CN112026907A - 手轮致动器组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于线控转向转向系统的手轮致动器组件，该手轮致动器组件包括：手轮轴，该手轮轴被配置成接纳手轮；反馈设备，该反馈设备能够操作以对手轮轴的旋转提供可变水平的阻力；以及手轮轴位置传感器，该手轮轴位置传感器能够操作以感测手轮轴的角位置；其中，该手轮轴位置传感器安装在电路板上，电路包括被配置成从手轮轴位置传感器接收信号的控制器。

Description

手轮致动器组件
技术领域
本发明涉及一种用于线控转向电动动力辅助转向系统的手轮致动器组件，尤其但不一定排他性地用于道路车辆的手轮致动器组件。本发明还涉及一种包括手轮致动器组件的线控转向转向系统。
背景技术
车辆中的常规转向系统在由驾驶员操作的手轮与引起车辆的可转向车轮的运动的转向齿条或连杆之间提供机械连接。这种固定连接由转向柱组件提供。在现代车辆中，还向转向柱组件的一部分或直接向转向齿条提供辅助力，以便使转向动作不那么困难。辅助力由液压辅助系统提供或更常见地由电动辅助系统使用电动马达提供。
然而，随着电气系统变得更加可靠，移除手轮与可转向车轮之间的机械连接并用电气连接替代机械连接可能是有益的。电气转向连接通常称为线控转向。这些系统可以节省在现代车辆中非常宝贵的空间，并且可以提供附加益处，诸如为车辆乘员提供增强的碰撞保护。另外，线控转向系统在可以实现自主的车辆中可能特别令人感兴趣。在这种车辆中，必须能够使用致动器(诸如电动马达)提供完全的转向控制，而不是仅向驾驶员输入提供辅助。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于线控转向转向系统的手轮致动器组件，所述手轮致动器组件包括：手轮轴，所述手轮轴被配置成接纳手轮；反馈设备，所述反馈设备能够操作以对所述手轮轴的旋转提供可变水平的阻力；以及手轮轴位置传感器，所述手轮轴位置传感器能够操作以感测所述手轮轴的角位置；其中，所述手轮轴位置传感器安装在电路板上，所述电路板包括控制器，所述控制器被配置成从所述手轮轴位置传感器接收信号。
由于手轮轴位置传感器安装在电路板上，因此位置传感器与电路板(包括控制器)之间不需要布线、配线或附加连接器。这可以提高手轮轴位置传感器的可靠性并降低制造和组装成本。在需要高完整性信号的情况下，每个传感器通常需要两个布线线束，这必然会增加布线所需的空间。将手轮轴位置传感器直接安装在电路上消除了这种必要。电路板可以是印刷电路板，手轮轴位置传感器经由至少一个导电轨连接至控制器。
将手轮轴位置传感器安装在电路板上还可以使组件更紧凑，从而防止空间(特别是在手轮轴的轴向方向上)的任何浪费。由于该组件所使用的空间较小，因此可以增加转向组件的调整长度。
所述反馈设备可以响应从所述控制器接收的控制信号。
所述反馈设备可以包括具有马达轴的电动马达，所述马达轴机械地联接至所述手轮轴，所述电动马达被配置成对所述手轮轴的旋转提供所述可变水平的阻力。
使用电动马达作为反馈设备是期望的，因为它不仅允许在用于生成电气制动时将阻力施加到手轮轴上，而且还可以用于施加力反馈。力反馈在转向系统中可以是特别期望的，因为它可以实现驾驶员从可转向车轮接收更好的、与常规机械转向组件中提供的相似的转向‘感觉’。
所述组件可以进一步包括马达轴位置传感器，所述马达轴位置传感器能够操作以感测所述马达轴的角位置，所述马达轴位置传感器安装在所述电路板上，所述电路板被配置成从所述马达轴位置传感器接收信号。在电路板是印刷电路板的情况下，马达轴位置传感器可以经由至少一个导电轨连接至控制器。
可能期望包括马达轴位置传感器，以便提供用于跟踪组件运动的附加信号。通过将马达轴位置传感器安装在电路板上，可以再次消除任何中间连接或布线，从而提供了更小、更紧凑且更可靠的组装。
