操作机动车辆的转向器的方法和装置及控制器和转向器与流程

专利检索2022-05-10  209


由DE 41 27 487A1公开了一种用于将转动运动转换成平移运动的装置。驱动单元具有被驱动的减速传动机构,该减速传动机构以如下方式作用于机械传动元件,使得针对由传动元件施加的反向驱动的转矩设置有自行制动的、共轴的减速传动机构,其中传动元件本身被设计成非自行制动的。在反向驱动方向上作用的、在平移运动的方向上的力不引起调节,因为减速传动机构防止这种调节。对于结构和设计而言以及还在成本方面,由额外的减速传动机构引起的耗费并不是微不足道的。此外,额外的减速传动机构需要结构空间并且引起额外的重量。

为了在转向系统中在发生故障的情况下防止转向杆的游移,以使与转向杆相联接的车轮的车轮转向角不会无意地变化,DE 10 2010 042 329A1提出,转向系统借助于锁止元件防止转向杆的轴向移位。与具有额外的减速传动机构的前述现有技术类似,在这里所示的转向系统中,锁止元件被视为额外的组件。这同样需要用于转向系统的结构空间以及额外的成本和额外的重量。

本发明的目的是,这样来设计机动车辆的转向器,使得可以克服现有技术中的上述缺点。

为此,根据独立权利要求结合其特征部分的特征提出一种用于操作机动车辆的转向器的方法或装置、和一种控制器、以及一种转向器。分别在从属权利要求中给出优选的改进方案。

首先,本发明涉及一种用于操作机动车辆的转向器的方法,其中转向杆能够借助电动马达沿着所述转向杆的纵向轴线保持或者移位,从而使得至少一个车桥的至少一个车轮的车轮转向角能够被保持或者移位。电动马达至少借助于运动螺纹与转向杆相联接,从而使得在电动马达旋转时转向杆沿一个方向或沿另一个方向移位。运动螺纹至少在反向驱动方向上具有带有至少很小的制动的效率。

在运动螺纹中,螺距能够被选择成使得产生自行制动。在基本上轴向地、也就是基本上沿着纵向轴线的方向或者说在纵向轴线的方向上作用到转向杆上的力的作用下,在自行制动时转向杆至少在静态负荷下不发生移位。即,自行制动等同于锁止。然而,在动态负荷下,尽管存在自行制动,(甚至在驱动方向上以及不仅在反向驱动方向上)仍可能导致移位。然而,如果使用具有高效率的运动螺纹、例如滚珠丝杠传动机构或滚动螺纹传动机构,那么基本上轴向地作用到转向杆上的力引起转向杆沿反向驱动方向、即逆着驱动方向移位。高效率要求这样的且在这里意图使用的运动螺纹具有较小的制动,然而没有自行制动。根据所使用的润滑剂,该较小的制动可能例如由于运动螺纹中的摩擦和/或由于运动螺纹内的摩擦工艺而存在。因此,在结构上,运动螺纹可以至少根据螺距至少具有较小的制动。存在的制动越小,运动螺纹越顺畅并且其效率越高。对应地需要较小的驱动功率来转向。于是,在结构空间方面,可以使用比在具有低效率的运动螺纹(例如根据DIN 103的梯形螺纹)中构造更小的驱动马达。

对于车桥来说,在其端部处布置有车轮,为了使车辆转向,至少在一个车桥上向这些车轮加载车轮转向角变化。在直线行驶时,根据在结构上设置的或者设定的前束或后束,车轮转向角为近似0度。根据在弯道中或者在车辆转弯时的预期行驶,借助于转向器来改变车轮的车轮转向角,从而使得车辆可以沿所设置的方向行驶。在此可能的是,在前桥上或者在后桥上或者然而在这两个车桥或另外的车桥上车轮转向角发生变化。为了使车辆能够跟随所设置的行驶路径(也称为轨迹),车轮转向角必须在其变化之后被保持。为了维持轨迹,原则上必须对车轮进行引导,以使这些车轮维持预期的车轮转向角。(借助于车轮架绕车轮的竖直轴线铰接在车身上的)车轮藉由转向器并且借助于与转向器铰接连接的导杆被引导。现在如果转向杆在转向时轴向移位,即沿着其纵向轴线移位,则这会引起各个车轮的车轮转向角发生变化。在车轮转向角发生变化之后,通过对车轮的引导来维持变化了的车轮转向角。在此,如果电动马达的旋转轴线直接地或者间接地通过小齿轮或齿轮或主轴螺母等与转向杆相联接,那么可以通过电动马达来实现转向杆的移位。

