手轮致动器组件的制作方法

本发明涉及一种用于车辆线控转向式转向系统的手轮致动器组件。

在传统的转向系统中，方向盘使转向轴转动，转向轴进而连接至转向齿轮，转向齿轮将方向盘的旋转转换成机械地连接至车轮的转向齿条的左右运动。相比之下，在线控转向式转向系统中，方向盘与行走车轮之间没有直接的机械连接。

在线控转向组件中，省略了转向轴，或者至少并未将方向盘机械地连接至转向器，并且替代地使用一个或多个电动马达来响应于控制信号而使行走车轮转向，这些控制信号进而响应于方向盘的运动。马达响应于控制信号而向转向组件的一部分施加转矩以使行走车轮转动，该控制信号取决于方向盘的位置或运动，方向盘形成被称为手轮致动器组件的组件的一部分。

为了改善用户体验，并且尤其是为了向驾驶员提供关于轮胎与道路之间的界面处的力的适当触觉反馈，已知通过向手轮致动器组件的方向盘施加转矩来向车辆驾驶员提供力反馈。反馈转矩可以通过多种方式施加，比如电动马达、或弹簧、减震器和制动器的布置。可以使用该反馈转矩来允许驾驶员感觉到车轮撞到石头或坑洞，或者当轮胎在低摩擦路面(例如潮湿或结冰的路面)上行驶时减轻方向盘的感觉。

在本说明书中，术语“方向盘”应当被广义地解释为既涵盖具有驾驶员可以抓握的、由转毂支撑的、大体圆形的、连续或不连续边沿的常规轮盘，也涵盖方向手柄，比如由可以绕圆形路径旋转的转毂支撑的一对相对的手握件，即类似于飞行器中常用的操纵杆的布置。手握件和转毂可以形成例如w、m或u形配置。在各自情况下，典型地通过将转毂连接至反馈转矩发生器，将反馈转矩通过转毂施加到驾驶员握住的部分。

根据第一方面，本发明提供了一种用于车辆的线控转向式转向系统的手轮致动器组件，所述组件包括：

方向盘，所述方向盘具有可绕所述方向盘的旋转轴线旋转的、能够由驾驶员抓握的至少一个手握部分，所述方向盘具有支撑所述手握部分的转毂；以及

反馈转矩发生器，所述反馈转矩发生器包括电动马达，所述电动马达具有定子和转子，其中，所述转子直接或间接地固定到所述方向盘的所述转毂上并随着所述转毂一起旋转，并且所述定子紧固到车身的固定部分，使得所述定子不能相对于所述车身旋转，

其特征在于，所述马达包括无刷永磁游标马达。

所述游标马达可以包括径向马达，并且最优选地是倒置型马达，其中转子具有比定子更大的直径。转子和定子共享共用的旋转轴线，并且隔着周向气隙面向彼此。定子可以包括多个径向向外延伸的槽，定子绕组被放置在所述槽中。与非倒置式马达相比，这是有利的，因为倒置式马达的槽更容易缠绕。径向外转子的使用也是有利的，因为与非倒置式马达相比，各个极在周向上更大，这又可以简化制造。

所述马达和方向盘共享共用的旋转轴线。

替代性地，游标马达可以包括轴向马达，其中转子和定子不是同心的，而是具有基本相同的半径，并且转子和定子沿着共用的旋转轴线彼此隔开地并排布置，以便在转子和定子之间限定气隙。

无论转子是直接固定到转毂还是间接固定到转毂，转子与转毂之间的连接都会在两者之间提供直接1:1传动比，因此转毂以与马达的转子相同的速度旋转。

游标马达的定子可以包括具有中空中心的环形组件，所述中空中心在定子内限定空间，所述手轮组件的附加组成部分穿过所述空间，或者附加组成部分位于所述空间内。

所述附加组成部分可以包括连接到驾驶员信息显示器的线束，所述驾驶员信息显示器在使用中向所述驾驶员显示信息。这种信息可以是关于车辆状态的信息，比如速度和位置，或者是信息娱乐信息，比如正在播放的音乐轨道或正在播放的广播电台的标题。

驾驶员信息显示器可以包括壳体盒和位于所述壳体盒内的电子显示器。所述驾驶员信息显示器可以位于由方向盘、方向盘与马达之间的空隙以及环形定子内的空间中的至少一个界定的空间内。

所述定子可以固定到定子支撑部分，所述定子支撑部分可以在使用中紧固到所述车身的固定部分。定子支撑部分可以包括用于马达的壳体，所述壳体在使用中可以紧固到车辆的隔板或横梁，所述横梁在驾驶员与隔板之间、典型地在车辆的仪表板后方跨车辆延伸。

