CN110040172A - 转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟触觉反馈转向感觉的转向装置(1)。转向装置(1)包括转向柱(3)，该转向柱(3)连接到方向盘(2)。在转向柱(3)上布置有角度测量装置。该角度测量装置测量施加到方向盘的旋转角度。此外，转向装置(1)包括电动马达(5)，该电动马达与转向柱(3)同轴布置。电动马达(5)设计用于向转向柱(3)施加扭矩。电动马达(5)施加的扭矩的旋转方向通常与在方向盘(2)施加的旋转角度的旋转方向相反地定向。此外，扭矩的量取决于旋转角度和作为基础所使用的车辆模型。根据本发明，电动马达(5)通过扭转弹性元件(8)连接到转向柱(3)。

Description

转向装置
技术领域
本发明涉及一种用于模拟触觉反馈转向感觉的转向装置。
背景技术
机动车辆的转向至今一直是驾驶机动车辆的基本部分。然而，当前的机动车辆的发展导致方向盘和待控制的车轮之间的机械连接似乎已经过时。直到2008年5月，在方向盘和待控制的车轮之间安装机械连接是强制性的。放弃机械连接会产生被称为“线控转向”的构思。在这些条件下，机动车辆的驾驶员缺乏关于转向过程的反馈。因此，驾驶员更难以评估机动车辆是否被适当地控制、控制过度或不足。尽管驾驶员的视觉感知和布置离心力的方式有助于驾驶员正确地评估情况，首先转向过程提供了关于机动车辆控制的灵敏感。
US 6834261 B1公开了一种用于在机动车辆、在实验室模拟器中或在娱乐设备中模拟方向盘感觉的***。这样做，该***包括一个盘式伺服马达，其设计用于根据道路状况将扭矩传递到方向盘，并根据道路状况模拟转向感觉。此外，US 4830127描述了一种用于基于车辆模型模拟方向盘感觉的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供与现有技术相比有利的转向装置。
该目的通过根据权利要求1的转向装置实现。从属权利要求包含本发明的有利实施例。
本发明公开了一种用于模拟触觉反馈转向感觉的转向装置。转向装置包括转向柱，该转向柱连接到方向盘。角度测量装置设置在转向柱上。该角度测量装置测量施加到方向盘的旋转角度。例如，该角度测量装置可以包括磁环、用于记录移动经过传感器的磁环的磁体数量的装置和用于确定方向盘的旋转方向的装置。此外，转向装置包括与转向柱同轴布置的电动马达。电动马达尤其可以是伺服电动马达，其设计用于向转向柱施加扭矩。由电动马达施加的扭矩的旋转方向通常与应用于方向盘的旋转角度的旋转方向相反地定向。此外，扭矩的量取决于旋转角度和作为基础所使用的车辆模型。此外，该量可以取决于其它参数，特别是取决于车辆速度。根据本发明，电动马达通过扭转弹性元件连接到转向柱。
通过扭转弹性元件将电动马达与转向柱连接使得触觉反馈转向感觉的模拟仅受到小的转矩波动(Torque Ripple)的影响。由于电动马达中的线圈和磁体的数量有限，可能发生施加的扭矩的脉动。如果没有弹性元件，这些会导致明显的扭矩波动。电动马达和转向柱之间的扭转弹性元件导致转子相对于定子的平滑旋转运动，从而减小脉动。因此，扭转弹性元件导致很大程度上无波动的转向感(例如，在运动的、常规的或舒适的驾驶行为中)。
根据一个实施例，扭转弹性元件可以由橡胶环构造，或根据另一实施例，扭转弹性元件可以由彼此径向布置的弹簧组件构造。
根据一个实施例，转向装置具有扭矩测量装置。该扭矩测量装置布置在转向柱上。扭矩测量装置配置成测量由电动马达施加到转向柱的扭矩。
