电动助力转向系统中的粘滞状况的表征的制作方法

本发明涉及一种用于表征电动助力转向系统中的粘滞状况的方法和系统。

背景技术：

车辆齿条齿轮式转向器包括具有齿的细长扁平齿轮或齿条，所述齿与旋转的小齿轮的配对齿啮合。小齿轮可旋转地安装在转向轴上。当通过转向盘的旋转对转向轴施加转向角时，小齿轮通过与齿条齿的接合而平移，这进而使齿条沿相应的转向方向移动。在齿条的远端处设置有横拉杆。横拉杆通过相应的转向臂连接到车辆的前路面轮。因此，齿条齿轮式转向器有效地将相对于转向轴线的旋转运动转换为相对于齿条的线性运动，同时还提供适当程度的齿轮减速。

由典型的齿条齿轮式转向器提供的转向功能在某些设计中可以是电动辅助的。例如，如在转向柱电动转向(EPS)系统或小齿轮EPS系统中，电动转向电机可以沿转向轴线施加转向扭矩叠加，而在其他设计如齿条EPS系统中，电动转向电机通过适当的驱动机构向齿条的特定部分传递扭矩辅助。在后一种设计的一个例子中，转向助力电机的转子轴线被定位成平行于齿条的纵向轴线。可以使用皮带、链条、齿轮组或滑轮系统将扭矩从离轴转向助力电机传递到滚珠丝杠装置，并最终传递到齿条本身。由于精密的制造公差，在转向系统的各种齿轮或扭矩传递机构中可能发生瞬时碰撞，这种碰撞可能导致能够影响总体转向精度和感觉的粘滑或“粘滞”状况。这种粘滞状况的瞬时性质和很大程度上不可预测的性质能够使隔离、诊断和纠正问题复杂化。

技术实现要素：

本文公开了一种用于表征上述类型的电动助力转向系统中的粘滑或“粘滞”状况的方法和系统。根据本方法，转向系统与控制器连通，该控制器被编程为执行本方法的具体测试步骤。所述方法包括：结合整个测试过程中的有效转向辅助执行受控转向调节阶段以诱发上述粘滞状况；以及产生指示粘滞状况的转向系统的粘滞度量。该度量检查在如下所述测试期间的任何时候发生的扭矩尖峰的局部最大/最小峰值振幅的差，其中阈值差指示令人不满意的执行系统。相对于现有的测试系统和方法，本方法的最终目标是改善转向系统的整体设计并且有利于转向系统的验证。

具体地，本文公开了一种用于表征具有齿条、小齿轮、转向助力电机和齿轮驱动机构的电动助力转向系统的粘滞状况的方法。在该系统中，小齿轮被设置在转向轴与齿条的齿啮合接合的一端，而齿轮驱动机构通过转向助力电机驱动。在转向辅助保持有效时，在校准的持续时间内从控制器向旋转致动器传送转向控制信号。第一转向控制信号是具有经校准的转向频率和峰值转向角的周期性转向调节信号。第一转向控制信号最终使旋转致动器以经校准的转向频率和峰值转向角向转向轴传递转向输入。

转向辅助在整个测试期间保持有效，使得转向助力电机例如根据本领域中已知类型的现有电动转向(EPS)算法通过传递到齿条或沿着转向轴线传递的经计算或校准的扭矩叠加的量电动地辅助旋转致动器使齿条转向。在经校准的持续时间之后，即在转向调节完成之后，从控制器向旋转致动器传送另一转向控制信号。附加的转向控制信号是使转向轴以本文说明的经校准的恒定加速度/减速度旋转至目标转向角速率的指令的转向角。

通过连接到转向轴或旋转致动器的扭矩传感器或另一个或一些适当的传感器测量来自旋转致动器的转向扭矩输出，而该旋转致动器使转向轴以恒定加速度或减速度旋转。当通过前述阈值转向扭矩局部最大/最小振幅的比较指示粘滞状况时，例如通过输出信号经由控制器执行控制动作。

本文还公开了一种相关的系统。在一个示例性实施例中，该系统包括旋转致动器、电动助力转向器、可操作用于测量由旋转致动器施加到转向轴上的转向扭矩输入的扭矩传感器，以及被编程为执行上述方法的步骤的 控制器。

