转向装置的制作方法

专利名称：转向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转向装置，其包括齿条齿轮型转向机构和用于 检测施加在转向构件上的转向转矩的检测装置。
背景技术：
用于转向车辆的转向装置形成为通过将驾驶员对转向构件的 操作传递至转向机构来驱动转向机构，转向构件例如为方向盘。对 于这样的转向机构，齿条齿轮型转向机构已经被广泛的应用。这种 类型的转向机构形成为根据转向构件的旋转操作，把小齿轮的旋转 转换为齿条轴的轴向运动，所述齿条轴具有与所述小齿轮啮合的齿 条，并且执行连接在所述齿条轴两端的右和左前轮的推拉操作。所 述齿条齿轮型转向机构包括从齿条和小齿轮之间啮合部分的两侧 与齿条轴弹性接触的支撑轭，以便当向所述啮合部分施加预载荷 时，它们顺利地彼此啮合，没有齿轮隙。另外，对于许多齿条齿轮 型转向机构，所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿，为了传递惯性负 载，通常它们中的每一个具有大啮合系数。最近几年，为了减小操作转向构件的驾驶员的负担，转向装置 形成为电动转向装置，其通过转矩传感器检测施加在转向构件上的 转向转矩，转向装置依据所检测的转向转矩驱动转向辅助马达，而 且给转向机构施加助力，这样的转向装置很普遍。所述转矩传感器设置在转向杆的中间位置，转向杆把转向构件 的操作传递给转向机构，所述转矩传感器形成为检测由于转向转矩 的作用而在转向杆上产生的转矩。通常，为了通过放大转矩传感器 的所述转矩来提高转向转矩的检测准确性，通过低刚性的扭力杆在
转向杆的中间位置设置连接转向构件一侧的输入轴和转向机构一 侧的输出轴的连接部分，而且通过适当的装置检测连接部分中扭力 杆的扭矩。发明内容对于包括这样的转矩传感器的转向装置，因为扭力杆可以作为 缓冲，可能会出现例如道路条件不容易传递给转向构件的问题，而 且当操作转向构件时，转向机构的反应有短暂的延迟。因此，驾驶感变差。为了处理这些问题，对于包括齿条齿轮型转向机构的转向装 置，已经提出来检测作用在齿条轴的轴向方向上的力(下文中，称 作"齿条轴力")，和依据齿条轴力来计算施加在转向构件上的转向转矩(例如，参考日本专利申请公开No.Hll-321685。)日本专利申请公开No.Hll-321685公开了这样的结构用于检 测齿条轴力的力传感器设置在齿条轴的中间位置，齿条轴从支撑齿 条轴的齿条壳体伸出，且齿条轴力直接被力传感器检测。另外，日 本专利申请公开No.Hll-321685公开了这样的结构用于检测作用在前轮的关节臂上的载荷的载荷传感器，且依据所检测的载荷来检 测齿条轴力。然而，由于力传感器或载荷传感器暴露在外部环境中， 这些结构可能引起例如由于例如水、泥、灰尘等外界物质的影响而 使检测准确性降低或传感器故障的问题。目标是提供一种转向装置，其不使用低刚性扭力杆，能够通过 检测施加在转向构件上的转向转矩来提高驾驶感，并且能够防止例 如检测准确性降低或检测装置故障的问题。根据一个方面提供转向装置，包括依照转向构件的操作而旋转 的小齿轮，具有与所述小齿轮啮合的齿条的齿条轴，和从所述齿条 和小齿轮的啮合部分的相对侧与所述齿条轴弹性接触的支撑轭，以
便在所述相对侧和所述啮合部分之间设置所述齿条轴，且形成为在 所述啮合部分把所述小齿轮的旋转转化为齿条轴在轴向方向上的 运动，所述转向装置包括用于检测施加在支撑轭上的力的检测单元，作用在所述啮合部 分的力从所述齿条轴被传递给支撑轭；和用于依据所述检测单元所检测的力来计算施加在转向构件上 的转向转矩的计算单元，其中所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。根据一个方面提供转向装置，其通过把依照转向构件的操作引 起的小齿轮的旋转转换成齿条轴在其轴向方向上的运动来控制车辆，所述齿条轴具有与所述小齿轮啮合的齿条，所述转向装置包括 用于检测通过作用在所述小齿轮和所述齿条的啮合部分上的 力的反作用而施加在所述小齿轮的轴向方向上的力的检测单元；和用于依据所述检测单元所检测的力来计算施加在转向构件上 的转向转矩的计算单元，其中所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。


图1示出根据一个实施例的转向装置的结构示意图；图2示出在小齿轮壳体和齿条壳体的相交部分附近的部分的纵向剖面示意图；图3是阐明作用在转向机构上的力的说明图；图4示出根据一个实施例的转向装置的结构示意图；图5示出在小齿轮壳体和齿条壳体相交部分附近的部分的纵向剖面示意图；图6示出根据一个实施例的转向装置的结构示意图；图7示出通过辅助控制模块的辅助控制处理程序的流程图8示出根据一个实施例的转向装置的主要部分结构的纵向剖 面示意图；和图9示出根据一个实施例的转向装置的主要部分结构的纵向剖 面示意图。
具体实施方式
