专利名称：车辆线传转向机构及其转向阻力模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及一种在轻、中型车辆中使用的线传转向(Steer by wire)系统的转向机构，利用该转向机构可在方向盘上实现与真实转向过程近似的“路感”及方向盘自动回正功能。
背景技术：
在轻、中型车辆中的线传转向(Steer by wire)系统中，方向盘和转向轮的传动装置之间没有直接的机械连接。传统的线传转向技术如图1所示，包括方向盘1，方向盘位置传感器2、方向盘扭矩传感器3、方向盘回馈电机4、转向轮驱动电机5、转向轮扭矩传感器6、转向轮位置传感器7、转向轮8、转向轮传动装置9、电子控制单元(即ECU)。传递的主要控制信号包括方向盘位置信号a、方向盘扭矩信号b、车辆速度信号c、方向盘回馈电机驱动信号d、转向轮电机驱动信号e、转向轮扭矩信号f、转向轮位置信号g。ECU处理各种信号，可实现线传转向如下功能根据方向盘位置信号a及车速信号c，ECU可计算出期望的转向轮位置信号，通过输出转向轮电机驱动信号e驱动转向轮驱动电机5，通过转向传动装置9可实现转向轮8的转动。利用转向轮位置信号g可对转向轮驱动电机5进行反馈控制，实现转向轮按照一定的传动比关系跟随方向盘转动，即转向功能。利用转向轮扭矩信号f和车速信号c，ECU计算出施加在方向盘1上期望的转向阻力，即转向时的“路感”，通过输出方向盘回馈电机驱动信号e驱动方向盘回馈电机4，可对方向盘1施加转向阻力。利用方向盘扭矩信号b可对方向盘回馈电机4进行反馈控制，实现转向阻力控制功能，即在方向盘上实现转向“路感”。在方向盘1回正时，ECU接收方向盘位置信号a，输出方向盘回馈电机驱动信号e对方向盘回馈电机4进行控制，把方向盘1回正到中间位置，最终实现转向回正功能。由于传统线传转向系统实现“路感”和转向回正功能是利用控制单元对方向盘回馈电机进行控制实现的，控制复杂，从而使系统控制算法研发复杂，增加了处理器ECU研发的难度。
发明内容本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种车辆线传转向机构，减少线传转向技术实现转向“路感”和转向回正的复杂性，降低线传转向机构的电子控制单元研制的复杂性，降低其电子控制单元的研发成本。
本发明的另一目的就是提供一种车辆线传转向机构转向阻力模拟装置，使线传转向机构可简便地实现转向“路感”和转向回正，降低了线传转向机构的电子控制单元控制的复杂性，降低了其研发成本。
为实现上述目的，本发明提出的一种车辆线传转向机构，包括方向盘；方向盘位置传感器，用于感知方向盘的转动位置；转向轮；转向轮驱动电机和转向轮传动装置，所述转向轮驱动电机接受控制，通过所述转向轮传动装置驱动转向轮转动以改变行进方向；电子控制单元，用于响应方向盘位置传感器输出的信号和车辆速度信号，根据计算的转向轮期望位置，控制转向轮驱动电机运转以驱动转向轮转动；转向阻力模拟装置，包括转向件和第一弹性件，所述转向件一端与方向盘连接并随方向盘的转动而转动，所述转向件另一端与方向盘位置传感器连接，所述第一弹性件在转向件转动作用下产生相应的弹性形变，该弹性形变的恢复力作用于转向件并产生使转向件转动的力矩。
为实现上述目的，本发明提出的一种车辆线传转向机构的转向阻力模拟装置，用于在方向盘转动时产生作用于方向盘并使方向盘回正到中间位置的力，包括转向件和第一弹性件，所述转向件一端用于与方向盘连接并随方向盘的转动而转动，所述第一弹性件在转向件转动作用下产生相应的弹性形变，该弹性形变的恢复力作用于转向件并产生使转向件转动的力矩。