在机动车辆中,侧向力分别根据行驶路径作用到相应的车轮上。在直线行驶时,侧向力例如相当小并且通过基于行驶道的表面或状态或侧风的动态影响而给出。而在转弯行驶时,例如在左转弯时,车轮向左转向,由此得到高的横向力作为作用到车轮和车轮架上的侧向力。如果没有引导,车轮转向角可能不受控地变化。为了引导车轮,必须由转向器的导杆或转向杆来吸收侧向力。为了支撑转向器,转向器进而通过辅助车架或直接地连接至车辆结构。在转向器的正常操作中,电动马达可以这样接通或通电,使得该电动马达借助位置调节产生相反力矩,从而可以防止转向杆由于通过车轮起作用的侧向力而移位。因此,车轮转向角如借助转向器所设定的那样保持不变。这例如通过位置调节来实现,从而将借助于传感器求取的电动马达的保持力矩保持得大到使得不仅在直线行驶时、而且在转弯行驶时均禁止车轮上的车轮转向角的变化。换言之,这样来操控电动马达,以保持转向杆的位置。

对于故障情况,也就是说,当用于电动马达的电流供应例如中断或失效时,必须提供安全性,从而防止转向杆由于侧向力而轴向移位。换句话说,在由于转弯行驶而产生侧向力时提出,转向杆独立地不轴向移位或者仅可以在允许的、即容许的范围内很小地移位,从而使得车辆保持可控。如果转向杆的移位至少不被制动或者甚至被锁止,那么由于车轮的车轮转向角的任意变化可能产生不可控的行驶状态。这尤其是在具有高效率的运动螺纹的转向器中是这种情况。例如,在滚珠丝杠传动机构中,存在具有高效率的运动螺纹。该运动螺纹具有至少很小的自行制动。

如果侧向力作用到车轮上,那么在反向驱动方向上向转向杆上施加力,从而使得基于运动螺纹得到相反力矩或者说与电动马达的驱动力矩相反的力矩。运动螺纹例如可以由齿轮构成,该齿轮绕其转动轴线转动并且与呈齿杆形式的转向杆相接合。因此,在齿轮旋转时使转向杆产生轴向移位。在自行制动的运动螺纹中,齿轮和齿杆的齿部被设计成使得在力作用到齿杆上时不能实现小齿轮或齿轮的旋转。这还被理解为在运动螺纹的情况下的机械上的自行制动。呈主轴形式的齿杆还可以被设计成以其外螺纹与带有内螺纹的、位置固定地支承的主轴螺母相接合。然而,具有机械自行制动的运动螺纹仅具有低效率。例如,当运动螺纹被设计有蜗杆传动或梯形螺纹时,情况如此。

然而,本发明的主题是基于具有高效率的运动螺纹,即具有至少很小的制动的高效率。除了滚珠丝杠传动机构之外,在滚筒螺纹传动机构中通常也是这种情况。由于至少很小的自行制动、即换句话说很小的、甚至不存在的自行制动,在基本上沿转向杆的纵向轴线的方向作用的侧向力或力作用的情况下可能引起转向杆的移位。换言之,在故障情况下可能出现转向杆的不期望的移位并且因此出现在相应的转向了的车桥上的车轮的不受控的车轮转向角变化。

本发明提出,在基本上轴向地作用到转向杆上的力的情况下至少对转向杆的移位进行制动。换句话说,仅受限地允许移位并且/或者甚至完全制动或者锁止移位。为此,使用电动马达的卡锁力矩并且附加地或替代于此使用由电动马达本身感应出的力矩。如上面已经说到的那样,借助于车轮的侧向力进行的转向杆的移位由于电动马达借助于运动螺纹进行的联接而引起电动马达上的相反的转矩。因此,用于防止转向杆轴向移位的转矩必须大到可以实现对电动马达的旋转的制动或者锁止。在此,电动马达的由卡锁力矩和/或自感力矩得到的转矩(也称为力矩)可以根据相应的需求在结构上进行设计。