实施例1在下文中，将依据附图详细阐明实施例。图l示出根据实施例 的转向装置的结构示意图。图1中所示的转向装置包括齿条齿轮型 转向机构，且形成为齿条辅助型电动转向装置。齿条齿轮型转向机构1具有已知的结构，其包括在轴向方向上可移动地支撑在齿条壳体11内部的齿条轴10，齿条壳体11在车 体(未示出)的左右方向上延伸；以及小齿轮轴2，其可旋转地支 撑在小齿轮壳体20内部，小齿轮壳体20与齿条壳体11在齿条壳 体11的中间位置相交。从齿条壳体11的两侧外伸的齿条轴10的两端通过各自的转向 横拉杆12与作为可操纵轮的左侧和右侧的前轮13连接。另外，从 小齿轮壳体20的一侧向外伸出的小齿轮轴2的上端通过转向杆3 与作为转向构件的方向盘30连接。转向杆3可旋转地支撑在筒形杆壳体31中，而且通过杆壳体 31安装在驾驶室(未示出)中，以便它的前端向下倾斜。转向杆3 的从杆壳体31向下伸出的一端与小齿轮轴2连接。方向盘30固定 在转向杆3的向上伸出的另一端。图2示出在小齿轮壳体20和齿条壳体11的相交部分附近的部 分的纵向剖面示意图。如图中所示，小齿轮轴2包括一体化形成的 小齿轮21。小齿轮21的下半部分的直径比小齿轮21的其它部分的 直径大。小齿轮轴2通过一对分别位于小齿轮21的上方和下方的 轴承22和23可旋转地支撑在小齿轮壳体20中。如上所述，筒形齿条壳体11与小齿轮壳体20的下半部分在一 侧一体化形成，以便它们的轴向中心彼此相交。支撑在齿条壳体ll 中的齿条轴10包括与齿条轴10在面对与小齿轮壳体20相通的部 分侧一体化形成的齿条14，以便齿条14在齿条轴10的轴向方向上 延伸预定长度。齿条14与小齿轮21啮合。在齿条壳体11和小齿轮壳体20的相交部分，筒形轭壳体40 伸向垂直于齿条壳体11和小齿轮壳体20的方向。具有圆形剖面的 支撑轭4安装在轭壳体40中，以便它被轴向可滑动地保持。支撑轭4面向齿条壳体11内部的一端具有与齿条轴10的外轮 廓一致的弧形，而且通过滑动板41可滑动地从在小齿轮21和齿条 14之间的啮合部分的另一侧与齿条轴10的外围表面接触。另外， 支撑轭4的另一端与支撑帽42的底表面接触，支撑帽42被固定地 安装在轭壳体40的开口中以便被锁紧螺母43定位。压弹簧44插 入支撑轭4和支撑帽42的相对面之间。压弹簧44的弹簧力把支撑 轭4向齿条轴10偏置，以便它弹性地与齿条轴IO接触。用这种方式相连的支撑轭4向小齿轮轴2推压齿条轴10，而且 给齿条14和小齿轮21的啮合部分预加载荷，以便它们彼此没有齿 轮间隙的很好地啮合。通过改变支撑帽42的安装深度可以适当地 调整预加负荷。利用上述结构，当方向盘30转动用于转向时，此旋转通过转 向杆3被传递给小齿轮轴2，而且小齿轮轴2的旋转在小齿轮21和 齿条14的啮合部分被转换为齿条轴10在轴向方向上的移动。齿条 轴10的这样的运动通过各自的转向横拉杆12推和拉在左右两侧的 前轮13，因此完成车辆的转向。转向辅助马达5安装在齿条壳体11外周的中间部分。马达5 的输出轴延伸入齿条壳体11的内部，而且形成为通过运动转换机构，例如滚珠丝杠机构，把力传递给齿条轴10的中间位置。马达5 依据如后续描述计算的转向转矩操作。通过运动转换机构把马达操 作所产生的旋转传递给齿条轴10，车辆转向得到辅助。如图2所示，支撑轭4包括位于支撑帽侧的、被压弹簧44偏 置的偏置部分4a，和位于齿条轴10侧的、与齿条轴10的外围面弹 性接触的弹性部分4b。在图2所示的剖面图中，偏置部分4a的与 弹性部分4b相对的端面形成为V型。所述端面相对于支撑轭4的 轴向中心以一角度(90°-《°)倾斜，支撑轭4的轴向中心穿过圆形 剖面的中心，且与滑动方向平行。相似地，图2所示的剖面图中， 弹性部分4b的相对偏置部分4a的端面形成为反向的V型。所述端 面相对于支撑轭4的轴向中心以一角度(90°-《°)倾斜。测力传感 器6和7被夹在偏置部分4a和弹性部分4b的端面之间。测力传感 器6和7的每一个是已知的力传感器，比如安装在弹性体上的应变 仪，；例如，其检测由于被施加的力而使弹性体产生的变形作为应 变仪的电阻改变，而且依据所述改变计算被施加的力。根据该实施例的转向装置通过使用如上所述设置的测力传感 器6和7来检测作用在支撑轭4上的力，而且依据所检测的力来计 算施加在小齿轮轴2上的转矩(也就是说，转向转矩)。在下文中， 首先，将参考图3说明作用在支撑轭4上的力和施加在小齿轮轴2 上的转矩之间的关系，图3是阐明作用在转向机构l上的力的示图。如图3所示，齿条14包括两个或更多形成为斜齿的齿条齿14a。 这些齿条齿14a与形成在作为斜齿的小齿轮21的外围表面的小齿 轮齿21a啮合。当转矩T施加在小齿轮轴2上时，垂直于小齿轮齿 21a和齿条齿14a的齿面的力N在小齿轮21和齿条14的啮合部分 作用在齿条14上。由于作用力与反作用力的关系，所施加的力N
的反作用力N'作用在小齿轮21上。这里，由于作用力与反作用力 的关系，作用在小齿轮21上的反作用力N'和作用在齿条14上的作 用力N总是彼此相等。因为小齿轮21的小齿轮齿21a和齿条14的 齿条齿14a形成为斜齿，作用在小齿轮21上的反作用力N'用径向 分力Pv和轴向分力Pa表示，而且作用在齿条14上的作用力N用轴 向分力Na和垂直于支撑轭4和齿条轴10的轴向中心方向上(图3 中的垂直方向)的分力Nv表示。施加在小齿轮轴2上的转矩T和由于转矩T而作用在齿条14 上的力N在轴向方向上的分力Na的关系可以用如下等式表示。r = iV。 "/(2;r) … (1) 这里，S是齿条的行程比率，代表当小齿轮轴2每转一圈时齿条轴 10的移动距离。施加在小齿轮轴2上的转矩T根据方向盘30从它 的中间位置开始的旋转方向用符号(正号/符号)表示。因此，例 如，所述符号是正号表示从所述中间位置转向右侧，负号表示从所 述中间位置转向左侧。如图3所示，形成斜齿的齿条齿14a的倾斜角度是『，作用在 齿条14上的力N的轴向分力Na和垂直方向上的分力Nv之间的关系 用下式表示。AT。=ATv/tanP …(2) 把等式(2)代入等式(1)，可以得到下面的等式。r = 7Vv*S/(2;r*tan0) …(3) 如上所述，通过检测作用在齿条14上的力N的垂直方向上的分力 Nv，通过把所检测的Nv值代入等式(3)来计算施加到小齿轮轴2 上的转矩T。