CN112623020A - 转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转向装置(100)，该转向装置(100)包括：马达(110)，该马达(110)构造成产生用于使转向轮(200)独立地转向的驱动力；减速器(120)，该减速器(120)连接至马达(110)的旋转轴本体；以及制动器(150)，该制动器(150)构造成抑制马达(110)与减速器(120)之间的扭矩的传递。

Description

转向装置
技术领域
本发明涉及使车辆的转向轮独立地转向的转向装置。
背景技术
迄今为止，已经存在所谓的线控转向系统，作为汽车的转向系统，在该线控转向系统中，转向轮在没有机械地连接在方向盘与转向轮之间的机构或没有将扭矩在方向盘与转向轮之间机械地传递的机构的情况下基于指示转向角度的信息而被转向。还提出了一种左转向轮和右转向轮通过机械连接件彼此连接的线控转向系统，以及一种左右独立转向类型的线控转向系统，在该左右独立转向类型的线控转向系统中，在左转向轮与右转向轮之间没有插入机械连接件的情况下，通过单独的马达使左转向轮和右转向轮转向，如日本未经审查的专利申请公开No.2018-58484(JP 2018-58584A)中描述的。
发明内容
在使用马达作为驱动源使转向轮独立地转向的情况下，通过由减速器增大的来自马达的输出扭矩使转向轮转向。取决于车辆所行驶的路面的条件、转向条件等，可能引起所谓的反向输入，即从转向轮至减速器的扭矩输入。
本发明提供了一种转向装置，在该转向装置中，保护减速器免受来自转向轮的反向输入。
本发明的一方面提供了一种转向装置，该转向装置包括：马达，该马达构造成产生用于使转向轮独立地转向的驱动力；减速器，该减速器连接至马达的旋转轴本体；以及制动器，该制动器构造成抑制马达与减速器之间的扭矩传递。
利用上述构型，可以提供一种转向装置，在该转向装置中，即使在引起反向输入的情况下，也可以通过使用制动器抑制马达的旋转来避免对减速器的损坏。
附图说明
下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：
图1示出了根据实施方式的转向装置、悬架机构以及转向轮；
图2是示出了根据实施方式的转向装置的截面图；
图3是示出了根据实施方式的制动器控制单元的功能性配置的框图；以及
图4是示出了转向装置的另一示例的截面图。
具体实施方式
下面将参照附图对根据本发明的实施方式的转向装置进行描述。数值、形状、材料、构成元件、构成元件之间的位置关系、连接状态、步骤、步骤的顺序等是示例性的，并不是意在限制本发明。可以关于下面的一个实施方式描述多个发明。权利要求中未描述的构成元件被描述为根据权利要求的发明的可选构成元件。附图是示意图，这些示意图包括适当的夸大、省略以及比例调整以便说明本发明，并且可能与实际的形状、位置关系或比例不同。
图1示出了转向轮和悬架。转向装置100是能够使多个转向轮200独立地转向的装置。在本实施方式的情况下，转向装置100例如经由悬架机构使转向轮200转向。图1示出了支柱型的悬架机构，该支柱型的悬架机构是悬架机构的一种类型。转向装置100设置在支柱悬架机构与车身210、比如轮胎罩之间，并且转向装置100通过使转向轮200绕支柱轴230以及减震器220和弹簧240转动来使转向轮200转向。支柱悬架机构还包括附接至转向轮200的转向节250、联接至转向节250的下部部分的下臂260、将各部分连接以便能够进行铰接操作的铰接构件等。
图2是示出了转向装置100的内部结构的截面图。如图中所示，转向装置100包括马达110、减速器120以及制动器150。在本实施方式的情况下，转向装置100包括第一旋转传感器141、第二旋转传感器142以及制动器控制单元181。
马达110是产生用于使转向轮200转向的驱动力的驱动源。在本实施方式的情况下，马达110是包括旋转轴本体111、转子112、磁体113以及线圈114的伺服马达。
旋转轴本体111是将马达110的旋转驱动力输出的杆状的刚性本体。旋转轴本体111是具有比转子112、磁体113和线圈114在轴向方向(图中的Z轴方向)上的长度更长的长度的构件。具体地，旋转轴本体111从输出侧构件171的附近延伸，该输出侧构件171连接至减速器120的(之后将讨论的)外齿轮124，并且旋转轴本体111穿过波动发生器121的中心部分和制动器150。在本实施方式的情况下，旋转轴本体111具有被中空部分115沿轴向方向贯穿的管状形状。
