CN116733920A - 用于车辆转向系统的滚珠螺母和滚珠丝杠绝对位置传感器 - Google Patents

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Abstract

一种绝对位置传感器，包括：第一齿轮，具有多个齿；旋转位置传感器，可操作地联接到第一齿轮以被构造为检测第一齿轮的旋转位置；以及第二齿轮，包括与第一齿轮的多个齿接合以与第一齿轮一起旋转的螺旋齿，并且具有距第二齿轮的中心第一距离的第一端和距第二齿轮的中心第二距离的相对的第二端，第二距离小于第一距离。

Description

用于车辆转向系统的滚珠螺母和滚珠丝杠绝对位置传感器
相关申请的交叉引用
本公开要求于2022年3月9日提交的题为“用于车辆转向系统的球螺母和齿条绝对位置传感器(BALL NUT AND RACK ABSOLUTE POSITION SENSOR FOR VEHICLE STEERINGSYSTEM)”的美国临时专利申请第63/318,128号的权益，其全部公开内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本公开涉及交通工具(vehicle，车辆)转向系统，并且更具体地说，涉及用于这样的转向系统的滚珠螺母和滚珠丝杠绝对位置传感器。
背景技术
已经开发出各种电动助力转向(EPS)系统来协助操作者进行车辆转向。一种类型的EPS系统被称为齿条电动助力转向(REPS)系统。REPS系统利用电动马达驱动滚珠螺母和齿条。齿条齿与小齿轮接合。小齿轮补充响应于由操作者引起的转向柱的一部分的旋转而旋转的驱动特征，其中驱动特征向齿条提供转向输入。驱动特征可以与转向柱(即，单小齿轮电动助力转向系统)集成，或者可以是例如驱动小齿轮(即，双小齿轮电动助力转向系统)。
转向系统上的绝对位置感测可以通过使用一组齿轮和基于车辆的旋转小齿轮或输入轴的传感器来完成。这些系统倾向于使用轴上的齿轮，该齿轮驱动两个额外的齿轮，以允许传感器在使用另一传感器(诸如马达位置传感器)之前，在车辆启动或初始化时正确地计算齿条或转向位置。
发明内容
根据本公开的一个方面，绝对位置传感器包括：第一齿轮，具有多个齿；旋转位置传感器，可操作地联接到第一齿轮以被构造为检测第一齿轮的旋转位置；以及第二齿轮，包括与第一齿轮的多个齿接合以与第一齿轮一起旋转的螺旋齿，并且具有第一端和相对的第二端，该第一端距第二齿轮的中心第一距离，该相对的第二端距第二齿轮的中心第二距离，第二距离小于第一距离。
根据本公开的另一方面，一种电动助力转向系统包括：滚珠丝杠-螺母组件，包括滚珠丝杠、螺母以及可操作地联接到滚珠丝杠和螺母中的一个以被构造为使滚珠丝杠和螺母中的一个旋转的马达；以及绝对位置传感器，包括具有多个齿的第一齿轮、可操作地联接到第一齿轮以被构造为检测第一齿轮的旋转位置的旋转位置传感器、以及联接到滚珠丝杠和螺母中的一个并包括与第一齿轮的多个齿接合以与第一齿轮一起旋转的螺旋齿的第二齿轮，螺旋齿具有第一端和相对的第二端，第一端距第二齿轮的中心第一距离，相对的第二端距第二齿轮的中心第二距离，第二距离小于第一距离。
根据本公开的又一方面，一种电动助力转向系统包括：滚珠丝杠；螺母，与滚珠丝杠接合，使得螺母相对于滚珠丝杠的旋转使滚珠丝杠移动通过螺母；以及绝对位置传感器，包括第一齿轮，具有多个齿、旋转位置传感器，可操作地联接到第一齿轮以被构造为检测第一齿轮的旋转位置，以及第二齿轮，围绕滚珠丝杠同心地布置以与滚珠丝杠和螺母中的一个一起旋转，第二齿轮与第一齿轮的多个齿接合以被构造为与第一齿轮一起旋转。
这些及其它优点和特征将从以下结合附图的描述变得更明显。
