CN117989249A - 动力转向辅助机构冗余转子联轴器组件 - Google Patents

Abstract

一种用于动力转向辅助机构的转子联轴器组件，包括具有第一轴向侧和第二轴向侧的转子联轴器。该转子联轴器组件还包括具有多个齿的第一转子联轴器适配器，该多个齿延伸到由转子联轴器在转子联轴器的第一轴向侧上限定的对应的多个窗口中。该转子联轴器组件还包括具有多个齿的第二转子联轴器适配器，该多个齿延伸到由转子联轴器在转子联轴器的第二轴向侧上限定的对应的多个窗口中。

Description

动力转向辅助机构冗余转子联轴器组件

技术领域

本申请总体涉及用于交通工具转向系统的动力转向辅助机构，尤其涉及用于此类系统的冗余转子联轴器组件，以及组装该冗余转子联轴器组件的方法。

背景技术

交通工具可以采用动力转向辅助机构，通过蜗杆/蜗轮组件向交通工具的转向轴提供扭矩辅助。在一些动力转向辅助机构中，需要具有性能更强的转子联轴器子系统。当前的转子联轴器组件包括固定的和柔性塑料转子联轴器，这些转子联轴器受限于单点故障模式和封装约束。

一些动力转向辅助机构受到不良制造和组装方面的影响。机电辅助系统中联轴器系统的标准设计是在辅助马达和驱动蜗杆轴之间机械地转换扭矩。该转子联轴器的连接通过在两端通过滑动到配接花键的过渡配合来完成。如行业标准所限定，两端的配接轴使用外部齿组与转子联轴器的内部齿组配接。为了实现诸如间隙、耐久性和扭转强度等功能性能目标，花键设计被构造为过渡配合类型。该过渡配合是外部花键齿和内部花键齿之间经由夹紧环诱发的过盈配合。该夹紧环在转子联轴器上施加向内的压力以减少小花键在节圆处的直径宽度。这种减少是过渡配合的基础，其中外部花键的侧面与内部花键的侧面相交。这可以足够提供低间隙(即，花键齿之间的自由度)。然而，随着时间的推移，模制塑料部件在使用过程中的产品磨损会产生间隙或扭转损耗。这种损耗功能的限定性特征是配接花键齿之间的表面接触斑块。虽然能够通过增大过盈量来减轻损耗，但相应的环向应力和零件强度的指标也会受到负面影响。此外，还包括相应的齿廓的小齿和大齿之间的袋状缺口，以免接触不明确的齿根。当前配合的总和是适当的，尽管系统中存在单点故障，这取决于对工作系统中整体应力的鲁棒性水平。

发明内容

根据本公开的一方面，一种用于动力转向辅助机构的转子联轴器组件，包括：转子联轴器，具有第一轴向侧和第二轴向侧。该转子联轴器组件还包括第一转子联轴器适配器，具有延伸到由转子联轴器在转子联轴器的第一轴向侧上限定的对应的多个窗口中的多个齿。转子联轴器组件还包括第二转子联轴器适配器，具有延伸到由转子联轴器在转子联轴器的第二轴向侧上限定的对应的多个窗口中的多个齿。

根据本公开的另一方面，动力转向辅助机构包括：马达，具有马达输出轴。该动力转向辅助机构还包括辅助机构，辅助机构包括具有花键端部的蜗杆。该动力转向辅助机构还包括转子联轴器组件，该转子联轴器组件连接马达输出轴和蜗杆的花键端部。转子联轴器组件包括具有第一轴侧和第二轴向的转子联轴器。转子联轴器组件还包括具有多个齿的第一转子联轴器适配器，该多个齿延伸到由转子联轴器在转子联轴器的第一轴向侧上限定的对应的多个窗口中。所述转子联轴器组件还包括具有多个齿的第二转子联轴器适配器，该多个齿延伸到由转子联轴器在转子联轴器的第二轴向侧上限定的对应的多个窗口中，其中第一转子联轴器适配器和第二转子联轴器适配器具有几何上一致的形状。转子联轴器组件还包括压肋突起，压肋突起形成在转子联轴器的第一轴向侧和第二轴向侧中的至少一侧上的多个辐条中的一个辐条上。