结合到本发明的第一方面的手轮致动器中的马达包括永磁游标马达。技术人员将理解如何根据定子齿的数量和转子极对的数量以及它们的拓扑布置，将不同于常规马达的马达识别为游标马达。a.toba和t.a.lipo在标题为“新型双励永磁游标机”(会议记录，第34届ias年会，1999年，第2539-2544页)的论文中，对游标马达的主要特性作了出色的总结。在早期标题为“游标马达及其设计”(ieee电力设备与系统汇刊[ieeetrans.onpowerapparatusandsystems]，第82卷，第66号，1906年，第343-349页)的论文中，对游标马达作了进一步说明，涉及没有永磁体的游标马达。

永磁马达的转子典型地包含多个磁体，所述多个磁体在具有pr个极对的转子与定子之间的气隙内形成磁场。定子具有多个径向面向转子的齿以及对应数量的槽ns。在永磁游标马达中，转子极对的数量pr和定子槽的数量ns与方程(1)相关，其中ps是通电时由定子绕组产生的极对的数量。

pr＝ns±ps(1)

在优选布置中，所述马达包括具有6个齿的定子和具有5个极对的转子。定子绕组被布置成使得它们产生的磁场具有一个北极和一个南极，即一个极对，并且因此ps＝1。

在另一种优选布置中，马达包括具有11个极对的转子和由具有12个齿的定子产生的一个极对磁场。

马达可以具有三个相，但是可以具有更少或更多的相。

转子或定子可以偏斜或不偏斜。

读者将意识到，本发明的转矩反馈致动器与方向盘共享共用的旋转轴线，使得两者以相同的转速绕这个轴线一起运动。

所述转毂可以通过短轴紧固到所述转子，所述轴的旋转轴线位于所述转毂和所述转子的旋转轴线上。短轴可以穿过定子中心所限定的空间或者仅部分延伸到所述空间中。

方向盘转毂可以包括装配到短轴的端部上的轴套。短轴上的花键可以与轴套上的互补花键接合，以防止短轴和方向盘的相对旋转。

马达可以从方向盘轴向偏移。

短轴可以由至少一个并且优选地两个轴承组件支撑。轴承组件可以位于马达的最靠近驾驶员的一侧上，也可以位于马达的离马达最远的一侧上。一个轴承组件可以位于马达的每一侧上。

在两个或更多个轴承组件位于马达的最靠近驾驶员的一侧上的情况下，支撑一个或多个柱开关的护罩和/或至方向盘的旋转(“气囊”)连接器可以环绕短轴。

短轴可以固定到连接件上，所述连接件进而固定到转子上。在这种布置中，方向盘通过短轴并且然后通过壳体间接地连接至转子。短轴可以使用过盈配合或通过将壳体焊接到短轴上而固定到支架上，或者使用粘合剂、钉牢、铆接、使用螺钉等固定。技术人员将意识到，这并不是穷举性的列表。短轴上的花键可以连接至支架的花键。替代性地，支架可以与短轴成一体。

支撑短轴的轴承可以被轴接到壳体，所述壳体包括沿着短轴的一部分轴向延伸的第一圆柱罐形件。

所述壳体可以包括径向端壁，所述径向端壁将第一圆柱罐形件连接至环绕转子的外周的更大的第二圆柱罐形件。所述更大的罐形件可以连接至马达的与壳体的第一径向端壁相反的一侧上的另一径向端壁。

第一圆柱罐形件可以位于马达的轴承所在的那一侧上。

所述壳体可以环绕马达和将马达固定到短轴的支架两者。

所述组件可以包括行程限制器，所述行程限制器包括相对于所述车辆的车身固定的第一部分，所述第一部分在使用中在所述马达的所述转子到达旋转行程的预定终点时与第二部分接合，所述第二部分固定到所述转子。因此，在这种布置中，转子以及因此方向盘可以被限制为旋转小于360度。

