CN101198500B - 用于具有可选择的关断位置的转向轴在止动销装置沿松开末端位置方向运动的锁紧装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于转向轴的锁紧装置(1)，包括一止动销装置(3)；一这样与止动销装置(3)联接的控制元件(4)，使得通过控制元件(4)的旋转可以使止动销装置(3)沿其轴向在止动位置和松开末端位置之间运动；一用于旋转控制元件(4)的电机驱动装置；一用来控制电机驱动装置的电子控制装置和一与电子控制装置连接的用来测量止动销装置(3)至少一个轴向位置的传感器装置(19)。当止动销装置沿轴向从止动位置向松开末端位置运动并且传感器装置提供显示到达止动销装置的关断位置的输出信号时，电子控制装置便促使电机驱动装置的关断。传感器装置这样设计，使得输出信号至少在止动销装置(3)的在松开末端位置前面且包括希望的关断位置的运动区间内这样地具有许多单调地取决于轴向位置的输出信号值，使得可以通过选择所属的输出信号值选择希望的关断位置，电子控制装置具有一选择装置，它使得可以选择一对应于希望的关断位置的输出信号值作为阈值，使得在到达、超过或低于阈值时发出一促使电机驱动装置关断的信号。

Description

用于具有可选择的关断位置的转向轴在止动销装置沿松开末端位置方向运动的锁紧装置
技术领域
本发明涉及一种用于转向轴的锁紧装置，具有一止动销装置；一与止动销连接的控制元件，通过控制元件的旋转中使止动销装置沿其轴向方向在一锁紧位置和一松开末端位置之间运动；一用来使控制元件旋转的电机驱动装置；一用来控制电机驱动装置的电子控制装置和一与电子控制装置联接的用来测量止动销装置至少一个轴向位置的传感器装置，其中当止动销装置沿轴向从锁紧位置向松开末端位置运动并且传感器装置提供一显示到达止动销装置的关断位置的输出信号时，电子控制装置便促使电机驱动装置关断。
背景技术
例如由专利资料DE 10109609C1已知一种开头所述类型的锁紧装置。这份资料介绍一种用来借助于止动销锁紧汽车转向轴的锁紧装置(转向锁)，为了锁紧，止动销可以嵌入固定在转向轴上的止动套上的止动槽内。矩形的止动销轴向可移动地支承在一壳体的通道内。为了止动销在锁紧位置(或止动位置)和一解锁位置(或松开位置)之间的轴向移动设置一由电机驱动的可旋转的控制元件。止动销通过导向机构与控制元件这样联接，使得止动销在控制元件旋转时轴向运动。控制元件设计成带一内螺纹和一外齿轮的套筒形蜗轮。一固定在电机轴上的驱动蜗杆与外齿部啮合。止动销通过凸台嵌入控制元件的内螺纹内，其中凸台被一将止动销向转向轴方向压紧的弹簧力沿轴向压紧在控制元件的内螺纹的导向面上。当控制元件旋转时，在止动销的凸台下面的导向面转离，这时凸台由于导向面的上升或下降沿控制元件圆周方向轴向移入到止动位置或松开位置中。
在控制元件上升和下降的导向面的两端上连接着位于一垂直于轴线方向的平面内的末端面，一旦在控制元件旋转时止动销的凸台到达末端面上，控制元件的继续旋转便不再促使止动销轴向运动，因为止动销的凸台停留在末端面上同一个轴向位置上(亦即止动位置或松开位置)。
当例如在到达松开位置后，驱动控制元件的电机不是立即而是在延滞一定时间后才关断，从而使平的末端面在止动销凸台下面滑走，而不使止动销继续轴向运动。因此在到达松开位置后电机继续旋转是不成问题的，倘若平的末端面有足够的转角的话。
解锁位置或松开位置的到达借助于一机械限位开关测量，止动销直接作用在它上面，如果在到达解锁位置时操作限位开关，那么接着便关断电机(由一与限位开关和电机连接的控制装置)。止动销的触发关断电机的位置，亦即关断位置，在已知结构中同时相当于解锁或松开位置，这时止动销的凸台紧靠在控制元件内导向螺纹的相应末端面上。
