CN118323248A - 线控转向车轮致动器多凹槽滚珠丝杠防旋转机构 - Google Patents

Abstract

一种用于交通工具的线控转向系统，包括从第一端延伸到第二端的杆，该杆在其外表面内限定第一凹槽和第二凹槽。线控转向系统还包括防旋转筒，该防旋转筒包括套筒，该套筒包含单独的供多个滚珠轴承在其中滚动的耐磨板，其中套筒的第一端包含套筒凹槽和窗体特征，套筒的内表面包含其中设置有耐磨板的V形凹槽。

Description

线控转向车轮致动器多凹槽滚珠丝杠防旋转机构

相关申请的交叉引用

本申请要求2023年1月10日提交的美国临时申请序列号63/438,158的优先权，并且是2023年8月29日提交的美国专利申请序列号18/457,594的部分继续申请，该申请要求2022年8月31日提交的美国临时申请序列号63/402,620、2022年10月18日提交的美国临时申请序列号63/417,223和2022年12月1日提交的美国临时申请序列号63/429,517的优先权，这些申请均以全文援引的方式并入本文。

技术领域

本申请的公开内容涉及电动助力转向(EPS)系统，更具体地，涉及用于这种EPS系统的车轮致动器防旋转机构(road wheel actuator anti-rotation mechanism)。

背景技术

已经开发了各种电动助力转向系统来辅助操作者进行交通工具转向。EPS系统的一种类型被称为齿条电动助力转向(REPS)系统。一些线控转向(SbW)车轮致动器(RWA)的示例是基于齿条电动助力转向系统无输入轴的简单的滚珠丝杠(ball screw)。在这种结构中，小齿轮轴仍然与切入滚珠丝杠齿条的齿条齿啮合。这种齿轮啮合提供了两个主要功能。首先，为滚珠丝杠位置感测提供了方便的旋转构件。其次，具有防止滚珠丝杠高速旋转的防旋转特征。如果线控转向车轮致动器是为大型交通工具设计的，则可能需要在同一个滚珠丝杠上使用两个滚珠螺母(ball nut，球状螺母)来实现所需的输出力。由于每个滚珠螺母中滚珠回路的中心限定了滚珠丝杠的轴线，因此在这种类型的系统上添加齿条和小齿轮啮合会导致过度约束的情况。这种过度约束是不可取的，因为如果零件不对齐，就会导致摩擦变化。

随着滚珠丝杠致动的线控转向车轮致动器系统的发展，这些系统可能会脱离传统的齿轮齿条设计，因为不再需要齿轮啮合来接收驾驶员通过方向盘的输入。

现有的设计非常复杂，需要许多高精度的表面才能正常运行。除了其设计的复杂性之外，该系统由于小齿轮塔(pinion tower)和齿条轴承轴的存在而在交通工具中占据了大量的封装空间。

发明内容

根据本公开的一个方面，用于交通工具的线控转向系统包括从第一端延伸到第二端的杆，该杆在其外表面内限定了第一凹槽和第二凹槽。线控转向系统还包括防旋转筒(anti-rotation cartridge)，该防旋转筒包括套筒，套筒包含多个滚珠轴承在其中滚动的单独耐磨板，其中套筒的第一端包含套筒凹槽和窗体特征(window features，窗体特征部)，套筒的内表面包含耐磨板设置在其中的V形凹槽。

从下面结合附图的描述中，这些优点和特征和其他优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书结尾的权利要求中，本公开的主题被特别指出并明确要求保护。结合附图从下面的详细描述中，本公开的前述和其他特征以及优点将变得显而易见，其中：

