CN105644617B - 齿条末端保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种齿条末端保护方法，在齿条两端设置保护区域，一旦齿条任一端进入任一保护区域，则减小电动助力转向***输出的助力力矩；助力力矩的减小量既与齿条进入该保护区域的一端与该保护区域起点之间的距离成正比例，又与齿条位移速度成正比例。本申请在快打方向盘、慢打方向盘两种操纵工况可以显著改善驾驶员操纵感受。

Description

齿条末端保护方法

技术领域

本申请涉及一种汽车的电动助力转向***的控制方法，特别是涉及一种利用电动助力转向***来保护齿条末端的方法。

背景技术

请参阅图1，汽车上的机械转向***主要包括方向盘11、转向管柱12、中间轴13、转向器14、转向横拉杆15、转向节臂16和转向轮17。所述转向器14为齿轮齿条式转向器，内置有齿条141与小齿轮142。当驾驶员转动方向盘11时，带动转向管柱12内置的转向轴转动，该转向轴通过中间轴13与小齿轮142相连。小齿轮142与齿条141啮合，从而带动齿条141在转向器14内向左或向右移动。齿条141与转向横拉杆15硬连接，从而由转向横拉杆15通过转向节臂16施加拉力或推力在转向轮17上，完成汽车转向动作。

请参阅图2，这是齿轮齿条式转向器的示意图。该转向器14具有壳体140，在壳体140内具有齿条141，齿条141的两端穿越壳体140且通过橡胶垫143(黑色方块)连接有球头144。小齿轮142固定在壳体140的固定位置且与齿条141啮合，小齿轮142转动将带动齿条141在壳体140内向左或向右移动。球头144连接有转向横拉杆15。

请参阅图3，齿条141可在A、B两点之间运动，其运动行程的极限位置A、B称为齿条末端(Rack End)。由于转向器14的齿条行程与方向盘11的转动角度一一对应，因而齿条末端也就是方向盘11转到极限位置的一种工况。例如，左侧齿条末端A对应于转向盘11的逆时针最大转角，右侧齿条末端B对应于转向盘11的顺时针最大转角。由于包围齿条141的壳体140固定不动，因此在方向盘11接近极限位置时如果驾驶员还用力操纵方向盘11继续转动，就可能使球头144撞击壳体140的一端。

请参阅图2和图3，例如，转向盘11在接近顺时针最大转角时仍然顺时针转动，就会使得齿条141朝向右侧齿条末端位置B运动，那么左侧的球头144就会撞击壳体140的左端。这种撞击可能会导致转向器14的机械结构损坏，由此产生的噪音也会给驾乘人员带来不适感觉。因此，齿轮齿条式转向器需要设置齿条末端保护(Rack End Stop，简称RES)功能，为实现该功能目前有两种方案。

现有方案一是在齿条末端增加保护装置。例如图2中，在球头144外增加橡胶衬套20(虚线方框)，也可是尼龙或塑料挡圈，以缓冲撞击及减小噪声。增加保护装置一方面会增加成本，另一方面需要考虑保护装置的强度和磨损而定期进行养护更换，此外还需要在生产过程中增加保护装置的装配工序。

现有方案二是通过电动助力转向***(Electric Power Steering，简称EPS)实现的。

请参阅图4，这是汽车上的电动助力转向***。其在图1所示的机械转向***的基础上增加了：

——转角传感器21，例如设置在转向管柱12上，用来检测方向盘11的转角。

——扭矩传感器22，例如设置在小齿轮142上，用来检测方向盘11的转矩。

——ECU(电子控制单元)23，包括力矩控制模块和电机控制模块。力矩控制模块采集方向盘11的转角与转矩、车速，并计算出相应的助力力矩输出给电机控制模块。电机控制模块将助力力矩作为目标力矩，输出电流驱动助力电机24工作。

——助力电机24，安装在转向管柱12或转向器14上，其受ECU 23控制，通过减速机构25给驾驶员提供助力力矩。

——减速机构25，将助力电机24的转动角度以一定比例转换为转向管柱12或转向器14的转动角度，起到减速增扭的作用。设减速机构25的减速比为k，k＞1，则助力电机24的转动角度/k＝转向管柱12或转向器14的转动角度。

