CN108974113B - 车辆转向柱的冗余齿轮组件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车辆转向柱的冗余齿轮组件，其包括操作性地联接到转向柱部件的齿轮。还包括位于齿轮上的第一组齿轮齿和第二组齿轮齿。另外还包括驱动第一齿轮输入部件的第一电机，第一齿轮输入部件与第一组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩，第一转向辅助转矩表示所需转向辅助转矩。还包括驱动第二齿轮输入部件的第二电机，第二齿轮输入部件与第二组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的冗余操作模式下提供第二转向辅助转矩，第二电机在初步操作模式下不驱动第二齿轮输入部件。

Description

车辆转向柱的冗余齿轮组件及方法

技术领域

以下说明涉及一种车辆转向柱，更具体地，涉及一种用于这种转向柱的冗余齿轮组件(redundant gear assembly)。

背景技术

电致动或电辅助转向系统为转向组件提供了动力辅助。控制器接收一输入信号并命令电动机驱动齿轮装置，以通过减小执行各种转向功能所需的输入转矩而为使用者提供辅助。许多齿轮装置不包括冗余。如果齿轮齿断裂，则车辆恢复到手动转向。随着转向负载增加，则对于一些驾驶员来说，手动转向可能很难。而且，手动控制不适于线控转向应用，这是因为转向柱与车轮之间可能不存在物理连接。为了增加安全性，许多汽车制造商在包括转向系统的很多车辆应用中需要冗余。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种用于车辆转向柱的冗余齿轮组件包括操作性地联接到转向柱部件的齿轮。还包括位于齿轮上的第一组齿轮齿。还包括位于齿轮上的第二组齿轮齿。另外还包括驱动第一齿轮输入部件的第一电机，第一齿轮输入部件与第一组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩，第一转向辅助转矩表示所需转向辅助转矩。还包括驱动第二齿轮输入部件的第二电机，第二齿轮输入部件与第二组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的冗余操作模式下提供第二转向辅助转矩，第二电机在初步操作模式下不驱动第二齿轮输入部件。

根据本发明的另一方面，车辆转向柱的冗余齿轮组件包括操作性地联接到转向柱部件的齿轮。还包括位于齿轮上的第一组齿轮齿。还包括齿轮上的第二组齿轮齿。另外还包括驱动第一齿轮输入部件的第一电机，第一齿轮输入部件与第一组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩。还包括驱动第二齿轮输入部件的第二电机，第二齿轮输入部件与第二组齿轮齿进行啮合接合，以在初步操作模式下提供第二转向辅助转矩。

根据本发明的又一方面，车辆转向柱的冗余齿轮组件包括操作性地联接到转向柱部件的第一齿轮。还包括操作性地联接到转向柱部件的第二齿轮。还包括位于第一齿轮上的第一组齿轮齿。另外还包括位于第二齿轮上的第二组齿轮齿。还包括驱动第一齿轮输入部件的第一电机，第一齿轮输入部件与第一组齿轮齿进行啮合接合。以在冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩，该第一转向辅助转矩表示所需转向辅助转矩。还包括驱动第二齿轮输入部件的第二电机，第二齿轮输入部件与第二组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的冗余操作模式下提供第二转向辅助转矩，第二电机在初步操作模式下不驱动第二齿轮输入部件。

结合附图，这些和其他优点和特征从以下描述中将变得更为显而易见。

附图说明

说明书末尾的权利要求书中特别指出并明确声明了视为本发明的主题。从结合附图给出的以下详细描述中可清楚了解到本发明的上述及其他特征、以及优点，在附图中：

图1是车辆的转向系统的立体图；

图2是根据本发明一方面的用于转向系统的冗余齿轮组件的立体图；

图3是根据本发明另一方面的冗余齿轮组件的立体图；

图4是图2的组件的齿轮齿接合的立体放大图；

图5是根据本发明另一方面的冗余齿轮组件的立体图；以及

图6是根据本发明另一方面的转向系统的立体图。

具体实施方式

现在参考附图，其中将参考特定实施例描述本发明且没有限制本发明，提供了一种冗余齿轮组件以在车辆转向柱中使用。本文所述的冗余齿轮组件可以与各种类型的转向柱一起使用。特别地，电动力转向系统、线控转向系统及自主或半自主驱动系统是可通过本文公开的实施例获益的车辆转向柱的示例。术语“自主”或“半自主”是指构造成在没有来自驾驶员的连续输入(例如，转向、加速、制动等)的情况下执行操作的车辆或车辆子系统，并可以装备有高级驾驶辅助系统(ADAS)，以允许车辆使用感测、转向和/或制动技术进行自主控制。