为了补偿工艺误差，当然要求将限位开关设计成这样，即当向松开位置运动的止动销还未到达松开末端位置时(凸台紧靠在末端面上)，便已经产生关断信号。也就是说否则可能发生这样的情况，即当止动销的凸台已经紧靠在控制元件的末端面上且不能再轴向运动时，限位开关本身还没有作出反应，因此根本不会产生关断信号。因此如果在止动销的凸台紧靠在控制元件的末端面上之前，限位开关便已经必须作出反应，那么此外必须保证，控制元件在触动限位开关后至少应该继续运动到，使凸台碰到末端面上。因此设置电机关断的最小滞后量，从而要求触发电机关断的限位开关精确地定位，这造成高的结构费用。
作为另一种选择，驱动电机的关断信号或制动信号也可以由一传感器引出，它测量控制元件的旋转位置，在其到达时应该开始驱动电机的制动。但是除了用来测量相应于松开末端位置的旋转位置的传感器外还需要另一个旋转位置传动器。
如果代替机械限位开关采用二进制霍尔传感器来测量止动销的关断位置，那么便会增加限位开关在定位时的难度，由于双霍尔传感器及操纵霍尔传感器的永久磁铁及其安装的工艺误差造成永久磁铁和用来切换霍尔传感器的霍尔传感器表面之间的距离较大的波动。
发明内容
本发明的目的是，减小对测量止动销关断位置的传感器精确定位的要求。
按照本发明这个目的用具有权利要求1特征的锁紧装置实现。
按照本发明在开头所述类型的锁紧装置上的传感器装置设计成这样，使得输出信号至少在止动销装置到达松开末端位置之前的且含有希望的关断位置的运动区间内可以具有(annehmen)多个单调地对应于轴向位置的输出信号值，使得可以通过选择相应的输出信号值选择希望的关断位置。其次电子控制装置具有一选择装置，该选择装置使得可以选择所述多个输出信号值中的一个输出信号值作为阈值，所选择的输出信号值对应于希望的关断位置，使得在达到、超过或低于阈值时发出一个信号，促使驱动电机关断。在运动区间内轴向位置输出信号值的单调依赖关系或者理解为单调增加关系，这时起始信号值随着止动销装置离转向轴距离的增加而增加，或者理解成单调减小关系，这时输出信号值减小，在运动区间内输出信号值与路程变化之间虽然最好是线性关系，但是不是必需这样。
本发明的锁紧装置使得可以在锁紧装置装配后选择一个希望的关断位置。只需要设置一个与电子控制装置的合适的信号接口。不需要测量止动销轴向位置的传感器的精确定位。倘若所属的输出信号值可以与希望的关断位置单值对应的话。
在锁紧装置装配后例如将止动销装置调整到这样的位置，在这个位置可以触发制动信号(亦即希望的关断位置)。然后储存相应于所属输出信号值的基准值。在运行时只有当在脱开时输出信号达到基准值时，才起动制动过程。
传感器装置的输出信号例如可以是这样的信号，它可以具有多个离散值，它们分别对应于运动区间一定的分区间。但是输出信号最好是在运动区间内单调增加或单调减小的模拟输出信号，输出信号与路程的关系最好至少是近似于线性的，但是也可以例如是平方或对数关系。在这种优选实施形式上，电子控制装置最好具有一模拟-数字转换器，它将模拟输出信号转换成数字输出值。例如在用于电子控制装置的实施的控制器中经济地提供一种这样的模拟-数字转换器。
用在电子控制装置中的选择装置例如可以借助于一加在电子控制装置接线柱上的电压进行调整，但是选择装置最好是可编程的，例如采用在一现有的控制器中实施的程序。
在传感器装置提供模拟的输出信号的锁紧装置中，选择装置可以具有一模拟信号比较器和一基准电压发生器。模拟信号比较器接收由基准电压发生器产生的电压并将它与模拟输出信号比较。基准电压发生器的基准电压可以借助于一外部电压进行调整或是可编程的，如在一种优选实施形式中那样，如果电子控制装置具有一模拟数字转换器，那么选择装置最好包括一与模拟-数字转换器连接的比较器，它将对应于模拟输出信号的数字值与一基准值比较，其中基准值从基准值存储器中输入比较器。数字比较器的这种功能也可以借助于一编制在控制器内的程序实现。
