CN112292306B - 具有主轴驱动器的线控转向装置 - Google Patents

Abstract

一种用于机动车辆的线控转向装置，该线控转向装置具有主轴驱动器(20)，该主轴驱动器具有能够线性移位的螺纹主轴(27)，其中主轴驱动器(20)被设计为滚子螺纹驱动器。本发明的特征在于滚子螺纹驱动器，该滚子螺纹驱动器在其驱动方向和其反向驱动方向上具有不同的效率。

Description

具有主轴驱动器的线控转向装置

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的一种用于线控转向装置的主轴驱动器以及一种线控转向装置。

从DE 10 2005 035 872 A1中已知一种用于使双轨机动车辆的车桥的两个车轮转向的电机致动的调节单元。该调节单元被设计为具有非自锁式的螺纹主轴，通过该螺纹主轴的线性位移可以将调节运动传递到车轮上。借助于呈行星滚动螺纹主轴驱动器形式的辊式螺纹驱动器使螺纹主轴线性地位移。由于主轴驱动器被设计为非自锁式的，因此设置有锁止单元，该锁止单元作用于电动马达的转子并且可以呈电磁致动的制动器的形式固定该转子。

本发明的目的在于，改进电机致动的调节单元。

本发明包括独立专利权利要求所述的特征。有利的设计方案自从属权利要求得出。

本发明涉及一种用于机动车辆的线控转向装置，其优选被设计为后桥转向装置，该线控转向装置配备有特殊的主轴驱动器。线控转向装置在方向盘与转向装置之间不具有机械连接。车轮的转向或车轮转向角的改变藉由调节信号实现，这些调节信号从控制器传输给线控转向装置的一个或多个致动器。因此借助于以机动驱动式运行的主轴驱动器实现机动车辆的车轮的至少一个车轮转向角的改变。这种线控转向装置的主轴驱动器具有可线性移位的螺纹主轴，其中所述主轴驱动器被设计为滚子螺纹驱动器。本发明突出之处在于，所述滚子螺纹驱动器在其驱动方向和其反向驱动方向上具有不同的效率。滚子螺纹驱动器的突出之处在于在驱动方向上摩擦极小，并且与滚珠螺纹驱动器或尤其梯形螺纹驱动器相比需要相对较小的驱动力矩。滚子螺纹驱动器需要相对较小的结构空间。由此可以总体上实现用于主轴驱动器的更小的结构空间，即对于主轴驱动器或线控转向装置所需的结构空间(还被称为封装)变得更小，并且因此能够更容易整合到机动车辆的车桥概念中。更小的驱动力矩还决定了相对更小的马达，该马达由于其更小的结构尺寸同样能够更容易地整合到线控转向装置中。此外，滚子螺纹驱动器仅需要非常少的润滑剂量、具有较高的承载能力、并且在使用寿命长和结构方式紧凑的情况下确保低噪声的运行。

在本发明的主轴驱动器中，主轴螺母位置固定地支承在线控转向装置的致动器的壳体中，该主轴螺母由电动马达旋转驱动。主轴螺母的旋转运动可以由在轴线方面平行布置的马达借助于带传动装置或者然而借助于共轴的或还被称为空心轴马达的马达来实现。

通过电动的旋转驱动器使主轴螺母旋转，并且经由滚子螺纹驱动器与主轴的外螺纹共同作用，使得由此最终产生主轴朝向一个方向或另一个方向的轴向运动。由主轴驱动器产生的螺纹主轴在轴向方向上的位移或移位在此应被理解为驱动方向。

机动车辆中的转向装置必须将车轮相对于其轨迹保持在位。转向装置相对于车辆的纵向轴线来引导车轮的侧向取向。如果车轮(例如在转弯行驶时)向一个方向或另一个方向转向，则由于侧偏角在车轮上产生侧向力。因此，转向装置即使在产生侧向力的情况下也必须能引导车轮。转向装置因此必须能够保持设定的转向角。转向装置尤其必须被设计为能够吸收额外的、超过正常的侧向力而产生的失误载荷(例如驶上道牙等时)。因此，对于引导车轮的底盘构件以及因此还有转向装置的设计而言，预期的最大力、大体上作用于主轴的纵向轴线的力是已知的。引入转向运动并且引导车轮的构件在根据本发明的主轴驱动器中是可轴向移位的螺纹主轴。螺纹主轴根据转向装置的实施方式以一个端部或两个端部间接或直接地与一个车轮支撑件或多个车轮支撑件连接，车桥的相应的车轮以可旋转的方式布置在这些车轮支撑件上。在间接连接中，在螺纹主轴与车轮支撑件之间例如布置有转向器或所谓的转向横拉杆。如果在转弯行驶时侧向力经由车轮作用于转向装置，则力在反向驱动方向上作用于主轴驱动器。