图1示出设置为使车辆沿所需方向转向的转向系统10。转向系统10包括方向盘20、上转向柱22、万向节24、下转向柱26、齿轮28、第一齿轮输入部件30、齿轮壳体34、转向机构36、拉杆38、40、转向关节42、44和车轮46、48。从本发明将会理解到，第二齿轮输入部件31和齿轮28形成冗余齿轮装置。

在一些实施例中，转向系统10是运用齿条和小齿轮转向机构36的电动力转向系统，该小齿轮转向机构包括位于齿轮壳体34下方的小齿轮(未示出)和齿条(未示出)。操作期间，随着方向盘20被车辆操作者转动，上转向柱22连接到下转向柱26并转动小齿轮。小齿轮的旋转使齿条运动，这使得拉杆38、40运动。拉杆38、40进而使相应的转向关节42、44运动，这使得相应的车轮46、48转动。应该理解的是，转向系统10可以包括更少或更多的轴部件或柱部件。而且，如上所述，在一些实施例中，在方向盘20(或其他转向输入设备)与下转向柱26之间没有提供物理连接。因此，应该理解的是，传递辅助转矩的齿轮28操作性地联接到转向柱部件，而且不局限于与上述柱的部分连接，或者不局限于以所示方式连接。

转向系统10可以包括控制系统，用以辅助控制转向系统10。在一些实施例中，控制系统14包括柱转矩传感器50、控制器52、第一转向辅助电机58和第二转向辅助电机60。柱转矩传感器50生成表示由车辆操作者施加于车辆方向盘20和上转向柱22的转矩量的信号。在一个实施例中，转矩传感器50包括扭力杆(未示出)，该扭力杆基于扭力杆的扭曲量而向控制器52输出可变阻力。替代性地，可以运用本领域技术人员已知的其他类型的转矩传感器。控制器52生成控制信号，该控制信号控制第一转向辅助电机58的操作。第二转向辅助电机60可以从控制器52或者从单独且独立的控制器(例如，控制器62)接收信号。控制器电联接到转矩传感器50。如本文所使用的，术语“控制器”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享处理器、专用处理器或组处理器)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适合的部件。

第一电机58被构造成驱动第一齿轮输入部件30，第一齿轮输入部件30操作性地联接到齿轮28，以用于使下转向柱26、转向机构36、拉杆38、40和关节42、44朝向一操作位置运动，在该操作位置，车轮46、48具有所需的前车轮角。第二电机60被构造成驱动第二齿轮输入部件31，第二齿轮输入部件31操作性地联接到齿轮28，以用于使下转向柱26、转向机构36、拉杆38、40和关节42、44朝向一操作位置运动，在该操作位置，车轮46、48具有所需的前车轮角。从本文所述的实施例中能够理解，双齿轮装置提供冗余齿轮组件，以确保即使在其中一个齿轮装置或连接发生故障，仍能够维持转向辅助。

如图6所示，示出了双齿轮装置的另一实施例。在图6的实施例中，齿轮28是第一齿轮，并且第二齿轮29被包括在内。在这样的实施例中，第一齿轮28包括单组齿轮齿–诸如第一组齿轮齿68(如下文详细描述)，并且第二齿轮29包括单独的第二组齿轮齿72。如本文所述，第一齿轮输入部件30与第一齿轮28(即，第一组齿轮齿68)接合，并且第二齿轮输入部件31与第二齿轮29(即，第二组齿轮齿72)接合。

参考图2和图3，更详细地示出冗余齿轮组件。图2和图3示出第一齿轮输入部件30和第二齿轮输入部件31的不同方位，但操作的原理与本文所述保持一致。齿轮输入部件30、31的不同方位可以提供包装，或者其他操作根据使用的特殊应用而受益。无论特定方位为何，所示实施例中的齿轮装置是蜗轮装置，但应该理解的是，齿轮装置中的其中一个或两个均可以是替代性齿轮连接。例如，齿轮装置的其中一个或两个均可以是平面齿轮装置(图5)、正齿轮装置、斜齿轮装置和锥蜗轮装置。这些仅是示意性的齿轮装置，但应该理解的是，可以运用多种替代类型的齿轮装置。

在所示实施例中，第一齿轮输入部件30和第二齿轮输入部件31均是蜗杆且齿轮28是蜗轮。如上所述，第一齿轮输入部件30由第一电机58驱动，第二齿轮输入部件31由第二电机60驱动。可以预期，在一些实施例中，齿轮输入部件30、31由共同的电机驱动。而且，共同的控制器(例如，控制器52)可以控制两个电机58、60的操作，或者单独的控制器(52、62)可以驱动电机。