垂直方向上的分力Nv被传递给与齿轮轴10弹性接触的 支撑轭4上。如上所述，测力传感器6和7设置在支撑轭4上用于 检测Nv。这里，在这个实施例中，作用在齿条14上的力N的轴向 为正，向左方向被指定为负。另外，垂直方向上分力Nv的正值被指定为向下方向，负值被指定为向上方向。如图2所示，由测力传感器6和7所检测的力分别为Su和Sl。 另外，从齿轮轴10穿过弹性部分4b作用在测力传感器6和7上的 力相对于支撑轭4的轴向中心的角度成^。因此，如上所述的作用 在齿条14上的力N在垂直方向上的分力Nv可以通过下式来计算。7VV =(S/-&/)"in《...(4) 这里，《被设置除了 0°以外直至90°的任意角度。在结构如上所述 的转向装置中，当方向盘30被向右或向左操作时，分别有向下或 向上的力作用在齿条14上。因此，被测力传感器6和7所检测的 力之间的差分别变为正值或负值。如图1所示，测力传感器6和7的检测结果被传给辅助控制模 块9。使用测力传感器6和7所分别检测的力^和S/，如等式(4) 所示，辅助控制模块9专门根据所检测的力^和S/在垂直方向的分 力之间的差值，也就是作用在齿条14上的力N在垂直方向上的分 力Nv，来计算施加在支撑轭4上的力。然后辅助控制模块9通过把 计算的Nv代入等式(3)来计算施加在小齿轮轴2上的转矩T。通过 计算得到的施加在小齿轮轴2上的转矩T等于施加在方向盘30上 的转向转矩Th。辅助控制模块9依据如上计算的转向转矩Th把控制指令传递 给转向辅助马达5，以执行辅助控制模块9增加和降低马达5的驱 动电流的辅助控制操作。另外，用于检测转向辅助马达5的电流的 马达电流传感器50的检测结果也被传给辅助控制模块9。马达电流 传感器50所检测的电流被用作控制转向辅助马达5的反馈信号。根据如上所述结构的实施例的转向装置根据依方向盘30的旋 转作用在小齿轮21和齿条14的啮合部分的力，也就是说，如式(4)
中所示，依据测力传感器6和7分别检测的力^和S/之间的差值而 作用在齿条14上的力N的垂直方向上的分力Nv，来计算施加在支 撑轭4上的力。然后，转向装置能够计算施加在小齿轮轴2上的转 矩T，也就是，通过把计算的Nv代入等式(3)来计算施加到方向盘 30上的转向转矩Th。结果，不必设置如传统扭矩传感器的低刚性 的扭力杆，而且通过用高刚性的中空或实心构件组成转向杆3来提 高驾驶感。另外，如图2所示，因为测力传感器6和7设置在用于 支撑支撑轭4的轭壳体40中，它们不会暴露在外部环境中。因此， 可以防止在外界物质例如水、泥、灰尘等的影响下例如检测准确性 降低和故障问题。另外，在转向装置中，两个测力传感器6和7被设置在包括支 撑轭4和齿轮轴10的轴向中心的平面的对称位置。转向装置依据 测力传感器6和7所检测的力之间的差值使用等式(4)来计算作 用在齿条14上的力在垂直方向上的分力Nv。然后转向装置依据所 计算的分力Nv使用等式(3)来计算施加在小齿轮轴2上的转矩T， 也就是，施加在方向盘30上的转向转矩Th。因此，可以计算转向 转矩。另外，因为转向装置计算测力传感器6和7的检测结果之间 的差值，将其中的一个作为相对于另一个的基准，可以依据所计算 差值的符号(正/负)来计算施加到方向盘30上的转向转矩Thh的 方向。这里，对于其它转向装置可以作出修改，而不限制于如实施例 1所公开的齿条辅助型电动转向装置。所述修改也可以包括杆辅助 型电动转向装置，其中转向辅助马达连接在杆壳体31的外表面， 而且马达给转向杆3传递动力。实施例2
在杆辅助型电动转向装置中，转向辅助马达所施加的辅助转矩被包括在施加在小齿轮轴2上的转矩T中。因此，为了计算施加在 方向盘30上的转向转矩Th，需要从施加在小齿轮轴2上的转矩T 中减去辅助转矩。转向转矩Th可以用如下的使用施加在小齿轮轴2 上的转矩T的等式表示，转矩T可以通过等式(3)来计算。<formula>formula see original document page 14</formula>… (5) 这里，乙是马达转矩，且能够用马达电流/,和马达转矩常数Kt的乘积来表示。"是传动装置的传动比，该传动装置用于降低转向辅助马达的输出轴的旋转，而且把经减速的旋转传递给转向杆3。在上述的实施例1和2中，已经说明被支撑轭4和齿条轴10 所定义的平面是包括支撑轭4和齿条轴10的轴向中心的平面。然 而，实施例不限于这样的结构。例如，该平面也可以是包括支撑轭 4的轴向中心和与齿轮轴10的轴向中心成一预定角度倾斜的平面。 另外，在上述的实施例1和2中，已经说明测力传感器6和7 被用作检测从齿条轴10施加在支撑轭4上的力的检测装置。然而， 实施例不局限于这样的结构，而且检测装置可以形成为仅检测施加 在支撑轭4上的力。另外，在这个实施例中，已经说明了测力传感 器6和7被设置在用于支撑支撑轭4的轭壳体40的内部。然而， 实施例不局限于这样的结构，而且它可以形成为在轭壳体40的内 表面上设置凹部，而且测力传感器设置在所述凹部中以便与支撑轭 4的外表面接触。另外，不局限于上述实施例，可以在如权利要求所描述的范围 内进行各种方式的修改。实施例3图4是根据实施例示出转向装置结构的示意图。图4所示的转向装置包括齿条齿轮型转向机构，且形成为齿条辅助型电动转向装置。齿条齿轮型转向机构1具有已知的结构，其包括在轴向方向 上可移动地支撑在齿条壳体11内部的齿条轴10，齿条壳体11在车 体的左右方向上延伸(未示出)；以及小齿轮轴2，其可旋转地支撑 在小齿轮壳体20内部，小齿轮壳体20与齿条壳体11在齿条壳体 11的中间位置相交。