其中第二门槛角度Z设定得小于第一门槛角度Y，以在转向角度于第一门槛角度Y附近变化的情况下，有效地防止其中电磁离合器14反复地接合和脱开的控制模式切换的不适当的频繁反复而对车辆的驾驶性能造成不良影响。

(Ef4)转向装置，其中SBW至PS模式切换条件包括车辆速度低于或等于第一门槛速度这样的条件，以及其中PS至SBW模式切换条件包括车辆速度高于或等于第二门槛速度W这样的条件，可在车辆速度为或接近零使得移动转向齿条所需的力度很大的区域内有效地减小转向马达29、30的负荷，并当车辆行经道路上的凹坑使得转向角度瞬间变化时有效地防止很大的回跳被传递给方向盘9而对车辆的驾驶性能造成不良影响。

(Ef5)转向装置，其中第二门槛速度W设定为大于第一门槛速度X，可在车辆速度在第一门槛速度X附近变化的情况下，有效地防止其中电磁离合器14反复接合和脱开的控制模式切换的不适当的频繁反复而对车辆的驾驶性能造成不良影响。

现在参照图10，图中表明符合本发明第二实施例的用于可转向车辆的转向装置。符合第二实施例的此转向装置，除了以下提及的一些特征之外，设计得与第一实施例相同。图10是系统方框图，图示转向力度指令部分40和反馈扭矩指令部分38在PS模式下如何运作。

反馈力度指令部分38用来接收来自车速传感器50的车速信号和经由过滤器51接收来自扭矩传感器7的转向扭矩信号。反馈力度指令部分38用来利用图10之中所示的图形、按照车速信号和转向扭矩信号来确定由反馈马达5产生的辅助转向力度，并输出到反馈马达驱动部分39。图形针对转向力度指令部分40设计成，使得辅助转向扭矩随方向盘扭矩的增大而增大并随车速的增大而减小。辅助转向扭矩在转向马达29、30与反馈马达5之间分派。转向马达29、30的辅助转向扭矩设定为第一实施例扭矩的一半，与反馈马达5具有同样的特性。

在第二实施例中，除了上面第一实施例之中所提及的效果(Ef1)至(Ef5)之外，转向装置还产生以下的效果(Ef6)。(Ef6)转向装置包括用来产生施加于操作单元9的反馈力度的反馈单元1，其中控制单元4与反馈单元1电连接以进行信号通讯，并用来控制反馈力度和辅助转向力度二者以在PS模式下提高手动转向作用力度，有效地减小转向马达29、30的负荷，并从而有效地减小转向马达29、30的尺寸。

现在参照图11至14，图中表明符合本发明第三实施例的用于可转向车辆的转向装置。在第三实施例中，转向装置包括一可变速比齿条-齿轮装置用于可变速比转向，亦即用于改变作为方向盘角度对可转向前车轮的转向角度的比值的转向速比，使得当控制模式在PS模式与SBW模式之间切换时，PS模式下的转向速比基本上等于或相应于SBW模式下的转向速比。

图11是一简图，表明按照第三实施例在PS模式下转向速比如何随转向角度变化。可变速比齿条-齿轮装置设计得使得齿条节距，即转向齿条的齿距对应于方向盘9中间位置附近的转向角度较小，对应于最大转向角度或接近最大转向角度的转向角度较大，而对应于中间点与最大转角度之间的其他转向角度随转向角度的增大而增大。因此，如图11之中所示，转向速比对于转向中间位置附近的转向角度来说较高，使得转向反应很快，而对于为或接近最大转向角度的转向角度来说较低，使得转向反应很慢。转向速比在转向角度为或接近最大转向角度并包括第一门槛角度Y和第二门槛角度Z的区域中设定为最小值(最小转向速比设定)K。

图12是一简图，表明按照第三实施例在SBW模式下转向速比如何随车速而变化。如图12之中所示，在SBW模式下，转向速比随车速的增大而增大，并在车速为或接近零并包括第一门槛速度X和第二门槛速度W的区域中设定为最小值K。

