CN101970278A - 用于液压助力转向的伺服阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于汽车的液压助力转向机构的伺服阀(20)，该伺服阀(20)具有管状外侧控制套筒(24)。外侧控制套筒(24)连接到输出轴(28)并在其内表面(34)上包括第一控制槽(32)。还提供了至少部分设置在外侧控制套筒(24)内的管状耦联套筒(26)。耦联套筒(26)在其外表面(38)上包括适于与外侧控制套筒(24)的第一控制槽(32)重合的第二控制槽(36)，所述第一控制槽(32)大致沿管状外侧控制套筒(24)的周向设置，而所述第二控制槽(36)大致沿管状耦联套筒(26)的周向设置，并且能够沿轴向改变外侧控制套筒(24)和耦联套筒(26)的相对位置。

Description

用于液压助力转向的伺服阀

技术领域

本发明涉及一种用于汽车中的液压助力转向系统的伺服阀，该伺服阀具有能够分别绕同一纵向轴线旋转的输入轴和输出轴并且具有至少两个阀元件，即一个管状控制套筒，其连接到输出轴并在其内表面上包括第一控制槽；一个内侧控制元件，其位于所述控制套筒内并相对于所述控制套筒同轴定向，所述控制元件连接到输入轴并在其外表面上包括适于与控制套筒的第一控制槽重合的第二控制槽。

背景技术

伺服阀尤其称为旋转伺服阀，并且通常在液压助力转向机构中使用。根据驾驶员施加的转向力矩，由所述阀来调节液压并因此调节辅助缸上的转向辅助。在多数情况下，当输入轴相对于控制套筒旋转时使用旋转伺服阀，其中输入轴通过转向柱连接到方向盘，控制套筒连接到输出轴以及在齿条转向系统的情况下连接到小齿轮。通过输入轴与控制套筒之间的扭转系统来实现阀的旋转角度并且因此实现与扭矩相关的阀特性。相应地，输入轴相对于控制套筒的旋转用来决定转向所需的动力。

用于助力转向系统的旋转伺服阀通常包括两个阀元件，两个阀元件设置成以同轴套接的关系相对于彼此有限地运动并且有限地相对旋转以便获得控制通路。相应地，输入轴可连接到第一阀元件，第一阀元件构造成位于径向内侧的旋转滑动件。控制套筒包围该第一阀元件并设置在径向外侧。两个阀元件均包括控制槽，控制槽沿轴向延伸并用来控制流自或流向液压致动器单元或伺服马达的工作空间的压力介质(pressure means)。然而，控制槽还可直接设置在输入轴上。

例如在文献DE 102004034026A1、DE 69208261T2以及DE 19755633A1中已经描述了这种类型的旋转滑动件。

已知的伺服阀的缺点在于，利用液压助力转向机构无法实现电动辅助助力转向机构所具有的某些功能。例如电动辅助助力转向机构适用于不是由驾驶员而是由电动马达施加转向力矩的功能。这种功能例如用于实现在无须驾驶员施加转向力矩的情况下使车辆自动停泊的泊车辅助。对于具有所述旋转滑动件的液压辅助系统来讲施加转向力矩几乎是不可能的，或者需要相当大的花费。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于汽车的液压助力转向系统的伺服阀，该伺服阀能够克服现有技术的缺点。更具体地，该伺服阀应当能够以低成本进行制造，并且具有优于已知旋转伺服阀的例如施加电控转向力矩的额外功能。

根据本发明，通过一种用于汽车的液压助力转向机构的伺服阀来实现该目的，该伺服阀具有能够分别绕同一纵向轴线旋转的输入轴和输出轴并且具有至少两个阀元件，即一个管状外侧控制套筒，其连接到输出轴并在其内表面上包括第一控制槽；一个内侧控制元件，其位于所述外侧控制套筒内并相对于所述控制套筒同轴定向，所述内侧控制元件连接到输入轴并在其外表面上包括适于与控制套筒的第一控制槽重合的第二控制槽，其特征在于，设有耦联套筒，其能够沿轴向移动并且能够绕纵向轴线旋转；通过与阀元件中的至少一个接触，所述耦联套筒的运动导致外侧控制套筒和内侧控制元件的控制槽相对移动；所述耦联套筒的运动通过沿径向的外部驱动装置实现。

