CN107021129B - 使用压电元件的用于转向机构的间隙和预载调节 - Google Patents

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Abstract

一种转向机构具有压电元件以基于转向输入、道路输入和运行时间调节部件间隙和预载。压电元件定位在转向机构中用于电调节，从而可以电调节间隙和预载以对转向输入、道路输入和运行时间作出响应。当车辆架驶在平滑的道路状况上时，该布置允许低预载和低摩擦。当检测到粗糙的道路状况时，可以电增加间隙和预载两者以最小化噪声。公开的发明构思可以发现在许多转向机构中的应用以当车辆驾驶在粗糙的表面上时最小化和消除NVH。无需限制，压电元件可设置在齿条小齿轮电动助力转向系统或在蜗杆蜗轮(转向柱)电动助力转向系统中。

Description

使用压电元件的用于转向机构的间隙和预载调节
技术领域
公开的发明构思涉及用于汽车的转向机构。更具体地，公开的发明构思涉及结合对诸如转向输入、道路输入和运行时间的变量作出反应的压电元件的转向机构。为了响应该信息，压电元件可调节转向机构中的间隙和预载，从而最小化噪声。
背景技术
汽车转向系统受到可以引起被车辆司机和乘客听到和感觉到的噪音、振动和粗糙性(NVH)的大量的力。当车辆驾驶在诸如鹅卵石或比利时式砌石块的粗糙的路面上时，转向NVH尤其是一个问题。
之前对减小或消除粗糙的路面上的转向NVH的努力集中在设计和微调通过转向和悬架系统使用的轴套、轴承和接头以实现期望的NVH水平。不幸的是，这些努力仅有有限的成就并且他们通常需要在诸如乘坐、转向感、滚动舒适性和撞击粗糙性的其它车辆属性中折中。
当车辆驾驶在粗糙的路面上时遇到的转向机构NVH的问题是齿条小齿轮转向机构和蜗杆蜗轮转向机构所共有的。由于齿条小齿轮转向机构是这两者中更为常见的，针对解决这类机构的问题的研究更多。
例如，文件DE 10162470A1针对一种用于机动车辆的转向齿轮，其中，推力件在转向齿轮外壳的连接件内以可纵向移动的方式被引导，通过推力件，齿条被压靠在驱动小齿轮上。因此，预载力以这样的方式作用于推力件，作用于推力件的预载力的作用方向和推力件的移动方向形成一个夹角。本参考的目的是防止由于与推力件交替接触导致的冲击噪声。
通过另一实例，文件USPN 7,654,166公开了具有用作自动补偿存在于反向轴承的弹簧加载的推力件的面向彼此的表面之间的间隙的部件的齿条转向齿轮，其中，克服反向轴承作用于推力件的弹簧受到支撑。根据该专利中公开的发明，在推力件和反向轴承之间布置两个分隔开的楔状中间部件。楔状中间部件通过弹性元件彼此连接。楔状与部件通过弹性元件彼此连接的力补偿存在于推力件和反向轴承之间的间隙。
尽管这些创新表明转向机构领域中的改进，转向机构设计者面对的具体挑战是增加移动部件之间的预载导致减小的NVH但是导致了其他困难。具体地，在转向机构中的预载和间隙的数量必须被设定以为良好转向提供较低摩擦而不在转向输入期间或道路输入期间引起机械噪音。更低的间隙或更高的预载导致更少的噪音但是导致摩擦的不期望的增加。
复杂的工程开发的事实是没有必要在所有状况下减小NVH。具体地，在普通驾驶状况下，增加预载是不必要的。因此，取决于表面状况可选择性调节间隙和预载的实用转向机构是所期望的。
因此，如在车辆技术的许多领域中，尚有与汽车中的转向机构相关的改进空间。
发明内容
公开的发明构思克服了当车辆驾驶在粗糙的表面上时与NVH和已知的转向机构相关联的问题。公开的发明构思提供转向机构的一个元件相对于另一个的有效移动。该移动是由基于路面和其它输入结合至调节部件间隙和预载的转向机构中的一个或多个压电元件引起的。
压电元件定位在转向机构中用于电调节，从而可以迅速电调节间隙和预载以响应转向输入、道路输入和运行时间。当车辆驾驶在平滑的道路状况上时，该布置允许低预载和低摩擦。当检测到粗糙的道路状况时，可以电增加间隙和预载两者以最小化噪声。
