CN107662642B - 用于机动车的转向柱的粘滞阻尼器 - Google Patents

Abstract

公开了具有粘滞阻尼器的车辆转向柱组件、用于制造和使用此类组件的方法，以及具有包括粘滞阻尼器的转向柱组件的机动车。公开了一种转向柱组件，其包括连接至方向盘/把手的第一轴构件和连接至车身的第二轴构件。这些轴构件伸缩地连接，使得一个轴构件相对于另一轴构件选择性地纵向平移。粘滞阻尼器组件介入这两个轴构件之间。该粘滞阻尼器组件包括阻尼器壳体，该壳体具有设置在其内部的第一贮存器容积和第二贮存器容积。多个受限流动通道将所述贮存器容积流体地连接。粘滞流体响应于轴构件之间的相对振动移位而通过受限流动通道从第一贮存器容积流至第二贮存器容积，以由此粘滞地衰减振动能量。

Description

用于机动车的转向柱的粘滞阻尼器

技术领域

本公开总体上涉及用于机动车的转向系统。更具体地，本公开的各方面涉及用于衰减通过机动车的转向系统的转向柱和方向盘传输的振动能量的减振装置。

背景技术

目前的产品机动车(诸如现代汽车)最初配备有转向系统，其允许驾驶员保持车辆的期望路线并且控制车辆的方向变化。传统的转向系统设置有手动操作的方向盘，其是由驾驶员操纵以输入车辆的期望行驶方向。方向盘是经由中心轮毂安装至可折叠或不可折叠的转向柱组件。可折叠转向柱的伸缩轴将方向盘与车辆的转向机构互连，其中最常见的是齿条和小齿轮转向架构。在这种架构中，转向轴的远端处的小齿轮与被称为“齿条”的线性齿轮杆啮合。当方向盘旋转时，小齿轮旋转，使齿条直线移动。齿条的每一端处的拉杆连接至车轮主轴的转向臂；移动齿条和拉杆使主轴枢转以由此转动车轮。驾驶员输入可利用液压或电动助力转向进行增强，且在某些现代化的产品车辆中，利用称为电动助力转向的计算机控制马达来辅助。

通常，机动车的内燃机(ICE)可以各种速度操作。发动机可以例如低(空转)速度操作使得动力系处于空转操作状态，并且还可以较低(停放)速度操作使得动力系处于停放操作状态。发动机的每个速度可与不同的振动频率相关，该振动频率可以通过转向系统的方向盘和转向柱组件传输给操作者。由车辆的动力系(包括发动机和变速器)引发的振动通常被分类为“共振激励”或“确定性振动”。操作者在车辆操作期间也可通过方向盘和转向柱体验路面引发的振动，例如，如果以不规则间隔的道路移位驾驶，诸如坑洼和速度颠簸。这些道路引发的振动通常被分类为“受迫激励”或“随机振动”。通常希望衰减动力系和道路引发的振动以改善驾驶员在车辆操作期间的体验。

发明内容

本文公开了具有粘滞阻尼器的转向柱组件、用于制造具有粘滞阻尼器的转向柱组件的方法和其使用方法，以及具有采用粘滞阻尼器来衰减车轮振动水平的可调转向柱组件的机动车。作为示例且无限制，公开了一种用于可折叠转向柱的伸缩式内护套和外护套的新颖粘滞阻尼器装置。在此实例中，粘滞阻尼器装置包括环形径向阻尼器壳体，其安装在转向柱的内护套的外径(OD)表面周围，例如，安置在互补环形槽内。替代地，阻尼器壳体可安置在非伸缩内转向轴(“I轴”)上，该非伸缩内转向轴例如经由中间联接器轴联接至齿条和小齿轮转向机构的小齿轮。阻尼器壳体接触转向柱的外护套的内径(ID)表面，其设计成允许绕I轴进行自由旋转。流体填充贮存器容积在阻尼器壳体内，该流体填充贮存器容积经由一系列中间流动通道流体地联接。

