电动助力转向系统及其电动和/或电动液压式转向系统

摘要

本发明涉及一种电动助力转向系统，其包括转向器、控制器和阻力传感器，其中，所述阻力传感器测量车辆转向作用于转向器中的转向部件的阻力，所述控制器根据车辆速度以及转向部件的阻力实时地选择助力曲线，转向器根据所选择的助力曲线提供助力。本发明还涉及具有前述电动助力转向系统的电动转向系统和电动液压式转向系统。本发明有利地解决了因转向阻力变化引起的方向盘转角相同而作用于方向盘的手力不同、从而驾驶感觉不同的问题，保证了最佳的方向盘力矩和手感及行车安全性。

说明书

技术领域

概括地说，本发明涉及车辆的电动转向系统和电动液压式转向系统；更具体地说，本发明涉及车辆的电动助力转向系统领域。

背景技术

转向系统是汽车上的重要总成之一，它的主要作用是改变或者保持汽车的行驶方向。目前实际中所使用的转向系统多采用液压助力转向，但是，电动助力转向系统在整车上的应用逐渐增多。

电动助力转向系统根据助力模块的安装位置可以分为管柱端助力式(助力模块安装于转向管柱上)、小齿轮端助力式(助力模块安装于转向小齿轮输入轴上)、双小齿轮助力式(助力模块安装于转向齿条上)、齿条助力式(助力模块安装于转向齿条上)等类型。这些电动助力转向助力系统都包含方向盘转角传感器1、转向管柱2、机械转向器3、减速机构4、助力电机5、控制器6、小齿轮输入轴7、方向盘扭矩传感器8等。

如图1所示，管柱式电动助力转向系统是将助力电机5和减速机构4集成在了转向管柱2上，助力电机5通过减速机构4进行降转速升扭矩，然后减速机构4将增大后的电机扭矩传递给转向管柱2，继而向下传递给了小齿轮输入轴7和机械转向器3中的齿条(未图示)，从而通过转向拉杆带动转向车轮完成转向动作。

如图2所示，小齿轮式电动助力转向系统是将助力电机5和减速机构4集成在了机械转向器3的小齿轮输入轴7上，助力电机5通过减速机构4进行降转速升扭矩，然后减速机构5将增大后的电机扭矩传递给小齿轮输入轴7，继而传递给了机械转向器3中的齿条，从而通过转向拉杆带动转向车轮完成转向动作。

如图3所示，双小齿轮式电动助力转向系统是将助力电机5和减速机构4和一个小齿轮集成在了机械转向器3中的齿条上，助力电机5通过减速机构4进行降转速升扭矩，然后减速机构4将增大后的电机扭矩传递给减速机构4中的小齿轮，继而传递给了机械转向器3中的齿条，从而通过转向拉杆带动转向车轮完成转向动作。

如图4所示，齿条式电动助力转向系统是将助力电机5和减速机构4直接集成在了机械转向器2的齿条上，助力电机5通过减速机构4(图中为皮带传动式减速机构)进行降转速升扭矩，然后减速机构4将增大后的电机扭矩传递给机械转向器3中的齿条，从而通过转向拉杆带动转向车轮完成转向动作。

现有的电动助力转向系统的工作原理图均可参看图5。电源11为控制器6提供能量，控制器接6收发动机点火信号9、车速信号10、方向盘转角传感器1传输的转角信号、方向盘扭矩传感器8传输的扭矩信号然后进行运算，选择合适的助力曲线(如图6所示)，然后控制器6驱动助力电机5动作，助力电机5输出合适的扭矩，减速机构4将扭矩增大后传递给机械转向器3——转向管柱式转向系统中是通过转向管柱2间接地将助力扭矩传递给机械转向器3的——从而驱动转向车轮完成转向操作，也减轻了驾驶员的负担。需注意的是，驱动转向器3运转的扭矩包含了驾驶员施加在转向管柱2上的手力和助力电机5的助力扭矩。