所述马达轴位置传感器可以感测与所述马达轴相关联的马达轴传感器目标的旋转。
所述马达轴传感器目标可以安装在所述马达轴的远端处或与之相邻。
通过将传感器目标安装在马达轴的端部处或附近，可以使传感器与传感器目标之间的距离最小。
所述手轮轴位置传感器可以感测与所述手轮轴相关联的手轮轴传感器目标的旋转。
所述手轮轴传感器目标可以固定至所述手轮轴。
所述组件可以进一步包括固定至所述马达轴的马达轴齿轮和固定至所述手轮轴的手轮轴齿轮，所述马达轴齿轮和手轮轴齿轮旋转地联接。
马达轴齿轮和手轮轴齿轮的旋转联接确保这些齿轮及其相关联的轴一起旋转，并且因此可以直接在它们之间传递运动和反馈。其还可以允许位置传感器一起工作以提供增强的准确性。
所述马达轴齿轮可以直接与所述手轮轴齿轮啮合。
所述组件可以进一步包括与所述马达轴齿轮啮合的附加马达齿轮，所述手轮轴传感器目标固定至所述附加马达齿轮。
由于可以通过感测马达齿轮和附加马达齿轮的位置来知道每个齿轮的初始位置(虽然具有非统一传动比，使得每个齿轮以不同的速度旋转)，因此可以使用游标(Vernier)算法来确定马达轴的绝对位置。由于手轮轴的初始位置也将是已知的，因此可以参考马达轴的绝对位置来确定手轮轴的绝对位置。因此，手轮轴传感器目标并非必须与手轮轴处于直接连通。
当齿轮尺寸相似时，游标算法最有效，并且因此，具有类似尺寸的附加马达齿轮比对直接附接至马达轴和手轮轴上的传感器使用游标算法更有利，因为马达齿轮与手轮齿轮之间的传动比可能更大。
所述组件可以进一步包括与所述手轮轴齿轮啮合的附加手轮齿轮，所述手轮轴传感器目标固定至所述附加手轮齿轮。
这允许电路板被定位成进一步远离手轮轴。这可以允许甚至更紧凑的组装并且可以允许部件在电路板上更紧密地间隔。
所述组件可以进一步包括将所述马达轴旋转地联接至所述手轮轴的皮带传动联接器。
所述皮带传动可以包括与相应的带齿传动轮接合的带齿传动皮带。
使用带齿传动皮带可以防止皮带传动联接器滑移，并在马达轴与手轮轴之间提供更有效的旋转或减速传动。
所述皮带传动联接器可以包括惰轮。
惰轮可以为安装传感器目标提供单独的位置，并且也可以用于收紧皮带传动联接器内的松弛。惰轮和/或安装有惰轮的轴可以被偏置以便自动移除系统内的松弛。
所述马达轴传感器目标或所述手轮轴传感器目标可以固定至惰轮。
所述反馈设备可以包括电控制动器或阻尼器。
所述电控制动器或阻尼器可以作用于所述手轮轴。
使用制动器或阻尼器可以提供不太复杂的组装并且仍然可以对手轮轴的运动提供阻力。
所述电路板可以包括开孔或孔口，所述手轮轴和/或所述马达轴穿过所述开孔或孔口。
所述马达轴可以与所述手轮轴平行。
所述电路板可以垂直于所述马达轴和手轮轴延伸。
可以选择马达轴位置传感器、手轮轴位置传感器以及马达轴与手轮轴之间的传动比以允许将游标原理应用于测量所述手轮轴的多于一次旋转。
不仅准确地检测手轮轴在旋转中的位置，而且还准确地检测到手轮轴经过了多少次旋转，这允许位置的完全确定，例如从方向盘的锁定位置到锁定位置。当确定要施加的反馈水平以及确定车辆启动时方向盘的位置时，这对系统可以是有用的。
所述手轮轴可以包括转矩传感器，所述转矩传感器能够操作以感测驾驶员施加到所述手轮轴的转矩。
在确定要传输到转向致动器组件的信号时使用转矩传感器可以是有用的。
所述转矩传感器的定子可以安装在所述电路板上，所述控制器被配置成从所述转矩传感器接收信号。
通过将转矩传感器的定子安装在电路板上，可以限制组件的整体尺寸。
根据第二方面，提供了一种用于车辆的线控转向转向系统，所述转向系统包括：根据第一方面的手轮致动器；以及转向致动器组件，所述转向致动器组件包括：用于连接至所述车辆的可转向车轮的转向连杆；以及转向马达，所述转向马达被配置成响应于从所述手轮致动器组件接收的信号而作用于所述转向连杆，以使所述可转向车轮转向。