根据本公开的另一方面，提供了一种组装用于动力转向辅助的转子联轴器组件的方法。该方法包括：将轴的花键端部插入到转子联轴器适配器的花键容置孔中。该方法还包括将轴和转子联轴器适配器超声波焊接到彼此。

结合附图，这些和其他优点和特征从以下描述中将变得更为显而易见。

附图说明

说明书末尾的权利要求书中特别指出并明确声明了视为本发明的主题。结合附图，从给出的以下详细描述中可以清楚了解到本发明的上述及其他特征、以及优点，在附图中：

图1示意性地示出了电动动力转向(EPS)系统；

图2是用于EPS系统的转子联轴器组件的立体分解图；

图3是转子联轴器组件的转子联轴器的立体图；

图4是转子联轴器的正视图；

图5是转子联轴器的剖面图；

图6是在转子联轴器组件在组装的情况下设置在转子联轴器开口内的转子联轴器适配器的齿的立体图；

图7是根据组装根据本公开一方面的转子联轴器组件的方法联接到转子联轴器适配器的轴的剖面图；以及

图8是用于组装图7的转子联轴器组件的方法的机器的立体图。

具体实施方式

参考附图，其中将参照具体实施例来描述本发明，而不限制本发明，图1示出了适用于实施所公开实施例的电动动力转向(EPS)系统40的实施例。转向机构36是一种齿轮齿条(rack-and-pinion)型系统，并且包括壳体50内的齿条(未示出)和位于齿轮壳体52下方的锥齿轮(也未示出)。当操作员输入时，在下文中表示为转动方向盘26(例如，手轮等)，上转向轴29转动，并且下转向轴51(通过万向节34连接到上转向轴29)转动锥齿轮。锥齿轮的旋转移动齿条，齿条移动拉杆38(仅示出一个)，进而移动转向节39(仅示出一个)，转向节转动可转向的(多个)车轮44(仅示出一个)

电动动力转向辅助是通过控制装置(通常由附图标记24表示)提供的，并且包括控制器16和电动机19，电动机19是永磁同步马达，并且在下文中表示为马达19。控制器16由交通工具的电源10通过线路12供电。转向角通过转向角位置传感器32进行测量，该传感器可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其它合适类型的位置传感器，并向控制器16提供位置信号20。

当方向盘26转动时，扭矩传感器28感测由交通工具操作员施加到方向盘26上的扭矩。扭矩传感器28可以包括扭杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，其根据扭杆上的扭转量向控制器16输出可变扭矩信号18。尽管这是一种扭矩传感器类型，但与已知信号处理技术一起使用的任何其它合适的扭矩感测设备也是满足需求的。响应于各种输入，控制器向电动马达46发送命令22，电动马达通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供扭矩辅助，为交通工具转向提供扭矩辅助。

尽管上文描述并在图1中示出了在具有连续连接转向柱/轴的EPS系统中进行使用，但应当理解的是，转向系统中使用的任何动力辅助机构都可以受益于本文公开的实施例。例如，可以想到线控转向或自动转向系统。

现在参考图2，更详细地示出了转子联轴器组件100。在组装状态下，该转子联轴器组件100将马达46的马达输出轴(未示出)联接到蜗杆47。转子联轴器组件100包括转子联轴器102和一对转子联轴器适配器，分别称为第一转子联轴器适配器104和第二转子联轴器适配器106。第一转子联轴器适配器104在转子联轴器102靠近马达输出轴的一侧。第二转子联轴器适配器106在转子联轴器102的相对侧，即更靠近蜗杆47。在示出的实施例中，第二转子联轴器适配器106设置在转子联轴器102和轴承108之间。即使图示为分解图，但能够看出蜗杆47的花键端部区域110延伸穿过轴承108的中心孔，并且形成与内壁114上的内部花键112啮合，内壁114限定了第二转子联轴器适配器106的中心孔。类似地，即使没有示出，但马达输出轴的花键端部与第一转子联轴器适配器104相啮合。

