CN107521547B - 转向柱组件的自锁伸缩式致动器 - Google Patents

转向柱组件的自锁伸缩式致动器 Download PDF

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Abstract

一种可伸长型转向柱组件,其包括转向轴、能量吸收装置和自锁伸缩式致动器。转向轴被构造为围绕轴线旋转,并且包括被旋转式地安装到固定支撑结构的前轴部和被旋转式地安装到护套的后轴部。后轴部被构造为与护套轴向平移。能量吸收装置被接合到护套。伸缩式致动器包括:杆,沿中心线延伸;螺母,被拧到杆上;以及壳体,可操作地与螺母接触。至少当处于至少一种通电状态时,在杆与螺母之间引起连同轴向平移运动一起的旋转运动。

Description

转向柱组件的自锁伸缩式致动器
相关申请的交叉引用
本专利申请主张享有提交日期为2016年6月21日,序列号为62/352,809的美国临时专利申请的优先权,此申请作为整体以援引方式合并于本文。
技术领域
本公开涉及一种转向柱组件,更具体地,涉及具有伸缩式致动器的组件。
背景技术
用于使转向柱组件伸缩的伸缩式致动器通常可以具有电动操作模式和手动操作模式。这样的致动器在联接到能量吸收(E/A)装置时,可使E/A装置在转向柱组件处于手动模式时不能操作、和/或可限制与E/A装置有关的设计选项和/或使与E/A装置有关的设计选项复杂化。
因此,需要提供一种伸缩式致动器,其能够进行通电(powered)模式操作和手动模式的操作,同时利用能以这两种模式操作的稳健而简化的E/A装置。
发明内容
在本公开的一个示例性实施例中,可伸长型转向柱组件包括转向轴、能量吸收装置和自锁伸缩式致动器。转向轴被构造为围绕轴线旋转,并且包括被旋转式地安装到固定支撑结构的前轴部、以及被旋转式地安装到护套(jacket)的后轴部。后轴部被构造为与护套轴向平移。能量吸收装置被接合到护套。伸缩式致动器包括:杆,沿中心线延伸;螺母,螺旋到杆上;以及壳体,可操作地与螺母接触。至少当处于至少一种通电状态时,在杆与螺母之间引起连同轴向平移运动一起的旋转运动。
在另一实施例中,可伸长型转向柱组件包括转向轴、能量吸收装置和伸缩式致动器。转向轴被构造为围绕轴线旋转,并且包括被旋转式地安装到支撑结构的前轴部、以及被旋转式地安装到护套的后轴部。后轴部被构造为与护套相对于支撑结构和前轴部轴向平移。能量吸收装置被接合到护套。伸缩式致动器包括螺杆,螺杆被接合到支撑结构且沿着中心线延伸。往复组件被接合在能量吸收装置与螺杆之间。至少一部分往复组件被构造为当处于通电模式和处于手动模式时沿着中心线与能量吸收装置、后轴部和护套轴向平移。至少一部分往复组件被构造为一般在能量吸收状态时不平移。
通过结合附图,将从以下说明中更清楚地了解到这些以及其它优势和特征。
附图说明
被视为本发明的主题在总结说明书的权利要求中被特别地指出且声明。结合附图,从以下的具体说明中可清楚地了解到本发明以上的和其它的特征以及优势,在附图中:
图1是根据本发明的示例性实施例的转向柱组件的立体图;
图2是转向柱组件的侧视图;
图3是转向柱组件的自锁伸缩式致动器的往复组件;
图4是转向柱组件的第二实施例的侧视图;
图5是自锁伸缩式致动器的第二实施例的往复组件的局部剖视图;
图6是往复组件的第三实施例的部分被移除以示出内部细节的立体图;
图7是往复组件的第三实施例的部分被移除以示出内部细节的另一立体图;
图8是往复组件的第三实施例的部分被移除以示出内部细节的另一立体图;以及
图9是往复组件的第三实施例的离合器装置的局部剖视图。
具体实施方式