前文提及的滚子螺纹驱动器在驱动方向上具有极小的摩擦的优点，换言之则意味着滚子螺纹驱动器具有高效率。这对于常规的滚子螺纹驱动器(例如行星滚子螺纹驱动器)而言既适用于驱动方向，也适用于反向驱动方向。然而，如果对于主轴驱动器而言在反向驱动方向上期望更低、尤其显著更低的效率，以便在产生侧向力时不使转向装置实现自动复位到例如中性位置(转向角等于零)，从现有技术中已知具有锁止器或锁定器的转向装置或主轴驱动器。这些锁止器或锁定器实现在反向驱动方向上的自锁。

然而，根据本发明的主轴驱动器被设计成在主轴驱动器中在反向驱动方向上不使转向装置实现复位，但在此不使用额外的锁止单元(例如锁定器或锁止器)。根据本发明的优点通过使用主轴驱动器中的滚子螺纹驱动器来实现，该滚子螺纹驱动器在结构上被设计成在反向驱动方向上存在比在驱动方向上更低的效率。在此，驱动方向和反向驱动方向被视为彼此不同的。

原则上，为了观察主轴驱动器中的效率，应考虑该主轴驱动器的几何形状、传动螺纹中的接触面的表面品质、传动螺纹的螺旋角、润滑、相应的载荷(由车轮引起的转向力、侧向力)、主轴螺母的预紧、主轴驱动器的可能的倾斜位置以及滚动轴承和必要时其他参数。

必须由驱动器(例如电动马达)在驱动方向上施加输入转矩。为此需要输入转矩，该输入转矩在用于使主轴轴向位移的驱动方向上将转动运动转换为平移运动。对于驱动方向而言，从输入力矩以及在此需要的电动马达(EMotor)的转矩得出效率(也被称为直接效率)。

在反向驱动方向上，轴向载荷(即力)作用于主轴，该主轴在与主轴螺母共同作用中产生力矩——由于朝向主轴的力，主轴螺母旋转并且实现主轴的位移，并且因此实现车轮转向角的改变。因此得出间接效率，从该间接效率可以计算力矩。在力最大时可以确定在主轴驱动器中用于自锁的力矩必须为多大以便在力最大时不使主轴位移。

在理论条件下，换言之实验室条件下，可以确定主轴驱动器的摩擦系数。从源自实验的测定中进而已知主轴驱动器中的运行条件。考虑到这些条件和理论摩擦系数，可以确定实际预期的真正摩擦系数，该摩擦系数例如可以比理论摩擦系数高1/3。因此总体上看，主轴驱动器的真正摩擦系数降低了例如1/20。根据底盘或使用的构件，可以对应地设计线控转向装置。在此可以实现，在驱动方向和反向驱动方向上存在不同的效率，使得不能实现对车轮转向角的无意调节。优选地，所述主轴驱动器在驱动方向上具有高效率，使得所述主轴驱动器在驱动方向上被设计为非自锁式的。前文已经提及的优点(与效率较低的自锁式主轴驱动器等相比更小的结构空间、更小的驱动功率)允许用于线控转向装置的主轴驱动器的成本有效的设计。

优选地，所述滚子螺纹驱动器在反向驱动方向上的效率低，使得所述滚子螺纹驱动器大体上被设计为自锁式的，优选完全自锁式的。换言之，在反向驱动方向上的效率的大小被确定成使得力大体上轴向地作用于主轴或螺纹主轴时将其保持在位，并且不能使其在反向驱动方向上轴向地位移。换种表述方式，作用于螺纹主轴的轴向力不导致主轴螺母的自动旋转。因此，由于车轮的侧向力(例如在转弯行驶时)而导致的轴向力不实现车轮转向角的改变。这是有利的，因为不需要额外的传动装置、锁定器或锁止器或其他锁止单元就确保了在反向驱动方向上的自锁。因此可以在反向驱动方向上实现对车轮的引导。在自锁时，不能实现螺纹主轴的轴向位移。换种表述方式，在反向驱动方向上的效率被设计成使得在预期的大体上沿纵向轴线作用于主轴的力的情况下，例如由于机动车辆的底盘的设计而已知的车轮在转弯时的最大侧向力的情况下，在整个主轴驱动器中存在自锁。

