CN112537367A - 用于检测机电式转向系统的方向盘的转向运动的方向盘单元 - Google Patents

Abstract

一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元，其包括力产生装置，用于给方向盘加载机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和/或驾驶状态。所述力产生装置包括两个轴向可调节地布置在方向盘轴的外螺纹区段上的转向轴螺母、两个法兰、一个第一和第二弹性元件。每个转向轴螺母与所述法兰之一配合。所述法兰轴向可调节地围绕第一和第二法兰轴布置，所述第一弹性元件布置在所述第一法兰轴上并且所述第二弹性元件布置在所述第二法兰轴上。这些弹性元件能够通过所述法兰的轴向运动变形，所述力产生装置给所述方向盘轴加载力，使得随着方向盘偏离直线行驶的调节的增大，在该方向盘上所能产生的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的反馈力上升。

Description

用于检测机电式转向系统的方向盘的转向运动的方向盘单元

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元。此外，本发明还涉及一种包括这种方向盘单元的机电式转向系统。

背景技术

本发明的应用领域延伸至所谓的机动车线控转向系统，其中，在该机动车的方向盘和转向轮之间不存在直接的机械耦合。取而代之的是，通过适当的传感装置来检测方向盘的转向角度并且必要时也检测方向盘的转速和/或施加在方向盘上的转矩并且将其以电调节值的形式传送至机电式方向盘促动器单元，该方向盘促动器单元将以电方式预给定的转向信号转换为可操纵的车桥的车轮的转向角的机械调整。

因此，在这种机电式转向系统中取消了关于实际实施的车轮转向角的直接机械式反馈，该机械式反馈在机械耦合的系统中通常以方向盘上的取决于行驶速度的复位力矩和与此叠加的振动的形式以及通过方向盘的终端止挡位置能够被驾驶员感觉到。

由US 2017/0320515 A1公开了一种用于机动车的机电式转向系统，该转向系统在方向盘单元方面配备有专门的用于给方向盘施加机械反馈力以向驾驶员通知当前的转向和车辆状态的力产生装置。为此，该方向盘单元具有用于通过向方向盘轴施加相应的转矩来产生反馈力的电动马达。通过适当地操控该电动马达可以通过方向盘向驾驶员传送像机械式耦合的转向系统中那样的实际驾驶感觉。此外，为此所设置的力产生装置还包括可锁定的联接器，其通过电磁促动器操控，用于当车轮到达在相应的转动方向上预给定的终端止挡位置时禁止方向盘轴进一步转动。为了该目的，该联接器在上述状况中根据电子控制装置来固定方向盘轴。在该现有技术中，用于施加机械反馈力的电动马达是主动式构件，该主动构件因此也需要电子控制装置。

由US 2002/0189888 A1公开了另一种用于机动车的机电式转向系统，其也配备有用于在方向盘上产生机械反馈力的电动马达。为了该目的，该电动马达与方向盘轴以轴平行的方式布置并且通过皮带传动装置作用在该方向盘上。与上面提及的现有技术相比，该解决方案在相对于方向盘轴的横向方向上要求更多的结构空间。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元，其可以节省结构空间和/或节省能量并且能够以简单的技术措施向驾驶员传送关于当前转向状态的机械反馈力。

以根据优选实施方式的前序部分结合其特征部分的方向盘单元为出发点来解决该任务。在包括这种方向盘单元的机电式转向系统方面请参见关于机电式转向系统的优选实施方式。可选的实施方式给出了本发明的有利的进一步方案。

本发明包含的教导是，提供一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元。该方向盘单元具有用于给方向盘施加机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和/或行驶状态的力产生装置。所述力产生装置包括两个轴向可调节地布置在方向盘轴的外螺纹区段上的转向轴螺母、两个法兰、一个第一和第二弹性元件，其中，所述转向轴螺母中的每一个与所述法兰之一配合并且所述法兰可轴向调节地围绕第一法兰轴和第二法兰轴布置。所述第一弹性元件布置在所述第一法兰轴上并且所述第二弹性元件布置在所述第二法兰轴上，并且这些弹性元件能够通过所述法兰的轴向运动变形。所述力产生装置给所述方向盘轴加载力，使得随着方向盘偏离直线行驶的调节的增大，在该方向盘上所能产生的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的反馈力上升。

本发明的解决方案的优点尤其是在于，使用被动式构件来实现本发明的解决方案，所述被动式构件不需要通过电子控制单元来操控。由此可以降低该机电式转向系统的电流需求。此外，被动式构件、尤其是转向轴螺母和与相应的转向轴螺母配合的法兰能够节省结构空间地同轴地围绕方向盘轴布置。