转子112是将在磁体113与线圈114之间产生的扭矩传递至旋转轴本体111的构件。转子112的形状不受特别限制。在本实施方式的情况下，转子112包括保持部分116和连接部分117，其中，保持部分116具有保持磁体113的短筒形形状，并且连接部分117连接在保持部分116与旋转轴本体111的外周表面之间。保持部分116与旋转轴本体111同轴地设置。连接部分117沿轴向方向一体地附接至保持部分116的一个端部部分。转子112具有容器形状。在转子112中容纳有用于制动旋转轴本体111的制动器150的至少一部分。因此，可以抑制转向装置100在轴向方向上的长度。
磁体113是通过与由线圈114产生的磁力相互作用而产生使旋转轴本体111旋转的扭矩的构件，并且磁体113沿周向方向彼此并排地附接至转子112的保持部分116的外周表面。磁体113设置成使得磁体113的N极和S极以预定的模式布置。
线圈114是通过将构成电磁体的导电线材料卷绕而获得的构件，该电磁体产生作用在磁体113的磁场。线圈114的卷绕轴线的方向绕旋转轴本体111的轴线沿着径向方向延伸。线圈114设置在相对于磁体113旋转的区域的稍靠外侧的位置，并且线圈114沿周向方向并排地设置以包围磁体113。线圈114固定至具有筒形形状的壳体160的内周表面。线圈114可以包括聚集磁场的芯。
减速器120是连接至马达110的旋转轴本体111以将马达110产生的旋转扭矩放大为能够使转向轮200转向的旋转扭矩的装置。减速器120的类型不受特别限制。在本实施方式的情况下，采用输入轴和输出轴同轴的波动减速器作为减速器120。该波动减速器包括刚性筒形内齿轮123、外齿轮124和波动发生器121，其中，外齿轮124具有与内齿轮123的内齿啮合的外齿，并且外齿轮124是管状的并且在径向方向上是挠性的，而波动发生器121是椭圆形的，并且波动发生器121使外齿轮124相对于内齿轮123变形为椭圆形形状以使这两个齿轮在多个位置处彼此啮合，并且使这些啮合位置沿着内齿轮123循环。
在本实施方式的情况下，外齿轮124是所谓的礼帽状类型，并且外齿轮124包括筒形部分125以及凸缘部分126，外齿形成在该筒形部分125的一个端部部分处，而凸缘部分126在筒形部分125的另一端部部分处径向向外突出。凸缘部分126相对于外齿设置在输入侧。凸缘部分126的外周端部部分固定至壳体160，线圈114固定至壳体160。通过以这种方式设置外齿轮124，将内齿轮123固定成使得内齿轮123能够相对于壳体160旋转的第一轴承127、比如交叉滚子轴承可以在外齿与凸缘部分126之间设置在相对于筒形部分125的外侧处，并且制动器150的一部分等可以设置在筒形部分125的内侧。因此，可以抑制转向装置100在轴向方向上的长度。
波动发生器121被旋转轴本体111同轴地穿过，并且波动发生器121直接地接收来自旋转轴本体111的旋转扭矩。另外，波动发生器121的旋转轴线由旋转轴本体111决定。
内齿轮123经由第一轴承127以能够相对于壳体160旋转的方式固定至壳体160，并且内齿轮123用作输出侧的构件。线圈114固定至壳体160。输出侧构件171固定至内齿轮123以覆盖输出侧。另外，万向节172附接至输出侧构件171。内齿轮123经由输出侧构件171和万向节172而连接至悬架机构的支柱轴230，并且输出使转向轮200转向的旋转扭矩。
制动器150是抑制马达110与减速器120之间的扭矩传递的装置。具体地，制动器150能够通过摩擦抑制和停止旋转轴本体111的旋转，其中，旋转轴本体111是马达110的输出轴本体。在本实施方式的情况下，制动器150是在未通电时接合制动并且在通电时脱开制动的非通电致动类型，并且制动器150设置在马达110与减速器120之间。具体地，制动器150是其操作由电磁体155(参见图3)和偏置构件(未示出)控制的非激励致动类型，并且制动器150包括制动盘151、制动衬块152、电枢153和操作装置154。
制动盘151是具有矩形截面表面的环形构件，制动盘151牢固地附接至旋转轴本体111以沿旋转轴本体111的径向方向突出。制动盘151是与旋转轴本体111一起旋转并且夹在制动衬块152与电枢153之间以通过摩擦在与旋转轴本体111的旋转方向相反的方向上产生扭矩的构件。
