CN108454690A - 用于转向柱组件的球式联接组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于自主或半自主车辆的转向柱组件,其包括方向盘和刚性地联接至方向盘的上部转向轴。还包括操作性地联接至上部转向轴的下部转向轴。还包括球式联接组件,球式联接组件包括被保持在上部转向轴内的多个球,被置于第一径向位置中的球将所述球与上部转向轴和下部转向轴接合从而将转向轴处于联接状态,被置于第二径向位置中的球使所述球与上部转向轴和下部转向轴中的至少一个脱离接合从而将转向轴处于脱开状态。

Description

用于转向柱组件的球式联接组件
技术领域
本文描述的发明涉及转向柱组件,并且更具体地,涉及实施在自主或半自主车辆中的用于转向柱组件的球式联接组件。
背景技术
随着汽车工业朝向自主驾驶车辆的方向迈进,将会有先进驾驶员辅助系统(ADAS),其允许使用传感、转向和制动技术来自主控制车辆。在ADAS车辆上实施转向可包括将驱动接口(例如,方向盘)与转向致动器脱开。然而,在自主驾驶模式期间,旋转着的驱动接口可能对驾驶员造成困惑、不便或甚至是伤害。解决移动接口的问题将有助于自主车辆技术和可行性的总体发展。
发明内容
根据本发明的一个方案,用于自主或半自主车辆的转向柱组件包括方向盘(steering wheel)。还包括刚性地联接至方向盘的上部柱转向轴。还包括操作性地联接至上部柱转向轴的下部柱转向轴。还包括用于使上部柱转向轴和下部柱转向轴在联接状态与脱开状态之间切换的球式联接组件。球式联接组件包括被保持在上部柱转向轴内的多个球。球式联接组件还包括多个凹穴(pocket,袋部),所述多个凹穴彼此周向间隔且由下部转向轴限定,每个凹穴的尺寸设置为接收多个球之中一个球的一部分。球式联接组件还包括围绕所述球的轴环,所述轴环具有设置成与所述球接触的内壁的角状部。球式联接组件还包括轴环致动机构,所述轴环致动机构用于使轴环选择性地在联接状态与脱开状态之间轴向平移。
根据本发明的另一个方案,一种用于自主或半自主车辆的转向柱组件包括方向盘。还包括刚性地联接至方向盘的上部柱转向轴。还包括操作性地联接至上部柱转向轴的下部柱转向轴。还包括用于使上部柱转向轴和下部柱转向轴在联接状态与脱开状态之间切换的球式联接组件。球式联接组件包括多个球,所述球被保持在由下部柱转向轴限定于单个轴向平面中的相应孔内。球式联接组件还包括设置在下部柱转向轴的膛孔内且能在所述膛孔中轴向平移的中心销。球式联接组件还包括由中心销限定的环形凹部。球式联接组件还包括中心销致动机构,所述中心销致动机构使中心销轴向平移,被置于第一径向位置处的球使上部柱转向轴和下部柱转向轴处于脱开状态,其中第一径向位置使球被置于环形凹部内,设置在第二径向位置处的球使上部柱转向轴和下部柱转向轴处于联接状态,其中第二径向位置使所述球被置于抵靠中心销的径向外表面并位于下部柱转向轴的孔和上部柱转向轴的孔中,联接状态提供上部柱转向轴和下部柱转向轴的共同旋转,脱开状态允许上部柱转向轴和下部柱转向轴的独立旋转。
根据本发明的又一个方案,用于自主或半自主车辆的转向柱组件包括方向盘。还包括刚性地联接至方向盘的上部柱转向轴。还包括操作性地联接至上部柱转向轴的下部柱转向轴。还包括球式联接组件,所述球式联接组件包括被保持在上部柱转向轴内的多个球,设置在第一径向位置中的球从而使上部柱转向轴和下部柱转向轴处于联接状态,其中所述第一径向位置使所述球与上部柱转向轴和下部柱转向轴接合,设置在第二径向位置中的球使上部柱转向轴和下部柱转向轴处于脱开状态,其中第二径向位置使所述球与上部柱转向轴和下部柱转向轴中的至少一个脱开。
从以下结合附图给出的描述中,将更加显现以上和其它优点。
附图说明
在本说明书的最后,在权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。从以下结合附图给出的详细描述中,更加容易显现本发明的前述和其它特征及优点,附图中:
图1是根据本公开的一个方案的转向柱组件处于联接状态的局部剖视图;
图2是图1的转向柱组件处于脱开状态的局部剖视图;
图3是根据本公开的另一个方案的转向柱组件处于联接状态的局部剖视图;以及
图4是图3的转向柱组件处于脱开状态的局部剖视图。
具体实施方式
现在参照附图,其中将参照具体实施例描述本发明但并非对其加以限制,附图示出了自主车辆的转向柱组件的各种特征。如本文所述的,实施例提供了一种可靠且有效的组件,其允许驾驶员将方向盘与下部转向轴脱开以便在自主模式下使用车辆,同时将方向盘保持在固定位置(静止位置)。
转向柱组件是先进驾驶员辅助系统(ADAS)的一部分,能够操纵及控制车辆的其它参数以使车辆在无需驾驶员直接参与的情况下操作。自主或半自主驾驶是指这样的车辆,其被构造成在无需来自驾驶员的持续输入(例如,转向、加速、制动等)的情况下执行操作并且可配备有允许使用传感、转向和/或制动技术来自主或半自主控制车辆的技术。
参照图1和图2,示出了根据本实施例的转向柱组件10的一部分。转向柱组件10包括下部柱转向轴12(文中也称作下部转向轴),该下部柱转向轴操作性地联接至车轮控制结构(未示出),从而允许驾驶员输入车轮控制并接收响应于车轮移动的反馈。柱套(columnjacket)围绕下部转向轴12的一部分。转向输入装置(诸如所示的方向盘16)经由上部柱转向轴17(文中也称作上部转向轴)操作性地联接至下部转向轴12以允许用户以人工驾驶模式控制车辆。上部转向轴17通过花键连接等刚性地固定至方向盘16,以确保方向盘16和上部转向轴17的共同旋转。
在图1中示出处于人工驾驶模式下的转向柱组件10。在人工驾驶模式下,上部转向轴17联接(也称作旋转地联接)至下部转向轴12。上部转向轴17和下部转向轴12的联接(或旋转地联接)状态致使方向盘16和下部转向轴12共同旋转,因此部件的旋转是相互依赖的。相反地,在自主驾驶模式期间,会出现上部转向轴17和下部转向轴12的脱开状态(图2)。脱开(或旋转地脱开)状态致使方向盘16和下部转向轴12独立旋转,因此响应于车轮角运动的下部转向轴12的旋转不需要或者不引起方向盘16的旋转。本文公开的转向柱组件10给驾驶员提供了在联接状态与脱开状态之间切换以及在人工驾驶模式与自主驾驶模式之间切换的能力。
与通过花键配合组件实现的下部转向轴12和方向盘16之间的持续固定关系相对比,本文描述的实施例使用至少一个(但通常是多个)球18来建立联接状态或脱开状态。所述多个球18是球式联接组件的一部分并且以一对一的关系被固定在由上部转向轴17限定的球保持结构(诸如多个相应的孔19)中。所述多个孔19彼此周向间隔且每个孔的尺寸均被设计成将多个球18中的一个球轴向且周向地保持在其中。
下部转向轴12限定多个凹穴20,所述凹穴设置在共同的轴向平面中且彼此周向间隔。所述多个凹穴20延伸至下部转向轴12的一径向深度,该径向深度允许球18被部分地设置于凹穴中,但同时球18的一部分要从凹穴中径向向外突出。在下部转向轴12与上部转向轴17和方向盘16的联接状态中,球18位于凹穴20中。球从凹穴20中径向突出以与凹穴表面接合且与限定上部转向轴17的孔19的壁接合。因此,当球18位于下部转向轴12的凹穴20中时,建立了方向盘16与下部转向轴12之间的扭矩传输。
为了将球18保持在凹穴20中并且阻止球18的径向移动,一轴环30的内壁26设置成与球18接触。更具体地,内壁26的角状部32的最内侧位置与球18接触。轴环30设置在上部转向轴17与柱壳体结构(column housing structure,柱容置结构)23之间。由于内壁26的角状部32的存在,内壁26的一部分与球18间隔以在某些状态下允许球18径向移动,如本文详细描述的。