换言之，本发明的解决方案确保了当方向盘在一个方向或另一方向上转动时，通过与布置在方向盘轴上的转向轴螺母配合的法兰来压缩布置在法兰轴上的弹性元件。特别是，这些转向轴螺母并且从而这些法兰将方向盘的旋转运动转换为弹簧元件的线性(轴向)运动，由此建立用于产生机械反馈力的机械势能。

方向盘轴上的外螺纹区段可以是完全不同的传动装置组件的组成部分，所述传动装置组件将方向盘轴的转动运动转换为用于压缩弹性元件的线性运动。所述方向盘轴的外螺纹区段以及所述转向轴螺母的与该外螺纹区段对应的内螺纹可以是用于将转动运动转换为线性运动的米制螺纹、梯形螺纹或圆形螺纹。相互配合的螺纹的这种布置可以在制造技术上简单地实现。然而，为了最小化滑动摩擦损失，所述方向盘轴的外螺纹区段也可以是用于将转动运动转换为线性运动的球-或滚子丝杠传动装置或行星齿轮传动装置的组成部分。

优选地，每个转向轴螺母具有至少一个用于限制所述法兰的轴向运动的锁止元件。通过这种方式，相应法兰的轴向运动(特别是朝方向盘轴的内区段的方向)可以通过该锁止元件阻止，这防止了转向轴螺母和法兰之间的可能的碰撞。例如可以采用附加安置的安全环或集成在转向轴螺母上的凸起作为锁止元件。

根据一个实施方式，所述法兰分别邻接至少两个布置在所述法兰轴的外区段上的间距保持件，该间距保持件限制所述法兰的轴向运动。在此，该轴向运动特别是可以朝着法兰轴的外区段的方向。该间距保持件优选布置在法兰轴上并且可以向法兰提供均匀分布的压力。然而也可以的是，法兰分别自身具有或集成了所述至少两个间距保持件。换言之，所述间距保持件也可以直接构造在法兰上，其中，这些间距保持件可以与穿过法兰直径的轴线具有相同的距离，用于向法兰提供均匀分布的压力。

根据一个实施方式，所述力产生装置还具有至少两个止挡盘，其中一个止挡盘布置在所述法兰轴的外区段的一个端部上，另一个止挡盘布置在所述法兰轴的外区段的其他端部上，从而使得所述间距保持件在相应的法兰与止挡盘之间提供用于转向轴螺母的中间空间。换言之，一个止挡盘在力产生装置的一侧坐置于两个法兰轴的两个端部上，另一个止挡盘在力产生装置的另一侧布置在两个法兰轴的两个对置的端部上。通过该中间空间可以将转向轴螺母进一步朝法兰轴的外区段的方向轴向地调节，尽管法兰的运动被间距保持件限制。转向轴螺母的轴向运动可以通过止挡盘限制。

优选地，所述法兰、所述弹性元件和/或所述间距保持件能够沿着所述法兰轴轴向地调节。由此，这些弹性元件可以根据法兰的运动变形。

根据一个优选的实施方式，在第一法兰运动期间，第二法兰固定不动并且压抵邻接该第二法兰的间距保持件。换言之，可以根据方向盘的转动方向使仅仅一个法兰(在此例如使第一法兰)运动并且所述弹性元件可以仅仅被从一侧压缩。与此同时，在此例如第二法兰可以处于一位置中，在该位置中，第二转向轴螺母、第二法兰、邻接该第二法兰的间距保持件以及止挡盘可以相互配合。通过这种方式，弹性元件仅仅从一个方向变形，由此可避免这些弹性元件过度膨胀或过度压缩。由此能够提供与车轮转向角相关的转向状态的可靠反馈。

优选地，根据本发明所产生的反馈力被用来反馈当前的转向状态。为了模仿其他反馈信息(例如车轮的终端止挡位置——其可以通过方向盘上的相应终端止挡被感觉到，或者车道的表面结构——其通过相应的机械振动来反馈)，根据进一步改进了本发明的措施提出，所述方向盘单元还包括电动马达和传递元件，用于调节弹性元件的预紧力。在本发明的解决方案中，由电动马达产生的力矩或附加产生的力仅被用来有针对性地和依赖于具体情况地降低或提高弹性元件的弹性作用，用于在方向盘上产生真实的驾驶感觉。因此，与本文开头所描述的现有技术的完全主动式控制的方向盘单元相比，本发明的方向盘单元的电功率消耗要低得多。此外，可以降低所使用的电动马达的尺寸，由此可以节省结构空间和成本。

