独立线转向系统的转向致动器.pdf

本发明公开了一种供独立线转向系统之用的转向致动器。该转向致动器包括一个固定到车身的壳体，一个固定在壳体内的环形齿轮，和一个连接到环形齿轮的超声波电机。超声波电机有一个转子，与行星齿轮一起安装，以便起到托架的作用。行星齿轮与中心齿轮的外圆周面啮合，和中心齿轮的内圆周面形成有涡轮副。涡轮副与形成在转向拉杆的齿条啮合。转向拉杆在其伸出壳体的一端与横拉杆相连。

1.  一种独立线转向系统的转向致动器，包括：
一个固定到车身的壳体；
一个超声波电机，带有一个固定在所述壳体内的定子，和一个施加电流时相对所述定子转动的转子；
一个穿过所述超声波电机中央部分的转向拉杆，所述转向拉杆伸出所述壳体的一端连接到横拉杆；和
运动转换装置，将所述超声波电机的转动运动转换成所述转向拉杆的线性运动。

2.  如权利要求1所述的致动器，其中所述运动转换装置包括：
一个固定在所述壳体内的环形齿轮；
用销钉分别安装在所述超声波电机所述转子的行星齿轮，所述行星齿轮与所述环形齿轮的内圆周面啮合；
一个在其外圆周面与所述行星齿轮啮合的中心齿轮，所述中心齿轮在其内圆周面形成有涡轮副；和
形成在所述转向拉杆的齿条，以与所述中心齿轮的所述涡轮副啮合。

3.  如权利要求1所述的致动器，其中所述运动转换装置包括：
一个在内整体形成在所述超声波电机所述转子的转子环形齿轮；
多个与所述转子环形齿轮啮合以便转动的小齿轮，所述小齿轮的转轴被固定在所述壳体；
分别整体连接到所述小齿轮的涡轮副；和
多个形成在所述转向拉杆的齿条，以分别与所述涡轮副啮合。

4.  如权利要求3所述的致动器，其中至少有三个所述小齿轮和涡轮副在所述转子内沿圆周方向平均地安装。

5.  权利要求4所述的致动器，其中所述三个小齿轮和涡轮副在所述转子内沿着圆周方向以120°的间隔角度平均地安装，和所述转向拉杆在形成有所述齿条的部分具有六角形截面形状，由此所述齿条形成在所述六角形截面的三个表面，以120°间隔角度交替分布。