在本方法的另一个实施例中，在经校准的持续时间内将第一转向控制信号从控制器传送至旋转致动器。在本实施例中的第一转向控制信号是具有约8至12Hz的经校准的转向频率和约±3度的经校准的峰值转向角的周期性转向调节信号。转向助力电机在接收第一转向控制信号的同时接收第二转向控制信号，以便如上所述使转向助力电机电动地辅助旋转致动器使齿条转向。

此外，在经校准的持续时间之后，将第三转向控制信号从控制器传送至旋转致动器，同时传送到转向助力电机的第二转向控制信号保持有效。第三转向控制信号使得转向轴旋转至具有以上所述的恒定加速度/减速度的目标转向角速率。本方法的这个特殊的实施例包括：当指示粘滞状况时，通过扭矩传感器直接测量来自旋转致动器的转向扭矩输出同时使转向轴以恒定加速度旋转，并且然后通过控制器执行控制动作，包括将诊断代码记录在控制器的存储器中。

当结合附图和所附权利要求书时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点通过以下用于执行所描述的公开内容的实施例和最佳方式的详细描述将显而易见。

附图说明

图1是一种用于表征示例性电动助力转向系统的粘滞状况的测试系统的示意性描述。

图2A是描述正常运行的电动助力转向系统的性能的转向扭矩和转向角的代表性时间曲线图，其中在纵轴上绘出了信号振幅或幅度以及在横轴上绘出了时间。

图2B是描述展现出粘滞特性的电动助力转向系统的性能的转向扭矩和转向角的示例性时间曲线图，其中在纵轴上绘出了信号振幅或幅度以及在横轴上绘出了时间。

图3是用作本方法的一部分的转向调节输入信号的示例性时间曲线 图，其中在纵轴上绘出了转向角信号振幅以及在横轴上绘出了时间。

图4是描述了一种使用图1所示的测试系统表征电动助力转向系统的粘滞特性的示例性方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中在几幅附图中相同的参考标号表示相同的组件，图1中示意性地示出了一种示例性转向测试系统10。该转向测试系统10包括以上所述的任何类型的电动助力转向器20，以及转向控制硬件40和被编程为使用控制硬件40执行实现方法100的逻辑的控制器(C)50。转向器20包括具有第一端33和第二端35的齿条22，以及含有小齿轮26的齿轮箱24。在转向辅助有效时执行方法100导致表征转向器20中的阈值扭矩脱开状况，在下文中为粘滑或“粘滞”状况，如下文参照图2A至图4进一步详细描述的。

当将指令的转向角形式的转向输入在本受控测试环境中围绕转向轴线13，通常从转向盘(未示出)且通过旋转致动器42施加到转向轴25上时，设置在齿轮箱24内的小齿轮26沿着齿条22与配对齿轮(未示出)接合。因此，小齿轮26沿着如双向箭头A指示的齿条22的纵向轴线17平移。这个运动进而使齿条22沿相应的方向运动以使车辆的前轮(未示出)转向，所述车辆的前轮内使用了电动助力转向器20。

根据该实施例，驱动机构129和驱动箱29可被定位在如图所示的齿条22的第二端35附近，其为典型的齿条电动转向(EPS)系统。转向助力电机43的转子轴线15可被定向成使得能够例如通过驱动机构129进行转向操作的电动辅助，在这样一个示例性实施例中所述驱动机构129可以被具体化为适当的传动装置、链条、皮带和/或另一种减速机构。尽管为了说明简便从图1中将其省略，但是转向助力电机43和与驱动机构129类似的相关联的驱动结构以及驱动箱29可以可选地定位在转向轴线13上或者可以沿着转向轴线13可选地定位以形成如上所述的转向柱或小齿轮EPS系统。如本领域已知的，转向柱EPS实施例还可包括转向柱和中间轴， 其中转向助力电机43将转向辅助扭矩传递给安装在转向柱附近的单独的驱动机构。相比之下，小齿轮EPS系统可代替齿轮箱24附近的转向助力电机43，从而使得转向辅助扭矩直接作用在可旋转的小齿轮26上。无论实施例如何，可以使用固定件27和基板28将转向器20固定在测试环境内。

