CN103124666B - 包括电动机、控制单元和传感装置的转向器及配有转向器的电助力转向系统 - Google Patents

包括电动机、控制单元和传感装置的转向器及配有转向器的电助力转向系统 Download PDF

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Abstract

本发明从一种具有螺旋小齿轮（蜗杆190）和螺旋齿轮（蜗轮140）的转向器（100）出发，该螺旋小齿轮和螺旋齿轮支承在转向器外壳（110）中并且由电动机（190）驱动，还有控制单元（200）和与其连接的传感装置（220）设置在转向器之中或其上，以便探测和控制电动机的转子位置和/或转子旋转。建议：蜗杆（130）的轴（13）的驱动侧区段（131）在轴向方向上延伸并且从转向器外壳（110）中突出，驱动侧区段（131）的突出端部构成为电动机（190）的转子轴（19），以及控制单元（200）和/或传感装置（210）设置在转向器外壳（110）上。优选控制单元（200）和传感装置（210）设置在转向器外壳（110）的不同区段上。由此这种结构可以非常紧凑地、成本节省地和柔性地实现。

Description

包括电动机、控制单元和传感装置的转向器及配有转向器的电助力转向系统
技术领域
本发明涉及一种包括电动机、控制单元和传感装置的转向器以及一种配有该转向器的电助力转向系统。本发明特别是涉及这样一种转向器，它构成为用于电助力转向系统的螺旋齿轮传动机构或者蜗轮蜗杆传动机构。
背景技术
由DE19814719A1已知一种螺旋齿轮传动机构形式的此类转向器，应用在电助力转向装置中。图1示出该已知的转向器10，它具有外壳，在该外壳中设置有螺旋齿轮、即蜗轮40和与之啮合的螺旋小齿轮、即蜗杆30。该转向器配备有电动机(定子94、转子92)，该电动机与蜗杆30的轴连接，以便驱动该轴。如在那里简要描述的那样(第2栏第48－49行)，按照已知的方式通过转速传感器和转向传感器调节电动机。因此由其出发，为了控制或调节在那里的电动机也设置有控制或调节单元以及传感装置，它们例如可以设置在电动机的外壳盖12之中或其上。
普遍的是，控制电子装置和特别是传感装置直接或至少非常接近地设置在电动机上，以便精确地检测转子的旋转运动。因为为了控制电动机而必须尽可能准确地检测和连续地监控转子的转数或转速和/或转向。传感装置通常直接或至少非常接近地设置在电动机上例如在下列公开文献中描述：DE102008042213A1、DE102008040318A1或DE10037485A1，最后提到的公开文献明确地涉及螺旋齿轮传动机构形式的转向器。
作为传感器通常使用霍尔传感器和/或磁阻传感器(MR传感器)，例如在DE102007011672A1或DE10221340A1中所述的那样。
与控制或调节单元的设置结构有关，因此通常该控制或调节单元同样直接设置在电动机上或至少设置为非常接近该电动机。为此例如参见DE102008001503A1(见该现有技术的图1或图2)，其具有设置于电动机8上的控制单元9。该公开文献虽然涉及用于转向柱驱动装置的转向器，但示出的是不同实施形式的设置结构，包括控制单元的设置结构(见现有技术的图6)，它对于其他的转向器也是普遍的。因此，控制单元可以设置在电动机的侧面(见现有技术的图1～4)或者轴向错开地设置在电动机的后端部上(见该现有技术的图5～9)。因为没有明确地描述传感装置的设置结构，因此可推测传感装置是集成到控制单元中。
因此原则上已知具有螺旋小齿轮(例如蜗杆)的转向器，它们支承在转向器外壳中并且由电动机驱动，控制单元和与之连接的传感装置也设置在转向器之中或其上，以便检测和控制电动机的转子位置和/或转子旋转。
在此，控制单元或传感装置的设置结构对转向器的总体大小(长度和/或宽度)有很大的影响，这会使得装配困难并且增大结构体积。这特别是与转向器相关要注意：它构成为螺旋齿轮传动机构或蜗轮蜗杆传动机构。因为蜗杆通常在其两个轴端部被支承并且通过轴端部之一与电动机的转子轴连接。由此沿轴向方向得到已经非常显著的和经常阻碍性的结构长度，它在许多情况下使得转向器的安装困难或者甚至不可能。
发明内容
因此本发明的目的在于，明显改进开头所述类型的转向器和螺旋小齿轮轴或者说蜗杆轴的偏转支承。在此，传统解决方案的上述缺点按照有利的方式被克服。特别是应该节省构件和建议紧凑的结构。