从齿条壳体11的两侧外伸的齿条轴10的两端通过各自的转向 横拉杆12与作为可操纵轮的左侧和右侧的前轮13连接。另外，从 小齿轮壳体20的一侧向外伸出的小齿轮轴2的上端通过转向杆3 与作为转向构件的方向盘30连接。转向杆3可旋转地支撑在筒形杆壳体31中，而且通过杆壳体 31安装在驾驶室(未示出)中，以便它的前端向下倾斜。转向杆3 的从杆壳体31向下伸出的一端与小齿轮轴2连接。方向盘30固定 在转向杆3的向上伸出的另一端。图5示出在小齿轮壳体20和齿条壳体11的相交部分附近的部 分的纵向剖面示意图。如图中所示，小齿轮轴2包括一体化形成的 小齿轮21。小齿轮21的下半部分的直径比小齿轮21的其它部分的 直径大。小齿轮轴2通过一对分别位于小齿轮21的上方和下方的 轴承22和23可旋转地支撑在小齿轮壳体20中。位于小齿轮21上面的轴承22是角接触球轴承，而且位于小齿 轮21下面的轴承23是深沟球轴承。如上所述，筒形齿条壳体11与小齿轮壳体20的下半部分在一 侧一体化形成，以便它们的轴向中心彼此相交。支撑在齿条壳体ll 中的齿条轴10包括与齿条轴10在面对与小齿轮壳体20相通的部 分侧一体化形成的齿条14，以便齿条14在齿条轴10的轴向方向上延伸预定长度。齿条14与小齿轮21啮合。在齿条壳体11和小齿轮壳体20的相交部分，筒形轭壳体40 伸向垂直于齿条壳体11和小齿轮壳体20的方向。具有圆形剖面的 支撑轭4安装在轭壳体40中，以便它被轴向可滑动地保持。支撑轭4面向齿条壳体11内部的一端具有与齿条轴10的外轮 廓一致的弧形，而且通过滑动板41从小齿轮21和齿条14之间的 啮合部分的另一侧与齿条轴10的外围表面可滑动地接触。另外， 支撑轭4的另一端与支撑帽42的底表面接触，支撑帽42被固定地 安装在轭壳体40的开口中以便被锁紧螺母43定位。压弹簧44插 入支撑轭4和支撑帽42的相对面之间。压弹簧44的弹簧力把支撑 轭4向齿条轴10偏置，以便它弹性地与齿条轴IO接触。如上述安装的支撑轭4用以把齿条轴10推向小齿轮轴2，而且 使齿条14与小齿轮21没有齿轮间隙的很好地啮合。可以通过改变 支撑帽42的安装深度来适当地调整向齿条轴10的推力。利用上述结构，当方向盘30转动用于转向时，此旋转通过转 向杆3被传递给小齿轮轴2，而且小齿轮轴2的旋转在小齿轮21和 齿条14的啮合部分被转换为齿条轴10在轴向方向上的移动。齿条 轴IO这样的运动通过各自的转向横拉杆12推和拉在左右两侧的前 轮13，因此完成车辆的转向。转向辅助马达5安装在齿条壳体11的外周的中间部分。马达5 的输出轴延伸入齿条壳体11的内部，而且形成为通过运动转换机 构，例如滚珠丝杠机构，把力传递给齿条轴10的中间位置。马达5 依据如后续描述计算的转向转矩操作。通过运动转换机构把马达操 作所产生的旋转传递给齿条轴10，车辆转向得到辅助。如图5所示，小齿轮壳体20的下端上形成开口部分，而且此 开口部分被螺纹底盖24密封。测力传感器6a位于底盖24的上表
面上，而且板状承载座25与测力传感器6a的上表面上的检测部分 接触。凹部均形成在承载座25的上表面上和小齿轮轴2的下端面 上，而且球26可旋转地夹在所设置的凹部之间。测力传感器6a是已知的力传感器，例如安装在弹性体上的应 变仪，例如，其检测通过被施加的力引起的弹性体的变形作为应变 仪的电阻改变，而且依据所述改变计算被施加的力。根据底盖24 进入小齿轮壳体20中的安装深度，所述测力传感器6a被预加载为 作用在测力传感器6a的下表面上的力，和通过承载座25和球26， 从小齿轮轴2的下端面作用在测力传感器6a的检测部分的反作用 力。通过改变底盖24的安装深度适当地调整预加载荷，以便当在 转向操作中，它比作用在小齿轮的轴向方向2上的假定最大力更大。 设置如上所述的球26以便仅把轴向方向上的力传递给测力传感器 6a，而不传递由于小齿轮21的旋转所产生的围绕中心轴线的力矩。 另外，设置承载座25以使从球26收到的轴向方向上的力稳定地作 用在测力传感器6a上。利用上述结构，当在方向盘30上施加转向转矩，且由所述转 向转矩所产生的小齿轮21施加给齿条14的力所产生的反作用而使 力沿轴向向上或向下作用在小齿轮21上时，被测力传感器6a所检 测的力增大或减小。根据这个实施例，转向装置用如上所述设置的测力传感器6a 检测作用在小齿轮21上的力，而且根据所检测的力来计算施加在 小齿轮轴2上的转矩(也就是，转向转矩)。在下文中，首先，作 用在小齿轮21上的力和施加在小齿轮轴2上的转矩之间的关系将 参考图3进行说明，图3是阐明作用在转向机构1上的力的图示。如图3所示，齿条14包括两个或更多形成为斜齿的齿条齿14a。 这些齿条齿14a与形成在小齿轮21的外围表面上作为斜齿的的小