本发明主要涉及转向器的正常使用。也就是说,预期的制动不包括失误负荷。例如在猛烈行驶到路缘(路缘颠簸)上时,对于正常操作产生不寻常得高的侧向力(也被称作特殊事件负荷)。在高负荷下,制动反而起到反效果,因为制动是不期望的,因为由此在引导车轮的底盘构件(例如转向横拉杆导杆)上产生还更大的损坏。这样高的负荷引起侧向力,这些侧向力例如大于在车辆和转向器的正常操作中最大可预期的侧向力的两倍。

电动马达的特性被称为卡锁力矩或英语也称为cogging torque(齿槽力矩),这些特性由于在定子中使用永磁体以及使用由电工钢片构成的开槽的电枢而存在,或者反之亦然。在不仅在定子中、而且在电枢中均开槽的马达中,在操作中同样产生卡锁力矩。由于相比于永磁体在从电枢数量变换到的电枢槽上时气隙发生变化,磁阻以及因此作用到电枢上的力发生变化。作为效果可以简单地说,转子由于在电动马达关断之后的卡锁力矩而保持在特定的位置。因此,电动马达在静止状态下、也就是说还在无电流的状态下具有其由结构决定的卡锁力矩。本发明在一定程度上利用该力矩作为与该力矩相反作用的相反力矩,该相反力矩由于借助于运动螺纹作用到转向杆上的力作用而产生。换言之,在故障情况下,例如在转向器无电流的状态下,由电动马达的卡锁力矩预备然后可供使用的相反力矩。这种几乎被动地存在的卡锁力矩引起保持力,该保持力与基本上轴向作用到转向杆上的力反向。因此防止了马达的旋转,从而使得由于借助于运动螺纹进行的联接,转向杆在故障情况下不会移位。因此,卡锁力矩代替自行制动。电动马达可以针对所需的卡锁力矩来设计。

附加于或替代于对电动马达进行制动或者锁止,利用电动马达的自感力矩。优选通过在电动马达相上至少暂时存在的相短路引起自感力矩。在相断开的情况下,电动马达可以在克服其卡锁力矩之后几乎自由地旋转。如果电动马达的相短路,则在电动马达开始旋转时建立相反的力矩,即所谓的自感力矩。换句话说,电动马达在相短路的情况下由于在马达轴旋转时立即产生的相反力矩而只能非常小地旋转。本发明利用该特性,从而在至少暂时的相短路的情况下,当存在基本上轴向地作用到转向杆上的力(例如由于作用到车轮上的侧向力)时,至少制动或者锁止转向杆的轴向移位。

替代性地或者与电动马达的卡锁力矩结合,由此可以有效地至少制动或者完全锁止转向杆的移位。替代于直接连接在马达相上的相短路(=固有短路),可以在中间连接电阻或晶体管的情况下引起该相短路。在使用晶体管时,可以使用所谓的场效应晶体管(FET),这些场效应晶体管可以被用作可变电阻。因此,制动或自感力矩是可设定的或者在预期的侧向力方面是可适配的。暂时的相短路应理解为脉冲式的相短路,也就是说相短路以时间间隔或受时钟控制地被接通。

在优选的实施方式中,这样来接通所述电动马达相,使得在转向器中存在故障时,优选在电压供应失效时,将所述相短路施加在所述电动马达相上,从而至少制动所述转向杆的移位。在存在电压供应时,电动马达的相保持断开。进行正常的电压供应,从而使得电动马达能够在正常状态下驱动转向器。在电压供应暂时失效或者完全失效的情况下,自动地在电动马达相上产生相短路。相短路例如可以通过电磁断开的继电器来实现,该继电器由于继电器的触点的弹簧预紧而在供电电压下降的情况下在电动马达相上产生相短路。替代性地,可以使用具有优选位置的FET,这些FET同样可以在电压降或电压失效的情况下接通相短路。由此确保在故障情况下被动地保持电动马达相上的相短路,从而使得在电压供应下降或者失效之后立即至少制动转向杆的移位。

