專利名稱：電動轉向機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于向汽車轉向機構提供動力支援的電動驅動裝置。
按照本發明的一個方面，提供了一種用于向具有用來操縱轉向機構的可手動轉動構件的汽車轉向機構提供動力支援的電動驅動裝置，驅動裝置包括一扭矩檢測器，可用以檢測以手動方式施加于可轉動構件的扭矩；一電動驅動馬達，驅動連接于可轉動構件；以及一控制器，配置的目的在于響應從扭矩檢測器接收的訊號而控制驅動馬達的轉動速度和方向，扭矩檢測器則包括一檢測器轉軸，適合連接于可轉動構件以構成其延伸段，以致在可轉動構件以手動方式轉動時扭矩經由所述檢測器轉軸傳遞；以及一應變計，裝在檢測器轉軸上用以產生可表明經由所述檢測器轉軸所傳遞的扭矩大小的訊號。
可取的是，檢測器轉軸在一個軸向端部處不可轉動地裝在一第一聯接件之中，而在其相反的一個軸向端部處不可轉動地裝在一第二聯接件之中，第一和第二聯接件相互接合，其間只允許有限轉動，以致在一預定限度以下的扭矩只由檢測器轉軸傳遞，而所述預定限度以上的扭矩經由第一和第二聯接件傳遞。
第一和第二聯接件可取地配置得充當一個用于把轉動構件的第一和第二部分彼此驅動連接起來的橋梁。
可取的是，檢測器轉軸在其大部分長度上具有基本上矩形的橫截面。
可取的是，應變計包括固定于檢測器轉軸的一只或多只SAW諧振器。
可取的是，馬達經由一離合器驅動連接于可轉動構件。
可取的是，馬達包括一齒輪箱并配置得與可轉動構件同心。
本發明的許多方面將在下面參照附圖予以說明，其中

圖1是本發明包括一種電動驅動裝置的汽車轉向機構的示意圖；圖2是表明圖1所示驅動裝置的各種部件之間相互作用的流程圖；圖3是通過圖1所示驅動裝置的一軸向剖面圖；圖4是沿著圖3中直線IV-IV截取的一剖面視圖；圖5是圖3中所示輸入驅動聯軸器的一更為詳細的分解圖；圖6是圖3中所示離合器的一更為詳細的分解圖。
首先參看圖1，圖中表明驅動連接于一對轉向輪12的一種汽車轉向機構10。
圖示轉向機構10包括一經由接頭15連接于車輪12的齒條與小齒輪總成14。總成14的小齒輪(未畫出)由一轉向柱18形式的手動轉動構件可轉動地驅動，而轉向柱18則由駕駛盤19以手動方式使之轉動。
轉向柱18包括一電動驅動裝置30，該電動驅動裝置包括一電力驅動馬達(圖1中未畫出)，用于響應轉向柱18上的扭矩載荷驅動小齒輪，以便在轉動駕駛盤19時為操作提供動力支援。
如圖2所簡略表明，電動驅動裝置包括一扭矩檢測器20，可在驅動小齒輪時測定轉向柱18施加的扭矩并向一控制器40提供一訊號。控制器40連接于一驅動馬達50并控制供向馬達50的電流以控制馬達50所產生的扭矩大小及其轉動方向。
最好是，馬達50經由一齒輪箱60和一離合器70驅動連接于轉向柱18，齒輪箱60最好是一行星齒輪箱。離合器70最好是在正常操作期間永久性地接合，且在一定條件下可進行操作以隔絕馬達50的驅動力，以使小齒輪能夠經由驅動裝置30以手動方式驅動。這是一項在以下情況下使機構執行功能的安全特性，即在馬達50試圖過快地和/或沿錯誤方向驅動轉向柱的時候，或在馬達和/或齒輪箱卡住的場合。
扭矩檢測器20最好是一包括一較短檢測器轉軸的組件，檢測器轉軸上裝有一應變計，該應變計能夠精確測定由施加的在一預定范圍內的扭矩而引起的檢測器轉軸中的應變。
最好是，所測定的扭矩的預定范圍是0-10Nm；更為可取的是大約1-5Nm。
最好是，所測定的扭矩范圍對應于大約0-1000微應變，而檢測器轉軸的結構選定得使-5Nm的扭矩在轉軸上造成小于2°的扭轉，更為可取的是小于1°。
最好是，應變計是-SAW諧振器，適當的一種SAW諧振器在WO91/13832中有所說明。最好是采用類似于WO91/13832的圖3中所示的結構，其中兩只SAW諧振器布置成與轉軸軸線成45°且彼此成90°。
最好是，各諧振器的工作諧振頻率在200-400MHz之間，而且配置得可根據檢測器轉軸的轉動方向而向控制器40產生1MHz±500KHz的訊號。因此，在檢測器轉軸由于不受扭矩而不被扭轉時，它產生1MHz的訊號。
