ITBO20120038A1 - Metodo ed unita' di controllo di un sistema di sterzatura di una vettura stradale - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO ED UNITÀ DI CONTROLLO DI UN SISTEMA DI STERZATURA DI UNA VETTURA STRADALEâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo e ad una unità di controllo di un sistema di sterzatura di una vettura stradale.

ARTE ANTERIORE

In una vettura stradale à ̈ previsto un sistema di sterzatura che ha la funzione di controllare l’angolo di sterzo, ovvero l’angolo esistente tra la direzione delle ruote anteriori (ovvero il piano di rotazione delle ruote anteriori) e l’asse longitudinale della vettura stradale. Il sistema di sterzatura comprende un albero di controllo che à ̈ disposto trasversalmente, alle sue estremità opposte à ̈ meccanicamente collegato ai mozzi delle ruote anteriori, ed à ̈ montato assialmente scorrevole per variare l’angolo di sterzo. Inoltre, il sistema di sterzatura comprende un volante che à ̈ montato girevole all’interno di un abitacolo ed à ̈ meccanicamente collegato all’albero di controllo mediante un dispositivo di trasmissione in modo tale che la rotazione del volante determini una traslazione assiale dell’albero di controllo e quindi una corrispondente variazione dell’angolo di sterzo. Il dispositivo di trasmissione comprende una scatola di sterzo che riceve in ingresso un movimento rotatorio proveniente dal volante e restituisce in uscita all’albero di controllo un corrispondente movimento di traslazione assiale; a titolo di esempio la scatola di sterzo presenta una meccanismo interno a pignone-cremagliera, a vite a circolazione di sfere più tiranteria, a vite e madrevite più tiranteria, a vite senza fine più tiranteria, o altro. La scatola di sterzo à ̈ collegata al volante mediante una linea di trasmissione composta da una serie di alberi di trasmissione (normalmente tre) collegati tra loro da giunti cardanici (normalmente due).

La linea di trasmissione composta da una tre alberi di trasmissione collegati tra loro da due giunti cardanici (illustrata, ad esempio, nella figura 2) permette di collegare meccanicamente il volante alla scatola di sterzo rispettando i vincoli meccanici della vettura stradale (ovvero la necessità di rispettare gli spazi dell’abitacolo e di aggirare i numerosi elementi presenti tra il volante e la scatola di sterzo). La non rettilineità della linea trasmissione causa, salvo rare eccezioni, un errore di trasmissione tra l’angolo di sterzata impresso dal conducente al volante e l’effettivo angolo di sterzata ricevuto dalla scatola sterzo; l’errore di trasmissione à ̈ dovuto all’angolo α1 (illustrato nella figura 2) tra l’asse di rotazione di un albero di trasmissione iniziale e l’asse di rotazione di un albero di trasmissione intermedio, all’angolo α2 (illustrato nella figura 2) tra l’asse di rotazione dell’albero di trasmissione intermedio e l’asse di rotazione di un albero di trasmissione finale, e l’angolo α3 (illustrato nella figura 3) tra i piani passanti per gli assi delle forcelle dei giunti cardanici sull’albero di trasmissione intermedio. Oltre all’effetto cinematico sul rapporto di trasmissione, questo errore di trasmissione determina una variazione di sforzo al volante (ovvero sulla forza che deve venire applicata al volante per girare il volante stesso) che porta ad un calo della sensibilità di guida all’aumentare dell’errore.

L’errore di trasmissione viene normalmente espresso come percentuale di variazione dell’angolo di rotazione dell’albero in ingresso alla scatola di sterzo rispetto all’angolo di rotazione impresso al volante; secondo quanto ad esempio illustrato nella figura 4, l’errore di trasmissione assume una forma simile ad un sinusoide con periodicità data dai 360° di rotazione del volante. Le grandezze caratteristiche dell’errore di trasmissione sono il massimo errore di trasmissione εMAXe lo sfasamento Î ́ che indica la distanza angolare tra il punto di minimo/massimo dell’errore di trasmissione e la posizione di volante dritto; lo sfasamento Î ́ à ̈ particolarmente fastidioso in quanto determina differenze di sforzo al volante a seconda che il guidatore sterzi a sinistra o destra.

