带有磁扭矩叠加间隙补偿的转向系统的制作方法

本专利申请要求于2015年12月9日提交的美国临时专利申请序列No.62/265,176的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及车辆转向系统，并且具体地涉及用于在方向盘与车辆行走轮之间存在间隙的情况下消除转向感退化。

背景技术：

通常，车辆的转向系统(诸如液压转向系统)，使用动力转向泵向循环球型转向齿轮或者齿条和小齿轮型转向齿轮提供增压的液压流体。转向系统在驾驶期间向驾驶员提供辅助扭矩(或辅助)。所提供的辅助的水平由驾驶员应用于整合于转向齿轮的转向阀的扭矩的大小确定。产生的车辆中转向联动装置的运动导致车辆的可转向车轮的回转(angulation)，因此使车辆转向。可转向车轮可以是前轮和/或后轮。期望在转向系统中方向盘与行走轮之间具有无间隙连接，尤其在方向盘的中心位置。

技术实现要素：

根据一个或多个实施例，一种用于补偿转向系统中的间隙的方法包括基于驾驶员扭矩值和穿过所述转向系统的齿条的差压确定齿条压力值。该方法还包括基于所述转向系统的手轮的位置和配备有所述转向系统的车辆的速度确定补偿摩擦值。该方法还包括基于所述齿条压力值和所述补偿摩擦值计算压力值。该方法还包括使用所述压力值生成扭矩命令，所述扭矩命令被添加至用于所述转向系统的驾驶员辅助扭矩。

根据一个或多个实施例，转向系统包括基于驾驶员扭矩值和穿过转向齿轮的齿条的差压确定齿条压力值的控制模块。该控制模块还基于所述转向系统的手轮的位置和车辆速度确定补偿摩擦值。所述控制模块还基于所述齿条压力值和所述补偿摩擦值计算压力值。另外，所述控制模块使用所述压力值生成扭矩命令，所述扭矩命令被添加至用于所述转向系统的驾驶员辅助扭矩。

根据一个或多个实施例，动力转向系统被配置成基于驾驶员扭矩值和穿过所述动力转向系统的转向齿轮的齿条的差压确定齿条压力值。所述动力转向系统还基于所述动力转向系统的使用参数确定中心摩擦值。所述动力转向系统还基于所述转向系统的手轮的位置、车辆速度和所述中心摩擦值确定补偿摩擦值。所述动力转向系统还基于所述齿条压力值和所述补偿摩擦值计算压力值。所述动力转向系统还使用所述压力值生成扭矩命令以补偿所述转向齿轮中的间隙，所述扭矩命令被添加至用于所述动力转向系统的驾驶员辅助扭矩。

本发明还包括下列方案：

方案1.一种用于补偿转向系统中的间隙的方法，所述方法包括：

基于驾驶员扭矩值和穿过所述转向系统的齿条的差压确定齿条压力值；

基于所述转向系统的手轮的位置和配备有所述转向系统的车辆的速度确定补偿摩擦值；

基于所述齿条压力值和所述补偿摩擦值计算压力值；和

使用所述压力值生成扭矩命令，所述扭矩命令被添加至用于所述转向系统的驾驶员辅助扭矩。

方案2.如方案1所述的方法，其特征在于，确定所述补偿摩擦值还包括确定用于所述转向系统的中心摩擦值，其中，所述中心摩擦值表示补偿所述间隙的压力的大小。

方案3.如方案2所述的方法，其特征在于，响应于配备有所述转向系统的车辆的具体数量的点火循环，所述中心摩擦值递增预定的步长值。

方案4.如方案2所述的方法，其特征在于，响应于配备有所述转向系统的车辆的每次点火，所述中心摩擦值均递增预定的步长值。

方案5.如方案2所述的方法，其特征在于，还包括基于所述车辆的里程配置所述中心摩擦值。

方案6.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述转向系统中的压力测量动态地配置所述中心摩擦值。