设有一轴环致动机构40以使轴环30选择性地轴向平移,从而控制角状部32的与球18邻接的部分,因为该定位确定球18是径向保持于凹穴20内还是可以自由地径向向外移动。驱动结构42(诸如销或拨叉)与轴环30接合。在所示的实施例中,驱动结构42延伸通过柱壳体结构23的孔口44。孔口44足够大以容纳驱动结构42的轴向穿行。连杆(linkage)46在一端处联接至驱动结构42且在相对端处联接至柱壳体结构23。连杆46的不同定位使得驱动结构42在两个轴向位置之间轴向平移,且因此使得轴环30在两个轴向位置之间轴向平移。可通过任何适合的致动器(诸如具有能与连杆46接合的销的电螺线管(electric solenoid)48)实现对连杆46的操纵。
在电螺线管48的第一状态(即,通电或未通电)下,连杆46将驱动结构42且因此将轴环30定位在将球18设置于凹穴20中的方位中。这提供了联接状态(图1),其中角状部32的最内侧位置与球18接触或紧邻所述球,以将球18径向保持在凹穴20中。在电螺线管48的第二状态(即,通电或未通电)下,驱动结构42被弹簧50偏压以将轴环30移动到位于角状部32的径向外部区域的位置,从而允许球18径向向外移动。在一些实施例中,位于轴环30之上或之中的一个或多个磁体52协助球18的向外径向移动。下部转向轴12限定环形凹部54,所述环形凹部位于与凹穴20相同的轴向位置处,但是环形凹部54延伸到的径向深度小于凹穴20的径向深度。这提供了当球18位于外部径向位置(即,脱开状态)时供球行进通过的连续轨道,从而使方向盘与下部转向轴12旋转脱开(rotationally decoupling,脱离旋转联接)。
在转向柱组件10处于脱开时其也能有利于方向盘16的自主模式。自主模式是指方向盘16的旋转固定位置和状态。保持方向盘16处于固定位置降低了驾驶员困扰、不便和/或受伤的可能性。
在转变为图2中所示的转向柱组件10的脱开状态时,将方向盘置于固定位置中。在所示的实施例中,电螺线管56包括从其延伸的销58。电螺线管56可在第一状态(即,通电或未通电)与第二状态(即,通电或未通电)之间切换,其中一个状态将销58设置在收缩位置中(图1),而另一个状态将销58设置在延伸位置中(图2)。当上部转向轴17和下部转向轴12处于脱开状态中时,销58的延伸位置将销58与由上部转向轴17限定的接收孔60接合以便旋转锁定方向盘16。前述示例仅仅是说明如何能将方向盘锁定在“静轮(quiet wheel)”模式下。尽管方向盘16被旋转锁定,但是由于球18设置在向外径向位置中,因而下部转向轴12自由旋转。
在操作中,用户与用于切换电螺线管48、56的用户输入装置互动。用户输入装置可为按钮、拨动开关(toggle switch)、语音启动指令等。这些类型的输入装置仅是可用于切换电螺线管的状态的装置的示例。
现在参照图3和图4,其中示出了本公开的另一个方案。具体地,示出了根据一实施例的转向柱组件110的一部分。转向柱组件110包括下部柱转向轴112(文中也称作下部转向轴),该下部柱转向轴操作性地联接至车轮控制结构(未示出),从而允许驾驶员输入车轮控制并响应于车轮移动接收反馈。柱套围绕下部转向轴112的一部分。转向输入装置(诸如所示的方向盘116)经由上部柱转向轴117(文中也称作上部转向轴)操作性地联接至下部转向轴112以允许用户以人工驾驶模式控制车辆。上部转向轴117通过花键连接等刚性地固定至方向盘116,以确保方向盘116和上部转向轴117的共同旋转。
在图3中示出了转向柱组件110处于人工驾驶模式下。在人工驾驶模式下,上部转向轴117联接(也称作旋转地联接)至下部转向轴112。上部转向轴117和下部转向轴112的联接(或旋转地联接)状态致使方向盘116和下部转向轴112共同旋转,因此部件的旋转是相互依赖的。相反地,在自主驾驶模式期间,将出现上部转向轴117和下部转向轴112的脱开状态(图4)。脱开(或旋转脱开)状态引起方向盘116和下部转向轴112独立旋转,因此响应于车轮角运动的下部转向轴112的旋转不需要或者不引起方向盘116的旋转。本文公开的转向柱组件110给驾驶员提供了在联接状态与脱开状态之间切换以及在人工驾驶模式与自主驾驶模式之间切换的能力。
