齒條末端保護方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及一種汽車的電動助力轉向系統的控制方法，特別是涉及一種利用電動助力轉向系統來保護齒條末端的方法。
【背景技術】
[0002]請參閱圖1，汽車上的機械轉向系統主要包括方向盤11、轉向管柱12、中間軸13、轉向器14、轉向橫拉桿15、轉向節臂16和轉向輪17。所述轉向器14為齒輪齒條式轉向器，內置有齒條141與小齒輪142。當駕駛員轉動方向盤11時，帶動轉向管柱12內置的轉向軸轉動，該轉向軸通過中間軸13與小齒輪142相連。小齒輪142與齒條141嚙合，從而帶動齒條141在轉向器14內向左或向右移動。齒條141與轉向橫拉桿15硬連接，從而由轉向橫拉桿15通過轉向節臂16施加拉力或推力在轉向輪17上，完成汽車轉向動作。
[0003]請參閱圖2，這是齒輪齒條式轉向器的示意圖。該轉向器14具有殼體140，在殼體140內具有齒條141，齒條141的兩端穿越殼體140且通過橡膠墊143 (黑色方塊)連接有球頭144。小齒輪142固定在殼體140的固定位置且與齒條141嚙合，小齒輪142轉動將帶動齒條141在殼體140內向左或向右移動。球頭144連接有轉向橫拉桿15。
[0004]請參閱圖3，齒條141可在A、B兩點之間運動，其運動行程的極限位置A、B稱為齒條末端(Rack End)。由于轉向器14的齒條行程與方向盤11的轉動角度對應，因而齒條末端也就是方向盤11轉到極限位置的一種工況。例如，左側齒條末端A對應于轉向盤11的逆時針最大轉角，右側齒條末端B對應于轉向盤11的順時針最大轉角。由于包圍齒條141的殼體140固定不動，因此在方向盤11接近極限位置時如果駕駛員還用力操縱方向盤11繼續轉動，就可能使球頭144撞擊殼體140的一端。
[0005]請參閱圖2和圖3，例如，轉向盤11在接近順時針最大轉角時仍然順時針轉動，就會使得齒條141朝向右側齒條末端位置B運動，那么左側的球頭144就會撞擊殼體140的左端。這種撞擊可能會導致轉向器14的機械結構損壞，由此產生的噪音也會給駕乘人員帶來不適感覺。因此，齒輪齒條式轉向器需要設置齒條末端保護(Rack End Stop，簡稱RES)功能，為實現該功能目前有兩種方案。
[0006]現有方案一是在齒條末端增加保護裝置。例如圖2中，在球頭144外增加橡膠襯套20 (虛線方框)，也可是尼龍或塑料擋圈，以緩沖撞擊及減小噪聲。增加保護裝置一方面會增加成本，另一方面需要考慮保護裝置的強度和磨損而定期進行養護更換，此外還需要在生產過程中增加保護裝置的裝配工序。
[0007]現有方案二是通過電動助力轉向系統(Electric Power Steering，簡稱EPS)實現的。
[0008]請參閱圖4，這是汽車上的電動助力轉向系統。其在圖1所示的機械轉向系統的基礎上增加了:
[0009]——轉角傳感器21，例如設置在轉向管柱12上，用來檢測方向盤11的轉角。
[0010]——扭矩傳感器22，例如設置在小齒輪142上，用來檢測方向盤11的轉矩。
[0011]——E⑶(電子控制單元)23，包括力矩控制模塊和電機控制模塊。力矩控制模塊采集方向盤11的轉角與轉矩、車速，并計算出相應的助力力矩輸出給電機控制模塊。電機控制模塊將助力力矩作為目標力矩，輸出電流驅動助力電機24工作。
[0012]——助力電機24，安裝在轉向管柱12或轉向器14上，其受E⑶23控制，通過減速機構25給駕駛員提供助力力矩。
[0013]—一減速機構25，將助力電機24的轉動角度以一定比例轉換為轉向管柱12或轉向器14的轉動角度，起到減速增扭的作用。設減速機構25的減速比為k，k > 1，則助力電機24的轉動角度/k =轉向管柱12或轉向器14的轉動角度。
[0014]請參閱圖5，現有的通過電動助力轉向系統實現齒條末端保護功能的原理是:在距離左側齒條末端A的Y長度處設置左側保護區域起點M，M、A兩點之間為左側保護區域。在距離右側齒條末端B的Y長度處設置右側保護區域起點N，N、B兩點之間為右側保護區域。當齒條141的任意一端進入了任意一個保護區域，則表明齒條141運動到接近該側齒條末端位置，也就是方向盤11轉動到接近某個轉動方向的最大轉角，也就是另一側的球頭145運動到接近殼體140的另一端。此時通過減小助力電機24輸出的助力力矩來增大駕駛員操作方向盤11繼續沿著該方向轉動所需克服的阻力矩，具體表現為駕駛員需要用越來越大的力氣才能操作方向盤11繼續沿著該方向轉動(甚至完全轉不動方向盤11因而無法使其達到最大轉角)，從而減緩(或停止)齒條141朝向該側齒條末端位置的運動速度，最終減小(或避免)球頭144與殼體140之間的撞擊力度。
[0015]現有的不具有齒條末端保護功能的電動助力轉向系統中，如果將駕駛員施加在方向盤11上的轉動力矩稱為F1，助力電機24輸出的助力力矩稱為F2，實際操縱轉向器14的轉動力矩稱為F3，那么F1+F2 = F3。
[0016]現有的具有齒條末端保護功能的電動助力轉向系統中，如果將駕駛員施加在方向盤11上的轉動力矩稱為F1，助力電機24輸出的助力力矩稱為F2’，實際操縱轉向器14的轉動力矩稱為F3，那么F1+F2’ = F3。其中F2’ = F2_F4，F2是不具有齒條末端保護功能的電動助力轉向系統中助力電機24輸出的助力力矩，F4是實現齒條末端保護功能的轉動力矩。F2’可以是零(不提供助力力矩)或負數(助力力矩增大了駕駛員轉動方向盤11所需克服的阻力矩)。F4 = K*X，K為系數，X為圖5中齒條141進入某個保護區域的一端與與該保護區域起點之間的距離。顯然，一旦齒條141進入右側保護區域，則隨著齒條141越接近右側齒條末端B，X逐漸增大，F4增大，F2’隨之減小，從而減小了助力力矩，增加了駕駛員繼續轉動方向盤11所需克服的阻力矩，最終保護球頭144。這種現有的通過電動助力轉動系統來實現齒條末端保護功能的方法存在的問題是手感不夠流暢，例如快打和慢打方向盤11是兩種不同的操縱工況，然而該方法在齒條末端的保護區域內并不區分這兩種操縱工況，具體表現為手感沒有變化、操縱感受不佳。
【發明內容】
[0017]本申請所要解決的技術問題是提供一種齒條末端保護方法，具體是通過控制電動助力轉向系統的輸出來實現對齒條末端的保護。
[0018]為解決上述技術問題，本申請齒條末端保護方法是在齒條兩端設置保護區域，一旦齒條任一端進入任一保護區域，則減小電動助力轉向系統輸出的助力力矩；助力力矩的減小量既與齒條進入該保護區域的一端與該保護區域起點之間的距離成正比例，又與齒條位移速度成正比例。
[0019]本申請齒條末端保護方法與現有方案一相比，采用的是軟件實現方法，在接近齒條末端處減小助力力矩使得助力電機不持續輸出大電流，從而防止電機溫升過快保護電機。本申請不需要橡膠襯套保護，不僅節省了物料成本，