CN1133580A - 电动转向机构 - Google Patents

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Abstract

一种电动驱动装置(30)，用于向具有用来操纵转向机构(10)的可手动转动构件(18)的汽车转向机构(10)提供动力支援，驱动装置(30)包括：一扭矩检测器，用以检测以手动方式施加于可转动构件(18)的扭矩；一电动驱动马达，驱动连接于可转动构件(18)；以及一控制器(40)，用于响应从扭矩检测器接收的讯号而控制驱动马达的转动速度和方向，扭矩检测器包括：一检测器转轴，适合连接于可转动构件以构成其延伸段，从而在可转动构件(18)以手动方式转动时扭矩可以经由所述检测器转轴传递；以及一应变计，装在检测器转轴上用以产生表明经由所述转轴传递的扭矩大小的讯号。

Description

电动转向机构
本发明涉及一种用于向汽车转向机构提供动力支援的电动驱动装置。
按照本发明的一个方面，提供了一种用于向具有用来操纵转向机构的可手动转动构件的汽车转向机构提供动力支援的电动驱动装置，驱动装置包括：一扭矩检测器，可用以检测以手动方式施加于可转动构件的扭矩；一电动驱动马达，驱动连接于可转动构件；以及一控制器，配置的目的在于响应从扭矩检测器接收的讯号而控制驱动马达的转动速度和方向，扭矩检测器则包括：一检测器转轴，适合连接于可转动构件以构成其延伸段，以致在可转动构件以手动方式转动时扭矩经由所述检测器转轴传递；以及一应变计，装在检测器转轴上用以产生可表明经由所述检测器转轴所传递的扭矩大小的讯号。
可取的是，检测器转轴在一个轴向端部处不可转动地装在一第一联接件之中，而在其相反的一个轴向端部处不可转动地装在一第二联接件之中，第一和第二联接件相互接合，其间只允许有限转动，以致在一预定限度以下的扭矩只由检测器转轴传递，而所述预定限度以上的扭矩经由第一和第二联接件传递。
第一和第二联接件可取地配置得充当一个用于把转动构件的第一和第二部分彼此驱动连接起来的桥梁。
可取的是，检测器转轴在其大部分长度上具有基本上矩形的横截面。
可取的是，应变计包括固定于检测器转轴的一只或多只SAW谐振器。
可取的是，马达经由一离合器驱动连接于可转动构件。
可取的是，马达包括一齿轮箱并配置得与可转动构件同心。
本发明的许多方面将在下面参照附图予以说明，其中：
图1是本发明包括一种电动驱动装置的汽车转向机构的示意图；
图2是表明图1所示驱动装置的各种部件之间相互作用的流程图；
图3是通过图1所示驱动装置的一轴向剖面图；
图4是沿着图3中直线IV-IV截取的一剖面视图；
图5是图3中所示输入驱动联轴器的一更为详细的分解图；
图6是图3中所示离合器的一更为详细的分解图。
首先参看图1，图中表明驱动连接于一对转向轮12的一种汽车转向机构10。
图示转向机构10包括一经由接头15连接于车轮12的齿条与小齿轮总成14。总成14的小齿轮(未画出)由一转向柱18形式的手动转动构件可转动地驱动，而转向柱18则由驾驶盘19以手动方式使之转动。
转向柱18包括一电动驱动装置30，该电动驱动装置包括一电力驱动马达(图1中未画出)，用于响应转向柱18上的扭矩载荷驱动小齿轮，以便在转动驾驶盘19时为操作提供动力支援。
如图2所简略表明，电动驱动装置包括一扭矩检测器20，可在驱动小齿轮时测定转向柱18施加的扭矩并向一控制器40提供一讯号。控制器40连接于一驱动马达50并控制供向马达50的电流以控制马达50所产生的扭矩大小及其转动方向。
最好是，马达50经由一齿轮箱60和一离合器70驱动连接于转向柱18，齿轮箱60最好是一行星齿轮箱。离合器70最好是在正常操作期间永久性地接合，且在一定条件下可进行操作以隔绝马达50的驱动力，以使小齿轮能够经由驱动装置30以手动方式驱动。这是一项在以下情况下使机构执行功能的安全特性，即在马达50试图过快地和/或沿错误方向驱动转向柱的时候，或在马达和/或齿轮箱卡住的场合。
扭矩检测器20最好是一包括一较短检测器转轴的组件，检测器转轴上装有一应变计，该应变计能够精确测定由施加的在一预定范围内的扭矩而引起的检测器转轴中的应变。