根据本发明的另一实施例，扭矩测量装置完全集成在转向装置中。为此目的，转向装置的转向柱包括连接到方向盘的第一轴和连接到电动马达的第二轴，其中第一轴通过扭杆弹簧连接到第二轴。然后扭矩测量装置包括用于确定第二轴相对于第一轴旋转的相对角度的装置、和计算单元，该计算单元利用扭杆弹簧的特性变量根据所确定的相对角度计算作用在第一轴和第二轴之间的扭矩。用于确定相对角度的装置可以具有例如第一环形磁环和第二环形磁环。第一磁环与第一轴同轴连接，第二磁环与第二轴同轴连接。此外，用于确定相对角度的装置具有用于确定第一磁环相对于第二磁环的相对旋转的装置，该用于确定相对角度的装置随后表示第二轴相对于第一轴旋转的相对的角度。根据本发明的另一实施例，具有这种用于确定相对角度的装置的扭矩测量装置还承担测量施加到方向盘的旋转角度的角度测量装置的功能。
根据另一实施例，转向装置保持非常紧凑。这是通过将电动马达的定子与电动马达的转子在径向方向上相对布置来实现的。
此外，根据另一实施例，电动马达的转子设计为盘形。在该实施例中，测量头和控制单元布置在电路板上，该电路板构造成盘形并与转向柱同轴。另外，电路板与转子在轴向上具有一定距离，该距离小于转子的半径。以这种方式布置元件导致非常紧凑的设计。
根据另一实施例，转向装置具有至少一个场效应晶体管(FET)，其布置在电路板的径向外边缘上。FET负责开环控制电动马达的与FET相关的线圈。在根据本实施例电路板具有与电动马达的半径大致相等的半径并且电路板和电动马达之间的轴向距离较小的情况下，这种布置导致FET与相关线圈之间的距离非常短。因此，一方面，作用在位于线圈和FET之间的连接上的干扰减少，另一方面，热损失减少。因此FET和相关线圈之间的短传输路径是有利的。
本发明的其他特征、性质和优点由以下参考附图对实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
图1示出了具有根据本发明的转向装置的机动车辆；
图2示出了根据本发明的转向装置的一个实施例；和
图3示出了在扭转弹性元件的区域中的转向柱的和模拟转子的转子的横截面。
具体实施方式
下面将参考附图描述用于模拟触觉反馈转向感觉的转向装置的示例性实施例。
本实施例示出了根据本发明的在机动车辆中的转向装置1(参见图1)。转向装置1包括转向柱3，转向柱3连接到方向盘2。本实施例中的转向柱3分为第一轴12和第二轴13。两个轴12、13通过扭杆弹簧14彼此连接。此外，两个轴12、13都安装成使得两个轴12、13可以彼此相对旋转。为了实现旋转过程的特定旋转角度，必须施加一定的扭矩。该扭矩取决于扭杆弹簧14的剪切模量和极面积惯性矩。因此，可以通过扭杆弹簧14的剪切模量和面积惯性矩的知识，由旋转角度确定所施加的扭矩。扭杆弹簧14与用于确定轴12、13彼此相对旋转的角度的装置一起因此可以形成扭矩测量装置。
第一轴12连接到方向盘2。第二轴13连接到电动马达5。根据本发明，电动马达5的转子6通过扭转弹性元件8连接到转向柱3的第二轴13。其中，扭转弹性元件8可以构造为例如橡胶环或彼此径向布置的弹簧组件，参见图3。
在电动马达5的转子6和转向柱3的第二轴13之间的扭转弹性元件8主要构造成用于平滑脉动，该脉动发生在由电动马达5施加到第二轴13的扭矩中，所述脉动由定子7的线圈中的有限数量的绕组和转子6中的有限数量的磁体产生。
在本发明的实施例中，电动马达5的转子6是盘形的。在转子6的径向外边缘处布置有多个磁体，但是至少布置一个磁体。磁体在转子6的径向外边缘上的布置导致轴向紧凑的设计，因为由此电动马达5的定子7可以在径向方向上相对于转子6布置。除了定子7在径向方向上相对于转子6的布置之外，定子7在该实施例中还与转向壳体9连接，转向壳体9围绕转向柱3。圆柱形转向壳体9相对于转向柱3同轴布置。在转向壳体9的外边缘处布置有冷却翅片(未示出)，该冷却翅片径向向外指向，从而相应地从转向壳体9导出热量。