自动提供电动转向辅助扭矩(箭头T_A)以通过应用经由转向助力电机43传递的扭矩叠加或补充转向扭矩在逻辑确定的水平上辅助转向操控，所述转向操控通常为转向助力电机43的电子控制单元(未示出)。这在本文描述的测试的整个持续时间内进行。如本领域中所公知的，例如，可以基于来自沿着转向轴线13设置的内部扭矩传感器(未示出)的输入扭矩信号和多个其他信号(如车辆速度、点火状态等)确定助力电机43应该产生的扭矩叠加的量。因此，将电力信号和转向控制信号(箭头T₄₃)提供给转向助力电机43，从而使转向助力电机43能够输出预编程的转向辅助扭矩(箭头T_A)。如上所述，转向辅助通过方法100实现的测试保持有效，并因此在调节和后续的测试执行期间将电力信号和转向控制信号(箭头T₄₃)提供给转向助力电机43。

当使用电动助力系统时，可产生瞬时粘滑或粘滞状况。在此可认识到，当使用某些类型的线性致动器(即如上所述的滚珠丝杠机构)作为驱动机构129的一部分时，可产生粘滞状况。尽管为了说明简便将其从附图中省略，但如本领域所公知的，滚珠丝杠机构包括螺纹轴，该螺纹轴限定包含有多个滚珠轴承的螺旋槽。通过评估转向器20中发生的扭矩脱开特性，从复制、隔离以及最终修正或防止粘滞状况发生的角度出发进行方法100。本方法的基础是本文所作出的认识：由驱动机构129之内的滚珠轴承的瞬时碰撞可引起粘滞状况，即显示出如下所述的预定阈值特性的扭矩脱开。因此，如下面将参照图2A至图4详细描述的，方法100包括利用经校准的转向输入调节转向器20，以便在测量和评估任何观察到的扭矩脱开特性之前诱发粘滞状况。

进一步参照图1，图1中的控制硬件40包括旋转致动器42(如电动机)，以及扭矩传感器44和旋转编码器46，它们中的每一个沿着转向轴 25的转向轴线13彼此同轴对齐。由于在控制硬件40中可能存在轴向变化，所以延伸轴45可通过如图所示的一组柔性联轴器48耦合至转向轴25。柔性联轴器48用于方便旋转致动器42连接到转向轴25。

一个或多个线性致动器49可以可选地设置在如图所示的齿条22的相对远端33、35并连接到横拉杆75。控制器50可被编程为使用来自一对力传感器41的被检测到的力(箭头F_D)以协调方式控制线性致动器49，从而在方法100的调节和测量阶段控制沿齿条轴线17(即齿条22的纵向轴线)的净力为零。应认识到，根据一个或多个线性致动器49中所采用的伺服机构的性能，沿齿条轴线17的实际作用力可分别在方法100的调节和测量阶段围绕0上至例如+/-1200N和30N的范围波动。

图1中的控制器50可被配置为专门被编程为执行方法100的各步骤的主机，例如数字计算机或微型计算机，图4中示出了它的一个实例。为此，控制器50被配置有足够的硬件来执行所需步骤，即配置有足够的存储器(M)、处理器(P)以及如高速时钟、模数和/或数模转换电路、计时器、输入/输出电路及其相关装置、信号调节和/或信号缓冲电路等其他硬件。存储器(M)包括如磁性或光学只读存储器、闪速存储器等充分有形的、非暂时性存储器，以及随机存取存储器、电子可擦除可编程只读存储器等。输出信号(箭头11)可由控制器50生成并用于记录诊断代码或请求执行方法100的范围内的其他控制动作。

作为方法100的一部分，控制器50接收并记录来自扭矩传感器44的所测量的转向扭矩值(箭头T₄₄)和来自旋转编码器46的所测量的转向角(箭头θ₄₆)，并向旋转致动器42输出指令的转向角(箭头θ₄₂)。本文所述的提供电动转向辅助的电子转向控制信号(箭头T₄₃)由转向助力电机43接收，其中这类信号通常由上述转向助力电机43的集成电子控制单元(未示出)传送并由其内部生成，以确定并控制转向助力电机43在任一给定时刻应当产生的扭矩叠加的量。因此，正如EPS系统领域所公知的，电子转向控制信号(箭头T₄₃)最终使得转向助力电机43输出预编程的辅助扭矩(箭头T_A)。力控制信号(箭头111)被从控制器50输出至线性制动器49以控制线性力(箭头F)并由此保持沿齿条轴线17的净力为零。

图2A和图2B中分别示出了示例性迹线60和62以说明所测量的转向扭矩值(T₄₄)。在纵轴上绘出了振幅(A)，其基于信号表示扭矩或转向角。在横轴上绘出了时间(t)。图2A和图2B中描绘的指令的转向角(θ₄₂)的上限和下限范围可对应于±10°，而所测量的转向扭矩值(T₄₄)可对应于±2Nm，但无需受限于这些范围。