上述车辆线传转向机构及其转向阻力模拟装置的优选方案是所述转向阻力模拟装置还包括用以容纳转向件和第一弹性件的壳体，所述第一弹性件为弹簧，所述转向件为圆柱形的转向柱，所述转向柱随方向盘的转动而绕中心轴线转动，还包括连接在转向柱与壳体之间的轴承。
弹簧的弹性形变的恢复力作用于转向柱的优选方式是所述转向阻力模拟装置还包括推力螺母，所述推力螺母通过螺纹与转向柱连接，并通过转动可沿转向柱轴线方向往返移动，所述弹簧的两端分别固定在推力螺母和壳体上。
本发明的进一步改进是还包括上端第二弹性件、下端第二弹性件和固定在壳体内侧面的上支座、下支座，所述上端第二弹性件和下端第二弹性件分别固定在推力螺母两个相对面上，或分别固定在所述上、下支座上，用于在推力螺母被移动到一定位置时，使推力螺母与上支座一起挤压上端第二弹性件或使推力螺母与下支座一起挤压下端第二弹性件并使其发生弹性形变，所述上端第二弹性件和下端第二弹性件的长度相同，且小于弹簧的长度；所述弹簧包括上端弹簧和下端弹簧，所述上端弹簧的两端分别固定在推力螺母的上侧面和上支座的内侧面上，所述下端弹簧的两端分别固定在推力螺母的下侧面和下支座的内侧面上，所述上端弹簧和下端弹簧的刚度相同和长度相同。
本发明的更进一步改进是转向阻力模拟装置还包括环套在转向柱外面的摩擦阻力弹性套、固定在壳体上的调节螺母和用于与调节螺母配合的调节螺栓，所述摩擦阻力弹性套具有两个卷耳，靠近调节螺母的卷耳具有通孔，远离调节螺母的卷耳具有与调节螺栓配合的螺纹孔，所述摩擦阻力弹性套的内壁贴有摩擦片。
本发明的有益效果是1)本发明通过设计专门的转向阻力模拟装置，利用机械方式提供转向阻力，从而实现转向“路感”和转向回正功能。即通过设计合适参数的弹性件及传动机构来实现对转向阻力的模拟，进而在方向盘上施加一个与真实转向类似的转向阻力作用，最终实现转向“路感”和转向回正功能。与传统线传转向技术实现转向“路感”和转向回正的最大不同在于本发明是利用机械机构实现，而传统线传利用电子控制来实现。利用机械系统在实现“路感”和回正功能的过程中不需要对其进行任何控制，进而大大简化了系统的控制，控制算法只用集中于转向功能上，从而对整个线传转向技术控制算法研究及处理器ECU的研发复杂性大大降低，从而降低了其电子控制单元的研发成本。2)本发明通过设计专门的转向阻力模拟装置，利用机械方式提供转向阻力和实现转向回正，因此不再需要回馈电机及方向盘扭矩传感器、转向轮扭矩传感器，这样就降低了系统研发的成本。特别是采用多路冗余设计后，硬件成本的节约更加显著。3)本发明的线传转向机构的转向“路感”和转向回正功能实现简单、可靠。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1是现有技术的线传转向机构的示意图；图2是本发明的一种实施例的线传转向机构的转向阻力模拟装置的剖面示意图；图3是图2中A-A向的剖面图；图4是图3中的摩擦阻力弹性套的立体图；图5是本发明的另一种实施例的线传转向机构的转向阻力模拟装置的剖面示意图；图6是本发明的一种实施例的线传转向机构的原理7是本发明的一种实施例的线传转向机构的示意图；图8是本发明的一种实施例的线传转向机构的转向阻力矩与方向盘转角关系。
具体实施方式
