CN112537368B - 用于在机电式转向***的方向盘上产生反馈力的方向盘单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的机电式转向***的方向盘单元，其具有：力产生装置，用于给方向盘加载机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和/或驾驶状态；和补偿件，用于根据当前的作用于机动车的横向力产生附加反馈力。所述力产生装置具有与所述方向盘同向转动的内齿轮和第一和第二径向弹簧，所述第一和第二径向弹簧分别与所述内齿轮以及所述方向盘单元的壳体连接并且通过所述内齿轮给所述方向盘加载力，使得随着所述方向盘偏离直线行驶的调节的增大，在该方向盘上所能产生的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的反馈力上升，所述补偿件通过补偿件小齿轮与转向轴连接并根据所述横向力给所述方向盘施加附加反馈力。

Description

用于在机电式转向***的方向盘上产生反馈力的方向盘单元

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的机电式转向***的方向盘单元。此外，本发明还涉及一种包括这种方向盘单元的机电式转向***。

背景技术

本发明的应用领域延伸至所谓的机动车线控转向***，其中，在该机动车的方向盘和转向轮之间不存在直接的机械耦合。取而代之的是，通过适当的传感装置来检测方向盘的转向角度并且必要时也检测方向盘的转速和/或施加在方向盘上的转矩并且将其以电调节值的形式传送至机电式方向盘促动器单元，该方向盘促动器单元将以电方式预给定的转向信号转换为可操纵的车桥的车轮的转向角的机械调整。

因此，在这种机电式转向***中取消了实际实施的车轮转向角的直接机械式反馈，该机械式反馈在机械耦合的***中通常以方向盘上的取决于行驶速度的复位力矩和与此叠加的振动的形式以及通过方向盘的终端止挡位置能够被驾驶员感觉到。

由US 2017/0320515 A1公开了一种用于机动车的机电式转向***，该转向***在方向盘单元方面配备有专门的用于给方向盘施加机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和车辆状态的力产生装置。为此，该方向盘单元具有用于通过向方向盘轴施加相应的转矩来产生反馈力的电动马达。通过适当地操控该电动马达可以通过方向盘向驾驶员发送像机械式耦合的转向***中那样的实际驾驶感觉。此外，为此所设置的力产生装置还包括可锁定的联接器，其用作制动器地通过电磁促动器操控，用于当车轮到达在相应的转动方向上预给定的终端止挡位置时禁止方向盘轴进一步转动。为了该目的，该联接器在上述状况中根据电子控制装置来固定方向盘轴。在该现有技术中，用于施加机械反馈力的电动马达是主动式构件，该主动构件因此也需要电子控制装置。

由US 2002/0189888 A1公开了另一种用于机动车的机电式转向***，其也配备有用于在方向盘上产生机械反馈力的电动马达。为了该目的，该电动马达与方向盘轴以轴平行的方式布置并且通过皮带传动装置作用在该方向盘上。与上面提及的现有技术相比，该解决方案在相对于方向盘轴的横向方向上要求更多的结构空间。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种用于机动车的机电式转向***的方向盘单元，其节省结构空间、节省能量和/或防失效地以简单的技术措施向驾驶员发送关于当前转向状态的机械反馈力。

以根据优选实施方式的前序部分结合其特征部分的方向盘单元为出发点来解决该任务。在包括这种方向盘单元的机电式转向***方面请参见关于机电式转向***的优选实施方式。可选实施方式给出了本发明的有利的进一步方案。

本发明包含的教导是，提供一种用于机动车的机电式转向***的方向盘单元。该方向盘单元具有用于给方向盘加载机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和/或行驶状态的力产生装置和用于根据作用在车辆上的当前横向力产生附加反馈力的补偿件。所述力产生装置具有与方向盘同向转动的内齿轮以及第一和第二径向弹簧，其中，所述第一和第二径向弹簧分别与所述内齿轮以及所述方向盘单元的壳体连接并且通过所述内齿轮给所述方向盘加载力，使得随着所述方向盘偏离直线行驶的调节的增大，在该方向盘上所能产生的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的反馈力上升。所述补偿件通过补偿件小齿轮与转向轴连接并且设置用于根据所述横向力给所述方向盘施加附加反馈力。

本发明的解决方案的优点尤其是在于，使用被动式构件来实现本发明的解决方案，所述被动式构件不需要通过电子控制单元来操控。由此可以降低该机电式转系***的电流需求。此外，被动式构件、尤其是两个径向弹簧和所述补偿件能够节省结构空间地以同轴方式围绕方向盘轴布置。