方案7.如方案1所述的方法，其特征在于，所述驾驶员扭矩值是估计的驾驶员扭矩值。

方案8.如方案1所述的方法，其特征在于，计算所述压力值还包括：

基于所述齿条压力值确定静态压力值；

基于所述转向系统的手轮的速度确定动态压力值；和

将所述静态压力值与所述动态压力值相加，以计算所述压力值。

方案9.如方案8所述的方法，其特征在于，确定所述静态压力值包括将所述齿条压力值乘以预定的比例因子，并通过所述补偿摩擦值限制该结果。

方案10.如方案8所述的方法，其特征在于，确定所述动态压力值包括将所述手轮的速度乘以预定的比例因子。

方案11.如方案8所述的方法，其特征在于，计算所述压力值还包括将所述静态压力值与所述动态压力值相加的结果限制在由所述补偿摩擦值的正值和负值限定的范围内。

方案12.一种转向系统，其包括控制模块，所述控制模块被配置成：

基于驾驶员扭矩值和穿过转向齿轮的齿条的差压确定齿条压力值；

基于所述转向系统的手轮的位置和车辆速度确定补偿摩擦值；

基于所述齿条压力值和所述补偿摩擦值计算压力值；和

使用所述压力值生成扭矩命令，所述扭矩命令被添加至用于所述转向系统的驾驶员辅助扭矩。

方案13.如方案12所述的转向系统，其特征在于，所述控制模块还被配置成响应于配备有所述转向系统的车辆的具体数量的点火循环，使中心摩擦值递增预定的步长值，其中，还基于所述中心摩擦值确定所述补偿摩擦值。

方案14.如方案12所述的转向系统，其特征在于，所述控制模块还被配置成基于所述车辆的里程确定中心摩擦值，其中，还基于所述中心摩擦值确定所述补偿摩擦值。

方案15.如方案12所述的转向系统，其特征在于，计算所述压力值还包括：

基于所述齿条压力值确定静态压力值；

基于所述转向系统的手轮的速度确定动态压力值；和

将所述静态压力值与所述动态压力值相加以计算所述压力值。

方案16.如方案15所述的转向系统，其特征在于，确定所述静态压力值包括将所述齿条压力值乘以预定的比例因子，并通过所述补偿摩擦值限制该结果。

方案17.如方案15所述的转向系统，其特征在于，确定所述动态压力值包括将所述手轮的速度乘以预定的比例因子。

方案18.如权利要求15所述的转向系统，其特征在于，计算所述压力值还包括将所述静态压力值与所述动态压力值相加的结果限制在由所述补偿摩擦值的正值和负值限定的范围内。

方案19.如方案12所述的转向系统，其特征在于，所述控制模块还被配置成基于所述转向系统中的压力测量动态地使中心摩擦值递增。

方案20.一种动力转向系统，其被配置成：

基于驾驶员扭矩值和穿过所述动力转向系统的转向齿轮的齿条的差压确定齿条压力值；

基于所述动力转向系统的使用参数确定中心摩擦值；

基于所述转向系统的手轮的位置、车辆速度和所述中心摩擦值确定补偿摩擦值；

基于所述齿条压力值和所述补偿摩擦值计算压力值；和

使用所述压力值生成扭矩命令以补偿所述转向齿轮中的间隙，所述扭矩命令被添加至用于所述动力转向系统的驾驶员辅助扭矩。

结合附图从以下描述中将更加显而易见到这些及其它优点和特征。

附图说明

在说明书的结论处的权利要求中具体地指明并清楚地要求保护被视为本发明的主题。结合附图，从以下详细描述中显而易见到本发明的前述及其它特征和优点，附图中：

图1是包括根据一个或多个实施例的转向系统的车辆的示例性实施例；

图2图示根据一个或多个实施例的循环球式转向齿轮200的横截面；

图3示出根据一个或多个实施例的MTO循环球式转向齿轮的横截面；

图4示出根据一个或多个实施例的配备MTO的转向系统的控制的框图；

图5示出根据一个或多个实施例，用于在转向齿轮中提供MTO间隙补偿的示例模块的框图；

图6图示根据一个或多个实施例，用于在转向齿轮中提供MTO间隙补偿的示例方法的流程图；

图7图示根据一个或多个实施例的摩擦模块的示例框图和数据流；和

图8图示根据一个或多个实施例的压力模块的示例框图。

具体实施例

如本文所使用的那样，术语模块和子模块指代一个或多个处理电路，诸如专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或集群)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述的功能的其它合适的部件。如能够理解的那样，能够组合和/或进一步分割下文描述的子模块。

