用于车辆的转向系统的转向控制设备和用于车辆的转向系统的制作方法

本发明涉及用于车辆的转向系统的转向控制设备，其中，所述转向控制设备包括：输入组件，所述输入组件用于接收用于机械转向命令的操作者施加的扭矩；电动马达，所述电动马达以机械的方式联接到所述输入组件，以用于（至少）将马达扭矩施加到所述输入组件；和转向致动转换器，所述转向致动转换器用于将所述机械转向命令转换成用于所述转向系统的机械致动、液压致动和/或电致动，其中，所述转向致动转换器的机械控制接口相对于所述输入组件以机械的方式联接，以便以机械的方式接收所述机械转向命令。本发明还涉及转向系统。

背景技术：

1、用于车辆的各种类型的液压转向系统是已知的。机械转向命令最终导致车辆的一个或多个可转向车轮相对于该车辆的纵向轴线的车轮方向角度的变化，从而改变车辆的移动方向。

2、一些液压转向系统采用电动液压阀（例如，具有紧急制动的故障-安全电动液压转向系统、采用具有至少一个计量泵的传统液压转向单元和电动液压阀组件的混合式转向系统、以及采用冗余电动液压阀的线控转向系统）。

3、例如在de 10 2007 053 024 a1的图1中示出了示例性的液压转向系统。在ep 2762 387 a1中描述了一些修改。液压转向系统包括具有计量泵的（传统）液压转向单元，并且附加地包括允许电子控制的液压转向（电动液压转向）的电动液压阀组件。可以由电子阀组件和液压转向单元致动转向缸。

4、在转向系统中，通常提供输入组件，该输入组件能够由操作者操作以通过施加操作者施加的扭矩来输入机械转向命令。通常，输入组件包括用于从操作者接收操作者施加的扭矩的方向盘。操作者可以以机械的方式操作方向盘，以改变车辆的移动方向。此外，输入组件具有带有转向轴的转向柱。转向轴以机械的方式旋转地联接到方向盘，并且将（与操作者施加的扭矩相对应的）机械转向命令从方向盘转送到转向致动转换器的机械控制接口。然后，转向致动转换器将该机械转向命令“转换”成用于转向系统的机械致动、液压致动和/或电致动。在de 10 2007 053 024 a1的图1和ep 2 762 387 a1所示的液压转向系统中，转向致动转换器是传统的液压转向单元，尤其是计量泵，其用于将机械转向命令转换成用于转向缸的液压致动。计量泵以机械的方式旋转地联接到机械控制接口，并且因此也联接到转向轴和方向盘。

5、在没有其他措施的情况下，传统的液压转向系统不向方向盘提供恢复扭矩，该恢复扭矩用于使方向盘返回到与车轮方向角度为中性（其可以被限定为零）相对应的中性位置。对操作者没有给予触觉转向反馈。

6、为了向操作者提供触觉转向反馈，电动马达可以以机械的方式联接到转向轴。电动马达可以将马达扭矩施加到转向轴，并且因此施加到方向盘。特别地，可以产生用于将方向盘恢复返回到中性位置的恢复扭矩，类似于齿条和小齿轮的转向。

7、如上所述，转向致动转换器的机械控制接口也以机械的方式联接到转向轴。因此，转向致动转换器可能向转向轴施加扭矩扰动。扭矩扰动例如可以包括惯性、反扭矩和任何其他扭矩、对机械控制接口的旋转的影响、和/或相对于机械控制接口的旋转的阻力，并且因此相对于转向轴与方向盘的旋转的阻力。扰动可能来源于所述惯性、摩擦、液压效应等。例如，马达扭矩的一部分可能被与转向致动转换器的机械控制接口联接的机械元件的摩擦“消耗”。