实施例一、线传转向机构的转向阻力模拟装置主要包括如下部件转向柱101(与方向盘连接)、转向阻力模拟器壳体104、第一弹性件、第二弹性件、推力螺母110、上支座105和下支座115。第一弹性件可以是弹簧，例如拉簧或钮簧，也可以为其它弹性件，本实施例中的第一弹性件为位于推力螺母110相对侧面的拉簧(即依靠拉伸或压缩而产生弹性形变)，在本实施例中称为上端弹簧107和下端弹簧113，并且上端弹簧107和下端弹簧113具有相同的刚度、长度和安装参数，弹性件的长度是指弹性件在没有弹性形变状态下的自然长度。第二弹性件可以为弹簧，也可以为橡胶柱、橡胶套、橡胶管等，包括分别位于推力螺母110的两侧的上端第二弹性件和下端第二弹性件，上端第二弹性件和下端第二弹性件可以分别固定在推力螺母110的两个相对面上，也可以分别固定在上、下支座105、115上，上端第二弹性件和下端第二弹性件具有相同的刚度和长度，并小于第一弹性件的长度；本实施例中的第二弹性件为橡胶套，如图2中的上端橡胶套108和下端橡胶套112。
如图2所示，转向柱101与方向盘连接，转向柱101随方向盘转动而转动。转向柱101通过上、下端轴承103和116与转向阻力模拟器壳体104连接，且转向柱101可在转向阻力模拟器壳体104中自由绕轴线转动。在转向柱101和壳体104接触的外边缘还设有轴向弹性挡圈102，用于保证轴承103与转向柱101的连接。转向柱101末端与方向盘位置传感器2连接，通过传感器可输出方向盘位置信号。也可设计成与车辆内方向盘附近的其它部件连接。推力螺母110通过螺纹与转向柱101连接，且连接螺纹不具有自锁功能。当顺时针或逆时针转动转向柱101时，推力螺母110可沿转向柱101的轴线上下往返移动。当推动推力螺母110沿转向柱101的轴线上下运动时，转向柱101也可绕轴线转动。上、下支座105、115通过螺纹与转向阻力模拟器壳体104内腔连接固定。上、下支座105、115的内端面分别固定上、下支座弹簧固定套106、114。推力螺母110上、下两端与推力螺母上端弹簧固定套109和推力螺母下端弹簧固定套111连接。上、下支座105、115的内侧面分别固定有弹簧固定套106和弹簧固定套115。上、下端弹簧107、113分别固定于弹簧固定套106、109之间和弹簧固定套111、114之间。上、下端橡胶套108、112粘在推力螺母110的上下两个端面上。上、下端弹簧107和113具有相同的刚度。调节上、下支座105和115可使得上、下端弹簧具有相同的安装参数。同样上、下端橡胶套108、112同样具有相同的力学参数。
在转动转向柱101时，推力螺母110沿轴线上下移动。假设转向柱101顺时针转动时，推力螺母110沿轴线向下移动。此时推力螺母110压缩下端弹簧113，同时拉伸上端弹簧107。上、下端弹簧107、113对推力螺母110施加弹性形变的恢复力，该恢复力形成对推力螺母110向下移动的阻力，该阻力通过推力螺母110阻碍转向柱101转动，通过转向柱101传递到方向盘上，成为方向盘的转向阻力。该阻力值决定于上下端弹簧的刚度及变形量，且随着方向盘顺时针转动的角度增大而增大。当方向盘转到某一角度时，推力螺母110下端固定的下端橡胶套112下端面与下支座115接触，橡胶套将被压缩。此时，继续转动方向盘，则下端橡胶套112将与下端弹簧113同时被压缩，可理解为推力螺母下端所压缩的弹簧刚度增加，因此，转向阻力增加得更快。当方向盘顺时针转到某一角度时，下端橡胶套112不能再被压缩，此时转向达到顺时针最大位置，提示驾驶者方向盘转动已接近可能的转向极限。当逆时针转动方向盘时，转向阻力增加情况与顺时针情况类似。只不过上端弹簧107和上端橡胶套108处于压缩而下端弹簧113处于拉伸状态。由于上下弹簧具有相同的力学参数，上下橡胶也具有相同的力学参数，在逆时针时转动方向盘的角度与顺时针转动方向盘的角度大小相等时，弹簧和橡胶所提供的转向阻力值大小相等，方向相反。
