TWI634031B

TWI634031B - Method for evaluating the health of a belt drive in an electric power steering system

Info

Publication number: TWI634031B
Application number: TW106141202A
Authority: TW
Inventors: 王俊凱; 廖益圍; 黃鈞昱; 顏銘賜; 王信富
Original assignee: 上銀科技股份有限公司
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2018-09-01
Also published as: TW201925001A

Abstract

本發明提供一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法。其運用偵測電動助力轉向系統中所產生的滑齒現象及滑齒現象發生的頻率，甚至考量馬達的出力，來判斷皮帶傳動裝置健康狀態。藉此，來讓使用者確實了解電動助力轉向系統的皮帶傳動裝置健康狀態。

Description

評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法

本發明係與評估電動助力轉向系統有關，特別是指一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法。

隨著汽車科技的發展以及環保意識的抬頭，汽車已朝向用電動助力轉向系統逐漸地取代傳統的液壓助力轉向系統，其原因在於：

1、傳統的液壓助力轉向系統在引擎運轉時，液壓泵浦一直處於工作狀態而消耗引擎的部分動力，使得整個引擎油消耗量增加。反觀電動助力轉向系統，是以電池為能源來源，獨立於引擎運作而不增加引擎的動力耗損，此外工作效率較液壓助力轉向系統高，節省燃油消耗。

2、電動助力轉向系統可以整合在同一裝置上，增加裝配及保養的便利。液壓助力轉向系則將不同功能的元件配置在不同的地方，透過管線配置產生轉向輔助功能。

3、電動助力轉向系統沒有液壓助力轉向系統的液壓油更換問題，對於環境較為友善。

4、電動助力轉向系統透過軟體控制可以針對不同的駕駛情況調整輔助力量改善汽車操縱的穩定性和舒適性。液壓助力轉向系統則是維持固定的輔助力量，不能隨行車狀況改變輔助力量。

對於電動助力轉向系統而言，可以分為管柱助力式電動助力轉向系統（Column-Type EPS）、小齒輪助力式電動助力轉向系統（Pinion-Type EPS）以及齒條助力式電動助力轉向系統（Rack-Type EPS）。

對於齒條助力式電動助力轉向系統（Rack-Type EPS）而言，其運作方式是在使用者轉動方向盤後，透過方向機柱驅動齒輪囓合轉向架的齒條部分，帶動轉向架移動，在此同時，裝設在方向機柱上的扭矩感測器會傳輸資訊至電子控制單元，再由電子控制單元控制馬達以驅動主動輪後帶動皮帶，而由皮帶驅動套設在螺帽外的被動輪旋轉並帶動螺帽旋轉，再由螺帽驅動轉向架上的螺桿部分移動，而產生對於使用者提供轉向輔助力量的功效。

此種型式的電動助力轉向系統中，選用皮帶時，可以透過皮帶參數以及安裝方式大略得知皮帶於不同張力之下可以承受的最高扭矩上限，但皮帶的張力在長期使用後可能因為機構和皮帶的鬆動、變形或是老化使得其張力降低，令可承受扭矩上限降低進而導致主動輪、皮帶或被動輪之間的轉動不一致而發生滑齒現象。如此一來，滑齒現象代表皮帶傳動裝置的老化，將會使電動助力轉向系統產生輔助力量不足，或者當皮帶斷裂時產生使用者轉向時突然失去輔助力量的情況進而發生行車危險。因此，如何藉由滑齒現象的評估，來讓使用者確實了解電動助力轉向系統皮帶傳動裝置的健康狀態，顯得必須也重要。

對於電動助力轉向系統的健康狀態指標(State of Health, SOH)，已有美國US8634986A1號專利提出，其主要技術內容有以下步驟：透過動態模型計算第一個輪胎自動回正力矩。透過狀態估測器獲得第二個輪胎自動回正力矩。計算第一個輪胎自動回正力矩與第二個輪胎自動回正力矩之間的差異。透過持續觀測此差異計算出一個介於0到1的健康狀態指標。並根據此健康狀態指標決定控制行為。用此方法獲得健康指標是包含整個電動輔助轉向系統的狀態，無法單獨探討各部件的健康狀態，也就無法單獨得知驅動皮帶的健康狀態來事先避免皮帶突然斷裂對駕駛者造成的影響。

此外還有WO2017061257 A1號專利提出，其係提供角度感測器失效時的應對方式，並同時具備系統異常之診斷。然而只能偵測突然發生的異常狀況，還是無法瞭解電動輔助轉向系統的健康狀態。

本發明之主要目的乃在於提供一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，其藉由滑齒現象的評估來讓使用者可確實了解電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置的健康狀態，降低遇到電動助力轉向系統失效的風險。

