转向系统中粘滑状态的表征的制作方法

本发明涉及对转向系统中的粘滑状态进行表征。

背景技术：

车用齿条齿轮式转向系统包括细长的平齿轮或齿条，该齿轮或齿条具有与转动小齿轮的配合齿相啮合的齿。小齿轮可旋转地安装在转向轴上。当通过转向轮的旋转将转向角发送给转向轴时，小齿轮通过与齿条齿的接合而沿着齿条平移。这继而使齿条沿着对应的转向方向移动。设置在齿条远端的拉杆通过对应的转向臂连接于车辆的前车轮。因此，齿条齿轮式转向系统将相对于转向轴的旋转运动有效地转化为相对于齿条的线性运动，同时还提供了适合的齿轮减速水平。

在某些设计中，典型的齿条齿轮式转向系统所提供的转向功能可以以电动的方式进行辅助。例如，可以控制电动转向电机将可变转向扭矩叠加通过驱动机构施加到齿条自身上，即齿条电动助力转向(EPS)系统，或者沿着小齿轮EPS或管柱EPS系统中的转向轴线施加。尽管所有类型的EPS系统在大多数的行驶条件下一般都运行得很好，但在特定行驶条件下，可能自己会显现出所需要的转向力突然增加、继而转向阻力陡然降低这一瞬间现象。这种状态在本文中称之为粘滑状态，会影响转向质量和整体行驶感觉。

技术实现要素：

在此公开了一种方法和系统，其用于对上述类型的电动辅助车辆转向系统的粘滑状态进行表征，例如管柱、小齿轮或齿条式电动助力转向(EPS) 系统。在此可以认识到的是，减速齿轮或其他机械界面的表面处的或沿着这些表面的缺陷会导致文中所提到的粘滑问题。但是，该粘滑问题的瞬时性及难以重现的本质会导致错误的诊断结果。因此，需要一种可以帮助隔离粘滑状态并方便进行校正动作的改进的诊断试验。

根据本发明方法，转向系统与控制器进行通信，该控制器经过编程用于执行本试验方法的各步骤并且由此确定用于纠正粘滑问题的粘滑度量。为了保证试验的正常运行，将各种硬件组件连接至转向系统。具体地说，沿着转向轴线将柔性扭力杆连接在旋转致动器与惯性轮之间，这样旋转致动器提供的任何转向输入都会通过扭力杆及惯性轮发送至转向轴。这种配置旨在粗略估计转向输入顺从性水平，这种顺从性水平通常在现实世界行驶情况下会感受到。

通过将周期性转向输入控制信号施加到旋转致动器来进行该方法。控制信号使得旋转致动器驱使转向轴以平滑且连续的速率进行旋转。连接至齿条各端部的线性致动器施加与所测齿条位移成比例的轴向力，即沿着抵抗任意齿条运动的方向从参考中心齿条位置施加。当转向动作发生时，沿着转向轴线通过扭矩传感器测量转向输出扭矩。然后，通过与启动齿条运动所需的转向扭矩(即断开转向扭矩)的最大值与最大转向扭矩发生后的转向扭矩的最小值之间的所测差值的已校准阈值的对比，检测转向系统的粘滑。如本文中所述，该测量及确定是在试验启动及随后的每次转向方向反转时进行的。然后，每当已校准阈值已被超过时，采取控制动作来纠正粘滑问题，例如在制造的设计及校验阶段进行纠正。

在一个特定实施例中，一种用于对转向系统中的粘滑状态进行表征的方法包括将扭力杆及惯性轮连接至转向轴。该方法还包括通过扭力杆及惯性轮，根据转向角的已校准范围将周期性转向控制信号从控制器发送至旋转致动器以使得转向轴旋转。此外，该方法包括测量齿条从参考中心齿条位置的位移并通过一个或多个线性致动器将轴向力施加到齿条的一个或多个端部。所施加的轴向力与所测齿条位移成比例并位于抵抗齿条运动的方向上。