与通过花键配合组件实现的下部转向轴112和方向盘116之间的连续固定关系相对比,本文描述的实施例使用至少一个(但通常是多个)球118来建立联接状态或脱开状态。所述多个球118是球式联接组件的一部分并且以一对一的关系被固定在由下部转向轴112限定的球保持结构中,所述球保持结构诸如多个相应的孔119。所述多个孔119彼此周向间隔且每个孔的尺寸均被设计为将多个球118中的一个轴向且周向地保持在其中。上部转向轴117也具有多个孔121,所述多个孔彼此周向间隔且每个孔的尺寸均被设计为将多个球118中的一个的部分轴向且周向地保持在其中。上部转向轴117的孔121和下部转向轴112的孔119的数量相等并且在共同轴向平面中对准。
中心销170设置在下部转向轴112的轴向延伸膛孔131内。中心销170包括有沟槽的表面,该有沟槽的表面从中心销170的径向外表面133通向由中心销170限定的环形凹部138。在图3所示的联接状态中,球118抵靠中心销170的径向外表面133。球118径向突出以与限定下部转向轴112的孔119和上部转向轴117的孔121的壁接合。因此,当球118如此定位时,建立了方向盘116与下部转向轴112之间的扭矩传输。
为了径向地保持球118,轴环130的内壁126设置成与球118的外径向表面接触。轴环130设置在上部转向轴117与柱壳体结构123之间。轴环130操作性地联接至中心销170并且这些元件可以以相关的方式轴向平移。通过由于弹簧150在驱动销142上的预加载作用而设置成与中心销170和轴环130压迫接触的销172可实现轴环130与中心销170的操作性联接。在一些实施例中提供了弹簧150,但是在一些实施例中不必偏压驱动销142。在一些实施例中,可以预期的是销172和中心销170彼此固定。销172延伸穿过由上部转向轴117限定的狭槽199并在该狭槽中轴向移动。
一轴环致动机构140设置成使轴环30轴向平移,从而控制中心销170的轴向位置,因为该定位会确定球118是位于第一径向位置处还是位于第二径向位置处。具体地,当球118径向向内设置在环形凹部138内时,球118可位于第一径向位置处,而当球118设置成与中心销170的径向外表面133相抵靠时,球118可位于第二径向位置处。球118的径向位置取决于中心销170的轴向位置。
轴环致动机构140包括驱动结构142,诸如与轴环130接合的销或拨叉。在所示的实施例中,驱动结构142延伸通过柱壳体结构123的孔口144。孔口144足够大以容纳驱动结构142的轴向穿行。连杆146在一端处联接至驱动结构142且在相对端处联接至柱壳体结构123。连杆146的不同定位使得驱动结构142在两个轴向位置之间轴向平移,且因此使得轴环130在两个轴向位置之间轴向平移。可通过任何适合的致动器(诸如具有能与连杆146接合的销的电螺线管148)实现对连杆146的操纵。
在电螺线管148的第一状态(即,通电或未通电)下,连杆146将驱动结构142定位在将球118设置成与中心销170的径向外表面133相抵靠的方位中,且因此将轴环130定位在该方位中。这提供了联接状态(图3)。在电螺线管148的第二状态(即,通电或未通电)下,驱动结构142被弹簧150偏压以将轴环130移动到使球118径向向内移动并与限定上部转向轴117的孔121的壁脱离接触的位置。在该位置中,球118位于环形凹部138内,这提供了当球118位于内部径向位置(即,脱开状态)时供球118行进通过的连续轨道,从而使方向盘116与下部转向轴112旋转脱开。位于下部转向轴112的膛孔131内的弹簧180将中心销170偏压至将球118设置于环形凹部138中的轴向位置。
转向柱组件110还促进方向盘116的旋转固定位置和状态。保持方向盘116处于固定位置降低了驾驶员困扰、不便和/或受伤的可能性。