制动衬块152是设置在制动盘151的与操作装置154相反的一侧并且固定至操作装置154的构件。制动衬块152是具有矩形截面表面的环形构件。制动衬块152设置成沿旋转轴本体111的径向方向延伸以围绕旋转轴本体111，并且制动衬块152与制动盘151平行设置。
电枢153是设置在制动盘151的与制动衬块152相反的一侧的构件，并且电枢153构造成通过操作装置154的偏置构件的偏置力沿将制动盘151与制动衬块152夹持在一起的方向移动并且在操作装置154的电磁体155被激励的情况下克服偏置构件的偏置力沿接近操作装置154的方向移动。电枢153是具有矩形截面表面的环形构件。电枢153设置成沿旋转轴本体111的径向方向延伸以围绕旋转轴本体111，并且电枢153与制动盘151平行设置。
操作装置154是固定至壳体160的筒形构件，并且包括使电枢153沿旋转轴本体111的轴向方向往复地移动的偏置构件以及电磁体155。偏置构件的示例包括螺旋弹簧。操作装置154包括沿周向方向布置的多个螺旋弹簧。
第一旋转传感器141是检测减速器120的输出侧的旋转角度的传感器。第一旋转传感器141的类型不受特别限制。第一旋转传感器141可以是光学旋转编码器。在本实施方式的情况下，第一旋转传感器141包括检测轴本体143。该检测轴本体143的一个端部部分贯穿减速器120的波动发生器121，并且连接至位于减速器120的输出侧的输出侧构件171的旋转中心。另外，检测轴本体143还贯穿旋转轴本体111的中空部分115。检测轴本体143的另一端部部分从旋转轴本体111突出。第一旋转传感器141在减速器120的输入侧并且在马达110的与减速器120相反的一侧通过对设置在旋转轴本体111的另一端部部分处的盘部分144的旋转角度检测进行检测而基于检测轴本体143的旋转来检测减速器120的输出侧的旋转角度。第一旋转传感器141设置成比制动器150和第二旋转传感器142距减速器120更远。
如上所述，通过使用检测轴本体143将第一旋转传感器141设置在比马达110距减速器120更远的位置处，可以将多个旋转传感器集中在一个位置处，这有利于实现对这些旋转传感器的抑尘措施等。另外，来自旋转传感器的输出信号可以集中在一个位置处以被从壳体160引出，这有利于对壳体160外部的信号线进行处理。此外，可以通过将用于向马达110供电的电线和用于制动器150的电力线集中到与信号线相同的位置处并且将这些线从壳体160引出而使得对电线的处理更为便利。对贯穿壳体160的连接器(未示出)的使用有利于连接至壳体160外部的电线以及与壳体160外部的电线断开连接，并且还能够抑尘。
第二旋转传感器142是附接至马达110的旋转轴本体111以检测马达110的旋转角度的传感器。第二旋转传感器142的类型不受特别限制。在本实施方式的情况下，采用旋转变压器作为第二旋转传感器142。旋转变压器能够精确地感测以较高速度旋转的旋转轴本体111的旋转角度。
如上所述，通过使用第一旋转传感器141获取输出侧的旋转角度并且使用第二旋转传感器142获取输入侧的旋转角度，可以在基于第二旋转传感器142的信息相对于第一旋转传感器141的信息未处于预定关系的情况下使用基于第一旋转传感器141的信息来校准第二旋转传感器142。
壳体160是按以下顺序依次容纳马达110、制动器150、减速器120的至少输入侧、第二旋转传感器142以及第一旋转传感器141的盒状构件。壳体160的形状不受特别限制。在本实施方式的情况下，壳体160具有筒形形状，并且壳体160中的位于第一旋转传感器141附近的部分由盖构件161封闭。壳体160固定至车身210，使得马达110、制动器150、减速器120的至少输入侧、第二旋转传感器142和第一旋转传感器141相对于车身210的形成所谓的轮胎罩的部分设置在外侧，该轮胎罩容纳转向轮200和悬架机构。在本实施方式的情况下，壳体160还容纳设置在减速器120的输出侧的内齿轮123和输出侧构件171的一部分，并且内齿轮123相对于车身210设置在外侧。尽管壳体160附接成从车身210向外突出，但由于壳体160被车辆的发动机罩覆盖，因此壳体160不暴露于外部而不会在视觉上被识别。
