CN103402854B - 具有过载保护的转向*** - Google Patents

Abstract

一种用于操作用于具有可变底盘高度的机动车辆的机电式转向***的方法，并且该转向***具有：转向齿条（4），该转向齿条（4）由伺服马达（18）通过循环滚珠丝杠传动驱动；控制单元（10），该控制单元（10）接收输入信号并产生用于驱动伺服马达（18）的输出信号，该输出信号代表由该转向***提供的辅助扭矩（T），其特征在于，在操作过程中，该控制单元（10）接收或产生指示车辆的当前底盘高度的底盘高度信号（X）；并且基于底盘高度信号（X）将辅助扭矩（T）限制于上限值，其中该上限值随着当前底盘高度与平均底盘高度的差值增加而减小。

Description

具有过载保护的转向***

技术领域

本发明涉及用于操作用于机动车辆的机电式转向***的方法，以及用于机动车辆的转向***。

背景技术

已知的电动助力转向***的设计形式为，借助于循环滚珠丝杠传动将转向助力直接施加在齿条上，其中该齿条设置有相应的滚柱丝杠。就齿条式转向***而言，通常已知的原理为，通过附接在齿条的自由端的横拉杆(trackrod)提供齿条与转向轮之间的连接。横拉杆有时也称为系杆(tierod)。横拉杆与齿条不是同轴对齐的，而是相对于齿条轴线呈一定角度。因此，从转向轮经由横拉杆作用在齿条上的力具有关于齿条轴线的轴向分量和径向分量。径向分量与轴向分量之间的比值变得越大，横拉杆与齿条的纵向轴线之间的角度越大。

机电式动力转向***的循环滚珠丝杠传动设计为，由电马达施加的扭矩不能够破坏循环滚珠丝杠传动。然而，不能排除存在以下情况，其中，循环滚珠丝杠传动受到马达扭矩和外部作用力的组合作用，该组合作用在某些操作条件下过高以至于能够破坏循环滚珠丝杠传动。由于循环滚珠丝杠表面区域内的高表面压力，因此会发生这种破坏，并导致噪音出现以及使用寿命缩短。

从现有技术中，已知如下原理：为了排除对循环滚珠丝杠传动的破坏而限制辅助的动力传动能力。例如，从德国公开申请DE3821789A1和DE102005047935A1已知如下转向***，在该转向***中，当整个转向***中产生的转向动力或者由驾驶者施加在方向盘上的扭矩超过了规定的极限值时，通过电马达减小转向辅助。例如，如果其中一个转向轮撞击到固定的障碍物，那么会发生这种超过极限值的情况。这些转向***仅在已经超过规定的极限值之后减小辅助动力。如果超过极限值的情况快速地发生，那么仍然会引起伺服驱动的驱动部件的破坏。特别地，这些***不考虑转向***的几何结构，特别是相对于齿条呈角度地定位的横拉杆的影响。在实际驾驶情况中，该角度还受到由于车轮或转向轮的弹簧挠曲造成的底盘高度的显著影响。该可变底盘高度可命名为可偏置底盘高度。另一种形式的可变底盘高度可为例如用于在高速公路上更多的运动驾驶或在蓄力车道上更好的户外驾驶的可调节底盘高度。对于具有可调节底盘高度的车辆而言，该角度也受所选定的高度设置的显著影响。在参考的转向***中没有考虑该影响。

存在车辆的弹簧***或悬挂受转向影响的转向***。从专利US4,865,148和US5,530,648已知这种***。从这些公开中已知没有用于转向***的过载保护。

专利US4,762,194描述了具有用于底盘的高度传感器的车辆，其中根据来自高度传感器的信号做出关于车辆驾驶情况的结论。根据来自高度传感器的高的信号变化，可得出车辆正在不平坦的地形上移动的结论。在这些条件下，为了避免不需要的运动，而减小转向辅助。但没有提供用于避免破坏转向***的预防措施。

发明内容

因此，本发明的目标是提供用于具有可变底盘高度的车辆的转向***，其中能够以更高的可靠性避免对传送部件、特别是对循环滚珠丝杠传动的破坏。

该目的通过下述方法以及下述转向***实现。

一种用于具有可变底盘高度的机动车辆的机电式转向***具有转向齿条和控制单元，该转向齿条由伺服马达通过循环滚珠丝杠传动驱动，该控制单元接收输入信号并产生用于驱动伺服马达的输出信号，该输出信号代表由转向***提供的辅助扭矩，由于在用于操作上述转向***的方法中，将转向辅助动力限制为底盘高度的函数，因此可以确认并考虑潜在地高的径向力作用在循环滚珠丝杠传动上的操作条件,并且可以在发生过载状态之前限制转向辅助动力。那么通常完全不会发生超过极限值的情况，在现有技术中当超过极限值时需要限制伺服马达的马达电流。