本实施例中的方法还包括通过扭矩传感器或其他合适的传感器测量 转向扭矩输出值。每当启动齿条运动所需的所测转向扭矩(即断开转向扭矩)的最大值与这种断开后的针对于启动及随后的每次转向反转而言的所测转向扭矩最小值之间的差值超过指示粘滑状态的已校准阈值时，都可以相对于转向系统执行控制动作。

相关系统包括以上所述的旋转致动器、转向系统和扭矩传感器以及通过转向轴、线性致动器和控制器连接至旋转致动器的扭力杆和惯性轮。

通过结合附图及所附权利要求对以下实施例和实施所描述的公开内容的最佳方式所进行的详细描述，可以清楚地了解本发明的上述特点和优点以及其他特点和优点。

附图说明

图1是用于对如本文所述的车辆转向系统中的转向齿轮粘滑状态进行表征的示例性试验系统的示意图。

图2A和图2B分别是表现令人满意和表现令人不满意的转向系统的代表性时间曲线图，其中，所测量的转向输出扭矩、齿条位移和转向角绘制在垂直轴上，而时间绘制在水平轴上。

图3是描述了用于使用图1中所示的试验系统对转向系统中的转向粘滑状态进行表征的示例性方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的参考数字是指若干视图中的相同部件，图1中示意地示出了示例性转向试验系统10。试验系统10包括上述类型的转向系统20以及转向控制硬件40和控制器(C)50，控制器50经过编程来使用控制硬件40执行将试验方法100具体化的逻辑。方法100的执行实现了对如下文参考图2A至图3进一步详述的转向系统20中的转向粘滑状态的表征。

转向系统20可以具体化为本领域中众所周知的类型的电动辅助转向 系统，例如，如图所示的双小齿轮电动助力转向(EPS)或者可选地小齿轮EPS系统或管柱EPS系统。因而，图1的转向系统20包括具有齿条轴线17、第一端33和第二端35的细长带齿齿条22。转向系统20还包括齿轮壳体24和转向轴25，其中，齿轮壳体24定位成靠近齿条22的第一端33。转向系统20还可以包括驱动壳体29内的转向辅助电机43和驱动机构129。

根据EPS系统的实施例，驱动机构129和驱动壳体29可以定位来靠近通常为双小齿轮齿条PES系统的齿条22的第二端35，如图所示。转向辅助电机43的转子轴线15定向为例如通过驱动机构129来实现转向操作的电动辅助，驱动机构129可以具体化为合适的齿轮装置、链条、皮带和/或这个示例性实施例中的另一个减速机构。虽然图1中为了说明上的简单起见而进行了省略，但是，类似于驱动机构129和驱动壳体29的转向辅助电机43和驱动机构结构可以替代地定位在转向轴线13上或沿转向轴线13定位，以便形成如上所述的管柱或小齿轮EPS系统。管柱EPS实施例还可以包括转向管柱和中间轴，这在本领域中是已知的，其中，转向辅助电机43将转向辅助扭矩发送到安装在转向管柱附近的单独的驱动机构。通过对比，小齿轮EPS系统可以将转向辅助电机43放置在齿轮壳体24附近，从而使得辅助扭矩直接作用于可旋转小齿轮26上。无论是哪个实施例，固具27和基板28都可以用于将转向系统20固定在试验环境内。

位于齿条22的第一端33处的齿轮壳体24包括可旋转小齿轮26。当形式为命令转向角的转向输入施加至转向轴线13周围的转向轴25时(通常是从转向轮(未示出)，但是却经由当前受控的试验环境中的旋转致动器42施加)，齿轮壳体24内的小齿轮26接合齿条22的配合齿轮(未示出)。小齿轮26因此沿齿条轴线17平移，正如双向箭头A表示。此运动继而又在对应方向上使齿条22移动，以使其内使用转向系统20的车辆(未示出)的前轮转向。

以下在本文中视为用于进行本方法100的基础：当装配有转向系统20的车辆正在运行时，转向粘滑状态可起因于转向系统20的各个机械接口(例如，驱动壳体29和齿条22的驱动机构129内的配合蜗轮或其他类型 的齿轮)中的缺陷。粘滑状态是不定时发生的且是瞬间的，且因此难以在试验环境中重现。因此，为了隔离和纠正上述转向粘滑问题，方法100采取步骤以在受控的试验环境中重现现实世界的行驶状态。

