CN1934001A - 电动转向系统中的轮胎侧向力确定 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计算具有电动机械转向系统或电动液压转向系统的机动车辆中的侧向力的方法。该方法包括下列步骤：首先检测转向直拉杆力，从该转向直拉杆力计算总的复位力矩。该总的复位力矩包括由作用在车轮上的不同的力产生的复位力矩。所述复位力矩包括通过侧向力引起的复位力矩和其他复位力矩。在测量值的基础上定量地确定所述其他复位力矩并且从总的复位力矩中减去这些复位力矩，以便确定通过侧向力引起的复位力矩。最后，由该侧向力引起的复位力矩求得侧向力。

Description

电动转向系统中的轮胎侧向力确定

技术领域

本发明涉及一种用于确定具有电动机械转向系统或电动液压转向系统的机动车辆中的轮胎侧向力的方法。

背景技术

很多现代机动车辆除了装备有早已非常广泛流行的ABS制动系统之外，还越来越常见地装备有行驶动态调节系统，以便提高车辆的主动安全性。行驶动态调节系统用于检测和限制车辆绕其竖轴线的横摆运动。传感器检测由驾驶员预定的参量，例如转向角、加速踏板位置和制动压力。此外，还测量各个车轮的横向加速度以及转动性能。行驶动态调节系统的效率可通过检测其它影响机动车辆动态性能的参量更进一步地提高。这些参量可包括例如车轮在路面上的摩擦系数或者侧滑角，该侧滑角表明速度矢量相对于车辆中心线的角度偏移。

发明内容

由此出发，本发明的目的在于给出一种方法，通过该方法可求得至少一个额外的影响车辆动态性能的参量。

该目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。

根据本发明，提出了一种用于计算具有电动机械转向系统或电动液压转向系统的机动车辆中的侧向力的方法。该方法包括下述步骤：

-检测转向直拉杆力；

-从所述转向直拉杆力计算总的复位力矩，其中该复位力矩包括通过侧向力引起的复位力矩和其他复位力矩；

-在测量值的基础上定量地确定所述其他复位力矩；

-从总的复位力矩减去所述其他复位力矩以便确定通过侧向力引起的复位力矩；以及

-由通过侧向力引起的复位力矩求得侧向力。

对于很多行驶动态调节系统，车轮上的侧向力是有利的输入参量。侧向力例如可用于确定摩擦系数或用于估计侧滑角。

现代的电动机械或电动液压辅助转向系统或与驾驶员机械地分离的电动机械转向系统或电动液压转向系统由于其原理而包括力或力矩传感器系统，由力或力矩传感器系统测量或计算转向直拉杆力(齿轮齿条式转向装置中的齿条)或转向横拉杆力。由所述力可确定轮胎侧向力。根据本发明的方法利用所述传感器系统来确定轮胎侧向力。

