本發明涉及機動車輛設備技術領域，并且更具體地涉及一種電控轉向輔助致動器。

背景技術：

自主車輛和具有駕駛員輔助特征(例如車道跟蹤和自動停車)的車輛需要響應于控制器命令的轉向系統。傳統的液壓轉向不能實現駕駛員輔助特征和自主轉向。解決這個問題的一種方法是為需要這種特征的車輛裝備僅電動動力轉向輔助裝置，其僅依靠電動馬達來提供必要的轉向輸入。然而，完全電動轉向系統需要比通過大多數車輛常見的12伏直流(“12V”)電氣架構實際提供的更多的功率。特別地，12V馬達不能為大型客運車輛和商用車輛提供足夠的轉向輔助。沒有電控轉向系統是提供自主大型客車和商用車輛的障礙。

技術實現要素：

根據本發明，提供一種用于車輛的轉向輔助致動器，包含：

可圍繞第一軸線旋轉的致動器軸；

致動器軸包括整體式扭矩傳感器；

具有可圍繞第二軸線旋轉的輸出軸的馬達，其中第二軸線大體上平行于第一軸線；

設置在馬達和轉向柱之間并且驅動地連接馬達和轉向柱的驅動機構，其中驅動機構提供從馬達到致動器軸的減速；以及

包圍扭矩傳感器和驅動機構并且具有安裝結構的驅動器殼體，馬達的殼體固定到安裝結構，并且驅動器殼體具有第一軸承和第二軸承，第一軸承和第二軸承將致動器軸可旋轉地支撐在驅動器殼體中并與轉向裝置分離。

根據本發明的一個實施例，殼體由多個鑄件形成，鑄件中的兩個具有蛤殼式關系并且包圍驅動機構和扭矩傳感器。

根據本發明的一個實施例，驅動機構包括固定到馬達的輸出軸的驅動帶輪和固定到致動器軸的從動帶輪，以及設置在從動帶輪和驅動帶輪之間并驅動地連接從動帶輪和驅動帶輪的皮帶。

根據本發明的一個實施例，轉向致動器進一步包含隔熱板，隔熱板固定到殼體并且設置在殼體的第一側上并且延伸橫跨殼體的第一側和橫跨馬達的第一側。

根據本發明，提供一種用于車輛的轉向系統，包含：

方向盤；

固定到方向盤的上轉向柱軸；

轉向輔助致動器，包括

致動器軸，致動器軸可繞第一軸線旋轉并且在第一端可旋轉地固定到上轉向柱軸，

致動器軸包括整體式扭矩傳感器，

具有可圍繞第二軸線旋轉的輸出軸的馬達，第二軸線大體上平行于第一軸線，

設置在馬達和致動器軸之間并且驅動地連接馬達和致動器軸的驅動機構，其中驅動機構提供從馬達到致動器軸的減速，以及

包圍扭矩傳感器和驅動機構并且具有安裝結構的驅動器殼體，馬達的殼體固定到安裝結構，并且驅動器殼體具有第一軸承和第二軸承，第一軸承和第二軸承將致動器軸可旋轉地支撐在驅動器殼體中并且殼體與液壓輔助轉向裝置分離；以及

驅動地連接到致動器軸的液壓輔助轉向裝置。

根據本發明的一個實施例，驅動器殼體由多個鑄件形成，其中鑄件中的兩個具有蛤殼式關系并且包圍驅動機構和扭矩傳感器。

根據本發明的一個實施例，驅動機構包括固定到馬達的輸出軸的驅動帶輪和固定到致動器軸的從動帶輪，以及設置在從動帶輪和驅動帶輪之間并且驅動地連接從動帶輪和驅動帶輪的皮帶。