Il contenimento dell’errore di trasmissione della linea di trasmissione del sistema di sterzatura à ̈ uno dei parametri fondamentali nell’impostazione di una vettura stradale, soprattutto se la sensazione di guida à ̈ fra le caratteristiche che il progettista desidera curare in maniera prioritaria. Tuttavia, il contenimento dell’errore di trasmissione della linea di trasmissione del sistema di sterzatura comporta molto spesso dei vincoli geometrici sull’impostazione della vettura stradale che determinano un aumento della complessità (e quindi del costo) di progettazione e di montaggio e possono anche determinare una disottimizzazione di altri sistemi della vettura stradale.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo ed una unità di controllo di un sistema di sterzatura di una vettura stradale che siano esenti dagli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, permettano di ridurre gli effetti negativi dell’errore di trasmissione senza imporre vincoli geometrici stingenti sull’impostazione della vettura stradale.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un metodo ed una unità di controllo di un sistema di sterzatura di una vettura stradale, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

• la figura 1 à ̈ una vista schematica ed in pianta di una vettura stradale provvisto di un sistema di sterzatura che funziona secondo il metodo di controllo della presente invenzione;

• la figura 2 à ̈ una vista laterale, schematica e con parti asportate per chiarezza di una linea di trasmissione del sistema di sterzatura della figura 1; • la figura 3 à ̈ una vista prospettica, schematica e con parti asportate per chiarezza di un albero di trasmissione intermedio della linea di trasmissione della figura 2;

• la figura 4 à ̈ un grafico che illustra un errore di trasmissione effettivo determinato dalla struttura della linea di trasmissione della figura 2;

• la figura 5 à ̈ un grafico che illustra un errore di trasmissione desiderato della struttura della linea di trasmissione della figura 2; e

• le figure 6 e 7 sono due grafici che illustrano le modalità di riduzione dell’errore di trasmissione determinato dalla struttura della linea di trasmissione della figura 2.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 Ã ̈ indicata nel suo complesso una vettura stradale provvista di due ruote 2 anteriori e di due ruote 3 posteriori motrici, che ricevono la coppia motrice da un sistema di motopropulsione.

La vettura 1 stradale comprende un sistema 4 di sterzatura che ha la funzione di controllare l’angolo di sterzo, ovvero l’angolo esistente tra la direzione delle ruote 2 anteriori (ovvero il piano di rotazione delle ruote 2 anteriori) e l’asse longitudinale della vettura 1 stradale.

Il sistema 4 di sterzatura comprende un tirante sterzo 5 che à ̈ disposto trasversalmente, alle sue estremità opposte à ̈ meccanicamente collegato ai mozzi delle ruote 2 anteriori, ed à ̈ montato assialmente scorrevole per variare l’angolo di sterzo. Inoltre, il sistema 4 di sterzatura comprende un volante 6 che à ̈ montato girevole all’interno di un abitacolo ed à ̈ meccanicamente collegato al tirante sterzo 5 mediante un dispositivo 7 di trasmissione in modo tale che la rotazione del volante 6 determini una traslazione assiale del tirante sterzo 5 e quindi una corrispondente variazione dell’angolo di sterzo. Il dispositivo 7 di trasmissione comprende una scatola 8 di sterzo che riceve in ingresso un movimento rotatorio proveniente dal volante 6 e restituisce in uscita al tirante sterzo 5 un corrispondente movimento di traslazione assiale; a titolo di esempio la scatola 8 di sterzo presenta una meccanismo interno a pignone-cremagliera, a vite a circolazione di sfere più tiranteria, a vite e madrevite più tiranteria, a vite senza fine più tiranteria, o altro.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, la scatola 8 di sterzo à ̈ collegata al volante 6 mediante una linea 9 di trasmissione composta da una tre alberi 10, 11 e 12 di trasmissione collegati tra loro da due giunti cardanici 13 e 14. In particolare, la linea 9 di trasmissione comprende un albero 10 di trasmissione iniziale che supporta il volante 6 e costituisce il piantone del volante 6 stesso ed un albero 11 di trasmissione intermedio che ad una estremità superiore à ̈ collegato all’albero 10 di trasmissione iniziale mediante il giunto cardanico 13 e ad una estremità inferiore à ̈ collegato ad un albero 12 di trasmissione finale (che costituisce l’ingresso della scatola 8 di sterzo) mediante il giunto cardanico 14.