所述手轮致动器组件的反馈设备可以响应于从所述转向致动器组件接收的信号来改变提供至所述手轮轴的阻力水平。
附图说明
现在将参考附图描述实施例，在附图中：
图1是根据第一方面的手轮致动器组件的透视图；
图2是图1的手轮致动器组件的透视图，其中省略了电路板；
图3是图1中所示的电路板的反向透视图，其示出了位置传感器；
图4是图1的手轮致动器组件的侧视图，其中省略了壳体；
图5是根据第二方面的线控转向转向系统的图解视图；
图6示出了包括附加齿轮的手轮致动器组件的实施例的侧视图和截面视图；
图7示出了包括附加齿轮的手轮致动器组件的另一个实施例的侧视图和截面视图；
图8示出了包括皮带传动联接器的手轮致动器组件的实施例的侧视图和截面视图；并且
图9示出了包括电控制动器和转矩传感器的手轮致动器组件的实施例的侧视图和截面视图。
具体实施方式
首先参考图1至图4，示出了手轮致动器组件100的第一实施例。手轮致动器组件100包括手轮轴102，在该手轮轴上可以安装手轮(未示出)。手轮轴102机械地连接至呈电动马达104形式的反馈设备，该电动马达具有马达轴106。固定至马达轴106的马达齿轮108与固定至手轮轴102的手轮齿轮110啮合，从而在这两者之间提供机械连接。马达轴106和手轮轴102彼此平行地定位，并且径向间隔足以容纳它们的齿轮连接。
在使用时，电动马达104提供可变的阻力，并且优选地还提供来自电连接至手轮致动器组件100的转向致动器组件的反馈。该阻力经由马达齿轮108和手轮齿轮110递送至手轮轴102，从而为附接有手轮致动器组件100的车辆的驾驶员提供增强的转向‘感觉’。参考图5提供了转向致动器组件的进一步讨论。
为了提供所需的反馈并将驾驶员的输入从手轮轴102传递到转向致动器组件，必须能够感测手轮轴102的角位置，并且因此感测手轮的角位置，并且优选地还感测电动马达104的角位置。因此，包括一系列位置传感器，这些位置传感器安装到电路板112，在本实施例中，该电路板在垂直于马达轴106和手轮轴102的方向上延伸。
马达轴位置传感器114安装在电路板112上，并且被配置成检测固定至马达轴106的端部的马达轴传感器目标116的运动。由马达轴位置传感器114检测到的信号被馈送到电路板112的控制器118，这些信号用于确定马达轴106的旋转位置。所描绘的实施例的控制器118是印刷电路板，其包括互连安装在电路板上的部件的导电轨。
一系列的三个手轮轴位置传感器120也安装在电路板112上，并且被配置成检测固定至手轮轴102的手轮轴传感器目标122的运动。由手轮轴位置传感器120检测到的信号被馈送到控制器118，这些信号用于确定手轮轴102的旋转位置。
在整个申请中描述的传感器和传感器目标可以是适合于检测这些轴的旋转的任何传感器和目标。例如，传感器可以是霍尔传感器，并且传感器目标可以包括一个或多个磁体。鉴于本披露，其他合适的传感器和传感器目标对于技术人员将是已知的。
控制器118可以使用马达轴106和手轮轴102的旋转位置来辅助产生系统的控制信号。最重要的是，需要准确的手轮轴角度以便向转向致动器组件提供必要的信号，该转向致动器组件可以将手轮轴102的角运动转换为车辆的可转向车轮的角运动。作为附加示例，知道马达轴106和手轮轴102的位置可以帮助确保由马达104提供的反馈如控制器118所要求的那样。
由于手轮轴102机械地连接至马达轴106，因此来自手轮轴102和马达轴106的旋转位置信号可以被组合以便提供更准确的位置信号。例如，通过确保在从手轮轴102到马达轴106的传动中存在合适的传动比，并提供位置传感器114、120的特定对准，可以使用游标原理来更准确地指示手轮轴位置。这种原理在本领域中是众所周知的，并且技术人员将能够容易地在本装置上实施这种传感器布置。