根据一个实施方式，所述传递元件将所述电动马达、所述方向盘轴和所述法兰轴相互连接。在此，该传递元件可以是传动皮带。也就是说，电动马达可以借助于传动皮带与法兰轴之一连接，该法兰轴又可以借助于另外的传动皮带与另外的法兰轴连接。该另外的法兰轴则可以借助于又一另外的传动皮带与方向盘轴连接。通过这种方式，电动马达可以施加另外的反馈力，该另外的反馈力与所述弹性元件的被动式构件的反馈力和/或附加反馈力叠加。此外，通过传动皮带可以实现反馈力的可变的模拟。此外，通过使用传动皮带可以确保短时间的过载能力，维护少且成本低。

根据一个实施方式，所述弹性元件是盘簧组。然而也可以采用其他类型的(线性)弹簧，它们在法兰轴向运动时同样可以轴向变形。

本发明的另一方面涉及一种具有上面和下面描述的方向盘单元的机电式转向系统。该机电式转向系统还包括用于机械地调节可转向的车桥的车轮的机电式转向促动器单元并且在某些情况下包括电子控制单元。在此，该机电式转向系统可以从转向运动传感器获得预调节值，所述预调节值接着由电子控制单元转换为用于该转向促动器单元例如电动机的控制指令。该转向促动器单元又影响车辆的车轮，其方式为，它们根据转向运动传感器的预调节值转动。由此可产生可操控或可转向的车桥。

附图说明

下面根据附图与本发明的优选实施例的说明一起来详细阐述本发明的另外的改进措施。附图中示出：

图1具有所述转向系统的方向盘单元的机动车；

图2用于图1中机动车的机电式转向系统的示意图；

图3图1或图2中的转向系统的方向盘单元的示意性纵截面图；

图4图1至3中的转向系统的方向盘单元的示意性横截面图；和

图5图1至4中的转向系统的方向盘单元的弹性力的可变调节的示意性图表。

具体实施方式

图1示出具有机电式转向系统的机动车10，该机电式转向系统包括下面描述的方向盘单元1。典型地，该机电式转向系统布置在车辆10的前部区域中并且设置用于使车辆10的前轮根据驾驶员意愿转动或转向。替换或附加地，该机电式转向系统也可以作用于后轮，例如在主动式后轮转向或叉车的情况下即是如此。方向盘单元1例如可以在驾驶座的区域中朝发动机舱的方向布置在仪表盘下面。

根据图2，用于机动车10的机电式转向系统基本上由方向盘单元组成，方向盘轴3可转动地支承在该方向盘单元的缸形壳体2中。在该方向盘轴3的远中端安装有用于通过驾驶员操作的方向盘4。

经由电连接部5，所述方向盘单元1借助于电子控制装置6与转向促动器单元7相连，该转向促动器单元例如以机电方式构成。转向促动器单元7用于将由方向盘单元1借助于控制装置6以电方式预给定的转向信号转换为在此可操控的车桥9的车轮8a和8b的转向角的机械式调整。此外，该转向促动器单元7也可以构造为电子液压式或者诸如此类。

根据图3，在方向盘单元1中，通过驾驶员由于转向运动而施加到方向盘4上的转矩通过方向盘轴3传递到壳体的内部。在那里，方向盘轴3具有外螺纹区段10，该外螺纹区段与转向轴螺母21a、21b的这里未进一步示出的非自锁内螺纹区段相互作用，用于将方向盘4的转动运动转换为转向轴螺母21a、21b的线性运动。转向轴螺母21a、21b分别与法兰22a、22b之一配合，该法兰又布置在围绕方向盘轴3相互间隔开的法兰轴24a、24b上。由此，法兰22a、22b可以与转向轴螺母21a、21b一起轴向调节。每个转向轴螺母21a、21b具有至少一个锁止元件25，该锁止元件例如是安全环并且限制法兰22a、22b朝壳体内部方向的轴向运动。法兰22a、22b朝壳体外区段方向的轴向运动通过固定在法兰轴24a、24b上的止挡盘27a、27b限制，所述止挡盘通过布置在法兰22a、22b与止挡盘27a、27b之间的间距保持件26轴向支撑。这两个止挡盘27a、27b在此可以定位在方向盘单元1的优选缸形的壳体2的端侧的端部区域中，用于使轴向的法兰间距最小化。在法兰22a、22b之间沿着法兰轴24a、24b分别布置有弹性元件23a、23b，该弹性元件是盘簧组。在方向盘单元1中，转向轴螺母21a、21b由于方向盘4在一个方向或另一个方向上的扭转而借助于法兰22a、22b轴向调节以压缩所述弹性元件23a、23b，用于由此储存势能。在此，所述法兰之一22b在另一法兰22a运动期间固定不动并且压抵邻接的间距保持件26。储存的能量被用来生成用于借助方向盘4向驾驶员反馈当前转向状态的反馈力的一部分。方向盘轴3和法兰轴24a、24b通过传递元件12例如传动皮带与电动马达11以串联顺序连接。在此，该电动马达11布置在壳体2的端侧上以对马达转速进行减速。

