转向系统咔哒声的消减的制作方法

转向系统咔哒声的消减的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种转向系统咔哒声消减装置和方法。咔哒声消减装置以现有发动机噪声范围内的频率振动转向系统。以不同于咔哒声响的频率振动转向系统大大地减小了咔哒声响。振动转向系统所产生的声响被发动机的现有声响所掩盖。
【专利说明】转向系统咔哒声的消减

【技术领域】
[0001] 本发明涉及对车辆转向系统发出的可闻咔哒声的消减，更具体地，涉及使转向系 统振动以产生其他车辆部件的可闻噪声频率范围内的可闻噪声，从而掩盖转向系统的噪 声。

【背景技术】
[0002] 车辆中的转向系统使用各种轴和齿轮来传递转向盘的转向输入从而使车轮转向。 转向系统可使用变速器将转向盘的旋转输入转变为车轮向左和向右的平移运动。一些变速 器包括齿条齿轮、循环球、或蜗杆扇形齿机构，以将转向盘的旋转运动转变为车轮的平移运 动。动力转向系统通过增加转向盘的转向力来辅助驾驶员使车辆转向。因为液压或电动致 动器可为转向机构增加可控能量，所以不管条件如何，驾驶员仅需提供适度的力。通常，致 动器通过附加的齿轮组连接至转向系统。
[0003] 变速器中所使用的齿轮和致动器的连接可产生被描述为咔哒声的不良噪声。当车 辆在直线行驶和在不平坦路面行驶时，这种咔哒声可能更普遍。齿轮间的齿轮游隙被怀疑 为噪声源。在齿条齿轮机构的情况下，齿条与电动机小齿轮之间的距离和/或齿条与转向 小齿轮之间的齿轮游隙被怀疑为噪声源。虽然驾驶员通过转向柱可能感觉不到咔哒声，但 是转向系统可发出能够被车厢内的乘客听到的可闻咔哒声。
[0004] 下面概括的本发明解决了上述问题和其他问题。


【发明内容】

[0005] 本发明的一个方面针对一种用于车辆转向系统的可闻咔哒声消减装置。该装置具 有连接至转向系统的致动器，以及控制器，该控制器被编程为驱动致动器，从而引起转向系 统部件以及与其相关联的齿轮组在发动机噪声频率范围内的频率振动。该装置可包括连接 至转向系统的振动传感器，且控制器可响应于振动传感器表明转向系统在阈值振动范围内 振动而振动转向系统。阈值振动范围可以是车辆的转向系统发出可闻咔哒声的范围。阈值 振动范围可介于100Hz和500Hz之间。
[0006] 控制器可与发动机通信且仅在发动机运行时振动转向系统。控制器可与转向系统 中的电动助力电动机通信且仅在电动助力电动机未通电时振动转向系统。控制器可与连接 至转向系统的转向齿条电动机通信并能够接收转向齿条电动机扭矩的指示，且仅在转向齿 条电动机处于阈值扭矩值时振动转向系统。阈值扭矩值可在车辆的转向系统发出可闻咔哒 声的扭矩范围以上或以下。控制器可与连接至转向系统的转向盘角度传感器通信并能够通 过转向盘角度传感器接收转向输入的指示，且仅在表明基本无转向输入时振动转向系统。
[0007] 致动器可以是电动助力电动机。致动器可以连接至转向系统的转向齿条。致动器 可以是转向齿条电动机。致动器可以以正弦频率驱动，并且正弦频率可以是转向齿条电动 机扭矩和发动机噪声频率的函数。振动频率可低于50Hz。振动频率可以是25Hz。发动机 噪声可低于50Hz，且转向系统可被振动至低于50Hz的频率以将产生的声响掩盖在发动机 噪声里。通过振动转向系统和产生低于50Hz的声响，能够显著减小以较高频率级存在的任 何咔哒声。
[0008] 本发明的另一方面针对一种用于车辆的动力转向咔哒声消减系统。该系统具有连 接两个车轮的齿条以及可操作地线性来回移动该齿条且使车轮转向的小齿轮。电动机用 于响应转向输入辅助齿条的移动。在该系统中，也可将控制器编程为在电动机未用于辅助 转向车辆时（即，没有转向输入时）使用电动机以可闻发动机频率范围内的频率振动齿条齿 轮。
[0009] 本发明的另一个方面针对一种用于消减转向齿条咔哒声的方法。该方法包括响应 于输入标准在转向齿条上产生输入频率。产生的输入频率引起转向齿条在发动机噪声频率 范围内的频率振动。输入标准可选自以下的任何一个或组合：电动助力电动机未被动力转 向系统使用、转向齿条电动机扭矩低于阈值扭矩值、转向盘角度传感器表明无转向输入、振 动传感器表明转向系统振动在阈值振动范围内、或发动机正在运行。