在檢測器轉軸在一個方向上受扭時，它產生1.0至1.5MHz之間的訊號。在檢測器轉軸在另一方向上受扭時，它產生1.0至0.5 MHz之間的訊號。于是同一檢測器能夠產生既表明扭矩大小也能表明檢測器轉軸轉動方向的訊號。
最好是，馬達相應于所測定的0-10Nm之間的扭矩產生的扭矩是0-40Nm，而對所測定的1-5Nm之間的扭矩，產生的扭矩是0-25Nm。
最好是，設置一反饋電路，借以由控制器40測定并比較馬達所使用的電流，以確保馬達運行在正確方向并提供所需大小的動力支援。最好是，控制器發揮作用把測得的扭矩減小到零，并如此控制馬達增大其扭矩輸出以減小測得的扭矩。
最好是，配置一車速檢測器(未畫出)，把表明車速的訊號發送至控制器。控制器利用此訊號來修改響應測得的扭矩而提供的動力支援大小。
于是，在低車速時，將提供最大的動力支援，而在高車速時，將提供最小的動力支援。
控制器最好是一邏輯定序器(logic sequencer)，具有一現場可編程門陣列，比如由Xilinx公司所供應的一XC4005。這樣一種控制器不依靠軟件，因而能夠比較可靠地在汽車環境中執行功能。可以設想，不具有一個現場可編程陣列的邏輯定序器也是可以采用的。
一種電動驅動裝置30的具體結構示于圖3之中。
裝置30包括一基本上圓筒形狀的殼體21，在一軸向端部具有一輸入聯軸器22，而在另一軸向端部具有一輸出聯軸器23。
一轉軸總成25延伸在輸入與輸出聯軸器22、23之間，以在其間形成一直接的機械驅動連接，從而聯軸器22的轉動使聯軸器23與之一致轉動。
轉軸總成25包括一具有圓截面的主轉軸26，主轉軸26在一軸向端部處連接于輸出聯軸器23，而在其另一軸向端部處連接于扭矩檢測器20的檢測器轉軸36。從圖3和4可見，檢測器轉軸36基本上為矩形截面，在其各端部具有圓形截面，其本身連接于輸入聯軸器22。
轉軸36最好是具有矩形截面，因為這樣可使具有同樣扭轉抗力的轉軸能夠用大批生產方法精確地制作出來。轉軸可以是機加工或鑄造的。
輸入聯軸器22比較清楚地示于圖5之中。
聯軸器22包括一第一聯接件122，用螺栓121固定于一第二聯接件123。螺栓121穿過第一聯接件122之中的碩長槽孔125，從而第一和第二聯接件122、123可以彼此相對轉過一有限的弧度。
聯接件122、123之間的相對角位移大小由裝在定位銷127上面的止動塊126確定，止動塊與制成在聯接件122之中的一凹槽(未畫出)協同工作。
聯接件122具有一凹槽128，用于容納檢測器轉軸36的上端。
檢測器轉軸的軸向上端形成有一平頭36a，并配置一楔件129用于穿過孔眼129a把檢測器轉軸的上端牢牢地鎖定在凹槽128之中。最好是配置一無頭螺絲嵌入孔眼129a以防止楔件沿軸向退出。
檢測器轉軸的軸向下端位于第二聯接件123的一凹槽130之內，并由穿過圍繞聯接件123周緣制成的螺孔132的各無頭螺絲固定。一軸承135位于聯接件122與123之間，以在其間形成轉動連接。
用以構成檢測器轉軸36的尺寸、形狀和材料選擇得在傳遞手動輸入所需的最大預定扭矩時使轉軸產生一預定的微小扭角。
在一種用于傳遞高至5Nm扭矩的一種典型裝置中，轉軸36大約是50Hm，圓形端部的直徑大約是16mm，以及矩形截面的橫截面尺寸大約是16×5mm。采用由KE805鋼制成的這樣一根轉軸，5Nm扭矩下測得的應變大約是500微應變，而扭角小于0.3°。
聯接件122、123配置得在傳遞低于預定值(一般5Nm)的扭矩時使檢測器轉軸的扭轉不受阻礙，但卻可轉動地接合起來以傳遞超過預定值的扭矩。于是，檢測器轉軸與傳遞大于預定值的扭矩一事絕緣，因而不會過度變形。
檢測器轉軸36上面裝有一應變計37，用以測定在輸入聯軸器22轉動時所造成的檢測器轉軸36的應變量。
應變計37經由一由一對印刷電路板43、43所形成的電容耦合裝置(capacitive coupling)42電連接于控制器40(圖3中未畫出)。上板43連接于有待與之一起被轉動的輸入聯接件123，而下板44固定于殼體21。下部印刷電路板44包含一個電路，用于把由各諧振器產生的200-400MHz的訊號轉變為預定的1MHz訊號以傳遞給控制器。