例如，在内/外护套的弯曲偏转期间，受限内流动通道允许粘滞流体从降低的贮存器容积中流出进入增加的贮存器容积中。这些贮存器容积可为柱垂直、柱横向或这两个自由度的复合组合。粘滞流体流提供粘滞阻尼至局部运动中，导致柱响应减少。粘滞阻尼器可调整成衰减转向柱的垂直和/或横向弯曲频率，并且可纵向地放置在最大相对移位的振幅处或最靠近该振幅。例如，可通过绘制沿着转向柱的长度的相对移位或通过识别最大和最小相对移位的点的FEA仿真来确定定位。跨粘滞阻尼器的相对移位导致能量耗散，这减少了转向柱和方向盘的客户界面振动水平。

至少某些所公开构想的随之而来的益处包括利用转向柱的现有内部结构构件的相对振动移位衰减方向盘和转向柱组件中的共振动力系和道路引发的振动。粗糙道路震动和动力系共振性能得以提高，导致对应地改善最终用户体验和减少空转振动保修成本。其它必然的益处包括消除现有技术的弹簧质量阻尼器装置和扭力阻尼器装置，这些装置比所公开的粘滞阻尼器装置更大、更重且更昂贵。与常规的阻尼器配对物相比，所公开的粘滞阻尼器装置是便宜的、质量轻，并且可被封装在转向柱组件内的现有空间中。

本公开的方面涉及具有用于机动车的减振能力的可调转向柱组件。例如，公开了一种用于将方向盘或手柄连接至机动车的车身的转向柱组件。转向柱组件包括配置成附接至方向盘/把手的第一轴构件，和配置成附接至车身的第二轴构件。第二轴构件伸缩地连接至第一轴构件使得第二轴构件可相对于第一轴构件选择性地纵向平移。粘滞阻尼器组件介入第一轴构件与第二轴构件之间。此粘滞阻尼器组件包括阻尼器壳体，该阻尼器壳体内侧设置有第一贮存器容积和第二贮存器容积。多个受限流动通道将第一贮存器容积和第二贮存器容积流体地连接。粘滞流体响应于第一轴构件与第二轴构件之间的相对振动移位而通过受限流动通道从第一贮存器容积流至第二贮存器容积，以由此粘滞地衰减振动能量。响应于第一轴构件与第二轴构件之间的移位，第一贮存器容积可动态地降低尺寸，而第二贮存器容积可动态地增大尺寸。

本公开的其它方面涉及采用具有径向粘滞阻尼器的可调或可折叠转向柱组件的机动车。如本文所使用的“机动车”可以包括任何相对车辆平台，诸如客车(内燃机、混动动力、电动、燃料电池等)、商用车辆、工业车辆、全地形车辆(ATV)、农用设备、摩托车、船、飞机等。在实例中，公开了包括具有乘客车厢的车身的机动车。多个驱动轮可旋转地附接至车身并且可重新定位成将车辆转向。转向机构(可以为齿条和小齿轮、循环滚珠或蜗杆与扇形轮转向架构的本质)附接至车身并且可操作以重新定位一个或多个车轮以将车辆转向。设置在乘客车厢内的手动操作的方向盘接收驾驶员输入以控制机动车的方向变化。

以上实例的机动车还包括可调转向柱组件。转向柱组件包括连接至方向盘的内护套轴，并且具有带有环圈凹穴的外表面。转向轴将内护套轴连接至转向机构。转向柱组件还包括连接至车身的外护套轴。外护套轴外接内护套轴并且连接至内护套轴以按照伸缩方式相对于内护套轴纵向地平移。粘滞阻尼器组件介入内护套轴与外护套轴之间。粘滞阻尼器组件包括环形阻尼器壳体，其嵌套在内护套轴的环圈凹穴内并且邻接外护套轴。第一环形贮存器容积和第二环形贮存器容积设置在阻尼器壳体内侧。圆周地间隔开的受限流动通道在阻尼器壳体内纵向地延伸以将第一贮存器容积和第二贮存器容积流体地连接。装载在阻尼器壳体内的粘滞流体响应于内护套轴与外护套轴之间的振动移位而通过受限流动通道从第一贮存器容积流至第二贮存器容积，以由此粘滞地衰减振动能量。