8、通常，马达扭矩对应于在方向盘处应当提供给操作者的期望的触觉转向反馈。由于附加的扭矩扰动，操作者在方向盘处所经历的实际扭矩（实际的触觉转向反馈）与期望的触觉转向反馈不准确地匹配。实际的触觉转向反馈来源于马达扭矩和扭矩扰动的组合。因此，由于扭矩扰动，所经历的实际扭矩可能是不规则的、不可预测的和/或抖动的。这损害了操作者的驾驶满意度和驾驶舒适性。它甚至可能使操作者感到意外和混淆，并且因此损害驾驶安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的是允许揭示对带有用于提供触觉转向反馈的电动马达的转向系统中的驾驶舒适性和驾驶安全性的负面影响。

2、通过具有根据权利要求1的特征的转向控制设备解决该问题。

3、所述转向控制设备是用于车辆的转向系统。

4、所述转向控制设备包括：

5、输入组件（转向输入组件），所述输入组件用于接收用于机械转向命令的操作者施加的扭矩；

6、电动马达，所述电动马达以机械的方式联接到所述输入组件，以用于（至少）将马达扭矩施加到所述输入组件；和

7、转向致动转换器，所述转向致动转换器用于将所述机械转向命令转换成用于所述转向系统的机械致动、液压致动和/或电致动，其中，所述转向致动转换器的机械控制接口相对于所述输入组件以机械的方式联接，以便以机械的方式接收所述机械转向命令。

8、扭矩传感器在功能上布置在所述电动马达与所述转向致动转换器之间。

9、扭矩传感器被配置为检测相对于带有电动马达的输入组件由转向致动转换器施加的扭矩扰动。可以使用扭矩传感器以测量该扭矩扰动。这允许揭示对带有用于提供触觉转向反馈的电动马达的转向系统中的驾驶舒适性和驾驶安全性的负面影响。扭矩传感器可以被配置为提供关于扭矩扰动的信息。关于扭矩扰动的信息可以被用于至少部分地补偿扭矩扰动。尤其是，这可以通过适配马达扭矩来完成，以便至少部分地补偿扭矩扰动，以使输入组件处的实际的触觉转向反馈与期望的触觉转向反馈更好地匹配。

10、根据一个方面，输入组件可以包括转向轴。

11、电动马达的转子可以以机械的方式（例如，直接）联接到转向轴，以用于（至少）将马达扭矩施加到转向轴。

12、附加地或替代地，电动马达的转子形成转向轴的一部分。这允许输入组件的尺寸特别小。

13、转向控制设备可以包括方向盘。方向盘可以旋转地（例如，直接）联接到转向轴。

14、在一个实施例中，转向轴和转向致动转换器的机械控制接口以机械的方式旋转地直接联接。这确保了对机械转向命令的适当且精确的转送，并且允许小的安装空间。

15、转向控制设备可以包括转向柱。转向柱可以包括转向轴的至少一部分。

16、电动马达可以形成输入组件的一部分，例如形成转向柱的一部分。附加地或替代地，电动马达可以形成转向致动转换器的一部分。可以提供对应的整体单元。这对于小尺寸和鲁棒性可以是有益的。

17、转向致动转换器的机械控制接口可以从输入组件接收机械转向命令。输入组件可以将来自操作者的机械转向命令以机械的方式传输/转送到机械控制接口。

18、根据一个方面，转向控制设备能够通过将马达扭矩施加到输入组件来对操作者产生触觉转向反馈。如上所述，转向控制设备使用电动马达来产生/施加马达扭矩。

19、电动马达可以操作以用于主动地移动输入组件（例如，用于旋转转向轴和/或方向盘）。转向控制设备可以被用于至少在某些情况下通过利用电动马达施加马达扭矩，来自动地将输入组件返回到与至少一个可转向车轮的中性车轮方向角度相对应的中性位置。对应的马达扭矩可以被称为“恢复扭矩”，并且可以形成触觉转向反馈的一部分。