[0010] 该方法中使用的输入频率可以是正弦频率，该正弦频率为转向齿条电动机扭矩和 发动机噪声频率的函数。产生的输入频率用于促进转向齿条所产生的振动噪声从咔哒频率 范围改变为发动机噪声频率范围。
[0011] 下面将参照附图更为详细地解释本发明的上述方面和其他方面。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1是动力转向咔哒声消减系统的示意图；
[0013] 图2是示出消减转向齿条咔哒声的方法的流程图；
[0014] 图3a是示出发动机产生的声响以及没有使用咔哒声消减系统的转向系统发出的 咔咕声的图表；
[0015] 图3b是示出使用咔哒声消减系统时转向系统产生的声响被发动机所产生的声响 掩盖的图表；
[0016] 图4a是示出没有使用咔哒声消减系统且发动机关闭情况下转向系统发出的咔哒 声的图表；
[0017] 图4b是示出在使用咔哒声消减系统且发动机关闭时转向系统产生的声响的图 表。

【具体实施方式】
[0018] 参照附图公开了所示实施例。然而，应当理解，所公开的实施例旨在仅作为可以以 多种可选形式体现的实例。附图不一定按比例绘制，并且可放大或最小化一些结构以示出 特定部件的细节。所公开的特定结构和功能细节不应解释为限制意义，而是用于教导本领 域的技术人员如何实践所公开概念的代表性基础。
[0019] 图1示出了与齿条齿轮式电动助力转向（EPAS)系统12联合使用的动力转向咔哒 声消减系统10,当然，也可使用其他转向系统。转向系统12具有转向盘14,该转向盘14能 够被驾驶员（未示出)旋转且提供如箭头15所示的转向输入。该转向输入15被转移至转向 盘轴16且进入变速器18。变速器18可容纳齿轮组以使转向盘轴16的旋转运动转换为平 移运动从而使车轮20转向。在该实施例中，转换发生在小齿轮22和齿条24之间。小齿轮 22横向固定在变速器18中，响应于转向输入15而旋转，并且使转向齿条组件26内的齿条 24线性地来回移动。齿条24可设置在转向齿条组件26内，并且可将车轮20操作性地彼此 连接且使车轮20共同转向。齿条24的横向运动使车轮20从左边转向右边。
[0020] 液压和电动助力装置可与转向系统12-起使用以提供助力使车轮20转向。第一 电动助力电动机28可连接至变速器18。第一电动助力电动机28可提供助力以在转向输入 15过程中辅助转向盘轴16的旋转。第二电动助力电动机30可连接至转向齿条组件26以 在转向输入15过程中辅助齿条24的横向运动。第二电动助力电动机30可以是转向齿条 电动机。转向齿条电动机30在辅助齿条24的运动时可产生扭矩。转向盘角度传感器32 可连接至转向系统12并且能够测量转向盘角度且识别转向输入15。响应于转向盘角度传 感器32表明转向输入15存在，可使电动助力电动机28、30通电。可以想到没有配备电动 助力电动机28、30的其他系统。
[0021] 发动机34可用作车辆(未示出）的主动力装置，其中转向系统12连接至发动机34。 发动机34可驱动车轮20和/或车辆上的其他车轮(未示出）。发动机34在运行时会产生 可闻声响，该声响通常被称为发动机噪声40(见图3a)。发动机噪声40的频率范围可变化。 在一个实例中，发动机噪声40在低于50Hz的频率范围内。
[0022] 当驾驶车辆时，转向系统12可发出可闻的咔哒声42 (见图3a)。咔哒声源可以是 转向系统12的齿轮之间的齿轮游隙。例如，在齿条齿轮机构的情况下，咔哒声源可以是齿 条24和转向小齿轮22之间的齿轮游隙、齿条24和将转向齿条电动机30连接至齿条24的 电动机小齿轮(未示出）之间的齿轮游隙、齿条24和转向齿条组件26之间的齿轮游隙或上 述任意组合。当转向系统12经历特定级别的振动时，例如，当车辆以一定速度行驶在某种 不平路面上时，通常最容易产生可闻咔哒声42。振动传感器44可连接至转向系统12以测 量这种振动。振动传感器44可如图所示连接至转向齿条组件26、直接位于齿条24上或连 接至任何其他转向系统部件或甚至连接至车辆本身。