第一蜗杆30包括与齿轮28的第一组齿轮齿68进行啮合接合的螺纹图案64。同样，第二蜗杆31包括与齿轮28的第二组齿轮齿72进行啮合接合的螺纹图案70。每组齿轮齿68、72围绕齿轮28的周面74完全延伸。第一组齿轮齿68邻接齿轮28的第一面76设置，第二组齿轮齿72邻接齿轮28的第二面78设置。这些组的齿轮齿68、72沿齿轮28的轴向延伸，并可以彼此重叠，如图4最佳所示。使这些组的齿轮齿重叠节省了整个组件的包装空间。

通过将第二组齿轮齿72(也可以被称为齿轮齿的冗余组)设置在齿轮28上，以及将第二齿轮输入部件31(也可以被称为冗余齿轮输入部件)设置成与第二组齿轮齿72相互作用，齿轮组件包括了确保使用者维持转向能力的冗余。这在齿轮齿破裂的情况时是特别有益的。本文公开了各种冗余方案。

在一些实施例中，第一电机58驱动第一齿轮输入部件30，以在初步操作模式下提供第一转向辅助转矩，该第一转向辅助转矩表示所需转向辅助转矩(即，100％或实际上几乎提供所有的所需转向转矩)。第二电机60在初步操作模式期间不驱动第二齿轮输入部件31，但是处于待机状态，以在第一电机58或第一齿轮输入部件30的操作受限的情况下提供冗余操作模式下的第二转向辅助转矩。在这样的情况下，第二电机60以第二转向辅助转矩操作驱动第二齿轮输入部件31，该第二转向辅助转矩在一些实施例中可以表示所需转向辅助转矩。如果在冗余操作模式下由第二齿轮输入部件31提供100％(或近乎100％)的所需转向辅助转矩，由于使用者看不到任何衰减(falloff)，因此该组件被认为是完全冗余系统。然而，一些实施例包括更小的且经由第二齿轮输入部件31提供更少辅助的第二电机60。功率较小的电机会导致在冗余操作模式下提供小于100％的所需转向辅助转矩。较低的转矩提供“跛行回家(limp home)”模式。预期由第二齿轮输入部件31提供的所需转向转矩的宽范围的百分比，包括小于100％的所需转向转矩的任何百分比。举例来说，在冗余操作模式下提供的第二转向辅助转矩可以是50％的所需转向辅助转矩，但可以预期许多合适的替代方案。在具有较小功率电机的实施例中，第二控制器62可以被允许提供较少的功能。

在一些实施例中，第一电机58和第二电机60在初步操作模式下分别驱动第一齿轮输入部件30和第二齿轮输入部件31。换言之，在齿轮组件的正常操作期间，基于来自第一齿轮输入部件30和第二齿轮输入部件31的组合输入而传递转矩。在一些实施例中，每个电机58、60能够提供100％的所需转向辅助转矩，并且电机58、60协同工作以提供所需转向辅助转矩。如果每个电机58、60能够在初步操作模式下提供100％的所需转向辅助转矩，则当其中一个齿轮输入部件30或31变得不能操作时，使用者看不到任何衰减，因而该组件被认为是完全冗余系统。在其他实施例中，电机能够以生成至少100％的所需转向辅助转矩的组合转矩辅助的功率来驱动齿轮输入部件。可用的组合转矩辅助可以大于100％，诸如能够提供75％的所需转向辅助转矩或者当组合超过100％时的任何其他组合的转矩。替代地，为了避免过多的电机功率需求，转矩的组合可以是大约100％的所需转向辅助转矩。在这些实施例中，任意组合的转矩都是可预期的，诸如50-50、60-40、75-25等比率。这些示例的比率仅是说明性的，且应该理解的是，可以采用与第一齿轮输入部件30和第二齿轮输入部件31有关的任意比例的转矩，任一个都是比例中占据主导地位的数字。

本文所述的实施例在齿轮装置变得不能操作时提供“跛行回家”模式或完全冗余系统。此外，在具有同时操作的两个电机的实施例中，允许齿轮游隙补偿，因为电机能够提供抵靠彼此的小的负载，以移除游隙。

虽然仅结合有限数量的实施例描述了本发明，但应该容易理解的是，本发明并不局限于这样公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包含任何数量的上文未描述的变型、替代、替换或等价设置，但这些均符合本发明的精神和范围。此外，虽然已描述了本发明的多个实施例，但应该理解的是，本发明的方案可以仅包括所述实施例中的一部分。因此，本发明并不被视为由上述描述限制。

Claims (15)

1.一种用于转向柱的冗余齿轮组件，包括：

齿轮，操作性地联接到转向柱部件；

位于所述齿轮上的第一组齿轮齿；

位于所述齿轮上的第二组齿轮齿；

第一电机，驱动第一齿轮输入部件，所述第一齿轮输入部件与所述第一组齿轮齿进行啮合接合，以在所述冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩，所述第一转向辅助转矩表示所需转向辅助转矩；以及