主动阻尼系统(CCD)和电动助力转向(EPAS)(扭矩传感器)能够潜在地检测引起包括，例如，鹅卵石或比利时式砌石块路的转向NVH的已知的路面。集成主动转向齿轮叉臂或主动蜗轮柱EPAS叉臂可通过控制器区域网/局域互连网(CAN/LIN)的输入或有限信号电压输入，基于道路状况的实时反馈改变间隙。当在变化的路面上时，主动改变间隙的能力缓解NVH。
公开的发明构思可以发现在各种转向机构中的应用以当车辆驾驶在粗糙的表面上时最小化或消除NVH。例如，压电元件可以设置在齿条小齿轮EPAS系统或在蜗杆蜗轮(转向柱)EPAS系统中。
当结合附图时，以上益处和其它益处以及特征将从下面优选的实施例的详细描述很容易明显地看出。
附图说明
为了本发明的更完整的理解，现在应该参照在附图中更详细示出的并且通过本发明的实例在下面描述的实施例，其中：
图1是用于汽车的传统转向系统的立体图；
图2是根据公开的发明构思的具有压电元件的齿条小齿轮EPAS的截面图；以及
图3是根据公开的发明构思的具有压电元件的转向柱EPAS的截面图。
具体实施方式
在下面附图中，相同的参考标号将用于表示相同的部件。在下面描述中，为不同构造的实施例描述各种操作参数和部件。这些具体的参数和部件被包括作为实例并且不意味着限制。
大体地，公开的发明涉及一种具有定位在转向机构中的压电元件的转向机构，压电元件用于电调节从而可以电调节间隙和预载以对转向输入、道路输入和运行时间作出快速响应。当车辆驾驶在平滑的道路状况上时，该布置允许低预载和低摩擦。当检测到粗糙的道路状况时，可以电增加间隙和预载两者以最小化噪声。当公开的发明构思可以在一系列更广泛的转向机构中提供服务，本文中论述多种常见机构中的两种，齿条小齿轮电动助力转向系统和蜗杆蜗轮(转向柱)电动助力转向系统。
参照图1，动力转向系统一般由参考标号10表示。可由车辆驾驶员控制的方向盘12连接至转向柱14。应该理解，示出的动力转向系统及其零部件仅仅为了说明的目的并且不旨在作为限制，因为公开的发明构思可以适合于很多种转向机构。
转向柱14设置有电动助力转向(EPS)手动转向齿轮系统16。EPS手动转向齿轮系统操作性地连接至与齿条外壳20一体成型的转向齿轮外壳18。转向齿轮外壳18与齿条外壳20连接并且允许可轴向旋转小齿轮和可线性移动齿条齿轮之间的相互作用，这在图2中示出并且结合图2进行了论述。
示出了根据公开的发明构思的具有压电元件的齿条小齿轮布置。齿条小齿轮布置将从转向轴接收的旋转力(未示出)转换为直线运动。如图2中所示，在通过限定小齿轮22的开口的小齿轮套管21截取的截面中示出转向齿轮外壳18。还通过齿条齿轮24、叉臂组件(yoke assembly)26和轴套组件28截取该截面。转向齿轮外壳18包括圆柱形部分30。
小齿轮22被示出将齿条齿轮24与叉臂组件26接合，并且轴套组件28在齿条齿轮24的与其与小齿轮22接合的点的相对侧上支撑齿条齿轮24。小齿轮22的远端容纳在小齿轮端轴承32中。小齿轮22通过螺母34保持在转向齿轮外壳18中。
端盖36装配至圆柱形部分30的端部。叉臂组件26包括轴套界面轴38。轴套界面轴38具有圆柱形以使其能够在转向齿轮外壳18的圆柱形部分30内线性滑动。因此，端盖36用作保持轴套界面轴38和包含润滑油。
轴套界面轴38的前端与齿条齿轮24接触。轴套表面轴38的前端具有半圆槽39。齿条齿轮24的弯曲的后表面的一部分可以接触半圆槽39。
弹簧40在端盖36的下侧处。弹簧40可以是如所示的螺旋弹簧或可以是另一机械偏压元件。弹簧40施加恒压并且补偿齿条齿轮24和小齿轮22之间的间隙。因此，弹簧40用于对轴套界面轴38施加压力，因此压迫轴套界面轴38与齿条齿轮24紧密接触。
具有两个面的压电堆叠件42操作性地装配在其两个面中的一个上的端盖36和弹簧40以及其两个面中的另一面上的轴套界面轴38的上端之间。尽管压电堆叠件42示出为单一元件，应该理解为可以采用两个或更多的压电元件。