根据本公开的其它方面，提出了制造具有减振能力的可调车辆转向柱组件的方法和其使用方法。例如，公开了一种用于装配车辆转向柱组件的方法。该方法包括：提供第一轴构件，其配置成(例如)经由与轮毂的花键接合附接至车辆方向盘/把手；提供第二轴构件，其配置成附接至车身；将第一轴构件可滑动地连接至第二轴构件使得第二轴构件可以伸缩方式相对于第一轴构件纵向地平移；以及将粘滞阻尼器组件安装在第一轴构件与第二轴构件之间。该粘滞阻尼器组件包括阻尼器壳体、设置在阻尼器壳体内部的第一贮存器容积和第二贮存器容积，以及将第一贮存器容积和第二贮存器容积流体地连接的多个受限流动通道。粘滞流体响应于轴构件之间的相对振动移位而通过受限流动通道从第一贮存器容积流至第二贮存器容积，以由此粘滞地衰减振动能量。包括贮存器容积的阻尼器壳体可由柔性聚合物制成以允许粘滞阻尼器组件在轴构件的振动移位期间动态地挠曲。同样，包括贮存器容积的阻尼器壳体可呈现环形几何形状使得阻尼器组件安置在一个轴构件上并且在其周围连续地延伸。替代地，阻尼器壳体可以制造成具有环形几何形状，同时贮存器容积沿着轴构件的公共中心纵向轴线纵向地延伸。

上述发明内容并不旨在表示本公开的每个实施例或每个方面。实情是，前述发明内容仅仅提供本文阐述的某些新颖方面和特征的例证。上述特征和优点以及本公开的其它特征和优点从典型实施例的以下详细描述和用于实行结合附图和随附权利要求书取得的本公开的模式将容易地显而易见。

附图说明

图1是根据本公开的方面的具有方向盘和可调转向柱组件的透视插图的代表性机动车的正视透视图。

图2是图1的代表性转向柱组件的一部分的放大透视图，其示出了安装在转向柱的内护套轴与外护套轴之间的粘滞阻尼器组件。

图3是图2的代表性粘滞阻尼器组件的示意图。

本公开具有各种修改和替代形式，且某些代表性实施例在附图中已作为示例示出并且将在本文进行详细描述。然而，应当理解的是，本公开的新颖方面不限于所公开的特定形式。实情是，本公开涵盖落在如由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等效、组合、子组合和替代品。

具体实施方式

本公开具有许多不同形式的实施例。在本公开被认为是本公开的原理的例证并且不旨在将本公开的广泛方面限于所说明实施例的理解下，附图中示出且本文将详细描述本公开的代表性实施例。在一定程度上，例如在摘要、发明内容和具体实施方式部分中公开但权利要求书中并未明确陈述的元件和限制不应单独或共同通过隐含、推断或其它方式结合至权利要求书中。为了本详细描述的目的，除非明确地放弃保护，否则：单数包括复数且反之亦然；词语“和”和“或”应当均为联合的和非联合的；词语“所有”意指“任何和所有”；词语“任何”意指“任何和所有”；且词语“包括”和“包含”以及“具有”意指“包括但不限于”。另外，诸如“大约”、“几乎”、“基本上”、“近似”等近似词语在本文可在“为……、接近……或接近为……”或“在……的3％至5％以内”或“在可接受制造公差内”或例如其任何逻辑组合的意义中使用。