通过检查正负峰值振幅的局部最大/最小(min/max)值并将此差值和经校准的差值(例如0.3Nm或者使用示例性范围的约0.2至0.4Nm)进行比较，可从所测量的扭矩值(T₄₄)中检测出转向扭矩扰动。图1中的控制器50被编程为利用有效的电动转向辅助调节图3所示的电动助力转向器20。图2A表示任何可接受的扭矩响应，其中确定了在每一区域65中的局部峰值振幅(点A₁、A₂)，并且每一对局部最大值/最小值(A₁、A₂)之间的差(Δ＝A₁-A₂)与经校准的值相比较。在该方法执行期间的任何时候超过经校准的值可以表明结果令人不满意。通过对比，图2B中的迹线62示出了转向器20中的示例性的不可接受的扭矩脱开响应，即令人不满意的粘滑/粘滞状况。例如，图2B可表示结果为(A₁-A₂)＝0.5Nm，其超过了示例性的经校准的值0.3Nm，因此表明结果令人不满意。

图3示出了具有经校准的频率f_CAL的代表性周期性调节信号70，并且其中在相应的纵轴上绘出了±转向角(θ₄₂)，在横轴上绘出了时间(t)。通过图1的控制器50传送周期性调节信号70的目的是促进瞬时和其他不可预测的粘滞状况以证明其自身处于受控测试环境中。因为该状况可能会花费相当多的时间来形成，并且根据驱动表面和存在的振动的级别该状况在转向系统之间差异很大，所以由图1的滚珠丝杠驱动机构29内的滚珠碰撞导致的粘滞会难以复制。因此，用作本方法100的一部分的调节过程意在使滚珠丝杠驱动机构129的内部滚珠轴承稳定到可导致指示粘滞的可察觉的扭矩脱开状况的这样一种状态，如本文所认识到的，该状态作为本方法的一部分。所公开的调节过程不限于本测试方法100，且其他转向测试可从这种调节中获益。换句话说，当结束方法100的调节部分时，可以在转向系统上执行任何数量的控制动作和/或测试。

通过经由图1的控制器50传送周期性调节信号70，以及旋转致动器 42通过如图所示的上升调节阶段t₁、峰值校准转向角(θ₄₂)被维持的持续调节阶段t₂和尾部调节阶段t₃的合力控制，可以为转向器20提供充分的转向调节。周期性调节信号70可以被重复经校准的次数。例如，在测试期间发现有效的特定实施例中，1秒(1s)的持续时间可以用于图3中的时间段t₁和t₃中的每一个，2s的持续时间用于时间段t₂，并且采用±3度的相应转向角和约8-12Hz的经校准的频率f_CAL，或者在另一实施例中采用约10Hz的经校准的频率f_CAL。周期性调节信号70的八个周期可以用在转向调节总共为32s的该特定实施例中。对不足的时间量或者周期数的调节会导致不显现其自身的问题，同时延伸的转向调节不会产生附加益处。

参照图4，用于表征图1的电动助力转向器20中的扭矩脱开状况的方法100的示例性实施例开始于步骤S102，其中转向器20连接到控制硬件40并被放置成与控制器50连通。由图1的转向助力电机43接收转向控制信号。这使得转向助力电机43根据其自身存在的EPS控制算法电动地辅助转向操控，如上所述，这在整个测试持续时间内持续进行。

在步骤S104，在转向辅助有效的情况下，控制器50将图3的周期性转向调节信号70传送到旋转致动器42作为另一个转向控制信号，在经校准的持续时间内(例如在上述实例中为32s)这样做。如上所述，周期性调节信号70具有经校准的转向频率和峰值转向角，例如在上述示例性实施例中为约10Hz和±3度。可以在多个周期内传送周期性调节信号70，例如图3所示的在32s持续时间的实施例中为八个4秒周期。同时，控制器50将转向控制信号(箭头θ₄₂)传送到旋转致动器42作为又一个转向控制信号。在调节信号70的经校准的持续时间之后发生这种控制动作并且同时EPS辅助保持有效。