在一些实施例中，转子联轴器适配器104、106中的每个适配器彼此基本一致。这有利于制造工作，因为降低了成本和复杂性。该转子联轴器适配器104、106由塑料形成。每个转子联轴器适配器104、106具有主板部分和从主板部分116延伸出的多个齿118。每个转子联轴器适配器104、106上的多个齿118沿圆周彼此间隔并定位为插入由转子联轴器102限定的窗口120内(图5)。在组装状态下，马达输出轴和蜗杆47旋转联接到彼此，以将扭矩从马达传递到蜗杆47。多个齿118和转子联轴器102的窗口120的对应的几何形状可以以各种想得到的几何形状形成。

现在参考图3至图5，更详细地示出了转子联轴器102。转子联轴器102包括限定中心孔124的轮毂122。多个辐条126从轮毂122径向向外延伸并将轮毂122连接到外环128。多个辐条126彼此沿圆周间隔，并且与轮毂122和外环128一起限定转子联轴器102的窗口120。

如图4和图5所示，转子联轴器102由基板130形成，该基板130限定了由柔性包覆模制(overmold)结构132包覆模制的骨架结构。在一些实施例中，基板130由玻璃填充塑料形成，柔性包覆模制结构132由热塑性聚氨酯(TPU)弹性体形成。无论用于形成转子联轴器102的确切材料如何，基板130都是基本上刚性的硬塑料材料，而柔性包覆模制结构132则是软材料。基板材料防止转子联轴器102的弯曲。通过用基板130调节塑性变形，转子联轴器的寿命得以延长，因为能保持其形状。基板130还为转子联轴器提供了冗余。如果柔性包覆模制结构132的材料发生任何降解，导致表面磨损，基板130仍作为防故障装置(fail-safe)，以继续将扭矩从马达46传输到蜗杆47(即，动力辅助机构)。如果转子联轴器适配器104、106的多个齿118中的任何一个受到过大的应力而断裂，则转子联轴器102提供由于转子联轴器102的窗口120留存的碎片而导致的故障模式减轻。

转子联轴器组件100通过向转子轴提供一定程度的灵活性，无需证明地将马达功能与动力辅助机构功能分离，从而使系统受益。转子联轴器组件100在主要功能区域之间提供了万向性(gimbal nature)，以及堆叠容错、摩擦调节和阻尼效果。

再次参考图3，示出了多个压肋134，在多个辐条126中的每个辐条上分别示出相应的压肋134。现在参考图6，在转子联轴器102的窗口120中的一个窗口内的组装视图中示出了齿118中的一个齿的放大视图。如图所示，压肋134包括在转子联轴器102上，在窗口120的每一侧上。虽然压肋134可以包括在转子联轴器102的每一侧的每对相邻窗口120之间，但在一些实施例中，能够想到可以存在较少的压肋134。

压肋134是转子联轴器102表面上的突起，更特别是辐条126上的突起。在所示的实施例中，压肋134的形状为弧形突起，但应当理解的是，在一些实施例中可能是其它形状。由于压肋134位于转子联轴器102的轴向面上，因此在组件中转子联轴器适配器104、106稍微压缩这些压肋134。这使得材料相对于转子联轴器适配器104、106的齿118产生局部径向膨胀，以确保在零件的整个使用寿命期间在操作旋转中具有无间隙的界面。这些零件的组件中的体积锁定以及基板130通过耐久性减少了弹性体蠕变。