根據本發明的一個實施例，轉向系統進一步包含隔熱板，隔熱板固定到殼體并且設置在殼體的第一側上并且延伸橫跨殼體的第一側和橫跨馬達的第一側。

根據本發明的一個實施例，轉向系統進一步包含安裝到發動機艙中的部件的驅動器殼體，該部件不包括防火墻。

根據本發明的一個實施例，驅動器殼體安裝到固定到車架縱梁的支架。

附圖說明

圖1是示例性車輛轉向系統的示意圖；

圖2是圖1的轉向系統的示例性電動轉向輔助致動器的透視圖；

圖3是圖2的電動轉向輔助致動器的側剖視圖；

圖4是圖3的電動轉向輔助致動器的扭矩傳感器的側剖視圖；

圖5是圖1的轉向致動器在安裝狀態下的透視圖。

具體實施方式

液壓動力轉向系統可以補充有能夠提供操作自主車輛所需的控制的電子輔助致動器。電子輔助致動器還可以被配置為減少駕駛員轉向力。然而，使用可用硬件的電動轉向輔助致動器的結合對在現代車輛的引擎蓋下實現給定的包裝限制以及可用現有硬件的功能約束是具有挑戰性的。示例性電動轉向輔助致動器包括電動馬達、電子控制單元(“ECU”)、扭矩傳感器和減速驅動機構，以在轉向柱軸軸線上實現期望的扭矩。在由多個連接的機加工鑄件形成的示例性實施例中，馬達、扭矩傳感器和減速驅動機構由殼體包圍。轉向輔助致動器的安裝——或者通過中間支架或直接安裝到車架或車身——取決于可用的包裝空間和車輛結構。附圖中示出了示例性支架。

在本說明書中，相對定向和方向(例如，上、下、底、向后、前、后、后面、外側、內側、向內、向外、左、右)被闡述，不是用作限制，而是為了便于讀者想象所描述的結構的至少一個實施例。

圖1示出了示例性車輛轉向系統10的示意圖。車輛轉向系統10包括方向盤12、液壓助力轉向裝置14、設置在轉向裝置14的輸出軸上用于連接到車輛轉向傳動機構(steering linkage)(未示出)的轉向臂(pitman arm)(未示出)、以及設置在方向盤12和轉向裝置(steering gear)14之間的轉向柱總成16。從方向盤12前進到轉向裝置14，示例性轉向柱總成16包括上軸18、上中間軸20、下中間軸22和下軸24。上軸18穿過防火墻(firewall)25，防火墻25將發動機艙與客艙隔開，其中方向盤12設置在客艙中，而轉向裝置14設置在發動機艙。萬向型萬向接頭(cardan-type universal joint)26將上軸18連接到上中間軸20、將上中間軸20連接到下中間軸22以及將下軸24連接到轉向裝置14的輸入軸。滑動花鍵連接接頭28可滑動地連接下中間軸22和下軸24。可滑動連接部容納由于萬向接頭26引起的軸向位移而引起的下軸24的軸向位移。結合到上中間軸20中的滑動花鍵結構類似地容納由軸20的端部處的萬向接頭26引起的軸向位移。

圖1中示出了結合到下中間軸22中，替代地表征為致動器軸的示例性電動轉向輔助致動器30。在圖2中更詳細地示出的電動轉向輔助致動器30包括電動馬達32、電子控制單元(“ECU”)(未示出)、扭矩傳感器34和減速驅動機構36，以在轉向柱軸軸線上實現期望的扭矩。馬達32限定馬達旋轉軸線37，馬達軸在該軸線上對中并且馬達軸圍繞該軸線旋轉。在示例性實施例中，相關的轉向柱軸軸線是下中間軸22的軸線38。馬達32、扭矩傳感器34和減速驅動機構36由驅動器殼體40包圍，在示例性實施例中，驅動器殼體由多個連接的機加工鑄件形成。如圖3所示，殼體40包括上部42和下部44。上部42和下部44中的每一個都是凹形的，并且當接合時具有蛤殼式關系，協作地包圍驅動機構36。殼體尖端46包圍扭矩傳感器34。馬達32的馬達殼體48支撐并保護馬達32的運動部件。根據可用的包裝空間和車輛結構，轉向輔助致動器30的車內安裝通過中間支架或直接安裝到車架或車身來實現。在圖中示出了示例性支架50。示例性隔熱板52被結合到致動器30中以保護致動器30免受發動機熱量的影響。在所示實施例中，隔熱板52圍繞馬達32、扭矩傳感器34和驅動機構36而被設置在發動機排氣歧管和致動器30之間。

包括殼體40的示例性電動轉向輔助致動器30通過下軸24與轉向裝置14分離，并且通過上中間軸20與防火墻25分離。不需要將致動器30固定到防火墻25或轉向裝置14來用于支撐，原因在于致動器30由示例性支架50充分地支撐。