[0023] 控制器46被编程为驱动致动器48,从而引起转向系统12以发动机噪声40频率范 围（参照图3b)内的频率50振动。致动器48可振动整个转向系统12,或可用于振动转向系 统12内的不同部件和/或齿轮组22、24。致动器48可连接至转向系统12的任何部分。致 动器48可以是单独的电动机，或者致动器可以是现有电动助力电动机28、30中的一个。如 此处所示，致动器48是转向齿条电动机30。致动器48能够产生频率输入，引起转向系统12 在由现有发动机噪声40 (见图3b)掩盖的频率范围内振动。在另一个实施例中，致动器48 可振动转向系统12以产生低于50Hz的声响。在发动机噪声40范围内的频率范围振动转 向系统12改变了转向系统发出的声响，几乎消除了咔哒声但没有明显改变现有车厢噪声。
[0024] 可调整致动器48以振动转向系统12,使之以25Hz的频率振动。致动器48可 以以正弦频率进行驱动。振动频率可以是转向齿条电动机扭矩和发动机噪声频率的函 数。频率输入可写成等式：u=Asin(c〇t)，其中，u是频率输入，ω是发动机噪声的现有频 率，t是时间，以及Α是大于δ的转向齿条扭矩值，其中，δ在不存在咔哒声的扭矩范围内 (-δ <Τ〈 δ )。
[0025] 通过选择零平均信号可消除转向漂移（drift)的潜在问题(类似于车轮未对准导 致的漂移)。此外，可将控制器46编程为开环并且可以根据路面平整度指标打开和关闭控 制器46,从而减小致动器48的不必要磨损，并且消除与闭环方法相关的潜在稳定性问题。
[0026] 如通信线路52所示，控制器46可与振动传感器44通信。与所有要讨论的通信线 路一样，通信线路52可以是将控制器46直接连接至与控制器46通信的部件的电线，其可 以表示在部件之间无线传输的信号，或者可以表示控制器通过内部通信网络(未示出）访问 部件所提供的数据。可将控制器46编程为响应于振动传感器44表明转向系统12在阈值 振动范围内振动而通过通信线路54驱动致动器48。阈值振动范围可以是转向系统12发出 可闻咔哒声42的振动范围。阈值振动范围可介于100Hz和500Hz之间。
[0027] 在另一个实施例中，可接收来自车辆悬架系统(未示出）的振动信号。控制器46可 被编程为在车辆悬架系统表现出的振动在可引起转向系统12发出咔哒声的范围内时驱动 致动器48并振动转向系统12。
[0028] 如通信线路56所示，控制器46可与发动机34通信。控制器46能够确定发动机 34是否正在运行并因此产生可闻的发动机噪声40。控制器46可被编程为仅响应于发动机 34正运行而驱动致动器48。
[0029] 如通信线路54、58所示，控制器46可与电动助力电动机28、30通信。控制器46可 被编程为仅响应于电动助力电动机28、30未通电而驱动致动器48。使用这种控制方法首先 可以允许使用电动助力电动机28、30辅助车辆的转向。当使用电动助力电动机28、30时， 由于电动助力电动机28、30使齿轮相互接触且不具有可允许发出咔哒声的游隙，所以不会 发出可闻的咔哒声42,所以也可实施这种方法。控制器46可专门与转向齿条电动机30通 信，并且能够接收转向齿条电动机扭矩的指示。控制器46可被编程为仅响应于转向齿条电 动机30正处于阈值扭矩值时驱动致动器48。阈值扭矩值可为零扭矩以上和以下。阈值扭 矩值也可在转向系统12会继续发出可闻咔哒声42的扭矩范围以上和以下。
[0030] 也可将控制器46编程为响应于没有转向输入15而利用致动器48以可闻发动机 频率范围内的频率振动转向系统12。转向输入15可使小齿轮22与齿条24接触，从而减小 齿轮游隙和减小咔哒声。在小转向输入15时仅能稍微地减小咔哒声，并且在转向盘14的 特定旋转阈值时，咔哒声即使不能从听觉上完全消除也能被大大地减小。如通信线路60所 示，控制器46可与转向盘角度传感器32通信。控制器46能够接收来自转向盘角度传感器 32的转向输入15的指示并且响应于基本无转向输入或转向输入15低于特定旋转阈值(在 该阈值时，咔哒声大大地减小）的指示驱动致动器48。
