用于线传转向的转向单元 【发明领域】
本发明涉及一种在诸如叉式起重车的车辆中使用的线传转向(steer by wire)的转向单元。在线传转向系统中，方向盘(被司机操纵)和(转向)轮的致动装置之间没有直接的机械连接。更具体地说，本发明涉及一种线传转向的转向单元，其包括用于检测方向盘角度位置的角度检测装置、与所述角度检测装置相连并可和车轮位置检测器相连的处理装置，车轮位置检测器提供表示车辆转向轮的位置的输出信号，所述处理装置可与转向致动装置相连，所述转向致动装置与转向轮机械相连，根据方向盘的角度位置，所述处理装置驱动转向致动装置。
背景技术
德国专利申请DE-A-198 34 868介绍了一种在电动车辆内应用的线传转向的方向盘调整单元。它包括用于检测方向盘的转动运动的角度检测装置。通过两个多余电动机向司机提供反馈。所述调整单元可以与用于驱动电动车辆的转向轮的致动装置相连。
这种调整单元的缺点是，它要求一个电动机向司机提供人工感觉(反馈)。其被前轮正在转向的电动车辆地自身矫直效果所导致，从而要求一电动机驱动方向盘。
发明概述
本发明寻求提供一种在线传转向应用中所使用的转向单元，提供一种成本合理的方案，以便在多种环境下向驾驶者提供反馈。
根据本发明的一个方面，提供一种前序部分所确定类型的转向单元，其中转向单元还包括用于向方向盘提供摩擦力的摩擦装置，摩擦装置与处理单元相连，该处理装置被设置的根据车轮位置传感器输出信号而驱动摩擦装置。提供一种成本非常经济的方案，从而向操纵车辆的方向盘的司机提供人工感觉，具体地说，当在叉式起重车中使用时。当操纵车辆的前轮时，电制动器是一种非常经济的方案，向司机提供一种人工感觉。在叉式起重车中，在转向之后，转向轮将不返回中心位置(这将是不希望的效果)，为此应用，本发明特别适用。
在本发明的实施例中，设置所述处理装置用于在终点止动位置(endstops)激发摩擦装置。终点止动位置可以对应于转向致动装置的机械限制，或处理装置可以被设置的根据至少一个车辆参数确定终点止动位置。该至少一个车辆参数是车辆速度、负荷、负荷高度中的一个或多个参数。基于不同的参数，确保提供可变的方向盘的终点止动位置。允许非常灵活的考虑多种环境的实际终点止动位置系统。具体地说，对于叉式起重车，负荷和负荷高度将导致车辆操纵非常安全，实际终点止动位置阻止司机急转弯，由于实际终点止动位置将限制司机进一步转向。采用这种方式，转向轮的位置反馈被给予司机。这将改善转向控制的响应并将改善安全性。
在另一个实施例中，处理装置被设置的在接近所述终点止动位置时逐渐增加方向盘上的摩擦。将提醒司机他正在接近可能的危险的环境，或至少他接近他的车辆的转向极限。
在另一个实施例中，处理装置被如此设置，从而与方向盘沿与第一方向相反的方向转动时相比，当方向盘沿第一方向转动时，驱动所述摩擦装置施加更大的摩擦力。在该实施例中，当在弯路转弯时，司机将感觉到方向盘上的一较大摩擦力，当司机不在弯路上行驶时，司机将感觉到一较小摩擦力。
处理装置被如此设置，从而当由角度检测装置所确定的方向盘的转动速率比转向致动装置的相应的最大转动速率大时，增加方向盘的摩擦。将阻止司机给予线传转向系统太大的输入，阻止转向轮的启动落后于方向盘的转动的问题。根据方向盘和转向轮之间的角度误差，采用上述方式，也可以控制方向盘上的摩擦。
在另一个实施例中，处理装置被设置的调节方向盘转动和转向轮转动之间的比值。这允许改变方向盘的绝对角度位置和转向轮的绝对角度位置之间的关系。该实施例也允许恢复与转向轮的中间位置(车辆直线驱动)相应的方向盘的中间位置。
根据本发明的另一个实施例，摩擦装置与转向轮的第一元件啮合，方向盘包括与所述第一元件相连的挠性联轴节，处理装置被如此设置，从而当根据角度检测装置信号检测发现方向盘的方向改变时，送开摩擦装置。当摩擦装置啮合时(方向盘上的高摩擦力)，挠性联轴节允许司机将方向盘转离终点止动位置，这也可以被角度检测装置检测。一旦检测到该事件，处理装置可以送开摩擦装置。例如通过提供弹性材料制作的长和薄的方向盘轴，或使用弹性元件的其他工具，例如被连接到方向盘轴或摩擦装置上的提升小绞车(puffer)，可以提供挠性联轴节。然而通过简单地为运动提供一些间隙或空间，可以获得相同的效果。在另一个实施例中，转向单元还包括用于检测方向盘轴上扭力的检测元件，该检测元件与处理装置相连。此时，处理装置被如此设置，当所检测到的方向盘上的扭力改变方向时，降低方向盘轴上的摩擦。当司机希望使转向轮向相反方向转向时，允许快速地送开方向盘上的摩擦力。