通过多种适当的布置可以实现控制套筒和耦联套筒沿轴向的相对移动，下面仅以示例的方式描述一种能够以低成本制造的可行的实施方式。

在优选实施方式中，外侧控制套筒沿轴向固定地——即以不可移动的方式——连接到输出轴。内侧控制元件由旋转滑动件形成，外侧控制套筒的控制槽和内侧控制元件的控制槽大致沿轴向延伸。耦联套筒至少部分设置在外侧控制套筒和旋转滑动件之间并以不可旋转的方式联接到外侧控制套筒，从而使耦联套筒的旋转导致外侧控制套筒旋转。旋转滑动件连接到外侧控制套筒，以便例如借助于扭杆的回弹而自动定心。通过耦联套筒使得旋转滑动件和外侧控制套筒的中心位置能够得到调节。通过优选为电动马达的外部驱动装置产生这种调节。还可以使用液压驱动装置，在这种情况下，耦联套筒的一部分构造成活塞。为了将耦联套筒的轴向位移转换成内侧旋转滑动件与外侧控制套筒之间的相对旋转运动，在所有相关的部件中存在相应的槽/螺栓结合。本发明的主要思想是例如通过设置斜槽将轴向运动转换成沿周向的运动或者旋转运动。固定连接到输出轴的压力元件(pressure element)或螺栓延伸穿过所述斜槽。因此，如果耦联套筒沿轴向移动，则其紧靠螺栓并相对于螺栓旋转。于是通过纵向槽将耦联套筒的旋转传递到外侧控制套筒，其中所述纵向槽沿轴向延伸并且固定连接到外侧控制套筒的引导元件突入到所述纵向槽中。因此当耦联套筒沿轴向移动时能够进行旋转。为了不遮挡设置在外侧控制套筒与旋转滑动件上的控制槽，耦联套筒仅部分位于所述两个部件之间。

在现有技术中，输出轴通过销钉固定联接到外侧控制套筒，然而可以说本发明提出了在输出轴与外侧控制套筒之间安装用于传递力的耦联套筒。

在另一实施变型中，内侧控制元件可以由耦联套筒本身形成，耦联套筒在其外表面上包括第二控制槽。根据本发明，控制槽绕纵向轴线大致沿周向延伸。周向控制槽的优点首先在于，它们能够利用车削工艺以更加简便且成本更低的方式进行制造。斜槽设置在耦联套筒上，压力元件突入到斜槽中。所述压力元件不是连接到输出轴，而是固定连接到输入轴。如果耦联套筒借助于外部驱动装置沿轴向移动，则经由斜槽使压力元件将力施加到输入轴上以便使所述输入轴旋转。为了确保耦联套筒的准确运动，所述耦联套筒包括沿轴向延伸的附加槽，并且外侧控制套筒的诸如螺栓的引导元件突入到附加槽中。因此，相对于外侧控制套筒对耦联套筒进行稳定且非常准确地引导。由于移动该耦联套筒需要很大的力，因此这种变型尤其适于方向盘自由旋转的诸如自动泊车的功能。该实施方式应该包括非自锁传动装置。可以想到将电动马达驱动装置用于耦联套筒，在正常情况下，即在正常驾驶期间，所述驱动装置是无电的。

斜槽的倾度可以由相对于伺服阀纵向轴线的倾斜角α来描述。倾斜角的范围例如在10°与45°之间，但是该倾斜角可为任意度数，更具体地，可以自由选择倾斜角以便相对于周围条件进行调节。然而，为了防止可移动零件的自锁，倾斜角不应大于45°。

本发明的伺服阀的两种实施方式都非常适于在不使用方向盘的情况下直接在转向系上产生转向运动。这仅需要沿轴向移动耦联套筒。可以设置杠杆以便在驱动装置与耦联套筒之间进行调节。根据驱动装置的情况(例如，电动马达驱动装置、液压驱动装置、电磁驱动装置)，可以想到其它形式的连接装置。

在特别有利的变型中，杠杆以跷跷板的方式安装在电动马达与耦联套筒之间，从而能够利用相应的杠杆效应。杠杆可以铰接在耦联套筒的一侧上，然而可以想到并且也是有利地将杠杆构造成叉状物，使其作用在例如耦联套筒的沿径向相反侧的两点上。因此有利地引导叉状物的自由端用以在耦联套筒的周向槽中平稳运动，从而使耦联套筒可以进行旋转运动。