当上端橡胶套108和下端橡胶套112分别固定在上、下支座105、115上时，也可以实现以上功能。
当转向完成后，释放方向盘，由于推力螺母110两端受力不平衡，在弹簧和橡胶套的弹性形变恢复力的作用下，推力螺母110将回到平衡位置附近。在推力螺母110沿转向柱101移动时，会带动转向柱101转动，也转动到受力平衡位置。根据力学系统特性可知，转向柱101回转的平衡位置是转向前的初始位置，也是方向盘的对中位置(即中间位置)。因此，在弹簧和橡胶套作用力下，方向盘最终回正到中间位置附近，从而实现了转向回正。
根据以上原理，本实施例可产生一个使方向盘回正的力矩，从而使方向盘实现转向“路感”和转向回正的功能。转向“路感”，是指当驾驶者控制方向盘偏离中间位置时会受到一个阻碍方向盘偏离的阻力矩。转向回正是指因为转向路感的存在，从而当控制方向盘偏离中间位置的力矩消失时，方向盘在阻力矩的作用下回到中间位置。
实施例二、为了使方向盘在偏离中间位置使车辆转向时具有一个更好的转向“路感”，作为本发明的最佳实施例，在实施例一的基础上增加一个摩擦阻力弹性套，如图2、、3、4所示。摩擦阻力弹性套120环套在转向柱101的外面，摩擦阻力弹性套120通过调节螺栓119固定在调节螺母118(图2中未示出)上，调节螺母118固定在壳体104上，从而使摩擦阻力弹性套120得以固定在壳体104上。摩擦阻力弹性套120是一个开口的弹性套，如图3、4所示，其内壁贴有摩擦片121，开口卷耳处开有两孔。靠近调节螺母118的为通孔122，远离调节螺母118的另一孔为螺纹孔123，其内有螺纹且与摩擦阻力调节螺栓119连接。摩擦阻力调节螺栓119穿过通孔122与摩擦阻力调节螺母118连接。当旋转调节螺栓119时，摩擦阻力弹性套120的带有螺纹孔123的卷耳将沿调节螺栓119的轴线移动。由于摩擦阻力弹性套120弹性的作用，其带有通孔122的卷耳外边缘与调节螺母118的内端面会压紧，即带有通孔的卷耳不会随调节螺栓119的旋转而移动。所以转动摩擦阻力调节螺栓119可以压缩或放松摩擦阻力弹性套120，进而调整施加在转向柱101上的摩擦阻力值。
实施例三、如图5所示，与实施例一、二不同的是作为第一弹性件的弹簧只有一个，固定在推力螺母110的上侧面或下侧面，该弹簧的拉伸的刚度和压缩时的刚度相同。当转动方向盘时同样可以产生转向阻力矩，实现转向“路感”和转向回正的功能。
上述实施例中的第一弹性件还可以为扭簧，扭簧的一端固定在外壳上，另一端固定在转向柱上，随转向柱的转动的角度而产生相应的形变，阻碍转向柱的转动，从而产生转向阻力矩。
实施例四、本实施例是上述实施例应用在车辆的线传转向机构中的一个例子，如图6、7所示，线传转向机构包括方向盘1、转向阻力模拟装置10、方向盘位置传感器2、转向轮驱动电机5、转向轮位置传感器7、转向轮8、转向轮传动装置9和ECU。转向阻力模拟装置10一端连接方向盘1，另一端连接方向盘位置传感器2。转向轮驱动电机5可以为直流无刷转向轮驱动电机，转向轮传动装置9可以为齿轮齿条式转向器，方向盘位置传感器2和转向轮位置传感器7可选用霍尔式角度传感器，具有可靠性好，精度高的优点。传递的主要控制信号包括方向盘位置信号a、车辆速度信号c、转向轮电机驱动信号e、转向轮位置信号g。根据方向盘位置信号a及车速信号c，ECU可计算出期望的转向轮位置信号，通过输出转向轮电机驱动信号e驱动转向电机5，通过转向传动装置9可实现转向轮8的转动。利用转向轮位置信号g可对转向电机5进行反馈控制，实现转向轮按一定的传动比关系跟随方向盘转动，即转向功能。转向阻力模拟装置10可实现模拟的转向“路感”和回正功能。