现参考附图,其示出一种可伸长型转向柱组件20作为自锁伸缩式致动器22的应用的一种非限制性示例,将参考特定实施例而不限制本发明地描述本发明。与自锁伸缩式致动器22整合的转向柱组件20可适用于自主车辆(autonomous vehicle)。例如,转向柱组件20可以为转向盘按需式系统(steering wheel on-demand system),或者转向盘按需式系统的一部分。在这种应用中,自锁伸缩式致动器22可以适应于分离,因而有助于驾驶员从闲置位置(stowed position)获得转向盘。当自锁伸缩式致动器22处于分离状态时,致动器22还可以被构造为锁定以增强耐撞性保护,这是由于转向柱在分离时使转向柱移动的载荷远小于能量吸收(E/A)载荷。还应该预料和理解的是,自锁伸缩式致动器22可以应用于任何伸缩式转向柱组件。
参考图1,可伸长型转向柱组件20可以包括支撑结构或下部护套24、旋转的转向轴26、轴壳或上部护套28、E/A装置29(例如,E/A片)以及自锁伸缩式致动器22。下部护套24相对于柱支架25的角度可以为可调节的。柱支架25可以被稳定且刚性地安装到车辆的构架(未示出)。参考图2和图3,旋转的转向轴26可以包括前轴部30(即,相对于车辆)、后轴部32以及轴向滑动接合部34。后轴部32可以通过上部护套28而被可旋转地支撑,并包括前端段36和相对的后端段38。后端段38被构建且设置为用于手动转向盘(未示出)的安装。前轴部30可以被可旋转地安装到下部护套24,并包括后端段40。
轴向滑动接合部34被构造为允许转向轴26围绕轴线42旋转,同时使轴能够轴向伸长和缩回。轴向滑动接合部34可以用花键联接,并被承载在前轴部30的后端段40与后轴部32的前端段36之间。在操作中且随着转向柱组件20从轴向伸长位置缩回,前轴部30对于后轴部32的轴向重叠增大,反之亦然。
在一个实施例中,前轴部30可以被旋转式地安装到下部护套24,并且不会相对于轴线42轴向地平移。上部护套28可以由下部护套支撑,可以相对于下部护套24轴向地平移,并且不会旋转。
E/A片(E/A strap)29适用于在基本轴向的力沿轴向向前的方向被施加于例如转向盘时(在能量吸收事件期间)吸收能量。E/A片29的一端可以被安装到自锁伸缩式致动器22,而E/A片的相对端可以被安装到上部护套28。
参考图1至图3,自锁伸缩式致动器22可以被构建且设置为在通电状态(即,电力地伸长和缩回转向柱)、手动或分离状态(即,通常允许驾驶员手动地伸长和/或缩回转向柱)、以及能量吸收或锁定状态(即,在能量吸收事件期间发生)下操作。自锁伸缩式致动器22可以包括螺杆或螺旋杆44、往复组件46以及驱动装置48(即,电动马达,见图1)。往复组件46可以包括往复部47以及离合器装置58,离合器装置58可直接地由往复部47来支撑且接合、或由往复部47的壳体56来支撑且接合。
往复组件46的往复部47可以被安装在螺杆44与E/A片29之间。更具体地,往复组件46被螺纹式地安装到螺杆44以沿着螺杆轴向平移,并可以被刚性地固定到E/A片29。在操作中且当电动马达48旋转螺杆44时,往复组件46沿着旋转的螺杆44轴向平移。在此轴向平移期间,转向轴26的后轴部32(见图2)和上部护套28由往复组件46且借助往复组件46来承载。
参考图2和图3,往复组件46还可以包括螺母或夹具50、至少一个轴承52、至少一个弹性构件54(即,螺旋弹簧或盘式弹簧)、以及壳体56。螺杆44可以被旋转式地安装到下部护套24且围绕中心线59旋转,可以不被安装为沿着下部护套24轴向平移,并且可以通过电动马达48而被可旋转地驱动,电动马达48可以被刚性地安装到固定的下部护套24。中心线59可以与轴线42分隔开且基本上平行于轴线42。
离合器装置58可以被安装到壳体56并有助于螺母50从壳体56(和/或往复部47)上旋转分离。离合器装置58可以包括电动伺服机构60和螺栓62。伺服机构60可以被安装到壳体56的外部且起到将螺栓62移入至少一个凹部64和从至少一个凹部64移出的作用,至少一个凹部64由螺母50的外侧的周向上连续的表面来限定。在一个示例中,凹部64可为轴向延伸的凹槽。