在另一个实施例中，转向单元还包括至少一个用于检测车辆的车轮上的外扭矩的车轮扭矩传感器，该车轮扭矩传感器与处理装置相连。此时处理装置被如此设置，从而依靠车轮扭矩传感器的输出，驱动摩擦装置。也就是当转向轮撞击路缘石时，允许给予司机一转向轮上外力的实际反馈。
在本发明的实施例中，摩擦装置可以包括电控制动器，例如电磁制动器或磁流变(magnetorheological)液压式制动器。电磁制动器或磁流变液压式制动器包括分别使用电信号和磁信号控制粘度的流体。电磁制动器例如可以包括被连接到方向盘轴上的盘以及至少一个基本上平行于所述盘被设置的电磁线圈，所述电磁线圈与处理装置相连。提供一种非常经济的摩擦装置。在另一个实施例中，利用挠性联轴节将所述盘连接到方向盘轴上。这阻止方向盘的突然阻塞，允许司机再移动方向盘一点，更舒适。也改善方向盘上的扭距传感器的操作。
在本发明另一个实施例中，摩擦装置包括机械阻塞装置。可以利用非常经济的方式，获得上述机械阻塞装置，并提供线传转向系统的不同的终点止动位置。在一个实施例中，所述机械阻塞装置包括被连接到方向盘的轴上的盘和阻塞元件，在周边上，盘配备有至少一个锯齿轮廓，阻塞元件可以被致动装置在塞位置和停止位置之间控制。通过在所述盘上设置双相反的锯形齿轮廓，可以在两个转向方向操纵摩擦装置。在另一个实施例中，所述致动装置包括一用于检测所述阻塞元件的运动的传感器，允许简单和经济地检测司机的反转向动作。阻塞装置被设置的当接近终点止动位置时，锯形齿轮廓允许方向盘沿相反方向转动，使用不同的装置可以检测发现方向盘沿相反方向的转动。
在另一个实施例中，所述机械阻塞装置包括被连接到方向盘的轴上的盘和阻塞元件，在周边上，盘配备有半球形凹入部分，阻塞元件可以在阻塞元件与半球形凹入部分啮合的第一位置和盘可以自由转动的第二位置之间运动。
下文将结合附图使用多个实施例介绍本发明。
附图简介
下文通过使用一些实施例结合附图对本发明进行详尽的介绍。
图1是一个示意性显示了符合本发明一个实施例在线传转向应用中使用的转向装置的视图；
图2显示了在本发明一个实施例中所使用的转向单元的断面图；
图3显示了符合本发明另一个实施例的转向单元的分解视图；
图4a显示了机械阻塞装置的第一实施例的局部侧视图；
图4b是图4a所示实施例的俯视图；
图5显示了机械阻塞装置的第二实施例的局部侧视图。
优选实施例介绍
图1是一个示意性显示在线传转向技术应用中所使用的转向装置的视图。处理装置或控制器10是转向装置的主要单元，接收不同的输入信号并控制其它一些设备。车辆驾驶员使用方向盘11控制车辆的转向轮20的位置。转向轮20的角度位置被致动装置21控制，所述致动装置21可以是液压致动装置或电或机械驱动致动装置。
方向盘11(轴17)的角度位置被角度检测装置检测，例如与控制器10相连的角度检测器12。为了某些应用，角度检测器12可以是增量类型，也就是输出信号与角度角位移成比例。然而，为了诸如下述更改进的功能，为了转向一圈(2π)或多圈(例如+/-3π)，角度检测器12应该输出与方向盘11的绝对位置有关的信号。利用一绝对角度检测器12，方向盘11的转向角度直接与驱动方向有关(转向轮的转向角度)。当需要冗余的时，角度检测器12可以包括两个检测器。
利用任意的扭矩检测器13，施加在方向盘11上的扭矩可以被检测并被输入到控制器10。控制器10也从测量车辆转向轮20的实际角度位置的车轮角度检测器22接收输入信号。如图1所示，通过检测致动装置21(元件)的位置，间接实现测量车辆转向轮20的实际角度位置。另外，车轮角度检测器22可以与转向轮20一起安装，也就是与主销组件为一体。
此外，控制器10可以接收表示车辆速度的速度信号24。控制器10可以与紧急制动器25也就是允许进行紧急制动的电磁制动系统相连。
在另一个实施例中，转向装置可以还配备有一车轮扭矩检测器23，其可以向控制器10提供一表示由转向轮20施加到致动装置21上的扭矩的信号，也就是与从外部施加到转向轮20上的扭矩成比例的信号。这可以由车辆在一定转弯半径时高速转弯所导致。