20、中性车轮方向角度可以对应于车辆的平行于该车辆的纵向轴线的移动方向和/或车辆的笔直向前移动。

21、扭矩传感器可以被配置为检测所述转向致动转换器的机械控制接口与能够由电动马达驱动的输入组件之间的相对扭矩。该扭矩传感器在功能上布置在电动马达与转向致动转换器之间，而不是在功能上布置在电动马达与方向盘之间。换句话说，该扭矩传感器布置在相对于电动马达的“转换器侧”处（但不布置在相对于电动马达的“操作者侧”）。

22、作为示例，假设以下情况：（一个或多个）可转向车轮偏离中性车轮方向角度，并且车辆正在以某一车辆速度移动。由用于将方向盘旋转回到中性位置（对应于中性车轮方向角度）的由期望的恢复扭矩所组成的期望的触觉转向反馈将作用在方向盘上。根据第一步骤，将由电动马达施加的马达扭矩被设定为期望的触觉转向反馈（即，期望的恢复扭矩）。然而，转向致动转换器施加扭矩扰动，例如阻力，抵抗机械控制接口跟随输入组件的移动（旋转）（例如，由于惯性、摩擦等）。表示该扭矩扰动/阻力的相对扭矩发生在一方面在转向轴的具有电动马达和方向盘的一侧的部分和另一方面在转向致动转换器的机械控制接口之间。扭矩传感器检测该相对扭矩。因此，扭矩传感器可以提供关于扭矩扰动的信息。

23、根据一个方面，所述转向控制设备可以包括用于控制所述电动马达的控制器，其中，所述控制器与所述扭矩传感器以能够操作的方式连接，并且所述控制器被配置为使用来自所述扭矩传感器的信息来控制由所述电动马达施加的所述马达扭矩。在如前段所描述的示例中，控制器可以使用关于扭矩扰动的信息来调整马达扭矩，使得经调整的马达扭矩（至少部分地）补偿扭矩扰动。因此，实际的触觉转向反馈（即，作用在方向盘上的实际恢复扭矩）可以更好地匹配期望的触觉转向反馈（即，期望的恢复扭矩）。例如，控制器可以增加马达扭矩，直到实际的触觉转向反馈（马达扭矩减去扭矩扰动）匹配期望的触觉转向反馈。

24、因此，在一个实施例中，所述转向控制设备（尤其是控制器）被配置为：使用来自所述扭矩传感器的所述信息，在控制用于提供（期望的）触觉转向反馈的所述马达扭矩时至少部分地补偿所述相对扭矩（即，扭矩扰动）。

25、所述控制器可以被配置为：执行闭环控制，以在控制用于提供（期望的）触觉转向反馈的所述马达扭矩时至少部分地补偿所述相对扭矩（即，扭矩扰动）。

26、根据一个方面，转向控制设备（尤其是控制器）可以被配置为在主动转向中（至少在某些情况下）利用电动马达提供阻尼扭矩。“主动转向”可以意味着（包括如下情况）：当操作者主动地以机械的方式操作输入组件以增加至少一个可转向车轮远离中性车轮方向角度的车轮方向角度的时候。阻尼扭矩提供附加的阻力（阻尼），抵抗增加（一个或多个）可转向车轮远离中性位置的车轮方向角度，即抵抗移动输入组件（例如，方向盘）（进一步）远离其中性位置。

27、在一个实施例中，所述控制器被配置为接收车辆速度信息，并且考虑所述车辆速度信息来确定所述马达扭矩。控制器可以包括用于接收车辆速度信息的接口，例如硬件接口和/或软件接口。例如，恢复扭矩的强度和/或阻尼扭矩的强度可以随着车辆速度的增加而增加。

28、附加地或替代地，控制器可以被配置为接收车轮方向角度信息，并且考虑所述车轮方向角度信息来确定所述马达扭矩。控制器可以包括用于接收车轮方向角度信息的接口，例如硬件接口和/或软件接口。例如，恢复扭矩的强度和/或阻尼扭矩的强度可以随着车轮方向角度的增加而增加。