因此，图1的控制硬件40配置为在结合下文描述的控制器50使用时帮助解决此问题。控制硬件40包括旋转致动器42(诸如电动机)以及扭矩传感器44和旋转编码器46，其中的每一个沿转向轴线13彼此同轴对准。应当注意的是，联接到旋转致动器的扭矩传感器44的使用仅仅是示例性的。在这点上，扭矩传感器44可包括用于测量和观察转向系统20的转向轴25上的扭矩的任何合适装置，其中包括但不限于与转向系统20相关联的内部扭矩传感器。因为轴向变动可以存在于控制硬件40的各部件中，所以延伸轴45可以经由如图所示的一组柔性联接件48联接到转向轴25。柔性联接件48用于促使旋转致动器42连接到转向轴25。

也用作控制硬件40的一部分的是柔性扭力杆54和惯性轮52，它们两者均设置于转向轴线13上，如图所示。扭力杆54和惯性轮52一起用来模拟转向系统20是如何在典型的车辆中建立的，即，转向柱和中间轴、联接件等将方向盘最终连接至小齿轮26。由扭力杆54和惯性轮52提供的构造和弹力/惯性材料可以随着转向系统20的设计而变化，并且旨在用来模拟转向齿轮自身的水平之上的转向系统的各部分的刚度和和惯性特征。在示例性构造中，扭力杆54可以提供约0.3至0.5Nm/度的扭转率，并且惯性轮52具有约0.03至0.05kg-m²的惯性矩，或者在另一个构造中，扭力杆54提供0.4Nm/度的扭转率，惯性轮52具有0.04kg-m²的惯性矩。

仍然参照图1，线性致动器49设置在齿条22的第二端35处并且连接至一对拉杆75中的其中一个。基本上相同的线性致动器149可以任选地放置在第一端33处，如图所示。控制器50放置为与线性致动器49和/或149、旋转致动器42、扭矩传感器44和旋转编码器46中的每一个有线或无线通信，这样控制器50将所测的齿条位移(箭头D₄₉)作为线性致动器位置信号接收并且将轴向力控制信号(箭头F₄₉)发送至线性致动器49和/或149并从其接受轴向力控制信号(箭头F₄₉)。

也就是说，控制器50发出沿齿条轴线17施加可变轴向力的指令并监 控所施加的轴向力的速率和水平，该可变轴向力与从参考中心齿条位置(即齿条22居中的位置)的致动器或齿条位移成正比。控制器50还从扭矩传感器44接收转向轴线13周围的所测转向输出扭矩(箭头T₄₄)并从旋转编码器46接收所测转向角信号(θ₄₆)，以及将转向角信号(θ₄₂)发送至旋转致动器42以控制旋转致动器42的旋转输出。由此，控制器50命令旋转致动器42将已校准的转向角或扭矩施加至转向系统，同时，线性致动器将负载施加于齿条22上。然后，转向辅助电机43的集成ECU(未示出)确定并控制辅助电机43应该产生的扭矩叠加的量，例如，基于来自沿转向轴线13定位的内部扭矩传感器(未示出)的输入扭矩信号和多种其他信号(如车速、点火状态等)，这在本领域中是公知的。因此，将电力和转向控制信号(箭头T₄₃)提供给转向辅助电机43，以使转向辅助电机43能够输出预先确定的辅助扭矩。

图1的控制器50可以配置为主机(例如，数字计算机或微型计算机)，对该主机专门地进行编程，以便执行方法100的各步骤，在图3中示出了方法100的一个示例。为此，控制器50配置有执行所需步骤的足够的硬件，即足够的存储器(M)、处理器(P)以及诸如高速时钟、模数和/或数模电路、计时器、输入/输出电路及相关的装置、信号调节和/或信号缓冲电路的其他硬件。存储器(M)包括足够的有形、非瞬态性存储器(如磁性或光学只读存储器、闪存等)、以及随机存取存储器、电子可擦除可编程只读存储器等等。