上述目的通过转向器来达到，该转向器包括电动机和与该电动机连接的控制单元，该转向器具有螺旋齿轮和与该螺旋齿轮啮合的螺旋小齿轮，螺旋小齿轮具有能由电动机驱动的轴，该轴借助第一轴支承装置和第二轴支承装置支承在转向器外壳中，并且控制单元和与该控制单元连接的传感装置设置在转向器中，以便探测和控制电动机的转子位置和/或转子旋转，轴的驱动侧区段在轴向方向上延伸并且从转向器外壳中突出，驱动侧区段的突出端部构成为电动机的转子轴，以及控制单元和/或传感装置设置在转向器外壳上，控制单元和传感装置设置在转向器外壳的不同区段上。
因此建议一种包括螺旋小齿轮(例如蜗杆)的转向器，该螺旋小齿轮具有轴，该轴支承在转向器外壳中并且由电动机可驱动，该轴的驱动侧区段在轴向方向上延伸并且从转向器外壳中突出，驱动侧区段的突出端部构成为电动机的转子轴，以及控制单元和/或传感装置设置在转向器外壳上。特别是传感装置设置在螺旋小齿轮的轴的非驱动侧区段上。
由此从典型的转向器构造出发，其中在转向器外壳中实现螺旋小齿轮支承装置或者说蜗杆支承装置，该转向器外壳延长了驱动侧的轴端部并且朝转子构造，使得电动机可以直接设置在转向器外壳上。由此构件节省地也将蜗杆支承装置的固定轴承用于支承转子，蜗杆轴的相应区段可以实施为比现有技术中明显更短。这又能够实现，特别是控制单元不是设置在电动机外壳上，而是设置在较冷的转向器外壳上并且由此更有效地冷却产生热量的功率电子装置。因此有利的是，控制电子装置的产生热量的功率元件设置在转向器外壳上，特别是设置在转向器外壳的冷却面上。此外，也不需要把传感装置设置在电动机轴上，而是可以设置在螺旋小齿轮的轴的非驱动侧区段上，这提供了关于结构可能性的高灵活性。此外还得到的优点是：因为连贯的蜗杆轴同时也用作电动机轴，这样设置的传感装置可以直接和准确地探测电动机轴的转子位置和/或转子速度。由此能够没有传感器测量精度缺陷地把传感装置设置在蜗杆轴的自由端部上和由此达到较大的结构变型可能性。
而且在转向器外壳中实现的螺旋小齿轮轴或者说蜗杆轴的偏转支承可以基本上如在传统的螺旋齿轮传动机构中确定尺寸。用于监控转子位置或转子速度的传感装置设置在轴的另一端部上，也就是在蜗杆轴的非驱动侧端部上。
优选电动机外壳和转向器外壳一体地构成为唯一的外壳。在此，电动机的转子可以构成为罐形的，使其包围固定轴承。总体上，结构可以实现为非常紧凑的。固定轴承也可以从转向器外壳区段转移到电动机外壳区段中。在此，电动机的转子可以构成为罐形的，使其包围固定轴承。总体上，结构可以实现为非常紧凑的。
因此，控制单元和传感装置可以设置在转向器外壳的不同区段上。在此，控制单元和传感装置优选集成地在一个外壳(控制器外壳)中，该外壳例如可以是L形或T形的外壳。
控制单元或至少该控制单元的功率元件可以与传感装置分开地设置在转向器外壳的不同区段上。在此，控制单元或至少功率元件经由信号线与传感装置连接。
按照本发明也建议一种配备有这种转向器的电助力转向系统。
附图说明
下面借助实施例和参考附图详细描述本发明。
图1示出传统的转向器构造；
图2～4给出按本发明的转向器构造的视图，其中：图2示出传感装置的第一设置结构，图3示出它的两种变型方案，图4示出它的另一变型方案。
具体实施方式
与图1中所示的传统的转向器构造相比较，在图2中示出的按本发明的实施例示出具有下列结构的转向器100：
在转向器外壳110中或在与其直接连接的电动机外壳119中支承有构成为蜗杆的螺旋小齿轮130。蜗杆130的轴13在驱动侧支承在电动机外壳中的固定轴承121中。为此，轴的驱动侧区段131承接在相应的第一轴支承装置121中，该第一轴支承装置构成为偏转轴承。该驱动侧区段131构成为转子轴，该转子轴由此形成电动机190的转子192的一部分。转子192构成为罐形的并且包围轴端部131。换句话说，固定轴承121几乎位于电动机190的中心，因为转子192或其至少一个永久磁铁构成为罐形的，使得固定轴承121被包围。由此达到还更稳定地支承电动机以及紧凑的结构方式，从而即使在较重的或结构长的转子情况下也可以完全放弃附加的支撑轴承。
在轴13的非驱动端部处有浮动轴承122，其轴承套可以具有径向的弹性。此外，浮动轴承或轴支承装置122可以设有轴向的弹簧装置。蜗杆130与蜗轮140啮合，它通过在固定轴承侧的可偏转的支承得以优化。