现在参考附图，其中相同附图标号指代全部几个视图中的相同特征，图1中示出了根据本公开的方面的代表性汽车的图，该汽车被描绘为双门跑车型轿车并且通常指定为10。汽车10的中间部分处、乘客车厢12内侧介于相对车门组件14之间安装有车辆转向柱组件16。所示出的汽车10——在本文又称为“机动车”或简称为“车辆”——仅仅是可实践本公开的新颖方面的示例性应用。同样，本构想至动力转向助力齿条和小齿轮系统中的实施也应当被理解为本文所公开的新颖构想的示例性应用。因而，应当理解的是，本公开的方面和特征可结合至其它转向系统架构中并且用于任何逻辑相关类型的机动车。最后，本文提出的附图不一定按比例绘制并且是纯粹为了指导目的而提供。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制。

参考图1的插图，机动车10的乘客车厢12内安装有可调或可折叠“伸缩式”转向柱组件16，其具有手动操作的方向盘18用于设定汽车10的期望行驶路线-控制汽车10的方向变化。转向柱组件10包括第一“内护套”轴构件20和第二“外护套”轴构件22。通常，外护套轴22用于将伸缩式轴构件20、22和方向盘18安装至车辆10。作为非限制性示例，护套安装支撑件24包括从支架主体27的顶部表面横向地突起的配套安装凸缘25。每个安装凸缘25均包括紧固件孔，通过该紧固件孔接纳相应的机械紧固件，诸如螺钉、螺栓、螺柱、卡扣紧固件等，用于将护套安装支撑件24刚性地固定至(例如)车架的前隔板、前仪表板下面(这两者在所提供的视图中均不可见)。支架主体27限定轴槽29(图2)，通过该轴槽接纳外护套轴22。一对六头螺栓(其中仅一个是可见的并且在图2中标记为26)将支架主体27刚性地联接至外护套轴22。应当认识到，护套安装支撑件24本质上仅仅是代表性的；因而，用于将伸缩式轴构件20、22安装至车身的任何现在已知或今后开发的装置被认为在本公开的范围内。

根据所示出实例，内护套轴20的远端21可滑动地设置在外护套轴22中，如将在下面进一步详细描述，而近端(不可见)设置有摩擦配合槽或另一个机械接口用于与方向盘18配合并且支撑在其上。实际上，内护套轴20用于将方向盘18可滑动地和可旋转地联接至外护套轴22。然而，内护套轴20和外护套轴22的以上公开的功能性可被认为在以下方面是可互换的：方向盘18可安装在外护套轴22上，而内护套20由于至少某些替代性配置可安装至车辆10的车架。可认识到，附图中所示的方向盘结构纯粹是为了描述性目的而提供，并且因此在不脱离本公开的预期范围的情况下可根据任何逻辑上相关的驾驶员操作的转向机构进行替换或修改。

内转向轴(“I轴”)28延伸穿过外护套轴22并且进入内护套轴20的中心腔。具有径向突起的齿的带齿主轴(不可见)设置在转向轴28的近端上，该带齿主轴与内护套轴20中的凹槽(不可见)的互补带齿内表面交错。虽然上述相互啮合的齿接合将转向轴28联接至内护套轴20以与其共同旋转，但是下部I轴轴承30将转向轴28(和间接地，内护套轴20)可旋转地联接至外护套轴22，如图2中所见。转向轴28的远端(例如)经由中间联接件轴(未示出)联接至齿条和小齿轮转向机构32的小齿轮。转向机构32进而(例如)经由相应的拉杆联接至车辆的驱动轮34。通过此装置，经由方向盘18从驾驶员接收的方向输入通过内护套轴20向下传输至转向轴28，接着通过转向轴28传输至转向机构32，该转向机构响应地重新定位车轮34以改变机动车10的方向。