为了确保在发生故障的情况下得到保护，根据本发明可设置弹簧加载的二位四通阀。在此，发生故障的情况可理解为是指当直行时驾驶员需要施加转向力矩的情况(转向系统沿一个方向的拉动失控)。这种故障是由于旋转的阀元件不再返回中间位置所造成。这进而可能是由于车载电压不足、电子控制装置的控制故障或机械故障所引起，在最为不利的情况下这些故障无法得到自动识别。

当使用二位四通阀时，在车载电压不足的情况下，液压阀借助于集成的弹簧自行返回到基准位置。当电子控制装置产生调节误差，可以通过并行作业的电子处理装置使液压阀操作，例如所述电子处理装置在零电势处切换。在机械故障的情况下，可通过开关来手动操作液压阀。这种解决方案尤其适用于原型开发，在这种情况下，在零电势处可以进行切换。

如果液压阀在零电势处切换，则转向阀的输出端与转向油缸液压断开。这样使得在中性转向力矩处没有转向助力的情况下还能够驾驶。这相当于在没有液压辅助的情况下手动转向时的感觉。

在特别有利的实施变型中，可以利用电磁来移动耦联套筒。在这种情况下，输入轴或耦联套筒被永磁体包围，并且还设有环形电磁体。通过对电磁体供应电流，能够使耦联套筒沿轴向移动。

附图说明

通过阅读以下参照附图的描述将能够更好地理解本发明，应当理解，所述实施变型仅为优选实施方式。在附图中：

图1示出了本发明的伺服阀的侧视图，

图2示出了图1中伺服阀的第二视图，

图3示出了图1中伺服阀的一部分的另一视图，

图4示出了本发明的伺服阀的局部视图，

图5示出了本发明的伺服阀的第一放大细节的截面图，

图6示出了本发明的伺服阀的第二放大细节的截面图，

图7示出了本发明的伺服阀的第三放大细节的截面图，

图8示出了本发明的伺服阀的截面图，

图9示出了本发明的伺服阀的第二实施变型的截面图，

图10示出了如图9所示的在没有外侧控制套筒的情况下的伺服阀沿A向观察的视图，

图11示出了如图9所示的在没有外侧控制套筒的情况下的伺服阀沿B向观察的视图，

图12示出了示出图9中的放大细节(C)，以便清晰地示出控制槽和控制边缘，

图13示出了用于本发明的伺服阀的阀布置，

图14示出了本发明的伺服阀的第三实施变型的截面图，

图15示出了图14中的实施变型的横截面图。

具体实施方式

图1至图8示出了本发明的伺服阀20的第一实施变型，伺服阀20包括位于输入轴22与外侧控制套筒24之间的附加耦联套筒26。外侧控制套筒24和耦联套筒26构造成管状，所述耦联套筒26基本上位于外侧控制套筒24内。输入轴22通过此处未示出的转向柱连接到方向盘；相反，外侧控制套筒24通过扭杆29以不可旋转的方式紧固到输出轴28。输出轴28进而间接地连接到待转向的车轮。图1和图2示出了伺服阀20的不同视图，仅在图1中以截面的方式示出壳体27。

输入轴22包围了大部分扭杆29。在本发明中输入轴22作为内侧控制元件，输入轴22和内侧控制元件仅由一个部件制成。

耦联套筒26能够沿着伺服阀20的纵向轴线X-X轴向移动。因此，设置于外侧控制套筒24的内表面34中的第一控制槽32能够与设置于内侧控制元件的外表面中的第二控制槽36重合或错开。根据控制槽32、36的相对位置，产生影响转向助力的压差(另外参见图12)。

耦联套筒26包括斜槽40，连接到输出轴22的优选为螺栓的压力元件42突入到斜槽40中(具体参见图2和图8)。斜槽40具有倾斜角α(另外参见图10)。如果耦联套筒26沿轴向移动，则其紧靠压力元件40并且因此得以绕纵向轴线X-X旋转。

固定连接到外侧控制套筒24的引导元件46延伸穿过沿轴向延伸的纵向槽44，从而将旋转运动传递到外侧控制套筒24。图4还示出了设置在外侧控制套筒24中的槽65，保持螺栓66突入到槽65中并固定连接到输出轴28。该槽65实现了沿轴向保持外侧控制套筒24同时仍允许外侧控制套筒24进行旋转。