独立线转向系统的转向致动器
相关申请
本申请要求的优先权分别是2003年5月30日申请的韩国专利申请第10-2003-0034719和10-2003-0034720号，其公开的内容全部在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种线转向(Steering-by-Wire)系统，和更具体地，涉及一种包含一个独立线转向系统的转向致动器(actuator)。
背景技术
汽车动力转向系已从液压系统开发到电动液压系统。目前，电动转向系已被广泛应用。在不久的将来，使用非常先进的电控方式的线转向系统将投入实际应用。
这种线转向系统以这样一种方式被构造，即去掉现有的电动转向系中的转向管柱，并在方向盘上安装扭矩传感器和转向角传感器，用以探测驾驶员的转向意图，以及相应地操纵一个独立安装的致动器，例如电机，由此产生转向力。
如上所述，由于该线转向系统没有被构造通过转向管柱来实现直接传输转向力，因此不必用连接部件来连接配备在车轮的转向装置。
由于开发了其中配备在车轮的两个转向装置可互相独立的线转向系统，从而有可能确保增加发动机室内的可用空间。要得到独立线转向系统，就需要提供一种适于给配备在车轮的两个独立的转向装置单独施加转向力的转向致动器。该转向致动器还必须进一步满足各种要求，比如，它必须尺寸小，重量轻，必须不受从车轮传输的力的操纵，必须有精确的安全控制，等等。
发明内容
本发明实施例提供一种满足上述要求的包含独立线转向系统的转向致动器。
根据本发明一选优实施例，一个独立线转向系统的转向致动器包括：一个固定到车身的壳体，和一个超声波电机(ultrasonic motor)，其带有一个固定在壳体内的定子，和一个施加电流时相对定子转动的转子。壳体转向拉杆穿过超声波电机的中央部分，转向拉杆伸出壳体的一端连接到一个横拉杆；和运动转换装置用来将超声波电机的转动运动转换成转向拉杆的线性运动。
优选地，运动转换装置可包括一个固定在壳体内的环形齿轮；用销钉分别安装在超声波电机转子的行星齿轮，行星齿轮与环形齿轮的内圆周面啮合；一个在其外圆周面与行星齿轮啮合的中心齿轮，该中心齿轮在其内圆周面形成有涡轮副；和形成在转向拉杆与中心齿轮的涡轮副啮合的齿条。
优选地，运动转换装置可包括一个在内整体地形成在超声波电机转子的转子环形齿轮；多个与转子环形齿轮啮合以便转动的小齿轮，其转轴被固定在壳体上；分别整体连接到小齿轮的涡轮副；和多个形成在转向拉杆的齿条，分别与涡轮副啮合。
附图简要说明
通过以下结合附图所进行的详细说明将更好地理解本发明的上述和其它的目的、特性及优点。
图1是示出独立线转向系统的平面示意图；
图2是示出本发明一个实施例的转向致动器的剖面图；
图3是图2的右剖面图，其中省略了环形齿轮和定子；和
图4和图5是分别示出本发明另一个实施例转向致动器的剖面图和图4的右剖面图。
具体实施方式
参照图1所示意性地示出的独立线转向系统，请注意配备在车轮上的转向装置是独立安装的，没有互连。每个转向装置包括一个与车轮相连接的转向节1，和一个操纵转向节1的横拉杆2。
由于两个转向装置的独立结构，传统的齿条棒(bar)和其它连接部件就不必横穿发动机室，因而确保增加发动机室内的可用空间。在图1中，参考编号3和4分别表示方向盘和转向控制信号生成装置。转向控制信号生成装置由扭矩传感器和转向角传感器组成。
如图1所示，为了将转向力分别施加给配备在两个车轮上的两个独立转向装置，必须提供转向致动器10，来通过各横拉杆2输入转向力。在本发明一个实施例，转向致动器10包括一个固定到车身的壳体11；和一个超声波电机13，带有一个固定在壳体11内的定子13a和一个在施加电流时相对定子13a转动的转子13b；一个转向拉杆17穿过超声波电机13的中央部分，以便在其伸出壳体11的一端与横拉杆2相连；和运动转换装置，用来将超声波电机13的转动运动转换成转向拉杆17的线性运动。
如图2和3所示，转向致动器10基本被构造通过行星齿轮装置使安装在壳体11中的超声波电机13的转动运动被传输给转向拉杆17。
壳体11安装在车身(或车架)的适当位置，与近的一个横拉杆2相关，以便易于连接到一个独立转向装置的相关横拉杆2。
壳体11在其内圆周面与环形齿轮12和定子13a整体连接，作为超声波电机的一个构件，来阻止(hinder)转动。
转子13b，位于定子13a侧面，作为超声波电机13的另一个构件，并且依次地，转子13b用销钉14与行星齿轮15转动连接。
行星齿轮15同时与形成在环形齿轮12内圆周面的齿轮齿，和形成在相对行星齿轮15在内设置地中心齿轮16外圆周面的齿轮齿啮合。
中心齿轮16在其内圆周面形成有涡轮副16a，并且涡轮副16a与形成在相对中心齿轮16在内设置的转向拉杆17上面的齿条17a啮合。
转向拉杆17的两端都伸出壳体11，由此可转动连接到作为转向装置输入端的相关横拉杆2。
在本实施例中，环形齿轮12，行星齿轮15，中心齿轮16和形成在转向拉杆17上的齿条17a组成运动转换装置，用来将超声波电机13的转动运动转换成转向拉杆17的线性运动。