换言之，本发明的解决方案确保了当方向盘在一个方向或另一方向上转动时，通过内齿轮结合壳体来压缩一个或另一个径向弹簧，由此建立用于产生机械反馈力的机械势能。此外，在本发明的解决方案中，考虑了作用于车辆的当前横向力对反馈力的影响，因为补偿件根据当前横向力将附加反馈力施加给方向盘轴并且从而施加给方向盘。

根据一个实施方式，所述补偿件固定在栓上并且设置用于根据作用在机动车上的横向力围绕该栓旋转。在本发明的框架内，补偿件理解为被动式机械构件，其设置用于至少部分地补偿或平衡作用于车辆的横向力对转向力的影响。通过该补偿件可以给车辆的驾驶员提供反馈力，该反馈力相应于通过纯机械转向产生的反馈力。由此对于线控转向***的驾驶员改善了转向感觉。在一个实施方式中，所述补偿件可以构造为惯性质量，该惯性质量可旋转地支承并且通过横向加速度在一个方向上加速。此外，该补偿件可以被阻尼，用于确保附加反馈力的连续且持续的建立。通过作用于该补偿件的横向力将相应的力通过补偿件小齿轮传递到方向盘轴上，从而能够根据作用在机动车上的横向力产生作用在方向盘上的附加反馈力。换言之，作用在方向盘单元上的横向力越高，通过补偿件产生的作用在方向盘轴上的附加反馈力就越高。为此，补偿件可以实施为惯性质量。此外，可以根据车辆和客户意愿来选择补偿件的重量例如5kg和几何形状例如半圆形。

根据一个另外的实施方式，所述补偿件还具有槽。所述方向盘轴延伸穿过该槽，其中，该槽同时限定了所述补偿件围绕所述栓的最大可能的旋转、转动或偏转。此外，通过所述槽并且通过将方向盘轴引导穿过该槽，可以进一步降低该方向盘单元的结构空间。

优选地，根据本发明所产生的反馈力用于在考虑作用于车辆的横向力的情况下向驾驶员反馈当前的转向状态。为了模仿其他反馈信息(例如车轮的终端止挡位置——其可以通过方向盘上的相应终端止挡被感觉到，或者车道的表面结构——其通过相应的机械振动来反馈)，根据进一步改进了本发明的措施提出，所述力产生装置还包括与方向盘轴连接的电动马达，用于操控叠加地模仿仅仅该另外的转向和驾驶状态。在本发明的该解决方案中，由电动马达施加的反馈力被用来有针对性地并且依赖于具体情况地降低或提高由径向弹簧的弹性作用生成的力，用于在方向盘上产生真实的驾驶感觉。因此，与本文开头所描述的现有技术的完全主动式控制的方向盘单元相比，本发明的方向盘单元的电功率消耗要低得多。此外，可以降低所使用的电动马达的尺寸，由此可以节省结构空间和成本。

根据一个优选的实施方式建议，所提及的电动马达作为所述力产生装置的组成部分通过马达齿轮与所述方向盘轴力锁合地连接，用于对马达转速进行减速。在此，所述电动马达以及所述马达齿轮可以布置在所述壳体的内部。此外，所述电动马达可以与方向盘轴平行且轴向错开地布置。这确保了方向盘单元的紧凑的结构形式。

根据本发明的一个实施方式，所述方向盘单元还具有防失效装置。该防失效装置具有与转向传动装置连接的定爪、可纵向运动爪、防失效弹簧和电磁铁。所述可纵向运动爪围绕方向盘轴布置并且能够沿着该方向盘轴在纵向方向上运动，所述定爪相对于所述可纵向运动爪布置并且设置用于与该可纵向运动爪形状锁合地配合或连接。所述防失效弹簧布置在所述可纵向运动爪与所述壳体之间。在此，所述防失效弹簧在端侧在所述壳体的背离方向盘的一侧贴靠在壳体上。此外，所述防失效弹簧设置用于给所述可纵向运动爪施加力，从而使得该可纵向运动爪与所述定爪形状锁合地配合或与该定爪连接。在此，所述防失效弹簧同心地围绕所述方向盘轴布置。由此可以一方面可以实现该防失效弹簧的导向，另一方面由此可以使得方向盘单元的结构空间最小化。优选地，所述电磁铁同轴地围绕所述防失效弹簧布置并且设置用于在致动或通电时使所述可纵向运动爪沿着所述方向盘轴朝所述方向盘的方向运动并且给该防失效弹簧施加反作用力，从而使得所述可纵向运动爪不与所述定爪配合或不与该定爪形状锁合地连接。换言之，电磁铁将吸引力施加给所述可纵向运动爪，从而使得该可纵向运动爪不再与所述定爪连接。如果电磁铁被通电，则所述防失效弹簧将所述可纵向运动爪压到所述定爪中并且从而在这两者之间建立力锁合和形状锁合的连接。由此，当电流失效时(电磁铁此时不动作)，所述防失效装置在方向盘和待转向的车轮之间建立直接的机械连接。