如图1所示，转向装置还包括摩擦装置14，从而在操纵方向盘11时，确保给予驾驶员人工转向感觉。在所示实施例中，摩擦装置14包括电磁制动器。该电磁制动器可以包括盘15，盘15被固定在方向盘11的轴17上并最好由高可渗透磁材料制成。定子16被设置的平行于盘15并包括一些电磁线圈。通过向定子16上的电磁线圈通电，为方向盘11产生一摩擦力，也就是车辆的驾驶员必须更费力地操纵方向盘进行转向。通过改变赋予定子16上线圈的驱动信号的强度，可以产生变化的摩擦力。
上述转向装置可以被有效地使用，通过给定子16上线圈提供高于阈值的通电，为方向盘11提供(实质上)终点止动位置(end-stops)。可以用多种方式实施这种操作。
首先，当致动装置21(和从转向轮20)处于它们极端位置也就是被机械制约所确定位置中的一个位置时，控制器10可以从致动装置21接收实际位置信号并进行检测。在该极端点，控制器10向定子16上的线圈提供高于阈值的通电，有效地阻止方向盘11进一步转向(有效地提供终点止动位置)。
控制器10可以在转向轮20的任何其它角度位置确定实际终点止动位置，在该位置，方向盘11不可能沿相同方向进一步转向。依靠车辆速度信号24，实际终点止动位置可以被控制，有效地建立取决于车辆速度的车辆最大转向半径。除了速度信号24，其它信号也可以被输入到控制器10从而建立实际终点止动位置，例如叉式起重车的负荷重量(loadweight)或负荷高度(load height)。控制器10可以使用车辆(叉式起重车)模型，以便基于一些输入参数(速度、负荷、负荷高度等)建立所述实际终点止动位置。
除了提供(实际)终点止动位置之外，控制器10也可以被设置的当接近(实际)终点止动位置时逐渐增加摩擦装置14的摩擦力。可以根据来自车轮角度检测器22的信号确定是否接近(实际)终点止动位置。驾驶员然后将感觉他接近车辆转向能力的极限。采用相同方式，在弯路转向时向方向盘11的轴17上施加更高的摩擦力而在弯路之外的道路上进行转向时施加较小摩擦力，可以向司机提供人工感觉。
当控制器10检测发现方向盘11的转向速度大于致动装置21的最大角速度(被物理限制)时，摩擦装置14所施加的摩擦力也可以被增加。根据来自角度检测器12的信号，方向盘11的转向速度可以被控制器10确定。
扭距检测器13提供表示被司机施加到方向盘11上的扭距的信号。当司机开始转向时，摩擦装置14向方向盘11施加摩擦力，扭距检测器13检测第一方向的扭距。当司机希望向回转向时，摩擦装置14将仍然施加摩擦力。一旦扭距检测器13给予控制器10一表示相反方向(表示司机希望向回转向)上扭距的信号，控制器10将松开摩擦装置14或减少所施加的摩擦力。
本发明也允许改变方向盘11的中间位置。由于方向盘11和转向轮20之间没有直接的机械耦合，可能出现下述形势，也就是当方向盘11处于中间位置时，转向轮20不在中间角度位置(车辆直线行驶)。对于车辆驾驶员来说，这可能非常不适应。本发明允许改变方向盘11的中间位置，也就是调节控制器10内的灵敏度(方向盘11的转向角和转向轮20的转向角的比值)。
控制器10还可以被设置成使用来自车轮扭距检测器23的信号通过方向盘11向司机提供更逼真的人工感觉。当外力被施加到车辆的转向轮20上时，被检测的信号被输入到控制器10，其然后可以调节摩擦装置14的摩擦力。当车辆撞击路缘石时通过方向盘11的反作用，可以给予司机感觉表示。
此外，控制器10可以提供一安全检测功能。控制器10可以检测是否所有元件(检测器、致动装置)都正常发挥功能。在另一个实施例中，控制器10可以配备一与可用的车辆控制系统相连的接口，例如CAN总线接口。利用所述CAN总线接口，一些参数(实际转向角、报警信号、状态等)可以被提供到所述车辆控制系统或车辆上的其它元件。
在一实施例中，车轮角度检测器22可以被组装在主销组件上，以便向控制器10提供实际转向角度信号。控制器10然后可以被设置，以便确定与所检测到的转向角度有关的最大速度，也就是使用车辆模型。当车辆是叉式起重车时，所述模型可能结合车辆的重量，但是，也可结合负荷重量和负荷位置。在另一个实施例中，最大计算(可允许的)速度被用于控制车辆的实际速度(当实际转向速度太高时，有效地使车辆减速)。