当在此讨论大体上轴向作用的力时，则是指横向于纵向轴线以0°至约45°的角度撞击或作用于主轴的力。这可以根据车辆车桥的结构是如下情况：例如转向器借助于铰接件被布置在车轮支撑件与主轴之间。

在另一个优选的实施方式中，线控转向装置可以被设计成在反向驱动方向上产生较小的转矩。这个转矩优选几乎与驱动马达的停机力矩相对应。优选地，这个转矩与驱动马达的停机力矩相等。由于上述较小的转矩，作用于螺纹主轴的力实现了主轴螺母的旋转运动。这个最小的转矩在理想情况下的大小仅应大于或等于驱动马达的停机力矩。因此，必须克服还被称为停机状态下的保持力矩的停机力矩，以便通过主轴螺母的旋转使马达旋转运动并且使主轴轴向位移。可以存在无源的停机力矩，该停机力矩在马达未通电时例如由于永磁体而存在，使得不使马达的驱动轴自动地旋转。当马达通电然而并不旋转时，保持力矩或停机力矩还可以有源地存在。换言之，驱动单元(即电动马达)的停机力矩可以补偿由于在反向驱动方向上轴向地作用于螺纹主轴的力而引起的反作用的转矩。停机力矩可以通过对马达进行控制或调节来得到调节，或换言之是可变的。在此，额外地考虑主轴驱动器或滚子螺纹驱动器的传动比。

在一个优选的实施方式中，所述滚子螺纹驱动器被设计为具有滚子复位件的滚子螺纹驱动器。与行星滚子螺纹驱动器不同的是，滚子螺纹驱动器的(同样围绕主轴在轴线方面平行于螺纹主轴的纵向轴线布置的)滑动滚子借助滚子复位件在轴向方向上比主轴螺母更快速地运动。因此，滑动滚子必须藉由在螺母上特别的几何形状从主轴抬起并且返回。由于滚子在径向上和轴向上相对于螺母运动，因此这些滚子无法像在行星滚子螺纹驱动器中那样藉由布置在滚子的轴向端部上的、固定在主轴螺母中的引导环受到引导。替代于此，滚子螺纹驱动器的滑动滚子借助笼类型的滚子复位件径向地保持在位。对于具有滚子复位件的滚子螺纹驱动器而言实现了决定性的最小可能的螺距的优点，该螺距甚至比在行星滚子螺纹驱动器中更小。滚子的螺纹不具有螺距，但是滚子具有槽。因此主轴的螺距可以选择得比行星滚子螺纹驱动器中的螺距更精细。例如在直径为32mm的螺纹主轴中，螺距可以选择为1mm。在此，在反向驱动方向上得出例如25％至30％的理论效率。由于具有滚子复位件的滚子螺纹驱动器的设计方式和诸如润滑和摩擦的影响得出例如仅为4％至7％的实际效率。在示例性的失误载荷(最大可能的侧向力例如50kN)中，可以计算反向驱动力矩，该反向驱动力矩必须由马达作为停机力矩来抵消。在本示例中，这个停机力矩例如大约为0.22Nm至0.25Nm。这么小的转矩可以基于电动马达的停机力矩进行补偿。因此其结果是，电动马达的停机力矩是足够的，以便在反向驱动方向中，不使螺纹主轴由于从车辆车桥的车轮向螺纹主轴产生的最大侧向力而发生轴向位移。线控转向装置的引导车轮的功能得以保持。

优选地，所述主轴驱动器的突出之处在于，为了固定所述主轴驱动器可以额外地设置有锁止单元。所述锁止单元实现主轴螺母与致动器之间和/或主轴与致动器之间和/或主轴与主轴螺母之间的联接。锁止单元优选是电磁致动的，其中在通电时打开锁止单元，使得在运行电压中断时，锁止单元受到弹簧荷载而朝向锁定器或锁止器的方向进行切换。借助额外的锁止单元可以实现机械锁定，从而防止电动马达旋转。例如在车辆停驻时根本不应再进行转向运动时，这可以是必要的并且因此是有利的。锁止单元还可以被设置成：该锁止单元可以锁止或延迟主轴螺母和/或螺纹主轴的运动。例如还可以防止，在电动马达失效时，主轴在轴向方向上由于车辆底盘中的动态载荷而向某一方向移动，并且因此出现非有意的转向角的改变。动态载荷是源于力方向变换的交变载荷，其例如可能由于弹性车轮藉由引导车轮的转向器而作用于主轴驱动器。在不平坦的路段上可能会出现这种动态载荷。与恒定力或膨胀力不同，自锁式主轴驱动器在交变载荷下可能在反向驱动方向上移动，因此锁止装置可以是有意义的，并且可以有利地额外地使用以防止移动。