现在参考附图，其中在不限制本发明的情况下，将参考具体实施例描述本发明，图1是车辆中的转向系统10(诸如液压转向系统)的示例性实施例。在各种实施例中，转向系统12包括联接至转向轴16的手轮14。在一个或多个示例中，转向辅助单元18联接至转向系统12的转向轴12及车辆10的横拉杆20、22。转向辅助单元18包括例如一体式转向齿轮，和扭杆型液压辅助系统，其供应动力以减小手轮14处的转动努力。例如，在操作期间，当车辆操作员转动手轮14时，转向辅助单元18提供辅助以使横拉杆20、22运动，这相应地分别使分别联接至车辆10的行走轮28、30的转向节24、26运动。

在一个或多个示例中，车辆10还包括检测和测量转向系统12和/或车辆10的可观测条件的各种传感器31、32、33。传感器31、32、33基于所述可观测条件生成传感器信号。例如，传感器31是感测由车辆10的操作员造成的手轮14的旋转的角度的位置传感器。该位置传感器基于其生成手轮角度信号。传感器32是感测由转向辅助单元提供的辅助的差压传感器。传感器32基于其生成差压信号。在又一示例中，传感器33是感测车轮30的旋转速度的车辆速度传感器。传感器33基于其生成车辆速度信号。控制模块40基于一个或多个传感器信号并进一步基于本公开的转向控制系统和方法控制转向系统12的操作。

现在参考图2，图示了循环球式转向齿轮200的横截面。齿轮200具有能够操作地连接至车辆的方向盘14的输入轴210。当扭矩被施加于输入轴210时，致动阀组件215，以根据扭矩的方向在腔A220或腔B225中的任一者中提供辅助压力，从而辅助使车辆转向。附接至阀组件215的底部的蜗杆230在齿条235上提供推力。当使阀组件215在转向齿轮200中旋转时，齿条235沿蜗杆230的轴线在齿条孔中平移。齿条235具有与连杆轴(pitman shaft)240上的齿匹配的齿。当齿条235在齿条孔中轴向地运动时，连杆轴240沿其轴线旋转。附接于连杆轴240的底部的连杆臂将连杆轴240连接于车辆中的联动装置。例如，联动装置可以包括横拉杆20、22，转向节24、26，和/或促进将力从方向盘14传递到行走轮28、30的其它部件。因此，当连杆臂旋转时，连杆臂摆动通过一段弧，并且这相应地使车辆中的转向联动装置运动，从而导致车轮28、30的回转，以便使车辆转向。

本文所描述的技术方案促进转向系统10在方向盘14与行走轮28、30之间具有无间隙连接。无间隙连接促进转向系统10改进驾驶员的转向感，尤其在方向盘14的中心位置中。通常，为了提供无间隙连接，连杆轴240上的齿被加工成带有锥度。调节器机构(未示出)沿连杆轴240的轴线定位连杆轴240，以便去除连杆轴齿与齿条齿之间的任何间隙。另外地，为了考虑齿轮组件中的正常磨损，一般使中心齿比外部齿更厚。当初始调节时，在未应用液压的情况下，在中心使这种齿轮组件100旋转所需的扭矩比在角落中所需的更高。即使在中心有初始预加载的情况下，转向齿轮100中的正常磨损也导致齿轮100中的间隙状况，其恶化转向系统10的驾驶感和功能性。因此，在维护时会必须调节齿轮100，以去除或减小已发展出的间隙。本文所描述的技术方案解决了上文描述的技术问题，以提供不存在导致上文描述的间隙状况的加载状况的无间隙连接。

另外，带有磁扭矩叠加的转向系统将磁致动器并入阀组件215内，以实现转向系统的液压系统上的控制操作。该操作可以包括可变作用力(effort)、牵拉修正、主动阻尼、主动复位等等或其组合。配备有磁扭矩的转向系统可以被称为带有扭矩叠加的磁助力转向(MTO)系统。