在所描绘的手轮致动器组件100中，电路板112被定位成与马达轴106的远端124相邻，其中，手轮轴102穿过电路板112中的孔口126。马达轴传感器目标116和手轮轴传感器目标122被定位成与电路板112相邻、在电路板112与马达齿轮108以及手轮齿轮110之间，以便马达轴位置传感器114和手轮轴位置传感器120在它们相应的传感器目标116、122旁边。如图1所示，手轮轴102由支承组件128支撑，该支承组件设置在手轮轴102的远端130处并且安装至壳体132，该壳体包围齿轮108、110和位置传感器116、122。
尽管在本实施例中示出了此特定布置，但是其他布置也是可能的。例如，可以将电路板安装成与手轮轴的远端相邻并且包括孔口，马达轴穿过该孔口，其中，手轮轴传感器目标固定至手轮轴的远端并且马达轴传感器目标被定位在马达齿轮与电动马达之间。电路板并非必须包含任何孔口，并且位置传感器可以被布置成使得孔口不是必需的。
在图5中，示出了用于车辆的线控转向转向系统1000。系统1000包括手轮致动器组件100，其经由缆线134电连接至转向致动器组件136。手轮致动器组件100与图1至图4所示的相同，并且因此省略了进一步的描述。转向致动器组件136控制车辆的两个可转向车轮138的旋转运动。可转向车轮138经由两个短轴140连接至车辆。车辆的其余部分未示出。
转向致动器组件136包括在此称为转向马达142的电动马达，该电动马达与连接至可转向车轮138的转向连杆144接合。在所描绘的实施例中，转向马达142使用齿条齿轮传动系统146来接合，蜗轮减速机构(未示出)插入在马达与小齿轮之间。然而，也可以使用其他接合方法代替齿条齿轮传动系统146。
转矩传感器148被定位在手轮轴102上，并且提供指示由马达104施加到手轮轴102的转矩的转矩读数。因此，转矩传感器148帮助确保提供给驾驶员的转矩反馈是正确的。
电路板112将基于手轮轴102的所测得角度的信号传输至转向马达142，该转向马达将这些信号转换为转向连杆144和可转向车轮138的运动。
转向致动器组件136对从控制器118接收的信号做出反应，还将信号提供回控制器118，这些信号指示例如由于外部影响(诸如道路表面和路拱)而施加到可转向车轮138和转向连杆144的力。从转向致动器组件136提供给控制器118的这些信号被控制器118用来控制反馈设备(这里是电动马达104)，以便通过方向盘150向驾驶员提供反馈。如以上所提及的，转矩传感器148然后可以用于调节、检查或控制驾驶员所经历的反馈转矩。用于将反馈信号传输和转换到反馈设备的用途和方法在本领域中是众所周知的，并且在本申请中将不再进行讨论。
图6示出了手轮致动器组件200的第二实施例。手轮致动器组件200类似于第一实施例，并且因此省略了对相似或相同部分的广泛描述。手轮致动器组件200包括具有手轮齿轮210的手轮轴202，该手轮齿轮与马达轴206上的马达齿轮208啮合。
还提供了附加齿轮252，附加齿轮252与手轮齿轮210啮合。附加齿轮252安装在由壳体(未示出)支撑的附加轴254上。手轮轴传感器目标222固定至附加齿轮252，更具体地固定在附加轴254的端部上。由于手轮轴传感器目标222现在远离手轮轴202，因此可以将电路板212做得更小，这是因为该电路板不需要直接位于手轮轴202的附近。位置传感器214、220保持在电路板上，但是可以比当将手轮轴传感器目标222固定至手轮轴202时的位置更靠近。这允许更紧凑的手轮致动器组件200。
游标算法可以与马达轴位置传感器214和手轮轴位置传感器222的输出一起使用，以便确定马达轴206的绝对角度。由于将知道马达轴206和手轮轴202的比率和相对起始位置，因此此算法还将使得能够确定手轮轴202的绝对位置。
图7示出了手轮致动器组件300的第三实施例。手轮致动器组件300类似于第一实施例，并且因此省略了对相似或相同部分的广泛描述。手轮致动器组件300包括具有手轮齿轮310的手轮轴302，该手轮齿轮与马达轴306上的马达齿轮308啮合。