如图4所示，电动马达11借助于传动皮带与法兰轴之一24a连接，其中，该法兰轴24a又通过第二传动皮带与另一个法兰轴24b连接。方向盘轴3通过第三传动皮带与该第二法兰轴24b连接。通过这种方式使得电动马达11可以施加另外的与所述弹性元件的被动式构件的反馈力和/或附加反馈力叠加的反馈力。特别是，导致弹性元件变形的法兰22a、22b的位置通过该电动马达11控制和调节，用于获得复位力的期望值。此外，如图5所示，通过采用传动皮带可以实现反馈力的可变的模拟。在此，x轴示出方向盘4的转动，y轴示出用于复位该方向盘4的反馈力或弹簧力，穿过零点的线a示出弹性元件的材料特性，带条纹的区域b示出通过电动马达增强的力。

本发明不局限于上面描述的优选实施例。相反，被后面的权利要求的保护范围囊括的变型方案都是可考虑的。

附图标记清单

1 方向盘单元

2 壳体

3 方向盘轴

4 方向盘

5 电连接部

6 电子控制装置

7 转向促动器单元

8 车轮

9 车桥

10 机动车

11 电动马达

12 传递元件

21a,21b 转向轴螺母

22a,22b 法兰

23a,23b 弹性元件

24a,24b 法兰轴

25 锁止元件

26 间距保持件

27a,27b 止挡盘。

Claims (10)

1.一种用于机动车(10)的机电式转向系统的方向盘单元(1)，其包括：

力产生装置，用于给方向盘(4)加载机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和/或驾驶状态；

其特征在于，所述力产生装置包括两个轴向可调节地布置在方向盘轴(3)的外螺纹区段上的转向轴螺母(21a，21b)、两个法兰(22a，22b)、一个第一弹性元件(23a)和一个第二弹性元件(23b)；

其中，所述转向轴螺母(21a，21b)中的每一个与所述法兰(22a，22b)之一配合；

其中，这些法兰(22a，22b)轴向可调节地围绕第一法兰轴(24a)并且围绕第二法兰轴(24b)布置；

其中，所述第一弹性元件(23a)布置在所述第一法兰轴(24a)上并且所述第二弹性元件(23b)布置在所述第二法兰轴(24b)上；并且

这些弹性元件(23a，23b)能够通过所述法兰(22a，22b)的轴向运动变形；

其中，所述力产生装置给所述方向盘轴(3)加载力，使得随着方向盘(4)偏离直线行驶的调节的增大，在该方向盘(4)上所能产生的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的复位力上升。

2.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，其特征在于，每个转向轴螺母(21a，21b)具有至少一个锁止元件(25)，用于限制所述法兰(22a，22b)的轴向运动。

3.根据权利要求1或2所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述法兰(22a，22b)分别邻接至少两个布置在所述法兰轴(24a，24b)的外区段上的间距保持件(26)，这些间距保持件限制所述法兰(22a，22b)的轴向运动。

4.根据权利要求3所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述力产生装置还具有至少两个止挡盘(27a，27b)，其中一个止挡盘布置在所述法兰轴(24a，24b)的外区段的一个端部上，其他止挡盘布置在所述法兰轴(24a，24b)的所述外区段的其他端部上，从而使得所述间距保持件(26)在相应的法兰(22a，22b)与止挡盘(27a，27b)之间提供用于转向轴螺母(21a，21b)的中间空间。

5.根据权利要求3或4所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述法兰(22a，22b)、所述弹性元件(23a，23b)和/或所述间距保持件(26)能够沿着所述法兰轴(24a，24b)轴向地调节。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方向盘单元(1)，其特征在于，在第一法兰(22a)运动期间，第二法兰(22b)固定不动并且压抵邻接该第二法兰(22b)的间距保持件(26)。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述方向盘单元(1)还包括电动马达(11)和用于调节所述弹性元件(23a，23b)的预紧力的传递元件(12)。

8.根据权利要求7所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述传递元件(12)将所述电动马达(11)、所述方向盘轴(3)和所述法兰轴(24a，24b)相互连接。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述弹性元件(23a，23b)是盘簧组。

10.一种用于机动车(10)的机电式转向系统，其包括根据以上权利要求中任一项所述的方向盘单元(1)以及用于机械地调节可转向的车桥(9)的车轮(8a，8b)的转向角的机电式转向促动器单元(7)。

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