齿轮齿21a啮合。当转矩T施加在小齿轮轴2上时，垂直于小齿轮 齿21a和齿条齿14a的齿面的力N在小齿轮21和齿条14的啮合部 分作用在齿条14上。由于作用力与反作用力的关系，所施加的力N 的反作用力N'作用在小齿轮21上。这里，由于作用力与反作用力 的关系，作用在小齿轮21上的反作用力N'和作用在齿条14上的作 用力N总是彼此相等。因为小齿轮21的小齿轮齿21a和齿条14的 齿条齿Ma形成为斜齿，作用在小齿轮21上的反作用力N'用径向 分力Pv和轴向分力Pa表示，而且作用在齿条14上的作用力N用轴 向分力Na和垂直于轴向方向和支撑轭4的轴向中心方向上(图3中 的垂直方向)的分力Nv表示。施加在小齿轮轴2上的转矩T和由于转矩T而作用在齿条14 上的力N在轴向方向上的分力Na的关系可以用如下等式表示。r《"/(2;r) … (6) 这里，S是齿条的行程比率，代表当小齿轮轴2每转一圈时齿条轴 10的移动距离。施加在小齿轮轴2上的转矩T根据方向盘30从它 的中间位置开始的旋转方向用符号(正号/符号)表示。因此，例 如，所述符号是正号表示从所述中间位置转向右侧，负号表示从所 述中间位置转向左侧。如图3所示，形成斜齿的齿条齿14a的倾斜角度是W，作用在 齿条14上的力N的轴向分力Na和垂直方向上的分力Nv之间的关系 用下式表示。7Va=iV*cose …(7)另外，在如图3所示的平面中，小齿轮轴2相对于垂直于齿条 轴10的轴向方向的方向所成的角度为P/，因为根据作用力与反作 用力的关系N' =N，作用在齿条14上的力N和分力Pa之间的关系用 下式表示。<formula>formula see original document page 19</formula> (8)将等式(7)和(8)代入等式(6)，得到如下等式。 r = S*/>cose/(2"sin("") …(9) 如上所述，可以通过检测作用在小齿轮21上的反作用力N'在轴向方向上的分力Pa，并将检测的分力Pa代入等式(9)来计算施加在小齿轮轴2上的转矩T。这里，在这个实施例中，作用在齿条14上 的力N在轴向方向上的分力N。向右是正值，向左是负值，并且作用在小齿轮21上的反作用力N'在轴向方向上的分力Pa向上是正值，向下是负值。当被设置在小齿轮21下面的测力传感器6a所检测的力是SJ寸，作用在小齿轮21上的反作用力N'在轴向方向上的分力Pa用下式表 不o<formula>formula see original document page 19</formula>10) 这里，S。是当施加在方向盘30上的转向转矩是0时被测力传感器 6a所检测的值，以及如上所述通过改变底盖24的安装深度来适当 地调整的预加载荷。在如上述结构的转向装置中，当方向盘30被 向左或向右转动时，因为向下或向上的力作用在小齿轮21上，被 测力传感器6a所检测的力Sa增大或减小，而且分力Pa的值分别变 为负值或正值。如图4所示，测力传感器6a的检测结果被传给辅助控制模块 9a。辅助控制模块9a通过把测力传感器6a所检测的力Sa代入等式 (10)来计算作用在小齿轮21上的反作用力N'在轴向方向上的分 力Pa，而且通过把所计算的分力Pa代入等式(9)来计算施加在小 齿轮轴2上的转矩T。所计算的被认为是施加在小齿轮轴2上的转 矩T等于施加在方向盘30上的转向转矩Th。辅助控制模块9a依据如上计算的转向转矩Th把控制指令传递
给转向辅助马达5，并且执行辅助控制操作来增加和降低马达5的 驱动电流。另外，用于检测转向辅助马达5的电流的马达电流传感 器50的检测结果也被传给辅助控制模块9a。马达电流传感器50所 检测的电流被用作控制转向辅助马达5的反馈信号。根据如上所述构造的实施例的转向装置通过把测力传感器6a 所检测的力SJ戈入等式(10)来计算作用在小齿轮21的轴向方向 上的力Pa。然后转向装置依据所所算的Pa用等式(9)来计算施加 在小齿轮轴2上的转矩T，也就是，施加在方向盘30上的转向转矩 Th，以及它的方向。因此，不必设置用于传统扭矩传感器的低刚性 的扭力杆。另外，通过用高刚性的中空或实心构件组成转向杆3可 以提高驾驶感。另外，因为测力传感器6a设置在用于支撑小齿轮 21的小齿轮壳体20中，它不会暴露在外部环境中。另外，可以防 止在外界物质例如水、泥、灰尘等的影响下所引起的例如检测准确 性降低和故障问题。另外，预定的预加载荷S。在轴向方向上从一侧施加到与小齿轮 21接触的测力传感器6a上，而且预加载荷S。被设置为比在转向过 程中作用在小齿轮21的轴向方向上的假定最大力还大。因此，转 向装置计算被测力传感器6a所检测的力Sa和预加载荷S。之间的差 值，而且能够依据所计算的差值来计算施加在方向盘30上的转向 转矩和它的方向。实施例4图6示出根据另一个实施例的转向装置的结构示意图。图6中 所示的转向装置构造为杆辅助型电动转向装置，其中转向辅助马达 51安装在用于支撑转向杆3的杆壳体31的中间位置。转向辅助马达51安装在杆壳体31的外周表面，以便近似垂直 于杆壳体31的轴向中心。固定在延伸入杆壳体31内部的输出端的 蜗杆与装配在转向杆3外部的蜗轮啮合。马达51的旋转靠蜗杆和 蜗轮来降低速度，而且被传递给转向杆3以辅助如上所述的转向。 因为其它的结构与图4所示的实施例的结构相似，因此与图4中的 附图标记相似的附图标记指相应的部件，以省略此结构和操作的详 细说明。这里，因为使用测力传感器6a、承载座25和球26的结构 来计算施加在小齿轮轴2上的转矩的过程和计算被测力传感器6a 所检测的力的过程与如上所述的实施例3相同，省略了对它的说明。在杆辅助型电动转向装置中，因为施加在小齿轮轴2上的转矩 T包括转向辅助马达51施加的辅助转矩，为了计算施加在方向盘 30上的转向转矩Th，需要从施加在小齿轮轴2上的转矩T中减去辅 助转矩。因此，作用在方向盘30上的转向转矩Th可以用下面的使 用施加在小齿轮轴2上的转矩T的等式表示，其中施加在小齿轮轴 2上的转矩T能够通过等式(9)计算。r,r_rm-a... (11) 这里，乙是马达转矩，且能够用马达电流/,和马达转矩常数Kt的乘积来表示。"是蜗杆和蜗轮的传动比，用于降低转向辅助马达的输出轴的旋转而且把此被减速的旋转传递给小齿轮轴2。图7示出通过辅助控制模块9b的辅助控制处理程序的流程图。辅助控制模块9b以预定的采样周期读取被测力传感器6a所检测的力Sa和被马达电流传感器52所检测的转向辅助马达51的马达电流/s (步骤Sl和S2)。接下来，辅助控制模块9b通过将在步骤Sl中读取的力Sa代入等式(10)来计算分力Pa，并且通过将所计算的分力Pa代入等式(9)来计算施加在小齿轮轴2上的转矩T (步骤S3)。另一方面，用在步骤S2中读取的马达电流/,来计算马达转矩7;
