CN111845916A - 用于转向柱的旋转对中装置 - Google Patents

Abstract

一种转向系统，其包括转向柱，该转向柱用以在至少中心位置与多个第二位置的范围之间旋转，并且限定中心轴线。该转向系统还包括致动器组件，该致动器组件与转向柱操作性连通，以提供转向辅助，该致动器组件包括一对板，每个板包括第一螺旋轨道和第二螺旋轨道。该转向系统还包括弹簧元件，该弹簧元件与致动器组件一起被布置成使该对板中的一个板沿着中心轴线的运动偏置，以影响转向柱移向中心位置。

Description

用于转向柱的旋转对中装置

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2019年4月24日提交的美国临时专利申请序列号为62/838,123的优先权权益，其公开的全部内容通过援引并入本文。

技术领域

本发明涉及用于转向柱的旋转对中装置，尤其涉及用于交通工具的转向柱的旋转对中装置。

背景技术

转向系统可以包括一组件，该组件用以将一组车轮引导为相对于交通工具的中心轴线定向在中心位置，除非将转向输入施加到与该组车轮机械连通的方向盘。在没有转向输入或跟随转向输入时，该组件可以辅助该组车轮返回至中心位置。该组件可以包括电动致动器，以有助于使方向盘返回至中心位置。然而，在涉及电气故障的情况下，电动致动器不会操作为使方向盘返回至中心位置。

发明内容

根据本公开的一个方面，一种转向系统包括转向柱，该转向柱定向在至少中心位置和第二位置，并且限定中心轴线。该转向系统还包括致动器组件，该致动器组件与转向柱操作性连通(operative communication，操作性通信)，以提供转向辅助，该致动器组件包括一对板，每个板限定供转向柱延伸通过的孔，并且每个板包括外轨道和内轨道，该内轨道相对于中心轴线被设置在外轨道的径向内侧。该转向系统还包括设置在外轨道内的第一球。该转向系统还进一步包括设置在内轨道内的第二球，该对板布置成使得该对板的每个板的外轨道和内轨道彼此面对。该转向系统还包括弹簧元件，该弹簧元件与致动器组件一起布置成使得第二板沿着中心轴线在轴向方向上的运动偏置(bias，偏压)。各外轨道和各内轨道限定一斜坡区域，各斜坡区域与弹簧元件一起布置成影响转向柱的旋转以返回至中心位置。

根据本公开的另一个方面，一种转向系统包括转向柱，该转向柱定向在至少中心位置和第二位置，并且限定中心轴线。该转向系统还包括致动器组件，其与转向柱操作性连通，以提供转向辅助，该致动器组件包括由第一端板、第二端板和至少一个中间板限定的至少三个板，每个板限定供转向柱延伸通过的孔，其中每组相邻的板包括彼此面对的相应外轨道以及相对于中心轴线设置在外轨道的径向内侧的、彼此面对的相应内轨道。转向系统还包括外球，其设置在每组相邻的板的各相应外轨道内。该转向系统还进一步包括内球，该内球设置在每组相邻的板的各相应内轨道内。该转向系统还包括弹簧元件，该弹簧元件与致动器组件一起布置成使得第二端板沿着中心轴线在轴向方向上的移动偏置。各外轨道和各内轨道限定斜坡区域，各斜坡区域与弹簧元件一起布置成影响转向柱的旋转以返回至中心位置。

根据本公开的另一个方面，一种转向系统包括转向柱，该转向柱用于在至少中心位置与多个第二位置的范围之间旋转，并且限定中心轴线。该转向系统还包括致动器组件，其与转向柱操作性连通，以提供转向辅助，该致动器组件包括一对板，每个板包括第一螺旋轨道和第二螺旋轨道。该转向系统还包括弹簧元件，其与致动器组件一起布置成使得该对板中的一个板沿着中心轴线的运动偏置，以影响转向柱移向中心位置。

