Mécanisme de direction à pignon et crémaillère à rapport variable et procédé pour tailler les dents.
La présente invention concerne un mécanisme de direction à crémaillère et pignon utilisé dans le système de direction de véhicules à moteurs et de véhicules analogues et, en particulier, un mécanisme de direction à crémaillère et pignon dans lequel une barre de crémaillère comporte des dents déterminant un rapport variable, formées par un outil comportant des dents de coupe de pas uniformes.
Des mécanismes de direction à crémaillère et pignon à rapport variable de ces types ont été décrits jusqu'à présent dans les brevets anglais n[deg.] 609356,
667038, 1356172 et 3267763, dans le brevet australien n[deg.] 241798, et dans le brevet japonais publié n[deg.] 90224/80.
Les mécanismes décrits dans ces publications imprimées présentent des défauts qui sont décrits ciaprès. Le brevet anglais n[deg.] 609356 a l'inconvénient qu'un manchon est monté sur une crémaillère et que, par conséquent, la difficulté et les frais de fabrication du mécanisme augmentent tandis que la fabrication d'un palier de support pour le manchon suscite des difficultés. Comme décrit dans le brevet anglais n[deg.] 667038, on peut obtenir des dents composites et une obliquité circulaire requise pour un mécanisme à pignon et crémaillère à rapport variable par une barre de crémaillère à laquelle est associé un pignon hélicoîdal, et on peut obtenir un rapport variable au moyen d'une variation du diamètre primitif du pignon, ceci pouvant s'appliquer à un pignon à denture droite ou à denture hélicoïdale.
La limite de tolérance pour une variation du diamètre primitif est donc telle qu'un rayon de courbure du profil de dent doit être choisi en fonction des caractéristiques de résistance de la dent. Un mécanisme de direction à rapport variable décrit dans le brevet anglais n[deg.] 1356172 présente des inconvénients dus au fait que les dents de la crémaillère ont des angles de pression différents en des points différents et qu'il est difficile d'absorber les microvibrations provenant de l'extérieur au niveau de l'engrènement par suite d'un déplacement entre un sommet de dent et une racine de dent de sorte que les dents de la crémaillère manquent de résistance. La construction dans ce brevet anglais donne un rapport peu élevé, par exemple de 20% environ.
Les défauts dans le brevet anglais n[deg.] 3267763 dans lequel un pignon d'entraînement circulaire comprend des dents uniformes qui engrènent une crémaillère à entraîner, la crémaillère ayant un diamètre primitif variable donnant un rapport d'engrènement variable, sont tels qu'il n'est pas facile de fabriquer la crémaillères à entraîner et qu'un angle de pression plus grand est nécessaire pour donner un rapport moins élevé entre les extrémités opposées de la crémaillère. Cela étant, une variation d'efficacité importante dans les dents lorsqu'elles s'engrènent mutuellement, représente une impulsion communiquée à un volant de direction. La sélection d'un rapport inférieur est limitée afin d'éviter que cette impulsion fournisse ainsi un rapport d'engrènement de transmission insuffisant.
Un défaut du brevet australien n[deg.] 241798 est le fait qu'un volant parcourt toute l'amplitude de sa course de rotation requise en moins de deux révolutions par suite des variations répétées du rapport d'engrènement apparaissant chaque fois qu'on le fait tourner, ce qui diminue le rapport moyen. Le système conforme au brevet japonais publié n[deg.] 90224/80 est conçu de telle sorte que des dents de crémaillère de pas uniforme sont formées le long d'un trajet de rotation de la barre de crémaillère défini par une courbe résultante formée de la ligne axiale et de la ligne hélicoïdale de la crémaillère, et de façon qu'un déplacement axial de la barre de crémaillère à une vitesse variable par rapport à une rotation régulière d'un pignon hélicoïdal engrenant les dents de la crémaillère donne environ 50% du rapport d'engrènement.
L'inconvénient de ce système réside dans le fait qu'une rotation à vitesse élevée est nécessaire pour que la crémaillère impose une charge élevée sur un chemin de came prévu entre la barre de crémaillère et son boîtier pour entretenir la rotation de la barre de crémaillère.
D'autre part, jusqu'à présent, lors de la taille des dents par un procédé de génération, des dents de crémaillère sont formées sur une barre de crémaillère par un outil comportant plusieurs dents de coupe qui est soumis à une commande bidimensionnelle. Cependant, ce procédé a l'inconvénient que les dents ont une forme compliquée et qu'un engrènement doux avec un pignon est, par conséquent, très difficile à réaliser. On peut également facilement imaginer que des dents de crémaillère soient formées une à une sur une barre de crémaillère cylindrique au moyen d'un outil comportant une seule dent de coupe. Cependant, ce procédé ne permet pas de produire des dents du type à génération et par ailleurs il est très onéreux.