將會理解，應變計37可以通過另外的耦合裝置，比如電感耦合裝置聯接于控制器。
馬達50最好是一無刷DC馬達，無刷DC馬達最好是一種低速、大扭矩、低扭矩波動的馬達。
馬達50最好是一圍繞主轉軸26的同心馬達，并具有一固定于殼體21的外部定子51和一驅動行星齒輪箱60的中心齒輪53的內部轉子52。
齒輪箱54具有一裝在殼體21上面的固定外齒圈55，從而齒輪箱的輸出驅動力是經由行星齒輪托架57傳送的。
行星齒輪托架57具有許多銷柱58，這些銷柱經由離合器70把驅動力傳遞給主轉軸26。
離合器70較為詳細地示于圖6。
離合器70包括一驅動盤總成170，它包括一對圓盤171、172和裝在各壓緊螺栓175上的各壓縮彈簧174，螺栓175依靠螺紋旋裝在圓盤172上。各彈簧174可使圓盤171、172沿軸向分離。圓盤171、172由齒輪托架57上面的各銷柱58驅動。
離合器70還包括一具有管狀延伸段177的從動圓盤176。
從動圓盤176位于制成在圓盤171上的一凹槽180里面，并由一臺肩183保持與圓盤172沿軸向壓緊。許多裝在凹坑186中的圓球185安放在圓盤176與172之間。在各圓球185留在各凹坑186中時，驅動力從圓盤172傳向圓盤176。
如果在圓盤172、176之間傳遞超過某一預定值的扭矩，就使得各圓盤沿軸向分開而失去其間的驅動作用。
管狀延伸段177具有一內孔179，可容納聯接件123的管狀延伸段123a。管狀延伸段123a和177彼此固定，并固定于主轉軸26。
因此，主轉軸26的轉動驅動力由聯接件123和/或離合器70提供。在馬達一旦失效時，離合器70將依靠手動轉向柱18而工作以斷開馬達，并因而使轉軸26的轉動驅動力只經由聯接件123傳遞。
上述裝置30提供了一種緊湊的、包括組裝在一單個殼體之中的扭矩檢測器和馬達的整體。典型地，殼體21直徑約為130mm而長度約為210mm。
可以想見，包括與檢測器轉軸36和應變計37相結合的聯軸器22的扭矩檢測器20可以用作一種單獨的裝置，用以裝入任何轉動構件來測定由它傳遞的扭矩。這樣一種檢測器20可以用來控制一可能與轉動構件同心或不同心的單獨馬達。
權利要求書按照條約第19條的修改1、一種電動驅動裝置，用于向具有用來操縱轉向機構的可手動轉動構件的汽車轉向機構提供動力支援，驅動裝置包括一扭矩檢測器，用以檢測以手動方式施加于可轉動構件的扭矩；一驅動連接于可轉動構件的電動驅動馬達；以及一控制器，用以響應從扭矩檢測器接收的訊號而控制驅動馬達的轉動速度和方向，扭矩檢測器則包括一檢測器轉軸，適合連接于可轉動構件以構成其延伸段，從而在可轉動構件以手動方式轉動時扭矩經由所述檢測器轉軸傳遞；以及一應變計，裝在檢測器轉軸上用以產生表明經由所述轉軸所傳遞的扭矩大小的訊號，馬達經由一在正常情況下永久性接合的離合器驅動連接于可轉動構件，離合器可在通過離合器傳遞超過某一預定值的扭矩時發揮作用，使馬達與可轉動構件驅動脫開。
2、按照權利要求1所述的電動驅動裝置，其中，檢測器轉軸的一個軸向端部不可轉動地裝接于一第一聯接件，而其相反的一個軸向端部不可轉動地裝接于一第二聯接件，第一和第二聯接件相互接合成其間只允許有限轉動，從而檢測器轉軸只傳遞在一預定限度以下的扭矩，而所述預定限度以上的扭矩經由第一和第二聯接件傳遞。
3、按照權利要求2所述的電動驅動裝置，其中，第一和第二聯接件配置得充當一個用于把轉動構件的第一和第二部分彼此驅動連接起來的橋梁。
4、按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，檢測器轉軸在其大部分長度上具有基本上矩形的橫截面。
5、按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，檢測器轉軸制成為一5Nm的扭矩可導致圍繞轉軸軸線的、小于2°的轉角。