图2也示出，驱动侧区段131从转向器外壳110延伸出来并且在其端部区域上用作电动机190用的(自由的)转子轴。轴13也连贯穿过不仅转向器外壳110而且电动机外壳119。这意味着，连贯的轴13一体地构成为蜗杆轴和转子轴。固定轴承或第一轴支承装置121优选构成为偏转轴承并且用来不仅本来支承蜗杆轴而且支承转子。这种在这里建议的结构可以实施为非常紧凑的。
在与通常结构的其他区别中，在转向器外壳110上还有控制单元200和传感装置210。传感装置210直接设置在自由的轴端部上、也就是在轴13的非驱动侧的区段132上并且可以精确地检测转子位置和必要时还有转子速度。与其直接相邻，直接在转向器外壳110或其冷却面处有控制电子装置200，用来控制电动机190，它优选构成为无刷直流电动机。由此从传感装置210到控制电子装置200的导线可以保持为短的，这又降低了成本和易受干扰性。向电动机190的定子绕组194的输入导线也可以保持为短的。由此使得电功率损耗保持为低的。
如图2中示例性示出的那样，优选控制电子装置的产生热量或发热的部件即控制器的功率元件220或末级元件直接设置在转向器外壳110，以便在那里由转向器外壳的面冷却。该面为此可以构成为带有散热片的冷却元件或散热体。由此建议控制器部件按照模块化构造方式的有效冷却的和节省位置的设置结构。
转向器外壳110和电动机外壳119优选作为一体的外壳实现，其中，每个外壳区段110或119针对其相应的功能优化地设计。
在这里建议的轴支承装置的总体结构是一种作为蜗杆和转子一体地构成的轴的悬伸支承结构，并且可以非常紧凑以及成本有利地在电助力转向系统中实现。
如图2所示，传感装置210设置用来在蜗杆130的自由轴端部处检测转子位置。传感装置210和控制器200或功率元件220也可以集成地设置在一个外壳(控制器外壳)中。
图3借助以下的两种变型方案描述该原理：
在第一变型方案中(实线)，控制电子装置200的外壳构成为L形的并且包括功率元件220以及传感装置210或本来的传感器212(霍尔传感器和/或磁阻传感器)及其相应的布线。发送器磁铁211也属于该传感装置210，该发送器磁铁设置在轴端部上并且由此随同轴13旋转。为了对控制电子装置200(控制单元或控制器)供电或者电池连接，在L形的外壳上、在这里是在传感装置210的区域中，设有配合的插塞连接器216。
在第二变型方案中(虚线)，控制电子装置200的外壳也可以构成为T形的，其中，插塞连接器或电流接头216’设置在功率电子装置220的附近。
根据安装情况，该结构按照在这里示出的变型方案或其他类似的变型方案适配于已有的结构空间。
图4以部分视图示出另一种变型方案，其中，功率电子装置220或其元件和传感装置或本身的传感器212设置在空间上分开的不同外壳中。由此，设置结构还可以更好地适配于不同的安装情况。特别是，传感器还可以更柔性地针对发送器磁铁定向和校正。也没有热量从功率电子装置220传递到传感装置210。传感装置210经由导线、如例如扁带电缆或扁带导线与控制装置或功率元件220连接。
借助蜗轮蜗杆传动机构示例性也描述了本发明，本发明不限于蜗轮蜗杆传动机构，而是可以一般性应用于任何类型的螺旋齿轮传动机构。所示出的实施例特别适合用在机动车辆用的电助力转向系统中。
附图标记列表
10通常的转向器，它包括蜗杆30和蜗轮40以及固定轴承21、用于蜗杆轴的浮动轴承22，此外还包括具有转子94和定子94的电动机以及外壳盖12
100转向器(这里构成为蜗轮蜗杆传动机构)
110转向器外壳或用于蜗杆支承装置的外壳区段
121第一轴支承装置(固定轴承)
122第二轴支承装置(浮动轴承)
130螺旋小齿轮(这里构成为蜗杆)
13蜗杆轴(轴)
131驱动侧区段
132轴的自由端部
140螺旋齿轮(这里构成为蜗轮)
190电动机(这里构成为无刷直流电动机)
19转子轴(对应于蜗杆轴13的延长区段)
192转子或永久磁铁(在转子轴上)
194电动机的定子绕组
119电动机外壳或用于电动机的外壳区段
200控制电子装置(控制单元或控制器)
220控制器的功率元件(为了冷却而外置)
210用于检测转子位置(在轴自由端部上)的传感装置，包括发送器磁铁211和传感器212(霍尔传感器和/或磁阻传感器)
215传感装置与功率元件之间的连接导线
216电源(电池)的插塞连接器或接头

