电控转向辅助致动器的制作方法

本发明涉及机动车辆设备技术领域，并且更具体地涉及一种电控转向辅助致动器。

背景技术：

自主车辆和具有驾驶员辅助特征(例如车道跟踪和自动停车)的车辆需要响应于控制器命令的转向系统。传统的液压转向不能实现驾驶员辅助特征和自主转向。解决这个问题的一种方法是为需要这种特征的车辆装备仅电动动力转向辅助装置，其仅依靠电动马达来提供必要的转向输入。然而，完全电动转向系统需要比通过大多数车辆常见的12伏直流(“12V”)电气架构实际提供的更多的功率。特别地，12V马达不能为大型客运车辆和商用车辆提供足够的转向辅助。没有电控转向系统是提供自主大型客车和商用车辆的障碍。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种用于车辆的转向辅助致动器，包含：

可围绕第一轴线旋转的致动器轴；

致动器轴包括整体式扭矩传感器；

具有可围绕第二轴线旋转的输出轴的马达，其中第二轴线大体上平行于第一轴线；

设置在马达和转向柱之间并且驱动地连接马达和转向柱的驱动机构，其中驱动机构提供从马达到致动器轴的减速；以及

包围扭矩传感器和驱动机构并且具有安装结构的驱动器壳体，马达的壳体固定到安装结构，并且驱动器壳体具有第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承将致动器轴可旋转地支撑在驱动器壳体中并与转向装置分离。

根据本发明的一个实施例，壳体由多个铸件形成，铸件中的两个具有蛤壳式关系并且包围驱动机构和扭矩传感器。

根据本发明的一个实施例，驱动机构包括固定到马达的输出轴的驱动带轮和固定到致动器轴的从动带轮，以及设置在从动带轮和驱动带轮之间并驱动地连接从动带轮和驱动带轮的皮带。

根据本发明的一个实施例，转向致动器进一步包含隔热板，隔热板固定到壳体并且设置在壳体的第一侧上并且延伸横跨壳体的第一侧和横跨马达的第一侧。

根据本发明，提供一种用于车辆的转向系统，包含：

方向盘；

固定到方向盘的上转向柱轴；

转向辅助致动器，包括

致动器轴，致动器轴可绕第一轴线旋转并且在第一端可旋转地固定到上转向柱轴，

致动器轴包括整体式扭矩传感器，

具有可围绕第二轴线旋转的输出轴的马达，第二轴线大体上平行于第一轴线，

设置在马达和致动器轴之间并且驱动地连接马达和致动器轴的驱动机构，其中驱动机构提供从马达到致动器轴的减速，以及

包围扭矩传感器和驱动机构并且具有安装结构的驱动器壳体，马达的壳体固定到安装结构，并且驱动器壳体具有第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承将致动器轴可旋转地支撑在驱动器壳体中并且壳体与液压辅助转向装置分离；以及

驱动地连接到致动器轴的液压辅助转向装置。

根据本发明的一个实施例，驱动器壳体由多个铸件形成，其中铸件中的两个具有蛤壳式关系并且包围驱动机构和扭矩传感器。

根据本发明的一个实施例，驱动机构包括固定到马达的输出轴的驱动带轮和固定到致动器轴的从动带轮，以及设置在从动带轮和驱动带轮之间并且驱动地连接从动带轮和驱动带轮的皮带。