第一部分可以包括在壳体的外壁的内侧上的径向向内突出的凸耳，所述凸耳与转子上的对应止挡件接合。

所述止挡件可以包括转子的径向突出部分，或者包括围绕转子的圆周部分地延伸的、所述第一部分的凸耳位于其中的周向凹槽的端面。

在替代性布置中，短轴可以省略。替代地，方向盘的转毂可以直接固定到马达的转子，也可以通过安装支架固定到马达的转子。

转子可以由一个或多个轴承组件支撑，所述轴承组件被轴接到马达的壳体。一个轴承组件可以设置在马达的每一侧上，即，在背向方向盘的一侧和面向方向盘的一侧上。

转子可以包括在转子的每一侧向下突出以与轴承组件相接的部分。这些部分之一可以连接至方向盘的安装支架。

马达的壳体可以包围马达的外周和两侧，并且两个轴承组件可以轴接到壳体。壳体提供手轮组件与车辆固定部分的连接。

提供无短轴的布置留出了穿过马达的中心的空间，以便将电线连接至位于马达的最靠近驾驶员的一侧上、由方向盘的抓握部分和转毂界定的空间内的任何附加部件。

固定支架可以装配到中空空间的端部。在将手轮附接到马达上之后，可以装配固定支架。固定支架可以支撑位于手轮中心且在方向盘旋转时不旋转的部件。这些部件可以包括选自由以下构成的列表中的一个或多个部件：驾驶员气囊、控制开关装置和驾驶员显示器。

本申请人设想，附加部件可以包括或包含显示器。支撑件不会相对于马达运动，但是整个马达/手轮组件可以安装在支撑件上，以允许其背离驾驶员缩回。

可以设想，手轮设备可以用在具有自主驾驶模式的车辆中。在这种模式下，车辆可以自行驾驶(转向、加速和制动)，而无需任何驾驶员输入。

可以设置角度传感器，所述角度传感器输出指示方向盘的角位置的角度信号。

在设置短轴的情况下，角度传感器可以固定到短轴的离方向盘最远的端部。角度传感器可以例如包括固定到短轴或方向盘的目标磁体和可以确定元件位置的至少一个感测元件，但是可以使用其他传感器。霍尔效应传感器可以用作合适的感测元件。

在未设置短轴的情况下，角度传感器可以包括紧固到转子或转向轴的磁性元件环或与检测磁体环运动的至少一个感测元件一起旋转的另一部分。

根据第二方面，本发明提供了一种用于车辆的线控转向式转向系统的手轮致动器组件，所述组件包括：

方向盘，所述方向盘具有可绕所述方向盘的旋转轴线旋转的、能够由驾驶员抓握的至少一个手握部分，所述方向盘具有支撑所述手握部分的转毂；以及

反馈转矩发生器，所述反馈转矩发生器包括电动马达，所述电动马达具有定子和转子，其中，所述转子直接或间接地固定到所述方向盘的所述转毂上并随着所述转毂一起旋转，并且所述定子紧固到所述车身的固定部分，使得所述定子不能旋转，

其特征在于，所述马达包括具有中空中心的环形马达，并且其特征在于，所述手轮组件的附加的非旋转部件位于所述定子的所述中空中心内。

马达的中空中心可以容纳包括线束的附加部件。所述附加部件可以连接至驾驶员显示器/开关/气囊，所述驾驶员显示器/开关/气囊位于至少部分地由方向盘内部界定的空间内。所述转毂可以包括一个或多个中凹辐条，所述中凹辐条围绕所述显示器的外部延伸以便将所述手握部分直接或间接地连接至所述马达转子。

所述附加部件可以包括穿过马达的接线器的一部分。

马达的中空中心或由方向盘界定的空间或两者可以容纳不随方向盘旋转的气囊。气囊可以部分地位于马达中空中心内并且部分地位于由方向盘界定的空间内。

附加部件可以包括固定的转毂，所述转毂在由方向盘界定的空间中支撑显示器或气囊或其他物品。

第二方面的手轮组件可以包括先前关于本发明的第一方面的手轮组件描述的任何特征。

现在仅以示例的方式描述落入本发明的至少一个方面的范围内的手轮致动器组件的三个实施例。

图1是根据本发明的至少一个方面的手轮组件的第一实施例的侧视截面图；

图2是根据本发明的至少一个方面的手轮组件的第二实施例的侧视截面图；

图3是根据本发明的至少一个方面的手轮组件的第三实施例的侧视截面图；

图4是具有6个定子齿和5个转子极对的倒置式径向无刷永磁游标马达的截面图；

图5是具有12个定子齿和11个转子极对的倒置式径向无刷永磁游标马达的截面图；

图6是支撑组件的侧视截面图，该支撑组件用于将手轮组件安装到车身以使得在发生碰撞的情况下该手轮组件能够缩回；

图7是根据本发明的至少一个方面的手轮组件的第四实施例的侧视截面图，该手轮组件包括轴向马达；并且

图8至图10是具有12个定子齿和11个转子极对的倒置式径向无刷永磁游标马达的替代性布线布置的截面图。

附图的图1至图3中示出了根据本发明的手轮致动器组件的多个不同实施例。每个实施例的共同点是具有环形转子类型的倒置式永磁游标马达，该环形转子围绕固定的内定子旋转。另外，每个马达的共同点是使用中空的环形定子，该中空的环形定子在定子的边界内限定通道，从而允许将一个或多个部件定位在马达的定子内或轴向延伸穿过马达的定子。