本发明适用于可调节的底盘高度和/或可偏置的底盘高度。

优选地，还将转向***作为车辆速度的函数进行控制，其中，由于在低速下会出现高的径向力，因此规定在低速时能够减小支撑扭矩。由于以此方式能够考虑在转向***的端部接触点区域的横拉杆与齿条之间的特别不利的角度，因此还规定能够计算最大马达扭矩值，该最大马达扭矩值为在齿条纵向轴线方向上的齿条的函数。

在优选的实施方式中，电动机经受马达电流，该马达电流值处于基于方向盘处的转向扭矩计算的最大电流值与基于底盘高度、齿条位置和/或车辆速度限制的电流值之间。

该平均数值优选的是加权平均值，其中基于车辆速度应用该加权。

还规定能够在限制转向辅助的过程中测量或计算齿条的位置，并且能够识别出由于外力造成的齿条抵抗控制而移位的情况。在该情况下，优选地，过载状态结束后齿条自动地移动至过载状态开始时其存在的位置。

另外，通过用于具有可变底盘高度的机动车辆的机电式转向***实现该目标，该转向***具有转向齿条和控制单元，该转向齿条由伺服马达通过循环滚珠丝杠传动驱动，该控制单元接收输入信号并产生用于驱动伺服马达的输出信号，该输出信号代表由转向***提供的辅助扭矩。由于控制单元包括接收或产生指示车辆底盘高度的底盘高度信号的装置，和调节作为底盘高度信号的函数的辅助扭矩的装置，因此能够有效地限制由伺服马达提供的辅助扭矩，以防止由高的径向力破坏传动装置，即滚珠丝杠传动。

如上所述，转向***优选地包括用于基于车辆速度和/或齿条位置限制辅助扭矩的装置。

附图说明

基于视图在下文中更详细地描述了本发明的示例性实施方式，其中：

图1：以简图的方式示出了用于机动车辆的转向***；

图2：以线框图的方式示出了用于图1的转向***的控制布置；

图3：示出了对应不同底盘高度、且作为齿条偏移的函数的最大马达扭矩的调节曲线组；以及

图4：示出了用于计算马达扭矩的实际极限值的示例，该实际极限值为基于底盘高度计算的下极限值与固定的上极限之间的平均值。

具体实施方式

图1以简图的形式示出了具有转向轴1的用于机动车辆的转向***，该轴1在其上端保持方向盘2，在其下端是转向小齿轮3。转向小齿轮3与齿条4上的齿啮合，从而使得当转动方向盘2时，齿条4在其轴向方向上移位。在齿条箱9内引导齿条，该齿条箱9固定至对应于车辆底盘的车辆结构25。横拉杆5附接至齿条4的两端并且连接至转向节7，该转向节7进而支承转向轮6。因此，方向盘2的旋转以已知的方式导致转向轮6枢转。转向轮6接触路面19。固定至对应于车辆底盘的车辆结构25的麦弗逊(MacPherson)式支柱单元8或类似的偏置及减震单元，允许转向轮6的线性运动以改善驾驶者的舒适性，缓冲路面的起伏。通过该线性运动，路面19与齿条3之间以及路面19与齿条箱之间的距离改变。换言之，底盘高度X改变，并且这意味着底盘高度X是可变的。另外，也可使用调节装置26调节齿条3与路面19之间的距离，这也包含在底盘高度X可变的含义中。为这种可调节的底盘提供适用的过载缓冲方法以及适当的设备将是重要的目标之一。

由于转向轮的偏置可能不同，因此在任意转向轮处的局部底盘高度可能也不同。底盘高度可确定为这种不同的局部底盘高度的平均值。在优选的解决方案中，底盘高度可确定为任意转向轮处的所有局部底盘高度值的最小值。该最小的局部底盘高度确定了驾驶设备中的最临界的角度情况和接下来的引入至转向设备的力。在某些转向设备中，从转向力的角度来看临界高度可以是大的底盘高度和低的底盘高度。在这种转向设备中，将任意局部底盘高度与车辆设计过程中设计的标准底盘高度之间的差值的最大绝对值确定为本发明的意义上的底盘高度。

