CN112550428A - 机电式转向系统的用于在方向盘上产生反馈力的方向盘单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于机动车机电式转向系统的方向盘单元。方向盘单元具有用于以传输给驾驶员的、关于当前转向和/或行驶状态的机械反馈力来加载方向盘的力产生器件和布置在方向盘的方向盘轴的区域中的转向运动传感器，其用于感测方向盘位置。力产生器件包括沿方向盘轴布置的直的扭力杆，扭力杆在第一端面的端部上与方向盘连接并且在第二端面的端部上能够被为此布置的第一制动盘和第二制动盘这样以力加载，使得随着方向盘的增大的、与直线行驶偏离的调节，首先能够在第一级别中在方向盘上产生随着方向盘的转角增大的的复位力并且在紧随其后的第二级别中能够随着继续增大的转角在方向盘上产生恒定的复位力，用于将与车轮偏转相关的转向状态反馈给驾驶员。

Description

机电式转向系统的用于在方向盘上产生反馈力的方向盘单元

技术领域

本发明涉及一种机动车的机电式转向系统的用于以传感器的方式感测方向盘的转向运动的方向盘单元。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及至用于机动车的所谓线控转向系统(Steer-by-Wire)，在所述线控转向系统中，在机动车的方向盘与被转向的车轮之间通常不存在直接的机械耦合。替代于此，通过合适的传感装置感测转向角并且必要时也感测方向盘的转速和/或施加到方向盘上的转矩并且将所述转角和转速和/或转矩以电调节值的形式传递到机电式转向致动器单元上，该转向致动器单元将以电的形式预给定的转向信号转化成对能转向车轴的车轮转向角(Lenkausschlag)的机械调节。

因此，在该机电式转向系统中省去了对实际上实施的车轮转向角的直接机械反馈，该反馈在机械耦合的系统中通常能够以方向盘的与车速有关的复位力矩和与其叠加的振动形式以及通过方向盘的终端止挡位置被驾驶员感觉到。

由US 2017/0320515 A1已知一种用于机动车的机电式转向系统，该机电式转向系统在方向盘单元方面配备有专门的力产生器件用于以关于当前转向状态和车辆状态并向驾驶员传输的机械反馈力来加载方向盘。为此，方向盘单元具有用于通过将相应的转矩施加到方向盘轴上来产生反馈力的电动机。通过合适地操控电动机，驾驶员通过方向盘获得如在机械耦合的转向系统中那样的真实驾驶感。此外，为此设置的力产生器件也包括可锁定的离合器，该离合器由电磁致动器操控，以便当车轮到达了在对应的转动方向上预给定的终端止挡位置时禁止方向盘轴继续转动。为此目的，所述离合器在前面所说的状况中按照电动控制来设定方向盘轴。在该现有技术中，用于施加机械反馈力的电动机构成主动构件，该主动构件因此也需要电操控。

由US 2002/0189888 A1已知用于机动车的另一种机电式转向系统，该机电式转向系统也配备有用于在方向盘上产生机械反馈力的电动机。为此目的，电动机以与方向盘轴轴线平行的方式布置并且通过皮带传动机构作用到该方向盘轴上。与前面讨论的现有技术相比，该技术解决方案在相对于方向盘轴的横向方向上需要更大的安装空间。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元，所述转向系统可以节省安装空间、节省能量和/或失效保险的并且可以借助简单的技术手段将关于当前转向状态的机械反馈力传输给驾驶员。

该任务从根据权利要求1前序部分的方向盘单元出发结合权利要求1特征部分的特征来解决。关于包括这种方向盘单元的机电式转向系统参考权利要求10。从属权利要求给出本发明的有利扩展方案。

本发明包含以下技术教导：提供一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元。所述方向盘单元包括用于以传输给驾驶员的、关于当前转向状态和/或行驶状态的机械反馈力来加载方向盘的力产生器件。所述力产生器件具有沿着方向盘轴布置的直的扭力杆，该扭力杆在其面向方向盘的端面侧端部上与方向盘连接。该扭力杆在其背离方向盘的第二端面侧端部上被两个为此布置的制动盘这样以力加载，使得随着方向盘的增大的、与直线行驶偏离的调节能够根据方向盘的转角在方向盘上产生复位力。在第一级别中能够随着方向盘的增大的、与直线行驶偏离的转角产生增大的复位力。在紧接着第一级别之后的第二级别中，随着继续增大的转角能够在方向盘上产生恒定的复位力，用于将与车轮偏转相关的转向状态反馈给驾驶员。