在步骤S104接收到转向控制信号(箭头θ₄₂)使得旋转致动器42以恒定加速度或减速度(例如约±10度/秒²(°/s²))将转向轴25旋转至目标转向角速率。即，转向加速度/减速度由图1的控制器50严格控制以确保在整个测试中平滑的转向响应。这进而意在确保：作为方法100的一部分而检测到的任何扭矩扰动真正是由齿轮碰撞停止带来的扭矩脱开状况导致的，而不是由于来自旋转致动器42的任何动作或噪音。

作为一个实例，并使用图2A和2B参照，当从参考/中心转向角或0度转向角开始时，转向轴25可以以10°/s²或者其他适当恒定加速度值加速到目标角速率(例如10°/s)。此后，在本例子中，转向轴25以-10°/s²减速返回至0°/s以达到经校准的最大转向角(例如10°)。针对转向轴25重复这种交替加速/减速模式以返回到参考/中心转向角或0°转向角。在停顿约1s后，沿相反的转向方向重复整个周期，并在测试的持续时间持续进行。当所描述的交替转向动作正在进行时，方法100进行到步骤S106。

步骤S106包括当分别采用恒定加速度或减速度将转向轴25旋转至目标转向角速率并从目标转向角速率旋转转向轴25时，测量来自旋转致动器42的扭矩输出。可以沿转向轴25的转向轴线13同轴连接扭矩传感器44，使得旋转致动器42的旋转施加由扭矩传感器44测量的转向扭矩。扭矩传感器44进而直接测量转向扭矩(箭头T₄₄)并将测量的值传送到控制器50。一旦步骤S106已经完成，则方法100进行到步骤S108。

在步骤S108，图1的控制器50接着接收所测量的转向扭矩(箭头T₄₄)并且确定在测试中的任何点处接收到的所测量的转向扭矩(箭头T₄₄)的局部最大/最小峰值振幅之间的差(Δ)是否超过指示粘滑状况的经校准的阈值。这个阈值可以在测试期间离线确定，因为经校准的阈值可以预期随着转向器20、EPS系统和/或其内使用转向器20、EPS系统的车辆的特定设计而改变。也就是说，一些扭矩值将被车辆的驾驶员感知为穿过转向柱的扭矩扰动，而其他扭矩值将不会被车辆的驾驶员感知为穿过转向柱的扭矩扰动，其中经校准的阈值振幅被设置在控制器50的存储器(M)中以用于正被测试的特定转向器20。因此，所提及的0.3Nm实例仅仅是一个可能的阈值。如果差(Δ)超过指示粘滑状况的经校准的阈值，那么如由箭头Y所指示，方法100进行到步骤S110。否则，如由箭头N所指示，方法100进行到步骤S112。

步骤S110可以包括关于图1的转向器20或转向系统10执行控制动作。例如，控制器50可以产生输出信号(图1的箭头11)以记录或输出第一诊断代码，即指示粘滞状况的响应。另外的控制步骤可能需要使用第一诊断代码诸如通过在诊断代码被记录或建立设计规范时拒绝设计验证 过程中的给定设计或可以通过对正被测试的特定转向器20执行维护动作来验证转向器20或转向系统10的给定设计。

当所计算的差(Δ)不超过经校准的阈值差时或换句话来说当没有检测到可感知的粘滞状况时，到达步骤S112。当没有检测到阈值粘滞状况时，步骤S112可能需要通过控制器50、再次通过输出信号(图1的箭头11)记录第二诊断代码。由于步骤S112指示正常运作的转向器20或系统10，另外的控制步骤可能需要使用第二诊断代码以诸如通过接受验证过程中的给定设计或建立设计规范来验证转向器20或系统10的给定设计。

如本文关于任何所公开的值或范围所使用的，术语“约”指示所述数值允许略微不精确，例如合理地接近所述值或近似所述值，诸如所述值或范围的±10％。如果由术语“约”提供的不精确不在本领域中作此通常意义的另外理解，那么如本文所使用的“约”指示可能由测量和使用这些参数的通常方法引起的至少若干变动。另外，范围的公开包括整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开。

具体实施方式和附图或视图支持并且描述了本发明，但是本发明的范围仅仅由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实现所要求保护的公开内容的最佳方式和其他实施例中的一些，但是存在用于实践随附权利要求书中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。而是，在实施例的一个实例中描述的每个特性可与来自其他实施例的一个或多个其他期望特性组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考附图描述的其他实施例。因此，这些其他实施例落在随附权利要求书的范围的框架内。