最好是，所测定的扭矩的预定范围是0-10Nm；更为可取的是大约1-5Nm。
最好是，所测定的扭矩范围对应于大约0-1000微应变，而检测器转轴的结构选定得使-5Nm的扭矩在转轴上造成小于2°的扭转，更为可取的是小于1°。
最好是，应变计是-SAW谐振器，适当的一种SAW谐振器在WO91/13832中有所说明。最好是采用类似于WO91/13832的图3中所示的结构，其中两只SAW谐振器布置成与转轴轴线成45°且彼此成90°。
最好是，各谐振器的工作谐振频率在200-400MHz之间，而且配置得可根据检测器转轴的转动方向而向控制器40产生1MHz±500KHz的讯号。因此，在检测器转轴由于不受扭矩而不被扭转时，它产生1MHz的讯号。
在检测器转轴在一个方向上受扭时，它产生1.0至1.5MHz之间的讯号。在检测器转轴在另一方向上受扭时，它产生1.0至0.5 MHz之间的讯号。于是同一检测器能够产生既表明扭矩大小也能表明检测器转轴转动方向的讯号。
最好是，马达相应于所测定的0-10Nm之间的扭矩产生的扭矩是0-40Nm，而对所测定的1-5Nm之间的扭矩，产生的扭矩是0-25Nm。
最好是，设置一反馈电路，借以由控制器40测定并比较马达所使用的电流，以确保马达运行在正确方向并提供所需大小的动力支援。最好是，控制器发挥作用把测得的扭矩减小到零，并如此控制马达增大其扭矩输出以减小测得的扭矩。
最好是，配置一车速检测器(未画出)，把表明车速的讯号发送至控制器。控制器利用此讯号来修改响应测得的扭矩而提供的动力支援大小。
于是，在低车速时，将提供最大的动力支援，而在高车速时，将提供最小的动力支援。
控制器最好是一逻辑定序器(logic sequencer)，具有一现场可编程门阵列，比如由Xilinx公司所供应的一XC4005。这样一种控制器不依靠软件，因而能够比较可靠地在汽车环境中执行功能。可以设想，不具有一个现场可编程阵列的逻辑定序器也是可以采用的。
一种电动驱动装置30的具体结构示于图3之中。
装置30包括一基本上圆筒形状的壳体21，在一轴向端部具有一输入联轴器22，而在另一轴向端部具有一输出联轴器23。
一转轴总成25延伸在输入与输出联轴器22、23之间，以在其间形成一直接的机械驱动连接，从而联轴器22的转动使联轴器23与之一致转动。
转轴总成25包括一具有圆截面的主转轴26，主转轴26在一轴向端部处连接于输出联轴器23，而在其另一轴向端部处连接于扭矩检测器20的检测器转轴36。从图3和4可见，检测器转轴36基本上为矩形截面，在其各端部具有圆形截面，其本身连接于输入联轴器22。
转轴36最好是具有矩形截面，因为这样可使具有同样扭转抗力的转轴能够用大批生产方法精确地制作出来。转轴可以是机加工或铸造的。
输入联轴器22比较清楚地示于图5之中。
联轴器22包括一第一联接件122，用螺栓121固定于一第二联接件123。螺栓121穿过第一联接件122之中的硕长槽孔125，从而第一和第二联接件122、123可以彼此相对转过一有限的弧度。
联接件122、123之间的相对角位移大小由装在定位销127上面的止动块126确定，止动块与制成在联接件122之中的一凹槽(未画出)协同工作。
联接件122具有一凹槽128，用于容纳检测器转轴36的上端。
检测器转轴的轴向上端形成有一平头36a，并配置一楔件129用于穿过孔眼129a把检测器转轴的上端牢牢地锁定在凹槽128之中。最好是配置一无头螺丝嵌入孔眼129a以防止楔件沿轴向退出。
检测器转轴的轴向下端位于第二联接件123的一凹槽130之内，并由穿过围绕联接件123周缘制成的螺孔132的各无头螺丝固定。一轴承135位于联接件122与123之间，以在其间形成转动连接。
用以构成检测器转轴36的尺寸、形状和材料选择得在传递手动输入所需的最大预定扭矩时使转轴产生一预定的微小扭角。
在一种用于传递高至5Nm扭矩的一种典型装置中，转轴36大约是50Hm，圆形端部的直径大约是16mm，以及矩形截面的横截面尺寸大约是16×5mm。采用由KE805钢制成的这样一根转轴，5Nm扭矩下测得的应变大约是500微应变，而扭角小于0.3°。