这些和其它优点和特征将从结合附图的以下描述而变得更为明显。

附图说明

被视为本发明的主题在作为说明书总结的权利要求书中被特别地指出并被清楚地请求保护。本发明的前述和其它特征以及优点从下面结合附图的详细描述而变得明显，其中：

图1是显示转向系统示例的多个部分的交通工具示例的说明性立体图；

图2是示出用于转向系统的柱组件的示例的立体图；

图3A是侧视截面图，其示出了图2的柱组件的一部分的示例；

图3B是侧视截面图，其示出了柱组件的一部分的示例；

图4是俯视截面图，其示出了用于图2的柱组件的第一板和第二板的轨道配置的示例；

图5示出了图4的轨道的恒定倾斜高度变化(elevation change，高程变化)的转矩与角位移曲线(plot)；

图6示出了图4的轨道的非恒定高度变化的转矩与角位移曲线；

图7是侧视截面图，其示出了带有旋转行程止动(件)的柱组件的示例；以及

图7A是侧视截面图，其示出了旋转行程止动件的另一个示例。

具体实施方式

现在参考附图，其中将参考具体实施例来描述本发明而非限制本发明，图1示出了转向组件的示例，该转向组件在本文中一般被称为转向组件10。在图1中转向组件10被示出为设置在交通工具(vehicle)12内。转向组件10可以辅助转换来自方向盘16的用户输入，以引导交通工具12的移动。在该示例中，交通工具12是汽车，但是可以想到，在不脱离本公开范围的情况下，转向组件10也可以用于辅助转向其它类型的交通工具，诸如卡车、船舶、飞机或其它类似的交通工具。

转向组件10可以包括方向盘16，该方向盘被可旋转地固定(rotatably secured)到电动转向组件18。方向盘16可以被固定到转向组件10的柱组件以便旋转。电动转向组件18可以被操作性地连接到齿条齿轮系统20或线控转向系统(steer-by-wire system)(未示出)。方向盘16、电动转向组件18和齿条齿轮系统20可以彼此被布置成，基于驾驶员的输入来引导交通工具12的一组前轮24(在图1中仅显示一个前轮24)的运动。例如，齿条齿轮系统20可以经由转向节和拉杆而操作性地连接到该组前轮24中的每个前轮，以传递来自方向盘16的驾驶员输入，使该组前轮24中的每个前轮运动。交通工具12可以限定交通工具中心轴线21。该组前轮24的中心位置可以通过基本平行于交通工具中心轴线21被定向的该组前轮24的每一个来限定。

转向组件10可以与控制器29连通(communication，通信)。控制器29可以包括编程，以引导转向组件10的部件的操作，和/或引导其它交通工具12的部件的操作。这种编程，例如可以基于接收到的信号或检测到的交通工具条件，来触发一个或多个交通工具操作命令的输出。方向盘16可以在其内包括气囊组件，且控制器29可以包括编程以引导气囊组件的操作。

可选地，转向组件10可以与自转向单元30、诸如先进驾驶员辅助系统(advanceddriver assistance system，高级驾驶员辅助系统)等连通。自转向单元30可以包括编程以引导交通工具12的运动，而无需对方向盘16的驾驶员输入。

图2、图3A和图3B示出了用于转向系统的柱组件的示例的多个部分。图2是柱组件的一部分的示例的立体图，该柱组件在本文中通常被称为柱组件50。柱组件50可以与转向组件、诸如上述转向组件10一起操作以影响方向盘16的运动。柱组件50还可以被用在交通工具的线控转向系统中。

图3A是柱组件50的一部分的侧视截面图。柱组件50可以包括致动器组件54、转向柱56和电机组件58。致动器组件54可以被机械地联接至转向柱56，以便围绕由转向柱56限定的柱轴线60同步旋转。方向盘(未示出)可以被安装到转向柱56，使得致动器组件54可以至少部分地引导方向盘在至少第一位置与第二位置之间的旋转。第一位置在本文中也可以称为中心位置。电机组件58可以包括与致动器组件54操作性连通的电机(未示出)，以基于接收到的命令引导转向柱56的旋转运动。