緣是，依據本發明所提供之一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，係運用在一電動助力轉向系統，該電動助力轉向系統包含有一個轉向機構，具有一個殼體和一個轉向架，該殼體具有一個第一開口和一個第二開口；該轉向架，設置在該殼體並且分別穿出該第一開口和該第二開口，該轉向架具有一個齒條部和一個螺桿部；一個齒輪，固接一個轉向機柱，並囓合該齒條部；一個螺帽，在該殼體內螺接該螺桿部；一個馬達，固接該殼體，該馬達具有至少一個轉子和一支輸出軸，該轉子帶動該輸出軸轉動；一個主動輪固接該輸出軸；一個被動輪套設在該螺帽；一條皮帶，套設在該主動輪和該被動輪；該評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法的特徵在於包含下列步驟：資訊測量：使用一個第一感測器量測該轉向機柱每個運作時間點的轉動，產生一第一量測資訊；使用一個第二感測器量測該轉子每個時間點的轉動，產生一個第二量測資訊；資訊判讀：使用一個電子控制單元(ECU)，讀取該第一量測資訊和該第二量測資訊；該電子控制單元預先儲存一個數據資料庫，該數據資料庫儲存該轉子對應該轉向機柱彼此的一個轉動關係以及各判斷依據；滑齒狀態判斷：該電子控制單元運用該第一量測資訊/該第二量測資訊，配合該數據資料庫中的該轉動關係，產生一個比對資訊；該電子控制單元比對該第二量測資訊/該第一量測資訊與該比對資訊，若該兩者之間相差小於一門檻值，則判定正常；若兩者之間相差超過該門檻值，則判定產生滑齒現象。

藉此，當發生滑齒現象，代表電動助力轉向系統的皮帶傳動裝置健康狀態下降，可以先行提醒使用者，降低遇到電動助力轉向系統失效的風險。

其中，該第一量測資訊和該第二量測資訊為轉動角度、角速度、角加速度其中之一或其組合。

此外，在步驟c)中，判定產生滑齒現象後，該電子控制單元產生一個警告資訊，被運用在發出警示來警告使用者。

值得一提的是，更有一個步驟d)健康狀態判斷：該電子控制單元記錄滑齒現象發生的時間點，並且判斷在預先設定的一個時段中，若滑齒現象發生頻率小於由預先儲存在該電子控制單元的一個門檻頻率，則判定警戒狀態；若滑齒現象發生頻率大於該門檻頻率，則判定危險狀態。同樣地，在步驟d)中，判定危險狀態後，該電子控制單元產生一個警告資訊，被運用在發出警示來警告使用者。

或者在步驟d)中，更使用一個位於轉向機柱上的扭力感測器量測駕駛者出力或更使用一個電流感測器評估馬達出力，輸出一個出力訊號到該電子控制單元；設定一個高出力條件，當該出力訊號代表的出力值大於該高出力條件，則定義為高出力狀態；若滑齒現象沒有發生，定義為正常狀態；若在非高出力狀態下發生滑齒現象，定義為危險狀態；若在高出力狀態發生滑齒現象但發生頻率小於該門檻頻率，判定警戒狀態；若在高出力狀態發生滑齒現象且發生頻率大於該門檻頻率，則判定為危險狀態。如此可以更細緻地劃分使用情況，更貼近使用者需求。

為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之較佳實施例並配合圖式說明如後，其中：

如第1-3圖所示，本發明第一較佳實施例所提供之一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，係運用在一電動助力轉向系統10，該電動助力轉向系統包含有一個轉向機構11、一個齒輪12、一個螺帽13和一個馬達14。

該轉向機構11具有一個殼體111和一轉向架112，該殼體111具有一個第一開口111a和一個第二開口111b。該轉向架112，設置在該殼體111並且分別穿出該第一開口111a和該第二開口111b，該轉向架112具有一個齒條部112a和一個螺桿部112b。連接車輪的複數橫拉桿21分別連接該轉向架112，而受到該轉向架112驅動。

齒輪12，固接一轉向機柱121，並囓合該齒條部112a。該齒輪12會受到該轉向機柱121帶動轉動，並且帶動該齒條部112a使得該轉向架112移動

該螺帽13，在該殼體111內螺接該螺桿部112b。當該螺帽13轉動，可以驅動該螺桿部112b移動。

該馬達14，固接該殼體111，該馬達14具有至少一個轉子(此部分為一般技術，圖中未示)和一支輸出軸142。一個主動輪143，固接該輸出軸142。一個被動輪144套設在該螺帽13。以及一條皮帶145，套設在該主動輪143和該被動輪144。當該馬達14受到控制讓該轉子帶動輸出軸142旋轉，會將動力透過該主動輪143帶動該皮帶145運行，再由該被動輪144傳遞到該螺帽13，而能夠帶動螺桿部112b移動。