示例性殼體40包括在上殼體部分42和下殼體部分44上的對準的夾緊凸緣或者替代地夾緊凸起。凸緣接收將部分42和44夾緊在一起的螺紋緊固件。殼體尖端46固定到上殼體部分42，但是可替代地可以形成有作為整體件的上殼體部分42。下殼體部分44保持下支承軸承54和設置在軸承54外側的下密封件56。殼體尖端46保持上支承軸承58和上密封件60。馬達殼體48和上殼體部分42具有互補對準結構，以便于以預定定向將馬達32安裝到驅動器殼體40。馬達殼體48和上殼體部分42通過螺紋緊固件或鉚釘或其等同物彼此夾緊。在夾緊狀態下，馬達殼體48和殼體40協作地提供馬達軸線37與轉向柱軸線38的大體平行對準。

下中間軸22包含轉向輔助致動器輸入軸62和轉向輔助致動器輸出軸64。輸出軸64的下端包含聯軸器28的一部分。輸入軸62的上端驅動地連接到設置在軸22和軸20之間的萬向接頭26。軸62和接頭26之間的示例性可旋轉連接由鍵(key)提供，該鍵設置在軸62中的凹口中，由接頭26的套筒部分中的凹槽接收。輸入軸62的下端可旋轉地設置在輸出軸64的上端中，其間設置有滾針軸承總成66。軸62和64之間的相對旋轉通過諸如設置在軸62和64之間的花鍵的結構限制到預定角度旋轉。輸出軸64由軸承54支撐。輸入軸62由軸承58支撐。密封件56和60防止污染物進入殼體40。

示例性驅動機構36包括固定到馬達32的輸出軸的驅動帶輪68、固定到輸出軸64的從動帶輪70以及驅動地連接帶輪68和70的皮帶72。帶輪68具有比帶輪70小的直徑以提供旋轉速度的減小和來自馬達32的相對于軸22的扭矩的增加。或者，中間軸可以設置在馬達輸出軸和帶輪68之間，以適應大于馬達輸出軸的暴露長度的皮帶寬度。或者，皮帶72可以具有形成在其中的齒，用于由帶輪68和70上的互補齒接收。

如圖4中最佳所示，扭矩傳感器34形成為下中間軸22的整體部分。扭矩傳感器34包括設置在輸入軸62和輸出軸64之間的扭轉軸76、以及固定到靠近輸出軸處的輸入軸62以感測輸入軸和輸出軸之間的相對旋轉的旋轉位移傳感器78。輸出軸64中的級形孔(stepped bore)80具有接收輸入軸62的下端和其中的軸承66的第一較大直徑部分。孔80的第二較小直徑部分接收扭轉軸76的第一端。類似地，輸入軸62中的孔82接收扭轉軸76的第二端。將扭轉軸76的第一端旋轉地固定到輸出軸64的示例性裝置是通過穿過這兩個部分的銷84。同樣，扭轉軸76和輸入軸62之間的示例性附接是通過穿過兩者的銷86。提供這種連接的精確方式對于本發明不是關鍵的。提供這種連接的替代方式包括壓配合和焊接。下中間軸22的一種替代結構是包括在軸上的應變計形式的整體式扭矩傳感器的單件式軸。

圖5示出了在具有以前后方向安裝的發動機90的車輛中結合有電動轉向輔助致動器30的轉向系統10的示例性安裝。致動器30由示例性鋼支架50保持在期望的位置。支架50具有示例性的加強加強筋，并且在第一端螺栓連接到車架縱梁88的內壁。支架50在第二端螺栓連接到殼體40，來支撐所有致動器30。殼體40通過支架與車輛發動機90間隔開，其中隔熱板52保護馬達32、扭矩傳感器34和驅動機構36免受發動機熱量的影響。

通過多管腳電連接器92向傳感器34提供電連接。馬達32被示為具有控制馬達32的兩個電連接器94和96。管腳提供在電動轉向輔助致動器30和馬達32以及諸如電池的電源和ECU之間傳遞電力和電信號的裝置。

示例性通信電線(未示出)電連接ECU和電動轉向輔助致動器30，從而實現它們之間的通信。電通信線路包含車輛控制器局域網(“CAN”)總線的一部分。或者，無線通信可以提供ECU和電動轉向輔助致動器30之間的連接。