Claims (9)

1.转向器(100)，该转向器包括电动机(190)和与该电动机连接的控制单元(200)，该转向器(100)具有螺旋齿轮(140)和与该螺旋齿轮啮合的螺旋小齿轮(130)，螺旋小齿轮(130)具有能由电动机(190)驱动的轴(13)，该轴借助第一轴支承装置(121)和第二轴支承装置(122)支承在转向器外壳(110)中，并且控制单元(200)和与该控制单元连接的传感装置(210)设置在转向器(100)中，以便探测和控制电动机(190)的转子位置和/或转子旋转，轴(13)的驱动侧区段(131)在轴向方向上延伸并且从转向器外壳(110)中突出，驱动侧区段(131)的突出端部构成为电动机(190)的转子轴(19)，以及控制单元(200)和/或传感装置(210)设置在转向器外壳(110)上，其特征在于，控制单元(200)和传感装置(210)设置在转向器外壳(110)的不同区段上，控制单元(200)和传感装置(210)集成地设置在一个外壳中。
2.按照权利要求1所述的转向器(100)，其特征在于，传感装置(210)设置在螺旋小齿轮(130)的轴(13)的非驱动侧区段(132)上。
3.按照权利要求1或2所述的转向器(100)，其特征在于，所述外壳是L形或T形的外壳。
4.按照权利要求1或2所述的转向器(100)，其特征在于，传感装置(210)和控制单元(200)设置在转向器外壳(110)的不同区段上，或至少该控制单元的功率元件(220)与传感装置(210)分开地设置在转向器外壳的不同区段上。
5.按照权利要求4所述的转向器(100)，其特征在于，控制单元(200)或至少功率元件(220)经由信号线(216)与传感装置(210)连接。
6.按照权利要求4所述的转向器(100)，其特征在于，控制单元(200)的功率元件(220)设置在转向器外壳(110)的冷却面上。
7.按照权利要求5所述的转向器(100)，其特征在于，控制单元(200)的功率元件(220)设置在转向器外壳(110)的冷却面上。
8.电助力转向系统，其包括转向器(100)，该转向器包括电动机(190)和与该电动机连接的控制单元(200)，转向器(100)具有螺旋齿轮(140)和与该螺旋齿轮啮合的螺旋小齿轮(130)，螺旋小齿轮(130)具有能由电动机(190)驱动的轴(13)，该轴借助第一轴支承装置(121)和第二轴支承装置(122)支承在转向器外壳(110)中，以及控制单元(200)和与该控制单元连接的传感装置(210)设置在转向器(100)中，以便探测和控制电动机(190)的转子位置和/或转子旋转，轴(13)的驱动侧区段(131)在轴向方向上延伸并且从转向器外壳(110)中突出，驱动侧区段(131)的突出端部构成为电动机(190)的转子轴(19)，以及控制单元(200)和/或传感装置(210)设置在转向器外壳(110)上，其特征在于，控制单元(200)和传感装置(210)设置在转向器外壳(110)的不同区段上，控制单元(200)和传感装置(210)集成地设置在一个外壳中。
9.按权利要求8所述的电助力转向系统，其特征在于，转向器(100)按照权利要求2至7之一构成。
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