致动器组件54可以包括第一板66、第二板68和弹簧元件70(在图3A中被最佳地示出)。在该示例中，弹簧元件70呈多个盘簧的布置，然而可想到的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它类型的弹簧(例如，卷簧)。弹簧元件70可以与第一板66和第二板68一起被布置成偏置板运动，而该板运动进而可以偏置转向柱56的旋转。例如，第二板68可以被安装为基于弹簧元件70的偏置，沿着柱轴线60进行轴向平移并且被抗旋转地固定(rotationally fixed，旋转性固定)。在所示的实施例中，第二板68与弹簧元件70接触，并且被定位成用以进行轴向平移。第二板68借助一对突起69被抗旋转地固定，该对突起延伸到由致动器组件54的壳体限定的相应键槽71内。在一些实施例中，该对突起69彼此间隔约180度，但是替代的间隔是可想到的。附加地，在替代实施例中，可以使用更多的(即，大于2)或更少的(即，单个)突起。第一板66被轴向地固定，以在与转向柱56一起旋转的同时防止轴向平移。在所示的实施例中，第一板66是被轴向固定的板。转向柱56可以被固定到第一板66或第二板68其中之一，以有助于其同步运动。

第一板66和第二板68中的每一个可以限定一对轨道，该对轨道的尺寸被设计为接纳轨道球。例如，第一球74的尺寸可以被设计为能设置在第一板66和第二板68中的每一个板的内轨道75内，并且第二球76的尺寸可以被设计为能设置在第一板66和第二板68中的每一个板的外轨道77内。第一球74、第二球76和多对导轨可以与弹簧元件70一起被布置成使转向柱56的旋转偏置，以从另一位置返回至中心位置，如本文中将进一步描述的。

图3B示出了用于转向系统的柱组件的一部分的另一示例，该柱组件在本文中一般被称为柱组件100。柱组件100可以辅助提供转矩，以使与柱组件100操作性连接的方向盘返回至中心位置。中心位置可以对应于这样的一个位置：在该位置，操作性连接到柱组件100的一组车轮被定向为与交通工具中心轴线平行。

柱组件100可以包括第一板104，第一板104与第二板106和第三板108叠置。这些板可以彼此被布置成使得其操作可以产生转矩，以影响方向盘从偏离中心的位置运动到中心位置。例如，这些板均可以包括轨道以接纳一个或多个轨道球。第一板104可以包括第一外轨道110，其尺寸被设计为能接纳第一轨道球112。第一板104还可以包括第一内轨道114，其尺寸被设计为能接纳第二轨道球116。

第一板104、第二板106和第三板108可围绕由壳体121限定的柱轴线120被定向，以使第二板106的第二外轨道122与第一外轨道110对准，并且使第二板106的第二内轨道124与内轨道114对准。还可想到的是，转向柱56可以限定柱轴线120。

第二板106可以在第二板106的与第二外轨道122和第二内轨道124相反的一侧上限定一个或多个附加的球轨道。在所示的实施例中，设置有两个附加的轨道。这些附加的轨道提供柱组件100的附加的旋转行程。例如，第三内轨道123可以由第二板106限定，并且其尺寸被设计为能接纳第三轨道球125。第三外轨道190可以由第二板106限定，并且其尺寸被设计为能接纳第四轨道球192。第三板108限定第四内轨道129，该第四内轨道被定向为与第三内轨道123对准，以在其间接纳第三轨道球125。第三板108还限定第四外轨道196，该第四外轨道被定向为与第三外轨道190对准，以在其间接纳第四轨道球192。