目前的电动助力转向系统虽然会根据车速的不同选择控制器中的不同的助力曲线从而改变助力的大小，但是助力曲线却不会根据车辆的转向阻力发生变化。换言之，虽然引起转向阻力变化的原因很多，如乘客数目变化、路况变化等，但是，在车速一定时，不管转向阻力发生什么变化，电动助力转向系统采用的助力曲线均不变化。在相同车速和相同的方向盘转角时，如果转向阻力发生变化，则由于此时电动助力转向系统提供的助力不变，最终导致驾驶感觉不同。例如在冰雪路面上或者车辆上只有驾驶员一人时，转向阻力明显减小，在各个方向盘转角时，方向盘明显比在正常柏油路面或者车辆满载时偏轻，行车安全性受到影响。

另外，目前驾驶员在车内转动方向盘时并不能直接观察到转向车轮的具体转角，从而不知道转向车轮的准确方位，很大程度上只能依靠方向盘的位置和车辆下一步的走向或者经验感觉粗略地判断车轮的方位，这种估计往往存在较大的误差。尤其是倒车时，方向盘操纵特别频繁，一会左打方向，一会右打方向，如果真要在车内较准确地判断此时转向车轮的转角和方位，那就要始终记住自己对方向盘的操作，这显然是比较麻烦而且容易出错的。但往往又存在停车车位给驾驶员的停车空间很有限的问题，当车辆在运动中时，如果转向车轮的方位和转角判断出错，导致方向盘角度打过了或者打的角度不足，这时轻则花费很长时间才将车辆准确倒库，重则碰撞了两旁的车辆或障碍物。目前所有的转向系统均存在这一问题。

再者，当驾驶员长时间开车时，容易产生驾驶疲劳以至于出现驾驶员打瞌睡的情况。这种情况十分危险，及易发生交通事故。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种电动助力转向系统，其包括转向器、控制器和阻力传感器，其特征在于，所述阻力传感器测量车辆转向作用于转向器中的转向部件的阻力，所述控制器根据车辆速度以及转向部件的阻力实时地选择助力曲线，转向器根据所选择的助力曲线提供助力。通过这种电动助力转向系统，使得在同一种车速下、转向阻力改变时，电动助力转向系统的助力曲线也相应变化。例如，在同一车速下同时例如车辆行驶于冰雪路面上或者车上只乘坐驾驶员一人时，如果转向助力变小，则电动助力转向系统的助力曲线能够接近于b曲线(参看图9)；而当例如车辆行驶于正常的柏油路面或者车辆满载时车辆的转向阻力恢复正常或者变大时，电动助力转向系统的助力曲线能够接近于a曲线(参看图9)，从而在各种情况下将转向阻力的变化对驾驶员手感的影响降至最小，保证了最佳的方向盘力矩和手感并且保证了行车安全性。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，所述转向部件是转向器中的转向齿条。由于驾驶员的转向操纵力矩最终转换为转向齿条的直线推力，转向助力也是直接或者间接地转换为转向齿条的直线推力，从而推动转向车轮转动，而转向阻力也是比较直接、比较真实地传递到了转向齿条上，所以将转向部件设置为转向齿条有助于真实地测量实际的转向阻力。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，所述转向部件是转向器中的转向拉杆。转向拉杆作为转向部件的优点在于传递的转向阻力比较直接，布置转向阻力传感器也比较容易。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，所述助力曲线是带状区间。带状区间的助力曲线为同一车速下但转向阻力不同的情况提供了更为精准的不同的助力曲线，从而在各种情况下将转向阻力的变化对驾驶员手感的影响降至最小，保证了最佳的方向盘力矩和手感并且保证了行车安全性。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，所述转向器是管柱端助力式转向器、小齿轮端助力式转向器、双小齿轮助力式转向器或齿条助力式转向器。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其进一步包括显示屏以及方向盘转角传感器，显示屏能够显示由方向盘转角传感器的方向盘转角信号转换所得的车轮转角信息。通过这种电动助力转向系统，使得在倒车时能够直观地实时地看到转向车轮的角度和方位(参看图10)，从而避免了盲目地左右来回打方向进行倒车以及对旁边的物体产生可能的碰撞，使得倒车操作准确无误，节约了倒车时间和倒车时燃油的消耗；对于新手司机来说更是对倒车操作提供了便捷而及时的信息。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，显示屏单独布置在仪表板上。车轮转角显示屏单独布置的优点在于它并不影响DVD显示屏的诸多功能。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，显示屏与DVD显示屏集成为一体。车轮转角显示屏与DVD显示屏集成为一体的优点在于成本低，一屏多用，节省布置空间，不再需要单独为车轮转角显示屏预留空间等。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其进一步包括唤醒装置。通过这种电动助力转向系统可以使得汽车具有驾驶员疲劳驾驶时的警示提醒功能，该唤醒装置与电动助力转向系统的控制器相连，当方向盘长期不动时，例如方向盘转角较长时间不发生显著变化，则电动助力转向系统控制器就会认为驾驶员这时出现疲劳驾驶的情况从而向唤醒装置发出信号，唤醒装置立刻发出特殊的唤醒信号，唤醒驾驶员以使其注意集中精力驾驶车辆或者劝驾驶员停车休息，能够有效避免疲劳驾驶时可能产生的交通事故隐患。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，唤醒装置是语音提醒装置，其根据方向盘的停动时间和/或转角变化大小发出警示音。采用此种方法来唤醒处于疲劳驾驶中的驾驶员的优点在于提醒信号更为醒目，提醒效果更为明显。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，所述警示音逐渐增大。让声音逐渐增大的优点在于使驾驶员不会因为突来的较大的声音唤醒信号而出现惊慌失措的危险情况。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，所述警示音为“请注意集中精力”或者“请您停车休息片刻”。采用此类声音的优点在于能够更为形象地、醒目地提醒驾驶员不要疲劳驾驶，当然也可以操用其他声音内容。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其中，当方向盘的停动时间大于60秒时语音提醒装置发出警示音。规定方向盘停动时间为大于60秒只是举例说明，当然也可以选择方向盘的停动时间为其他数值，之所以采用方向盘的停动时间作为判断驾驶员是否疲劳的条件，是因为如果没有疲劳驾驶，那么方向盘是不可能长时间(例如60秒)不动的，利用方向盘的停动时间作为判断是否疲劳驾驶比使用其他方法来说更为直接和有效。