根据本发明的一个实施例，转向系统进一步包含隔热板，隔热板固定到壳体并且设置在壳体的第一侧上并且延伸横跨壳体的第一侧和横跨马达的第一侧。

根据本发明的一个实施例，转向系统进一步包含安装到发动机舱中的部件的驱动器壳体，该部件不包括防火墙。

根据本发明的一个实施例，驱动器壳体安装到固定到车架纵梁的支架。

附图说明

图1是示例性车辆转向系统的示意图；

图2是图1的转向系统的示例性电动转向辅助致动器的透视图；

图3是图2的电动转向辅助致动器的侧剖视图；

图4是图3的电动转向辅助致动器的扭矩传感器的侧剖视图；

图5是图1的转向致动器在安装状态下的透视图。

具体实施方式

液压动力转向系统可以补充有能够提供操作自主车辆所需的控制的电子辅助致动器。电子辅助致动器还可以被配置为减少驾驶员转向力。然而，使用可用硬件的电动转向辅助致动器的结合对在现代车辆的引擎盖下实现给定的包装限制以及可用现有硬件的功能约束是具有挑战性的。示例性电动转向辅助致动器包括电动马达、电子控制单元(“ECU”)、扭矩传感器和减速驱动机构，以在转向柱轴轴线上实现期望的扭矩。在由多个连接的机加工铸件形成的示例性实施例中，马达、扭矩传感器和减速驱动机构由壳体包围。转向辅助致动器的安装——或者通过中间支架或直接安装到车架或车身——取决于可用的包装空间和车辆结构。附图中示出了示例性支架。

在本说明书中，相对定向和方向(例如，上、下、底、向后、前、后、后面、外侧、内侧、向内、向外、左、右)被阐述，不是用作限制，而是为了便于读者想象所描述的结构的至少一个实施例。

图1示出了示例性车辆转向系统10的示意图。车辆转向系统10包括方向盘12、液压助力转向装置14、设置在转向装置14的输出轴上用于连接到车辆转向传动机构(steering linkage)(未示出)的转向臂(pitman arm)(未示出)、以及设置在方向盘12和转向装置(steering gear)14之间的转向柱总成16。从方向盘12前进到转向装置14，示例性转向柱总成16包括上轴18、上中间轴20、下中间轴22和下轴24。上轴18穿过防火墙(firewall)25，防火墙25将发动机舱与客舱隔开，其中方向盘12设置在客舱中，而转向装置14设置在发动机舱。万向型万向接头(cardan-type universal joint)26将上轴18连接到上中间轴20、将上中间轴20连接到下中间轴22以及将下轴24连接到转向装置14的输入轴。滑动花键连接接头28可滑动地连接下中间轴22和下轴24。可滑动连接部容纳由于万向接头26引起的轴向位移而引起的下轴24的轴向位移。结合到上中间轴20中的滑动花键结构类似地容纳由轴20的端部处的万向接头26引起的轴向位移。

图1中示出了结合到下中间轴22中，替代地表征为致动器轴的示例性电动转向辅助致动器30。在图2中更详细地示出的电动转向辅助致动器30包括电动马达32、电子控制单元(“ECU”)(未示出)、扭矩传感器34和减速驱动机构36，以在转向柱轴轴线上实现期望的扭矩。马达32限定马达旋转轴线37，马达轴在该轴线上对中并且马达轴围绕该轴线旋转。在示例性实施例中，相关的转向柱轴轴线是下中间轴22的轴线38。马达32、扭矩传感器34和减速驱动机构36由驱动器壳体40包围，在示例性实施例中，驱动器壳体由多个连接的机加工铸件形成。如图3所示，壳体40包括上部42和下部44。上部42和下部44中的每一个都是凹形的，并且当接合时具有蛤壳式关系，协作地包围驱动机构36。壳体尖端46包围扭矩传感器34。马达32的马达壳体48支撑并保护马达32的运动部件。根据可用的包装空间和车辆结构，转向辅助致动器30的车内安装通过中间支架或直接安装到车架或车身来实现。在图中示出了示例性支架50。示例性隔热板52被结合到致动器30中以保护致动器30免受发动机热量的影响。在所示实施例中，隔热板52围绕马达32、扭矩传感器34和驱动机构36而被设置在发动机排气歧管和致动器30之间。

包括壳体40的示例性电动转向辅助致动器30通过下轴24与转向装置14分离，并且通过上中间轴20与防火墙25分离。不需要将致动器30固定到防火墙25或转向装置14来用于支撑，原因在于致动器30由示例性支架50充分地支撑。

