CN108025761A - 商用车转向系统 - Google Patents

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CN108025761A CN201680051539.7A CN201680051539A CN108025761A CN 108025761 A CN108025761 A CN 108025761A CN 201680051539 A CN201680051539 A CN 201680051539A CN 108025761 A CN108025761 A CN 108025761A
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J.罗加尔
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Abstract

本发明涉及一种商用车转向系统，包括用于将施加于方向盘(12)上的手动力矩传递到转向摆臂(13)上的转向传动机构(11)，该转向传动机构具有用于提供辅助力矩的电动机(19)。电动机(19)围绕转向摆臂轴(18)布置。此外，所述电动机具有定子(22)，所述定子具有至少两个电气分离的绕组(23a，23b)，所述绕组分别由自己的电子控制装置(24a，24b)控制。获得了特别紧凑的商用车转向系统，该商用车转向系统允许在有限的结构空间中通过电动机驱动提供大的辅助力矩。该驱动能够由具有24V电源电压的车载电网运行。

Description

商用车转向系统
本发明涉及一种商用车转向系统(Nutzfahrzeuglenkung)，其包括用于将施加于方向盘上的手动力矩传递至转向摆臂(Lenkstockhebel)上的转向传动机构(Lenkgetriebe)，该转向传动机构具有用于提供辅助力矩的电动机。
与乘用车转向系统不同，商用车转向系统由于较高的前轴负荷而必须提供明显较高的转向力，因此惯常用于乘用车的转向理念不能转移到商用车上。另外，由于车内空间条件不同而导致明显变化的安装情况。
因此，商用车转向系统通常设计有一个块式转向传动机构，在该块式转向传动机构的输出侧上连接有转向摆臂。驾驶员在输入侧引入到转向传动机构中的手动力矩通过该转向传动机构转换为转向摆臂的旋转运动。
从DE 20 2004 021 588 U1已知一种商用车转向系统，其既具有电气助力辅助又具有液压助力辅助。驾驶员的手动力矩在此通过扭杆引入主轴(Spindel)中，该主轴通过连续的球链与轴向可移动的活塞啮合。设置在活塞外圆周上的啮合部与从动段轴相啮合，该从动段轴与转向摆臂连接，以将活塞的轴向运动转换成转向摆臂的旋转运动。布置在主轴内的扭杆通过旋转滑阀控制液压回路的阀组件。液压回路由泵产生液压并给活塞加载，该活塞除了手动力矩之外还提供辅助力。电气助力辅助由通过波动齿轮传动(Wellgetriebe)与主轴耦合的电动机提供。电动机在此位于主轴前面的转向传动机构壳体的外侧。
这种电动机在考虑到商用车领域中惯用的车载电网电压为24V的情况下通常会产生2Nm的驱动力矩，因此在考虑到波动齿轮传动的变速器速比i＝50的情况下能够实现约100Nm的扭矩。相反，助力辅助的液压部分对应于约7600Nm的扭矩。
这种商用车转向系统由于滚珠丝杠(Kugelgewindetrieb)和所需的液压系统而在构造上成本昂贵。另外，液压系统决定了相当大的结构空间需求。
如在DE 20 2004 021 588 U1中所述的那样，始终准备使用的液压助力辅助需要约1000W的效率，这反映在相应的燃料额外消耗中。DE 20 2004 021 588 U1中作为补救措施提出了在某些情况下关闭液压助力辅助，从而仅使用电气助力辅助。只有当需要更高的转向力时，液压助力辅助才会打开。