如上所述，在根据本实施方式的转向装置100中，制动器150连接在马达110与减速器120之间。因此，马达110的旋转扭矩或者惯性矩在被输入至减速器120前受到抵抗，并且能够抑制由于反向输入的发生而对转向装置100的损害。
扭矩在通过减速器120放大之前针对马达110的旋转扭矩或惯性矩而被抑制，并且因此可以将通过摩擦产生的扭矩设定为较低。因此，可以采用较小的制动器150，并且可以减小转向装置100的尺寸、特别是沿轴向方向的厚度。
通过使用检测轴本体143利用设置在输入侧的位置处的第一旋转传感器141来感测减速器120的输出侧的旋转角度，转向装置100在轴向方向上的长度与旋转角度传感器设置在减速器120的输出侧的情况相比可以缩短。
可以获得较高的抑尘性能，这是由于马达110、制动器150、减速器120、第一旋转传感器141、以及第二旋转传感器142容纳在附接至车身210并且设置在限定轮胎罩的车身210上方的壳体160中，其中，转向轮200设置在该轮胎罩中。
可以容易地处理线束，这是由于用于在壳体160的内部与外部之间交换电信号和电力的电线可以被集中在一个位置处。
通过采用非通电致动类型的制动器，在没有电力供应至转向装置100的情况下、比如当车辆静止时，可以通过制动器150固定旋转轴本体111来调节转向轮200的转动。
在基于来自第一旋转传感器141的信息而判定转向轮200的行为异常的情况下，制动器控制单元181通过致动制动器150来产生抵抗旋转轴本体111的旋转的扭矩。转向轮200的行为异常的状态的示例包括在行驶期间转向轮200由于车辆打滑而接触路缘时转向轮200转向非预期方向的情况。
图3是示出了制动器控制单元181的功能的框图。如图中所示，制动器控制单元181是转向电子控制单元(ECU)180的一部分，并且包括旋转角度获取单元182、时间测量单元183、角速度计算单元184、异常判定单元185、电磁体控制单元186以及车辆状态获取单元187。
旋转角度获取单元182是从第一旋转传感器141获取旋转角度的处理单元。具体地，旋转角度获取单元182可以仅计数来自第一旋转传感器141的脉冲信号的数量，并且根据脉冲的数量计算旋转角度。
时间测量单元183是测量时间的处理单元。时间测量单元183的时间测量方法不受特别限制，并且时间测量单元183可以例如基于制动器控制单元181的采样周期来测量时间。例如，一个采样周期可以确定为时间1。替代性地，采样周期的数量可以乘以采样周期以计算实际时间。
角速度计算单元184基于从旋转角度获取单元182获得的旋转角度和从时间测量单元183获得的时间计算角速度。具体地，角速度计算单元184可以将制动器控制单元181的一个采样周期的旋转角度之差确定为从第一旋转传感器141获得的脉冲数量，并且获得该值作为角速度。而且，在这种情况下，通过将旋转角度除以从时间测量单元183获得的时间来计算角速度。
异常判定单元185通过估计在从角速度计算单元184获得的角速度等于或者大于预定的角速度阈值的情况下引起反向输入来判定异常。
在异常判定单元185输出指示异常的信号的情况下，电磁体控制单元186通过控制制动器150的电磁体155来向旋转轴本体111施加制动扭矩。在本实施方式的情况下，制动器150是非激励致动类型的，并且因此，通过电磁体控制单元186阻止向电磁体155供电来向旋转轴本体111施加制动扭矩。
利用上述构型，可以通过在引起反向输入时制动旋转轴本体111来抑制马达110的惯性扭矩。因此，可以抑制由来自输出侧的反向输入和来自输入侧的扭惯性矩引起的对减速器120的损害。
车辆状态获取单元187从更高级别的ECU、比如转向ECU获取转向轮200所附接的车辆的状态、例如车辆是正在行驶还是静止，并且根据车辆的状态控制制动器150。在本实施方式的情况下，在获取到指示车辆是停放的信息的情况下，车辆状态获取单元187输出信号以致使电磁体控制单元186阻止向电磁体155供电。因此，在车辆静止或类似情况的同时车辆被追尾的情况下，也能够抑制转向轮200的转向。
本发明不限于上述实施方式。例如，本文所描述的构成元件可以根据需要进行组合，或者构成元件中的一些构成元件可以被排除，以实现本发明的不同实施方式。另外，本发明还包括由本领域技术人员在不脱离本发明的范围和精神、即权利要求中所使用的语言的含义的情况下对上述实施方式进行各种可以想到的改变而得到的变型。