附图说明
视为本发明的主题在说明书结束部分处的权利要求书中被特别指出并明确提出。本发明的前述及其它特征和优点由以下结合附图所作的详细描述中显而易见，在附图中：
图1示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的用于车辆的电动助力转向系统，其包括滚珠丝杠-螺母组件；
图2示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的滚珠丝杠-螺母组件的前视立体图；
图3示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图2的滚珠丝杠-螺母组件的局部前视立体图，其包括绝对位置传感器组件；
图4示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图2的滚珠丝杠-螺母组件的具有螺旋齿的齿轮的前视图；
图5示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图3的滚珠丝杠-螺母组件和绝对位置传感器组件的局部前视图；
图6示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图3的滚珠丝杠-螺母组件和绝对位置传感器组件的局部后视立体图；以及
图7示意性描绘了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图3的滚珠丝杠-螺母组件和绝对位置传感器组件的局部俯视图。
具体实施方式
本文描述的实施例与包括各种转向系统方案的交通工具(诸如汽车、卡车、移动型多用途车辆、多用途车辆、小型货车、船舶、飞机、全地形车辆、休旅车辆或其它合适的车辆)的转向组件结合使用。
首先参照图1，总体上示出了具有绝对位置传感器组件50的电动助力转向系统20。绝对位置传感器组件50被构造为检测转向组件40的绝对位置，并允许移动位置感测从输入/小齿轮轴到滚珠螺母-转向轴线，从而允许对于不需要输入/小齿轮轴的任何应用(例如，线控转向系统)移除该轴线。动力转向系统20可被构造为驾驶员接口转向系统、自主驾驶系统或允许驾驶员接口和自主转向两者的系统。转向系统20可包括：输入装置22，诸如方向盘，其中，驾驶员可以通过转动方向盘来机械地提供转向输入；安全气囊装置24，位于输入装置22上或附近；以及转向柱26，沿着从输入装置22到输出组件28的轴线延伸。转向柱26可包括至少两个轴向可调整部件，例如，第一部分30和第二部分32，它们能够相对于彼此轴向调整以使输入装置22移动靠近或远离驾驶员。第一部分30和第二部分32可以是相对于彼此轴向可移动的上护套和下护套。本文公开的实施例用于电动转向系统，其中输出组件28与转向组件40的马达56操作地连通。转向系统可以是线控转向构造，其中输出组件28通信地联接到马达56以控制马达56的操作。在该构造中，输出组件28可以具有与马达56的有线连接。可替代地，转向系统可以是机械构造，其中输出组件28通过连接到转向柱26的轴36通信地联接到马达56以将物理旋转从输入装置22传递到马达56。
仍参照图1，转向组件40可包括滚珠丝杠-螺母组件42、一对拉杆44、一对转向节46和一对轮48，该对轮48可操作地联接到该对转向节46以允许转向节46使轮48枢转。滚珠丝杠-螺母组件42可包括滚珠丝杠52、螺母54、至少一个马达56和绝对位置传感器组件50。至少一个马达56可以是一对马达，并且可操作地联接到滚珠丝杠52和螺母54中的一个以使滚珠丝杠52轴向地移动。滚珠丝杠52可被构造为沿车辆宽度方向朝向和远离每个轮48移动。该对拉杆44可联接到滚珠丝杠52的每端以与滚珠丝杠52一起移动，并且拉杆44可以可操作地联接到该对转向节46以使该对转向节46和该对轮48枢转，从而使车辆转向。绝对位置传感器组件50可以可操作地联接到滚珠丝杠52和螺母54中的一个，以被构造为检测滚珠丝杠52的绝对位置，并因此检测轮48的绝对位置。