在本示例中,壳体56可以为往复组件46的集成部分(即,集成为一件),并由此与往复组件46轴向地平移。螺母50、轴承52和弹簧54可以被安装到壳体56内侧的螺杆44。螺母50被拧到螺杆44上,使得螺杆44围绕中心线59的旋转引起壳体56和往复组件46沿着螺杆44轴向地平移。第一轴承52可以被轴向地定位在第一弹簧54与螺母50的前端(即,环形面)之间。第二轴承52可以被轴向地定位在第二弹簧54与螺母50的后端之间。
在操作中且当转向柱组件20处于通电状态而离合器装置58被接合时,前轴承和后轴承52使弹簧54与螺母的相应端之间产生的任何摩擦最小化。通过通电状态时的电动马达48施加于螺杆44上的扭矩所产生的轴向力不足以克服弹簧54的压缩力(即,弹簧没有轴向地压缩)。
当转向柱组件20处于分离状态(即,没有通过电动马达48通电)时,离合器装置58没有被接合(即,伺服机构60断电)。驾驶员所产生的用以轴向地伸长和/或缩回转向柱组件20的手动轴向力可引起螺母50在目前静止的螺杆44上自由滚动(即,回旋),而使往复组件46能够轴向地平移。
参考图3,为了有助于E/A状态,自锁伸缩式致动器22还可以包括前锁定挡块68和后锁定挡块70,每个挡块均被承载在壳体56与螺母50之间。每个挡块68、70可以包括内面72和外面74,并且可呈锥形,内面72可呈锥形且由壳体56承载,外面74可呈锥形,并且外面74与内面72相对。在操作中,当转向柱组件20处于通电状态时,离合器装置58被接合且螺母不会自由滚动,因此E/A片29可以如所预期地工作。但是,当转向柱组件20处于分离状态时,螺母50能够自由滚动,因而通常使E/A片29失去能力(除非另行锁定)。
为了有效地且立即地将螺母50锁定到壳体56,从而有效地引起上部护套28经由E/A片29而刚性地接合到下部护套24,应用前锁定挡块68和后锁定挡块70。例如,沿前向方向对后轴部32施加足够的轴向力的E/A事件将具有足够的力(即,E/A事件的定义)来克服前弹簧54的弹簧常数。前弹簧54因而轴向地压缩,而螺母50在螺杆44上稍稍旋转,直到前锁定挡块68将螺母锁定在壳体56上为止。一旦锁定,则E/A片29可以如所预期地工作。
在手动状态的操作中,螺母50经过离合器装置58而与电动马达48分离。然后,驾驶员将力施加到转向盘,引起引导螺杆(lead screw)44反向驱动螺母50,螺母悬置在两个弹簧加载的轴承52之间。压缩弹簧54的力大于移动转向柱的力。螺母50在引导螺杆44上旋转,以允许伸缩位置的手动调节。
在通电状态的操作中,螺母50经过离合器装置58而被联接到电动马达48。通过电动马达48施加力,引起螺杆44旋转且螺母50沿着螺杆44平移。平移的螺母50引起上部护套28沿着伸缩轴线42移动。螺母50保持悬置在两个弹簧加载的轴承52之间。压缩弹簧54的力大于移动转向柱的力。
当电动马达48(即,驱动装置)运行时,仅可以完成螺杆44的旋转。如果螺母50被锁定(即,螺栓62与外围槽64接合),则螺杆44经由电动马达48在通电状态时的旋转可以引起螺母50轴向地移动往复组件46、而且与往复组件46一起轴向地移动上部护套28。在通电状态时施加到转向柱的任何手动力都不会造成转向柱运动。
如果螺母50没有被锁定(即,螺栓62没有与外围槽64接合),则螺母的反向旋转有助于转向盘、上部护套28、往复组件46和螺母50沿着螺杆44的手动轴向移动。这种手动移动通常为手动状态,且在手动状态下被施加到转向柱的手动力可以引起转向柱运动。