优选地，所述主轴驱动器具有滚子螺纹驱动器，所述滚子螺纹驱动器被设计为无间隙的，因此实现所述主轴驱动器的低噪声的运行。为此，主轴驱动器的各个元件可以相互预紧。可以通过止推垫圈或弹簧(例如碟形弹簧)来实现预紧。

优选地，无刷的游标电动马达(Vernier-Elektromotor)适于作为电动马达。这种类型的电动马达形成高效的电动马达，该电动马达与常规的电动马达相比具有提高的体积效率。与具有对应更大体积的常规电动马达相比，游标马达可以在更小的体积下产生更高的转矩。换言之可以缩小电动马达并且同时具有更高的功率。在本发明的主轴驱动器中，这有益于进一步减小结构空间。

下面借助优选的实施方式参考附图来描述本发明。在附图中：

图1示出了车辆的后桥的示意性俯视图，

图2示出了致动器或线控转向装置的示意图，

图3示出了在滚子螺纹驱动器具有滚子复位件的实施方式中的主轴驱动器的示意性分解图。

在根据图1的示意图中示出了车辆车桥1，在此展示为具有辅助车架2的后桥，该辅助车架被紧固在车辆结构上或构成车辆结构并且与机动车辆的车身连接。车轮5和6借助于转向器3被铰接在辅助车架2上。转向器3构成用于车轮5、6的车轮悬架。在辅助车架2上紧固有线控转向装置的致动器10。致动器10以其壳体21紧固在辅助车架上。在本实施方式中，致动器10具有作为中央致动器的连续的螺纹主轴27，该螺纹主轴穿过致动器10的壳体21。驱动马达22被布置成在轴线方面平行于螺纹主轴27。在螺纹主轴27的端部处铰接有转向横拉杆23，这些转向横拉杆以背离致动器10的端部分别与车轮5和6的(未展示的)车轮支撑件铰接连接。显而易见，在螺纹主轴27向左方向或向右方向轴向位移时，车轮转向角改变，原因在于转向横拉杆23形成车轮或车轮支撑件与致动器10之间的强制连接。为了使车轮5、6转向，这些车轮以围绕其竖直轴线可旋转的方式铰接在车轮悬架3上，这通过车轮5、6下方的弯曲的双向箭头指出。

图2示出了已在图1中示出的致动器10的示意图。致动器10具有壳体21，在该壳体上在轴线方面平行地布置有驱动马达22。在壳体21中布置有由主轴螺母25和螺纹主轴27组成的主轴驱动器20。主轴螺母25相对于壳体借助滚动轴承29以位置固定并且可旋转的方式支承。螺纹主轴27穿过主轴螺母25并且与该主轴螺母共轴地布置。在主轴螺母25的背离滚动轴承29的一侧上，皮带轮30位置固定地布置在主轴螺母25上。电动马达22具有传动小齿轮32。呈齿形皮带形式的传动皮带34缠绕传动小齿轮32和皮带轮30，使得在电动马达或驱动马达22旋转运动时，使主轴螺母25围绕纵向轴线a旋转运动。根据主轴螺母25的旋转方向，螺纹主轴27沿纵向轴线a朝向一个方向或另一个方向进行线性位移，如双向箭头指示。

图3示出了设想在根据图1或图2中的致动器10中应用的具有滚子复位件的滚子螺纹驱动器的分解图。主轴螺母25在其内侧具有内螺纹26。在螺纹26的内侧上还布置有轴向延伸的突起49。笼46具有与纵向轴线a同心布置的凹口44a，这些凹口与纵向轴线a同心地布置并且容纳螺纹滚子44。凹口44a以近似于长孔的方式被布置在笼46的外侧上。当具有螺纹滚子44的笼46位于主轴螺母25内时，笼46以及因此还有螺纹滚子44相对于主轴螺母25由在主轴螺母25的末端侧或端面侧布置的固持环47a、47b固持在位。当主轴螺母25围绕螺纹主轴27转动时，由于螺纹滚子44与主轴27的外螺纹和主轴螺母25的内螺纹26啮合这一事实，因此可以实现使螺纹主轴27轴向位移。这个轴向位移与螺纹主轴的驱动方向相对应。在主轴螺母25旋转后，螺纹滚子44对应于其螺纹螺距相对于主轴螺母25经过了一定的轴向路径。因此这些螺纹滚子必须返回。在本实施方式中，这些螺纹滚子藉由突起从内螺纹抬起，并且藉由固持环47a上的另一个(未示出的)轴向突起在轴向上返回，并且随后再次与主轴螺母25的内螺纹26实现啮合。