此外，从DE10039574A1已知一种具有纯电气助力辅助的在本文开头所述类型的商用车转向系统。由此避免了额外的液压系统的成本。出于冗余的原因，根据DE 100 39 574A1的商用车转向系统配备有两个电动机，这又意味着更高的结构空间需求和制造成本。
本发明要解决的技术问题是在保持高转向力和紧凑设计的同时、关于减少的构造成本来进一步改进上述类型的商用车转向系统。
该技术问题通过根据权利要求1所述的商用车转向系统来解决。根据本发明的商用车转向系统包括用于将施加于方向盘上的手动力矩传递到转向摆臂上的转向传动机构，该转向传动机构具有用于提供辅助力矩的电动机，其中电动机围绕转向摆臂轴布置或围绕在转向传动机构的输出构件的旋转轴线上的轴布置，并且具有定子，该定子具有至少两个电气分离的绕组，所述绕组分别由自身的电子控制装置控制。
业已显示的是，借助这样的布置能够形成特别紧凑的商用车转向系统，该商用车转向系统允许在有限的结构空间中通过电动机驱动提供大的扭矩。
根据本发明的商用车转向系统特别适用于前轴载荷大于2.5t的非轨道机动车。
助力辅助可以纯电动地实现，因此不需要液压组件。在此，供电可以继续使用当前惯常的车载电网电压24V来完成。
与具有两个单独电动机的系统相比，可以省去一套定子-转子组件，其中仍然保持系统冗余。而且，存留的单个电动机也以特别节省空间的方式被安置。此外可以省去诸如滚珠丝杠之类的制造复杂的部件。
来自转向传动机构的转向指令经由转向摆臂、例如通过转向横拉杆传递到转向的车轮的转盘轴承(Schwenklager)上。所述转向传动机构没有转向齿条也能应付。
本发明的其他设计方式在权利要求中给出。
在一个实施变型中，转向摆臂轴通过减速传动的传动级与转向摆臂耦合，该传动级单级地这样将输入侧旋转运动转换为输出侧旋转运动，使得所述传动级的输入侧旋转轴线和输出侧旋转轴线彼此相交或相对彼此偏斜。由此可以实现与滚珠丝杠相比明显更高的传动比，从而通过该传动级可以实现更明显的力矩提升。适合的传动级包括但不限于蜗杆传动以及锥齿轮传动和双曲面齿轮传动。
特别是对于具有小于等于7、优选小于等于5的根据DIN 3961的高啮合品质的双曲面齿轮传动，能够以单级实现传动比，所述传动比否则仅能够以多级正齿轮或锥齿轮传动实现。如已经提到的那样，在整个工作范围内的转向辅助可以仅由电动机提供并且仅以电气方式提供，从而可以避免与液压回路相关的问题。
此外，将转向摆臂轴与转向摆臂耦合的传动级这样具有可变的传动比，使得在包围转向系统的中间位置的区域中，方向盘上的转向运动导致比远离中间位置的区域中的转向运动更小的车轮偏转。由此可以在直行时在较小的车轮偏转的情况下保证较大的转向运动并且在泊车时在较大的车轮偏转的情况下保证较小的转向运动。
在另一实施变型中，电动机通过减速传动的传动级与转向摆臂轴耦合，该传动级沿轴向连接在电动机上并且同样围绕转向摆臂轴布置。由此实现了转向传动机构的进一步紧凑化，这另外有利于相继地安装在转向传动机构壳体中。
此外，电动机可以沿轴向布置在扭矩传感器和将电动机与转向摆臂轴耦合的传动级之间。这使得可以在转向摆臂轴的支承之间设置较大的轴向间距。
在另一个实施变型中，转向摆臂具有旋转轴线。另外，电动机通过减速传动的传动级与转向摆臂耦合，所述传动级布置在转向摆臂的旋转轴线的周围。因此，传动级在该情况下不是布置在转向摆臂轴的周围，而是布置在由转向摆臂轴驱动的输出轴线的周围。
在另一个实施变型中，电动机具有两个单独控制的子电动机，它们的绕组彼此嵌套。由此导致在车载电网电压不变的情况下实际上在非常紧凑的尺寸下使单个电动机提供的扭矩加倍。
此外，电动机可以具有用于与绕组的所有线圈形成触点接通的中央连接环以及用于与电子控制装置形成触点接通的连接部。