第三实施例还包括以与图6相同的方式安装在附加轴356上的附加齿轮354。然而，在该实施例中，附加齿轮354与马达齿轮356啮合。手轮轴传感器目标322固定至附加齿轮356而不是手轮轴302，其位置由手轮轴位置传感器320感测。马达轴传感器目标316保持在马达轴306上，如先前实施例中那样。因此，虽然手轮轴传感器目标322未直接连接至手轮轴302，但游标算法可以与马达轴位置传感器314和手轮轴位置传感器322的输出一起使用，以便确定马达轴306的绝对角度。由于将知道马达轴306和手轮轴302的比率和相对起始位置，因此此算法还将使得能够确定手轮轴302的绝对位置。
当然，可以设置多个附加齿轮。例如，一个附加齿轮可以与马达齿轮啮合并承载马达轴传感器目标，并且第二附加齿轮可以与手轮齿轮独立啮合并承载手轮轴传感器目标。在一些情况下，还可能期望包括一个或多个中间齿轮，这些中间齿轮在马达齿轮与手轮齿轮之间形成齿轮传动链。
在图8中，示出了手轮致动器组件400的第四实施例。在第四实施例中，手轮齿轮410和马达齿轮408通过包括带齿皮带462和惰轮464的皮带传动联接器460互连。惰轮464包括传感器目标466，手轮轴位置传感器420可以使用该传感器目标来间接测量手轮轴402的位置。使用带齿皮带462确保皮带462随时间的拉伸效果将不会导致位置传感器414、420的准确性显著降低。与第二实施例一样，这可以实现电路板412和整个手轮致动器组件400的紧凑布置。
图9示出了手轮致动器组件500的第五实施例。第五实施例与前述实施例的不同之处在于，手轮轴502固定至电控制动器568或阻尼器作用于的手轮齿轮510。因此，制动器568是手轮致动器组件500的反馈设备，并且代替了先前实施例的电动马达。当然，本实施例的制动器568不能以反馈的形式向手轮轴502施加运动，而是限于对手轮轴502的运动提供阻力。在该实施例中，出于控制目的，提供位置传感器570以感测制动器568的位置。
手轮致动器组件500还包括转矩传感器548。转矩传感器548用于检测手轮轴502中的转矩，并且转矩传感器548的定子部分572安装在电路板512上，从而确保保持手轮致动器组件500的紧凑性。转矩传感器548与安装在电路板512上的控制器通信，并且因此可以影响由控制器提供的信号。转矩传感器548可以采用任何合适的转矩传感器的形式，并且可以例如是磁弹性转矩传感器。
在整个申请中，反馈设备已被描述为电动马达、制动器或阻尼器。显而易见的是，反馈设备可以是可以向手轮轴提供可变水平的阻力和/或运动的任何设备，以便可以向驾驶员提供反馈。鉴于本披露，这种设备对于技术人员将是显而易见的。

Claims (24)

1.一种用于线控转向转向系统的手轮致动器组件，所述手轮致动器组件包括：
手轮轴，所述手轮轴被配置成接纳手轮；
反馈设备，所述反馈设备能够操作以对所述手轮轴的旋转提供可变水平的阻力；以及
手轮轴位置传感器，所述手轮轴位置传感器能够操作以感测所述手轮轴的角位置；
其中，所述手轮轴位置传感器安装在电路板上，所述电路包括控制器，所述控制器被配置成从所述手轮轴位置传感器接收信号。
2.根据权利要求1所述的手轮致动器组件，其中，所述反馈设备响应从所述控制器接收的控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的手轮致动器组件，其中，所述反馈设备包括具有马达轴的电动马达，所述马达轴机械地联接至所述手轮轴，所述电动马达被配置成对所述手轮轴的旋转提供所述可变水平的阻力。
4.根据权利要求3所述的手轮致动器组件，进一步包括马达轴位置传感器，所述马达轴位置传感器能够操作以感测所述马达轴的角位置，所述马达轴位置传感器安装在所述电路板上，所述电路板被配置成从所述马达轴位置传感器接收信号。