示例性壳体40包括在上壳体部分42和下壳体部分44上的对准的夹紧凸缘或者替代地夹紧凸起。凸缘接收将部分42和44夹紧在一起的螺纹紧固件。壳体尖端46固定到上壳体部分42，但是可替代地可以形成有作为整体件的上壳体部分42。下壳体部分44保持下支承轴承54和设置在轴承54外侧的下密封件56。壳体尖端46保持上支承轴承58和上密封件60。马达壳体48和上壳体部分42具有互补对准结构，以便于以预定定向将马达32安装到驱动器壳体40。马达壳体48和上壳体部分42通过螺纹紧固件或铆钉或其等同物彼此夹紧。在夹紧状态下，马达壳体48和壳体40协作地提供马达轴线37与转向柱轴线38的大体平行对准。

下中间轴22包含转向辅助致动器输入轴62和转向辅助致动器输出轴64。输出轴64的下端包含联轴器28的一部分。输入轴62的上端驱动地连接到设置在轴22和轴20之间的万向接头26。轴62和接头26之间的示例性可旋转连接由键(key)提供，该键设置在轴62中的凹口中，由接头26的套筒部分中的凹槽接收。输入轴62的下端可旋转地设置在输出轴64的上端中，其间设置有滚针轴承总成66。轴62和64之间的相对旋转通过诸如设置在轴62和64之间的花键的结构限制到预定角度旋转。输出轴64由轴承54支撑。输入轴62由轴承58支撑。密封件56和60防止污染物进入壳体40。

示例性驱动机构36包括固定到马达32的输出轴的驱动带轮68、固定到输出轴64的从动带轮70以及驱动地连接带轮68和70的皮带72。带轮68具有比带轮70小的直径以提供旋转速度的减小和来自马达32的相对于轴22的扭矩的增加。或者，中间轴可以设置在马达输出轴和带轮68之间，以适应大于马达输出轴的暴露长度的皮带宽度。或者，皮带72可以具有形成在其中的齿，用于由带轮68和70上的互补齿接收。

如图4中最佳所示，扭矩传感器34形成为下中间轴22的整体部分。扭矩传感器34包括设置在输入轴62和输出轴64之间的扭转轴76、以及固定到靠近输出轴处的输入轴62以感测输入轴和输出轴之间的相对旋转的旋转位移传感器78。输出轴64中的级形孔(stepped bore)80具有接收输入轴62的下端和其中的轴承66的第一较大直径部分。孔80的第二较小直径部分接收扭转轴76的第一端。类似地，输入轴62中的孔82接收扭转轴76的第二端。将扭转轴76的第一端旋转地固定到输出轴64的示例性装置是通过穿过这两个部分的销84。同样，扭转轴76和输入轴62之间的示例性附接是通过穿过两者的销86。提供这种连接的精确方式对于本发明不是关键的。提供这种连接的替代方式包括压配合和焊接。下中间轴22的一种替代结构是包括在轴上的应变计形式的整体式扭矩传感器的单件式轴。

图5示出了在具有以前后方向安装的发动机90的车辆中结合有电动转向辅助致动器30的转向系统10的示例性安装。致动器30由示例性钢支架50保持在期望的位置。支架50具有示例性的加强加强筋，并且在第一端螺栓连接到车架纵梁88的内壁。支架50在第二端螺栓连接到壳体40，来支撑所有致动器30。壳体40通过支架与车辆发动机90间隔开，其中隔热板52保护马达32、扭矩传感器34和驱动机构36免受发动机热量的影响。

通过多管脚电连接器92向传感器34提供电连接。马达32被示为具有控制马达32的两个电连接器94和96。管脚提供在电动转向辅助致动器30和马达32以及诸如电池的电源和ECU之间传递电力和电信号的装置。

示例性通信电线(未示出)电连接ECU和电动转向辅助致动器30，从而实现它们之间的通信。电通信线路包含车辆控制器局域网(“CAN”)总线的一部分。或者，无线通信可以提供ECU和电动转向辅助致动器30之间的连接。