根据本发明的解决方案的优点尤其在于，主要使用被动构件来实现根据本发明的解决方案，这些被动构件不需要通过电动控制单元进行操控。因此可以减小机电式转向系统的电流需求。此外，被动构件、尤其扭力杆和制动盘能够以节省安装空间的而方式例如同轴地布置在方向盘轴内。

换言之，根据本发明的解决方案确保，在方向盘沿一个或另一转动方向转动时所述扭力杆进行扭转，由此建立机械势能，该机械势能用于产生机械反馈力。

根据一个实施方式，两个制动盘中的第一制动盘的主轴线与两个制动盘中的第二制动盘的主轴线平行地定向。此外，第二制动盘的主轴线分别沿着扭力杆的纵轴线延伸。在该配置方案中，能够以力加载对制动盘，因此能够通过两个制动盘彼此的摩擦来触发扭力杆的扭转或绞转。通过扭力杆的扭转能够在与扭力杆机械连接的方向盘上产生复位力。

优选，布置在扭力杆的第二端面侧端部上的第一制动盘与扭力杆机械连接。为此，第一制动盘可以在其面向扭力杆的端面上例如通过法兰连接到扭力杆上。此外优选，第一制动盘在其背离扭力杆的端面上邻接到第二制动盘上。

根据一个优选实施方式，第二制动盘在其背离第一制动盘的端面上与保持装置机械连接。通过该保持装置，第二制动盘能够被加载以沿扭力杆的纵向方向作用的力。通过该法向力能够影响第一制动盘和第二制动盘之间的轴向间距。

此外，通过合适地选择能够施加到第二制动盘上的法向力，在前述配置方案中能够影响方向盘的极限转角，该极限转角说明两个制动盘之间从静摩擦到滑动摩擦的过渡。在方向盘的转角低于极限转角时，制动盘彼此发生粘附，由此在方向盘的转角增大时，能够引起扭力杆的扭转增大。由此，根据第一阶段在方向盘上得到增大的复位力。如果转角高于极限转角，那么制动盘的彼此面向的侧发生滑动。由此，能够实现扭力杆的恒定扭转并从而在方向盘上实现与方向盘转角的增大无关的复位力。

优选，在第一级别中方向盘上的复位力随着转角线性增大。根据另一优选实施方式，在第一级别中，方向盘上的复位力能够通过由扭力杆的横向杨氏弹性模量、扭力杆的横截面的极惯性矩、扭力杆长度的倒数以及方向盘转角得到的乘积来确定。通过最后所述的实施方式，尤其在第一阶段内实现随着转角线性增大的复位力。

根据另一优选实施方式，在第二级别中存在大于极限转角的方向盘转角，该极限转角说明从第一级别到第二级别的过渡。在此，能够通过扭力杆的横向杨氏弹性模量的大小、横截面的极惯性矩，能够加载两个制动盘的法向力以及对第一制动盘和第二制动盘之间的摩擦系数的选择、制动盘的半径和扭力杆的长度来设定前述极限转角。

根据另一优选实施方式，第一制动盘和第二制动盘能够借助致动器被加载以法向力。在此，能够这样操控致动器，使得能够精细校准作用在方向盘上的复位力、尤其说明从第一级别到第二级别的过渡的极限转角。

优选，方向盘轴这样实施，使得它同轴地包围扭力杆并且可能也同轴包围两个制动盘。由此实现方向盘单元的特别节省空间的布置。

本发明的另一方面涉及一种用于机动车的机电式转向系统，所述转向系统具有带有上述特征的方向盘单元。此外，转向系统包括与方向盘单元电连接的机电式转向致动器单元，该转向致动器单元允许将由方向盘单元以电的方式预给定的转向信号转化为对可转向车轴的车轮转向角的机械调节。