弹簧元件170可以与第一板104、第二板106和第三板108一起被布置成偏置板运动，该板运动转而可以偏置转向柱56的旋转。在这个示例中，示出了弹簧元件170的布置，然而可想到的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它类型的弹簧(例如，卷簧)。

弹簧元件170可以与第一板104、第二板106和第三板108一起被布置成偏置板运动，该板运动转而可以偏置转向柱56的旋转。在所示的实施例中，第三板108被安装为基于弹簧元件170的偏置，而沿着柱轴线60进行轴向平移并且被抗旋转地固定。在所示的实施例中，第三板108与弹簧元件170接触，并且被定位成用于轴向平移。第三板108借助一对突起169被抗旋转地固定，该对突起延伸到由致动器组件54的壳体限定的相应键槽171内。在一些实施例中，该对突起169彼此间隔约180度，但是替代的间隔是可想到的。附加地，在替代实施例中，可以使用更多的(即，大于2)或更少的(即，单个)突起。第一板104被轴向地固定，以在允许围绕柱轴线120旋转的同时防止轴向平移。第二板106自由进行轴向平移并且自由进行旋转。换言之，第二板106在第一板104与第三板108之间“浮动”。

第一板104的轨道、第二板106的轨道和第三板108彼此被布置成影响方向盘朝向中心位置的旋转运动。

图4示出了第一板66和第二板68中每一个板的内轨道75和外轨道77的配置的示例。图4的说明针对的是图3A中所示实施例的内轨道75和外轨道77，但是应当理解，图示和相关的说明也描述了图3B的内轨道(114、124、123、129)和图3B的外轨道(110、122、190、196)。

内轨道75和外轨道77中的每一个可以围绕中心轴线60延伸。内轨道75和外轨道77中的每一个可以由第一板66和第二板68中的每一个限定，并且被定向为彼此面对。内轨道75和外轨道77中的每一个可以被构造为沿着相应轨道限定高度变化。例如，每个内轨道75可以限定一对第一高度区域(高度区域)86和一第二高度区域88，从而限定一对斜坡，其高度均从第一高度区域86(例如，斜坡的基部)其中之一向第二高度区域88(例如，斜坡的峰部)增加。该对第一高度区域86中的每一个可以相对于柱轴线60限定一长度，该长度不同于由第二高度区域88相对于柱轴线60限定的长度。

每个外轨道77可以限定一对第三高度区域90和一第四高度区域92，从而限定一对斜坡，其高度均从第三高度区域90(例如，斜坡的基部)其中之一向第四高度区域92(例如，斜坡的峰部)增加。该对第三高度区域90中的每一个可以相对于柱轴线60限定一长度，该长度不同于第四高度区域92的相对于柱轴线60的长度。

在一些实施例中，轨道75、77的其中一者或两者可以具有线性的高度变化(即，斜坡轮廓)，使得其倾斜变化在最低的高度位置与最高的高度位置之间是基本恒定的。然而，在其它实施例中，轨道75、77的其中一者或两者具有非线性的高度变化，这使得其倾斜变化在最低的高度位置与最高的高度位置之间基本是不恒定的。还应理解的是，轨道75、77的其中一者或两者可以具有包括线性部分和非线性部分的组合的高度变化。特定的斜坡轮廓将以特定使用应用的期望特征为基础。例如，图5示出了对于线性高度变化在手轮旋转行程范围上的转矩图。这种配置在整个行程范围上提供单个线性弹性系数(spring rate，弹簧刚度)。替代地，非线性高度变化的一个示例在图6中被示出。该变化的高度变化提供不同的可调弹性系数区域。

内轨道75和外轨道77可以被彼此布置成限定在相应轨道内的轨道球行程的双向关系。例如，内轨道75可以被构造为使得各内轨道75的高度变化产生对第一球74的力，如力箭头93所表示的。外轨道77可以被构造为使得各外轨道77的高度变化产生对第二球76的力，如力箭头95所表示的。