联接件122、123配置得在传递低于预定值(一般5Nm)的扭矩时使检测器转轴的扭转不受阻碍，但却可转动地接合起来以传递超过预定值的扭矩。于是，检测器转轴与传递大于预定值的扭矩一事绝缘，因而不会过度变形。
检测器转轴36上面装有一应变计37，用以测定在输入联轴器22转动时所造成的检测器转轴36的应变量。
应变计37经由一由一对印刷电路板43、43所形成的电容耦合装置(capacitive coupling)42电连接于控制器40(图3中未画出)。上板43连接于有待与之一起被转动的输入联接件123，而下板44固定于壳体21。下部印刷电路板44包含一个电路，用于把由各谐振器产生的200-400MHz的讯号转变为预定的1MHz讯号以传递给控制器。
将会理解，应变计37可以通过另外的耦合装置，比如电感耦合装置联接于控制器。
马达50：最好是一无刷DC马达，无刷DC马达最好是一种低速、大扭矩、低扭矩波动的马达。
马达50最好是一围绕主转轴26的同心马达，并具有一固定于壳体21的外部定子51和一驱动行星齿轮箱60的中心齿轮53的内部转子52。
齿轮箱54具有一装在壳体21上面的固定外齿圈55，从而齿轮箱的输出驱动力是经由行星齿轮托架57传送的。
行星齿轮托架57具有许多销柱58，这些销柱经由离合器70把驱动力传递给主转轴26。
离合器70较为详细地示于图6。
离合器70包括一驱动盘总成170，它包括一对圆盘171、172和装在各压紧螺栓175上的各压缩弹簧174，螺栓175依靠螺纹旋装在圆盘172上。各弹簧174可使圆盘171、172沿轴向分离。圆盘171、172由齿轮托架57上面的各销柱58驱动。
离合器70还包括一具有管状延伸段177的从动圆盘176。
从动圆盘176位于制成在圆盘171上的一凹槽180里面，并由一台肩183保持与圆盘172沿轴向压紧。许多装在凹坑186中的圆球185安放在圆盘176与172之间。在各圆球185留在各凹坑186中时，驱动力从圆盘172传向圆盘176。
如果在圆盘172、176之间传递超过某一预定值的扭矩，就使得各圆盘沿轴向分开而失去其间的驱动作用。
管状延伸段177具有一内孔179，可容纳联接件123的管状延伸段123a。管状延伸段123a和177彼此固定，并固定于主转轴26。
因此，主转轴26的转动驱动力由联接件123和/或离合器70提供。在马达一旦失效时，离合器70将依靠手动转向柱18而工作以断开马达，并因而使转轴26的转动驱动力只经由联接件123传递。
上述装置30提供了一种紧凑的、包括组装在一单个壳体之中的扭矩检测器和马达的整体。典型地，壳体21直径约为130mm而长度约为210mm。
可以想见，包括与检测器转轴36和应变计37相结合的联轴器22的扭矩检测器20可以用作一种单独的装置，用以装入任何转动构件来测定由它传递的扭矩。这样一种检测器20可以用来控制一可能与转动构件同心或不同心的单独马达。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1、一种电动驱动装置，用于向具有用来操纵转向机构的可手动转动构件的汽车转向机构提供动力支援，驱动装置包括：一扭矩检测器，用以检测以手动方式施加于可转动构件的扭矩；一驱动连接于可转动构件的电动驱动马达；以及一控制器，用以响应从扭矩检测器接收的讯号而控制驱动马达的转动速度和方向，扭矩检测器则包括：一检测器转轴，适合连接于可转动构件以构成其延伸段，从而在可转动构件以手动方式转动时扭矩经由所述检测器转轴传递；以及一应变计，装在检测器转轴上用以产生表明经由所述转轴所传递的扭矩大小的讯号，马达经由一在正常情况下永久性接合的离合器驱动连接于可转动构件，离合器可在通过离合器传递超过某一预定值的扭矩时发挥作用，使马达与可转动构件驱动脱开。