第二电机，驱动第二齿轮输入部件，所述第二齿轮输入部件与所述第二组齿轮齿进行啮合接合，以在所述冗余齿轮组件的冗余操作模式下提供第二转向辅助转矩，所述第二电机在所述初步操作模式下不驱动所述第二齿轮输入部件。

2.根据权利要求1所述的冗余齿轮组件，其中，所述第二电机在所述冗余操作模式下提供的转矩少于所需转向辅助转矩。

3.根据权利要求1所述的冗余齿轮组件，其中，所述第二电机在所述冗余操作模式下提供的转矩表示所需转向辅助转矩。

4.根据权利要求1所述的冗余齿轮组件，其中，所述第一齿轮输入部件是与所述齿轮一起形成第一蜗轮装置的第一蜗杆，所述第二齿轮输入部件是与所述齿轮一起形成第二蜗轮装置的第二蜗杆，所述第一组齿轮齿被设置在所述齿轮的外周面上并邻接所述齿轮的第一面，所述第二组齿轮齿被设置在所述外周面上并邻接所述齿轮的第二面。

5.根据权利要求4所述的冗余齿轮组件，其中，所述第一组齿轮齿和所述第二组齿轮齿沿所述齿轮的轴向重叠。

6.根据权利要求1所述的冗余齿轮组件，其中，所述第一齿轮输入部件和所述齿轮形成蜗轮装置、平面齿轮装置、正齿轮装置、斜齿轮装置和锥蜗轮装置中的一者，所述第二齿轮输入部件和所述齿轮形成蜗轮装置、平面齿轮装置、正齿轮装置、斜齿轮装置和锥蜗轮装置中的一者。

7.根据权利要求1所述的冗余齿轮组件，其中，所述转向柱部件是线控转向系统。

8.根据权利要求1所述的冗余齿轮组件，其中，所述转向柱部件被设置在自主或半自主的车辆中。

9.一种用于转向柱的冗余齿轮组件，包括：

齿轮，操作性地联接到转向柱部件；

位于所述齿轮上的第一组齿轮齿；

位于所述齿轮上的第二组齿轮齿；

第一电机，驱动第一齿轮输入部件，所述第一齿轮输入部件与所述第一组齿轮齿进行啮合接合，以在所述冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩；以及

第二电机，驱动第二齿轮输入部件，所述第二齿轮输入部件与所述第二组齿轮齿进行啮合接合，以在所述初步操作模式下提供第二转向辅助转矩。

10.根据权利要求9所述的冗余齿轮组件，其中，所述第一转向辅助转矩和所述第二转向辅助转矩提供表示所需转向辅助转矩的组合转向辅助转矩。

11.根据权利要求10所述的冗余齿轮组件，其中，所述第一转向辅助转矩是所需转向辅助转矩的50％，所述第二转向辅助转矩是所需转向辅助转矩的50％。

12.根据权利要求9所述的冗余齿轮组件，其中，所述第一电机和所述第二电机是各自能操作的，以提供表示所需转向辅助转矩的转矩。

13.一种用于转向柱的冗余齿轮组件，包括：

第一齿轮，操作性地联接到转向柱部件；

第二齿轮，操作性地联接到所述转向柱部件；

位于所述第一齿轮上的第一组齿轮齿；

位于所述第二齿轮上的第二组齿轮齿；

第一电机，驱动第一齿轮输入部件，所述第一齿轮输入部件与所述第一组齿轮齿进行啮合接合，以在所述冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩，所述第一转向辅助转矩表示所需转向辅助转矩；以及

第二电机，驱动第二齿轮输入部件，所述第二齿轮输入部件与所述第二组齿轮齿进行啮合接合，以在所述冗余齿轮组件的冗余操作模式下提供第二转向辅助转矩，所述第二电机在所述初步操作模式下不驱动所述第二齿轮输入部件。

14.根据权利要求13所述的冗余齿轮组件，其中，所述第二电机在所述冗余操作模式下提供的转矩少于所需转向辅助转矩。

15.一种用于转向柱的冗余齿轮组件，包括：

第一齿轮，操作性地联接到转向柱部件；

第二齿轮，操作性地联接到所述转向柱部件；

位于所述第一齿轮上的第一组齿轮齿；

位于所述第二齿轮上的第二组齿轮齿；

第一电机，驱动第一齿轮输入部件，所述第一齿轮输入部件与所述第一组齿轮齿进行啮合接合，以在冗余齿轮组件的初步操作模式下提供第一转向辅助转矩；以及

第二电机，驱动第二齿轮输入部件，所述第二齿轮输入部件与所述第二组齿轮齿进行啮合接合，以在所述初步操作模式下提供第二转向辅助转矩。

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