(步骤S4)。如上所述，可以用马达电流/,和马达转矩常数Kt的乘积来计算马达转矩 ；。辅助控制模块9b通过把在步骤S3中计算的施加在小齿轮轴2 上的转矩T和在步骤S4中计算的马达转矩7;代入等式(11)中来 计算转向转矩Th (步骤S5)。然后，辅助控制模块9b确定提供给转向辅助马达51的目标驱 动电流，以使用转向转矩Th产生目标转向辅助力(步骤S6)。例如， 在步骤S6中，可以通过把在步骤S5中计算的转向转矩Th的计算值 代入存储于辅助控制模块9b的控制映射中来确定目标驱动电流I。然后，辅助控制模块9b计算在步骤S6中得到的目标驱动电流 I和在步骤S2中读取的在转向辅助马达51中流动的马达电流/,之 间的偏差。然后，辅助控制模块9b通过对此偏差进行PID计算来 计算马达电压。辅助控制模块9b再依据所计算的结果将P丽信号 传递给马达驱动电路(未示出)，以便它驱动马达51 (步骤S7)。如上所述，转向装置形成为杆辅助型电动转向装置，其中转向 辅助马达51连接在杆壳体31的外周表面上，且给转向杆3传递动 力。在此转向装置中，也可以通过从施加在小齿轮轴2上的转矩T 中减去辅助转向马达51所施加的辅助转矩来计算施加在方向盘30 上的转向转矩Th。因此，不必设置用于传统扭矩传感器的低刚性的 扭力杆，而且通过用高刚性的中空或实心构件组成转向杆3来提高 驾驶感。在实施例3和4中，尽管已经说明了测力传感器6a设置在小 齿轮21下面，但是修改不局限于所述结构，测力传感器可以被设 置在小齿轮21上面。实施例5
图8示出根据另一个实施例的转向装置的主要部分结构的纵向 剖面示意图，并且与图5相似，示出在小齿轮壳体20和齿条壳体 11的相交部分附近的部分。如图所示，位于小齿轮21的上方和下 方的轴承22a和23a是深沟球轴承，以在轴向方向上可移动地支撑 小齿轮轴2。小齿轮轴2从轴承23a的支撑部分向下延伸。用于支 撑推力负荷的圆形支撑板8设置在小齿轮轴2的延伸端。圆形支撑 板8用锁紧螺母80固定在小齿轮轴2上，而且随小齿轮轴2 —起 旋转。另一方面，在小齿轮壳体20的底端所形成的开口中，紧固安 装着圆柱型保持器81。在进入小齿轮壳体20的延伸端，保持器81 包括从上方与支撑板8相对的顶板。在顶板和支撑板8相对的表面 中间夹着环形测力传感器60a。测力传感器60a的一侧固定在保持 器81的顶板上，而且另一侧通过滑动轴承83a与支撑板8接触。 滑动轴承83a允许与小齿轮轴2 —起旋转的支撑板8和固定在保持 器81上的测力传感器60a之间相对旋转，以便它不会传递任何影 响后面提到的被检测的力的转矩。例如，滑动轴承83a可以是金属 板，例如，具有很好耐磨性的锌青铜。另外，代替滑动轴承83a， 也可以使用球轴承或滚柱轴承，例如止推滚珠轴承、滚柱推力轴承。另外，保持器81的底部开口用紧密安装在这个开口中的底盖 82来密封。底盖82的上端面从下面与支撑板8的下表面相对，而 且环形测力传感器60b被夹在这些相对的表面中间。测力传感器60b 的一侧固定在底盖82上，且另一侧通过滑动轴承83b与支撑板8 接触。因为滑动轴承83b的结构和作用与上面的滑动轴承83a相似， 因此省略说明。在上述结构中，当向上的力作用在小齿轮轴2上时，上面的测 力传感器60a被压向保持器81。因此，被测力传感器60a所检测的 力Su增大，且被测力传感器60b所检测的力Sl减小。另一方面， 当向下的力作用在小齿轮轴2上时，下面的测力传感器60b被压向 底盖82。因此，被测力传感器60b所检测的力Sl增大，而且被测 力传感器60a所检测的力Su减小。这里，上述滑动轴承83a和83b 仅仅用于把轴向方向上的力分别传递给测力传感器60a和60b，而 不传递由于小齿轮21的旋转所产生的围绕中心轴线的力矩。也就 是，滑动轴承83a和83b不影响在轴向方向上施加在小齿轮21上 的力的检测。因为其它结构与图5所示的实施例的结构相似，与图 5的附图标记相似的附图标记指相应的部件，而且省略所述结构和 操作的详细说明。在实施例5中，在各自方向上施加给小齿轮21的力Su和Sl 分别被测力传感器60a和60b所检测。因此，转向装置计算所检测 的力Sl和被测力传感器60a所检测的力Su之间的差值(二Su — Sl)， 同时被测力传感器中的一个(60b)所检测的力Sl作为另一个的基 准。然后，转向装置可以通过把所计算的差值作为在轴向方向上作 用在小齿轮21上的力Pa代入等式(24)来计算施加在小齿轮轴2 上的转矩T和它的方向。当转向转矩Th被施加到方向盘30上，且由所述转向转矩Th所 产生的小齿轮21施加给齿条14的力所产生的反作用而使力沿轴向 向下或向上作用在小齿轮21时，被测力传感器60a和60b所检测 的力之间的差值Pa增大或减小。因此，与上述实施例相似，可以计 算施加到方向盘30上的转向转矩Th和它的方向。不必设置用于传 统扭矩传感器的低刚性的扭力杆，而且通过用高刚性的中空或实心 构件组成转向杆3来提高驾驶感。实施例6