在图2A和图2B中分别示出了示例性曲线60和62，以便说明示例性可接受和不可接受的试验场景的时间曲线图。曲线D₄₉表示齿条22从线性致动器49的测量的轴向位移，例如以毫米(mm)计，而曲线θ₄₆表示发送给转向轴线13的转向角。曲线T₄₄表示经由扭矩传感器44所测量的转向输出扭矩，其中，所有硬件组件如图1中所示且如上所述。

在图2A中(即示例性可接受响应)，需要注意的是，测量的扭矩T₄₄是相对平滑的。无需考虑这种信号的变化幅度，所描绘的性能缺乏指示粘滑状态的显著扭矩尖峰。通过对照，图2B的时间曲线图说明了示例性的不令人满意的粘滑性能。箭头65表示来自粘滑状态的扭矩尖峰，扭矩尖 峰可以在连接驱动机构129的机械组件时出现或者在快速释放之前在转向系统20中的其他位置处受到暂时地影响。

扭矩尖峰65可以用于针对已校准阈值进行评价，以诊断和校正在给定的转向系统20中的粘滑问题。例如，当由点68表示的启动齿条运动所需的所测转向扭矩的绝对最大值与扭矩断开(点69)之后的针对于试验启动以及在周期性转向控制信号(即，曲线θ₄₂)中所示的所有随后的转向反转而言的所测转向扭矩的绝对最小值之间的差值超过了指示粘滑状态的已校准阈值时，可以相对于转向系统20经由控制器50来执行控制动作。

参照图3，用于对图1的转向系统20中的粘滑进行表征的方法100的示例性实施例由步骤S102开始，其中，转向系统20连接到控制硬件40并布置为与控制器50通信。除了将控制器50连接至旋转致动器42和扭矩传感器44之外，步骤S102还包括将图1的线性致动器49和/或149沿齿条轴线17连接至齿条22并且随后将线性致动器49和/或149布置成与控制器50通信。一旦已经构造好了试验系统10，方法100就进行至步骤S104。

任选地，可以通过将周期性调节信号经由图1的控制器50发送至旋转致动器42并且由此通过上升调节阶段、持续调节阶段(该阶段中保持了峰值校准转向角)和后续调节阶段对旋转致动器42进行控制来提供适当的转向调节步骤。可以将这样的周期性调节信号重复校准的次数。例如，在一个具体实施例中，每个上升阶段和后续阶段可使用1秒(1s)的持续时间，而持续调节阶段使用2秒的持续时间，相应的转向角为±3°，校准频率f_CAL为约8-12Hz，或者，在另一实施例中为约10Hz。在这个具体实施例中，总共32秒的转向调节可应用周期性调节信号的八个周期。实际值将随所执行的试验的类型和进行试验的系统的具体组件而变化。通常，时间或周期数量不足的调节可能会导致本身不会表现出来的问题，而延长的转向调节可能不会带来额外的好处。

在步骤S104中，控制器50发送周期性转向控制信号，以通过图1的旋转致动器42控制转向角(图1至图2B的θ₄₂)。周期性转向控制信号可以是正弦波，例如，幅度为10度，频率为0.005Hz的正弦波，由此产生平 稳的转向启动。例如，对于用于提供转向角输入信号的正弦波的初始四分之一周期和最后四分之一周期，可通过频率加倍以及将这样的输入信号的幅度减半来实现平滑的启动和结束。一旦转向轴25根据该周期性转向控制信号进行旋转，则方法100进入步骤S106。

步骤S106与步骤S104结合进行，并且包括通过图1的线性致动器49和/或149沿齿条轴线17控制校准轴向力，如图1中双箭头F所示。轴向施加力的值与齿条22的从校准后的参考中心齿条位置(例如，50N/mm处)的所测轴向位移成正比，并且是在抵制这样的位移的方向上。也就是说，“推/拉”动作相对于参考中心位置导致了对线性致动器49和/或149的受控操作。