在较低输出应用中，部分或全部压肋134可能延伸用于附加用途。转子联轴器102中的压缩力可用作现有组件的去间隙(de-lash)特征的替代物。在电刷应用中，O形环用于内侧轴承108的内圈去间隙。转子联轴器适配器104、106可以代替地接触轴承108的内环，并且利用转子联轴器组件100的预紧力来将轴承圈的移动去间隙。以类似的方式，预紧力能够为马达轴轴线提供去间隙。

在一些实施例中，转子联轴器适配器104、106一致地形成。辅助机构(例如，蜗杆47)和马达侧组件的零件两者的通用性避免了需要针对每个转子联轴器适配器104、106采取不同的制造过程。结合适配器104、106是非金属材料的，这能够产生显著的成本效益。通过利用压力推压转子联轴器适配器104、106中的端部止动特征150控制转子联轴器组件100，最小化了整个组件中的堆叠变化。

现在参考图7和图8，使用超声波焊接的方法来在转子联轴器适配器104、106与蜗杆47或另一个配接轴(在本文中一般用附图标记160指代，例如马达输出轴)的花键端部110之间产生配合。该方法使用超声波焊接对材料进行局部塑化，使其流动或符合外部花键齿的形状。

在转子联轴器适配器104、106与配接轴160的组装期间，轴160通过沿垂直方向的基准固定在砧座162中。转子联轴器适配器104、106的特征在于具有沿内部花键深度的长度的可变花键限定。初始深度对于配接轴160完全是间隙，作为超声波焊接前的起始特征。结束深度的特征在于具有完全过盈配合，由过盈配合区域190表示。该段代表将在操作中塑化的可焊接材料。图7示出了该塑化。通过塑化工作材料，塑料流动并符合外部花键上的单个齿设计。该配合区域消除了齿误差，诸如常见的轧制外部花键的挑战的形状误差。

如图8所示，超声波焊接组件通过在将塑料转子联轴器适配器104、106向下压在配接轴160上时，向塑料转子联轴器适配器104、106引入振动输入而形成。超声波焊接组件由通过基准固定轴160的砧座162以及提供高频振动的锥形角状物164组成。这些振动由发生器设备168通过换能器而引入到工作角状物164中。

超声波焊接包含工作输入以在形成组件时产生塑化。在一些实施例中，作为非限制性示例，信号的输入频率为20kHz，焊接时间为2.3秒，保持时间为0.5秒。

本文所述的组件处理改进的质量指标是间隙、扭转速率以及耐久性。从本质上讲，内部齿和外部齿之间的接触斑块变得更大，误差更小。这不仅减少了整个寿命内齿形之间的背隙，而且提供了组件旋转运行时更大的正常区域(normal area)。更大的表面区域是与极限扭矩和整体耐久性同义的强度指标。更大的接触区域也提高了组装速率，这改进了机电关系中的反馈。最终的改进能够通过周期时间来说明，与冲压操作或手动组装相比，生产化的超声波焊接有可能减少周期时间。

该转子联轴器102提供轴向去间隙力以将转子联轴器适配器104、106“夹持”在转子联轴器102和支撑基准之间。该方法使转子联轴器适配器104、106免于发生脱离，并允许其沿配接的外部花键具有理论上的微小移动。在一些实施例中，可以使用倾斜的外部花键来解决该问题，以在轴向和径向方向上均提供鲁棒性。

虽然仅结合有限数量的实施例描述了本技术方案，但容易理解的是，本技术方案并不局限于这些公开的实施例。相反，本技术方案可以被修改为结合任何数量的上文未描述的变型、替代、替换或等价设置，但这些均符合本技术方案的精神和范围。此外，虽然已描述了本技术方案的多个实施例，但应当理解的是，本技术方案的各方面可以仅包括所述实施例中的一部分。因此，不应将本技术方案视为由上述描述所限制。

Claims (18)