在另一实施变型中，电动机、耦合在电动机和转向摆臂轴之间的第一传动级以及设置在转向摆臂轴和转向摆臂之间的第二传动级被安置在转向传动机构壳体中，从而形成可完全预装配并随后可安装在车辆上的单元。
此外，转向摆臂可以布置在从转向传动机构壳体延伸出的输出轴上。
在另一实施变型中，转向摆臂轴可旋转地安置在转向传动机构壳体中并且尤其具有用于耦合方向盘或转向柱的连接部。由驾驶员施加在转向摆臂轴上的手动力矩因此绕过第一传动级地、以第二传动级的传动比被减速传动，相对地由电动机提供的辅助力矩却以第一传动级的传动比和以第二传动级的传动比被减速传动。驾驶员由此在电动机停止运转时仅需要施加很小的力来克服电驱动侧的惯性。
接下来将参照附图中所示的实施例更详细地解释本发明。附图中：
图1是根据本发明的商用车转向系统的第一实施例的示意图，
图2是根据本发明的商用车转向系统在商用车上的布置的示意图，
图3是根据本发明的商用车转向系统的第二实施例的纵向剖面图，
图4是第二实施例的分解图，
图5是沿着图3中的线V-V剖切得到的剖面图，
图6是沿着图3中的线VI-VI剖切得到的剖面图，
图7是电动机的定子的侧视图，并且
图8是电动机的定子的剖视图。
所述实施例分别涉及助力转向(Blocklenkung)类型的商用车转向系统10，所述助力转向适用于2.5t以上的前轴载荷。图2示出了它们在商用车中的布置的示意图。
商用车转向系统10具有转向传动机构11，转向传动机构11被确定和设计用于将驾驶员施加在方向盘12上的手动力矩传递到转向摆臂13上。为此目的，方向盘12经由转向柱14与转向传动机构11的输入构件耦合。与转向传动机构11的输出构件耦合的转向摆臂13例如经由转向横拉杆15与机动车待转向的车轮16连接，以将转向摆臂13的旋转运动传递到车轮16并进而在所述车轮上引起转向角。
转向传动机构11具有转向传动机构壳体17，转向摆臂轴18绕旋转轴线A可旋转地布置在转向传动机构壳体17中。转向摆臂轴18在转向传动机构11的输入端处通过转向柱14被施加由驾驶员产生的手动力矩，以相应地旋转。
此外，在转向传动机构壳体17中安置有布置在转向摆臂轴18的周围的电动机19。电动机19优选设计为空心轴电动机，其旋转轴线与转向摆臂轴18的旋转轴线A同轴。
由电动机19提供的驱动力矩经由第一传动级20传递到转向摆臂轴18上以在转向时辅助驾驶员。第一传动级20优选设计为高传动比同轴齿轮传动，其将电动机19的转子与转向摆臂轴18耦合。特别地，第一传动级可以实施为呈双轴运行的单级或多级行星齿轮传动器、摆线齿轮传动器、波动齿轮传动或其组合。因此，减速传动比可以在1：15到1：400范围内。根据驾驶员侧转向指令和必要时其他车辆参数来控制电动机19。特别地，电动机19的控制可以根据驾驶员施加在方向盘12上的手动力矩来实现。
在此，辅助驾驶员的助力仅电力地或单独地通过单个电动机19产生。为了在商用车转向系统上从24V的车载电网电压产生足够的用于转向横拉杆连杆15的转向力，电动机19具有定子22，该定子22具有至少两个电气分离的绕组23a和23b，它们分别由专门的电子控制装置24a和24b控制，使得这两个绕组23a和23b各自独立地从车载电网中被供电。由此，电动机19能够提供更高的驱动力矩。
转向摆臂轴18经由第二传动级25与转向摆臂13耦合。为此，转向摆臂13被固定在第二传动级25的输出构件上或被固定在与所述输出构件连接的输出轴26上。
第二传动级25优选为减速传动的传动级。特别地，这可以这样实施，即，将输入侧旋转运动单级地转换成输出侧旋转运动。在此，输入侧旋转轴线、即转向摆臂轴18的旋转轴线A和第二传动级25的输出侧旋转轴线B彼此相交或相对彼此偏斜。通过第二传动级25进一步增大了作用在转向摆臂13上的辅助力矩，因此转向横拉杆连杆15能够以较小的快速运转的电动机19实现较大的转向力。