控制单元10经由信号线12接收来自扭矩传感器11的信号，其中扭矩传感器11布置在方向盘2与转向小齿轮3之间且测量作用在方向盘2上的扭矩。控制单元10还接收来自车辆传感器的诸如速度信号V和再现车辆底盘高度X的信号之类的不同信号。控制单元10经由信号线13致动伺服马达18，该伺服马达18由相应的控制信号致动。伺服马达18经由循环滚珠丝杠传动作用在齿条4上并造成轴向方向上的位移。齿条在轴向方向上的位置确定为R。由驾驶者经由方向盘2引入的手动扭矩和由电马达18产生的辅助扭矩使得转向轮6抵抗由路面19造成的摩擦力和回复力进行枢转。

图2示出了根据本发明的特别优选的示例性实施方式的转向***的线框图。与图1中相同的部件具有相同的附图标记。

图1中的控制单元10包括在图2中分别示出的若干个部件。此处该部件是状态观察器15、调节器16和用于直接致动伺服马达18的马达控制单元17。

状态观察器15接收输入信号，诸如经由输入线12来自扭矩传感器11的手动扭矩T_TS、速度信号V以及经由信号线14来自其它传感器的其它可能的信号。这种信号能够来自例如加速传感器、辅助***等。

状态观察器15将多个信号传递至调节器16。诸如，例如速度信号V的被传递信号能够保持不变。然而，这些信号也能够是在状态观察器15中进行处理期间已经发生改变，从而使得从输入信号14获得输出信号14a。状态观察器15自身也能够使用输入的测量值产生信号，该信号能够从车辆模型获得并存储在状态观察器15中。因此，例如，即使没有特别的专用传感器探测齿条的当前位置，也能够获得齿条位置的信号R。相应地能够在观测器15中从其他测量值计算出车辆底盘的当前高度X。以此方式获得的信号被转递至调节器16。然后调节器16计算预设值12b，该预设值12b输出至马达控制单元17。马达控制单元17然后基于预设值12b以这种方式致动伺服马达18：使得伺服马达18能够精确地产生期望的扭矩值。还提供了可省略观测器15的实施方式。在这些情况下，特别地如图2中实线所示，调节器16直接接收所需传感器信号，即齿条当前位置的传感器信号R和车辆底盘的当前高度的传感器信号X。

调节器16考虑直接测量的或由状态观测器15提供的值R和X，以便根据这些值计算电马达18的最大许可扭矩并限制该扭矩。该计算结果是特征数值群组，在图3中以示例的方式借助于一组曲线示出了该特征数值群组。

因此图3在图表中示出了参考扭矩值的不同曲线，该扭矩值作为控制信号12b能够由调节器16传递至马达控制单元17。横坐标(x坐标轴)再现了数值R，即齿条离开中间位置的位移。值R＝0对应于中间位置并因此设计用于表示机动车辆径直向前行进。最大值Rmax对应于底盘上的机动车辆转向***的转向停止，其通常设计成在两个方向上是几何对称的，并且向右和向左的转向偏移能够使用相同的曲线。

纵坐标(y坐标轴)上输入的是参考扭矩值，即值12b。总共示出了表示机动车辆的5个不同底盘高度X的五条不同曲线。将在下文对这些曲线进行更加详细地解释。

调节的目的是用于减小或限制预期会出现的循环滚柱丝杠传动的高的径向负荷的转向几何结构中的马达扭矩。这些负荷与横拉杆5的方向与齿条4的纵向轴线之间的大角度相关。在具有高度可调节底盘的车辆上，转向布置通常实施为使得齿条4与横拉杆5之间的角度相当小，在R＝0时为中间的高度设置值且径直向前行进。该位置对传递转向力而言是特别有利的。如果增加或减小底盘的高度，那么横拉杆5与齿条4之间的角度也改变，从而使得作用在转向齿条和滚珠丝杠传动上的转向力的径向分量增加。如果齿条4移位离开R＝0的其中部位置，该径向分量也增加。齿条4与横拉杆5之间的角度越不利，即越大，伺服马达18的马达扭矩的极限越大。图3中的曲线20至24反映了这一点。

提供了上曲线20用于表示运动学上最有利的底盘高度X的高度设置。此高度设置下，在齿条4的R＝0的中间位置处，输出高的控制值12b。当齿条开始偏移时，即具有小转向角时，该数值开始增加。大约在齿条偏移至R＝20mm处获得最大值，控制值12b从最大值处再次下降，且具体地直至大约R＝60mm的偏移。从该值开始，控制值12b保持恒定直至到达由Rmax代表的最终停止。运动路径的第一20mm上的增长，旨在使得径直向前位置中的转向稍微更重，这是许多驾驶者偏好的。

第二曲线21与曲线20其行进方式相同。但是，它比曲线20大约低20％。曲线21可对应于例如关于常态位置底盘高度X降低20mm的情况。在该底盘设置中转向布置的几何结构，即，横拉杆5与齿条4之间的夹角，与在曲线20适用的常态位置中的几何结构相比稍不利些。因此，曲线21的控制信号12b稍低于曲线20。