可选地，如前所述的电动助力转向系统，其进一步包括用于控制语音提醒装置的控制开关。采用此控制开关的优点在于如果驾驶员认为自己精力很充沛(例如已经进行了长时间的休息)的话，他可以自由选择将语音提醒装置关闭，从而自己可以安心驾驶车辆。

根据本发明的另一方面，提供了一种电动转向系统，其具有任一如前所述所述的电动助力转向系统。

根据本发明的再一方面，提供了一种电动液压式转向系统，其具有任一如前所述的电动助力转向系统。

附图说明

结合附图，根据后面具体实施方式的详细描述，本发明的前述和其它目的、特征和优点将变得非常显然。图中：

图1是管柱式电动助力转向系统结构简图；

图2是小齿轮式电动助力转向系统结构简图；

图3是双小齿轮式电动助力转向系统结构简图；

图4是齿条式电动助力转向系统结构简图；

图5是现有技术电动助力转向系统的工作原理图；

图6是现有技术电动助力转向系统的助力曲线图；

图7是根据本发明应用于小齿轮式电动助力转向系统的结构简图；

图8是根据本发明的电动助力转向系统的工作原理图；

图9是根据本发明的电动助力转向系统助力曲线图；

图10是根据本发明的电动助力转向系统中的转向车轮角度的显示样式。

应当了解，如上所述的附图仅具说明性的目的而并非意在限定本发明的范围；这些附图也并不一定是按实际比例绘制的，某些特征可能会已放大比例以示出特定的细节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的示例性具体实施方式进行更详细的说明。

在本发明的一个实施方式中，电动助力转向系统包括转向器3、控制器6和阻力传感器13，其中所述阻力传感器13测量车辆转向作用于转向器中的转向部件的阻力，所述控制器根据车辆速度以及转向部件的阻力实时地选择助力曲线，转向器根据所选择的助力曲线提供助力。