在优选的实施方案中,电动马达藉由控制器被操控,该控制器这样来实现,即,通过控制器能够在电压供应故障时实现电动马达的相上的短路。优选提出,所述控制器即使在马达停止时也产生相短路。由此确保了,即使在出现在转向器再次开始运行之后才出现的故障,也至少制动转向杆的移位。上述故障不仅可能存在于控制装置或控制器中,也可能由于失效或电压供应不足而存在。当在机动车辆中使用其控制器操作转向器的这种转向器时,同样可能由于电动马达或控制器或总线系统、例如CAN总线中的电气构件失效而出现故障。

优选地,只有当超过主轴的容许的位移时,才接通相短路。为了能够设定适合的车轮转向角,在转向器中通常借助于适合的传感装置来检测转向杆的位置。在此例如可以使用无接触地工作的霍尔传感器或电动马达的传感装置。如果在某些车辆或要求的情况下在特定的行驶中(例如在以运动模式或越野模式行驶时)允许一定的车轮转向角变化并因此允许主轴在很小的界限内移位,那么有利的是,在主轴的发生一定程度上的移位(即转向杆的所谓的容许的移位)之后,相短路才被接通。例如,控制器可能识别到转向杆移位几毫米,例如5至15mm,并且在达到该阈值之后,接通电动马达相上的相短路,以便至少制动或完全锁止进一步的移位。

在另外的实施方式中提出,在容许的位移之后,通过初始制动来锁止所述转向杆的移位。与前述实施方案不同,在此在转向杆开始移位时,例如通过暂时的相短路已经制动了转向杆的进一步移位。根据车辆或行驶情况可以如下地确定,即:在一定程度上容许的车轮转向角变化之后才锁止转向器,从而使得随后车轮转向角不再进一步变化。

优选地,根据转向器的参数来实施该方法。这些参数可以至少包括:电动马达的卡锁力矩、和/或在相短路时电动马达的预期的自感力矩、和/或运动螺纹的效率、和/或在使用中间传动机构时的传动比。例如,当电动马达或其驱动轴设有皮带小齿轮(皮带小齿轮藉由齿皮带驱动皮带轮)时,存在中间传动机构。皮带轮进而联接到主轴螺母或齿轮上,该齿轮与转向杆的齿部或螺纹相接合。此外,能够附加地考虑由于基本上轴向地作用到转向杆上的力而产生的力矩和/或转向杆的当前的轴向移位。附加地,能够考虑多个参数,如就用于操作转向器的致动器的可能调节速度而言在主轴传动机构中的温度以及就整个系统的摩擦工艺而言占主导的外部温度,以便引起制动或者锁止。在低温度下,例如运动螺纹的效率降低,因为在运动螺纹中所使用的润滑剂具有较高的粘性。这个事实可以被添加计算到卡锁力矩中。因此,作用到转向杆上的力可以更大,而不借助于运动螺纹引起电动马达上的相反的力矩。对转向杆的移位的制动或者锁止被在此未详尽提及的参数影响。

本发明还涉及一种控制器,该控制器用于实施根据上述实施方案的用于操作转向器的方法。上述控制器可以被实施为独立的装置,即单独的控制器。替代性地,可以在机动车辆中存在的控制器上实施该方法。可以借助于程序代码在计算单元上实施该方法。计算单元可以是控制器的一部分。前面提到的参数可以借助于控制器、借助于适合的传感装置来求取并存储。所求取的数据可以由计算单元借助于程序代码在接通相短路时进行考虑。

本发明还涉及一种装置,所述装置用于操作机动车辆的至少一个车桥的转向器,所述装置具有转向杆,其中电动马达至少借助于运动螺纹与所述转向杆相联接以使所述转向杆沿着所述转向杆的纵向轴线移位,其中所述运动螺纹具有带有至少很小的自行制动的效率。该装置可以被设计为致动器,该致动器能够使转向杆沿其纵向轴线运动。转向杆能够是致动器的一部分。可以为每个车轮设置致动器,该致动器可以改变相应车轮的车轮转向角。替代性地,还可以设置中央作用的致动器,该致动器被布置成固定在车身或车辆结构上,并且在该致动器中转向杆可以沿轴向在一个方向或另一方向上移位,以便同时使至少两个车轮上的车轮转向角发生变化。该装置或致动器可以具有壳体,在该壳体中位置固定地并且藉由电动马达可驱动地布置有主轴螺母作为运动螺纹的一部分。通过位置固定地支承的主轴螺母的转动,主轴螺母的转动运动通过具有外螺纹的主轴被转换成平移运动。如前所述,在转向杆上也可以存在齿部,与电动马达的轴相连接的小齿轮接合到该齿部中。在齿轮旋转时,转向杆或齿杆沿一个方向或沿另一个方向运动,以便能够执行车轮转向角的变化。