再請參閱第1-5圖，該評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法的特徵在於包含下列步驟： a) 資訊測量：使用一個第一感測器15量測該轉向機柱121每個運作時間點的轉動，產生一第一量測資訊。使用一個第二感測器16量測該轉子每個時間點的轉動，產生一個第二量測資訊。 b) 資訊判讀：使用一個電子控制單元17(Electronic Control Unit, ECU)，讀取該第一量測資訊和該第二量測資訊。該電子控制單元17預先儲存一個數據資料庫D，該數據資料庫儲存該轉子對應該轉向機柱121彼此的一個轉動關係以及各判斷依據。該轉動關係，係在電動助力轉向系統健康的情況下，該轉子和該轉向機柱121間的轉動比例關係。

舉例來說，如第4圖所示，當主動輪143齒數、轉子轉動角度、被動輪144齒數、螺帽13轉動角度時，因為透過皮帶145傳動，有以下關係

又，被動輪144帶動螺帽13轉動，而螺帽13轉動圈數與轉向架112移動的距離為固定比例關係；以及，當該轉向架112移動時，該齒輪12也被該轉向架112的該齒條部112a帶動轉動，該齒輪12轉動角度與該轉向架移動距離有固定比例關係（線角傳動比），而該齒輪12轉動角度等於該轉向機柱轉動角度

若；被動輪144齒數；當螺帽13轉360度時，轉向架112移動；當齒輪12轉360度時，轉向架112移動由上述關係推知

主動輪143及轉子轉度時，螺帽轉0.3243 度

螺帽轉0.3243 度，轉向架112和齒條部112a移動

轉向架112齒條部112a移動，則該齒輪12和該轉向機柱轉動角度為即為該轉子和該轉向機柱121間的轉動比例關係。 c) 滑齒狀態判斷：該電子控制單元17運用該第一量測資訊/該第二量測資訊，配合該數據資料庫D中的該轉動關係，產生一個比對資訊，在本實施例中係以第二量測資訊為例，也可以採用第一量測資訊。該電子控制單元17比對該第二量測資訊/該第一量測資訊與該比對資訊，若該兩者之間相差小於一門檻值例如百分之十，則判定正常；若兩者之間相差超過此門檻值，則判定產生滑齒現象。

藉此，當發生滑齒現象，代表電動助力轉向系統的皮帶145、主動輪143以及被動輪144之組合健康狀態下降，可以先行提醒使用者，降低遇到電動助力轉向系統失效的風險。

值得一提的是，該第一量測資訊和該第二量測資訊為轉動角度、角速度、角加速度其中之一或其組合。

此外，在本實施例中，可以選擇在步驟c)中，判定產生滑齒現象後，該電子控制單元17產生一個警告資訊，被運用在發出警示來警告使用者，其中，該警告資訊以文字、聲音或其它方式呈現。

請參閱第1-4、6圖，接著介紹本發明第二較佳實施例所提供之一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法。其與第一較佳實施例的不同在於，更有一個步驟d)健康狀態判斷：該電子控制單元17記錄滑齒現象發生的時間點，並且判斷在預先設定的一個時段中，例如2秒，若滑齒現象發生頻率小於由預先儲存在該電子控制單元的一個門檻頻率（例如：2次/2秒），則判定警戒狀態；若滑齒現象發生頻率大於該門檻頻率，則判定危險狀態。同樣地，在步驟d)中，判定為危險狀態後，該電子控制單元17產生一個警告資訊，被運用在發出警示來警告使用者。值得一提的是，健康狀態判斷的結果以顯示不同燈號的方式提醒駕駛者。

除此之外，請參閱第7圖，也可以選擇在步驟d)中，更使用一個位於轉向機柱121上的扭力感測器18(torque sensor)量測駕駛者出力或更使用一個電流感測器19評估馬達14出力，輸出一個出力訊號到該電子控制單元17；設定一個高出力條件，當該出力訊號代表的出力值大於該高出力條件，則定義為高出力狀態；若滑齒現象沒有發生，定義為正常狀態；若在非高出力狀態下發生滑齒現象，定義為危險狀態；若在高出力狀態發生滑齒現象但發生頻率小於該門檻頻率，判定警戒狀態；若在高出力狀態發生滑齒現象但發生頻率大於該門檻頻率，則判定為危險狀態。如此可以更細緻地劃分使用情況，更貼近使用者需求。

10‧‧‧電動助力轉向系統

11‧‧‧轉向機構(pinion steering mechanism)