在转变为图4中所示的转向柱组件110的脱开状态时,将方向盘设置在固定位置中。在所示的实施例中,电螺线管156包括从其延伸的销158。电螺线管156可在第一状态(即,通电或未通电)与第二状态(即,通电或未通电)之间切换,其中一个状态将销158设置在收缩位置中(图3),而另一个状态将销158设置在延伸位置中(图4)。当上部转向轴117和下部转向轴112处于脱开状态中时,销158的延伸位置将销158与由上部转向轴117限定的接收孔160接合以便旋转锁定方向盘116。前述示例仅仅是说明如何能将方向盘锁定在“静轮”模式下。尽管方向盘116被旋转锁定,但是由于球118设置在向内的径向位置中,因而下部转向轴112自由旋转。
在操作中,用户与用于切换电螺线管148、156的用户输入装置互动。用户输入装置可为按钮、拨动开关、语音启动指令等。这些类型的输入装置仅是可用于切换电螺线管的状态的装置的示例。
在上述实施例的一些中,整体转向系统由绝对位置传感器监控并且仅当转向系统处于“中心位置”(例如,正前方驾驶位置)中时该系统才允许在驾驶模式(即,自主和人工)之间进行切换。这有助于驾驶模式之间的顺畅转换。
本文描述的实施例提供了在转向柱组件10的联接状态和脱开状态之间转换的可靠且有效的方式。另外,在组件处于脱开状态和自主驾驶模式时方向盘16理想地保持在(旋转)固定位置。
虽然已经结合有限数量的实施例已描述了本发明,但是应该容易理解,本发明不局限于公开的实施例。相反,可对本发明进行改进以使其包含之前没有描述但与本发明的精神和范围相对应的任何数量的改型、变更、替代或等效设置。另外,虽然已描述了本发明的各实施例,但是应该理解的是,本发明的方案可仅包括一些描述的实施例。因此不应认为本发明受前文描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于自主或半自主车辆的转向柱组件,其具有方向盘,所述组件包括:
上部柱转向轴,其刚性地联接至所述方向盘;
下部柱转向轴,其操作性地联接至所述上部柱转向轴;以及
球式联接组件,其用于使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴在联接状态与脱开状态之间切换,所述球式联接组件包括:
多个球,其被保持在所述上部柱转向轴内;
多个凹穴,其彼此周向间隔且由所述下部转向轴限定,每个凹穴的尺寸被设置为接收所述多个球之中一个球的一部分;
围绕所述球的轴环,所述轴环具有设置成与所述球接触的内壁的角状部;和
轴环致动机构,其使所述轴环选择性地在联接状态与脱开状态之间轴向平移。
2.根据权利要求1所述的转向柱组件,其中,所述球被置于第一径向位置处时,所述球被置于所述凹穴内以使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于联接状态,所述球被置于第二径向位置处时,所述球被从所述凹穴移开以使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于脱开状态,所述联接状态提供所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴的共同旋转,所述脱开状态允许所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴的独立旋转,所述转向柱组件还包括由所述下部柱转向轴限定的环形凹部,所述环形凹部延伸到的径向深度小于所述多个凹穴的径向深度,当所述球位于第二径向位置中时所述球沿所述环形凹部自由旋转。
3.根据权利要求1所述的转向柱组件,其中,所述轴环致动机构还包括:
驱动结构,其与所述轴环接合;以及
连杆,其联接至所述驱动结构以使得所述轴环轴向平移。
4.根据权利要求3所述的转向柱组件,其中,所述连杆被固定至所述转向柱组件的柱壳体结构。
5.根据权利要求2所述的转向柱组件,其中,所述轴环致动机构还包括致动器,所述致动器与所述连杆接合以致动所述连杆的移动。
6.根据权利要求5所述的转向柱组件,其中,所述致动器包括电螺线管,在所述电螺线管的第一状态下所述电螺线管偏压所述连杆以将球定位在所述第一径向位置中,所述电螺线管能切换至第二状态以允许球移动至所述第二径向位置。