在本发明的改进中，在侧向力的确定中引入转向直拉杆力与总的复位力矩之间的传动比。有利地，该传动比可与转向角相关。

有利地，在侧向力的确定中引入主销内倾角和/或主销后倾角。

对于本发明重要的其他复位力矩可包括通过滚动阻力、制动力、驱动力和/或垂直力引起的复位力矩。

在根据本发明的方法的不同的实施例中，转向直拉杆力作为作用在左侧转向横拉杆和右侧转向横拉杆上的力或作为总的转向直拉杆力被检测。

有利地，由驾驶员施加的转向力矩、转向放大和转向传动比计算总的转向直拉杆力。在此可提出，在转向直拉杆力的计算中引入与转向角相关的转向传动比。

在本发明的实施例中，由电动机械转向系统或电动液压转向系统的一个或多个电动机的电机电流和/或电机位置求得总的转向直拉杆力。

因此，根据本发明的方法可以适当地这样拓展，使得根据所求得的侧向力确定侧滑角和/或摩擦系数。

附图说明

附图示意性地示出了在其中可执行根据本发明的方法的电动机械转向系统。在附图中：

图1是电动机械转向系统的示意图；

图2示出车轮的主销后倾角和主销内倾角；

图3示出车轮的侧向力杠杆力臂；

图4示出车轮的制动力杠杆力臂；

图5示出车轮的干扰力杠杆力臂；

图6示出车轮的垂直力杠杆力臂及其与主销内倾角的关系；以及

图7示出车轮的垂直力杠杆力臂及其与主销后倾角的关系。

具体实施方式

图1中示意性地示出了机动车辆的前桥和转向系统。驾驶员通过朝期望的行驶方向转动方向盘1来操控车辆。方向盘1的转向运动通过转向柱2机械地传递给小齿轮3。小齿轮3与齿条4啮合。方向盘1的转向运动由此引起齿条4的往复运动。齿条4在两个端部上分别与左侧转向横拉杆61和右侧转向横拉杆6r相连接，这些转向横拉杆将齿条4的运动分别传递给车辆前轮7l和7r。为清楚起见，图1中省略了车辆前轮7l、7r的悬架。就这方面而言，所描述的转向系统是纯粹机械式的，并且在车辆重量大的情况下需要驾驶员的大的转向力。出于这个原因，转向柱2还在驱动上与电动机8附加地耦合，该电动机有助于驾驶员作用在方向盘1上的转向运动。尽管电机8在图1中示为在转向柱2旁边，但是事实上该电机驱动转向柱2并且作用在小齿轮3上。电机8由电机控制装置9控制并且由电池11供应能量。此外，转向柱2还装备有转矩传感器12a和测量值转换器12b，该测量值转换器检测由驾驶员施加的转向力矩M_L的量并且将该量输出给电机控制装置9和侧向力计算单元13。另外，电机控制装置9输出信号V_L给侧向力计算单元13。信号V_L描述了由驾驶员施加的转向力矩M_L的放大。侧向力计算单元13输出代表作用在前轮7l、7r上的侧向力F_Y的输出信号。

下面说明上述转向系统的工作原理和计算侧向力F_Y的方法。

为了更好地理解本发明，图2a至图2c中用图解法阐释了前轮悬架的特征值。为清楚起见，仅以车辆的右前轮为例阐明这些特征值，该右前轮用参考标号7标记。在转向运动中，车轮各绕一相对于车辆固定的转动轴回转，该转动轴被称为转向轴16。转向轴16在两个点E和G上与车体固定地连接。转向轴16相对于固定地连接于车体的坐标系X、Y、Z的位置通过下述特征值来描述。

图2a示出车轮7的侧视图。在车辆纵向平面中，转向轴16与路面法线17之间的角被称为主销后倾角τ。在车辆纵向平面中，转向轴16与路面21相交的点18和理想的车轮支承点19之间的距离被称为主销后倾偏移r_τ.k。

图2b示出车轮7的正视图。在车辆横向平面中，转向轴16与路面法线17之间的角被称为主销内倾角σ。在车辆横向平面中，转向轴16与路面21相交的点18和理想的车轮支承点19之间的距离被称为转向滚动半径r_σ。

最后，图2c示出车轮7的斜向正视图，在该视图中不仅示出了主销后倾角τ而且示出了主销内倾角σ。

在电动机械或电动液压辅助转向系统中，测量由驾驶员施加的转向力矩M_L，以便计算和调节待由电动机施加的放大率V_L。通过方向盘力矩与总转向直拉杆力F_L，sum之间的通常与转向角相关的传动比i_L1(δ)以及转向放大V_L如下计算总转向直拉杆力：

             F_L，sum＝M_L·V_L·i_L1(δ)                  (1)

总转向直拉杆力F_L，sum由右侧转向横拉杆和左侧转向横拉杆垂直作用于转向直拉杆的力F_Lr与F_Ll叠加得到。

在与驾驶员机械地分离的电动机械转向装置或电动液压转向装置中，要么分别测量两个转向横拉杆力(F_L，r和F_L，l)，要么测量或者由所述电动机的电机电流和/或电机位置估计总转向横拉杆力F_L，sum。这些力例如对于产生触觉上的转向感觉是必需的。

计算单个转向直拉杆力F_L，r和F_L，l的步骤除了参数和力作用方向之外完全相同，因此，下面以无车轮下标的车轮7为例来实施。转向直拉杆力F_L补偿复位力矩，这些复位力矩作用在车轮7上并且通过不同的力产生。因为总复位力矩绕图2中所示的坐标系的z轴作用，所以这些复位力矩的总和用M_Z表示。

在转向直拉杆力F_L与绕转向轴16的总复位力矩M_Z之间存在也与转向角相关的第二传动比i_L2(δ)：

                 M_Z＝F_L·i_L2(δ)                    (2)