1.一种用于动力转向辅助机构的转子联轴器组件，包括：

转子联轴器，具有第一轴向侧和第二轴向侧；

第一转子联轴器适配器，具有延伸到由所述转子联轴器在转子联轴器的第一轴向侧上限定的对应的多个窗口中的多个齿；以及

第二转子联轴器适配器，具有延伸到由所述转子联轴器在转子联轴器的第二轴向侧上限定的对应的多个窗口中的多个齿。

2.根据权利要求1所述的转子联轴器组件，其中，所述第一转子联轴器适配器和所述第二转子联轴器适配器由塑料形成。

3.根据权利要求1所述的转子联轴器组件，其中，所述第一转子联轴器适配器和所述第二转子联轴器适配器具有几何上一致的形状。

4.根据权利要求1所述的转子联轴器组件，其中，所述转子联轴器包括基板部分和包覆模制部分。

5.根据权利要求4所述的转子联轴器组件，其中，所述基板部分由玻璃填充的塑料形成。

6.根据权利要求4所述的转子联轴器组件，其中，所述包覆模制部分由弹性体材料形成。

7.根据权利要求1所述的转子联轴器组件，其中，所述转子联轴器包括限定中心孔的轮毂部分、从所述轮毂部分径向延伸的多个辐条，以及外环部分。

8.根据权利要求7所述的转子联轴器组件，还包括在所述转子联轴器的第一轴向侧和第二轴向侧中的至少一侧上的多个辐条中的一个辐条上形成的压肋突起。

9.根据权利要求7所述的转子联轴器组件，还包括多个压肋突起，其中，所述多个辐条中的每个辐条在所述转子联轴器的第一轴向侧和第二轴向侧上具有所述多个压肋突起中相应的一个压肋突起。

10.一种动力转向辅助机构，包括：

马达，具有马达输出轴；

辅助机构，包括具有花键端部的蜗杆；以及

转子联轴器组件，连接所述马达输出轴和所述蜗杆的花键端部，所述转子联轴器组件包括：

转子联轴器，具有第一轴向侧和第二轴向侧；

第一转子联轴器适配器，具有延伸到由所述转子联轴器在转子联轴器的第一轴向侧上限定的对应的多个窗口中的多个齿；

第二转子联轴器适配器，具有延伸到由所述转子联轴器在转子联轴器的第二轴向侧上限定的对应的多个窗口中的多个齿，其中，所述第一转子联轴器适配器和所述第二转子联轴器适配器具有几何上一致的形状；以及

压肋突起，形成在所述转子联轴器的第一轴向侧和第二轴向侧中的至少一侧上的多个辐条中的一个辐条上。

11.根据权利要求10所述的动力转向辅助机构，其中，所述第一转子联轴器适配器和所述第二转子联轴器适配器由塑料形成。

12.根据权利要求10所述的动力转向辅助机构，其中，所述转子联轴器包括基板部分和包覆模制部分。

13.根据权利要求12所述的动力转向辅助机构，其中，所述基板部分由玻璃填充的塑料形成。

14.根据权利要求12所述的动力转向辅助机构，其中，所述包覆模制部分由弹性体材料形成。

15.根据权利要求10所述的动力转向辅助机构，其中，所述转子联轴器包括限定中心孔的轮毂部分、从所述轮毂部分径向延伸的多个辐条，以及外环部分。

16.根据权利要求15所述的动力转向辅助机构，还包括多个压肋突起，其中，所述多个辐条中的每个辐条在所述转子联轴器的第一轴向侧和第二轴向侧上具有所述多个压肋突起中相应的一个压肋突起。

17.一种组装用于动力转向辅助机构的转子联轴器组件的方法，包括：

将轴的花键端部插入到转子联轴器适配器的花键容置孔中；以及

将所述轴和所述转子联轴器适配器超声波焊接到彼此。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在20Hz频率处超声波焊接所述轴和所述转子联轴器适配器，焊接时间为2.3秒，保持时间为0.5秒。