图3示出MTO循环球式转向齿轮300的横截面。如能够看到的那样，来自方向盘及行走轮的辅助和连接在功能上与基础齿轮(图2中所示)相同。MTO齿轮300具有被并入阀组件215内的磁致动器310，以在某些转向状况期间提供额外的努力，以帮助或对抗驾驶员。在这些状况中，控制器320向线圈330提供电流，其确定由磁致动器310提供的扭矩的量。在一个或多个实施例中，控制器320可以是控制模块40(图1)的一部分。

图4示出配备MTO的转向系统10的控制的高水平框图。MTO转向系统10包括接收多个输入信号的MTO扭矩命令模块410。例如，输入信号包括穿过转向系统10中的活塞的差压的测量。输入信号还可以包括诸如车辆速度、手轮速度和手轮角度的车辆信号，以及驾驶员扭矩的估计。MTO扭矩命令模块410使用该输入信号生成期望的MTO扭矩命令。

向电流命令模块420提供扭矩命令，其中电流命令模块420将扭矩命令转换为电流命令。电流命令被施加于MTO转向齿轮300中的磁致动器线圈330。驾驶员扭矩估计模块430基于电流命令连同测得的差压确定或计算驾驶员扭矩估计。确定的驾驶员扭矩估计被用在下一次迭代中(诸如在单位延迟之后)。在一个或多个实施例中，延迟模块440促进延迟驾驶员扭矩估计，以便在下一次迭代中使用。

然而，在诸如上文的MTO转向系统10中，仍由相同的机械特征控制齿轮300中的间隙，其经受与本文所描述的相同的正常磨损，并且因此无法解决对应的技术问题。因此，间隙的发展对转向感具有相同的不期望的作用，从而需要在维护中被调节。

因此，本文中所描述的技术方案为MTO转向系统提供了间隙补偿，因此促进在间隙已在转向系统的转向齿轮中发展的情况下对转向感的改进。因此，该技术方案解决了与转向系统的转向齿轮相关联的间隙状况的技术问题。

返回参考图3，其示出MTO循环球式转向齿轮300的横截面，当将扭矩施加于输入轴210时，通过齿条235在齿条孔中的摩擦以及使连杆轴240旋转的摩擦和转向载荷对抗齿条235的运动。因此，阀组件215被致动，根据施加扭矩的方向在腔A220或腔B 225中的任一者中生成辅助压力。当扭矩和压力达到足够高以克服齿条235上的阻力时，齿条235运动并使连杆轴240旋转，且最终使车辆转向。在这种情形中，驾驶员感受扭矩累积，这提供对于车辆中何处是中心位置的感觉。

当间隙在齿条齿与连杆轴齿之间发展时，齿条235在齿条孔中的摩擦减小。在转向载荷开始对抗齿条235的运动之前，齿条235必须在齿条孔中轴向运动直到齿条齿与连杆轴齿之间的空隙被去除为止。这形成了方向盘14的角度运动的窗口，其中一旦齿中的空隙被去除，至少一部分扭矩就继之以扭矩的急剧增加。这形成了不期望的转向感，诸如抖动或者不连续的转向感。所描述的状况通常被称为间隙状况。

为了改善这样的状况，当存在间隙时，本文所描述的技术方案利用MTO致动器310来施加与齿条235的运动相对的压力。当沿将使腔A220增压的方向施加扭矩时，阀组件215被致动以在腔B225中提供压力，从而对抗齿条235的运动。因此，驾驶员必须增加施加的扭矩，以使齿条235运动，从而使中心间隙状况与当齿条齿和连杆轴齿接合时的状况之间的扭矩累积变化最小化。当沿将使腔B225增压的方向施加扭矩时，阀组件215被致动以在腔A220中提供压力来对抗齿条235的运动，从而提供与沿另一方向相同的作用。

图5示出了用于提供MTO间隙补偿的示例模块的框图。图6图示用于提供MTO间隙补偿的示例方法的流程图。应理解的是，在一个或多个实施例中，用以实现用于MTO间隙补偿的方法的模块可以不同于图5中所示的那些模块。另外，应理解的是，在一个或多个实施例中，图6中图示的操作可以以不同的顺序执行。