在总复位力矩中还包括由侧向力F_Y产生的复位力矩。下面描述侧向力F_Y与由该侧向力产生的复位力矩之间的关系。

图3a再次示出车轮7的侧视图。侧向力F_Y在车轮支承点处作用在车轮7上。因为转向轴16相对于垂直线以主销后倾角τ倾斜，所以侧向力F_Y相对于转向轴16偏移地作用。侧向力F_Y的相应于车轮支承点的作用点与转向轴16之间的距离被称为运动学的侧向力杠杆力臂n_τ，k。以侧向力杠杆力臂n_τ，k作用的侧向力F_Y根据下式产生复位力矩M_z，y：

                 M_z，y＝F_Y·n_τ，k                   (3)

这种考虑仅适用于车辆不运动且车轮7不侧偏的情况。

侧偏导致侧向力F_Y的作用点以转向轮主销后倾量移动到车轮中心的后面，由此侧向力杠杆力臂变长。除了运动学的侧向力杠杆力臂n_τ，k之外，侧向力杠杆力臂延长了转向轮主销后倾量r_τ，T的垂直于转向轴的分量，因此，对于总的侧向力杠杆力臂r_σ，t有：

               r_σ，t＝n_τ，k+r_τ，T·cosτ            (4)

在复位力矩M_Z中通过侧向力杠杆力臂r_σ，t和运动学的主销内倾σ引入所研究的侧向力F_Y。通过侧向力F_Y产生的复位力矩用M_z，Y表示：

               M_z，Y＝F_Y·cosσ·r_σ，t                (5)

将方程(4)代入方程(5)中得到复位力矩M_z，Y为：

       M_z，Y＝F_Y·cosσ·(n_τ，k+r_τ，T·cos τ)      (6)

除了侧向力F_Y之外，还有另外的力形成力矩地作用在转向轴上。为了从通过侧向力产生的力矩M_z，Y分离这些力矩，下面给出了各个计算公式。

由路面21传递给车轮7的制动力F_B属于形成力矩地作用在转向轴16上的所述另外的力。图4中示出车辆前轮7的正视图。由路面21传递给车轮7的制动力F_B作用于距转向轴16与路面21的相交点18r_σ处。垂直于转向轴16的制动力杠杆力臂r_b的长度为

                 r_b＝r_σ·cosσ                       (7)

其中σ表示主销内倾角。在考虑主销后倾角τ的情况下，可得到由制动力F_B产生的绕转向轴16的力矩为：

              M_z，B＝F_B·cosτ·r_b                    (8)

由此得到通过制动力产生的复位力矩M_z，B如下：

            M_z，B＝F_B·cosτ·r_σ·cosσ              (9)

该计算仅适用于具有外侧制动器的车辆。对于具有内侧制动器的车辆，必须使用干扰力杠杆力臂r_a而非制动力杠杆力臂r_b，在下面的段落中将描述该干扰力杠杆力臂。

如图5中所示，与制动力不同，滚动阻力和驱动力不是通过制动力杠杆力臂r_b而是通过上面提到的干扰力杠杆力臂形成力矩地作用在转向轴16上。因为对于驱动力和滚动阻力F_R在车轮与车轮支架之间不是传递力矩而是仅传递力，所以形成不同的作用杠杆。在车轮中心相交的情况下F_R′＝F_R(参见图5)。由此得到通过滚动阻力F_R产生的复位力矩M_Z，R如下：

              M_Z，R＝F_R·cosτ·r_a                  (10)

在此，r_a表示垂直于转向轴16的干扰力杠杆力臂，cosτ考虑了由于主销后倾角τ引起的力分配。滚动阻力F_R可由垂直力F_z和滚动阻力摩擦系数获得。

驱动力F_A也通过干扰力杠杆力臂r_a产生一绕转向轴16的力矩M_A：

              M_Z，A＝F_A·cosτ·r_a                (11)

另外，垂直力F_Z产生复位力矩，当仅出现小的侧向力时，该复位力矩尤其在速度较小的情况下显著。

由于主销内倾σ，用cosτ缩放的垂直力F_Z根据转向角δ通过垂直力杠杆力臂q作为复位力矩起作用，如图6中所示：

          M_Z，Z1＝F_Z·cosτ·sinσ·sinδ·q      (12)