附图说明

下面与对本发明优选实施例的说明一起根据附图详细地阐述改进本发明的其它措施。附图示出：

图1用于机动车的机电式转向系统的示意图，和

图2根据图1的转向系统的方向盘单元的示意性纵截面。

具体实施方式

根据图1，用于机动车的机电式转向系统基本由方向盘单元1组成，方向盘轴3可转动地支承在该方向盘单元的柱形壳体2中。在方向盘轴3的远端一侧安装有用于由驾驶员进行操作的方向盘4。

通过电连接线5，方向盘单元1借助电动控制装置6与转向致动器单元7处于连接中，该转向致动器单元例如构造为机电式。转向致动器单元7用于将由方向盘单元1借助控制装置6以电的方式预给定的转向信号转化成对就此方面可转动的车轴9的车轮8a和8b的转向角的机械调节。

根据图2，由驾驶员由于转向运动而施加到方向盘4上的转矩M_L被传递到扭力杆11上。在此，力矩例如可以作为方向盘4的半径r_L与力F_L的乘积被求取。偏离直线行驶的方向盘位置能够通过表征这种偏离的转角

来说明。

根据图2，方向盘4与扭力杆11机械连接，该扭力杆具有沿着方向盘4的主轴线延伸的纵轴线15并且具有长度l和厚度D。前述机械连接引起方向盘4与扭力杆11的第一端面侧端部12a之间的固定连接。在扭力杆11的背离方向盘4的第二端面侧端部12b上，该扭力杆与第一制动盘13a的第一端面16机械连接。第一制动盘13a的第二端面17面向第二制动盘13b，该第二制动盘与第一制动盘13a轴向平行地定向。换言之，第一制动盘和第二制动盘13a，13b的主轴线14a，14b平行地并且尤其沿着扭力杆11的纵轴线15延伸。在第二制动盘13b的背离第一制动盘13a的端面18上安装有保持装置19，借助该保持装置，第二制动盘13b可以被加载以沿主轴线14a,14b的方向作用的法向力F_N。通过该法向力能够校准两个制动盘13a，13b之间的间距。法向力F_N的存在尤其可以引起，第一制动盘和第二制动盘13a，13b以其彼此面向的端面相互贴靠或者说以与法向力有关的强度相互挤压。

在转角

从相应于直线行驶的转角出发改变时，在合适地选择法向力F_N的情况下首先发生制动盘的静摩擦或者说彼此粘附。在相应于第一级别的该情况下，表征方向盘4的偏转的转角

可以根据以下关系由扭力杆的横向杨氏弹性模量G、横截面的极惯性矩I_p(polarer Moment)、扭力杆的长度l以及施加到方向盘上的转矩ML(M_L)得到的乘积来求取：

因此，在相应于第一级别的该情况下，转矩ML(M_L)和从而对应的复位力F_L随着转角

线性地增加。

如果转角

大于极限转角

那么与扭力杆11连接的第一制动盘13a在第二制动盘13b上发生滑动或者旋转。这种行为表征了第二阶段。在此，即使转角

进一步增大的情况下，扭力杆11的扭转或绞转也保持不变。在此，极限转角

可以作为由扭力杆的横向杨氏弹性模量G、横截面的极惯性矩I_p、法向力FN(F_N)、制动盘13a,13b的摩擦系数μ以及扭力杆11的长度l和制动盘13a,13b的外径r_a和内径r_i的差值的一半，rm＝(r_a-r_i)/2(r_m)得到的乘积根据下关系求取：

相应地，由于两个制动盘13a,13b的相互滑动，由驾驶员感受到的复位力在第二级别中是恒定的。显然，通过相应地选择或者设定上述公式中的参量可以校准极限转角

本发明不局限于上述优选实施例。而是也可以考虑被后面权利要求的保护范围涵盖的变型方案。此外，转向致动器单元7也可以构造为电液式或以类似方式构造。

附图标记列表

1 方向盘单元

2 壳体

3 方向盘轴

4 方向盘

5 电连接线

6 电子控制装置

7 方向盘致动器单元

8 车轮

9 车轴

11 扭力杆

12 扭力杆的端面侧端部

13 制动盘

14 制动盘的主轴线

15 扭力杆的纵轴线

16 第一制动盘的第一端面

17 第一制动盘的第二端面

18 第二制动盘的端面

19 保持装置

F_N 法向力

M_L 转矩

F_L 方向盘上的复位力

r_L 方向盘半径

r_a 制动盘的外径

r_i 制动盘的内径

r_m 制动盘的平均半径

转角

μ 摩擦系数

Claims (10)