111‧‧‧殼體

111a‧‧‧第一開口

111b‧‧‧第二開口

112‧‧‧轉向架(steering rack)

112a‧‧‧齒條部(toothed portion)

112b‧‧‧螺桿部(screwed portion)

12‧‧‧齒輪(pinion)

121‧‧‧轉向機柱(steering column)

13‧‧‧螺帽

14‧‧‧馬達

142‧‧‧輸出軸

143‧‧‧主動輪

144‧‧‧被動輪

145‧‧‧皮帶

15‧‧‧第一感測器

16‧‧‧第二感測器

17‧‧‧電子控制單元

18‧‧‧扭力感測器

19‧‧‧電流感測器

21‧‧‧橫拉桿(tie rod)

D‧‧‧數據資料庫

第1圖係本發明第一較佳實施例之立體圖，顯示電動助力轉向系統。第2圖係本發明第一較佳實施例之剖面示意圖，顯示電動助力轉向系統。第3圖係本發明第一較佳實施例之部分立體圖，顯示電動助力轉向系統。第4圖係本發明第一較佳實施例之系統示意圖，顯示電動助力轉向系統。第5圖係本發明第一較佳實施例之流程方塊圖，顯示評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法。第6圖係本發明第二較佳實施例之流程方塊圖，顯示評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法。第7圖係本發明第二較佳實施例之另一態樣的流程方塊圖，其中，增加高出力狀態的判斷條件。

Claims

一種評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，係運用在一電動助力轉向系統，該電動助力轉向系統包含有一個轉向機構，具有一個殼體和一個轉向架，該殼體具有一個第一開口和一個第二開口；該轉向架，設置在該殼體並且分別穿出該第一開口和該第二開口，該轉向架具有一個齒條部和一個螺桿部；一個齒輪，固接一個轉向機柱，並囓合該齒條部；一個螺帽，在該殼體內螺接該螺桿部；一個馬達，固接該殼體，該馬達具有至少一個轉子和一支輸出軸，該轉子帶動該輸出軸轉動；一個主動輪固接該輸出軸；一個被動輪套設在該螺帽；一條皮帶，套設在該主動輪和該被動輪；該評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法的特徵在於包含下列步驟：a)資訊測量：使用一個第一感測器量測該轉向機柱每個運作時間點的轉動，產生一第一量測資訊；使用一個第二感測器量測該轉子每個時間點的轉動，產生一個第二量測資訊；b)資訊判讀：使用一個電子控制單元(ECU)，讀取該第一量測資訊和該第二量測資訊；該電子控制單元預先儲存一個數據資料庫，該數據資料庫儲存該轉子對應該轉向機柱彼此的一個轉動關係以及各判斷依據；c)滑齒狀態判斷：該電子控制單元運用該第一量測資訊/該第二量測資訊，配合該數據資料庫中的該轉動關係，產生一個比對資訊；該電子控制單元比對該第二量測資訊/該第一量測資訊與該比對資訊，若該兩者之間相差小於一門檻值，則判定正常；若兩者之間相差超過該門檻值，則判定產生滑齒現象； d)健康狀態判斷：該電子控制單元記錄滑齒現象發生的時間點，並且判斷在預先設定的一個時段中，若滑齒現象發生頻率小於由預先儲存在該電子控制單元的一個門檻頻率，則判定警戒狀態；若滑齒現象發生頻率大於該門檻頻率，則判定危險狀態。
依據申請專利範圍第1項之評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，其中：該第一量測資訊和該第二量測資訊為轉動角度、角速度、角加速度其中之一或其組合。
依據申請專利範圍第1項之評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，其中：在步驟c)中，判定產生滑齒現象後，該電子控制單元產生一個警告資訊，被運用在發出警示。
依據申請專利範圍第1項之評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，其中：在步驟d)中，判定危險狀態後，該電子控制單元產生一個警告資訊，被運用在發出警示。
依據申請專利範圍第4項之評估電動助力轉向系統中皮帶傳動裝置健康狀態的方法，其中：在步驟d)中，更使用一個位於轉向機柱上的扭力感測器量測駕駛者出力或更使用一個電流感測器評估馬達出力，輸出一個出力訊號到該電子控制單元；設定一個高出力條件，當該出力訊號代表的出力值大於該高出力條件，則定義為高出力狀態；若滑齒現象沒有發生，定義為正常狀態；若在非高出力狀態下發生滑齒現象，定義為危險狀態；若在高出力狀態發生滑齒現象但發生頻率小於該門檻頻率，判定警戒狀態；若在高出力狀態發生滑齒現象且發生頻率大於該門檻頻率，則判定為危險狀態。