参照图2和图3，描绘了滚珠丝杠-螺母组件42。滚珠丝杠-螺母组件42可包括外壳60，该外壳60至少部分地包围马达56、绝对位置传感器组件50和附接到螺母54的滚珠丝杠52。螺母54可旋转地联接到滚珠丝杠52并与其接合，使得螺母54相对于滚珠丝杠52的旋转使滚珠丝杠52在车辆宽度方向上移动通过螺母54。可替代地，滚珠丝杠52可以在螺母54固定的同时旋转，以使滚珠丝杠52在车辆宽度方向上移动通过螺母54。如图3所示，每个马达56可包括将旋转从马达56的轴64传递到螺母54的传送带62。在滚珠丝杠-螺母组件42包括两个马达56的实施例中，滚珠丝杠-螺母组件42包括两个螺母54，它们分别可操作地联接到马达56中的一个以由相应的马达56驱动。螺母54的旋转通过螺母54与滚珠丝杠52之间的螺纹接合使滚珠丝杠52移动通过螺母54。滚珠丝杠52到拉杆44以及通过拉杆44到转向节46和轮48的联接可以限制滚珠丝杠52与螺母54一起旋转。可替代地或额外地，滚珠丝杠52可与外壳60螺纹接合，这防止滚珠丝杠52随着螺母54旋转而旋转。虽然马达56被描绘为可操作地联接到螺母54，但是可以设想并且可能的是，马达56可操作地联接到滚珠丝杠52以使滚珠丝杠52相对于螺母54旋转。在这样的实施例中，螺母54被固定到诸如车辆结构或框架，以限制螺母54的运动和旋转。此外，滚珠丝杠52可以诸如通过轴承可旋转地联接到拉杆44，使得滚珠丝杠52可以相对于拉杆44旋转。
参照图3，绝对位置传感器组件50可包括壳体70、第一齿轮72、第二齿轮74、被构造为检测第一齿轮72的旋转位置的旋转位置传感器76、以及偏置构件78。第一齿轮72可包括多个外接本体82的齿80、以及从本体82延伸的毂84。第一齿轮72可以是用于将旋转从第二齿轮传递到旋转位置传感器76的任何齿轮，诸如例如具有直齿的正齿轮、具有成角度的齿或具有渐开线轮廓齿的斜齿轮。毂84可以沿着多个齿80围绕旋转的轴线延伸，并且具有与第一齿轮72的本体82间隔开的端部86。该轴线可以横向于滚珠丝杠52，使得第一齿轮72定位成与第二齿轮74处于蜗轮布置，以基于转向系统20的滚珠丝杠轴线的旋转运动来监测转向位置或滚珠丝杠位置。换句话说，第一齿轮72可以围绕横向于第二齿轮74的旋转轴线的轴线旋转。
如图所示，第一齿轮72可以在单个端部处被联接到滚珠丝杠-螺母组件42的外壳，以悬垂成与第二齿轮74接触。然而，可以设想且可能的是，第一齿轮72在两端部处被支撑成与第二齿轮74接触。
旋转位置传感器76可以联接到第一齿轮72的毂84的端部。旋转位置传感器76可以是霍尔效应传感器，其包括一对磁体90、检测磁体90的位置的传感器板92、以及通信地联接到传感器板92以从传感器板92接收指示磁体90位置的信号的控制器94。该对磁体90可以联接到第一齿轮72的轴线或毂84的中心并从该轴线或中心径向地偏移，以与第一齿轮72一起旋转。传感器板92可以邻近毂84的端部86定位，使得当该对磁体90与第一齿轮72一起旋转时，传感器板92可以确定第一齿轮72的旋转位置。传感器板92基于磁体90的位置向控制器94发送指示第一齿轮72的旋转位置的信号，并且控制器94基于第一齿轮72的旋转位置确定滚珠丝杠52的位置。