该装置的特征在于,在基本上轴向地作用到所述转向杆上的力的情况下,能够借助于所述电动马达的卡锁力矩和/或所述电动马达的自感力矩至少制动所述转向杆的移位。如上文关于方法所述,该装置或致动器有利地能够实现制动转向杆的移位并因此制动车轮转向角的变化。

在优选的实施方式中,装置或致动器具有主轴驱动器,其中转向杆被设计为主轴,并且主轴螺母位置固定地支承在主轴驱动器中并且直接地或者通过中间传动机构与电动马达相联接,使得在主轴螺母旋转时主轴沿其纵向轴线移位。

在替代性的实施方式中,转向杆被设计为齿杆,与电动马达相联接的齿轮接合到该齿杆中,从而使得在电动马达旋转时齿杆沿其纵向轴线、根据电动马达的旋转方向沿相应的方向移位。

最后,本发明涉及一种转向器,该转向器具有如上所述的装置。转向器具有至少一个转向杆,该至少一个转向杆直接地或者在中间连接有其他导杆(例如双点导杆)的情况下与车桥的车轮架相连接。转向杆必须轴向地移位,以实现车轮转向角的变化。装置或致动器构成用于使转向杆轴向移位的驱动器。转向器的可能的实施方案在下面对实施例的描述中进行描述。

转向器优选被实施为线控转向器。线控转向器是机械上脱离联接的转向装置,其中与转向操作装置、例如方向盘的机械连接不引起车轮转向角的变化。方向盘的调节运动被转换为电调节信号并且例如被供应给控制器。控制器然后电气地操控原本的系统部件,即在当前情况下操控致动器。转向运动最终在没有机械连接的情况下“线控”地进行传输,即借助于线缆或者必要时还无线地进行传输。线控转向系统的转向运动还可以在没有驾驶员或转向操作装置的影响的情况下进行。例如在至少部分自主地行驶的车辆中,可以纯粹藉由一个或多个控制器、根据在车辆内部或外部已求取的或存在的数据和参数来进行转向。在此,可以例如借助车到车(car-to-car,c2c)和/或车到X(car-to-X,c2x)和/或基于云的数据(这些数据由车辆的控制器进行处理)来使用环境数据。

下面借助优选的实施方式参考附图来描述本发明。在附图中:

图1示出车辆的后桥的示意性俯视图,

图2示出用于操作转向器的装置的示意性视图,

图3示出本发明的实施例的示意性图示。(方法)

在根据图1的示意图中示出了车桥1,在此展示为具有辅助车架2的后桥,该辅助车架被紧固在车辆结构上或构成车辆结构并且与机动车辆的车身相连接。然而,本发明不限于后桥。车轮5和6借助于导杆3被铰接在辅助车架2上。导杆3是用于车轮5、6的车轮悬架的一部分。在辅助车架2上布置有线控转向器12的致动器10。致动器10以其壳体21紧固在辅助车架2上。在本实施方案中,致动器10具有连贯的转向杆27作为中央致动器,该转向杆被引导穿过致动器10的壳体21。驱动马达22被布置成轴向平行于转向杆27。在转向杆27的端部处铰接有转向横拉杆23,这些转向横拉杆以背离致动器10的端部分别与车轮5和6的未示出的车轮架铰接连接。显而易见的是,在转向杆27轴向移位、沿着纵向轴线a在一个方向或另一个方向上移位时,车轮转向角8、9发生变化,因为转向横拉杆23在车轮5、6或车轮架与致动器10之间形成强制连接。为了使车轮5、6转向,这些车轮绕其竖直轴线可旋转地铰接在车轮悬架3上。换言之,致动器10是使得能够操作转向器12的装置。