[0031] 图2是示出一种消减转向齿条咔哒声的方法的一个实施例的逻辑流程图。控制器 46可被编程为确定发动机是否正在运行(如步骤66所示)、确定转向齿条是否正在振动（如 步骤68所示)、以及确定转向齿条电动机是否受扭矩作用（如步骤70所示)。可以以任何顺 序执行逻辑步骤，这样使得如果发动机正在运行，如果转向齿条正在振动，并且如果转向齿 条电动机未受到扭矩作用，那么如步骤72所示，以发动机噪声频率范围内的频率振动转向 齿条。步骤68可被设定在阈值振动范围，这样使得只使用转向系统12的可产生可闻咔哒 声42的特定范围的振动，而不是任何振动等级。类似地，步骤70可被设定在阈值扭矩范围， 这样使得当不存在扭矩时、或当存在低扭矩值时，阈值扭矩范围被设定为转向系统12仍可 发出可闻咔哒声42的一个值。
[0032] 图3a是示出发动机产生的声响(被称为发动机噪声40)和没有使用咔哒声消减系 统情况下转向系统发出的咔哒声42的图表。发动机噪声40示出在低于50Hz的范围内，并 且功率级达到大约100。最明显的咔哒声42示出在介于250Hz和400Hz之间的范围内。咔 哒声42在大约350Hz附近似乎具有大约30的峰值功率。在该图表中，发动机RPM设定为 1500RPM 或 25Hz。
[0033] 图3b是示出与图3a相同的车辆的声响特性的图表，但该车辆使用了咔哒声消减 系统。仍可看到发动机噪声40,但是咔哒声42显著减小。如78所示，50Hz以下的整体额 定功率增加了大约5。咔哒声消减系统的纠正信号以及以50Hz以下的频率振动转向系统 部件导致了功率增加。如图3a所示，咔哒声42的频率范围的跨度可介于100Hz到500Hz 之间，但是，该频率范围不应该解释为限制，因为咔哒声消减系统可减小和消除转向系统12 发出的任何频率级的可闻噪声。
[0034] 图4a是不出发动机关闭的车辆的转向系统发出的咔咕声80的图表。该图表以更 大分辨率示出了主要介于200Hz到450Hz之间的咔哒声频率范围。图4b是示出了与图4a 相同的车辆的声响特征，但是此时该车辆使用了咔哒声消减系统。如82所示，咔哒声消减 系统以25Hz的频率振动转向系统并且产生大约25Hz且功率大约为22的声响。在咔哒声 80曾经所处的300Hz至400Hz范围内仍可见少量的声响84,但这种等级的声响不能被人耳 检测到。该图表示出通过以25Hz的频率振动转向系统，几乎消除了存在的频率50Hz以上 的咔哒声80。
[0035] 当发动机正在运行时，咔哒声消减系统仅使50Hz以下的声级增加了大约5个功率 级，当发动机没有运行时，咔哒声消减系统使50Hz以下的声级增加大约22个功率级。这说 明当发动机运行时使用该系统更为有效，然而，在混合动力车辆的情况下，操作咔哒声消减 系统仍有优势，这是因为与发动机运行声响相似的声响比咔哒声响更容易被驾驶员和乘客 的耳朵所接受。同样地，无需知道咔哒声频率，因为转向系统部件的振动会几乎消除频率在 50Hz以上的任何咔哒声。
[0036] 尽管以上描述了示例性实施例，但并不说明这些实施例描述了所公开装置和方法 的所有可能形式。相反，说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应当理 解，在不背离所要求保护的本发明的精神和范围的情况下可做出多种变化。可将多个实施 例的特征结合起来以形成所公开概念的其他实施例。
【权利要求】
1. 一种用于车辆的转向系统的可闻咔哒声消减装置，所述装置包括： 致动器，连接至转向系统；以及 控制器，被编程为驱动所述致动器，使得转向系统部件以及与所述转向系统组件相关 联的齿轮组以发动机噪声频率范围内的频率振动。
2. 根据权利要求1所述的装置，还包括连接至所述转向系统的振动传感器，其中，所述 控制器与所述振动传感器通信，并且所述控制器响应于所述振动传感器表明所述转向系统 在阈值振动范围内振动而驱动所述致动器。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中，所述阈值振动范围是所述车辆的转向系统发出 可闻咔哒声的振动范围。