在本发明另一个实施例中，如图2所示，摩擦装置包括盘15，盘15被可靠地连接到方向盘1的轴17上。该实施例的方向盘部分在图中被显示。图2显示了具有外壳30的方向盘单元，其中，使用两个轴承31和32安装方向盘11的轴17。在所述外壳的前部分，设置角度检测器12和用于(预)处理角度检测信号的任意的电路板33。摩擦装置14的定子16被固定地安装在外壳30上。在这个实施例中，利用诸如橡胶模塑(rubbermolding)的挠性联轴节将盘15(参考上文)连接到方向盘轴17上。由于阻止突然阻塞方向盘11，使司机在操纵方向盘时获得更自然的感觉。即使当摩擦装置14向盘15施加非常大的力时，所述挠性联轴节允许方向盘11可以稍微移动。该实施例也提供了使用简单类型扭距检测器13的可能性。
随机地，控制器10也被组装在转向轮单元内。控制器10可以被用作基于包括存储器的控制单元的微处理器，可以被包含在电路板33上。允许转向单元的结构的集成度更高，使叉式起重车的组装更简单。
致动装置21可以是电液压比例阀，在控制器10的控制下，能够有比例地控制液体流体向致动缸的流动。此时，控制器10可以包括PWM驱动器，以便有效地控制致动装置21。
在图3中，分解视图显示了符合本发明另一个实施例的转向单元的元件。在此图中，与上述实施例功能相同的元件用相同的附图标记表示。图3所示实施例包括方向盘11，在组装状态下，利用转向板44将方向盘11连接到方向盘轴17上。使用前轴承31和后轴承32，方向盘轴17被可转动地安装，在所述装置配备有锁定环43。角度检测器12被安装在检测板45上。
此外，转向单元包括制动衬片15和电磁制动线圈16。使用4个销，检测板45和制动板40被彼此固定连接，也可以被连接到转向单元外壳30(参考图2)上。制动衬片15被固定地连接到方向盘轴17上，使用挠性联轴节，在所示实施例中，其包括4个轴承减振器，电磁制动线圈16被连接到制动板40上。对于本领域技术人员来说，应该清楚的是，方向盘11和摩擦装置14之间的挠性联轴节也可以采用其它一些方式被提供，例如提供一(部分)扰性方向盘轴17。通过使用薄和长弹簧钢元件作为方向盘轴17的一部分，或通过在方向盘轴17上设置提升小绞车(puffer)或安装电磁制动线圈16，可以实现上述目的。
图3所示的转向单元也可以被用于图1所示的装置中。当致动装置21到达它的终点位置时，这可以被角度检测器22检测到(转向轮中的一个或两个转向轮的主销内的检测器)。控制器10将检测到此并激发摩擦装置14到最大值，因而阻止方向盘11进一步运动。当司机向其它方向转动车轮时(利用挠性联轴节使其成为可能)，控制器10将检测来自角度检测器12的信号并改变符号，角度检测器是一绝对编码器。
本发明上述实施例的转向单元所述的摩擦装置14也可以包括机械阻塞装置。图4a和4b分别是机械阻塞装置第一实施例的部分侧视图和俯视图。圆盘50被连接到方向盘轴17上，在所述圆盘的周边上配备有锯齿形轮廓。设置可以与圆盘50的锯齿形轮廓啮合的阻塞元件51，有效地阻塞所述圆盘沿箭头方向转动。阻塞元件也可以被致动装置52转动到阻塞位置(如图所示)和空转位置。如图4b所示，当两个锯齿50、50’被设置在圆盘50的周边上，通过具有两个阻塞元件51、51’，机械阻塞装置可以被使用以便阻止圆盘50沿两个方向转动，所述两个阻塞元件51、51’之间具有固定夹角。致动装置52可以在第一阻塞位置、空转位置和第二阻塞位置之间操纵。
参考图4a，当阻塞元件51与所述锯齿轮廓啮合时，圆盘50可以沿与箭头所示方向相反的方向转动。阻塞元件51的运动可以被检测器检测到，该检测器最好被组合在致动装置52上并与控制器10相连。一旦控制器10检测发现相反的转向运动时，可以驱动致动装置52将阻塞元件在此设置到其空转位置。
图5显示了机械阻塞装置的另一个实施例，其中，圆盘50配备有一些半球形凹入部分。阻塞元件53采用半球形转动元件，阻塞元件53可以在阻塞位置与所述凹入部分啮合，并离开圆盘50，自由地转动到空转位置。这允许在两个方向阻塞方向盘轴17的运动。
除了结合图1、2和3所述的电磁制动器之外，机械阻塞装置也可以被使用。此时，通过控制方向盘上的摩擦而提供转向感觉的功能可以被提供。此时，由于在终点止动位置的阻止功能被该机械阻塞装置提供，电磁制动器可以是较轻的一种。