1.一种用于机动车的机电式转向系统的方向盘单元(1)，所述方向盘单元包括：

-转向运动传感器，其布置在所述方向盘(4)的方向盘轴(3)的区域中并且用于感测方向盘位置，以及

-力产生器件，其用于以传输给驾驶员的、关于当前转向状态和/或行驶状态的机械反馈力来加载所述方向盘(4)，

其特征在于，所述力产生器件具有沿着所述方向盘轴(3)布置的直的扭力杆(11)，所述扭力杆在第一端面侧端部(12a)上与所述方向盘(4)连接并且在第二端面侧端部(12b)上能够被为此布置的第一制动盘(13a)和第二制动盘(13b)这样以力加载，使得随着所述方向盘(4)的增大的、与直线行驶偏离的调节，首先能够在第一级别中在所述方向盘(4)上产生随着所述方向盘的转角

增大的复位力，在紧随其后的第二级别中能够随着继续增大的转角

在所述方向盘(4)上产生恒定的复位力，用于将与车轮偏转相关的转向状态反馈给驾驶员。

2.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，所述第一制动盘(13a)的主轴线(14a)与所述第二制动盘(13b)的主轴线(14b)平行地定向，并且这两个主轴线分别沿着所述扭力杆(11)的纵轴线(15)延伸。

3.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，布置在所述扭力杆(11)的第二端面侧端部(12b)上的所述第一制动盘(13a)在其面向所述扭力杆(11)的端面(16)上与所述扭力杆(11)机械连接并且在其背离所述扭力杆(11)的端面(17)上邻接到所述第二制动盘(13b)上。

4.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，所述第二制动盘(13b)在其背离所述第一制动盘(13a)的端面(18)上与保持装置(19)机械连接，通过所述保持装置，所述第二制动盘(13b)能够被加载以沿所述扭力杆(11)的轴向方向作用的力(F_N)，通过所述力能够改变所述第一制动盘和所述第二制动盘之间的轴向间距。

5.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，在所述第一级别中，所述方向盘上的复位力随着所述转角

线性增大。

6.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，在所述第一级别中，能够通过由所述扭力杆(11)的横向杨氏弹性模量、所述扭力杆的横截面的极惯性矩、所述扭力杆的长度(l)的倒数以及所述方向盘(4)的转角

得到的乘积来确定所述方向盘(4)上的复位力。

7.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，在所述第二级别中存在所述方向盘(4)的大于极限转角

的转角

其中，能够通过所述扭力杆(11)的横向杨氏弹性模量的大小、所述扭力杆(11)的横截面的极惯性矩以及通过能对两个制动盘(13a,13b)加载的法向力(F_N)、对所述第一制动盘(13a)和所述第二制动盘(13b)之间的摩擦系数(μ)的选择、所述制动盘的半径和所述扭力杆(11)的长度(l)来设定所述极限转角。

8.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，所述第一制动盘(13a)和所述第二制动盘(13b)能够借助为此实施的致动器被加载以法向力(F_N)，其中，能够这样操控所述致动器，使得能够精细校准作用在所述方向盘(4)上的复位力。

9.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，

其特征在于，所述方向盘轴(3)同轴地包围所述扭力杆(11)。

10.一种用于机动车的机电式转向系统，所述转向系统包括根据前述权利要求中任一项所述的方向盘单元(1)以及与该方向盘单元电连接的机电式转向致动器单元(7)，所述转向致动器单元用于将由所述方向盘单元(1)以电的方式预给定的转向信号转化为对能够转向的车轴(9)的车轮(8a,8b)的转向角的机械调节。

Images