图13是一系统方框图，表明按照第三实施例在PS模式下转向力度指令部分40如何运作。转向力度指令部分40用来接收来自车速传感器50和反馈单元1的方向盘角度传感器6a、6b的信号。转向力度指令部分40用来利用示于图13方框40之中的图形、按照车速信号和转向扭矩信号来确定由转向单元3产生的辅助转向力度，并输出到减法器53。此图形设计得使得辅助转向扭矩随方向盘角度的增大而增大并随车速的增大而减小。辅助转向扭矩对于超出一预定值的转向角度设定为常量，以防止方向盘9过分转动，并防止转向马达29、30过热。经过高频滤波器52之后，方向盘角度信号被乘以一预定的常数M以产生一负增益，并被输入给减法器53。减法器53用来通过从图形获取的值减去负增益来计算辅助转向扭矩。当方向盘角度较大时，辅助转向扭矩指令通过减去负增益来予以调节。转向装置因而用来在PS模式下控制辅助转向力度，使得辅助转向力度在转向角度相对较大的区域中被附加以一正比于转向角度的负反馈，有效地防止辅助转向扭矩指令过分增大。最后，辅助转向扭矩指令被输入给转向马达驱动部分41。

以下将说明符合第三实施例的转向装置的动作和性能。图14是一流程图，表明由第一控制器4a执行的程序。步骤S10、S12、S14以及步骤S17至S21分别与第一实施例中的步骤S0至S2、S3以及S5至S8一样。与第一实施例相比照，在步骤S13处，第一控制器4a确定是否方向盘9的转速(角速度)小于零且方向盘角度大于零(正向顺时针)。当步骤S13的答案为是时，程序前行至步骤S14。另一方面，当步骤S13的答案为否时，程序前行至步骤S15。在步骤S15处，第一控制器4a确定是否方向盘9的转速大于零切方向盘角度小于零(正向顺时针)。当步骤S15的答案为是时，程序前行至步骤S14。另一方面，当步骤S15的答案是否时，程序前行至步骤S16。在步骤S16处，第一控制器4a将反馈马达5和转向马达29、30的输出控制为零。继步骤S16之后，程序前行至步骤S19。

当方向盘在车速为或接近零而前车轮27、27的转向角度为或接近最大转向角度的条件下朝向中间点进行控制时，第一控制器4a执行电磁离合器14被接合的一系列步骤S10、11和S12。电磁离合器14的接合是平顺的，因为转向速比在转向角度是第一门槛角度Y的PS模式下是与在SBW模式下相同的最小值K。在转向速比是最小值K的情况下，方向盘9被输入以大的反馈扭矩而不使转向马达29、30过载。

继步骤S12之后，第一控制器4a在方向盘9反时针转向中间点期间执行一系列步骤S13、S14、S19、S20和S21，或者在方向盘9顺时针转向中间位置期间执行一系列步骤S10、S11、S12、S13、S15、S14、S19、S20和S21。第一控制器4a反复地执行一系列步骤S13、S14、S19、S20和S21，或者一系列步骤S10、S11、S12、S13、S15、S14、S19、S20和S21，直至车辆的状态改变为处在车速大于或等于第二门槛速度W和转向角度小于或等于第二门槛角度Z为止。因而，第一控制器4a借助于转向马达29、30进行PS模式控制。

当转向角度通过转回中间点而被减小到小于或等于第二门槛角度Z时，第一控制器4a执行一系列步骤S19、S17和S18，其中电磁离合器14被脱开接合以将控制模式从PS模式切换到SBW模式。正好在模式过渡之前，转向速比是最小值K而转向角度是第二门槛角度Z。正好在模式过渡之后，转向速比也是最小值K而转向角度是第二门槛角度Z。因此，转向速比经过从PS模式到SBW模式的过渡未被改变，提供了平顺的操纵。

另一方面，当方向盘9的角度在车速极低而转向角度为或接近最大转向角度的条件下被保持或从中间点增大时，控制单元4执行一系列步骤S10、S11、S12、S13、S15、S16、S19、S20和S21。在步骤S16处，转向马达29、30和反馈马达5的输出设定为零。这样，当方向盘9朝向中间位置转回时，司机方向盘扭矩被增强以辅助方向盘9转回到中间位置。另一方面，当方向盘9从中间位置转离时，辅助转向扭矩设定为零使得反馈扭矩被产生而不使转向马达29、30承载。