图8是线传转向机构应用转向阻力模拟装置的最佳实施例的方向盘阻力矩和方向盘转角的关系。选取合适参数的弹簧和橡胶套，设定方向盘左转角度为负，右转角度为正。曲线中的箭头表示方向盘逆时针转动从右转极限位置转到左转极限位置、然后再顺时针从左转极限位置转到右转极限位置整个过程中转向阻力随转向角度的变化过程。曲线的斜率由弹簧和橡胶套的刚度决定。A点表示方向盘转动至右转极限位置时的阻力矩，在释放方向盘后，阻力矩会急剧下降至B点，BC段表示弹簧和橡胶套共同起作用的时段，斜率较大。CD段为弹簧单独起作用的时段，斜率较小。从图上可看出，在方向盘回正到0度即中间位置时，阻力矩并不为0，这是因为套在转向柱外面的摩擦阻力弹性套的作用。DE段也是弹簧和橡胶套共同起作用的时段，斜率较大。E点表示方向盘转动至左转极限位置时的阻力矩。由左极限向右极限转动时，阻力矩的变化原理相同。设计不同参数的弹簧和橡胶套和调节转向阻力摩擦大小，可获得不同的转向阻力变化情况，即不同的“路感”。
综上所述，本发明的线传转向机构的转向“路感”和转向回正功能实现简单，可靠；减少了线传转向机构对电机及传感器的要求，系统硬件构成简单，成本降低。线传转向核心控制算法只涉及转向功能，控制简单，实现容易，降低了电子控制ECU的研发困难。
权利要求
1.一种车辆线传转向机构，包括方向盘；方向盘位置传感器，用于感知方向盘的转动位置；转向轮；转向轮驱动电机和转向轮传动装置，所述转向轮驱动电机接受控制，通过所述转向轮传动装置驱动转向轮转动以改变行进方向；其特征在于还包括电子控制单元，用于响应方向盘位置传感器输出的信号和车辆速度信号，根据计算的转向轮期望位置，控制转向轮驱动电机运转以驱动转向轮转动；转向阻力模拟装置，包括转向件和第一弹性件，所述转向件一端与方向盘连接并随方向盘的转动而转动，所述转向件另一端与方向盘位置传感器连接，所述第一弹性件在转向件转动作用下产生相应的弹性形变，该弹性形变的恢复力作用于转向件并产生使转向件转动的力矩。
2.如权利要求1所述的车辆线传转向机构，其特征在于所述转向阻力模拟装置还包括用以容纳转向件和第一弹性件的壳体。
3.如权利要求2所述的车辆线传转向机构，其特征在于所述第一弹性件为弹簧，所述转向件为圆柱形的转向柱，所述转向柱随方向盘的转动而绕中心轴线转动，还包括连接在转向柱与壳体之间的轴承。
4.如权利要求3所述的车辆线传转向机构，其特征在于所述转向阻力模拟装置还包括推力螺母，所述推力螺母通过螺纹与转向柱连接，并通过转动可沿转向柱轴线方向往返移动，所述弹簧的两端分别固定在推力螺母和壳体上。
5.如权利要求4所述的车辆线传转向机构，其特征在于还包括上端第二弹性件、下端第二弹性件和固定在壳体内侧面的上支座、下支座，所述上端第二弹性件和下端第二弹性件分别固定在推力螺母两个相对面上，或分别固定在所述上、下支座上，用于在推力螺母被移动到一定位置时，使推力螺母与上支座一起挤压上端第二弹性件或使推力螺母与下支座一起挤压下端第二弹性件并使其发生弹性形变，所述上端第二弹性件和下端第二弹性件的长度相同，且小于弹簧的长度。