第二传动级25可以例如实施为蜗杆传动器、锥齿轮级或双曲面传动级。如已经提到的那样，在此可以以1：2至1：100的范围内，优选1：5至1：30的范围内的传动比进一步明显地减速传动。
由于电动机19同轴地布置在转向摆臂轴18的周围而导致了转向传动机构11的非常紧凑且因此节省空间的设计。
由驾驶员施加到转向摆臂轴18上的手动力矩以第二传动级25的传动比被减速传动，而与此同时由电动机19提供的辅助力矩以第一传动级20的传动比和以第二传动级25的传动比被减速传动。
在图1所示的第一实施例的变型中，第一传动级20也可以围绕转向摆臂13的旋转轴线B布置、尤其是与输出轴26同轴地布置。
在进一步的变型中，第二传动级25(经由该第二传动级使转向摆臂轴18与转向摆臂13耦合)具有可变传动比。在包围转向系统的中间位置的区域中，方向盘12上的转向运动导致比远离中间位置的区域中更小的车轮偏转。
借助图3至8在第二实施例的范围内、但是明确表示不限于此地更详细地解释商用车转向系统10的另一具体实施可能性。在此，对应于第一实施例的部件由相同的附图标记表示。
第二实施例的转向传动机构11包括具有罐状容纳区段17a的转向传动机构壳体17，该容纳区段17a沿轴向由盖17b封闭。
在转向传动机构壳体17中，转向摆臂轴18围绕旋转轴线A可旋转地支承。转向摆臂轴包括空心轴区段18a，扭力杆18b延伸穿过该空心轴区段18a。经由转向柱区段14a将驾驶员的手动力矩引入到扭力杆18b的第一端部区段中，该扭力杆18b在其第二端部区段处抗扭地与空心轴区段连接。
经由与转向摆臂轴18配合作用的扭矩传感器27可检测在输入侧上贴靠在转向传动机构11上的驾驶员手动力矩，以控制同样被转向传动机构壳体17容纳的电动机19。
电动机19同轴地围绕转向摆臂轴18布置并且经由第一传动级20与转向摆臂轴18耦合，该第一传动级20在此示例性地实施为偏心齿轮传动、例如摆线齿轮传动形式的高传动比同轴齿轮传动。然而，代替这种摆线齿轮传动，还可以使用上面已经提到的齿轮传动类型，即行星齿轮传动或波动齿轮传动。
第一传动级20在输入侧连接在电动机20的转子21上，而第一传动级20的输出构件抗扭地固定在空心轴区段18a上。
第一传动级20引起电动机19的转速以1:15至1:400的传动比变慢。在所示的第二实施例中，其布置在转向摆臂轴18的周围并沿轴向连接在电动机19上。
如图3和图4所示，在安装时沿轴向首先将第一传动级20导入到转向传动机构壳体17的容纳区段17a中，紧接着跟随电动机19和随后扭矩传感器27并且进一步地电路板28，然后由盖17b封闭转向传动机构壳体17。因此，电动机19沿轴向布置在扭矩传感器27和将电动机19与转向摆臂轴18耦合的第一传动级20之间。由此导致非常紧凑的结构单元，该结构单元具有用于转向摆臂轴18的轴承位置29a和29b的较大轴向间距。
第二实施例的转向摆臂轴18还包括用作第二传动级25的输入构件25a的主轴区段18c。主轴区段18c与第二传动级25的蜗轮25b啮合，所述蜗轮围绕横向于转向摆臂轴18的旋转轴线A的旋转轴线B旋转。蜗轮25b(其也可以仅节段地啮合)抗扭地与转向摆臂13耦合，由此手动力矩和辅助力矩引起转向摆臂13围绕旋转轴线B的旋转。
在所示的第二实施例中，转向摆臂轴18以主轴区段18c从转向传动机构壳体17中突伸出来。而且，第二传动级25布置在转向传动机构壳体17之外。然而也能够将第二传动级25安置在转向传动机构壳体17中。此外，图3中示出的结构组合件除了转向摆臂13之外还可以通过附加的、未详细示出的外部壳体包围。