7.根据权利要求6所述的转向柱组件,其中,所述轴环致动机构还包括弹簧,当所述电螺线管处于所述第二状态时,所述弹簧轴向地偏压所述驱动结构以将所述球定位在所述第二径向位置中。
8.根据权利要求2所述的转向柱组件,其中,所述轴环包括磁体,所述磁体位于邻近所述内壁以将所述球径向向外地吸引至所述第二径向位置。
9.根据权利要求1所述的转向柱组件,还包括电螺线管,所述电螺线管具有从所述电螺线管延伸的销,当所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于脱开状态时,所述销能与由所述上部柱转向轴限定的接收孔接合以便旋转锁定所述方向盘。
10.根据权利要求1所述的转向柱组件,其中,通过用户输入装置使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴在联接状态与脱开状态之间切换。
11.根据权利要求10所述的转向柱组件,其中,所述用户输入装置包括按钮、开关和语音提示系统之中的一种。
12.一种用于自主或半自主车辆的转向柱组件,其具有方向盘,所述组件包括:
上部柱转向轴,其刚性地联接至所述方向盘;
下部柱转向轴,其操作性地联接至所述上部柱转向轴;以及
球式联接组件,其使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴在联接状态与脱开状态之间切换,所述球式联接组件包括:
多个球,其被保持在由所述下部柱转向轴限定在单个轴向平面中的相应孔内;
中心销,其设置在所述下部柱转向轴的膛孔内且能在所述膛孔中轴向平移;
由中心销限定的环形凹部;和
中心销致动机构,所述中心销致动机构用于使所述中心销轴向平移,所述球被置于第一径向位置时,所述球被置于所述环形凹部内以使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于脱开状态,所述球被置于第二径向位置时,所述球被置于抵靠所述中心销的径向外表面并位于所述下部柱转向轴的孔和所述上部柱转向轴的孔中,以使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于联接状态,所述联接状态提供所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴的共同旋转,所述脱开状态允许所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴的独立旋转。
13.根据权利要求12所述的转向柱组件,其中,所述中心销致动机构还包括:
轴环,其设置在所述上部转向轴与柱壳体结构之间并且操作性地联接至所述中心销;
驱动结构,其与所述轴环接合;以及
连杆,其被联接至所述驱动结构以使所述轴环和所述中心销轴向平移。
14.根据权利要求13所述的转向柱组件,其中,所述轴环致动机构还包括致动器,所述致动器与所述连杆接合以致动所述连杆的移动。
15.一种用于自主或半自主车辆的转向柱组件,其具有方向盘,所述组件包括:
上部柱转向轴,其刚性地联接至所述方向盘;
下部柱转向轴,其操作性地联接至所述上部柱转向轴;以及
球式联接组件,其包括被保持在所述上部柱转向轴内的多个球,所述球被置于第一径向位置时,所述球与所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴接合以使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于联接状态,所述球被置于第二径向位置时,所述球与所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴中的至少一个脱开,以使所述上部柱转向轴和所述下部柱转向轴处于脱开状态。
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