图2示出了已在图1中示出的致动器10的示意性图示。致动器10具有壳体21,在该壳体上轴向平行地布置有驱动马达22。在壳体21中布置有主轴驱动器20,该主轴驱动器由主轴螺母25和被实施为螺纹主轴的转向杆27构成。主轴螺母25是相对于壳体21利用滚动轴承29位置固定地且可旋转地支承的。螺纹主轴27g被引导穿过主轴螺母25并且与该主轴螺母共轴地布置。在主轴螺母25的背离滚动轴承29的一侧,皮带轮30防旋转地布置在主轴螺母25上。电动马达22具有驱动小齿轮32。呈齿形带形式的驱动皮带34不仅缠绕驱动小齿轮32、而且缠绕皮带轮30,使得在电动马达或驱动马达22旋转运动时,使主轴螺母25无滑动地被置于围绕纵向轴线a的旋转运动。驱动小齿轮32、皮带轮30和驱动皮带34构成中间传动机构。根据主轴螺母25的旋转方向,根据电动马达22的旋转方向转向杆27沿纵向轴线a在一个方向或另一方向上进行线性移位。在基本上轴向地作用到转向杆27上的力Fext的情况下,主轴螺母25将会旋转,从而由于力Fext而引起转矩。因此,电动马达22同样一起旋转并且如果没有对此采取根据本发明的措施,则这可能导致转向杆27沿反向驱动方向轴向移位。这尤其在故障情况下是不期望的,例如致动器无电流并且这种状态可能导致不受控的车轮转向角变化。

图3示出在可能的实施方式中的用于操作转向器的方法的示意性图示。电动马达22具有卡锁力矩RM以及自感力矩Msip。电动马达22或其相通过控制器SG被操控或切换。在控制器中尤其存储了呈卡锁力矩RM形式的电动马达特性以及呈自感力矩Msip形式的电动马达特性。现在如果外力Fext作用到转向杆27或螺纹主轴27g上,则根据运动螺纹20的效率在反向驱动方向上产生转矩。当使用呈皮带传动机构形式的中间传动机构ZG时,这一转矩直接地或间接地作用到电动马达22上。如果运动螺纹20由呈齿杆形式的转向杆27和接合到齿杆中的齿轮构成,那么该齿轮与电动马达22的轴相连接,由此转矩直接作用到电动马达22上。当运动螺纹由螺纹主轴27g和接合在该螺纹主轴周围的主轴螺母25构成时,当主轴螺母25与电动马达22的轴相联接时,如在根据图2的实施方案中那样,同样是这种情况。

替代性地,电动马达22可以不是被设计为共轴马达、而是被设计为空心轴马达,从而使得在后一种情况下电动马达22的转子形成主轴螺母25并且因此在旋转运动时使主轴27g沿一个方向或另一个方向轴向移位。为了使主轴不旋转,必要时相对于壳体21使用抗旋转装置。在此,当齿轮或主轴螺母25通过中间传动机构ZG与电动马达22相联接时,在此说的是间接连接。

电动马达22中存在的卡锁力矩提供了与通过外力Fext和运动螺纹20(必要时在中间传动机构的中间连接下)产生的转矩的相反力矩。对转向杆的移位进行制动或者锁止,直至通过运动螺纹产生的转矩高于电动马达22的卡锁力矩。如果在电动马达的相上存在相短路,例如在故障情况下通过控制器SG被接通,则在超过卡锁力矩RM并且电动马达22的轴开始旋转时产生自感力矩Msip。即,如果卡锁力矩RM被借助于运动螺纹20由于外力Fext而产生的、在反向驱动方向上的相反力矩克服,则在电动马达的轴开始旋转运动时立即建立自感力矩Msip并且对转向杆27的移位进行制动或者锁止。以有利的方式,因此在产生外力Fext时,立即至少对转向杆27的轴向移位进行制动或者锁止。在此,可以通过控制器借助于暂时接通相短路或通过电阻(FET)来控制该制动的方式方法或大小。

附图标记清单

1 车桥

2 辅助车架,车辆结构

3 导杆,车轮悬架

5 车轮

6 车轮

8 车轮转向角

9 车轮转向角

10 致动器

12 转向器

20 运动螺纹

21 壳体

22 驱动马达,电动马达

23 转向横拉杆

25 主轴螺母

26 内螺纹

27 转向杆

27g 螺纹主轴,主轴

29 滚动轴承

30 皮带轮

32 驱动小齿轮

34 (齿)皮带

a 纵向轴线

h 竖直轴线

SG 控制器

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