转向壳体9一方面包围转向柱3的两个轴12、13和电动马达5，另一方面包围扭矩测量装置4。本发明的实施例中的扭矩测量装置完全集成在转向装置1中。为此目的，转向装置1具有第一磁环15和第二磁环16。两个磁环15、16均构造成环形并且与转向柱3同轴布置。此外，两个磁环15、16沿其各自的圆周构造有磁体，其中磁体交替布置。第一环形磁环15连接到第一轴12，第二环形磁环16连接到第二轴13。两个环形磁环15、16的布置使得可以在两个磁环15、16之间布置测量头17、18。一个测量头18设计成使得它记录磁场变化，该磁场变化基于第一磁环15的磁体移动经过测量头18。根据磁环中的磁体的布置，测量头18记录第一轴12旋转时的脉冲磁场变化，其中每个脉冲对应于磁体和特定的、取决于磁环上磁体数量的旋转角度。借助于能够对脉冲进行计数的计数电路和确定第一轴12的旋转方向的装置，可以随后确定第一轴12的旋转角度和旋转方向，从中得出驾驶员所采用的方向盘角度。
另一个测量头17设计成使得它记录磁场变化，该磁场变化基于第二磁环16的磁体移动经过测量头17。根据磁环中的磁体的布置，测量头17记录第二轴13旋转时的脉冲磁场变化，其中每个脉冲对应于磁体和特定的、取决于磁环上磁体数量的旋转角度。借助于能够对脉冲进行计数的计数电路和确定第二轴13的旋转方向的装置，可以随后确定第二轴13的旋转角度和旋转方向。利用第一轴12的旋转角度与第二轴13的旋转角度之间的差异，考虑到两个旋转角度的符号，可以确定第一轴12相对于第二轴13的相对旋转，从中基于扭转弹簧14的剪切模量和极惯性矩的知识，可以导出作用在两个轴之间的扭矩。在当前情况下，借助于评估单元确定扭矩。
扭矩测量装置尤其设计用于对由电动马达5施加到第二轴13的扭矩提供反馈。该反馈使得可以以闭环方式可靠地将驾驶员在方向盘上感受到的扭矩调节到基于所采用的方向盘角度计算的目标扭矩。除了所选择的方向盘角度之外，其他参数(例如车辆速度)也可以包括在目标扭矩的计算中。另外，如果测量到道路状况，则可以由此得出摩擦系数，该摩擦系数也可以包括在目标扭矩的计算中。通过为目标扭矩指定不同的计算指令，可以产生不同的转向感觉，例如运动的、舒适的或常规的转向感觉。
测量头17和用于扭矩测量装置的评估单元可以布置在单个电路板10上。在本实施例中，该电路板10构造成环形并且与转向柱3同轴布置。与定子7一样，在本实施例中，电路板固定到转向壳体9。电路板10与电动马达5的盘形转子6之间的轴向距离小于转子6的半径。
定子7在其与转向壳体9的连接区域中具有至少一个线圈。通过至少一个场效应晶体管(FET)11以开环方式控制定子7的至少一个线圈。通常，FET的最大数量对应于电动马达中的线圈数量。在这种情况下，至少一个FET 11布置在电路板10上。为了确保FET 11和相关线圈之间的短传输路径20，至少一个FET 11布置在电路板10的径向外边缘上，也就是说在电路板10与转向壳体9的连接区域中。短传输路径20的先决条件是电路板与盘形电动马达的轴向距离较小。本实施例中是如图2所示的情况。因此减少了作用在连接上的干扰，并减少了所发生的热损失。
出于解释的目的，已经通过示例性实施例详细描述了本发明。然而，本领域技术人员认识到，与示例性实施例的偏差亦是可能的并且可以偏离示例性实施例。因此，本发明不应限于该实施例，而是仅由所附权利要求限定。
附图标记列表：
1 转向装置
2 方向盘
3 转向柱
5 电动马达
6 转子
7 定子
8 弹性元件
9 转向壳体
10 电路板
11 场效应晶体管FET
12 第一轴
13 第二轴
14 扭杆弹簧
15 第一磁环
16 第二磁环
17 测量头
18 测量头
20 传递路径