29、控制器可以被配置为接收机械转向输入信息，并且考虑所述机械转向输入信息来确定所述马达扭矩。控制器可以包括用于接收转向输入信息的接口，例如硬件接口和/或软件接口。转向信息可以包括关于输入组件的（例如，旋转）位置的信息和/或关于输入组件的（例如，旋转）移动速度的信息，例如关于方向盘和转向轴中的至少一个的旋转位置和/或旋转移动速度的信息。

30、通常，可以由操作者和/或由电动马达施加机械转向命令。取决于情况，电动马达可以是不活动的，可以施加抵抗操作者施加的扭矩/由操作者施加的机械转向命令工作的马达扭矩，可以施加支持操作者施加的扭矩/由操作者施加的机械转向命令的马达扭矩，或者可以在操作者不施加操作者施加的扭矩/机械转向命令时（例如，在操作者已经将手从方向盘上移开时施加恢复扭矩的情况下）施加马达扭矩。

31、根据一个方面，机械转向命令可以对应于操作者施加的扭矩与马达扭矩的组合。

32、扭矩传感器可以在功能上布置在电动马达（尤其是电动马达的转子）与转向致动转换器之间的任何地方。

33、术语“在功能上布置在电动马达与转向致动转换器之间”可以意味着，扭矩传感器被布置成使得由电动马达施加的马达扭矩和操作者施加的扭矩（完整的机械转向命令）必须通过扭矩传感器以作用在转向致动转换器中。

34、这包括扭矩传感器可以布置在转向致动转换器的机械控制接口处。作为示例，扭矩传感器可以被实施在转向轴与机械控制接口之间的花键接头处。

35、转向轴可以包括扭矩传感器。扭矩传感器可以形成转向轴的一部分。例如，扭矩传感器可以联接该转向轴的两个相邻部分。要提醒的是，电动马达的转子可以形成转向轴的一部分。在一个实施例中，扭矩传感器可以将转子与转向轴的面朝向机械控制接口的一部分以机械的方式联接。

36、转向致动转换器可以包括液压转向单元。液压转向单元可以包括计量泵和电动液压阀组件中的至少一者。转向致动转换器可以被配置为用于将机械转向命令转换成用于转向系统的液压致动，尤其是在用于至少一个转向缸的液压致动中。

37、在一个实施例中，转向致动转换器包括以机械的方式旋转地联接到机械控制接口的计量泵。转向控制设备可以允许通过操作方向盘用计量泵手动泵送液压流体来进行紧急转向。这提供了冗余，例如，如果液压流体供应的泵发生故障。

38、转向控制设备可以被配置为利用扭矩传感器来检测由计量泵施加的抵抗手动泵送（即，抵抗旋转）的阻力。转向控制设备（尤其是控制器）可以被配置为使用电动马达来供应马达扭矩以支持操作者转动方向盘。

39、转向控制设备可以包括用于提供转向输入信息的转向输入传感器。转向输入传感器可以包括位置传感器、移动速度传感器和/或输入扭矩传感器。

40、输入扭矩传感器可以在功能上布置在方向盘与电动马达之间。

41、输入扭矩传感器可以检测输入组件的操作者侧端（例如，方向盘）与该输入组件的具有电动马达的一部分之间的相对扭矩（被称为相对输入扭矩）。它可以提供指示所述相对扭矩的输入扭矩信息。输入扭矩信息指示：

42、- 马达扭矩是否正在与操作者施加的扭矩相反地起作用；

43、- 马达扭矩是否正在沿与操作者施加的扭矩相同的方向起作用；

44、- 是否不存在操作者施加的扭矩（相对输入扭矩为零/不显著）。

45、无论输入扭矩传感器是否如此形成转向控制设备的一部分，但是控制器可以被配置为接收输入扭矩信息，并且考虑机械转向输入信息来确定马达扭矩。控制器可以包括用于接收输入扭矩信息的接口，例如硬件接口和/或软件接口。