图1示出了具有齿条电动助力转向系统的转向组件；

图2示意性地示出了双马达齿条电动助力转向系统；

图3是设置在壳体内的齿条电动助力转向系统的防旋转机构的立体图；

图4是图3的防旋转机构的剖视图；

图5A是根据本公开的一个方面的防旋转机构的立体图；

图5B是根据本公开的另一方面的防旋转机构的立体图；

图6是根据本公开的另一方面的防旋转机构的立体图；

图7是根据本公开的另一方面的防旋转机构的立体图；

图8是根据本公开的另一方面的防旋转机构的立体图；

图9是图8的防旋转机构的另一立体图；

图10是图8的防旋转机构的后视图(elevation view)；

图11是图8的防旋转机构的剖视图；

图12-图14示出了防旋转机构的另一个实施方式；

图15示出了防旋转机构的套筒和凸缘，作为单独部件可操作地联接在一起；

图16和图17示出了防旋转机构的焊接在一起的套筒和凸缘；

图18示出了防旋转机构的套筒和弯曲凸部(bent tab)；

图19和图20示出了根据本公开的另一方面的套筒；以及

图21和图22示出了根据本公开的一个方面的防旋转机构的行程止动件。

具体实施方式

现在参考附图，本文描述的实施方式与交通工具，例如汽车、卡车、运动型多用途车、跨界车、小型货车、船舶、飞机、全地形车、休闲车或其他合适的交通工具的转向组件结合使用。如本文所述，电动助力转向(EPS)系统(包括线控转向系统)包括防旋转装置，其中转向系统中不使用小齿轮。防旋转装置阻止滚珠丝杠、齿条等旋转。这种旋转是由滚珠螺母的螺纹载荷引起的。

本文中使用的术语螺杆、滚珠丝杠和齿条限定了纵向构件，该纵向构件在另一个构件(例如滚珠螺母)旋转时平移。应当理解，这些部件可以用于本公开的各种实施方式中，并且不限制可以被转换以执行转向操纵的其他部件。

首先参考图1，图中示意性地示出了动力转向系统20。该动力转向系统可以被构造成驾驶员界面转向系统、自主驾驶系统或允许驾驶员界面和自主转向的系统。转向系统20可以包括输入装置22(例如方向盘)，其中驾驶员可以通过转动方向盘来机械地提供转向输入。转向柱26沿着轴线从输入装置22延伸到输出组件28。转向柱26可以包括两个或更多个轴向和/或倾角可调节件，例如第一部分30和第二部分32，这两个部分可相对于彼此轴向调节。然而，在一些实施方式中，可以仅存在单个部分。本文公开的实施方式用于转向系统中，其中输出组件28与联接到齿条(例如是具有螺旋/线性齿条构造的滚珠丝杠齿条1)的致动器34可操作地通信。输出组件28与致动器34进行可操作地通信，例如有线通信36(例如线控转向配置)。齿条1的平移调节车轮47以进行转向操纵。

如图2所示，作为示例而非限制，齿条1用至少一个致动器，并且可能用两个或更多个致动器34被平移。每个致动器34包括马达21和滚珠螺母31，滚珠螺母31被构造成驱动齿条1沿着齿条轴线A1平移。齿条1被壳体径向包围，壳体用H表示。

现在参考图3和图4，示出了设置在壳体H内的齿条1和用于齿条1的防旋转机构10的实施方式。如本文所公开的，防旋转机构10在操作期间阻止齿条1的旋转。

图5A和图5B示出了根据本文公开的实施方式的防旋转机构10的视图。防旋转机构10包括位于壳体H的孔中的一对运行板3。运行板3可以由任何合适的材料(例如金属)形成。例如，在一些实施方式中，运行板3由钢形成。尽管示出了一对运行板3，但是应该理解，在一些实施方式中可以设置更多或更少的运行板3。每个运行板3具有设置在运行板3的内表面与齿条1之间的多个滚珠6。特别地，每组滚珠6位于沿着齿条1的外表面限定的凹槽5内。每个凹槽5在齿条1的纵向上延伸，以允许齿条1相对于防旋转机构10平移，该防旋转机构在壳体H内保持相对静止。滚珠6反作用于运行板3和齿条1的凹槽5。

在图5A所示的实施方式中，运行板3通过弹簧构件4沿轴向、径向和周向保持在组件中。特别地，弹簧构件4中的每个都包括一对固定到壳体H上的端腿(end leg,端部支脚)。弹簧构件4的连接部分将运行板3彼此联接。在另一个实施方式中，如图5B所示，通过位于每个运行板3的端部区域的卡合指状部60有助于运行板3的保持。卡合指状部60是弹性构件，能够偏转以插入并保持在壳体H的保持特征内。

现在参考图6，防旋转机构10包括托架7，该托架将滚珠6保持在防旋转机构10中，以确保齿条1相对于防旋转机构10的平滑运动和便利性。托架7包括围绕齿条1外径的一部分延伸的主体部分70。在一些实施方式中，托架7大致呈C形，并且围绕齿条1的外表面延伸约180度。多个指状部72形成在主体部分70的端部。多个指状部72被设置成至少部分地将滚珠6保持在防旋转机构10内。特别地，多个指状部72的相邻指状部之间包含相应的滚珠6。