在图5至8中更详细地示出了电动机20及其触点接通。所述电动机具有固定在转向传动机构壳体17中的定子22，与第一传动级20的输入侧连接的转子21可旋转地布置在定子22中。
如已经在上文中结合第一实施例所阐述的那样，定子22具有至少两个，即，具有两个或更多个电气分离的绕组。在所示的第二实施例中仅示例性地示出了两个电气独立的绕组23a和23b，它们当前在两个不同的直径上围绕旋转轴线A布置。
两个绕组23a和23b中的每一个都具有三个相(Ii，IIi，IIIi)。图8示出了每个绕组23a和23b总共12个线圈，因此对于每个绕组23a和23b，极对数均为2。未详细示出的转子21相应地设有各六个相位板。然而，也可以为绕组23a和23b设置更小或更大的极对数。
此外，绕组23a和23b可以沿周向彼此偏移地布置，因此如图8所示的相位也沿周向偏移。然而，两个绕组23a和23b的线圈之间的相位偏移也可以大于线圈的空间偏移。
所有线圈均通过公共连接环30触点接通，该连接环30具有相应的相互电绝缘的导体31。它们与同样布置在连接环上的电触点接通装置32a和32b连接，电触点接通装置32a和32b可以例如设计为插头。对于每个绕组23a和23b均提供了专门的电触点接通装置32a和32b。
电触点接通装置32a和32b分别通过其它的电导体33a和33b与所属的电子控制装置24a和24b连接，使得每个绕组23a和23b均由专门的控制装置24a和24b控制并且分别由车载电网供电。由此获得了两个彼此嵌套的子电动机。电子控制装置24a和24b优选同样安置在转向传动机构壳体17中，并且例如安装在沿轴向布置在电动机19的正面之前的电路板28上。
上述实施例能够实现特别紧凑的商用车转向系统，所述商用车转向系统允许在有限的结构空间中通过单个电动机驱动提供较大的辅助力矩。该驱动尤其能够由具有24V电源电压的车载电网运行。
转向传动机构11就电动机辅助而言通过至少两个集成在一套共同的定子-转子组件中的子电动机而形成了冗余系统，所述冗余系统可以在一个子电动机停止运转的情况下继续运行。
传动级的传动比可以必要时这样调节，使得所述转向系统即使在电动机19完全停止运转的情况下也可以用手操纵。
由于使用高输出功率的电动机19，可以完全取消液压助力辅助。通过将电动机19布置在转向摆臂轴18的周围，转向传动机构11仍然出人意料地保持紧凑。这通过连接在电动机19下游的高传动比的传动级还进一步增强。
此外，根据本发明的商用车转向系统的特征在于能够相对容易地制造的部件。
以上参照各种实施例和进一步的变型详细描述了本发明。特别地，即使这没有明确地描述，那些以上已经在其它单个特征的上下文中解释的单个技术特征也可以与这些其它单个特征无关地以及与另外的单个特征结合地实施，只要这在技术上可行即可。因此，本发明明确地不限于所描述的实施例，而是包括所有由权利要求限定的实施方式。
附图标记清单
10 转向系统
11 转向传动机构
12 方向盘
13 转向摆臂
14 转向柱
14 转向柱区段
15 转向横拉杆连杆
16 车轮
17 转向传动机构壳体
17a 容纳区段
17b 盖
18 转向摆臂轴
18a 空心轴区段
18b 扭力杆
18c 主轴区段
19 电动机
20 第一传动级
21 转子
22 定子
23a 绕组
23b 绕组
24a 电子控制装置
24b 电子控制装置
25 第二传动级
25a 蜗杆轴区段
25b 蜗轮
26 输出轴
27 扭矩传感器
28 电路板
29a 转向摆臂轴的轴承位置
29b 转向摆臂轴的轴承位置
30 连接环
31 导体
32a 电触点接通装置
32b 电触点接通装置
33a 其它的导体
33b 其它的导体
A 转向摆臂轴的和电动机的旋转轴线
B 转向传动机构的输出构件的和转向摆臂的旋转轴线

Claims (10)