一般，典型的SBW装置用来控制转向速比，使得SBW模式下的转向速比较低以在车速较低的条件下提供快速的转向反应。如果转向装置采用其转向速比是固定的齿条-齿轮转向装置，则其固定的转向速比需要是较低的值以形成平顺的模式过渡。在这种配置下，当车辆以高速行进时，较低的转向速比会对车辆稳定性产生不良影响。相反，在采用用以加强车辆稳定性的固定的较高转向速比的情况下，模式过渡中转向速比的间隙很大，从而司机可能感觉不适。

在第三实施例中，转向装置包括一可变速比齿条-齿轮装置，其齿条节距设计成使得SBW模式下的转向速比在车速为或接近零的条件下与PS模式下的一样，以解决上面提及的问题。因此，中间点附近的转向速比较高，而在转向角度为或接近最大转向角度的区域中相对较低。在低转向速比的情况下，方向盘9被输入以所获得的一大的反作用扭矩而不使转向马达29、30过载。

在第三实施例中，除了以上在第一实施例中提及的效果(Ef1)至(Ef5)之外，转向装置还产生以下效果(Ef7)和(Ef8)。(Ef7)转向装置，其中控制单元4用来控制SBW模式下的转向速比，使得该转向速比在SBW模式与PS模式之间的过渡中基本上等于PS模式下的转向速比，有效地用于形成平顺的转向感觉，而在PS模式与SBW模式之间的过渡中没有不希望有的转向速比变化。(Ef8)转向装置，其中控制单元4用来在PS模式下当转向角度减小时增强手动转向力度，并在PS模式下当转向角度保持不变或增大时将辅助转向力度设定为零，有效地加强方向盘9的静态稳定性。

虽然本发明已经参照本发明所示各实施例予以说明如上，但本发明不限于上述的各实施例。符合所示各实施例的转向装置可以改进如下。

在所示各实施例中，转向装置包括两台转向马达29、30，恒定地用于产生转向扭矩。不过，转向装置可以采用第一转向马达29作为正常状况下的主马达，而第二转向马达30作为只在主马达不能正常运作的反常状况下的辅助马达。

在所示各实施例中，转向马达29、30和反馈马达5的角度位置由各旋转编码器予以测定。不过，可任由选择地采用分析器用于测定各角度位置。

在所示各实施例中，后备单元2采用缆索式转向装置。不过，后备单元2可以采用轴式转向装置。电磁离合器14可以在通常情况下接合而在被激励期间脱开接合。这种配置有效地提高转向装置的安全性，因为即使在电能未被供向电磁离合器14或控制单元4的时候，电磁离合器14也被接合以连接方向盘9和转向齿条总成28。

在第三实施例中，转向装置包括可变速比齿条-齿轮装置以便在PS模式下改变转向速比。不过，转向装置可以包括一可变的转向传动驱动器，诸如一马达，来改变转向速比。

本申请基于2004年6月17日提出的在先日本专利申请No.2004-180014。此日本专利申请No.2004-180014的全部内容在此纳入作为参考。

虽然本发明已经参照本发明某些实施例对本发明进行了说明，但本发明不限于上述的各实施例。本领域技术人员根据以上的各种教益回想到上述各实施例的一些改进和变动。本发明的范畴可参照以下各项权利要求予以确定。

Claims

1.一种用于可转向车辆的转向装置，包括：

转向单元，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；

操作单元，用来接受手动转向力度；

后备单元，用来选择性地以机械方式连接转向单元和操作单元以及将转向单元与操作单元机械分离；以及

控制单元，电连接于转向单元、操作单元和后备单元以与之进行信号通讯，并可在包括SBW模式和PS模式的至少两种控制模式下工作；

控制单元用来在SBW模式中执行以下操作：

将转向单元与操作单元机械分离；

按照手动转向力度控制转向角度；以及

当SBW至PS模式切换条件满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度这一条件；以及

控制单元用来在PS模式下执行以下操作：

以机械方式连接转向单元和操作单元；

控制辅助转向力度以增强手动转向力度；以及

当PS至SBW模式切换条件满足时将控制模式从PS模式切换到SBW模式，PS至SBW模式切换条件包括转向角度小于或等于第二门槛角度这一条件。

2.按照权利要求1所述的转向装置，其中，控制单元用来设定所述第一门槛角度，使得第一门槛角度随车辆速度的减小而减小。

3.按照权利要求1所述的转向装置，其中，所述第二门槛角度设定为小于第一门槛角度。

4.按照权利要求1所述的转向装置，其中，SBW至PS模式切换条件包括车辆速度低于或等于第一门槛速度这一条件，而PS至SBW模式切换条件包括车辆速度高于或等于第二门槛速度这一条件。