图9示出根据另一个实施例的转向装置的主要部分结构的纵向 剖面示意图，并且与图5相似，示出在小齿轮壳体20和齿条壳体 11的相交部分附近的部分。在这个实施例中，小齿轮轴2被分别与 小齿轮21的上端和下端表面接触的角接触球轴承22b和23b支撑。如上所述，角接触球轴承23b的下表面与紧固安装在小齿轮壳 体20的下端开口中的底盖24的上端面相对。环状测力传感器61b 通过承载座25a而被该上端面支撑。测力传感器61b通过角接触球 轴承23b与小齿轮21的下端面接触。另一方面，小齿轮轴2从其伸出的开口部分设置在小齿轮壳体 20的上端。作为油密封保持器的上盖27紧固安装在所述开口中， 所述油密封用于密封小齿轮轴2的外周表面。上盖27的下部伸入 小齿轮壳体20中，并且延伸端与上部的角接触球轴承22b的上表 面相对。环形测力传感器61a被夹在所述相对的表面之间。测力传 感器61a通过角接触球轴承22b与小齿轮21的上端表面接触。利用上述的结构，当向下的力作用在小齿轮轴2上时，下部的 测力传感器61b压住下盖24。因此，被测力传感器61b检测的力 Sl增加，而且被测力传感器61a检测的力Su减小。这里，设置承 载座25a使得在测力传感器61b上稳定地作用轴向方向的力。另一方面，当向上的力作用在小齿轮轴2上时，上部的测力传 感器61a压住上盖27。因此，被测力传感器61a检测的力Su增大， 并且被测力传感器61b检测的力Sl减小。因为其它结构与图5中 示出的实施例中的结构相似，使用与图5中的附图标记相似的附图 标记指相应的部件，因此省略此结构和操作的详细说明。在这个实施例中，在各自方向上施加在小齿轮21上的力Su和 Sl分别被测力传感器61a和61b检测。转向装置计算被一个测力传 感器61b所检测的力Sl和被另一个测力传感器61a所检测的力Su 之间的差值(=Su —Sl)，同时力S1作为另一个的基准。因此，转 向装置可以通过把所计算的差值作为在轴向方向上作用在小齿轮 21上的力Pa代入等式(9)来计算施加在小齿轮轴2上的转矩T和 它的方向。当转向转矩Th被施加到方向盘30上，且由所述转向转矩Th所 产生的小齿轮21施加给齿条14的力所产生的反作用而使力沿轴向 向下或向上作用在小齿轮21时，被测力传感器61a和61b所检测 的力之间的差值Pa增大或减小。因此，与上述实施例相似，转向装 置可以计算施加到方向盘30上的转向转矩Th和它的方向。不必设 置用于传统扭矩传感器的低刚性的扭力杆，而且通过用高刚性的中 空或实心构件组成转向杆3来提高驾驶感。除此之外，如果从两侧支撑小齿轮21的支撑部分的弹性系数， 或者更具体地，被角接触球轴承22b和23b和用于支撑角接触球轴 承22b和23b的壳体的结构和类似的结构所决定的弹性系数近似相 等，转向装置就能够更为准确地计算转向转矩。在上述的实施例3 6中，已经说明测力传感器用作检测在轴 向方向上作用在小齿轮21上的力Pa的检测装置。但是，修改不局 限于这个结构，且检测装置可以是任何能够检测在轴向方向上作用 在小齿轮21上的力Pa的装置。根据所述公开，不必设置用于传统扭矩传感器的低刚性的扭力 杆，而且通过用高刚性的中空或实心构件组成转向杆来提高驾驶 感。另外，设置检测装置使其不暴露在外部环境中。例如，检测装 置可以设置在用于支撑支撑轭的轭壳体的内部。因此，可以防止由 外界物质例如水、泥、灰尘等引起的例如检测准确性降低和故障问 题。根据所述公开，检测装置由设置在对称位置的两个力传感器组 成。所述对称位置是相对于被支撑轭和齿条轴所限定的平面而言 的，例如，包括支撑轭和齿条轴的轴向中心的平面。计算装置计算 这两个力传感器所检测的力之间的差值，并且依据所计算的差值来 计算施加在转向构件上的转向转矩。因此，可以依据所计算差值的 符号(正号/负号)来计算施加在转向构件上的转向转矩和转向转 矩的方向，所述差值的符号通过计算两个力传感器所检测的力之间 的差值，或者一个力传感器所检测的一个力相对于另一个力传感器 所检测的另一个力的差值来获得。根据所述公开，检测装置检测根据转向构件的操作而作用在小 齿轮和齿条的啮合部分上的力所产生的反作用而施加在小齿轮轴 向方向上的力。根据所述检测，然后计算施加在小齿轮轴上的转矩， 例如，使用作用在齿条和小齿轮之间的力的作用和反作用关系等式 和施加在小齿轮轴上的转矩和齿条轴力的关系等式。因此，不必设 置用于传统扭矩传感器的低刚性的扭力杆，而且通过用高刚性的中 空或实心构件组成转向杆来提高驾驶感。另外，检测装置因为可以 设置在用于支撑小齿轮轴的小齿轮壳体中而不会暴露在外部环境 中。因此，可以防止在外界物质例如水、泥、灰尘等的影响下所引 起的例如检测准确性降低和故障问题。根据所述公开，预定的预加载荷，具体地，比在转向过程中作用在小齿轮21的轴向方向上的假定最大力还大的预定载荷，被在 轴向方向上从一侧施加到与小齿轮接触的力传感器上。因此，可以 计算被力传感器所检测的值和预加载荷值之间的差值，从而依据所 计算的差值来计算施加在转向构件上的转向转矩和它的方向。根据所述公开，通过两个力传感器分别从轴向方向上的两侧与 设置在小齿轮一侧的支撑板接触，检测在各自方向上施加在小齿轮 上的力。然后，计算被一个力传感器所检测的值与被另一个力传感 器所检测的值之间的差值，也就是说，计算一个力传感器所检测的 值相对于另一个力传感器所检测的值之间的差值。因此，可以依据 所计算的差值来计算施加在转向构件上的转向转矩和它的方向。根据所述公开，通过力传感器在轴向方向上分别从两侧接触小 齿轮，可以检测在各自方向上施加在小齿轮上的力。然后，计算被 一个力传感器所检测的值与被另一个力传感器所检测的值之间的 差值，也就是说，计算一个力传感器所检测的值相对于另一个力传 感器所检测的值之间的差值。因此，可以依据所计算的差值来计算 施加在转向构件上的转向转矩和它的方向。