46、通过包括布置在花键接头内的至少一个压力感测元件的扭矩传感器来进一步解决上述问题。根据本发明的扭矩传感器可以被称为“花键接头式扭矩传感器”。花键接头式扭矩传感器是本发明的独立方面。

47、花键接头式扭矩传感器允许空间节省地实施扭矩传感器。此外，花键接头式扭矩传感器确保了高操作安全性。即使压力感测元件塌缩，例如由于过量扭矩而塌缩，花键接头仍将发挥功能。压力感测元件的塌缩仅可能会导致在花键接头内略微增加的游隙。

48、所述至少一个压力感测元件可以包括压电元件。

49、花键接头可以包括具有外花键的第一接头构件和具有内花键的第二接头构件。通过内花键与外花键的接合可以以机械的方式旋转地联接第一接头构件和第二接头构件。

50、花键接头式扭矩传感器在没有显著的死区的情况下允许扭矩测量。随着第一接头构件于第二接头构件之间的最小相对旋转位移（例如，低于0.5°，可能低于0.2°），对压力感测元件的压缩可以显著地变化。

51、花键接头式扭矩传感器可以在没有死区的情况下提供扭矩测量。例如，这可以被实现为：花键接头被组装成使得当该花键接头没有传递扭矩时，压力感测元件已经被预压缩。

52、第一接头构件和第二接头构件可以围绕公共的旋转轴线旋转。

53、第一接头构件可以包括具有外花键的径向内接头部分，例如中心轴部分。附加地或替代地，第二接头构件可以包括具有内花键的径向外接头部分，例如外套筒部分。

54、外套筒部分和/或内接头部分可以被认为形成花键接头式扭矩传感器的部分。花键接头可以被认为形成花键接头式扭矩传感器的部分。换句话说，本发明还涉及具有集成的花键接头式扭矩传感器的花键接头。

55、外花键可以包括外花键对接表面，该外花键对接表面相对于局部周向方向是倾斜的，例如具有至少20°的角度，例如具有至少70°的角度。外花键对接表面可以（至少基本上）垂直于局部周向方向。

56、内花键可以包括内花键对接表面，该内花键对接表面相对于局部周向方向是倾斜的，例如具有至少20°的角度，例如具有至少70°的角度。内花键对接表面可以（至少基本上）垂直于局部周向方向。

57、花键接头可以被配置为使得内花键对接表面可以邻接并且接合外花键对接表面，以将第一接头构件的旋转运动传递到第二接头构件，和/或反之亦然。

58、例如，至少一个压力感测元件可以布置在内花键对接表面中的一个内花键对接表面与相邻的外花键对接表面之间。至少一个压力感测元件可以固定到该内花键接口和/或该外花键对接表面。

59、对至少一个压力感测元件的压缩可以随着沿着第一相对旋转方向从第一接头构件到第二接头构件的扭矩传递的增加而增加。增加从第一接头构件到第二接头构件的扭矩传递，可以导致逐渐增大的微小的第一接头构件到第二接头构件沿第一相对旋转方向的相对旋转位移。由此，这对应于对至少一个压力感测元件的压缩随着沿着与第一相对旋转方向相反的第二相对旋转方向（正作用等于反作用）从第二接头构件到第一接头构件的扭矩传递的增加而增加。

60、在一个实施例中，扭矩传感器包括第二压力感测元件（即，至少一个另外的压力感测元件）。第二压力感测元件也布置在花键接头内。

61、压力感测元件中的至少一个、若干个或全部可以分别包括压电元件（或由压电元件组成）。

62、对第二压力感测元件的压缩可以随着沿着第二相对旋转方向从第一接头构件到第二接头构件的扭矩传递的增加而增加。自然地，这对应于对第二压力感测元件的压缩随着沿着第一相对旋转方向从第二接头构件到第一接头构件的扭矩传递的增加而增加。因此，可以高度准确地测量相对于两个旋转方向的相对扭矩/扭矩传递。