Secondo quanto illustrato nella figura 1, il sistema 4 di sterzatura comprende un dispositivo 15 di servoassistenza che applica al tirante sterzo 5 una forza di servoassistenza variabile che riduce la forza necessaria a ruotare il volante 6. Il dispositivo 15 di servoassistenza comprende un attuatore 16 elettrico ed una trasmissione 17 che collega meccanicamente l’attuatore 16 elettrico al tirante sterzo 5.

Infine, il sistema 4 di sterzatura comprende una unità 18 di controllo elettronica (“ECU†) che à ̈ atta a pilotare l’attuatore 16 elettrico del dispositivo 15 di servoassistenza, ovvero à ̈ atta a variare, con modalità descritte in seguito, la forza applicata dal dispositivo 15 di servoassistenza al tirante sterzo 5. L’unità 18 di controllo à ̈ collegata con un sensore 19 che rileva in tempo reale la posizione angolare del volante 6 e la coppia applicata dal guidatore al volante 6; à ̈ importante osservare che il sensore 19 può essere meccanicamente accoppiato ad uno qualunque degli alberi 10, 11 e 12 di trasmissione della linea 9 di trasmissione (a titolo di esempio, nella figura 2 il sensore 19 à ̈ accoppiato all’albero 10 iniziale).

Gli angoli caratteristici della linea 9 di trasmissione sono l’angolo α1 (illustrato nella figura 2) tra l’asse di rotazione dell’albero 10 di trasmissione iniziale e l’asse di rotazione dell’albero 11 di trasmissione intermedio, l’angolo α2 (illustrato nella figura 2) tra l’asse di rotazione dell’albero 11 di trasmissione intermedio e l’asse di rotazione dell’albero 12 di trasmissione finale, e l’angolo α3 (illustrato nella figura 3) tra i piani passanti per gli assi delle forcelle dei giunti 13 e 14 cardanici sull’albero 11 di trasmissione intermedio. Gli angoli α1, α2 e α3 caratteristici della linea 9 di trasmissione determinano un errore di trasmissione tra l’angolo di sterzata impresso dal conducente al volante 6 e l’effettivo angolo di sterzata ricevuto dalla scatola 8 di sterzo.

Secondo quanto illustrato nella figura 4, l’errore di trasmissione viene espresso come percentuale di variazione dell’angolo di rotazione dell’albero 12 di trasmissione finale in ingresso alla scatola 8 di sterzo rispetto all’angolo di rotazione impresso al volante 6; tipicamente, l’errore di trasmissione assume una forma simile ad un sinusoide con periodicità data dai 360° di rotazione del volante 6. Le grandezze caratteristiche dell’errore di trasmissione sono il massimo errore di trasmissione εMAXe lo sfasamento Î ́ che indica la distanza angolare tra il punto di minimo/massimo dell’errore di trasmissione e la posizione di volante 6 dritto.

In una fase preliminare di progettazione e messa a punto del sistema 4 di sterzatura, viene determinato un errore di trasmissione effettivo εTREALgenerato dalla struttura meccanica del dispositivo 7 di trasmissione; l’errore di trasmissione effettivo εTREALpuò venire determinato mediante calcoli geometrici e/o mediante misurazioni sperimentali. Un esempio dell’errore di trasmissione effettivo εTREALà ̈ illustrato nella figura 4.