提供了曲线22用于表示底盘关于常态位置上升例如50mm的底盘位置。由控制信号12b表示的扭矩值具有相似的行进方式，但是关于曲线21再次减小。曲线23可对应于底盘高度降低80mm的情况。在此情况下，横拉杆的几何结构非常不利并产生高的径向力，从而使得再次加剧控制信号12b的减小。最后，曲线24可对应于例如在越野车辆中底盘上升150mm的情况。由于数值X的这种增加，横拉杆关于齿条4具有大的角度，这能够引起特别高的径向力。因此，大幅降低控制值12b，特别是在转向偏移较大时，可使得没有过大的径向力作用在循环滚珠丝杠传动上。

能够将来自图3中的控制信号作为因数直接与来自扭矩传感器11的扭矩需求信号进行计算，例如作为乘法中的因数。

在图4中图示了另一类型的计算。图4在与图3中相同的视图中示出了特征线和名义值，在此情况下，特征线24表示上升特别高的底盘位置的情况，该名义值对应于辅助扭矩，该辅助扭矩基于手动扭矩计算在扭矩传感器11处所提供的辅助。调节值12b实际输出的是中间值，该中间值是作为名义值与曲线24之间的加权平均值计算出来的。计算中的加权优选地是与速度相关的，从而使得例如在高速下平均值倾向于对应于名义值，因为高速下预期仅具有低的齿条力。在低速下，加权倾向于在曲线24的方向上移位，因为在低速下具有上升的底盘高度，可假定在上升底盘的情况下执行越野驾驶，并因此预期在齿条上具有高的径向力。在所述的实施方式中，该加权有效地意味着将与速度相关的分量结合至信号12b的计算中，该信号12b实际被传递至马达控制单元。

附图标记列表

1.转向轴

2.方向盘

3.转向小齿轮

4.齿条

5.横拉杆

6.车轮

7.转向节

8.麦弗逊式支柱单元

9.齿条箱

10.控制单元

11.扭矩传感器

12.信号线

12b信号线

14.信号线

15.状态观察器

16.调节器

17.马达控制单元

18.伺服马达

19.路面

20.曲线

21.曲线

22.曲线

24.特征线

25.车辆结构

26.调节装置

Claims (9)

1.一种用于操作用于具有可变底盘高度的机动车辆的机电式转向***的方法，所述转向***

-具有转向齿条(4)，所述转向齿条(4)由伺服马达(18)通过循环滚珠丝杠传动驱动，

-具有控制单元(10)，所述控制单元(10)接收输入信号并产生用于驱动所述伺服马达(18)的输出信号，所述输出信号代表由所述转向***提供的辅助扭矩(T)，

其特征在于，

-在操作过程中，所述控制单元(10)接收或产生指示所述车辆的当前底盘高度的底盘高度信号(X)，并且

-基于所述底盘高度信号(X)将所述辅助扭矩(T)限制于上限值，其中所述上限值随着所述当前底盘高度与平均底盘高度之间的差值的增加而减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，限制所述辅助扭矩(T)另外实现为所述车辆的速度(V)的函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，对于在低速时减小支撑扭矩做出规定。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，限制所述辅助扭矩(T)另外实现为所述转向齿条(4)相对于中心位置(R0)的位置(R)的函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，伺服马达经受马达电流，所述马达电流的值是平均值，所述平均值处于仅基于方向盘(2)处的转向扭矩计算的最大电流值与基于所述底盘高度信号(X)、所述转向齿条的所述位置(R)和/或所述车辆的速度(V)限制的电流值之间。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述平均值是加权平均值，其中基于所述车辆速度(V)进行所述加权。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在限制转向辅助的过程中测量或计算所述转向齿条的位置(R)，并且其中，能够识别出由于外力造成的所述转向齿条(4)抵抗控制而移位的过载状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述过载状态终止后，将所述转向齿条自动地移动至所述过载状态开始时存在的所述位置(R)。

9.一种用于具有可变底盘高度的机动车辆的机电式转向***，

-具有转向齿条(4)，所述转向齿条(4)由伺服马达(18)通过循环滚珠丝杠传动驱动，

-具有控制单元(10)，所述控制单元(10)接收输入信号并产生用于驱动所述伺服马达(18)的输出信号，所述输出信号代表由所述转向***提供的辅助扭矩(T)，

其特征在于，

-所述控制单元(10)包括

-用于接收或产生指示所述车辆的底盘高度的底盘高度信号(X)的装置，以及

-用于调节作为所述底盘高度信号(X)的函数的所述辅助扭矩(T)的装置。