内护套轴20和外护套轴22伸缩式地连接使得一个或两个轴可相对于另一轴沿着公共纵向轴线A1选择性地平移。在所示出的实例中，外护套轴22具有带有中空芯23的管状配置，并且可以具有圆形横截面、矩形横截面或任何其它横截面以限定敞开的近端31(图1)。同样，内护套轴22具有带有中心腔(其中接纳有转向轴28)的管状配置，并且可以具有圆形横截面、矩形横截面或任何其它横截面限定与敞开端32互补的远端21(图2)。例如，为了便于制造和装配，可以期望内护套轴20和外护套轴22两者均具有细长、总体上圆柱形形状，其中内护套轴20的外径(OD)轴表面33近似等于或略小于外护套轴22的内径(ID)轴表面35。内护套轴20的远端21可滑动地接纳穿过外护套轴22的敞开端31中的孔并且进入中空芯23，使得这两个轴构件是同心的并且以可伸缩式移位方式配合，其中外护套轴22外接内护套轴20的一部分。护套安装支撑件24上的可选夹紧组件36可手动接合以相对于外护套轴22锁定内护套轴20，并且由此防止相对伸缩式移位。

粘滞阻尼器组件38容置在转向柱组件16内、中空芯23内侧并且介入在内护套轴20与外护套22之间，用于衰减通过转向柱组件16向上传输至方向盘18的共振动力系和道路引发的振动。粘滞阻尼器组件38包括环形阻尼器壳体40，其嵌套在沿着内护套轴20的OD表面33限定的环圈凹穴37内侧。在所示出的实例中，阻尼器壳体40是矩形环圈(即，具有总体上矩形横截面)并且在轴的远端21的外周边周围连续地延伸。替代性配置可采用具有其它多边形或非多边形横截面的壳体设计和/或以不连续方式在内护套轴20的远端21周围延伸的壳体。利用环面几何形状，阻尼器壳体40分别具有相对的ID壳体表面41和OD壳体表面43，如图3的示意图中所代表。ID壳体表面41邻接内护套轴20的OD轴表面33，而OD壳体表面43邻接外护套轴22的ID轴表面35，使得粘滞阻尼器组件38用作用于振动能量的中间管道。对于替代性实施例，还可想到，粘滞阻尼器组件38的阻尼器壳体40被安装在内转向轴28上而不是内护套轴20上。

第一流体贮存器容积和第二流体贮存器容积(在图3中分别指定为42和44)设置在阻尼器壳体40内侧。类似于阻尼器壳体40，贮存器容积42、44可为环形的，并且以多边形横截面制造。如所示，第一贮存器容积42包括一对纵向间隔开的外贮存器容积42A和42B，其间夹着第二贮存器容积44。可以认识到，贮存器容积的数量、形状、大小和相对定向可不同于附图中所示的数量、形状、大小和相对定向。例如，阻尼器壳体40可以在其中装载一系列圆周间隔开的纵向定向的流体联接的贮存器容积对。对于至少某些实施例，可能期望包括贮存器容积42、44的阻尼器壳体40由柔性聚合物制造为整体结构。这将允许粘滞阻尼器组件38在伸缩式轴构件20、22的振动移位期间动态地挠曲。

继续参考图3，粘滞阻尼器组件28制造成具有受限流动通道，其将第一贮存器容积42和第二贮存器容积44流体地连接使得粘滞流体可以受控和约束的方式在第一贮存器容积42与第二贮存器容积44之间传递。具体地，第一系列圆周间隔开的流动通道46介入在第一贮存器容积42的外部42A与居中的第二贮存器容积44之间。同样地，第二系列圆周间隔开的流动通道48介入在第一贮存器容积42的另一外部42B与居中的第二贮存器容积44之间。每个流动通道通常为圆柱形并且相对于粘滞阻尼器壳体40的中心轴线A1纵向地延伸。如同贮存器容积，可例如修改贮存器容积的数量、形状、大小和相对定向以调整粘滞阻尼器组件38以提供具体的振动衰减特性。作为非限制性示例，可消除多组受限流动通道46、48中的一个，且相应地，间隔开的外贮存器容积42A和42B可组合使得第一贮存器容积由单个流体室组成。