本发明锁紧装置一种优选改进结构的特征是，传感器装置具有至少一个霍尔传感器，它这样设置，使它至少在运动区间的一段内可以测量与止动销装置连接的磁铁的接近。这里可以采用多个分级的沿轴向顺序设置的二进制霍尔传感器，它们在止动销运动到松开末端位置时先后由一磁铁触发。但是传感器装置最好具有一模拟霍尔传感器，它这样设置，使它在运动区间内形成一单调地取决于轴向位置的输出信号。例如由专利资料DE 19929435C2已知在锁紧装置中采用模拟霍尔传感器。在那里采用模拟霍尔传感器与二进制霍尔传感器相结合，以便能力富余地测量解锁位置，其中那里所用的模拟霍尔传感器的测量区既覆盖锁紧位置又覆盖解锁位置。对于用于本发明的模拟霍尔传感器不需要这样宽的测量区；这里优良地采用的模拟霍尔传感器的测量区只需要覆盖走在松开末端位置前面的和包含希望的关断位置的止动销装置运动区间，其中应该考虑霍尔传感器装置和永久磁铁的安装和造型工艺误差。
本发明锁紧装置一种优选和优良实施形式的特征是，传感器装置附加地包括至少一个用来测量控制元件旋转位置的传感器。止动销装置最好穿过控制元件上的一个空隙，使得控制元件可绕止动销装置旋转，其中在止动销装置上固定一第一永久磁铁，并在接近松开末端位置时接近一模拟的第一霍尔传感器，其中在控制元件顶面上这样地固定至少一个第二永久磁铁，使它在到达控制元件规定的旋转位置时对第二霍尔传感器产生作用。有利的是，永久磁铁这样地设置在止动销装置和控制元件上，使得模拟的第一霍尔传感器和至少一个第二霍尔传感器可以设置在一个平面内。第一霍尔传感器和至少一个第二霍尔传感器最好设置在同一个电路板上。由此可以将整个传感器组件和电子控制装置包括电机控制装置安装在一个电路板上，这便于制造。此外这种结构允许锁紧装置小的结构高度。
本发明一种优选改进结构的特征是，至少一个设置在控制元件上的永久磁铁和至少一个第二霍尔传感器这样设置，使得既可以测量控制元件对应于止动销装置的止动位置的旋转位置，又可以测量控制元件对应于止动销装置的松开末端位置的旋转位置。控制元件两个旋转位置的测量和通过模拟霍尔传感器测量止动销位置相结合允许高度可靠地测量松开位置结合可靠的电机控制，特别是及时地起动电机的制动。
本发明有利的和/或优选的扩展结构是从属权利要求的特征。
附图说明
下面借助于一个在附图中示出的优选实施例详细说明本发明。附图中表示：
图1：本发明锁紧装置的一种实施形式在拆下壳体盖和取出电子控制装置-电路板时的俯视图；
图2A：在图1中所示的锁紧装置在锁紧位置并带有装上的电路板和盖上的壳体盖的沿A-A线的剖视图；
图2B：在图2A中所示的锁紧装置沿C-C线的剖视图；
图3A：在图1中所示的锁紧装置在解锁位置和带有装入的电路板及盖上的壳体盖的沿A-A线的剖视图；
图3B：在图3A中所示的锁紧装置沿D-D线的剖视图；
图4A-4C：在图1中所示的锁紧装置的示意俯视图，它们表示控制元件在从锁紧位置到松开位置的路程上的三个位置；
图5：一图表，它表示一测量与止动销连接的永久磁铁的接近的模拟霍尔传感器的输出电压与控制元件旋转行程的关系；
图6：带传感器装置的电子控制装置的方框图。
具体实施方式