此外，所述防失效弹簧被设置用于当所述电磁铁不被通电或者当所述方向盘轴和所述定爪不以相同形式转动时在所述定爪与所述可纵向运动爪之间建立形状锁合的连接。由此，即使当车辆的车载电网存在电压失效或电流失效的情况时也能确保转向。当通过线控转向***进行车轮的错误的或不期望的控制时，也能确保功能可靠的转向。

根据一个优选的实施方式，所述径向弹簧以弧形的螺旋弹簧的形式构成，其围绕所述补偿件的栓布置。但是也可以考虑其他类型的径向弹簧，它们在内齿轮旋转时产生期望的反馈力。

应注意，方向盘轴在所述壳体内部可旋转地支承在至少两个点上。此外，内齿轮和补偿件可旋转地被支承。方向盘的相应的终端止挡可以通过所述壳体以及所述弹簧小齿轮与所述内齿轮之间的形状或传动比来确保。

本发明的另一方面涉及一种具有上面和下面描述的方向盘单元的机电式转向***。该机电式转向***还具有用于机械调整可操控的车桥的机电式转向促动器单元并且必要时具有电子控制单元。该控制单元例如可以包括计算单元如处理器以及存储单元并且设置用于向转向促动器单元输出控制指令。在此，该机电式转向***可以从转向运动传感器获得预调节值，该预调节值接着由该电子控制单元转换为用于该转向促动器单元如电动机的控制指令。该转向促动器单元又如此影响车辆的车轮，以至于该车轮根据所述转向运动传感器的预调节值转动。由此可以产生可操控或可转向的车桥。

附图说明

下面根据附图与本发明的优选实施例的说明一起来详细阐述本发明的另外的改进措施。附图中：

图1示出用于机动车的机电式转向***的示意图；

图2示出图1中的转向***的方向盘单元的示意性横截面；

图3示出图1或2中的转向***的方向盘单元的示意性纵截面；和

图4示出具有图1至3中的转向***的方向盘单元的车辆。

具体实施方式

根据图1，用于机动车的机电式转向***基本上由方向盘单元1组成，方向盘轴3可转动地支承在该方向盘单元的缸形壳体2中。在该方向盘轴3的远中端安装有用于通过驾驶员操作的方向盘4。

经由电连接部5，所述方向盘单元1借助于电子控制装置6与转向促动器单元7相连，该转向促动器单元在该实施例中以机电方式构成。转向促动器单元7用于将由方向盘单元1借助控制装置6以电方式预给定的转向信号转换为在此可操控的车桥9的车轮8a和8b的转向角的机械式调整。

图2示出沿着剖面A-A剖割方向盘单元1的横截面图。在中间设置有补偿件10的栓11，补偿件10支承在该栓上，从而使得补偿件10可以围绕该栓11旋转。此外，补偿件10具有槽10a，该槽限定了该补偿件10的最大可能的旋转。此外，补偿件10实施为惯性质量，其通过作用于方向盘单元上的横向力围绕所述栓11旋转。补偿件小齿轮22布置在槽10a后面并且同轴地包围方向盘轴3。该补偿件小齿轮22在补偿件10与方向盘轴3之间建立力锁合的连接并且设置用于将补偿件10的根据作用到车辆上的横向力的附加反馈力传递到方向盘轴3上。

此外，方向盘轴3延伸穿过所述补偿件10的槽10a并且与该槽相互作用，用于限定补偿件10的最大可能的旋转、转动或偏转。在所述补偿件小齿轮22后面布置有弹簧小齿轮(被补偿件小齿轮掩盖)。该弹簧小齿轮设置用于将旋转或力从方向盘轴3传递到内齿轮12上，从而使得该内齿轮一同旋转或者说以与方向盘4或方向盘轴3相同的方向旋转。该内齿轮12具有两个用于弹簧的接收部，这些接收部在图2中的左边外部和右边外部对置地以半圆示出。此外，在图2中可看见两个径向弹簧16a、16b。这些径向弹簧分别布置或张紧在壳体2或与壳体2连接的接收部与内齿轮12的接收部之间，从而使得它们随着所述方向盘偏离直线行驶的调节的增大而在该方向盘上产生上升的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的复位力。换言之，所述内齿轮12相对于所述壳体2旋转并且从而压缩这些径向弹簧16a、16b之一。这两个径向弹簧可以是由弹簧钢构成的弧形线性弹簧，它们沿着一条半径至少部分地围绕补偿件10的栓11布置。上述组件通过所述壳体2同轴地包围，其中，所述补偿件10的栓11布置在壳体2的中间。