此外示意性地展示了车轮5、6，该车轮可围绕竖直轴线h转向。车轮5、6以可旋转的方式支承在车轮支撑件50上。车轮支撑件50与转向横拉杆23铰接连接，该转向横拉杆在其相反的端部处与螺纹主轴27的端部铰接连接。现在，如果侧向力Fs(例如在转弯行驶时)作用于螺纹主轴27，则其在反向驱动方向上将力作用于主轴驱动器20，该主轴驱动器由于较低的效率仅在主轴螺母25上产生非常小的转矩。这个转矩可以基于电动马达的停机力矩得到补偿，使得在侧向力时车轮转向角不改变，原因在于主轴驱动器在反向驱动方向上因此被设计为自锁式的。主轴螺母25不旋转。

根据图1和图2示例性地示出的致动器10是中央执行器，该中央执行器在两侧作用并且可以实现车桥的两个车轮上的转向运动，如图1所展示的。然而本发明同样可以应用于所谓的单个执行器。在单个执行器的情况下，主轴从单个执行器的壳体缩回和伸出，或换言之，单个执行器在其长度方面是可改变的。于是，当壳体以在车身上固定的方式布置或支撑(例如在辅助车架上)时，长度改变在转向运动的意义上引起车轮的车轮支撑件上的执行运动，从而使得可以引起所涉及车轮的车轮转向角改变。在车轮支撑件与单个执行器之间在此还可以布置有转向器。

附图标记清单

1      车辆车桥

2      辅助车架，车辆结构

3      转向器，车轮悬架

5      车轮

6      车轮

10     致动器

20     主轴驱动器

21     壳体

22     驱动马达，电动马达

23     转向横拉杆

25     主轴螺母

26     内螺纹

27     螺纹主轴，主轴

29     滚动轴承

30     皮带轮

32     传动小齿轮

34     皮带小齿轮

44     螺纹滚子

44a    凹口

45     主轴螺母

46     笼

47a    固持环

47b    固持环

49     突起

50     车轮支撑件

a      纵向轴线

h      竖直轴线

Claims (8)

1.一种用于机动车辆的线控转向装置，所述线控转向装置具有主轴驱动器(20)，所述主轴驱动器具有能够线性移位的螺纹主轴(27)，其中所述主轴驱动器(20)被设计为滚子螺纹驱动器，其特征在于，

所述滚子螺纹驱动器在其驱动方向和在其反向驱动方向上具有不同的效率，使得在所述主轴驱动器中在反向驱动方向上不使所述转向装置实现复位，

其中，所述滚子螺纹驱动器在反向驱动方向上的效率低，使得所述滚子螺纹驱动器大体上是自锁式的，并且，在所述主轴驱动器(20)中，在反向驱动方向上大体上在轴向上作用于所述螺纹主轴(27)的最大的力产生最小的转矩，所述最小的转矩与驱动马达(22)的停机力矩相对应。

2.根据权利要求1所述的线控转向装置，其特征在于，所述主轴驱动器(20)在驱动方向上具有高效率，使得所述主轴驱动器(20)在驱动方向上被设计为非自锁式的。

3.根据权利要求1或2所述的线控转向装置，其特征在于，所述最小的转矩与所述驱动马达(22)的停机力矩相等。

4.根据前述权利要求1或2所述的线控转向装置，其特征在于，所述滚子螺纹驱动器被设计为具有滚子复位件。

5.根据前述权利要求1或2所述的线控转向装置，其特征在于，为了固定所述主轴驱动器(20)，能够额外地设置有电磁致动的锁止单元，所述锁止单元形状配合并且/或者力配合地实现主轴螺母(25)与致动器(10)之间和/或主轴与致动器(10)之间的联接。

6.根据前述权利要求1或2所述的线控转向装置，其特征在于，所述滚子螺纹驱动器被设计为无间隙的。

7.根据前述权利要求1或2所述的线控转向装置，其特征在于，所述驱动马达被设计为游标马达。

8.一种根据前述权利要求之一所述的线控转向装置，用于机动车辆的后桥转向装置。

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