更具体地说，本发明所述的电动助力转向系统，可以包括下列组件：方向盘转角传感器1、转向管柱2、机械转向器3、减速机构4、助力电机5、控制器6、小齿轮输入轴7、方向盘扭矩传感器8、转向阻力(齿条阻力)传感器13，也可以进一步包括转向车轮转角显示屏12和唤醒装置例如语音提醒装置14等。不难了解，与现有技术相比，本发明在零件构成上增加了转向阻力(齿条阻力)传感器13以及转向车轮转角显示屏12、唤醒装置例如语音提醒装置14等。当前的电动助力转向器为四种类型：管柱式电动助力、小齿轮式电动助力、双小齿轮式、齿条式。由于这四种电动转向器的工作原理和组成基本相同，所以这里仅以小齿轮式电动助力转向器为例，说明本发明的工作原理。本发明当然可以应用在管柱式、双小齿轮式、齿条式电动助力转向系统中。

图7中示出了本发明应用于小齿轮式电动助力转向系统的结构简图。在转向管柱2上装有方向盘转角传感器1，结构形式和工作原理不作限制，用以测量方向盘转角；转向管柱2的下端和机械转向器3上的小齿轮输入轴7相连；方向盘扭矩传感器8安装在小齿轮输入轴7上，结构形式和工作原理不作限制，用以测量方向盘扭矩；减速机构4(结构形式不作限制，如蜗轮蜗杆等)和助力电机5集成(安装)在小齿轮输入轴7上，助力电机5将扭矩输出给减速机构4，继而传递给小齿轮输入轴7；控制器6安装在汽车前舱内，也可以集成在机械转向器3上或者其他位置，控制器6与其他零件(如电源、电机、传感器等)的线束并未画出；转向阻力(齿条阻力)传感器13可安装在转向器的内部的齿条上或者转向拉杆上，或者其它地方，该传感器的工作原理和结构形式不作限制，它用来测量转向阻力(齿条阻力)的值。转向车轮转角显示屏12安装在驾驶舱内的仪表板上，用来显示转向车轮的转角和方位，其转角显示样式可以设计为如图10的样式。语音提醒装置14，安装位置和工作原理不做限制，可以安装在仪表板或者靠近驾驶员耳朵附近的地方，或者其它地方，用于在驾驶员疲劳驾驶时可能因打盹而停止操作方向时立刻发出特殊的声音提醒信号，提醒驾驶员注意集中精力驾驶车辆或者劝驾驶员停车休息，语音提醒装置14和控制器6用信号线(图中未画出)相连，并接收来自控制器6的指令信号。

本发明工作原理图均可参看图8。其中，电源11(车载电源)为控制器6提供能量，控制器接6收发动机点火信号9、车速信号10、方向盘转角传感器1传输的转角信号、方向盘扭矩传感器8传输的扭矩信号、转向阻力(齿条阻力)传感器13传输的真实的转向阻力信号、然后进行运算，从存储的多条助力曲线中选择合适的助力曲线(如图9所示)，然而该助力曲线图相对于图6所示的助力曲线图发生了很大的变化，原来的助力曲线图(图6)在每个车速下只对应一条助力曲线，也就是说，车速一定，助力曲线也就一定，而图9所示的助力曲线图中的每个车速下不再是一条曲线而是一个带状区间(如零车速时的助力曲线为从曲线a到曲线b的一个区间)，那么控制器6根据车速信号10也只能选择助力曲线带(例如曲线a到曲线b的一个区间)，再根据转向阻力(齿条阻力)传感器13向控制器6传输的转向阻力信号，才能选定助力曲线(例如可以选定助力曲线靠近a或者b)，这就是本发明引入转向阻力(齿条阻力)传感器13的重要作用，控制器6这才能够对助力电机5发出指令，助力电机5输出合适的扭矩，该扭矩经减速机构4增大后传递给机械转向器3(转向管柱式的则是通过转向管柱2间接地将助力扭矩传递给机械转向器3的)，从而驱动转向车轮完成极佳的转向动作。注：驱动转向器3运转的扭矩包含了驾驶员施加在转向管柱2上的手力和助力电机5的助力扭矩。这就解决了原电动助力转向系统当车辆上的乘客数量或者路况等发生变化时，从而导致转向阻力(齿条阻力)变化，从而导致方向盘手力(手感)发生变化，最终影响行车安全性这一问题。本发明所述的电动助力转向系统，其控制器不但根据车速信号，而且根据转向阻力(齿条阻力)信号共同来选择最优的助力曲线，从而达到了向盘手力(手感)不会因转向阻力的变化而变化，从而提高了行车安全性。这是本发明的第一个优点。