请参阅图5，现有的通过电动助力转向***实现齿条末端保护功能的原理是：在距离左侧齿条末端A的Y长度处设置左侧保护区域起点M，M、A两点之间为左侧保护区域。在距离右侧齿条末端B的Y长度处设置右侧保护区域起点N，N、B两点之间为右侧保护区域。当齿条141的任意一端进入了任意一个保护区域，则表明齿条141运动到接近该侧齿条末端位置，也就是方向盘11转动到接近某个转动方向的最大转角，也就是另一侧的球头145运动到接近壳体140的另一端。此时通过减小助力电机24输出的助力力矩来增大驾驶员操作方向盘11继续沿着该方向转动所需克服的阻力矩，具体表现为驾驶员需要用越来越大的力气才能操作方向盘11继续沿着该方向转动(甚至完全转不动方向盘11因而无法使其达到最大转角)，从而减缓(或停止)齿条141朝向该侧齿条末端位置的运动速度，最终减小(或避免)球头144与壳体140之间的撞击力度。

现有的不具有齿条末端保护功能的电动助力转向***中，如果将驾驶员施加在方向盘11上的转动力矩称为F1，助力电机24输出的助力力矩称为F2，实际操纵转向器14的转动力矩称为F3，那么F1+F2＝F3。

现有的具有齿条末端保护功能的电动助力转向***中，如果将驾驶员施加在方向盘11上的转动力矩称为F1，助力电机24输出的助力力矩称为F2’，实际操纵转向器14的转动力矩称为F3，那么F1+F2’＝F3。其中F2’＝F2-F4，F2是不具有齿条末端保护功能的电动助力转向***中助力电机24输出的助力力矩，F4是实现齿条末端保护功能的转动力矩。F2’可以是零(不提供助力力矩)或负数(助力力矩增大了驾驶员转动方向盘11所需克服的阻力矩)。F4＝K*X，K为系数，X为图5中齿条141进入某个保护区域的一端与与该保护区域起点之间的距离。显然，一旦齿条141进入右侧保护区域，则随着齿条141越接近右侧齿条末端B，X逐渐增大，F4增大，F2’随之减小，从而减小了助力力矩，增加了驾驶员继续转动方向盘11所需克服的阻力矩，最终保护球头144。这种现有的通过电动助力转动***来实现齿条末端保护功能的方法存在的问题是手感不够流畅，例如快打和慢打方向盘11是两种不同的操纵工况，然而该方法在齿条末端的保护区域内并不区分这两种操纵工况，具体表现为手感没有变化、操纵感受不佳。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种齿条末端保护方法，具体是通过控制电动助力转向***的输出来实现对齿条末端的保护。

为解决上述技术问题，本申请齿条末端保护方法是在齿条两端设置保护区域，一旦齿条任一端进入任一保护区域，则减小电动助力转向***输出的助力力矩；助力力矩的减小量既与齿条进入该保护区域的一端与该保护区域起点之间的距离成正比例，又与齿条位移速度成正比例。

本申请齿条末端保护方法与现有方案一相比，采用的是软件实现方法，在接近齿条末端处减小助力力矩使得助力电机不持续输出大电流，从而防止电机温升过快保护电机。本申请不需要橡胶衬套保护，不仅节省了物料成本，同时节省了生产的工序和时间成本，在实际使用中也不存在橡胶衬套磨损后的维护工作。

本申请齿条末端保护方法与现有方案二相比，引入了齿条位移速度。从而在快速打方向盘进入齿条末端时，即齿条位移速度较快时，助力力矩的减小量迅速增加。而在慢速打方向盘进入齿条末端时，即齿条位移速度较慢时，助力力矩的减小量缓慢增加。这样区别两种操纵工况可以显著改善驾驶员操纵感受。

附图说明

图1是现有的汽车机械转向***的结构示意图；

图2是齿轮齿条式转向器的结构示意图；

图3是机械转向***中齿轮齿条式转向器的齿条运动行程的示意图；

图4是现有的汽车电动助力转向***的结构示意图；

图5是电动助力转向***中齿轮齿条式转向器的齿条运动行程的示意图；

图6是快打方向盘时本申请与现有方案的比较示意图；

图7是慢打方向盘时本申请与现有方案的比较示意图。

图中附图标记说明：

11为方向盘；12为转向管柱；13为中间轴；14为转向器；141为齿条；142为小齿轮；143为橡胶垫；144为球头；15为转向横拉杆；16为转向节臂；17为转向轮；20为橡胶衬套；21为转角传感器；22为扭矩传感器；23为ECU；24为助力电机；25为减速机构。