4. 根据权利要求2所述的装置，其中，所述阈值振动范围介于100Hz和500Hz之间。
5. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器与发动机通信，并且所述控制器响应 于所述发动机的运行而驱动所述致动器。
6. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器与所述转向系统中的电动助力电动 机通信，并且所述控制器响应于所述电动助力电动机未通电而驱动所述致动器。
7. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器与连接至所述转向系统的转向齿条 的电动助力电动机通信，所述控制器能够接收转向齿条电动机扭矩的指示，并且所述控制 器响应于阈值扭矩值而驱动所述致动器。
8. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述阈值扭矩值在所述车辆的转向系统发出可 闻咔哒声的扭矩范围以上和以下。
9. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器与连接至所述转向系统的转向盘角 度传感器通信，所述控制器能够通过所述转向盘角度传感器接收转向输入的指示，并且所 述控制器响应于基本无转向输入的指示而驱动所述致动器。
10. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述致动器是电动助力电动机。
11. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述致动器连接至所述转向系统的转向齿条。
12. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述致动器以正弦频率驱动。
13. 根据权利要求12所述的装置，其中，所述正弦频率是转向齿条电动机扭矩和发动 机噪声频率的函数。
14. 根据权利要求1所述的装置，其中，振动频率低于50Hz。
15. 根据权利要求1所述的装置，其中，振动频率为25Hz。
16. -种动力转向咔咕声消减系统，包括： 连接两个车轮的齿条和可操作地线性来回移动所述齿条且使所述车轮转向的小齿 轮； 电动机，用于响应于转向输入辅助所述齿条的运动；以及 控制器，被编程为响应于没有转向输入而使用所述电动机以可闻发动机频率范围内的 频率振动所述齿条和所述小齿轮。
17. -种用于消减转向齿条咔咕声的方法，包括： 响应于输入标准在转向齿条上产生输入频率，其中，产生的输入频率使得所述转向齿 条在发动机噪声频率范围内的频率振动。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述输入标准选自由以下操作状态组成的组： 电动助力电动机未被动力转向系统使用、转向齿条电动机扭矩低于阈值扭矩值、转向盘角 度传感器表明无转向输入、振动传感器表明转向系统在阈值振动范围内振动以及发动机正 在运行。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述输入频率是正弦频率，所述正弦频率是转 向齿条电动机扭矩和发动机噪声频率的函数。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述产生的输入频率促进所述转向齿条产生 的振动噪声从咔哒声频率范围改变为发动机噪声频率范围。
【文档编号】B62D5/04GK104108417SQ201410153869
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】安东尼·马里奥·达马托, 迪米塔尔·彼得罗夫·菲莱夫 申请人:福特环球技术公司