6、按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，應變計包括一只或多只固定于檢測器轉軸上的SAW諧振器。
7、按照權利要求6所述的電動驅動裝置，其中，各諧振器的工作諧振頻率在200-400MHz之間，并配置得當檢測器轉軸沿一個方向扭轉時產生1.0至1.5MHz之間的發向控制器的訊號，而當檢測器轉軸沿另一方向扭轉時產生1至0.5MHz之間的訊號。
8、按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，馬達包括一齒輪箱并相對于可轉動構件同心配置。
9、一種包括按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置的汽車轉向機構。
權利要求
1.一種電動驅動裝置，用于向具有用來操縱轉向機構的可手動轉動構件的汽車轉向機構提供動力支援，驅動裝置包括一扭矩檢測器，用以檢測以手動方式施加于可轉動構件的扭矩；一驅動連接于可轉動構件的電動驅動馬達；以及一控制器，用以響應從扭矩檢測器接收的訊號而控制驅動馬達的轉動速度和方向，扭矩檢測器則包括一檢測器轉軸，適合連接于可轉動構件以構成其延伸段，從而在可轉動構件以手動方式轉動時扭矩經由所述檢測器轉軸傳遞；以及一應變計，裝在檢測器轉軸上用以產生表明經由所述轉軸所傳遞的扭矩大小的訊號。
2.按照權利要求1所述的電動驅動裝置，其中，檢測器轉軸的一個軸向端部不可轉動地裝接于一第一聯接件，而其相反的一個軸向端部不可轉動地裝接于一第二聯接件，第一和第二聯接件相互接合成其間只允許有限轉動，從而檢測器轉軸只傳遞在一預定限度以下的扭矩，而所述預定限度以上的扭矩經由第一和第二聯接件傳遞。
3.按照權利要求2所述的電動驅動裝置，其中，第一和第二聯接件配置得充當一個用于把轉動構件的第一和第二部分彼此驅動連接起來的橋梁。
4.按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，檢測器轉軸在其大部分長度上具有基本上矩形的橫截面。
5.按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，檢測器轉軸制成為-5Nm的扭矩可導致圍繞轉軸軸線的、小于2°的轉角。
6.按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，應變計包括一只或多只固定于檢測器轉軸上的SAW諧振器。
7.按照權利要求6所述的電動驅動裝置，其中，各諧振器的工作諧振頻率在200-400MHz之間，并配置得當檢測器轉軸沿一個方向扭轉時產生1.0至1.5MHz之間的發向控制器的訊號，而當檢測器轉軸沿另一方向扭轉時產生1至0.5MHz之間的訊號。
8.按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，馬達經由一離合器驅動連接于可轉動構件。
9.按照前述任一項權利要求所述的電動驅動裝置，其中，馬達包括一齒輪箱并相對于可轉動構件同心配置。
10.一種包括按照前述任何一項權利要求所述的電動驅動裝置的汽車轉向機構。
全文摘要
一種電動驅動裝置(30)，用于向具有用來操縱轉向機構(10)的可手動轉動構件(18)的汽車轉向機構(10)提供動力支援，驅動裝置(30)包括一扭矩檢測器，用以檢測以手動方式施加于可轉動構件(18)的扭矩；一電動驅動馬達，驅動連接于可轉動構件(18)；以及一控制器(40)，用于響應從扭矩檢測器接收的訊號而控制驅動馬達的轉動速度和方向，扭矩檢測器包括一檢測器轉軸，適合連接于可轉動構件以構成其延伸段，從而在可轉動構件(18)以手動方式轉動時扭矩可以經由所述檢測器轉軸傳遞；以及一應變計，裝在檢測器轉軸上用以產生表明經由所述轉軸傳遞的扭矩大小的訊號。
文檔編號B62D5/04GK1133580SQ9419382
公開日1996年10月16日 申請日期1994年9月7日 優先權日1993年9月8日
發明者阿瑟·T·巴特拉姆, 斯圖爾特·J·默登, 戴維·A·貝利 申請人:阿德維斯特工程有限公司