Claims (12)

1.一种用于模拟触觉反馈转向感受的转向装置(1)，所述转向装置包括连接到方向盘(2)的转向柱(3)、设置在所述转向柱(3)上的角度测量装置和与所述转向柱(3)同轴连接的电动马达(5)，所述角度测量装置用于测量施加到所述方向盘(2)上的旋转角度，所述电动马达用于向所述转向柱(3)施加扭矩，其中所述扭矩的量取决于所述旋转角度和作为基础所使用的车辆模型，
其特征在于：
所述电动马达(5)通过扭转弹性元件(8)连接到所述转向柱(3)。
2.根据权利要求1所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述角度测量装置包括磁环(15)、用于记录移动经过传感器(18)的所述磁环(15)的磁体的数量的装置和用于确定所述方向盘(2)的旋转方向的装置。
3.根据权利要求1或2所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述转向装置包括设置在所述转向柱(3)上的扭矩测量装置，所述扭矩测量装置配置用于测量由所述电动马达(5)施加的所述扭矩。
4.根据权利要求3所述的转向装置(1)，
其特征在于：
-所述转向柱(3)包括连接到所述方向盘(2)的第一轴(12)和连接到所述电动马达(5)的第二轴(13)，其中所述第一轴(12)通过扭杆弹簧(14)连接到所述第二轴(13)；和
-所述扭矩测量装置包括用于确定所述第二轴(13)相对于第一轴(12)旋转的相对角度的装置和计算单元，所述计算单元利用所述扭杆弹簧(14)的特性变量使用所确定的所述相对角度计算在所述第一轴(12)和所述第二轴(13)之间作用的扭矩。
5.根据权利要求4所述的转向装置(1)，
其特征在于：
用于确定所述相对角度的所述装置包括第一环形磁环(15)和第二环形磁环(16)以及确定所述第一磁环相对于所述第二磁环的相对转动的装置，其中所述第一磁环(15)与所述第一轴(12)同轴连接，所述第二磁环(16)与所述第二轴(13)同轴连接。
6.根据权利要求3至5之一所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述扭矩测量装置承担所述角度测量装置的功能。
7.根据权利要求1至6之一所述的转向装置(1)，
其特征在于：
-所述电动马达(5)的定子(7)在径向方向上相对于所述电动马达(5)的转子(6)布置；和
-所述转子(6)是盘形的。
8.根据权利要求3至5之一所述的转向装置(1)，
其特征在于：
-所述转向装置(1)具有与所述转向柱(3)同轴布置的电路板(10)；
-所述电路板(10)到所述电动马达(5)的所述转子(6)在轴向方向上的距离小于所述转子(6)的半径。
9.根据权利要求8所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述转向装置包括至少一个场效应晶体管FET(11)，所述至少一个FET布置在所述电路板(10)的径向外边缘上。
10.根据权利要求1至9之一所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述扭转弹性元件(8)是橡胶环。
11.根据权利要求1至9之一所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述扭转弹性元件(8)由彼此径向布置的弹簧组件构成。
12.根据权利要求1至11之一所述的转向装置(1)，
其特征在于：
所述扭矩的旋转方向与所述旋转角度的旋转方向相反地定向。
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