参照图3和图4，第二齿轮74可包括：本体100，该本体100在其中心处限定开口102；以及围绕开口102延伸的螺旋齿104。本体100可以联接到螺母54和滚珠丝杠52中的一个，其中滚珠丝杠52延伸穿过本体100中的开口102。本体100可操作地联接到滚珠丝杠52和螺母54中的由马达56旋转的一个，以与滚珠丝杠52和螺母54中的一个一起旋转。例如，在马达56驱动或旋转螺母54的实施例中，第二齿轮74联接到螺母54以与螺母54一起旋转。在替代方案中，在马达56驱动滚珠丝杠52的实施例中，第二齿轮74联接到滚珠丝杠52。第二齿轮74与滚珠丝杠52和螺母54中的一个之间的联接允许旋转位置传感器76经由第二齿轮74的旋转来检测滚珠丝杠52的位置。第二齿轮74可以安装到滚珠丝杠52以围绕滚珠丝杠52的中心线旋转，并且可以是现有滚珠螺母机构上的特征，作为附接到滚珠螺母机构的次级部件，或者作为壳体中沿着滚珠丝杠轴线的单独旋转部件。
参照图4，螺旋齿104包括第一端108和相对的第二端110，螺旋齿104至少部分地围绕开口102在第一端108与相对的第二端110之间延伸。螺旋齿104可以部分地围绕、全旋转地围绕、或多于全旋转地围绕第二齿轮74的中心或开口102延伸。在螺旋齿104延伸单个旋转的实施例中，螺旋齿104的第一端108可以与中心或开口102相距第一距离，并且螺旋齿104的第二端110可以与中心或开口102相距第二距离，其中第二距离小于第一距离。第一距离与第二距离之间的差可以等于第一齿轮72上的每个齿80的宽度或者第一齿轮72的相邻齿80的顶点之间的距离。这种布置允许第二齿轮74的单个旋转使第一齿轮72旋转，以将多个齿80中的一个齿移动到多个齿80中的相邻齿80的位置。然而，可以设想且可能的是，第二齿轮74的单个旋转使第一齿轮72旋转，以将一个齿80移动得比相邻齿80的位置更多或更少。在螺旋齿104围绕中心延伸超过整个旋转的实施例中，螺旋齿104可以限定在螺旋的每个路径之间的具有距离d1的间隔S。距离d1可以等于第一齿轮72上的每个齿的宽度，或者等于第一齿轮72的每个相邻齿的每个顶点之间的距离。
当第二齿轮74旋转时，由螺旋齿104限定的间隔S的距离d1影响第一齿轮72的旋转。例如，当间隔S的距离d1增大时，第二齿轮74与第一齿轮72之间的传动比减小，使得第一齿轮72的旋转针对第二齿轮74的每个旋转增大。第一齿轮72与第二齿轮74之间的传动比允许第一齿轮72在滚珠丝杠52的整个行程长度上被限制为单个旋转。例如，马达56可以将螺母54旋转32圈以在整个行程长度上移动滚珠丝杠52，将轮48从右转构造枢转到左转构造，反之亦然。在该示例中，第二齿轮74与第一齿轮72的传动比可以等于或大于32：1，以限制第一齿轮72旋转单个旋转或更少，其中第一齿轮72的单个旋转位置与滚珠丝杠52的单个位置相关联。换句话说，第一齿轮72上的磁体90在滚珠丝杠52的整个行程长度上从不处于多于一个的位置，使得轮48的单个位置与第一齿轮72的单个旋转位置相关联。因此，绝对位置传感器组件50的旋转位置传感器76能够检测滚珠丝杠52的绝对位置而不使用额外的齿轮。在这种描述的蜗轮布置中，第二齿轮74可以大于第一齿轮72，例如，第一齿轮72的齿具有比第二齿轮74的螺旋齿104更小的半径，以将大的轴向行程改变为在垂直轴线上的小的旋转运动。