参考图4和图5,其示出了自锁伸缩式致动器的第二实施例,其中,除添加了撇号后缀之外,与第一实施例相同的元件具有相同的附图标记。自锁伸缩式致动器22'可以包括往复组件46',往复组件46'可被直接地接合到轴向平移的螺杆44'的端部,螺杆44'被安装到上部护套28'。在这个实施例中,直接接合不允许螺杆44'围绕中心线59'旋转。壳体56'可以连同驱动装置48'被刚性地安装到下部护套24'。驱动装置48'可以包括驱动蜗杆82的电动马达80。被旋转式地安装在壳体56'中的螺母50'可以包括外周面84,外周面84可以限定有齿轮齿。蜗杆82可以啮合到这些齿,由此在壳体56'内旋转螺母50'。非平移螺母50'的旋转引起螺杆44'沿着中心线59'平移,并承载往复组件46'和上部护套28'。与第一实施例相似,弹簧54'、轴承52'和挡块68'、70'被构造在壳体56'内。
在自锁伸缩式致动器22'的操作中,蜗杆82驱动螺母50'的齿轮部。螺母50'的旋转推动螺杆44'(即,使螺杆轴向地移动或平移)。在手动模式期间,蜗杆82可以不连接到驱动装置48'的马达80。驾驶员可以通过转向盘向转向柱施加一个力。这个力可以引起螺杆44'对螺母改变方向(overhaul,即,反向驱动)和反向驱动蜗杆82。螺母50'上的轴向力不足以压缩任一弹簧54'。
在操作中,无论自锁伸缩式致动器22'是否处于通电状态或手动状态,螺母均不在螺杆44'上反向旋转。施加到转向柱的转向盘的任何轴向载荷(即,E/A事件)可以在压缩弹簧54'的螺杆44'中施加力。这样可使螺母50'(即,斜齿轮)能够在壳体56'中平移。螺母50'的这种轴向平移引起挡块68'、70'的接合,这样就防止了螺母的旋转。因为螺杆44'是被旋转式地固定的,在此情形下螺母现在被旋转式地固定,所以致动器22'被锁定在轴向位置。这种轴向地被锁定的条件稳定地维持住往复组件46',而引起往复组件与上部护套28'之间的附接部受到剪切。往复组件46'与上部护套28'之间的任何随后的轴向运动将使E/A装置29'变形。
换言之,在E/A事件期间,施加到螺杆44'的力足以压缩其中一个弹簧54'并允许螺母50'接合壳体56'。挡块68'、70'处的这种接合防止螺杆44'的平移。当这完成时,往复组件46'可以从上部护套28'剪切并使E/A装置29'变形。E/A装置29'的这种变形在目前静止的往复组件46'与活动的上部护套28'之间提供了可控的轴向运动。
参考图6和图7,其示出了自锁伸缩式致动器的第三实施例,其中,除添加了双撇号后缀外,与第一实施例和/或第二实施例相同的元件具有相同的附图标记。自锁伸缩式致动器22”包括往复组件46”和离合器装置58”,往复组件46”可以包括往复部47”,而离合器装置58”可以由往复部47”来直接地支撑并接合到往复部47”。
往复组件46”还可以包括螺母50”、轴承52”、弹性构件54”(例如,螺旋弹簧或盘式弹簧)、壳体56”以及离合器轴承86(通常替换第一实施例的其中一个轴承)。离合器轴承86使螺母50”能够相对于壳体56”沿一个旋转方向(即,顺时针或逆时针)旋转。离合器轴承86可以通过外直径(即,径向向外的表面)上的键槽88而被旋转式地约束。通过相似的方式,离合器轴承86可以通过内直径上的相似键槽(未示出)而被旋转式地约束。离合器轴承86可沿一个方向自由地旋转,从而允许螺母50”在螺杆44”上自由滚动,进而使往复部47”连同转向轴的后段(未示出)、上部护套和手动转向盘能够轴向地平移。在操作中,如果试图使自由滚动的方向反向,则离合器轴承86将防止内环与外环之间发生旋转。不能旋转就会防止螺母50”发生自由滚动,并且只要施加力,就会将往复部锁定在沿着螺杆44'的轴向位置。
参考图7和图8,离合器装置58”的伺服机构60”可以驱动交叉轴线式螺旋齿轮组,该交叉轴线式螺旋齿轮组包括驱动齿轮90和从动齿轮92。从动齿轮92可以联接到离合器装置58”的螺杆94(见图8)且与驱动齿轮90一致地旋转。接下来,离合器装置58”的滑座96(见图7和图9)经过螺杆94的螺纹来连接,由此在螺杆94旋转时平移。