参照图7，示出了托架的另一个实施方式，用7a表示。托架7a包括围绕齿条1外径的一部分延伸的主体部分80。在一些实施方式中，托架7a大致呈C形，并且围绕齿条1的外表面延伸约180度。多个指状部82形成在主体部分80的端部。多个指状部82被设置成至少部分地将滚珠6保持在防旋转机构10内。特别地，多个指状部82的相邻指状部之间包含相应的滚珠6。托架7a包括侧边缘区域(lateraledge region，横向边缘区域)84，该侧边缘区域在齿条1的轴向上突出并远离多个指状部82。侧边缘区域84在托架7a的端部提供额外的材料，以基于在凹槽5的端部限定的至少一个肩部8所形成的壁86来限制相对于齿条1的移动。例如，在凹槽5的一端的齿条1上的加工后的平坦表面可以用作行程限制器，但是在其他实施方式中可以提供其他结构特征以与侧边缘区域84相互作用。

参照图8-图11，示出了防旋转机构10的另一个实施方式。图示实施方式中的托架由7b表示，但是可以与上面讨论的托架7相似或者甚至相同。托架7b被支撑以防止围绕齿条轴线A1旋转，并且在一些实施方式中可以相对于壳体H被固定。托架7b显示为大致呈C形，在齿条1的直径方向上相对的两侧具有多个指状部90形式的滚珠保持器，以用于在其中滚动接收滚珠6，并且用于在齿条或螺杆1的凹槽5中滚动接收滚珠6，该凹槽沿着齿条1的直径方向上相对的两侧基本上平行于齿条轴线A1延伸。行程限制机构92用于限制托架7b相对于齿条1的行程。行程限制机构92可以以一对的形式存在，每对中有一个设置在凹槽5的端部。

盖96用于辅助将防旋转机构10组装到壳体H的中心。可以设置密封接头(例如RTV、PIP密封件等)以与紧固件(例如螺钉)一起将盖96附接到壳体H上。盖96也可以根据需要结合行程限制器9。在一些实施方式中，可以使用彩色托架7b以便容易地识别不同尺寸的滚珠。

不管利用哪一个实施方式，当齿条或螺杆1施加扭转载荷时，载荷通过凹槽5转移到滚珠6，进入运行板3，然后进入壳体H，从而防止齿条或螺杆1旋转。滚珠6允许沿着凹槽5在轴向上的低摩擦平移。可以调节滚珠6的尺寸或运行板3的刚度，以适应噪音和摩擦特性的要求。也可以根据系统对摩擦和扭矩的要求调整凹槽5的数量和滚珠6的数量，以尽可能减少系统的过度约束。

本文公开的实施方式提供了几个结构特征和优点，包括但不限于：滚珠和凹槽的机械结构，在车轮致动器转向系统中抵抗扭矩；钢制滑动面板，通过使用弹簧构件保持；滚珠，由托架保持，以便组装和发挥作用；一个或多个凹槽和滚珠的组合，以抵抗由内部或外部构件产生的旋转扭矩；托架，还用作行程限制器；滚珠丝杠，具有辅助限制托架的行程的特征，类似于使用肩部示出的机械结构；以及侧盖，用于机械结构的组装和与附接或结合到盖中的行程限制器的结合。

现在参考图12-图14，钢杆101在与滚珠丝杠反向的端部上加工有两个凹槽102。凹槽102在杆上彼此反向(opposite)，并且平行于杆的轴线。一组滚珠轴承103在凹槽102中运行，该滚珠轴承由滚珠托架104等距隔开。滚珠托架104呈C形105，使得其可以从杆101的侧面组装并卡合到凹槽102中。防旋转筒106包括套筒107、凸缘108、两个耐磨板109、保持夹110、行程止动件111、径向支撑衬套112和多个螺栓113。套筒107包括供多个滚珠轴承在其中滚动的多个耐磨板109。套筒107在第一端包含凹槽和多个窗体特征，并且套筒107的内表面包含多个V形凹槽，耐磨板9设置在该凹槽中。

参考图15，在所示实施方式中，套筒107和凸缘108是具有互锁特征114的单独的钢制件，以允许扭矩从套筒107传递到凸缘108。在组装过程中，凸缘108将被挤压(swage)到套筒107上，以将其轴向锁定就位并允许无间隙接合。然而，在一些实施方式中，套筒107经由焊接接头115连接到凸缘108，如图16和图17所示。在其他实施方式中，如图18所示，凸缘108由集成的弯曲凸部(tab)116代替。

参考图19和图20，在套筒107的一端有窗体117，该窗体允许保持夹110穿过套筒107并与耐磨板109中的狭槽(slot)118接合。保持夹110形成为使得将耐磨板109在套筒中径向压出，以在组装期间将其保持就位。耐磨板109包含凸部119，该凸部跨过套筒107的端部滑动，以在组装过程中径向地和轴向地保持套筒。