例如，尽管根据上述实施方式的转向装置100被描述为经由包括减震器220和支柱轴230的悬架机构而使转向轮200转向的装置，但是转向装置100可以经由不同类型的悬架机构使转向轮200转向，或者转向装置100可以经由与悬架机构分开的转向操作机构而使转向轮200转向。
波动齿轮机构示例性地描述为其中输入轴和输出轴同轴设置的减速器120。然而，减速器120不限于此，并且减速器120例如可以利用行星齿轮机构。
如图4中所示，转向装置100可以包括过载保护装置130。过载保护装置130是所谓的扭矩限制器，扭矩限制器在发生过载的情况下阻断马达110与减速器120之间的扭矩传递。过载保护装置130包括：第一构件131，该第一构件131与旋转轴本体111同轴地设置并且固定至旋转轴本体111的外周表面；第二构件132，该第二构件132在减速器120的输入侧附接至波动发生器121的通孔128的外周边缘部分；偏置构件133，该偏置构件133将第二构件132抵靠第一构件131偏置；以及球形接合构件134，该球形接合构件134设置在第一构件131与第二构件132之间并且在第二构件132被偏置构件133按压抵靠第一构件131时与第一构件131和第二构件132牢固地接合。
在过载保护装置130中，在正常情况下，第一构件131和第二构件132通过偏置构件133的偏置力经由接合构件134牢固地彼此联接，并且因此，旋转轴本体111的旋转扭矩被传递至减速器120的波动发生器121。另一方面，在比如当转向轮200被路缘碰撞时产生了突然的反向输入的情况下，以及在来自支柱轴230的已经经由减速器120减弱了的反向输入的旋转扭矩超过偏置构件133的偏置力的情况下，第二构件132相对于第一构件131空转，并且反向输入不被传递至第一构件131、旋转轴本体111等。
过载保护装置130设置在减速器120的输入侧，并且因此根据已经通过减速器120减小的反向输入的旋转扭矩运行。即，过载保护装置130空转时的旋转扭矩的阈值可以减小，并且可以采用较小的过载保护装置130。因此，可以抑制转向装置100的整体尺寸。
如图4中所示，制动器150可以设置在马达110的与减速器120相反的一侧。制动器150通过在过载保护装置130空转前的状态下抑制马达110的惯性扭矩来保护减速器120。制动器150也能够通过减少过载保护装置130空转的次数来保护过载保护装置130。
转向装置100的一部分或者全部可以设置在轮胎罩的内部。
本发明能够适用于转向轮被独立转向的车辆等、比如汽车、建筑机械和农业机械等。

Claims (5)

1.一种转向装置(100)，其特征在于，所述转向装置(100)包括：
马达(110)，所述马达(110)构造成产生用于使转向轮(200)独立地转向的驱动力；
减速器(120)，所述减速器(120)连接至所述马达(110)的旋转轴本体；以及
制动器(150)，所述制动器(150)构造成抑制所述马达(110)与所述减速器(120)之间的扭矩的传递。
2.根据权利要求1所述的转向装置(100)，其特征在于，所述转向装置(100)还包括：
第一旋转传感器(141)，所述第一旋转传感器(141)构造成检测所述减速器(120)的输出侧的旋转角度；以及
转向电子控制单元(180)，所述转向电子控制单元(180)配置成在所述转向轮(200)的行为基于来自所述第一旋转传感器(141)的信息而是异常的情况下致动所述制动器(150)。
3.根据权利要求2所述的转向装置(100)，其特征在于，所述转向电子控制单元(180)配置成测量时间、配置成基于从所述第一旋转传感器(141)获得的所述旋转角度和根据所测量的时间计算的角速度来判定所述转向轮(200)的行为的异常、并且配置成在所述转向轮(200)的行为被判定为异常的情况下致动所述制动器(150)。
4.根据权利要求2或3所述的转向装置(100)，其特征在于，所述转向电子控制单元(180)配置成在所述转向轮(200)所附接的车辆是静止的情况下致动所述制动器(150)。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的转向装置(100)，其特征在于，所述制动器(150)是构造成在所述制动器(150)未通电时通过摩擦阻止所述马达(110)的所述旋转轴本体的旋转的非通电致动式制动器。
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