现在参考图7，本文中所公开的任何实施例都可以设置有端部止动件200，其限制转向柱的旋转行程。端部止动件200是从致动器组件壳体202径向向内突出的任何特征，用以阻挡在轴向上自由平移的板的轴向行程。在图3A的实施例中，第二板68是被定位成接触端部止动件200的板。在图3B的实施例中，第三板108是被定位成接触端部止动件200的板。附加地，如在所示实施例中所显示的，端盖204可被固定到壳体202，其中端盖204包括用作端部止动件200的部分。该端部止动件200可以作为单个壁完整地周向延伸，或者可以是一个或多个径向向内延伸的突起。图7A示出了端部止动件200的一实施例，该端部止动件从壳体202自身突出，从而避免了对端盖的需要。

端部止动件200与适用的板68或108(当该板位于中心位置时)轴向间隔，以便提供与方向盘在任一方向上的旋转行程程度相对应的受控间隙。该间隙可以被限定为提供对于旋转行程程度的期望限制。

本文中公开的多个实施例提供了一种机械转矩，其在发生电气故障的情况下使转向柱(和方向盘)返回到中心位置。附加地，在致动器组件的正常操作期间，机械辅助有助于实施低功率电机，由此为该系统节约了成本。

虽然仅结合有限数量的实施例已经详细描述了本发明，但应容易理解的是，本发明并非限制为这些公开的实施例。而是，本发明可以被修改为结合此前并未描述但与本发明的精神和范围相当的任意数量的变型、改变、替换或等同设置。另外，虽然已经描述了本发明的不同实施例，但应该理解的是，本发明的多个方面可以仅包括所描述的多个实施例中的一些。因此，本发明不应被视为被前述描述所限制。

Claims (19)

1.一种转向系统，包括:

转向柱，用以定向在至少中心位置和第二位置，并且限定中心轴线；

致动器组件，与所述转向柱操作性连通，以提供转向辅助，所述致动器组件包括一对板，每个板均限定供所述转向柱延伸通过的孔，并且每个板包括外轨道和内轨道，所述内轨道相对于所述中心轴线被设置在所述外轨道的径向内侧；

第一球，被设置在所述外轨道内；

第二球，被设置在所述内轨道内，该对板被布置成使得该对板中的每一个板的所述外轨道和所述内轨道彼此面对；以及

弹簧元件，与所述致动器组件一起布置成使得所述第二板沿着所述中心轴线在轴向方向上的运动偏置，

其中每个所述外轨道和每个所述内轨道限定一斜坡区域，每个所述斜坡区域与所述弹簧元件一起被布置成影响所述转向柱的旋转以返回至所述中心位置。

2.根据权利要求1所述的转向系统，其中所述内轨道和所述外轨道彼此被布置成限定所述轨道内的球行程的双向关系。

3.根据权利要求1所述的转向系统，其中所述斜坡区域彼此被布置成有助于基于仅所述弹簧元件的偏压的旋转影响。

4.根据权利要求1所述的转向系统，其中所述弹簧元件与所述第二板一起被布置成影响每个所述球移向相应斜坡区域的最低点。

5.根据权利要求1所述的转向系统，其中所述内轨道和所述外轨道中的至少一个的所述斜坡区域具有恒定的高度变化。

6.根据权利要求1所述的转向系统，其中所述内轨道和所述外轨道的至少一个的所述斜坡区域包括非恒定的高度变化。

7.根据权利要求1所述的转向系统，还包括所述致动器组件的壳体，所述壳体具有行程止动件特征部，其径向向内突出，所述行程止动件特征部与所述第二板轴向间隔开，以限定用于所述转向柱的旋转行程限制。

8.根据权利要求1所述的转向系统，还包括所述致动器组件的壳体以及操作性地联接到所述壳体的端盖，其中所述端盖的一部分限定行程止动件特征部，所述行程止动件特征部与所述第二板轴向间隔开，以限定用于所述转向柱的旋转行程限制。