参照图3和图5-图7，壳体70可包括包围第一齿轮72的毂84和旋转位置传感器76的传感器外壳114、以及通过活动铰链118联接到外壳114的偏置结构116。偏置结构116从传感器外壳114延伸，以部分地在第一齿轮72的多个齿80上延伸。换句话说，偏置结构116在多个齿80的圆周的一部分上延伸。偏置构件78与偏置结构116接合，以将偏置结构116偏置到第一齿轮72的多个齿80中。偏置结构116可以成型(例如，凹入)为与第一齿轮72的圆周互补，以限制与第一齿轮72的旋转和多个齿80的运动的干涉。偏置构件78可以联接到壳体70的传感器外壳114，并延伸到偏置结构116，以将偏置结构116偏置成与第一齿轮72接触。第一齿轮72上的来自偏置构件78和偏置结构116的偏置力将第一齿轮72朝向第二齿轮74偏置，以啮合第一齿轮72和第二齿轮74，防止第一齿轮72与第二齿轮74之间的间隙。
参照图1-图7，在操作中，控制器94可以确定滚珠丝杠52的初始位置和轮48的相关位置。控制器94可以在车辆启动时确定该位置。随后，驾驶员可以致动输入装置22以转动车辆的轮48，其中输出组件28接收来自输入装置22的输入，并向马达56发送信号以致动转向组件40。一旦接收到来自输出组件28的信号，马达56就旋转相应的轴并通过传送带62将转动传递到相应的螺母54。螺母54的旋转引起滚珠丝杠52沿车辆宽度方向移动通过螺母54，使拉杆44与滚珠丝杠52一起移动，从而旋转转向节46和轮48以使车辆转向。当滚珠丝杠52移动并且第一齿轮72旋转时，控制器94基于第一齿轮72的同时期的位置连续地确定滚珠丝杠52和轮48的位置。
所述类型的传感器机械化是无输入轴系统的核心要求，因为马达传感器当前在启动时不提供精确的转向位置。这些实施例被按比例缩放，使得对于所需的滚珠丝杠行程长度，垂直轴的旋转处于或低于一个旋转，从而允许使用单个齿轮对，而不是当前位置传感器设计上所需的当前三个齿轮对，因为需要多个输入转动以获得离散位置解(discreteposition solutions)。这对于新的线控转向系统设计是有益的，其中不再需要驾驶员输入，并且允许从仍然需要绝对位置感测的系统架构中移除小齿轮轴线的垂直分量。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应该容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，可以修改本发明以并入上文未描述但符合本发明的构思和范围的任意数量的变型、变更、替换或等同布置。额外地，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但应该理解的是，本发明的各个方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明并不被视为由上述说明书限制。

Claims (20)

1.一种绝对位置传感器，包括：
第一齿轮，具有多个齿；
旋转位置传感器，能操作地联接到所述第一齿轮以被构造为检测所述第一齿轮的旋转位置；以及
第二齿轮，包括与所述第一齿轮的多个齿接合以与所述第一齿轮一起旋转的螺旋齿，并且具有第一端和相对的第二端，所述第一端距所述第二齿轮的中心第一距离，所述相对的第二端距所述第二齿轮的中心第二距离，所述第二距离小于所述第一距离。
2.根据权利要求1所述的绝对位置传感器，其中，所述第一距离与所述第二距离之间的差等于所述多个齿的相邻齿的顶点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的绝对位置传感器，其中，所述第一齿轮围绕横向于所述第二齿轮的旋转轴线的轴线旋转。
4.根据权利要求1所述的绝对位置传感器，其中，所述第二齿轮的螺旋齿围绕所述第二齿轮的中心延伸。
5.根据权利要求1所述的绝对位置传感器，其中，所述旋转位置传感器包括霍尔效应传感器。
6.根据权利要求5所述的绝对位置传感器，其中，所述霍尔效应传感器包括一对磁体，该对磁体联接到所述第一齿轮的毂的中心并且从其径向地偏置，以与所述第一齿轮一起旋转。