以下说明本实施例的运行。
从上述转向控制信号生成装置4输出的传感器信号被输入到一个单独的控制单元，因而经过计算过程(course)，由此最后用来控制供给超声波电机13的电流。
超声波电机(USM)是一个已知装置，它包括一个定子和一个转子，以由压电陶瓷得到的挤压(squeeze)状态互相连接。当电信号施加给压电陶瓷时，定子沿一个椭圆形轨迹(根据20kHz以上的超声波振荡频率)振荡，并且该振荡实现促使转子被挤压定子。结果是转子按上述原理被驱动，并且通过施加给压电陶瓷的电信号，可按希望的方式自由地改变超声波电机的转动方向。因此，超声波电机可被用作转向致动器。
因此，超声波电机13的转子13b在控制电流施加在定子13a时转动，并且，由于转子13b的转动，行星齿轮15沿固定的环形齿轮12内圆周面选择性地转动和停止，由此使得与行星齿轮15啮合的中心齿轮16转动。即，转子13b起一个普通行星齿轮组件托架(carrier)的作用，并且转子13b的运行与普通行星齿轮组件的相同。
在中心齿轮16如上所述转动时，由于形成在中心齿轮16内圆周表面的涡轮副16a和形成在转向拉杆17上表面的齿条17a之间的相互作用，转向拉杆17根据中心齿轮16的转动方向前后移动，由此使得连接到转向拉杆17相关端的横拉杆2能够推或拉，从而控制车轮行进方向。
同时，超声波电机13具有以下各种优点。首先，与传统的有高速低扭矩特性的电机相比，超声波电机具有相对的低速大扭矩特性，并且不需要独立的减速机构，因为它本身能以10到100rpm的低速运行。第二，超声波电机具有自固定(self-fixing)能力。只要电信号没有施加给超声波电机，超声波电机的转子就保持在牢固的固定状态，由此赋予超声波电机制动功能，并且省去使用独立的制动器。第三，超声波电机因惯性小制动力大而具有反应能力高的特性，并且由于其有不超过1/1000秒的极短时间延迟而具有可调性强的特性，由此能进行高精度的位置和速度控制。第四，超声波电机由于不使用任何磁性器件，因而不产生磁场并不受磁场影响。最后，超声波电机尺寸小，重量轻，不产生任何噪音。由于其没有线圈，所以超声波电机在其结构上简单，重量上轻，使得能够小型化，并有助于降低整体运行噪声。总之，超声波电机具有最佳条件能够完全满足独立线转向系统转向致动器的各种基本要求，其特征在于尺寸小，重量轻，不受从车轮传输的力的操纵，并能进行精确控制。
以下进一步说明本发明另一实施例的另一转向致动器。
如图4和5所示，转向致动器包括一个固定到车身的壳体31；一个超声波电机32，带有固定在壳体31内的定子32a，和在施加电流时相对定子32a转动的转子32b；多个小齿轮33；分别与小齿轮33整体连接的涡轮副34；和转向拉杆35，有多个分别与涡轮副34啮合的齿条35a。小齿轮33以转动方式与在转子32b整体形成的转子环形齿轮32c相啮合，并且其转轴固定到壳体31。转向拉杆35在其伸出壳体31的一端与横拉杆相连。
在本实施例中，转子环形齿轮32c，多个小齿轮33，涡轮副34，和多个形成在转向拉杆35的齿条35a组成运动转换装置，由此将超声波电机32的转动运动转换成转向拉杆35的线性运动。
小齿轮33和涡轮副34在其沿其转轴的轴向运动上受限制，并且适于支持作用在其的推力和径向载荷，通过使用圆锥轴承等等，以已有技术的相同方式。
优选地，至少有三个小齿轮33和涡轮副34在转子32b内沿圆周方向平均地安装，同时围绕转向拉杆35。
在本实施例中，三个小齿轮33和涡轮副34在转子32b内沿着圆周方向以120°的间隔角度平均地安装，和转向拉杆35在形成有齿条35a的部分具有六角形截面形状，以便要与涡轮副34啮合的齿条35a形成在六角形截面形状的三个表面，以120°间隔角度交替分布。
因此，转向拉杆35被三个涡轮副34围绕并限制。
本实施例的转向致动器，用与前一实施例相同的方式，根据从转向控制信号生成装置4输出的传感器信号，通过供给超声波电机32的电流来驱动。
也就是说，超声波电机32的转子32b在控制的电流施加给定子32a时转动，转子32b的转动力在通过转子环形齿轮32c和小齿轮33之后被用来转动涡轮副34，并且依次地，涡轮副34的转动力使转向拉杆35的齿条35a能线性运动，由此实现连接到转向拉杆35的横拉杆的运动。
在此，小齿轮33和涡轮副34，与前一实施例不同，其相对壳体31连续转动而不停止，由此使转向拉杆35仅能线性地运动。
因此，本实施例可包括结构更加简单的独立线转向系统。
从以上的说明可以看出，本发明提供了一种独立线转向系统的转向致动器，它不受车轮传输的力所操纵，能够精确控制，和特别是由于转向拉杆驱动与之相关的横位杆来实现紧凑的结构，转向拉杆安装在与作为其驱动源的超声波电机配置的转轴相同或相邻的位置，由此确保增加发动机室内的可用空间。
尽管为了说明之目的，已公开了本发明的优选实施例，但本领域普通技术人员可在不偏离所附权利要求公开的本发明的精神和范围的情况下，进行各种改变、增加和替换。