如图3所示，在方向盘单元1中，通过驾驶员由于转向运动而施加到方向盘4上的转矩通过方向盘轴3传递到壳体2的内部。在该壳体2中布置有补偿件10、电动马达15、马达齿轮14、内齿轮12、弹簧小齿轮13、补偿件小齿轮22和转向运动传感器23。该转向运动传感器23可以被设置用于检测车轮姿态。所述方向盘轴3通过至少两个轴承可旋转地支承在该壳体2的内部。

弹簧小齿轮13和补偿件小齿轮22形状锁合地与方向盘轴3连接，从而使得方向盘轴3的旋转也导致这两个小齿轮13、22的旋转，反之亦然。弹簧小齿轮13在此与内齿轮12连接并且使得该内齿轮12与方向盘轴3同向旋转。通过内齿轮12相对于壳体2的旋转，图2中的径向弹簧之一被压缩，由此使得该径向弹簧将反馈力施加给方向盘轴3。

所述补偿件小齿轮22与所述补偿件10连接，从而能够将附加反馈力(根据横向力)施加给方向盘轴3。补偿件10的栓11在端侧延伸穿过壳体2并且补偿件10设置用于围绕该栓旋转，用于将附加反馈力加载或施加给方向盘轴3。

电动马达15相对于方向盘轴3平行且轴向错开地布置在壳体2的内部。此外，该电动马达15通过马达齿轮14与方向盘轴3连接，从而使得该电动马达可以将力施加到方向盘轴3上并且从而施加到方向盘4上。特别是，电动马达15可以施加另外的与被动式构件(所述径向弹簧和所述补偿件)的反馈力和/或附加反馈力叠加的反馈力。为了控制或调节该电动马达15以及待转向的车轮，可以在方向盘轴3上设置转向运动传感器23，该转向运动传感器检测方向盘4的转矩以及角度位置并且将其传送给控制装置6，以便由此确定相应的作用于驾驶员的反馈力。

此外，方向盘单元1还具有防失效装置。该防失效装置在端侧、在壳体2的与方向盘4对置的一侧利用法兰连接在该壳体2上。该防失效装置设置用于在该线控转向***失效的情况下建立与待转向的车轮的连接。为此，该防失效装置具有转向传动装置侧的定爪17、方向盘轴侧的可纵向运动爪18、防失效弹簧21和电磁铁20。所述可纵向运动爪18同轴地包围方向盘轴并且可以沿着该方向盘轴纵向运动。所述定爪17相对于所述可纵向运动爪18布置并且设置用于与该可纵向运动爪形状锁合地配合并与该可纵向运动爪连接。防失效弹簧21轴向地布置在所述可纵向运动爪18与所述方向盘单元1的壳体2之间并且设置用于给所述可纵向运动爪18施加力，从而使得该可纵向运动爪与所述定爪17形状锁合地配合并与该定爪连接，其中，所述防失效弹簧21同心地围绕方向盘轴3布置。换言之，所述防失效弹簧21将所述可纵向运动爪18压到所述定爪17中。

电磁铁20围绕所述防失效弹簧21同轴地布置并且设置用于在被致动或通电时使所述可纵向运动爪18沿着方向盘轴3朝方向盘4的方向运动并且给该防失效弹簧21施加反作用力，从而使得所述可纵向运动爪18不再能够与所述定爪17配合或不再与该定爪连接。换言之，电磁铁20吸引所述可纵向运动爪18并且从而压缩所述防失效弹簧21。在电流失效或线控转向***错误控制车轮的情况下可以中断该电磁铁的通电，由此使得防失效装置在方向盘4与车轮之间建立直接的机械连接。

图4示出具有机电式转向***的车辆24，该机电式转向***包括上面和下面描述的方向盘单元1。典型地，该机电式转向***布置在车辆24的前部区域中并且设置用于使车辆24的前轮根据驾驶员意愿转动或转向。替换或附加地，该机电式转向***也可以作用于后轮，例如在主动式后轮转向或叉车的情况下即是如此。方向盘单元1例如可以在驾驶座的区域中朝发动机舱的方向布置在仪表盘下面。