图1和图2还示出了构造成电动马达50的外部驱动装置，其通过杠杆52连接到耦联套筒26。在示出的示例性实施方式中，杠杆52构造成叉形并以跷跷板的形式支承在摇杆支座54上。杠杆52构造成叉形，摇杆螺栓56从杠杆52的自由端接合到绕外表面38的周向设置的周向槽58中。摇杆螺栓56沿轴向驱动耦联套筒26，周向槽58允许耦联套筒沿轴向运动的同时进行旋转运动。可以根据马达的输出或关于空间的额外要求来调节支撑在摇杆支座54上的叉形杠杆52的杠杆臂长比。

图9至图13示出了本发明的第二实施变型，其中耦联套筒26本身作为内侧控制元件。在这种情况下，绕周向设置控制槽32、36，第二控制槽36直接设置于耦联套筒26的外表面38中。此处未示出用于将杠杆52铰接到耦联套筒26的装置。图10和图11示出了耦联套筒26的外表面38，具体地示出了斜槽40和纵向槽44的走向。

在示出的示例性实施方式中，外侧控制套筒24通过螺栓30紧固到输出轴28。

图12清晰地示出了控制槽32、36的协同作用。当右侧第一控制槽32R与第二控制槽36重合时，示出的左侧第一控制槽32L封闭。还能够看见控制边缘48，其用来确保某些期望的转向辅助性能。通过使控制边缘48倾斜来实现这种辅助性能。

图13示出了在发生故障的情况下本发明用以确保车辆转向性能的可能性。示出了阀60，其置于伺服阀20与用于转向辅助的油缸62之间。尽管示出的阀60为三位四通阀，但是该阀60用作二位四通阀。中间位置只是在换挡及无法致动期间用来防止转向机构的完全阻塞。阀60构造成由弹簧元件64弹簧加载。

当车载电压不足时，阀60借助于集成的弹簧元件64返回到基准位置上。通过此处未示出的开关来使阀60操作也是可行的。如果阀60在零电势处切换，则阀的输出端与油缸62液压断开。因此，能够在中性转向力矩的情况下继续进行驱动，这相当于在手动转向情况下的感觉。

图14和图15示出了本发明的另一有利的实施变型。在该实施方式中，控制槽32、36同样沿周向布置。与前面的图中不同的是，这些图中示出了用于油路的接口68。在该示例性实施方式中，耦联套筒26包括突入到斜槽40中的压力元件42，斜槽40位于内侧控制套筒27中。外侧控制套筒24通过引导元件46连接到内侧控制套筒27，所述引导元件46突入到纵向槽44中；输出轴28通过保持螺栓66连接到外侧控制套筒24。滑键82设置成使得耦联套筒26既能够传递扭矩又能够沿轴向移动。

如果输入轴22旋转，则通过扭杆29将扭矩传递到输出轴28。通过扭杆29的扭矩传递，扭杆29旋转并因此使输入轴22相对于输出轴28旋转。通过输入轴22的旋转，使得扭矩通过滑键82传递到耦联套筒26。通过在斜槽40中移动的耦联套筒26的压力元件42以及引导元件46在其中移动的内侧控制套筒27的纵向槽44的协同作用，使得内侧控制套筒27沿轴向移动。

可通过环形永磁体74以及布置成环形并通有电流的电磁体72使耦联套筒26沿轴向移动；如果没有对电磁体供应电流，那么伺服阀20可以正常操作。

如果耦联套筒26移动，则通过压力元件42和斜槽40将轴向力传递到内侧控制套筒27。根据本发明，斜槽40构造成自锁式，从而当使耦联套筒26沿轴向移动时，不会导致内侧控制套筒旋转；而当耦联套筒26旋转时，内侧控制套筒27沿轴向移动。

根据本发明，还设有用于使伺服阀20自动定心的装置。为此，在永磁体74的区域中设置有滚珠座圈76，滚珠78在所述滚珠座圈中行进。借助于弹簧元件80，使滚珠78受到沿着永磁体74的方向的力。图15示出了通过伺服阀20的位于弹簧元件80的区域中的截面图。因而，弹簧元件80的力确定了用于耦联套筒26轴向定心的回复力。定心力还取决于使滚珠78在其中得到保持或沿轴向移动的滚珠座圈76的轮廓。

本发明并不局限于所示出的示例性实施方式，还可以想到其它的实施。具体地，伺服阀20能够连接到此处未示出的转向力矩驱动装置，所述转向力矩驱动装置替代在其它情况下由驾驶员施加的手动力矩。尽管还可以想到特别是对于耦联套筒26的任何其它连接装置，但是也可以将助力例如作用在压力元件42上。可是，那样就需要在构造方面进行适应性调整。