5.根据权利要求4所述的手轮致动器组件，其中，所述马达轴位置传感器感测与所述马达轴相关联的马达轴传感器目标的旋转。
6.根据权利要求5所述的手轮致动器组件，其中，所述马达轴传感器目标固定至所述马达轴。
7.根据权利要求6所述的手轮致动器组件，其中，所述马达轴传感器目标安装在所述马达轴的远端处或与之相邻。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的手轮致动器组件，其中，所述手轮轴位置传感器感测与所述手轮轴相关联的手轮轴传感器目标的旋转。
9.根据权利要求8所述的手轮致动器组件，其中，所述手轮轴传感器目标固定至所述手轮轴。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的手轮致动器组件，进一步包括固定至所述马达轴的马达轴齿轮和固定至所述手轮轴的手轮轴齿轮，所述马达轴齿轮和手轮轴齿轮旋转地联接，可选地其中，所述马达轴齿轮直接与所述手轮轴齿轮啮合。
11.根据权利要求10所述的手轮致动器组件，进一步包括与所述马达轴齿轮啮合的附加马达齿轮，所述手轮轴传感器目标固定至所述附加马达齿轮。
12.根据权利要求10或11所述的手轮致动器组件，进一步包括与所述手轮轴齿轮啮合的附加手轮齿轮，所述手轮轴传感器目标固定至所述附加手轮齿轮。
13.根据权利要求3至9中任一项所述的手轮致动器组件，进一步包括将所述马达轴旋转地联接至所述手轮轴的皮带传动联接器。
14.根据权利要求13所述的手轮致动器组件，其中，所述皮带传动联接器包括与相应的带齿传动轮接合的带齿传动皮带。
15.根据权利要求13或14所述的手轮致动器组件，其中，所述皮带传动联接器包括惰轮，可选地其中，所述手轮轴传感器目标固定至所述惰轮。
16.根据权利要求3至15中任一项所述的手轮致动器组件，其中，所述马达轴与所述手轮轴平行，可选地其中，所述电路板垂直于所述马达轴和手轮轴延伸。
17.根据权利要求3至16中任一项所述的手轮致动器组件，其中，选择所述马达轴位置传感器、所述手轮轴位置传感器以及所述马达轴与所述手轮轴之间的传动比以允许将游标原理应用于测量所述手轮轴的多于一次旋转。
18.根据权利要求3至17中任一项所述的手轮致动器组件，其中，所述马达轴位置传感器和所述手轮轴位置传感器是一种类型的传感器，由此，能够组合来自所述马达轴位置传感器和手轮轴位置传感器的数据，以产生所述手轮轴的绝对位置。
19.根据权利要求1所述的手轮致动器组件，其中，所述反馈设备包括电控制动器或阻尼器，可选地其中，所述电控制动器或阻尼器作用于所述手轮轴。
20.根据任一前述权利要求所述的手轮致动器组件，其中，所述电路板包括开孔或孔口，所述手轮轴和/或所述马达轴穿过所述开孔或孔口。
21.根据任一前述权利要求所述的手轮致动器组件，其中，所述手轮轴包括转矩传感器，所述转矩传感器能够操作以感测驾驶员施加到所述手轮轴的转矩。
22.根据权利要求21所述的手轮致动器组件，其中，所述转矩传感器的定子安装在所述电路板上，所述控制器被配置成从所述转矩传感器接收信号。
23.一种用于车辆的线控转向转向系统，所述转向系统包括：
根据任一前述权利要求所述的手轮致动器组件；以及
转向致动器组件，所述转向致动器组件包括：
用于连接至所述车辆的可转向车轮的转向连杆；以及
转向马达，所述转向马达被配置成响应于从所述手轮致动器组件接收的信号而作用于所述转向连杆，以使所述可转向车轮转向。
24.根据权利要求23所述的线控转向转向系统，其中，所述手轮致动器组件的反馈设备响应于从所述转向致动器组件接收的信号来改变提供至所述手轮轴的阻力水平。
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