在可能的实施例中，线性致动器49和/或149可以包括线性可变差动变压器(LVDT)，如现有技术中已知的，该线性可变差动变压器将线性运动转变为相应的电信号。由此，LVDT提供齿条位移信号，该信号可用于计算如上所述的轴向施加力并允许线性致动器49充当等刚度弹簧。为了提高性能，可沿轴线17使用专用位移传感器来测定齿条22的位移，该位移随后传至控制器50，以便确定出要施加的力(箭头F)的适当大小和方向。接着，方法100进入步骤S108。

在步骤S108中，扭矩传感器44测量转向输出扭矩(T₄₄)并将这个测量值传到控制器50。接着，方法100进入步骤S110。

步骤S110可以包括确定步骤S102-S108的试验结果是否与合格/可接受或不合格/不可接受的转向系统20对应。在一个示例中，对步骤S108的所测转向输出扭矩(T₄₄)进行处理以计算出以下二者间的差值：启动齿条运动所需的所测转向扭矩的绝对最大值(即，图2B的点68)，以及从点68“扭矩断开”后出现的用于启动和随后的每个转向反转的所测转向扭矩(点69)的最小值。这种差值与表示粘滑状态的已校准阈值进行比较。一般情况下，如果如上所述的计算出的扭矩差值为例如0.3Nm或更小，则转向系统20的粘滑性能被认为是可接受的。如果扭矩差值高于校准限值，或者高于本示例性实施例中的0.3Nm，那么，转向系统20的粘滑性能被认为是不可接受的。如果样品基于这个比较是不可接受的(-)，那么方法 100进入步骤S112，并且如果样品是可接受的(+)，那么方法进入作为替代的步骤S114。

步骤S112可以包括当先前步骤导致作出转向系统20具有不可接受性能的决定时，执行相对于图1的转向系统20的控制动作。例如，当基于所测转向输出扭矩(T₄₄)而计算出的转向扭矩差值超过上面参照步骤S108所述的已校准阈值时，即，表示不可接受的粘滑性能的扭矩差值时，图1的控制器50可以通过图1中箭头14所表示的输出信号来记录第一诊断代码。其他控制步骤可能需要使用该第一诊断代码来验证转向系统20的给定设计，例如，通过在记录该诊断代码时在设计验证过程中拒绝给定设计或者通过建立设计规范。

当基于所测转向输出扭矩(T₄₄)而计算出的转向扭矩差值等于或小于已校准阈值时，或者换句话说，当步骤S102-S108中没有检测到明显的粘滑状态时，进行步骤S114。当基于所测转向输出扭矩(T₄₄)而计算出的转向扭矩差值没有超过上面参照步骤S110所述的已校准阈值时，步骤S114可能需要通过来自控制器50的输出信号(箭头14)来记录第二诊断代码。由于步骤S114表示的是正常运作的转向系统20，因此，其他控制步骤可能需要使用该第二诊断代码来验证转向系统20的给定设计，例如，通过在验证过程中接受给定设计或者通过建立设计规范。

如本文所用，对于任何所公开的值或范围，术语“约”表示所述数值允许出现略微不精确，例如，合理地接近该值或者近似所述值或范围的诸如±10％。如果在该领域中由术语“约”带来的不精确用该普通含义无法理解，那么本文所用的“约”至少表示可由测量并使用这种参数的普通方法所引起的变化。此外，范围的公开包括全部范围内的所有值和进一步划分范围的公开。

详细描述和附图或图支持且描述本发明，但本发明的范围仅由权利要求书限定。尽管已对一些最佳方式和用于实现所要求保护的公开内容的其他实施例进行了详细描述，但也存在用于实践所附权利要求书中所限定的公开内容的各种替代设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本说明书中所提及的各种实施例的特点不一定被理解成相互独立的实施例。相 反，在一个实施例的其中一个示例中所描述的各特点可与其他实施例的一个或多个其他期望特点相结合，从而得到未用文字或未参照附图进行描述的其他实施例。因此，这种其他实施例落入所附权利要求书的范围框架之内。