附图的图4和图5中展示了径向马达布置的两个特别有利的马达拓扑结构，并且图8、图9和图10中示出了图4的马达的各种替代性绕组布置。图4和图5的马达的不同之处在于定子齿的数量和转子极对的数量以及马达绕组的其他相应变化。在各自情况下，示例中的马达都是三相全节距缠绕定子设计。在图4中，示出了马达100具有定子103、以及6个定子齿101和5个转子极对102。图5示出了具有定子201和转子202的马达200，该马达具有12个定子齿203和11个极转子对204。

该马达可以以多种配置进行缠绕。图8示出了马达300的相绕组的一种布置。用于一个相的互连线(用箭头标记)用黑色实线示出，而用于另两个相的互连线分别用叉线或点线标记。图9示出了类似的22极、12槽游标马达400，但是具有双层集中(单齿)绕组布置。虽然产生相对于从全节距绕组布置所可获得的更少一次谐波(即一个北极和一个南极)的气隙磁场，但是端部绕组并不重叠。这节省了定子端部的空间。这也减少了来自不同相的绕组彼此接触的可能性。这有助于提高可靠性，并且减少由于相间短路引起的问题的可能性。图10中示出了在磁场中包含某一次谐波的马达500的极-槽组合的另一替代性绕组布置是单层绕组。每个槽只有一个绕组。单层绕组提供了槽内不同相的线圈的固有物理间隔。这节省了否则隔离屏障会占用的空间。典型地，在比如电动动力转向的安全关键应用中使用的马达中期望这种隔离屏障或物理间隔。与双层绕组相比，将线圈数量减少一半进一步减少了可能需要的连接数量，并且允许更容易地利用多种不同的线圈组装方法。

可以使用其他马达拓扑结构。在附图的图7所示的另一布置中，可以设置轴向马达而不是径向马达。

游标马达的主要组成部分是安装到限定转子的环形支撑件的外周表面上的永磁体，但是磁体也可以嵌入或掩埋在转子表面内或下方。这些磁体径向面向转子的轴线，因此它们面向定子。磁体与每个相邻的磁体围绕转子等距隔开。

定子包括位于转子内的环形支撑件或护铁，因此转子具有比定子更大的半径。定子环形支撑件限定一组定子齿，定子绕组缠绕在这些定子齿上。定子齿与每个相邻的定子齿围绕护铁等距隔开。在定子与转子之间限定有气隙。

本申请人已经意识到，游标马达非常适合于手轮致动器组件，因为它可以在低转速下产生高转矩，对于给定尺寸和成本的马达，不需要马达与方向盘之间的任何机械传动装置。

图2中示出了用于线控转向式转向系统的手轮致动器组件600的第一实施例。该组件包括方向盘601，该方向盘具有相对较薄的大致圆形的边沿，该边沿限定可绕方向盘的旋转轴线旋转的手握部分。边沿可以由驾驶员以常规方式用一只手或两只手抓握，并且驾驶员可以使方向盘绕中心旋转轴线旋转。在本发明的范围内，可以设置许多其他形式的手握件，其中方向盘不需要具有圆形边沿。

方向盘601具有转毂602或加固件，该转毂或加固件包括单个中凹臂或辐条，该中凹臂或辐条的第一端连接至边沿并且第二端连接至轴套603。取决于手握件的样式和所需的方向盘的刚性，可以设置多个辐条，并且本发明不限于一个辐条。轴套603位于方向盘601的旋转轴线上，并且支撑手握部分。轴套603中的凹口具有一组径向向内的花键或其他定位特征，并且以常规方式被按压到短轴604的具有一组互补的径向向外突出的花键的端部上，以便将方向盘固定到转向轴。花键确保方向盘601在旋转时将产生短轴604的对应旋转。螺母605防止方向盘转毂被驾驶员意外拉离短轴。

如图1中可见，短轴604沿着方向盘的旋转轴线在背离车辆驾驶员的方向上延伸。该轴穿过壳体606，该壳体具有圆柱罐形件606a，该圆柱罐形件在内壁上承载一对轴承组件607、608，这些轴承组件在轴向隔开的位置处支撑短轴。圆柱罐形件606a的一端连接至壳体的径向延伸的端壁606b，该端臂进而在其最外周边连接至第二圆柱罐形件606c。第二罐形件606c背离第一罐形件延伸，并且限定壳体的包括游标马达的反馈转矩发生器所在的部分。马达可以是图4或5所示的类型，也可以是游标马达的某一其他配置。