具体实施方式

本申请的齿条末端保护方法是通过一种电动助力转向***的控制方法来实现的。请参阅图5，在距离左侧齿条末端A的Y长度处设置左侧保护区域起点M，M、A两点之间为左侧保护区域。在距离右侧齿条末端B的Y长度处设置右侧保护区域起点N，N、B两点之间为右侧保护区域。当齿条141的任意一端进入了任意一个保护区域，则表明齿条141运动到接近该侧齿条末端位置，也就是方向盘11转动到接近某个转动方向的最大转角，也就是另一侧的球头144运动到接近壳体140的另一端。此时通过减小助力电机24输出的助力力矩(可以减小至零或负数)来增大驾驶员操作方向盘11继续沿着该方向转动所需克服的阻力矩，具体表现为驾驶员需要用越来越大的力气才能操作方向盘11继续沿着该方向转动(甚至完全转不动方向盘11因而无法使其达到最大转角)，从而减缓(或停止)齿条141朝向该侧齿条末端位置的运动速度，最终减小(或避免)球头144与壳体140之间的撞击力度。

本申请中，如果将驾驶员施加在方向盘11上的转动力矩称为F1，助力电机24输出的助力力矩称为F2”，实际操纵转向器14的转动力矩称为F3，那么F1+F2”＝F3。其中F2”＝F2-F4-F4’，F2是不具有齿条末端保护功能的电动助力转向***中助力电机24输出的助力力矩，F4是现有的通过电动助力转动***来实现齿条末端保护功能的转动力矩，F4’是本申请实现齿条末端保护功能的附加转动力矩。F2”可以是零(不提供助力力矩)或负数(助力力矩增大了驾驶员转动方向盘11所需克服的阻力矩)。F4＝K*X，K为系数，X为图5中齿条141进入某个保护区域的一端与与该保护区域起点之间的距离。F4’＝P*X/Y*V，P为与车速有关的阻尼增益(这是一个固定系数)，X为图5中齿条141进入某个保护区域的一端与与该保护区域起点之间的距离。Y为该保护区域的长度。V为转向器14的齿条141的位移速度。显然，助力力矩的减小量(F4+F4’)既与X成正比例，又与V成正比例。一旦齿条141进入右侧保护区域，则随着齿条141越接近右侧齿条末端B，X逐渐增大，F4和F4’均增大，F2”随之减小，从而减小了助力力矩，增加了驾驶员继续转动方向盘11所需克服的阻力矩，最终保护球头144。

与现有的通过电动助力转动***来实现齿条末端保护功能的方法相比，本申请具有如下特点：当快打方向盘11时，V较大，一旦齿条141进入某个保护区域，则F4’迅速增大，F2”随之迅速减小，具体表现为驾驶员感觉到继续转动方向盘11需要克服的阻力矩迅速增大。当慢打方向盘11时，V较小，一旦齿条141进入某个保护区域，则F4’缓慢增大，F2”随之缓慢减小，具体表现为驾驶员感觉到继续转动方向盘11需要克服的阻力矩缓慢增大。

请参阅图6，这是以570度每秒的速度快打方向盘时，方向盘的转角(横坐标)与驾驶员所需克服的阻力矩(纵坐标)的示意图。其中实心圆点表示现有的通过电动助力转动***来实现齿条末端保护功能的方法，空心方框表示本申请的齿条末端保护方法。以-510度为例，现有方法的阻力矩为6.4Nm，本申请的阻力矩为7.4Nm，相差1Nm。

请参阅图7，这是以108度每秒的速度快打方向盘时，方向盘的转角(横坐标)与驾驶员所需克服的阻力矩(纵坐标)的示意图。其中实心圆点表示现有的通过电动助力转动***来实现齿条末端保护功能的方法，空心方框表示本申请的齿条末端保护方法。以-510度为例，现有方法的阻力矩为3.8Nm，本申请的阻力矩为3.9Nm，相差0.1Nm。

比较图6和图7可知，本申请在快打方向盘(即齿条快速位移)时明显增加了阻力矩，而在慢打方向盘(即齿条慢速位移)时小幅增加了阻力矩。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种齿条末端保护方法，在齿条两端设置保护区域，一旦齿条任一端进入任一保护区域，则减小电动助力转向***输出的助力力矩；其特征是，助力力矩的减小量既与齿条进入该保护区域的一端与该保护区域起点之间的距离成正比例，又与齿条位移速度成正比例，助力力矩的减小量为F4与F4’之和；

具有齿条末端保护功能的助力电机输出的助力力矩称为F2”，实际操纵转向器的转动力矩称为F3，F1+F2”＝F3，其中F4+F4’＝F2-F2”，F1是驾驶员施加在方向盘上的转动力矩称，F2是不具有齿条末端保护功能的电动助力转向***中助力电机输出的助力力矩，F4是现有的通过电动助力转向***来实现齿条末端保护功能的转动力矩，F4’是实现齿条末端保护功能的附加转动力矩，F4＝K*X，K为系数，X为进入某个保护区域的一端与该保护区域起点之间的距离，F4’＝P*X*V/Y，P为与车速有关的阻尼增益，Y为该保护区域的长度，V为转向器的齿条位移速度。