Inoltre, nella fase preliminare di progettazione e messa a punto del sistema 4 di sterzatura viene determinato un errore di trasmissione desiderato (ottimale) εTDES; un esempio dell’errore di trasmissione desiderato εTDESà ̈ illustrato nella figura 5. E’ importante osservare che normalmente l’errore di trasmissione desiderato εTDESnon à ̈ nullo, in quanto à ̈ preferibile avere un errore di trasmissione (leggermente) crescente all’aumentare dell’angolo di sterzo per avere un aumento progressivo dello sforzo necessario a ruotare il volante 6 all’aumentare dell’angolo di sterzo; in questo modo si può conferire al guidatore una migliore sensazione di guida. Ovviamente à ̈ anche possibile che l’errore di trasmissione desiderato εTDESsia sempre nullo a tutti gli angoli di sterzo. In ogni caso à ̈ essenziale che l’errore di trasmissione desiderato εTDESsia “simmetrico†(ovvero che presenti uno sfasamento Î ́ nullo) per evitare differenze girando il volante 6 nei due versi.

Inoltre, nella fase preliminare di progettazione e messa a punto del sistema 4 di sterzatura, viene calcolata (mediante una banale operazione matematica) una differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREALper ciascuna posizione angolare del volante 6; due esempi della differenza ∆ε sono illustrati nelle figure 6 e 7. La differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREALviene memorizzata in una memoria 20 della unità 18 di controllo.

Durante il normale funzionamento del sistema 4 di sterzatura, l’unità 18 di controllo misura la posizione angolare corrente del volante 6 mediante il sensore 19 e quindi varia l’intensità della forza di servoassistenza applicata dal dispositivo 15 di servoassistenza al tirante sterzo 5 in funzione della posizione angolare corrente del volante 6 ed in funzione della differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREAL(ovvero in funzione dell’errore di trasmissione effettivo εTREALed in funzione dell’errore di trasmissione desiderato εTDES).

La variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza viene determinata in funzione della differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREAL: la variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza presenta lo stesso segno della differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREAL, e la variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza presenta un valore assoluto direttamente proporzionale al valore assoluto della differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREAL.

In questo modo, la variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza determina sullo sforzo al volante 6 (ovvero sulla forza che deve venire applicata al volante 6 per girare il volante 6 stesso) una variazione uguale e contraria alla variazione determinata dalla differenza ∆ε tra l’errore di trasmissione desiderato εTDESe l’errore di trasmissione effettivo εTREAL; quindi, per effetto della variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza, il guidatore “sente†lo stesso sforzo al volante 6 che si avrebbe se l’errore di trasmissione effettivo εTREALdeterminato dalla struttura meccanica del dispositivo 7 di trasmissione (ed in particolare della linea 9 di trasmissione del dispositivo 7 di trasmissione) fosse identico all’errore di trasmissione desiderato εTDES.

Nelle figure 6 e 7 sono illustrati due diversi esempi in cui l’errore di trasmissione desiderato εTDESà ̈ sempre lo stesso, mentre à ̈ diverso l’errore di trasmissione effettivo εTREALe quindi sono diverse la differenza ∆ε e la corrispondente variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza.

Il metodo di controllo sopra descritto del sistema 4 di sterzatura presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, il metodo di controllo sopra descritto del sistema 4 di sterzatura permette di eseguire una “compensazione†a posteriori dell’errore di trasmissione effettivo εTREALdeterminato dalla struttura meccanica del dispositivo 7 di trasmissione (ed in particolare della linea 9 di trasmissione del dispositivo 7 di trasmissione); quindi, la progettazione del dispositivo 7 di trasmissione (ed in particolare della linea 9 di trasmissione del dispositivo 7 di trasmissione) à ̈ priva di vincoli meccanici stringenti, in quanto l’effetto di un errore di trasmissione effettivo εTREALparticolarmente elevato (ovvero relativamente molto lontano dall’errore di trasmissione desiderato εTDES) viene “compensato†dalla variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza applicata dal dispositivo 15 di servoassistenza al tirante sterzo 5. In altre parole, il raggiungimento dell’errore di trasmissione desiderato εTDESnon avviene attraverso la progettazione meccanica del dispositivo 7 di trasmissione (ed in particolare della linea 9 di trasmissione del dispositivo 7 di trasmissione) che comporta vincoli penalizzanti, ma avviene a posteriori attraverso una “compensazione†dell’errore di trasmissione effettivo εTREALmediante la variazione ∆F dell’intensità della forza di servoassistenza.