参考图6，用于提供MTO间隙补偿的方法包括接收驾驶员扭矩信号，如在610处所示。在一个或多个实施例中，驾驶员扭矩信号提供驾驶员扭矩的测量值(诸如使用扭矩测量传感器测得的)。替代性地，驾驶员扭矩信号提供估计的驾驶员扭矩值。

所述方法还包括计算等效于对应于驾驶员扭矩的齿条力的齿条压力信号，如620处所示。在一个或多个实施例中，使用乘法器模块510将驾驶员扭矩信号乘以可配置值，如622处所示。乘法器模块510使用可配置值生成被输入于加法器模块520的压力信号。加法器模块520将计算出的对应于驾驶员扭矩信号的压力信号与测得的穿过齿条235的差压相加，以生成等效齿条压力信号，如624处所示。在一个或多个实施例中，低通滤波器525被应用于该和，从而提供等效齿条压力信号，如626处所示。

所述方法还包括使用摩擦模块530确定补偿摩擦值，如630处所示。摩擦模块530接收输入信号以生成补偿摩擦，所述输入信号包括车辆速度信号、手轮角度信号和中心摩擦信号。

在一个或多个实施例中，确定补偿摩擦值包括确定中心摩擦值，如632处所示。中心摩擦值表示补偿齿轮300中由于摩擦而出现的间隙状况的大小。在一个或多个实施例中，中心摩擦值是预定值，其能够在所述方法开始之前配置。替代性地，中心摩擦值是动态配置的可变信号。例如，中心摩擦值表示增加的使用。替代性地或另外地，学习算法确定转向系统的摩擦，并且相应地基于学习算法的结果确定中心摩擦值。可变信号的示例能够是随每一个点火循环递增的信号，或者随车辆里程增加的信号。例如，响应于配备有该转向系统的车辆的每个点火循环，中心摩擦值递增预定值。替代性地，中心摩擦值在预定数量的点火循环之后递增预定值。替代性地或另外地，在车辆点火时，控制模块40确定车辆行驶的英里数(里程)，并相应地配置中心摩擦值。在一个或多个实施例中，控制模块40可储存确定对应于里程的中心摩擦值的查寻表或任意其它数据结构或算法。

替代性地，或另外地，基于一个或多个传感器测量确定中心摩擦值。例如，转向系统12可配置有用于中心摩擦值的预定目标值，其可专用于车辆10和/或转向系统12。控制模块40可相应地调节中心摩擦值，以按照目标值维持中心摩擦值。例如，随着间隙状况发展，转向系统12的中心摩擦值会减小。控制模块40监测中心摩擦值并将测得的值与目标值相比较。控制模块40基于差异调节中心摩擦值，以达到目标值。例如，在转向时，控制模块40接收针对两个腔A和B(220和225)的压力测量。在转向时，随着间隙状况发展，中心摩擦值减小，并且两个腔之间的压差的大小减小。在一个或多个示例中，控制模块使用所述差异作为中心摩擦值，和/或用作中心摩擦值的增量。因此，随着间隙状况发展，控制模块40基于腔A和B(220和225)中的压力测量应用不同的中心摩擦值。

图7图示摩擦模块530内的示例框图和数据流。除了其它部件，摩擦模块530包括中心速度乘法器模块705、绝对值模块710、中心形状模块715、一个或多个限制模块720和725，以及补偿摩擦乘法器模块730。在一个或多个实施例中，车辆速度信号被用作中心速度乘法器模块705的输入。中心速度乘法器模块705可以包括基于输入的车辆速度信号输出比例因子的查寻表。限制模块720将所述比例因子限制在预定范围内，例如0到1。

在一个或多个实施例中，手轮角度被用作中心形状模块715的输入。在一个或多个示例中，在输入手轮角度信号至中心形状模块715之前，模数模块710确定并输出手轮角度信号的绝对值。在一个或多个实施例中，中心形状模块基于输入的手轮角度信号使用查寻表输出比例因子。限制模块725将比例因子限制在预定范围(诸如0到1)内。