因此，该伺服阀允许完成通常利用液压助力转向机构几乎无法实现的功能。可以容易地实现将其作为泊车辅助。

根据本发明，结合关于扭矩方面的相应的控制元件(ECU)以及适当的软件可以例如容易地实现以下功能：

-航向保持辅助

-控制过量/控制不足辅助

-触觉反馈

-可变转向辅助(例如，作为车速或荷重的函数)。

Claims (11)

1.一种用于汽车的液压助力转向机构的伺服阀(20)，所述伺服阀具有能够分别绕同一纵向轴线(X-X)旋转的输入轴(22)和输出轴(28)并且具有至少两个阀元件，即：

一个管状的外侧控制套筒(24)，所述外侧控制套筒(24)连接到所述输出轴(28)并在其内表面(34)上包括第一控制槽(32)，

一个内侧控制元件，所述内侧控制元件位于所述外侧控制套筒(24)内并相对于所述外侧控制套筒(24)同轴定向，所述内侧控制元件连接到所述输入轴(22)并在其外表面上包括适于与所述外侧控制套筒(24)的第一控制槽(32)重合的第二控制槽(36)，

其特征在于，设有耦联套筒(26)，

所述耦联套筒(26)能够沿轴向移动并且能够绕所述纵向轴线(X-X)旋转，

通过与所述阀元件中的至少一个接触，所述耦联套筒(26)的运动导致所述外侧控制套筒(24)和所述内侧控制元件的控制槽(32、36)相对移动，

所述耦联套筒(26)的运动通过沿径向的外部驱动装置实现。

2.如权利要求1所述的伺服阀(20)，其特征在于，

所述内侧控制元件由旋转滑动件形成，

所述控制槽(32、36)大致沿轴向延伸，

所述耦联套筒(26)以不可旋转的方式连接到所述外侧控制套筒(24)，使得所述耦联套筒(26)的旋转导致所述外侧控制套筒(24)旋转。

3.如权利要求2所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述耦联套筒(26)至少部分设置在所述外侧控制套筒(24)与所述旋转滑动件之间，所述耦联套筒(26)包括：

斜槽(40)，固定连接到所述输出轴(28)的压力元件(42)突入到所述斜槽(40)中；以及

沿轴向延伸的纵向槽(44)，固定连接到所述外侧控制套筒(24)的引导元件(46)突入到所述纵向槽(44)中。

4.如权利要求1所述的伺服阀(20)，其特征在于，

所述内侧控制元件由所述耦联套筒(26)本身形成，

所述控制槽(32、36)绕所述纵向轴线(X-X)大致沿周向延伸，

所述耦联套筒(26)以不可旋转的方式连接到所述外侧控制套筒(24)，使得所述耦联套筒(26)的旋转导致所述外侧控制套筒(24)旋转。

5.如权利要求2至4中任一项所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述耦联套筒(26)包括：

一个斜槽(40)，固定连接到所述输入轴(22)的压力元件(42)突入到所述斜槽(40)中；以及

一个沿轴向延伸的纵向槽(44)，固定连接到所述外侧控制套筒(24)的一个引导元件(46)突入到所述纵向槽(44)中。

6.如权利要求3至5中任一项所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述斜槽(40)相对于所述纵向轴线(X-X)具有大约10°到大约45°的倾斜角(α)。

7.如权利要求6所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述倾斜角(α)大约为45°。

8.如权利要求1至7中任一项所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述耦联套筒(26)由电动马达(50)通过杠杆沿轴向移动。

9.如权利要求8所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述耦联套筒(26)通过以枢转的方式支承在摇杆支座(54)上的叉形杠杆(52)连接到所述电动马达(50)，自由叉端分别包括一个摇杆螺栓(56)，所述摇杆螺栓(56)在所述耦联套筒(26)的周向槽(58)中行进。

10.如权利要求1至9中任一项所述的伺服阀(20)，其特征在于，在转向辅助机构的油缸(62)与所述伺服阀(20)之间设有阀(60)，所述阀(60)使得所述伺服阀(20)能够与所述油缸(62)液压断开。

11.如权利要求10所述的伺服阀(20)，其特征在于，所述阀(60)构造成二位四通阀。

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