处理单元43与压电堆叠件42操作性地相关联。处理单元43与用于传感器输入的转向传感器44、用于道路输入的道路传感器46、以及运行时间时钟48连接。运行时间时钟48考虑车辆的至今操作寿命，因此确定并且补偿部件磨损。诸如用于测量部件温度的传感器(未示出)的其它传感器可根据需要与处理单元43连接以感测变化的路况。
在操作中，当车辆驾驶在相对平滑的表面上时，转向传感器44和道路传感器46感测平滑的道路状况和至处理单元43的不需要向压电堆叠件42输送电能的信号。然而，当具有由粗糙的道路引起的变化时，转向传感器44和道路传感器46生成由处理单元43接收的适当的信号，其转而引起电能被输送至压电堆叠件42。能量的量不仅是由转向传感器44和道路传感器46生成的信号的函数，而且是由运行时间时钟48生成的信息的函数。应该理解，从处理单元输送至压电堆叠件42的道路状况反馈信号可以通过控制器区域网/局域互连网(CAN/LIN)的输入或有线信号电压输入输送。
当通电时，压电堆叠件42向轴套界面轴38的上端施加力，从而调节齿条齿轮24相对于小齿轮22的间隙和预载。轴套界面轴38的移动即时响应于由处理单元43生成的输入并且增加的压力和该压力的释放是实时的，并且因此是即时的，从而当车辆在任何地形上驾驶时最小化或消除由转向机构生成的整个NVH。
如上所述，公开的发明构思可以在许多转向机构中发现适用性，包括上述齿条小齿轮电动助力转向系统和蜗杆蜗轮(转向柱)电动助力转向系统两者。在图3中示出蜗杆蜗轮布置。如该图所示，诸如所述转向柱电动助力转向系统50的蜗杆蜗轮机构包括外壳52。输入轴54旋转地装配在外壳52内。输入轴54包括传统地连接至诸如电机(未示出)的驱动单元的输入端56。输入端56通过轴承58旋转地支撑在外壳52内。与输入轴54的输入端56相对的是通过轴承62旋转支撑在外壳52中的端60。输入轴54承载轴承58和轴承62之间的蜗轮64。轴承62装配在外壳52中并且通过偏压元件65与外壳52部分地分隔开。偏压元件65可以由包括弹簧钢的任何若干材料制成。轴承62的移动轴向限制在外壳52内。然而，轴承62可在外壳52内径向移动以响应于偏压元件65的偏压力。
带齿轮66固定连接至可旋转输出轴68。蜗轮64配置为接合在输出轴68上设置的带齿轮66。由于轴承62在外壳62内的径向可移动性，偏压元件可以向着带齿轮66偏压输入轴54。
扭矩传感器(未示出)被设置并且配置为测量输出轴68中的扭矩。来自扭矩传感器的输出通过控制由电机生成的扭矩的电子控制单元产生电机驱动信号。此后，电机通过电机转子(未示出)传递扭矩至输入轴54和至输出轴68上。
具有两个面的压电堆叠件70操作性地装配在其两个面中的一个上的偏压元件65和其两个面中的另一个上的轴承62之间。尽管压电堆叠件70示出为单一元件，应该理解为可以采用两个或更多的压电元件。
处理单元72与压电堆叠件70操作性地相关联。处理单元72与用于传感器输入的转向传感器74、用于道路输入的道路传感器76、运行时间时钟78和用于感测输入轴54和与其相关联的蜗轮64和带齿轮66的温度的温度传感器80连接。运行时间时钟78考虑车辆的至今操作寿命，因此确定并且补偿齿磨损。温度传感器80使压电堆叠件70调节间隙和预载，且不论温度。应该理解，根据公开的发明构思，温度传感器可以包括在任何类型的转向机构中。根据期望的其它传感器可以与根据需要的处理单元72连接以感测变化的路况。
在操作中，当车辆驾驶在相对平滑的表面上时，转向传感器74和道路传感器76感测平滑的道路状况和至处理单元72的不需要向压电堆叠件70输送电能的信号。然而，当具有由粗糙的道路引起的变化时，转向传感器74和道路传感器76生成由处理单元72接收的适当的信号，其转而引起电能被输送至压电堆叠件70。能量的数量不仅是由转向传感器74和道路传感器76生成的信号的函数，而且是由运行时间时钟78生成的信息的函数。正如在图2中示出的和结合图2中论述的齿条小齿轮转向机构的布置，应该理解，从处理单元输送至压电堆叠件70的道路状况反馈信号可以通过控制器区域网/局域互连网(CAN/LIN)的输入或有线信号电压输入输送。