图1表示本发明锁紧装置1的一个实施例在拆下壳体盖和取出电子控制装置电路板时的俯视图。壳体2包围一导轨和用于止动销的驱动装置，止动销借助于驱动装置沿其轴向运动，其中它在其止动位置或锁紧位置这样嵌入一固定在转向轴上的止动套上的槽内，使转向轴不能旋转。在松开位置或解锁位置上，止动销从止动槽内拔出，使得转向轴可以旋转。图1表示止动销3端面的俯视图，其止动销3沿其运动的轴线方向垂直于图纸平面延伸。矩形的止动销3不可旋转地支承在一垂直于图1图纸平面的导向通道内。一设计成带内螺纹和外齿的套筒形蜗轮的控制元件4包围止动销3。控制元件4可旋转地支承。一固定在电机7的轴6上的驱动蜗杆8与控制元件4的外齿部5啮合，止动销3以凸台9A、9B嵌入控制元件4的内螺纹，其中凸台9A、9B被一朝转向轴方向挤压止动销3的弹簧力沿轴向压紧在控制元件4的内螺纹的导向面上。当控制元件4旋转时，导向面从止动销3的凸台9A、9B下面移开，这时凸台9A、9B由于导向面的上升或下降沿控制元件4的圆周方向沿轴向向止动位置或松开位置运动。
图2A、2B、3A和3B表示在图1中所示的带有装上的电子控制装置电路板10和盖上的壳体盖11的锁紧装置的剖视图。其中图2A和3A表示沿图1中A-A线的剖视图。这里图2A表示止动销3在止动位置时的锁紧装置的剖视图，而图3A表示止动销3在松开位置时锁紧装置1的剖视图。图2B表示锁紧装置1沿图2A中C-C线的剖视图。图3B表示沿图3A中D-D线的剖视图。在按图1的视图中锁紧装置处于松开位置(解锁位置)。
在图2A和2B中所示的止动位置时，止动销3嵌入到一个固定在转向轴13上的止动套14的止动槽12内，止动套14具有多条沿其圆周均布的沿转向轴13轴向延伸的止动槽12，它宽于止动销3的朝向转向轴13的前段，使得止动销3在移到转向轴13上之后可卡锁在止动槽12内。止动销3卡入止动槽12内阻止转向轴13继续旋转。锁紧装置1的壳体2固定在转向柱套管15的一个安装孔内。
一支承在锁紧装置1壳体盖11上的弹簧16将止动销3沿转向轴13方向压紧，由此将止动销3凸台9A和9B的朝向转向轴13的面压紧在控制元件的导向面17A和17B上。
在止动销3的背向转向轴13的端面上固定一永久磁铁18。该永久磁铁18配设一模拟霍尔传感器19，它固定在电路板10上。由模拟霍尔传感器19提供的输出电压取决于永久磁铁18的距离。在在图2A和2B中所示的止动或锁紧位置上，永久磁铁18离模拟霍尔传感器19最远。
图1、3A和3B表示锁紧装置在其松开或解锁位置。如由图3B可见，止动销3完全从止动套14的槽12中移出并拉回到锁紧装置1的壳体2内。在这个松开位置上，在止动销3端面上固定的永久磁铁18离霍尔传感器19最近。其次在图3A中表示了另一个永久磁铁20，它固定在控制元件4的背向转向轴的端面上，控制元件上的这个永久磁铁20对另一个同样固定在电路板10上的霍尔传感器21起作用，在图1中可以看到永久磁铁20的形状。永久磁铁20沿控制元件4的圆周圆弧形地延伸，并在两端分别具有一北极，在中心具有一南极。北极和南极之间的过渡区通过磁铁上的一横线表示。当永久磁铁20的北极南极过渡区在霍尔传感器21下面经过时，霍尔传感器21便作出反应。霍尔传感器21给出一个二进制输出信号，它表示两个可能的状态之一。借助于霍尔传感器21和永久磁铁20可以测量控制元件4的相应于松开位置或解锁位置的旋转位置。另一个(在图1-3B中未画出的)霍尔传感器安装在电路板10上某个位置，在这个位置它可以和永久磁铁20共同作用测量控制元件4的相应于止动位置或锁紧位置的旋转位置。
图4A-4C示意表示通过三个霍尔传感器既测量止动销的松开位置，又测量控制元件4不同的旋转位置。三个霍尔传感器与安装在止动销3端面上的永久磁铁和固定在控制元件上的永久磁铁共同作用。图4A、4B示意表示电机7以及其驱动轴6和固定在它上面的驱动蜗杆8，此外还有带外齿部5的控制元件4，驱动蜗杆8与该外齿部啮合。此外还表示带有固定在它上面的霍尔传感器19、21和23的电路板10，以及对霍尔传感器起作用的永久磁铁。固定在控制元件4端面上的永久磁铁在一约96°的圆弧段上延伸，并在末端分别具有一北极和一在它们之间延伸的南极(永久磁铁的极性也可以倒过来)。