补偿摩擦乘法器模块730将所述两个比例因子(一个来自中心速度乘法器模块705，并且一个来自中心形状模块715)彼此一起与中心摩擦值相乘。所得的积提供用于由车辆速度和手轮角度表示的操作状况的补偿摩擦值。

返回参考图6中的流程图，所述方法还包括使用压力模块540确定压力值，以便补偿间隙状况，如640处所示。所述压力值基于手轮速度信号、等效齿条压力值及来自摩擦模块530的补偿摩擦值确定。

图8图示压力模块540的示例框图。在一个或多个实施例中，除了其它部件，压力模块540还包括静态部件810和动态部件820。静态部件810确定静态压力值，如642处所示(图6)。静态部件810通过将预定静态比率校准值(static rate calibration value)和等效齿条压力信号的积与预定值(诸如-1)相乘来计算静态压力值。在一个或多个示例中，所述预定静态比率校准值范围在0与1之间。静态部件810包括执行上述乘法的乘法器812。静态部件810还可以包括将静态压力值限制于+/-补偿摩擦信号值的限制模块814。

动态部件820确定动态压力值，如644处所示(图6)。动态部件820通过将预定动态比率校准值和手轮速度信号的积与预定值(诸如-1)相乘来计算动态压力值。所述预定动态比率校准值是大于0的数，诸如1、5、10、0.5、1.6或任意其它正值。动态部件包括执行上述乘法的乘法器模块822。

压力模块540还包括计算静态压力值与动态压力值的和的加法器830，如646处所示(图6)。在一个或多个实施例中，限制模块840将所得的和限制于+/-补偿摩擦信号值，以确定压力值信号。

返回参考图6，所述压力值被供应至生成扭矩命令信号的压力至扭矩转换模块550。扭矩命令被添加于图4中的MTO扭矩命令。在一个或多个实施例中，压力至扭矩转换模块550使用查寻表或任意其它转换算法来确定产生由压力值表示的压力的扭矩的量。

因此，被添加于MTO扭矩命令的扭矩命令补偿了齿轮300中会出现的间隙状况。另外，通过使用本文所描述的一个或多个示例生成扭矩命令，周期性地调节齿轮以便补偿间隙发展(lashing)的频率降低(如果未全部消除)。因此，本文所描述的技术方案改进了转向系统的操作。

本技术方案可以是在任意可能的技术细节整合水平下的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读储存介质(或媒体)，其上具有用于引起处理器实施本技术方案的方面的计算机可读程序指令。

本文参考根据技术方案的实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图示和/或框图描述了本技术方案的方面。将理解的是，流程图示和/或框图的每个框；以及流程图示和/或框图中的框的组合能够由计算机可读程序指令实现。

图中的流程图和框图图示根据本技术方案的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框均可以表示包括用于实现规定的(多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令的指令的模块、片段或部分。在一些替代性实施方案中，框中所注示的功能可以不按图中所注示的顺序进行。例如，依据所包含的功能，连续地示出的两个框实际上可大致同时地执行，或者有时可以以相反的顺序执行所述框。也将注意到的是，框图和/或流程图图示中的每个框，以及框图和/或流程图示中的框的组合能够由基于专用硬件的系统实现，所述系统执行规定功能或行动或者执行专用硬件和计算机指令的组合。

也将认识到的是，本文举例说明的执行指令的任何模块、单元、部件、服务器、计算机、终端或装置均可以包括或以其它方式具有对计算机可读介质(诸如储存介质、计算机储存介质或数据储存装置(可移除的和/或不可移除的)(诸如磁盘、光盘或磁带))的通达。计算机储存介质可以包括以用于储存信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)的任意方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除的介质。这种计算机储存介质可以是装置的一部分或者能够通达或连接于其。本文所描述的任何应用或模块均可以使用可以由这种计算机可读介质储存或以其它方式保持的计算机可读/可执行指令来实现。

虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了技术方案，但是应当容易地理解，该技术方案并不限于这样的公开的实施例。而且，能够修改所述技术方案，以包含任何数量的迄今未描述、但与所述技术方案的精神和范围相当的变型、改型、替代物或等效布置。另外，尽管已经描述了所述技术方案的各种实施例，但是应当理解的是，该技术方案的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，所述技术方案不应被视为由前述描述限制。