参考图7,滑座96还可以移动离合器装置58”的滑块98(且滑块在引导部100中)。滑块98可以保持磁体102,磁体102可以通过作为接口电路板或电路102(见图8)的一部分的霍尔效应传感器而被感测。这些传感器可以允许提供离合器装置58”的锁定位置和解锁位置的非接触式位置反馈。应该预料和理解的是,能够利用磁力或其它传感技术来提供绝对位置或相对位置的其它反馈装置也可被应用。
参考图7,离合器装置58”被示出处在锁定位置。离合器装置58”的螺栓62”与螺母50”的表面中的凹槽64”接合。如果在往复组件46”试图移入锁定位置(即,伺服机构60”试图移动滑座96和螺栓62”)时,凹槽64”没有被对齐以接收螺栓62”,则螺栓62”将停靠在螺母齿104的顶部(见图9)。伺服机构60”可以完成移到锁定位置的运动且将压缩螺栓弹簧106。当螺母50”旋转时,螺栓弹簧106可以将螺栓62”加载到凹槽64”中,由此防止螺母50”旋转。
在操作中,当马达运行时,可仅仅完成螺杆44”的旋转(未示出,但可参见图1中的自锁伸缩式致动器22中的驱动装置48)。如果螺母50”被锁定(即,螺栓62”与外围凹槽或外围槽64”接合),则螺杆44”通过马达(当处于通电状态时)的旋转可以引起螺母50”轴向地移动往复组件46”(且借此轴向地移动上部护套)。在通电状态时,施加到转向柱的任何手动力均不会引起转向柱运动。
如果螺母50”未被锁定(即,螺栓62”没有与外围凹槽64”接合),则螺母50”的反向旋转有助于转向盘、上部护套、往复组件46”和螺母50”沿着螺杆44”的手动轴向移动。这种手动移动通常为手动状态,且在手动状态时施加到转向柱的手动力可以引起转向柱运动。离合器轴承86可以限制手动状态时被允许的运动的方向。
本公开的益处和优势可以包括伸缩式致动器,其能够在E/A事件的应用期间通过自锁特征分离。因此施加载荷到E/A片上,以吸收例如来自驾驶员的能量。
虽然仅结合有限数量的实施例来详细描述了本发明,但应该容易理解的是,本发明并不局限于这些公开的实施例。反之,本发明可以被修改为合并以上未描述的任意数量的变型、更改、替代或等价设置,但符合本发明的精神和范围。此外,虽然已经描述了本发明的多种实施例,但应该理解的是,本发明的方案可以包括仅一些所述实施例。因此,本发明并不被视为由上述说明限制。

Claims (14)

1.一种可伸长型转向柱组件,包括:
转向轴,被构造为围绕轴线旋转,所述转向轴包括被旋转式地安装到支撑结构的前轴部、以及被旋转式地安装到护套的后轴部,所述后轴部被构造为与所述护套相对于所述支撑结构和所述前轴部轴向地平移;
能量吸收装置,接合到所述护套;以及
伸缩式致动器,包括:螺杆,接合到所述支撑结构并沿中心线延伸;以及往复组件,接合在所述能量吸收装置与所述螺杆之间,至少一部分所述往复组件被构造为当处于通电状态和处于手动状态时沿着所述中心线与所述能量吸收装置、所述后轴部和所述护套轴向地平移,且至少一部分所述往复组件被构造为在能量吸收状态时防止平移,
其中,所述往复组件包括:螺母,被能操作地拧到所述螺杆上,用以在所述通电状态和所述手动状态时沿着所述中心线在所述螺杆与所述螺母之间进行平移运动。
2.根据权利要求1所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述往复组件包括:壳体,被能操作地接合到所述螺母。
3.根据权利要求2所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述往复组件包括:轴承,被能操作地设置在所述壳体与所述螺母之间。
4.根据权利要求3所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述轴承为离合器轴承。