垂直力杠杆力臂或转向杠杆力臂q由轮胎半径r_dyn、转向滚动半径r_σ(图2a和图4)和主销内倾角σ如下地计算：

             q＝(r_σ+r_dyn·tanσ)·cosσ           (13)

用垂直力杠杆力臂如下计算复位力矩：

M_Z，Z1＝F_Z·cosτ·sinσ·sinδ·(r_σ+r_dyn·tanσ)·cosσ   (14)

图6中示出了所述几何关系。

除了通过主销内倾引起的力矩之外，垂直力F_Z还由于主销后倾τ产生另一复位力矩M_Z，Z2：

        M_Z，Z2＝F_Z·sinσ·cosτ·sinδ·n_τ       (15)

其中，主销后倾偏移量n_τ表示垂直力F_Z的作用点与车辆上的固定点之间的距离。图7中示出了这种状况的几何关系。

由通过转向直拉杆力F_L求得的总复位力矩M_Z如下地计算所研究的侧向力F_Y。即，总的复位力矩M_Z是各个复位力矩的总和：

M_Z＝M_Z，Y+M_Z，B+M_Z，R+M_Z，A+M_Z，Z1+M_Z，Z2           (16)

方程(6)适用于侧向力力矩M_Z，Y。将方程(6)代入方程(16)中并重新整理得到：

F_Y＝(M_Z-M_Z，B-M_Z，R-M_Z，A-M_Z，Z1-M_Z，Z2)/(cosσ·(n_τ，k+r_τ，T·cosτ))  (17)

由该方程可知，必须确定下面的参数，以便求得侧向力F_Y：

σ：主销内倾角

τ：主销后倾角

δ：转向角

r_σ：转向滚动半径

n_τ：主销后倾偏移量

r_dyn：轮胎半径

r_a：干扰力杠杆力臂

n_τ，k：运动学的侧向力杠杆力臂

r_τ，T：转向轮主销后倾量

借助于对于传统的行驶动态调节已经存在的传感器，除了测量已经提到的转向力矩M_L、转向直拉杆力F_L、转向放大V_L和传动比i_L1、i_L2之外，还测量下面的参量：

F_B：制动力

F_A：驱动力

F_Z：垂直力

最后，借助于这些参数和测量参量的全体根据方程(17)可求得侧向力F_Y，如上所述。

虽然以电动机械转向系统为例描述了本发明，但本发明也可以以相应的方式应用于电动液压转向系统。

Claims (11)

1.一种用于计算具有电动机械转向系统或电动液压转向系统的机动车辆中的侧向力的方法，所述方法包括下列步骤：

-检测转向直拉杆力(F_L)；

-从所述转向直拉杆力计算总的复位力矩(M_Z)，其中所述复位力矩包括通过侧向力(F_Y)引起的复位力矩(M_Z，Y)和其他复位力矩(M_Z，B，M_Z，R，M_Z，A，M_Z，Z1，M_Z，Z2)；

-在测量值的基础上定量地确定所述其他复位力矩；

-从总的复位力矩减去所述其他复位力矩以便确定通过侧向力引起的复位力矩；以及

-由通过侧向力引起的复位力矩(M_Z，Y)求得所述侧向力(F_Y)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述侧向力的确定中引入转向直拉杆力(F_L)与总的复位力矩(M_Z)之间的传动比(i_L2)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传动比(i_L2(δ))与转向角相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述侧向力(F_Y)的确定中引入主销内倾角(σ)和/或主销后倾角(τ)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其他复位力矩包括通过滚动阻力(F_R)、制动力(F_B)、驱动力(F_A)和/或通过垂直力引起的复位力矩(M_Z，R，M_Z，B，M_Z，A，M_Z，Z1，M_Z，Z2)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转向直拉杆力作为作用在左侧转向横拉杆和右侧转向横拉杆上的力或作为总的转向直拉杆力(F_L)被检测。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由驾驶员施加的转向力矩(M_L)、转向放大(V_L)和转向传动比(i_L1)计算所述总的转向直拉杆力(F_L)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述转向直拉杆力(F_L)的计算中引入与转向角相关的转向传动比(i_L1(δ))。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述电动机械转向系统或电动液压转向系统的一个或多个电动机(8)的电机电流和/或电机位置求得所述总的转向直拉杆力。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所求得的侧向力(F_Y)确定侧滑角。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所求得的侧向力(F_Y)确定摩擦系数。

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