转向系统10电连接到ECU，和/或可以被理解为包括ECU，ECU可替代地表征为控制器或计算机。ECU电连接到电动转向辅助致动器30和传感器(未示出)，传感器可以包括例如基于指示驾驶员施加的方向盘扭矩的扭转轴76的偏转的扭矩指示、以及转向装置定向的信号。如上所述，这种电子连接可以有线地或使用无线通信技术用无线来进行。

ECU包括至少一个电子处理器和相关联的存储器。处理器的操作系统软件存储在存储器中以供处理器访问。此外，用于执行某些预定任务的控制软件保持在存储器中。存储器还包括缓冲区域，或更简单地缓冲器，便于数据的存储和操纵。ECU的精确结构对于本说明书不是关键的，并且在本领域技术人员的知识范围内。ECU由控制软件编程以使得电动转向辅助致动器30向转向柱总成16提供附加扭矩并且响应于预定条件来设定转向系统位置。

转向辅助致动器30以两种模式操作——转向辅助模式和自主/半自主模式。在转向辅助模式的示例性实施例中，转向辅助致动器30将补充转向扭矩施加到转向柱总成16以减少驾驶员转向力。补充扭矩附加于由液压转向装置14提供的辅助。补充转向扭矩的量值随由扭矩传感器34测量的驾驶员施加的方向盘扭矩而变化。补充扭矩减小了驾驶员应用于方向盘12以实现转向传动机构的期望的重新定位，并且保持特定的转向传动机构位置所需的力。在自主/半自主模式(“第二模式”)的示例性实施例中，转向系统10执行诸如自动停车和车道跟踪之类的不需要驾驶员输入并且没有来自传感器34的信号的功能。基于来自车辆传感器阵列的可用数据和存储的信息以及传输的信息，如GPS(全球定位系统)信息、存储的地图信息、光学识别系统、加速度计、和其他传感器和信息，转向系统10在第二模式的操作成为可能。示例性致动器30有利地包括某些市售部件，包括马达32、ECU和扭矩传感器34，以提供可以在没有与设计目的特异性的部件相关的费用或时间的情况下添加到现有液压转向系统的电动转向辅助致动器。与整体式致动器-转向装置总成相比，示例性致动器30与转向装置14的物理分离允许更独立和更灵活的包装，便于使用市场上可买到的部件，并且允许跨越多个车辆平台使用单个致动器30。

通过使用致动器30，转向系统10还产生某些功能性益处。致动器30可以施加扭矩覆盖功能以增强基本转向功能，来提供诸如速度敏感转向、主动返回、辅助曲线成形和阻尼的特征以及诸如拉漂移补偿、车道辅助、车道偏离警告等特征。致动器30还可以提供角度覆盖控制，从而允许用于诸如主动驻车辅助和拖车倒车辅助的特征的自主转向功能。致动器30还可以消除由偏移质量施加的相位和车轮不平衡，以实现一致的驾驶员转向扭矩和感觉。致动器30及其ECU软件合并并且利用马达角度感测能力来产生相对角度信号。相对角度信号与中心发现算法(centerfind algorithm)结合，如通过引用并入本文的US7401870中所描述的，用于识别绝对转向位置。

如本文所使用的，修饰形容词的副词“大体上”是指形状、结构、测量、值、计算等可偏离精确描述的几何形状、距离、测量、值、计算等，原因在于材料、加工、制造、传感器测量、计算、处理时间、通信时间等方面的缺陷。

应当理解的是，包括以上描述和附图以及下面的权利要求的本发明旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读以上描述之后，除了所提供的示例之外的许多实施例和应用对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明的范围不是参考上面的描述，而是应当参考所附权利要求以及这些权利要求所被赋予的全部等同范围来确定。除非本文另有说明或限定，否则所有权利要求术语旨在赋予其平常和普通的含义。预设和预期在本文中讨论的技术中将会出现未来的发展，并且所公开的系统和方法将被并入这些未来的实施例中。总之，应当理解的是，所公开的主题能够修改和变化。