图4A表示锁紧元件在一止动位置，其中控制元件4上的永久磁铁20位于霍尔传感器23下方。在图4A中所示的位置上，永久磁铁20的中心位于霍尔传感器23的下方。在止动位置上，控制元件还逆时针继续旋转约45°，如图4A中所示。为了从这个止动位置到达松开位置或解锁位置，这样控制电机7，使控制元件4顺时针沿箭头24方向旋转。这时永久磁铁20继续顺时针运动，它离开测量止动位置的霍尔传感器23，但是永久磁铁20离开霍尔传感器23但还没有到达霍尔传感器21的旋转位置表示在图4B中。如果控制元件继续顺时针旋转，最后永久磁铁20这样到达传感器21，使得首先北极、然后北极-南极过渡区从霍尔传感器21下方经过。从而使霍尔传感器21通过控制元件4测出到达了松开位置或解锁位置，图4C表示在松开位置的布局，这时霍尔传感器大致位于永久磁铁20的中心。在这里还可以继续顺时针旋转，直至从南极到北极的过渡区到达霍尔传感器21为止(在图4C中所示位置后面的大约45°)。
随着控制元件4旋转的同时，止动销垂直于图4A-4C的图纸平面向模拟霍尔传感器19运动。这里霍尔传感器19这样定位和设计，使得其输出电压特别是在这样的区间内发生显著变化，这个区间在松开末端位置前面并包括应该触发电机7关断的那个位置。由于滞后，控制元件的旋转运动不是在到达关断位置这一点立即终止，而是略微靠后才终止。
在图5中举例表示模拟霍尔传感器19的输出电压与控制元件4的2的位置或者与止动销3上的永久磁铁18离霍尔传感器19的距离的关系。在图5中画出模拟霍尔传感器的输出电压相对于控制元件4的旋转位置的测量结果。此图表在左侧从止动销的止动位置开始。现在止动销缓慢地从锁紧位置移出，因此开始时输出电压不变，在到达松开末端位置前的一段25内，输出电压(Ua)呈现一较强的在一定范围内与止动销的行程近似地成线性的关系。这里永久磁铁和霍尔传感器的布局这样选择，使得模拟霍尔传感器的输出电压与止动销3走过的路程依赖关系最强的区间25覆盖应该触发电机7关断的区域。
在本发明锁紧装置一种优选实施形式中，输出电压输送给一模拟-数字转换器，尤其是在一存在于电路板10上的控制器内的模拟-数字转换器内。其次控制器具有输入可能性，借助它可以调整，在霍尔传感器的何种输出电压时或在模拟-数字转换器的什么输出值时应该起动电机7的制动和关断程序。
图6表示电子控制装置以及相连的霍尔传感器及电机7的方框图。电子控制装置包括一带一处理器32和一存储器33的控制器30。存储器33既储存程序也储存数据。在控制器30的二进制输入端上连接二进制霍尔传感器21和23。在模拟输入端上连接模拟霍尔传感器19。在控制器30的模拟输入端上连接一模拟-数字转换器31，其数字输出值被处理器32阅读。处理器32产生一数字输出值，它对应于希望的电机起动(量)。数字输出值输入一数字-模拟转换器35，数字-模拟转换器35的模拟输出信号输入一功率传动级36，它起动电机7。此外处理器32具有不同的输入和输出可能性，它们通过箭头34表示。通过这些输入/输出接头，控制器30可以编程，特别是控制器30在按本发明运行时可以选择模拟-数字转换器31的这种输出值，这时当止动销从止动位置向松开末端位置运动时，应该触发电机7的关断。

Claims (13)

1.用于转向轴(13)的锁紧装置(1)，具有：
一止动销装置(3)，
一控制元件(4)，该控制元件与止动销装置(3)这样连接，使得可通过控制元件(4)的旋转使止动销装置(3)沿其轴向在一止动位置和一松开末端位置之间运动，
一用来使控制元件(4)旋转的电机驱动装置(6、7、8)，