1.一种商用车转向系统(10)，包括用于将施加于方向盘(12)上的手动力矩传递到转向摆臂(13)上的转向传动机构(11)，该转向传动机构具有用于提供辅助力矩的电动机(19)，其中电动机(19)围绕转向摆臂轴(18)布置或围绕在转向传动机构(11)的输出构件的旋转轴线(B)上的轴布置，并且电动机具有定子(22)，所述定子具有至少两个电气分离的绕组(23a，23b)，所述绕组分别由自己的电子控制装置(24a，24b)控制。
2.根据权利要求1所述的商用车转向系统，其特征在于，转向摆臂轴(18)通过减速传动的传动级(25)与转向摆臂(13)耦合，该传动级单级地这样将输入侧的旋转运动转换为输出侧的旋转运动，使得所述传动级(25)的输入侧旋转轴线(A)和输出侧旋转轴线(B)彼此相交或相对彼此偏斜。
3.根据权利要求1或2所述的商用车转向系统，其特征在于，在整个工作范围内的转向辅助仅由电动机(19)提供并且仅以电气方式提供。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的商用车转向系统，其特征在于，将转向摆臂轴(18)与转向摆臂(13)耦合的传动级(25)具有这样可变的传动比，使得在包围转向系统的中间位置的区域中，方向盘(12)上的转向运动导致比远离中间位置的区域中的转向运动更小的车轮偏转。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的商用车转向系统，其特征在于，电动机(19)借助减速传动的传动级(20)与转向摆臂轴(18)耦合，所述传动级沿轴向连接在电动机(19)上并且同样围绕转向摆臂轴(18)布置。
6.根据权利要求5所述的商用车转向系统，其特征在于，电动机(19)沿轴向布置在扭矩传感器(27)和将电动机(19)与转向摆臂轴(18)耦合的传动级(20)之间。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的商用车转向系统，其特征在于，所述转向摆臂(13)具有旋转轴线(B)，并且所述电动机(19)借助围绕转向摆臂(13)的旋转轴线(B)布置的减速传动的传动级与转向摆臂(13)耦合。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的商用车转向系统，其特征在于，所述电动机(19)具有两个单独控制的子电动机，所述子电动机彼此嵌套。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的商用车转向系统，其特征在于，所述电动机(19)具有用于与所述绕组(23a,23b)的所有线圈形成触点接通的中央连接环(30)以及具有用于连接所述电子控制装置(24a,24b)的电触点接通装置(32a,32b)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的商用车转向系统，其特征在于，转向摆臂轴(18)可旋转地安置在转向传动机构壳体(17)中并且具有用于耦合方向盘(12)或转向柱(14)的连接部；转向摆臂(13)布置在从转向传动机构壳体(17)中延伸出的输出轴(26)上；电动机(19)、耦合在电动机(19)和转向摆臂轴(18)之间的第一传动级(20)以及任选地额外地还有布置在转向摆臂轴(18)和转向摆臂(13)之间的第二传动级(25)被安置在转向传动机构壳体(17)中；其中由驾驶员施加在转向摆臂轴(18)上的手动力矩通过第二传动级(25)的传动比被减速传动，并且由电动机(19)提供的辅助力矩以第一传动级(20)的传动比和以第二传动级(25)的传动比被减速传动。
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