本发明不局限于上面描述的优选实施例。相反，被后面的权利要求的保护范围囊括的变型方案都是可考虑的。此外，转向促动器单元7也可以构造为电动液压式或诸如此类。

附图标记清单

1 方向盘单元

2 壳体

3 方向盘轴

4 方向盘

5 电连接部

6 电子控制装置

7 转向促动器单元

8 车轮

9 车桥

10 补偿件

10a 补偿件的槽

11 补偿件的栓

12 内齿轮

13 弹簧小齿轮

14 马达齿轮

15 电动马达

16 径向弹簧

17 定爪

18 可纵向运动爪

19 电磁铁接收部

20 电磁铁

21 防失效弹簧

22 补偿件小齿轮

23 转向运动传感器

24 机动车。

Claims (10)

1.一种用于机动车(24)的机电式转向***的方向盘单元(1)，其具有：

力产生装置，用于给方向盘(4)加载机械反馈力以向驾驶员反馈当前的转向和/或驾驶状态；和

补偿件(10)，用于根据作用在机动车(24)上的当前的横向力产生附加反馈力，

其特征在于，所述力产生装置具有与所述方向盘(4)同向转动的内齿轮(12)以及第一和第二径向弹簧(16a，16b)，其中，所述第一和第二径向弹簧(16a，16b)分别与所述内齿轮(12)以及所述方向盘单元(1)的壳体(2)连接并且通过所述内齿轮(12)给所述方向盘(4)加载力，使得随着所述方向盘(4)偏离直线行驶的调节的增大，在该方向盘(4)上所能产生的用于向驾驶员反馈与车轮转向角相关的转向状态的反馈力上升，其中，所述补偿件通过补偿件小齿轮(22)与方向盘轴(3)连接并且根据所述横向力给所述方向盘(4)施加所述附加反馈力。

2.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述补偿件(10)固定在栓(11)上并且设置用于根据作用在机动车(24)上的横向力围绕该栓(11)旋转，其中，通过作用在该补偿件(10)上的横向力能够将相应的力经由所述补偿件小齿轮(22)传递到所述方向盘轴(3)上，从而能够根据作用在机动车(24)上的横向力产生作用于方向盘(4)的附加反馈力。

3.根据权利要求1所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述力产生装置还具有与所述方向盘轴(3)连接的电动马达(15)，用于运动叠加地模仿另外的转向和/或驾驶状态，特别是车轮(8a，8b)的终端止挡位置和车道的表面结构。

4.根据权利要求3所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述电动马达(15)相对于所述方向盘轴(3)平行且轴向错开地布置并且通过马达齿轮(14)与该方向盘轴(3)力锁合地连接。

5.根据以上权利要求1所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述补偿件(10)是惯性质量。

6.根据以上权利要求1至5中任一项所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述补偿件(10)还具有槽(10a)，所述方向盘轴(3)延伸穿过该槽，其中，该槽(10a)同时限定了所述补偿件(10)的最大可能的旋转角度范围。

7.根据以上权利要求1至5中任一项所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述方向盘单元(1)还具有防失效装置，其中，该防失效装置具有定爪(17)、可纵向运动爪(18)、防失效弹簧(21)和电磁铁(20)，所述可纵向运动爪(18)围绕所述方向盘轴(3)布置并且能够沿着该方向盘轴在纵向方向(x)上运动，所述定爪(17)相对于所述可纵向运动爪(18)布置并且设置用于与该可纵向运动爪形状锁合地配合，所述防失效弹簧(21)轴向地布置在所述可纵向运动爪(18)与所述方向盘单元(1)的壳体(2)之间并且设置用于给所述可纵向运动爪(18)施加力，从而使得该可纵向运动爪与所述定爪(17)形状锁合地配合，其中，所述防失效弹簧(21)同心地围绕所述方向盘轴(3)布置，所述电磁铁(20)同轴地围绕所述防失效弹簧(21)布置并且设置用于在致动时使所述可纵向运动爪(18)沿着所述方向盘轴(3)朝所述方向盘(4)的方向运动并且给该防失效弹簧(21)施加反作用力，从而使得所述可纵向运动爪(18)不与所述定爪(17)配合，所述纵向方向为方向盘轴的轴向方向。

8.根据权利要求7所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述防失效弹簧(21)设置用于当所述电磁铁(20)不被通电或者当所述方向盘轴(3)和所述定爪(17)不以相同形式转动时在所述定爪(17)与所述可纵向运动爪(18)之间建立形状锁合的连接。

9.根据以上权利要求1至5中任一项所述的方向盘单元(1)，其特征在于，所述径向弹簧(16a，16b)以弧形的螺旋弹簧的形式构成。

10.一种用于机动车(24)的机电式转向***，其包括根据以上权利要求中任一项所述的方向盘单元(1)以及用于机械地调节可转向的车桥(9)的车轮(8a，8b)的转向角的机电式转向促动器单元(7)。