Inoltre, il metodo di controllo sopra descritto à ̈ di implementazione estremamente semplice ed economica, in quanto utilizza componenti fisici che sono già presenti del sistema 4 di sterzatura, quindi senza alcun aggravio di costo dal punto di vista “hardware†. Anche da un punto di vista “software†, il metodo di controllo sopra descritto non richiede né una grande potenza di calcolo, né una grande occupazione di memoria.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo di controllo di un sistema (4) di sterzatura di una vettura (1) stradale che attraverso un volante (6) regola l’angolo di sterzatura delle ruote (2) anteriori della vettura (1) stradale; il sistema (4) di sterzatura comprende: il volante (6); un tirante sterzo (5) che à ̈ meccanicamente collegato ai mozzi delle ruote (2) anteriori ed à ̈ montato assialmente scorrevole per variare l’angolo di sterzo; un dispositivo (7) di trasmissione che trasmette il movimento di rotazione del volante (6) al tirante sterzo (5); ed un dispositivo (15) di servoassistenza che applica al sistema (4) di sterzatura una forza di servoassistenza variabile; il metodo di controllo comprende le fasi di: determinare, in una fase preliminare di progettazione e messa a punto, un errore di trasmissione effettivo (εTREAL) generato dalla struttura meccanica del dispositivo (7) di trasmissione; misurare la posizione angolare corrente del volante (6); e variare l’intensità della forza di servoassistenza applicata dal dispositivo (15) di servoassistenza in funzione della posizione angolare corrente del volante (6) ed in funzione dell’errore di trasmissione effettivo (εTREAL).
2. 2) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1 e comprendente le ulteriori fasi di: scegliere, nella fase preliminare di progettazione e messa a punto, un errore di trasmissione desiderato; calcolare, per ciascuna posizione angolare del volante (6), una differenza (∆ε) tra l’errore di trasmissione desiderato (εTDES) e l’errore di trasmissione effettivo (εTREAL); e determinare una variazione (∆F) dell’intensità della forza di servoassistenza in funzione della differenza (∆ε) tra l’errore di trasmissione desiderato (εTDES) e l’errore di trasmissione effettivo (εTREAL).
3. 3) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 2, in cui la variazione (∆F) dell’intensità della forza di servoassistenza presenta lo stesso segno della differenza (∆ε) tra l’errore di trasmissione desiderato (εTDES) e l’errore di trasmissione effettivo (εTREAL).
4. 4) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui la variazione (∆F) dell’intensità della forza di servoassistenza presenta un valore assoluto direttamente proporzionale al valore assoluto della differenza (∆ε) tra l’errore di trasmissione desiderato (εTDES) e l’errore di trasmissione effettivo (εTREAL).
5. 5) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 2, 3 o 4 e comprendente l’ulteriore fase di memorizzare la differenza (∆ε) tra l’errore di trasmissione desiderato (εTDES) e l’errore di trasmissione effettivo (εTREAL) in una memoria (20) di una unità (18) di controllo che pilota il dispositivo (15) di servoassistenza.
6. 6) Unità (18) di controllo di un sistema (4) di sterzatura di una vettura (1) stradale che attraverso un volante (6) regola l’angolo di sterzatura delle ruote (2) anteriori della vettura (1) stradale; il sistema (4) di sterzatura comprende: il volante (6); un tirante sterzo (5) che à ̈ meccanicamente collegato ai mozzi delle ruote (2) anteriori ed à ̈ montato assialmente scorrevole per variare l’angolo di sterzo; un dispositivo (7) di trasmissione che trasmette il movimento di rotazione del volante (6) al tirante sterzo (5); ed un dispositivo (15) di servoassistenza che applica al sistema (4) di sterzatura una forza di servoassistenza variabile; l’unità (18) di controllo à ̈ caratterizzata dal fatto di: misurare la posizione angolare corrente del volante (6) attraverso un sensore (19); e variare l’intensità della forza di servoassistenza applicata dal dispositivo (15) di servoassistenza in funzione della posizione angolare corrente del volante (6) ed in funzione di un errore di trasmissione effettivo (εTREAL) generato dalla struttura meccanica del dispositivo (7) di trasmissione.