63、根据本发明的花键接头式扭矩传感器可以被实施为本发明的转向控制设备的“扭矩传感器”。换句话说，根据本发明的转向控制传感器的“扭矩传感器”可以是根据本文描述的任何实施例的花键接头式扭矩传感器。

64、关于花键接头式扭矩传感器描述的实施例、修改例和优点可以对应地应用于转向控制设备，并且反之亦然。

65、尤其是，转向控制设备的扭矩传感器可以包括布置在花键接头内的至少一个压力感测元件。花键接头可以形成转向控制设备的一部分。

66、所述至少一个压力感测元件可以包括压电元件。

67、根据一个方面，花键接头式扭矩传感器可以布置在转向轴的两个部分之间的花键接头中，布置在转向轴的一部分与转向致动转换器的机械控制接口之间的花键接头中，布置在方向盘与转向轴之间的花键接头中，或布置在电动马达与转向轴之间的花键接头中。如果电动马达的转子形成转向轴的一部分，则扭矩传感器可以布置在转子轴与转向轴的另一部分之间的花键接头中。

68、根据本发明的花键接头式扭矩传感器可以被实施为本发明的转向控制设备的“输入扭矩传感器”。

69、通过用于车辆的转向系统进一步解决上述问题。转向系统可以包括根据本发明的转向控制设备和/或根据本发明的至少一个花键接头式扭矩传感器。

70、关于转向控制设备和花键接头式扭矩传感器中的任何一个所描述的实施例、修改例和优点可以对应地应用于转向系统，并且反之亦然。

71、在一个实施例中，转向系统是液压转向系统。转向系统可以包括以液压的方式联接到转向致动转换器的至少一个（液压）转向缸。转向致动转换器可以包括用于以液压的方式操作至少一个转向缸的液压转向单元。

72、液压转向单元可以包括至少一个计量泵，该至少一个计量泵可以旋转地联接到转向致动转换器的机械控制接口。附加地或替代地，液压转向单元可以包括至少一个电动液压阀组件。

73、转向系统可以提供静液压转向。

74、如上所述，转向控制设备（并且因此转向系统）可以包括用于控制电动马达的马达控制器。

75、转向控制设备可以包括用于提供车辆速度信息的车辆速度传感器。马达控制器，尤其是用于接收车辆速度信息的输入部，可以连接到车辆速度传感器。

76、附加地或替代地，转向控制设备可以包括用于提供（至少一个可转向车轮的）车轮方向角度信息的车轮方向角度传感器。马达控制器，尤其是用于接收车轮方向角度信息的输入部，可以连接到车轮方向角度传感器。

77、车辆可以例如是农用车辆（例如，拖拉机、收割机或樱桃采摘机）、建筑工地车辆（例如，推土机、挖掘机、反铲挖土机或沥青铺路机）、自推进的作业机器（例如，清扫机车辆）或工业机器、重型机器（例如，卡车）、实用机器（例如，叉车、起重机或伸缩臂叉车）、非公路车辆、全地形车辆、海上交通工具等。

78、本发明还涉及具有这种转向系统的车辆。

79、此外，本发明涉及一种用于操作转向系统的方法，其中，所述方法包括：

80、- 测量从转向系统的至少一个机械元件施加的扭矩扰动，所述至少一个机械元件以机械的方式联接到具有用于提供触觉反馈的电动马达的输入组件（转向输入组件）并且由所述输入组件带动；以及

81、- 利用所述电动马达向所述输入组件施加马达扭矩以提供触觉转向反馈；以及

82、- 确定所述马达扭矩，包括补偿所测量的扭矩扰动。

83、关于转向命令系统、扭矩传感器、转向系统和车辆中的任何一个所描述的实施例、修改例和优点可以对应地应用于方法，并且反之亦然。

84、本发明的附加的特征、优点和可能的应用由示例性实施例和附图的以下描述产生。这里以图形方式描述和/或图示的所有特征或单独地或以任何期望的组合形成本发明的主题，而不管它们在权利要求中如何组合或在它们对先前的权利要求的引用中如何组合。