5.根据权利要求3所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述往复组件包括:弹性构件,被轴向地设置在所述轴承与所述壳体之间。
6.根据权利要求3所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述壳体为往复部,且所述往复组件包括:离合器装置,接合到所述往复部并被构建且设置为在能量吸收状态时将所述往复部锁定到所述螺母。
7.根据权利要求6所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述离合器装置包括:螺栓,被设置在所述螺母的凹槽中,以有助于将所述往复部锁定到所述螺母。
8.根据权利要求2所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述壳体为往复部,且所述伸缩式致动器包括:驱动装置,由所述支撑结构来支撑,并被构建且设置为在所述通电状态时旋转所述螺杆。
9.根据权利要求2所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述伸缩式致动器包括:驱动装置,由所述支撑结构来支撑,并被构建且设置为旋转所述螺母,以执行所述螺杆相对于所述螺母沿着所述中心线的轴向平移。
10.一种可伸长型转向柱组件,包括:
支撑结构;
护套,被构造为沿着轴线轴向平移;
转向轴,被构造为围绕所述轴线旋转,所述转向轴包括被旋转式地安装到所述支撑结构的前轴部、以及被旋转式地安装到所述护套的后轴部,所述后轴部被构造为与所述护套轴向平移;
能量吸收装置,接合到所述护套并被构造为在能量吸收状态时吸收沿轴向方向定向的能量;以及
伸缩式致动器,包括:
壳体,其中,所述能量吸收装置被接合到所述壳体与所述护套之间并在所述壳体与所述护套之间延伸;
螺旋杆,被安装到所述支撑结构;
电动马达,被构建且设置为在通电状态时引起所述螺旋杆与所述壳体之间的运动;以及
螺母,至少部分被安置在所述壳体中且被能操作地拧到所述螺旋杆上,其中,所述壳体被构建且设置为在所述通电状态和手动状态时相对于所述螺旋杆轴向平移,而且其中,所述后轴部和所述护套被构建且设置为在所述通电状态和所述手动状态时相对于所述支撑结构轴向平移,以及所述螺母和所述螺旋杆中的一个被构建且设置为在所述手动状态时在所述螺母和所述螺旋杆中的另一个上并相对于所述螺母和所述螺旋杆的另一个反向旋转、并且在所述通电状态时相对于所述螺母和所述螺旋杆的另一个轴向地平移和旋转。
11.根据权利要求10所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述可伸长型转向柱组件被构造为在所述通电状态和所述手动状态时沿着轴线伸长和缩回,且在所述能量吸收状态时至少部分缩回。
12.根据权利要求11所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述壳体为往复部,并且所述往复部被构建且设置为在所述能量吸收状态时不相对于所述螺旋杆轴向地平移,而且其中,所述螺母被构建且设置为在所述能量吸收状态时锁定到所述壳体。
13.根据权利要求11所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述伸缩式致动器包括:弹性构件,被轴向地设置在所述壳体与所述螺母之间,用以在所述能量吸收状态时压缩。
14.根据权利要求13所述的可伸长型转向柱组件,其中,所述伸缩式致动器包括:轴承,被设置在所述壳体与所述螺母之间。
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