当通电时，压电堆叠件70向轴承62施加力，从而调节输入轴54和其蜗轮64相对于带齿轮66的间隙和预载。蜗轮64相对于带齿轮66的移动即时响应于由处理单元72生成的输入并且增加的压力和该压力的释放是实时的，并且因此是即时的，从而在车辆在粗糙的地形上驾驶时最小化或消除由转向机构生成的整个NVH。
当经历粗糙的驾驶状况时，如上面提出的公开的发明构思克服由用于减小或消除转向机构中的NVH的已知布置面临的挑战。因此，本领域的技术人员将从这样的论述和从附图和权利要求容易地意识到可以在其中进行各种改变、修改和变型而不背离如由下面的权利要求限定的本发明的真实精神和公平范围。

Claims (14)

1.一种用于在车辆中使用的转向机构，所述机构包括：
齿轮外壳；
驱动齿轮；
被所述驱动齿轮驱动的从动齿轮；
与所述驱动齿轮和所述从动齿轮中的一个操作性地相关联的压电元件；
处理单元，所述处理单元连接至所述压电元件用于选择性地使所述压电元件通电，所述处理单元连接至用于识别粗糙的道路状况的道路传感器，
其中，所述驱动齿轮是具有蜗轮的输入轴，并且所述从动齿轮是连接至输出轴的带齿的轮，
其中，当所述道路传感器识别所述粗糙的道路状况时，使所述压电元件通电，进而调节所述输入轴和所述蜗轮相对于所述带齿的轮的间隙和预载。
2.根据权利要求1所述的转向机构，其中，所述处理单元连接至运行时间时钟。
3.根据权利要求1所述的转向机构，还包括偏压元件。
4.根据权利要求3所述的转向机构，其中，所述偏压元件是弹簧。
5.根据权利要求1所述的转向机构，还包括轴承，所述轴承将所述输入轴支撑在所述外壳内。
6.根据权利要求5所述的转向机构，其中，所述外壳包括内壁，并且所述压电元件装配在所述内壁和所述轴承之间。
7.根据权利要求6所述的转向机构，还包括偏压元件。
8.根据权利要求7所述的转向机构，其中，所述压电元件具有两个面，所述偏压元件抵靠所述面中的一个设置并且所述轴承抵靠所述面中的另一个设置。
9.一种用于在车辆中使用的转向机构，所述机构包括：
限定孔的外壳；
驱动齿轮；
被所述驱动齿轮驱动的从动齿轮；
与所述驱动齿轮和所述从动齿轮中的一个操作性地相关联的压电元件；以及
处理单元，所述处理单元连接至所述压电元件用于选择性地使所述压电元件通电，所述处理单元连接至用于识别粗糙的道路状况的道路传感器，
其中，所述驱动齿轮是具有蜗轮的输入轴，并且所述从动齿轮是连接至输出轴的带齿的轮，
其中，当所述道路传感器识别粗糙的道路状况时，使所述压电元件通电，进而调节所述输入轴和所述蜗轮相对于所述带齿的轮的间隙和预载。
10.根据权利要求9所述的转向机构，其中，所述处理单元连接至从包括转向传感器、道路传感器和温度传感器的组中选择的一个或多个传感器。
11.根据权利要求10所述的转向机构，其中，所述处理单元连接至运行时间时钟。
12.根据权利要求9所述的转向机构，还包括偏压元件。
13.根据权利要求9所述的转向机构，还包括轴承，所述轴承将所述输入轴支撑在所述外壳内，并且其中，所述外壳包括内壁，所述压电元件装配在所述内壁和所述轴承之间。
14.一种用于车辆的转向机构，所述机构包括：
外壳；
第一可移动部件，所述第一可移动部件是具有齿轮的输入轴；
与所述第一可移动部件操作性相关联的第二可移动部件，所述第二可移动部件是连接至输出轴的轮；
与所述第一可移动部件和所述第二可移动部件中的一个操作性相关联的压电元件；
处理单元，所述处理单元连接至所述压电元件用于选择性地使所述压电元件通电，所述处理单元连接至用于识别粗糙的道路状况的道路传感器，
其中，当所述道路传感器识别所述粗糙的道路状况时，使所述压电元件通电，进而调节所述输入轴和所述齿轮相对于所述轮的间隙和预载。
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