马达的定子609固定到壳体606，并且游标马达的转子610固定到连接器611，该连接器在马达最靠近方向盘的一侧上固定到短轴。当转子610旋转时，连接器611以及进而短轴604旋转，这最终使方向盘旋转。因此，向马达施加转矩可以用于转动方向盘或施加转矩以部分抵抗驾驶员施加到方向盘上的转矩。

还示出了角度传感器612，该角度传感器根据短轴604的角度确定方向盘的角位置。该传感器612固定到短轴的离方向盘最远的端部。承载从传感器输出的信号的电缆背离方向盘穿过中空马达，用于连接至位于车辆其他位置的电路。该电路包括控制马达驱动电路的马达控制器。马达驱动电路向马达的绕组施加适当的驱动电流，以致使马达向方向盘施加所需的反馈转矩。

图1中还示出了行程限制器613，该行程限制器将方向盘601的角运动范围限制为小于一整圈。该行程限制器包括在第二罐形件606c的径向内壁上的凸耳，该凸耳与转子上的径向向外突出的凸耳接合。

图1的手轮致动器组件600将方向盘601定位成与马达轴向地相距一定距离，并且这方便地提供了空间，承载转向柱开关装置的一个或多个物品的护罩614可以定位在该空间内。这些物品可以包括指示器开关、雨刮器开关、或者可能是档位选择开关。开关是指能够改变或产生电控制信号的任何用户可操作的装置。

图2中示出了手轮致动器700的第二实施例。该第二实施例包括许多与图1的实施例相同的部件，并且为方便起见，对于这些部件使用了相同的附图标记。第一实施例中的部件的功能的描述同样适用于第二实施例，因此为了效率将不再重复。

第二实施例与第一实施例的不同之处主要在于短轴604一直延伸穿过马达，由两个轴承组件607、608支撑，这两个轴承组件位于马达的与方向盘相反的一侧上。

由于这种变化，转子可以直接连接至方向盘的轴套，而不是连接至短轴604。这提供了轴向上更紧凑的组件，从而允许方向盘与马达之间的空间最小化，或者完全去除该空间，如图所示。实际上，这可以允许马达转子直接连接至方向盘转毂。

图3中示出了手轮组件800的第三实施例。同样，使用了与图1和图2相同的附图标记来标识相同的部件。

在第三实施例中，不使用短轴，并且扩大了马达定子609的中心的空间。方向盘601通过与连接器部分802接合的间隔件801固定到马达的转子610的一部分。也可以省略方向盘轴套。

图3的布置留出了由方向盘边沿和转毂以及可以定位附加部件的马达内部所围成的开放空间。如图所示，附加部件包括显示器壳体804，该显示器壳体包含电子驾驶员显示器。使用中的显示器向驾驶员呈现信息，比如车辆状态信息。用于显示器的连接器805连接至穿过马达中心的线束806。

显示器壳体通过支架803固定在适当位置，该支架固定到马达定子的支撑件上。显示器804可以从支架上拆除，并且方向盘也可以从转子上拆除。可以容易地从马达的面向驾驶员的一侧触及固定件以进行拆除，从而允许拆除显示器和方向盘，而马达紧固在车辆上适当位置。如果在车辆组装期间需要的话，这还允许在将马达固定到车辆之后装配方向盘。

在图7所示的手轮组件的另一实施例900中，可以设置轴向马达代替径向马达。在这种情况下，转子和定子并没有围绕共用轴线同心地布置，而是沿着共用轴线隔开。在此可以看出，转子具有两个部分901、902，它们将定子903夹在中间。

对于四个实施例中的每个实施例，手轮致动器组件可以连接至如图6所示的支撑结构，该支撑结构使得能够调整方向盘的位置以便够得着，并且使得在发生正面碰撞而致使车辆快速减速的情况下方向盘能够背离驾驶员座椅朝向车辆前端运动。这使得方向盘能够主动背离驾驶员缩回，或者在不受约束的驾驶员撞击方向盘或撞击固定到方向盘的充气气囊时与驾驶员的身体一起运动。在各自情况下，如方向盘组件设计领域中已知的，该运动可以帮助吸收驾驶员的动能。

支撑结构包括前倾支撑支架1000，该前倾支撑支架可以绕枢轴1001枢转，这使得能够调整方向盘600的前倾角。该前倾支撑支架进而连接至运动的伸缩支架1002，该伸缩支架进而通过安装支架1003固定到车身。在本说明书的上下文中，在将物品描述为连接至车辆的固定部分的情况下，这是指在手轮致动器的正常使用期间不相对于车身旋转或以其他方式运动的任何部分。