7.根据权利要求6所述的绝对位置传感器，还包括与所述第一齿轮接合以使所述第一齿轮朝向所述第二齿轮偏置的偏置构件。
8.根据权利要求7所述的绝对位置传感器，还包括壳体，所述壳体包括包围所述第一齿轮的毂和所述位置传感器的外壳、以及通过活动铰链联接到所述外壳的偏置结构，所述偏置构件与所述偏置结构接合以将所述偏置结构偏置到第一齿轮中。
9.一种电动助力转向系统，包括：
滚珠丝杠-螺母组件，包括滚珠丝杠、螺母以及马达，所述马达能操作地联接到所述滚珠丝杠和所述螺母中的一个以被构造为使所述滚珠丝杠和所述螺母中的一个旋转；以及
绝对位置传感器，包括：
第一齿轮，具有多个齿；
旋转位置传感器，能操作地联接到所述第一齿轮以被构造为检测所述第一齿轮的旋转位置；以及
第二齿轮，联接到所述滚珠丝杠和所述螺母中的一个，并包括与所述第一齿轮的多个齿接合以与所述第一齿轮一起旋转的螺旋齿，所述螺旋齿具有第一端和相对的第二端，所述第一端距所述第二齿轮的中心第一距离，所述相对的第二端距所述第二齿轮的中心第二距离，所述第二距离小于所述第一距离。
10.根据权利要求9所述的电动助力转向系统，其中，所述第二齿轮围绕所述滚珠丝杠同心地布置。
11.根据权利要求9所述的电动助力转向系统，还包括一对联接到所述滚珠丝杠的每一端的拉杆，所述拉杆能操作地联接到一对转向节，并且所述滚珠丝杠的运动使该对转向节枢转。
12.根据权利要求9所述的电动助力转向系统，其中，所述第一距离与所述第二距离之间的差等于所述多个齿的相邻齿的顶点之间的距离。
13.根据权利要求9所述的电动助力转向系统，其中，所述第二齿轮的螺旋齿围绕所述第二齿轮的中心延伸。
14.根据权利要求9所述的电动助力转向系统，其中，所述位置传感器包括霍尔效应传感器。
15.根据权利要求14所述的电动助力转向系统，其中，所述霍尔效应传感器包括一对磁体，该对磁体联接到所述第一齿轮的毂的中心并且从其径向地偏置，以与所述第一齿轮一起旋转。
16.根据权利要求15所述的电动助力转向系统，其中，与所述第一齿轮接合的偏置构件将所述第一齿轮朝向所述第二齿轮偏置。
17.根据权利要求16所述的电动助力转向系统，还包括壳体，所述壳体包括包围所述第一齿轮的毂和所述位置传感器的外壳、以及通过活动铰链联接到所述外壳的偏置结构，所述偏置构件与所述偏置结构接合以将所述偏置结构偏置到所述第一齿轮中。
18.一种电动助力转向系统，包括：
滚珠丝杠；
螺母，与所述滚珠丝杠接合，使得所述螺母相对于所述滚珠丝杠的旋转使所述滚珠丝杠移动通过所述螺母；以及
绝对位置传感器，包括：
第一齿轮，具有多个齿；
旋转位置传感器，能操作地联接到所述第一齿轮以被构造为检测所述第一齿轮的旋转位置；以及
第二齿轮，围绕所述滚珠丝杠同心地布置以与所述滚珠丝杠和所述螺母中的一个一起旋转，所述第二齿轮与所述第一齿轮的多个齿接合以被构造为与所述第一齿轮一起旋转。
19.根据权利要求18所述的电动助力转向系统，其中，所述第二齿轮包括与所述第一齿轮的多个齿接合以与所述第一齿轮一起旋转的螺旋齿，并且具有第一端和相对的第二端，所述第一端距所述第二齿轮的中心第一距离，所述相对的第二端距所述第二齿轮的中心第二距离，所述第二距离小于所述第一距离。
20.根据权利要求18所述的电动助力转向系统，还包括：
偏置构件，与所述第一齿轮接合以将所述第一齿轮朝向所述第二齿轮偏置；以及
壳体，包括包围所述第一齿轮的毂和所述位置传感器的外壳、以及通过活动铰链联接到所述外壳的偏置结构，所述偏置构件与所述偏置结构接合以将所述偏置结构偏置到所述第一齿轮中。
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