2、按照权利要求1所述的电动驱动装置，其中，检测器转轴的一个轴向端部不可转动地装接于一第一联接件，而其相反的一个轴向端部不可转动地装接于一第二联接件，第一和第二联接件相互接合成其间只允许有限转动，从而检测器转轴只传递在一预定限度以下的扭矩，而所述预定限度以上的扭矩经由第一和第二联接件传递。
3、按照权利要求2所述的电动驱动装置，其中，第一和第二联接件配置得充当一个用于把转动构件的第一和第二部分彼此驱动连接起来的桥梁。
4、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，检测器转轴在其大部分长度上具有基本上矩形的横截面。
5、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，检测器转轴制成为一5Nm的扭矩可导致围绕转轴轴线的、小于2°的转角。
6、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，应变计包括一只或多只固定于检测器转轴上的SAW谐振器。
7、按照权利要求6所述的电动驱动装置，其中，各谐振器的工作谐振频率在200-400MHz之间，并配置得当检测器转轴沿一个方向扭转时产生1.0至1.5MHz之间的发向控制器的讯号，而当检测器转轴沿另一方向扭转时产生1至0.5MHz之间的讯号。
8、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，马达包括一齿轮箱并相对于可转动构件同心配置。
9、一种包括按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置的汽车转向机构。

Claims (10)

1、一种电动驱动装置，用于向具有用来操纵转向机构的可手动转动构件的汽车转向机构提供动力支援，驱动装置包括：一扭矩检测器，用以检测以手动方式施加于可转动构件的扭矩；一驱动连接于可转动构件的电动驱动马达；以及一控制器，用以响应从扭矩检测器接收的讯号而控制驱动马达的转动速度和方向，扭矩检测器则包括：一检测器转轴，适合连接于可转动构件以构成其延伸段，从而在可转动构件以手动方式转动时扭矩经由所述检测器转轴传递；以及一应变计，装在检测器转轴上用以产生表明经由所述转轴所传递的扭矩大小的讯号。
2、按照权利要求1所述的电动驱动装置，其中，检测器转轴的一个轴向端部不可转动地装接于一第一联接件，而其相反的一个轴向端部不可转动地装接于一第二联接件，第一和第二联接件相互接合成其间只允许有限转动，从而检测器转轴只传递在一预定限度以下的扭矩，而所述预定限度以上的扭矩经由第一和第二联接件传递。
3、按照权利要求2所述的电动驱动装置，其中，第一和第二联接件配置得充当一个用于把转动构件的第一和第二部分彼此驱动连接起来的桥梁。
4、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，检测器转轴在其大部分长度上具有基本上矩形的横截面。
5、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，检测器转轴制成为-5Nm的扭矩可导致围绕转轴轴线的、小于2°的转角。
6、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，应变计包括一只或多只固定于检测器转轴上的SAW谐振器。
7、按照权利要求6所述的电动驱动装置，其中，各谐振器的工作谐振频率在200-400MHz之间，并配置得当检测器转轴沿一个方向扭转时产生1.0至1.5MHz之间的发向控制器的讯号，而当检测器转轴沿另一方向扭转时产生1至0.5MHz之间的讯号。
8、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，马达经由一离合器驱动连接于可转动构件。
9、按照前述任一项权利要求所述的电动驱动装置，其中，马达包括一齿轮箱并相对于可转动构件同心配置。
10、一种包括按照前述任何一项权利要求所述的电动驱动装置的汽车转向机构。
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