权利要求
1、一种转向装置，其包括依照转向构件的操作而旋转的小齿轮、具有与所述小齿轮啮合的齿条的齿条轴、和从所述齿条和小齿轮的啮合部分的相对侧与所述齿条轴弹性接触的支撑轭，以便所述齿条轴设置在所述相对侧和所述啮合部分之间，且所述转向装置构造为把所述小齿轮的旋转转化为齿条轴在轴向方向上的运动，所述转向装置包括用于检测施加在支撑轭上的力的检测单元，作用在所述啮合部分上的力从所述齿条轴传递给支撑轭；和用于依据所述检测单元所检测的力来计算施加在转向构件上的转向转矩的计算单元，其中，所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。
2、 根据权利要求1所述的转向装置，其中，在所述啮合部 分上的作用力包括在垂直于由所述支撑轭和所述齿条轴所界定的 平面的方向上，在所述啮合部分从所述小齿轮作用在所述齿条上的 力的分力。
3、 根据权利要求l所述的转向装置，其中，所述检测单元包括 相对于由所述支撑轭和所述齿条轴所界定的平面设置在对称位置的 两个力传感器，并且其中，所述计算单元计算被所述力传感器所检 测的力之间的差值，并且依据所计算的差值计算转向转矩。
4、 根据权利要求1所述的转向装置，其中，所述检测单元包 括相对于一平面设置在对称位置的两个力传感器，其中所述平面由 垂直于所述支撑轭的圆形横截面的中心轴线、以及所述齿条轴的轴 线所界定。
5、 根据权利要求3所述的转向装置，其中，计算单元计算被 各个力传感器所检测的力在垂直于所述平面的方向上的分力之间 的差值，并且依据所计算的差值来计算转向转矩。
6、 根据权利要求3所述的转向装置，其中，被每个力传感器 所检测的力的方向大致垂直于所述平面。
7、 一种转向装置，其通过把依照转向构件的操作引起的小齿 轮的旋转转换成齿条轴在其轴向方向上的运动来转向车辆，所述齿 条轴具有与所述小齿轮啮合的齿条，所述转向装置包括检测单元，其用于检测通过在所述小齿轮和所述齿条的啮合部 分上的作用力的反作用而施加在所述小齿轮的轴向方向上的力；和 计算单元，其用于依据由所述检测单元所检测的力来计算施加在转向构件上的转向转矩，其中，所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。
8、 根据权利要求7所述的转向装置，其中，在所述啮合部分 上的作用力是依照所述转向构件的操作从所述小齿轮施加到所述 齿条上的力。
9、 根据权利要求7所述的转向装置，其中，所述检测单元包 括在小齿轮的轴向方向上从一侧与所述小齿轮接触的力传感器，力 传感器上施加有预定的预加载荷，并且其中，计算单元计算被所述 力传感器所检测的力和预加载荷之间的差值，并且依据所计算的差 值来计算转向转矩。
10、 根据权利要求7所述的转向装置，还包括设置在所述小齿 轮一侧的支撑板，用于支撑施加在小齿轮轴向方向上的力，其中，所述检测单元包括在小齿轮的轴向方向上从两侧与所述 支撑板接触的两个力传感器，并且其中，计算单元计算被一个力传 感器所检测的值和被另一个力传感器所检测的值之间的差值，并且 依据所计算的差值来计算转向转矩。
11、 根据权利要求7所述的转向装置，其中，所述检测单元包 括在小齿轮的轴向方向上从两侧与所述小齿轮接触的两个力传感 器，并且其中，计算单元计算被一个力传感器所检测的值和被另一 个力传感器所检测的值之间的差值，且依据所计算的差值来计算转 向转矩。
12、 一种转向装置，其包括依照转向构件的操作而旋转的小齿 轮、具有与所述小齿轮啮合的齿条的齿条轴、和从所述齿条和小齿 轮的啮合部分的相对侧与所述齿条轴弹性接触的支撑轭，且所述转 向装置构造为把所述小齿轮的旋转转化为齿条轴在轴向方向上的运动，所述转向装置包括检测装置，其用于检测通过在所述啮合部分上的作用力而施加 在支撑轭上的力；和计算装置，其用于依据由所述检测装置所检测的力来计算施加 在转向构件上的转向转矩，其中，所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。
13、 一种转向装置，其通过把依照转向构件的操作引起的小齿轮的旋转转换成齿条轴在其轴向方向上的运动来转向车辆，所述齿 条轴具有与所述小齿轮啮合的齿条，所述转向装置包括检测装置，其用于检测通过在所述小齿轮和所述齿条的啮合部分上的作用力的反作用而施加在所述小齿轮的轴向方向上的力；和 计算装置，其用于依据由所述检测装置所检测的力来计算施加在转向构件上的转向转矩，其中，所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。
全文摘要
本发明提供一种转向装置，其包括与转向构件的操作相联系的小齿轮、具有与所述小齿轮啮合的齿条的齿条轴、和与所述齿条轴弹性接触的支撑轭，且形成为把所述小齿轮的旋转转化为齿条轴在轴向方向上的运动，所述小齿轮和齿条在所述啮合部分彼此啮合。所述转向装置包括用于检测施加在支撑轭上的力的检测单元，作用在所述啮合部分上的力从所述齿条轴被传递给支撑轭；和用于依据所述检测单元所检测的力来计算施加在转向构件上的转向转矩的计算单元，其中所述小齿轮和所述齿条形成为斜齿。
文档编号G01L5/22GK101130369SQ20071014261
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月20日 优先权日2006年8月21日
发明者中野史郎, 冈邦洋, 水野尊广 申请人:株式会社捷太格特