9.根据权利要求1所述的转向系统，其中所述第一板被固定到所述转向柱，与所述转向柱一起自由旋转，并且沿着所述转向柱的所述中心轴线被轴向固定，其中所述第二板能沿着所述中心轴线自由进行轴向平移，并且借助被设置在所述致动器组件的壳体的键槽内的突起而被抗旋转地固定。

10.一种转向系统，包括:

转向柱，用以定向在至少中心位置和第二位置，并且限定中心轴线；

致动器组件，与所述转向柱操作性连通，以提供转向辅助，所述致动器组件包括由第一端板、第二端板和至少一个中间板限定的至少三个板，每个板限定供转向柱延伸通过的孔，其中每组相邻的板包括彼此面对的相应外轨道以及相对于所述中心轴线设置在所述外轨道的径向内侧的、彼此面对的相应内轨道；

外球，被设置在每组相邻的板的各相应外轨道中；

内球，被设置在每组相邻的板的各相应内轨道中；以及

弹簧元件，与所述致动器组件一起被布置成使得所述第二端板沿着所述中心轴线在轴向方向上的运动偏置，

其中每个所述外轨道和每个所述内轨道限定一斜坡区域，各所述斜坡区域与所述弹簧元件一起被布置成影响所述转向柱的旋转以返回至所述中心位置。

11.根据权利要求10所述的转向系统，其中所述弹簧元件与所述第二端板一起设置为，影响各所述球移向相应斜坡区域的最低点。

12.根据权利要求10所述的转向系统，其中所述内轨道和所述外轨道的至少其中之一的所述斜坡区域具有恒定的高度变化。

13.根据权利要求10所述的转向系统，其中所述内轨道和所述外轨道的至少其中之一的所述斜坡区域包括非恒定的高度变化。

14.根据权利要求10所述的转向系统，还包括所述致动器组件的壳体，所述壳体具有行程止动件特征部，所述行程止动件特征部径向向内突出，所述行程止动件特征部与所述第二端板轴向间隔，以限定用于所述转向柱的旋转行程限制。

15.根据权利要求10所述的转向系统，还包括所述致动器组件的壳体和操作性地联接到所述壳体的端盖，其中所述端盖的一部分限定行程止动件特征部，所述行程止动件特征部与所述第二端板轴向间隔，以限定用于所述转向柱的旋转行程限制。

16.根据权利要求10所述的转向系统，其中所述第一端板被固定到所述转向柱，与所述转向柱一起自由旋转，并且沿着所述转向柱的所述中心轴线被轴向固定，其中所述第二端板能自由地沿着所述中心轴线轴向平移，并且借助被设置在所述致动器组件的壳体的键槽内的突起而被抗旋转地固定。

17.一种转向系统，包括:

转向柱，用以在至少中心位置与多个第二位置的范围之间旋转，并限定中心轴线；

致动器组件，与所述转向柱操作性连通，以提供转向辅助，所述致动器组件包括一对板，每个板包括第一螺旋轨道和第二螺旋轨道；以及

弹簧元件，与所述致动器组件一起被布置成使得该对板中的一个板沿着所述中心轴线的运动偏置，以影响所述转向柱移向所述中心位置。

18.根据权利要求17所述的转向系统，其中所述第一螺旋轨道和所述第二螺旋轨道均限定一斜坡区域，所述弹簧元件与两个所述斜坡区域一起被布置成使得被设置在所述第一螺旋轨道内的第一轨道球和被设置在所述第二螺旋轨道内的第二轨道球影响所述转向柱的旋转以移向所述中心位置。

19.根据权利要求18所述的转向系统，其中所述第一螺旋轨道和所述第二螺旋轨道彼此被布置成使得每个所述斜坡区域将所述第一轨道球和所述第二轨道球相对于彼此以双向定向的方式定向。

Images