与此同时，控制器6接收方向盘转角传感器1传输的转角信号，将之转换为真实的转向车轮的转角信号，而布置在仪表盘上的转向车轮转角显示屏接收到该信号后，将之很形象地显示出来(显示样式如图10)，使驾驶员对转向车轮的偏转角度有了直观的判断，从而在倒车时不会盲目地打方向，极大地方便了驾驶员的倒车操作，使得倒车操作准确无误，避免了倒车时对旁边的物体产生可能的碰撞、节约了倒车时间和倒车时燃油的消耗，为驾驶员特别是新手司机进行倒车操作提供了便捷而及时的信息。这是本发明的第二的优点。

另外，我们知道，如果驾驶员出现疲劳驾驶的迹象时，往往反映迟钝，甚至出现打盹现象，那么这时，车辆的转向动作就会停止，也就是说，方向盘几乎停止转动了，因为司机“睡着了”。那么，本发明所述的电动助力转向器，控制器6接收方向盘转角传感器1传输的转角信号，并实时监测此信号的变化的频率和大小，如果方向盘转角信号很长时间(例如可以规定为大于60秒等等)不发生显著变化(例如显著变化可定义为：相对于上一次转角位置，本次转向超过10度等等)，那么，控制器6就会认为驾驶员此时可能出现驾驶疲劳而“睡着了”，控制器6就会向唤醒装置例如语音提醒装置14发出动作指令信号，语音提醒装置14就会连续发出类似“请注意集中精力”或者“请您停车休息片刻”，或者其它有警示作用的声音，且声音逐渐增大，用来提醒驾驶员注意集中精力，不要疲劳驾驶，以免出现交通事故。这是本发明的第三个优点。当然，如果有人觉得此提醒声音觉得比较吵闹，那么可以在仪表板或者方向盘上设置开关，或者安装于其它地方，用来控制语音提醒装置14的开与关。

本发明提供了一种电动助力转向系统，不但具有现有电动助力转向系统的所有优点，还能够根据车速信号和转向阻力(齿条阻力)信号共同选择最优的助力曲线，从而达到了向盘手力(手感)不会转向阻力的变化而变化，从而提高了行车安全性。而且能够为驾驶员直观地提供了转向车轮的转角，从而使得驾驶员在倒车时不会盲目地“乱”打方向，极大地方便了驾驶员的倒车操作，使得倒车操作准确无误，避免了倒车时对旁边的物体产生可能的碰撞、节约了倒车时间和倒车时燃油的消耗，为驾驶员特别是新手司机进行倒车操作提供了便捷而及时的信息。并且本发明的控制器实时监测方向盘转角信号，根据其变化频率及变化大小判断驾驶员此时可能出现驾驶疲劳而“睡着了”，及时地给语音提醒装置发出指令，从而连续发出类似“请注意集中精力”或者“请您停车休息片刻”，用来提醒驾驶员注意集中精力，不要疲劳驾驶，以免出现交通事故。

应当注意，在本说明书中，术语“包括”的意思是指存在所述的特征，但并不排除还存在其它的技术特征；在不与说明书的记载矛盾的情况下，涉及到装置或部件数量的词“一”或“一个”等也不排除复数的情况。

此外，在实际应用中，说明书中所涉及的技术特征的各种变型可以重新进行组合。在此公开的具体的结构细节和功能细节不应被解释成是限制性的，而仅仅是用于教示本领域技术人员从多个方面使用本发明的基本工作原理。所以，在未改变本发明的总体构思的情况下，所属技术领域的技术人员可以根据本发明的上述技术方案将本发明的不同特征进行重新组合、改型从而得到更多不同的实施方式，但这些不同的实施方式无疑均落入本发明的保护范围内。