5.按照权利要求4所述的转向装置，其中，第二门槛速度设定为大于第一门槛速度。

6.按照权利要求1至5中任何一项所述的转向装置，其中，还包括反馈单元，用来产生施加于操作单元的反馈力度，其中控制单元电连接于反馈单元以与之进行信号通讯，并用来控制反馈力度和辅助转向力度二者以在PS模式下增强手动转向力度。

7.按照权利要求6所述的转向装置，其中，在PS模式下受控的反馈力度基本上等于受控的转向力度。

8.按照权利要求1至5中任何一项所述的转向装置，其中，控制单元用来在SBW模式下控制转向速比，使得转向速比在SBW模式与PS模式之间的过渡中基本上等于PS模式下的转向速比。

9.按照权利要求8所述的转向装置，其中，转向单元设计成使得PS模式下的转向速比随转向角度的增大而减小，并在SBW模式与PS模式之间的过渡区域内相对于转向角度来说不变。

10.按照权利要求8所述的转向装置，其中，控制单元用来控制SBW模式下的转向速比，使得SBW模式下的转向速比在SBW模式与PS模式之间的过渡区域内相对于车辆速度来说不变，并随车速的增大而增大。

11.按照权利要求1至5中任何一项所述的转向装置，其中，控制单元用来在转向角度在PS模式下减小时增强手动转向力度。

12.按照权利要求11所述的转向装置，其中，控制单元用来当转向角度在PS模式下增大或保持不变时将辅助转向力度设定为零。

13.按照权利要求1至5中任何一项所述的转向装置，其中，控制单元用来在PS模式下控制辅助转向力度，使得辅助转向力度随转向角度的增大而增大，随车辆速度的减小而增大，并在转向角度相对较大的区域内相对于转向角度来说不变。

14.按照权利要求1至5中任何一项所述的转向装置，其中，控制单元用来在PS模式下控制辅助转向力度，使得辅助转向力度随转向角度的增大而增大，并在转向角度相对较大的区域内附加以与转向角度成正比的负反馈。

15.一种用于可转向车辆的转向装置，包括：

转向单元，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；

控制单元，用来接受手动转向力度；

控制单元，电连接于转向单元、操作单元和后备单元以与之进行信号通讯，控制单元用来执行以下操作：

当控制转向角度所需的转向力度相对较小时，在后备单元将转向单元与操作单元机械分离的情况下，按照手动转向力度控制转向角度；以及

当所需的转向力度相对较大时，在后备单元以机械方式连接转向单元和操作单元的情况下，控制辅助转向力度以增强手动转向力度。

16.一种控制用于可转向车辆的转向装置的方法，转向装置包括转向单元，用来产生辅助转向力度以调控车辆的转向角度；操作单元，用来接受手动转向力度；以及后备单元，用来选择性地以机械方式连接转向单元和操作单元以及将转向单元与操作单元机械分离，所述方法包括：

在包括SBW模式和PS模式的至少两种控制模式下运作；

在SBW模式下执行以下操作：

将转向单元与操作单元机械分离；

按照手动转向力度控制转向角度；以及

当SBW至PS模式切换条件得以满足时将控制模式从SBW模式切换到PS模式，SBW至PS模式切换条件包括转向角度大于或等于第一门槛角度这一条件；以及

在PS模式下执行以下操作：

以机械方式连接转向单元和操作单元；

控制辅助转向力度以增强手动转向力度；以及

当PS至SBW模式切换条件得以满足时，将控制模式从PS模式切换到SBW模式，PS至SBW模式切换条件包括转向角度小于或等于第二门槛角度这一条件。