轉向系統10電連接到ECU，和/或可以被理解為包括ECU，ECU可替代地表征為控制器或計算機。ECU電連接到電動轉向輔助致動器30和傳感器(未示出)，傳感器可以包括例如基于指示駕駛員施加的方向盤扭矩的扭轉軸76的偏轉的扭矩指示、以及轉向裝置定向的信號。如上所述，這種電子連接可以有線地或使用無線通信技術用無線來進行。

ECU包括至少一個電子處理器和相關聯的存儲器。處理器的操作系統軟件存儲在存儲器中以供處理器訪問。此外，用于執行某些預定任務的控制軟件保持在存儲器中。存儲器還包括緩沖區域，或更簡單地緩沖器，便于數據的存儲和操縱。ECU的精確結構對于本說明書不是關鍵的，并且在本領域技術人員的知識范圍內。ECU由控制軟件編程以使得電動轉向輔助致動器30向轉向柱總成16提供附加扭矩并且響應于預定條件來設定轉向系統位置。

轉向輔助致動器30以兩種模式操作——轉向輔助模式和自主/半自主模式。在轉向輔助模式的示例性實施例中，轉向輔助致動器30將補充轉向扭矩施加到轉向柱總成16以減少駕駛員轉向力。補充扭矩附加于由液壓轉向裝置14提供的輔助。補充轉向扭矩的量值隨由扭矩傳感器34測量的駕駛員施加的方向盤扭矩而變化。補充扭矩減小了駕駛員應用于方向盤12以實現轉向傳動機構的期望的重新定位，并且保持特定的轉向傳動機構位置所需的力。在自主/半自主模式(“第二模式”)的示例性實施例中，轉向系統10執行諸如自動停車和車道跟蹤之類的不需要駕駛員輸入并且沒有來自傳感器34的信號的功能。基于來自車輛傳感器陣列的可用數據和存儲的信息以及傳輸的信息，如GPS(全球定位系統)信息、存儲的地圖信息、光學識別系統、加速度計、和其他傳感器和信息，轉向系統10在第二模式的操作成為可能。示例性致動器30有利地包括某些市售部件，包括馬達32、ECU和扭矩傳感器34，以提供可以在沒有與設計目的特異性的部件相關的費用或時間的情況下添加到現有液壓轉向系統的電動轉向輔助致動器。與整體式致動器-轉向裝置總成相比，示例性致動器30與轉向裝置14的物理分離允許更獨立和更靈活的包裝，便于使用市場上可買到的部件，并且允許跨越多個車輛平臺使用單個致動器30。

通過使用致動器30，轉向系統10還產生某些功能性益處。致動器30可以施加扭矩覆蓋功能以增強基本轉向功能，來提供諸如速度敏感轉向、主動返回、輔助曲線成形和阻尼的特征以及諸如拉漂移補償、車道輔助、車道偏離警告等特征。致動器30還可以提供角度覆蓋控制，從而允許用于諸如主動駐車輔助和拖車倒車輔助的特征的自主轉向功能。致動器30還可以消除由偏移質量施加的相位和車輪不平衡，以實現一致的駕駛員轉向扭矩和感覺。致動器30及其ECU軟件合并并且利用馬達角度感測能力來產生相對角度信號。相對角度信號與中心發現算法(centerfind algorithm)結合，如通過引用并入本文的US7401870中所描述的，用于識別絕對轉向位置。

如本文所使用的，修飾形容詞的副詞“大體上”是指形狀、結構、測量、值、計算等可偏離精確描述的幾何形狀、距離、測量、值、計算等，原因在于材料、加工、制造、傳感器測量、計算、處理時間、通信時間等方面的缺陷。

應當理解的是，包括以上描述和附圖以及下面的權利要求的本發明旨在是說明性的而不是限制性的。在閱讀以上描述之后，除了所提供的示例之外的許多實施例和應用對于本領域技術人員將是顯而易見的。本發明的范圍不是參考上面的描述，而是應當參考所附權利要求以及這些權利要求所被賦予的全部等同范圍來確定。除非本文另有說明或限定，否則所有權利要求術語旨在賦予其平常和普通的含義。預設和預期在本文中討論的技術中將會出現未來的發展，并且所公開的系統和方法將被并入這些未來的實施例中。總之，應當理解的是，所公開的主題能夠修改和變化。