一用来控制电机驱动装置(6、7、8)的电子控制装置(30，36)，
一与电子控制装置(30，36)联接的用来测量止动销装置(3)的至少一个轴向位置的传感器装置，其中当止动销装置(3)沿轴向从止动位置运动到松开末端位置并且传感器装置提供一显示到达止动销装置(3)的关断位置的输出信号时，电子控制装置(30，36)便促使电机驱动装置(6、7、8)关断，
其特征为：
传感器装置设计成这样，使得输出信号(Ua)至少在止动销装置(3)到达松开末端位置之前的且含有一个希望的关断位置的运动区间(25)内可以具有单调地对应于轴向位置的多个输出信号值，使得可通过选择相应的输出信号值选择希望的关断位置，以及
电子控制装置(30)具有一选择装置(32)，该选择装置使得可以选择所述多个输出信号值中的一个输出信号值作为阈值，所选择的输出信号值对应于希望的关断位置，使得在到达、超过或低于阈值时发出一促使电机驱动装置关断的信号。
2.按权利要求1所述的锁紧装置，其特征为：输出信号(Ua)是一模拟输出信号，它在运动区间(25)内要不单调增加，要不单调减小。
3.按权利要求2所述的锁紧装置，其特征为：电子控制装置(30)具有一模拟-数字转换器(31)，该模拟-数字转换器接收模拟输出信号(Ua)。
4.按权利要求1至3之任一项所述的锁紧装置，其特征为：选择装置(32)是可编程的。
5.按权利要求2所述的锁紧装置，其特征为：选择装置包括一模拟信号比较器和一基准电压发生器，其中模拟信号比较器将由基准电压发生器产生的基准电压与模拟输出信号比较，其中基准电压是可调的。
6.按权利要求3所述的锁紧装置，其特征为：选择装置(32)包括一与模拟-数字转换器连接的比较器(31)和一与比较器连接的基准值存储器(33)。
7.按权利要求1所述的锁紧装置，其特征为：传感器装置具有至少一个第一霍尔传感器(19)，所述霍尔传感器这样设置，使它可以监测与止动销装置(3)连接的磁铁(18)至少在所述运动区间(25)的一段内的接近。
8.按权利要求7所述的锁紧装置，其特征为：传感器装置具有一模拟的第一霍尔传感器(19)，该霍尔传感器这样设置，使它在所述运动区间(25)内发出随着单调对应于轴向位置的输出信号(Ua)。
9.按权利要求8所述的锁紧装置，其特征为：此外传感器装置包括至少一个用来测量控制元件(4)旋转位置的第二霍尔传感器(21，23)。
10.按权利要求9所述的锁紧装置，其特征为：止动销装置(3)这样穿过控制元件(4)的一个空隙，使控制元件(4)可绕止动销装置(3)旋转，
一第一永久磁铁(18)固定在止动销装置(3)上，并在接近松开末端位置时接近模拟的第一霍尔传感器(19)，
至少一个第二永久磁铁(20)这样固定在控制元件(4)顶面上，使它在到达控制元件(4)的规定旋转位置时对第二霍尔传感器(21)起作用。
11.按权利要求10所述的锁紧装置，其特征为：在止动销装置(3)和控制元件(4)上的永久磁铁(18、20)这样设置，使得模拟的所述第一霍尔传感器(19)和所述至少一个第二霍尔传感器(21、23)可以设置在一个平面内。
12.按权利要求11所述的锁紧装置，其特征为：所述第一霍尔传感器(19)和所述至少一个第二霍尔传感器(21、23)设置在一共同的电路板(10)上。
13.按权利要求12所述的锁紧装置，其特征为：所述至少一个设置在控制元件(4)上的永久磁铁(20)和所述至少一个第二霍尔传感器(21、23)这样设置，使得既可以测量控制元件(4)的与止动销装置(3)的止动位置对应的旋转位置又可以测量控制元件(4)的与止动销装置(3)的松开末端位置对应的旋转位置。
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