6.如权利要求5所述的车辆线传转向机构，其特征在于所述弹簧包括上端弹簧和下端弹簧，所述上端弹簧的两端分别固定在推力螺母的上侧面和上支座的内侧面上，所述下端弹簧的两端分别固定在推力螺母的下侧面和下支座的内侧面上，所述上端弹簧和下端弹簧的刚度相同和长度相同。
7.如权利要求3至6中任一项所述的车辆线传转向机构，其特征在于还包括环套在转向柱外面的摩擦阻力弹性套、固定在壳体上的调节螺母和用于与调节螺母配合的调节螺栓，所述摩擦阻力弹性套具有两个卷耳，靠近调节螺母的卷耳具有通孔，远离调节螺母的卷耳具有与调节螺栓配合的螺纹孔，所述摩擦阻力弹性套的内壁贴有摩擦片。
8.如权利要求1至7中任一项所述的车辆线传转向机构，其特征在于还包括用于感知转向轮转动位置的转向轮位置传感器，所述电子控制单元响应转向轮位置信号，输出反馈控制信号至转向轮驱动电机。
9.一种车辆线传转向机构的转向阻力模拟装置，用于在方向盘转动时产生作用于方向盘并使方向盘回正到中间位置的力，其特征在于包括转向件和第一弹性件，所述转向件一端用于与方向盘连接并随方向盘的转动而转动，所述第一弹性件在转向件转动作用下产生相应的弹性形变，该弹性形变的恢复力作用于转向件并产生使转向件转动的力矩。
10.如权利要求9所述的转向阻力模拟装置，其特征在于还包括容纳转向件和第一弹性件的壳体，所述第一弹性件为弹簧，所述转向件为圆柱形的转向柱，用于随方向盘的转动而绕中心轴线转动，还包括连接在转向柱与壳体之间的轴承。
11.如权利要求10所述的转向阻力模拟装置，其特征在于还包括推力螺母，所述推力螺母通过螺纹与转向柱连接，并通过转动可沿转向柱轴线方向往返移动，所述弹簧的两端分别固定在推力螺母和壳体上。
12.如权利要求11所述的转向阻力模拟装置，其特征在于还包括上端第二弹性件、下端第二弹性件和固定在壳体内侧面的上支座、下支座，所述上端第二弹性件和下端第二弹性件分别固定在推力螺母两个相对面上，或分别固定在所述上、下支座上，用于在推力螺母被移动到一定位置时，使推力螺母与上支座一起挤压上端第二弹性件或使推力螺母与下支座一起挤压下端第二弹性件并使其发生弹性形变，所述上端第二弹性件和下端第二弹性件的长度相同，且小于弹簧的长度；所述弹簧包括上端弹簧和下端弹簧，所述上端弹簧的两端分别固定在推力螺母的上侧面和上支座的内侧面上，所述下端弹簧的两端分别固定在推力螺母的下侧面和下支座的内侧面上，所述上端弹簧和下端弹簧的刚度相同和长度相同。
13.如权利要求12所述的转向阻力模拟装置，其特征在于还包括环套在转向柱外面的摩擦阻力弹性套、固定在壳体上的调节螺母和用于与调节螺母配合的调节螺栓，所述摩擦阻力弹性套具有两个卷耳，靠近调节螺母的卷耳具有通孔，远离调节螺母的卷耳具有与调节螺栓配合的螺纹孔，所述摩擦阻力弹性套的内壁贴有摩擦片。
全文摘要
本发明公开了一种车辆线传转向机构及其转向阻力模拟装置，包括方向盘、方向盘位置传感器、转向阻力模拟装置包括转向件和第一弹性件，转向件一端与方向盘连接并随方向盘的转动而转动，另一端与方向盘位置传感器连接，第一弹性件在转向件转动作用下产生相应的弹性形变，该弹性形变的恢复力作用于转向件并产生使转向件转动的力矩。本发明的线传转向机构的转向“路感”和转向回正功能实现简单，可靠；减少了线传转向机构对电机及传感器的要求，系统硬件构成简单，成本降低。线传转向核心控制算法只涉及转向功能，控制简单，实现容易，降低了电子控制ECU的研发困难。
文档编号B62D5/04GK1883993SQ200510021170
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者杨春伟 申请人:比亚迪股份有限公司