响应于内护套轴20与外护套轴22之间的相对振动移位，粘滞流体——图3中由箭头V1、V2、V3和V4代表——被迫通过受限流动通道从一个贮存器容积流至另一贮存器容积。根据所示出的实例，振动能量使得内护套轴20和外护套轴22在横向力矩周围弯曲(如图3中的虚线M1所放大的方式所指示)。这种相同移位使得阻尼器壳体40与移动/振动轴20、22一起挠曲。当发生这种情况时，响应于这两个轴构件20、22之间的移位，第一贮存器容积42在大小上动态地降低(或取决于相对移位的方向而在大小上增加)，而第二贮存器容积44在大小上动态地增加(或在大小上降低)。通过通道的粘滞流体的受限流体流将振动能量耗散使得更少能量从转向轴28和内护套轴20传输至方向盘18。

虽然已经参考所示出的实施例详细地描述了本公开的方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下可以对实施例做出许多改变。本公开不限于本文所公开的精确结构和组成；上述描述中显而易见的任何和所有修改、改变和变动均在如所附权利要求书中限定的本公开的精神和范围内。另外，本构想明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于将方向盘或手柄连接至机动车的车身的转向柱组件，所述转向柱组件包括：

第一轴构件，其配置成附接至所述方向盘或手柄；

第二轴构件，其配置成附接至所述车身，所述第二轴构件伸缩地连接至所述第一轴构件使得所述第二轴构件可以相对于所述第一轴构件选择性地纵向平移；以及

介入在所述第一轴构件与所述第二轴构件之间的粘滞阻尼器组件，所述粘滞阻尼器组件包括阻尼器壳体、设置在所述阻尼器壳体内部的第一贮存器容积和第二贮存器容积，以及将所述第一贮存器容积和所述第二贮存器容积流体地连接的多个受限流动通道，所述粘滞阻尼器组件还包括粘滞流体，所述粘滞流体响应于所述第一轴构件与所述第二轴构件之间的相对振动移位而通过所述受限流动通道从所述第一贮存器容积流至所述第二贮存器容积以由此粘滞地衰减振动能量。

2.根据权利要求1所述的转向柱组件，其中响应于所述第一轴构件与所述第二轴构件之间的所述移位，所述第一贮存器容积在大小上动态地降低，而所述第二贮存器容积在大小上动态地增加。

3.根据权利要求1所述的转向柱组件，其中所述阻尼器壳体、所述第一贮存器容积和所述第二贮存器容积是环形的。

4.根据权利要求3所述的转向柱组件，其中所述受限流动通道在所述阻尼器壳体内纵向地延伸、介入在所述第一贮存器容积与所述第二贮存器容积之间。

5.根据权利要求3所述的转向柱组件，其中所述第一贮存器容积包括一对纵向地间隔开的外贮存器容积，且其中所述第二贮存器容积设置在所述外贮存器容积之间。

6.根据权利要求5所述的转向柱组件，其中所述受限流动通道包括两组流动通道，所述两组流动通道中的每一组流动通道介入在所述第二贮存器容积与所述外贮存器容积中的相应一个外贮存器容积之间。

7.根据权利要求1所述的转向柱组件，其中所述第一轴构件和所述第二轴构件在其间协作地限定内腔，且其中所述粘滞阻尼器组件安装在所述内腔内。

8.根据权利要求1所述的转向柱组件，其中所述第一轴构件和所述第二轴构件是同心的，所述第二轴构件外接所述第一轴构件的至少一部分。

9.根据权利要求8所述的转向柱组件，其中所述第一轴构件包括限定环圈凹穴的外径(OD)表面，且其中所述阻尼器壳体嵌套在所述环圈凹穴内。

10.根据权利要求9所述的转向柱组件，其中所述阻尼器壳体是环形的且具有相对的内径(ID)壳体表面和外径(OD)壳体表面，所述内径(ID)壳体表面邻接所述第一轴构件的所述外径(OD)表面，且所述外径(OD)壳体表面邻接所述第二轴构件的内径(ID)表面。