现在参考图21和图22，行程止动件111包含径向支撑衬套112，该径向支撑衬套用作钢杆101在转向系统这一侧的主要径向支撑。行程止动件111可以设计成使得将凸缘108夹紧到壳体上的相同的螺栓113可以同时经由通孔120将行程止动件111夹紧就位。由于径向支撑衬套112与钢杆101的紧密配合，空气通道121形成在行程止动件中，以允许空气从转向系统的一侧流向另一侧，从而防止在转向系统内部形成压力差。

耐磨板在第一端包含钩状特征，以将耐磨板径向地和轴向地保持在套筒上。耐磨板在第二端(与第一端反向)包含狭槽，以允许通过保持夹接合。保持夹穿过耐磨板狭槽和窗体特征，在一些实施方式中，保持夹由钢丝制成。保持夹用作偏压构件，将耐磨板径向地向外推，抵靠在套筒中的凹槽上。保持夹还与套筒窗体特征的侧面接合，以将耐磨板轴向保持到套筒。该套筒具有诸如单独的凸缘或带有孔型的集成凸部的特征，以允许将套筒紧固到壳体。在一些实施方式中，凸缘由钢制成，并通过焊接或挤压结合到套筒。如果套筒由钢制成，则集成的凸部就可以沿着垂直于套筒的轴线的方向弯曲，以提供安装表面。行程止动件设置有集成的径向支撑衬套和空气通道，以将空气从转向系统的一侧输送到另一侧，空气的输送防止转向系统致动期间拉杆罩内的高压或低压状态。在一些实施方式中，行程止动件由铝或锌通过高压压铸工艺制成。在其它实施方式中，行程止动件由使用铁的粉末金属工艺制成。在一些实施方式中，行程止动件的径向支撑表面由多层衬套材料或注射成型塑料制成。在一些实施方式中，行程止动件包含与凸缘或凸部的孔型相匹配的孔型，从而使用与紧固凸缘或凸部相同的螺栓将行程止动件紧固到壳体。

本文公开的实施方式用于仅具有单个滚珠螺母而不是两个或更多个滚珠螺母的REPS系统。此外，本文公开的耐磨板被容纳在滑入壳体的端部并通过螺栓固定就位的筒状子组件中。

虽然仅结合有限数量的实施方式详细描述了本公开，但是应该容易理解，本公开不限于这些公开的实施方式。相反，可以对本公开进行修改，以结合此前未描述的任何数量的变化、变更、替换或等效布置，但是这些变化、变更、替换或等效布置与本公开的精神和范围相当。此外，虽然已经描述了本公开的各种实施方式，但是应该理解，本公开的方案可以仅包括一些所描述的实施方式。因此，本公开不应被视为受前述描述的限制。

Claims (10)

1.一种用于交通工具的线控转向系统，包括：

杆，从第一端延伸到第二端，所述杆在所述杆的外表面内限定第一凹槽和第二凹槽；以及

防旋转筒，包括套筒，所述套筒包括单独的供多个滚珠轴承在其中滚动的耐磨板。

2.根据权利要求1所述的线控转向系统，其中，所述套筒的内表面包含V形凹槽，所述耐磨板被设置在所述凹槽中。

3.根据权利要求1所述的线控转向系统，还包括：

凸缘，机械紧固到所述套筒的第二端；以及

行程止动环，操作地联接到所述凸缘。

4.根据权利要求1所述的线控转向系统，还包括：

凸缘，焊接到所述套筒的第二端；以及

行程止动环，操作地联接到所述凸缘。

5.根据权利要求1所述的线控转向系统，还包括：

一对弯曲凸部，从所述套筒的第二端延伸；以及

行程止动环，操作地联接到所述一对弯曲凸部。

6.根据权利要求1所述的线控转向系统，其中，还包括一组滚珠轴承，所述滚珠轴承通过滚珠托架彼此隔开，所述滚珠托架操作地联接到所述杆。

7.根据权利要求6所述的线控转向系统，其中，所述滚珠托架呈C形，具有第一端和第二端，其中，所述第一端卡合到所述杆的第一凹槽中，其中所述第二端卡合到所述杆的第二凹槽中。

8.根据权利要求1所述的线控转向系统，其中，还包括操作地联接到所述套筒的行程止动件，所述行程止动件包含径向支撑衬套以径向支撑所述杆。

9.根据权利要求1所述的线控转向系统，其中，所述杆由钢制成。

10.根据权利要求1所述的线控转向系统，其中，所述套筒的第一端限定套筒凹槽和窗体，其中，保持夹穿过所述套筒的所述套筒凹槽和所述窗体，以与所述耐磨板中的至少一个狭槽接合。