L'invention a pour but notamment d'éliminer les défauts précités des procédés connus en procurant un mécanisme de direction à crémaillère et à pignon à rapport variable nouveau et perfectionné et un procédé pour tailler les dents de ce mécanisme.
L'invention a également pour but de procurer un mécanisme de direction à pignon et crémaillère à rapport variable et un procédé pour tailler les dents de ce mécanisme suivant lequel on taille des dents de crémaillère à rapport variable donné, sur une barre de crémaillère au moyen d'un outil comportant des dents de pas uniformes suivant un trajet de rotation donné de la barre de crémaillère sous un angle hélicoïdal donné et sous un angle d'inclinaison donné également tout en imprimant, de façon continue, à la barre de crémaillère un mouvement de rotation autour de son axe et un déplacement axial (qualifié ci-après respectivement de "rotation" et de "déplacement de l'axe de la crémaillère").
L'invention a également pour but de procurer un mécanisme à crémaillère et un procédé pour tailler les dents de cette crémaillère suivant lequel la barre de crémaillère comporte des dents du type à génération continue sur sa surface et les dents sont formées par un outil, par exemple un outil circulaire ou une fraise à même de travailler dans trois ou dans quatre dimensions grâce à une commande numérique.
Ces buts ainsi que d'autres encore sont réalisés par les deux processus que l'on expliquera ciaprès.
Le premier processus est effectué d'une manière telle que lors de la taille des dents dans une barre de crémaillère à l'aide d'un outil présentant un rapport de pas variable, la rotation de l'axe de crémaillère et le déplacement de cet axe mentionnés plus haut sont transmis de manière continue à la barre de crémaillère pour permettre à l'outil de tailler les dents sous un angle hélicoïdal donné par rapport à l'axe de la barre de crémaillère de sorte que l'amplitude de la rotation de l'axe de la crémaillère (qualifiée ci-après "d'amplitude de rotation") et l'amplitude du déplacement de l'axe de la crémaillère (qualifiée ci-après "d'amplitude de déplacement")
se modifient de manière continue pour fournir un angle d'inclinaison donné par rapport à l'axe de la crémaillère et pour déterminer un pas de rapport variable virtuel sur une ligne de rotation de la crémaillère qui représente l'amplitude d'un déplacement donné en association avec cet angle d'inclinaison donné.
Le second processus est effectué d'une manière telle que lorsqu'on taille les dents dans la barre de crémaillère au moyen d'un outil présentant un pas de rapport uniforme, la rotation de l'axe de la crémaillère et le déplacement de cet axe sont également transmis de manière continue à la barre de crémaillère pour tailler les dents sous un autre angle hélicoïdal de sorte que l'amplitude de rotation et l'amplitude de déplacement différentes des amplitudes précitées se modifient de manière continue en vue de fournir un pas de rapport variable réel donné sur une ligne de rotation de crémaillère différente qui représente l'amplitude d'un autre angle d'inclinaison et celle d'un autre déplacement. Le mécanisme de direction à pignon et crémaillère à rapport variable peut être obtenu par répétition des deux processus précités.
Ces buts et ces particularités de l'invention ainsi que d'autres encore ressortiront clairement de la description suivante donnée, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
la Fig. 1 est une vue fragmentaire illustrant une configuration de la forme d'exécution préférée d'un mécanisme de direction à crémaillère et pignon à rapport variable conforme à l'invention;
les Fig. 2, 3 et 4 sont des vues schématiques illustrant la manière selon laquelle les dents sont taillées conformément à l'invention, et
la Fig. 5 est une vue d'un outil formant des dents dans une barre de crémaillère.
La Fig. 1 illustre un mécanisme à crémaillère et pignon conforme à l'invention. Une crémaillère comprend une barre de crémaillère 1 et des dents de crémaillère 2. Un pignon 3 engrène les dents 2 de la crémaillère et est monté de manière à tourner autour de son axe. Le pignon 3 est relié à un volant de direction
(non représenté). La barre de crémaillère 1 est montée de manière à tourner autour de l'axe X de la crémaillère et à se déplacer dans le sens de l'axe de la barre de crémaillère suivant la ligne a ou b définie par la rotation de la barre de crémaillère, lorsque le pignon 3 tourne. Un chemin de came 10 peut coopérer avec des moyens de guidage (non représentés) pour assister la barre de crémaillère 1 dans sa rotation.
Le pignon 3 est disposé de manière à former un angle ' avec l'axe X de la crémaillère et peut être considéré comme un outil présentant des pas uniformes Po. Les dents de crémaillère 2 en prise avec le pignon 3 sont engendrées suivant une ligne b de rotation de la crémaillère présentant un angle d'inclinaison^' (ou une ligne a de rotation de la crémaillère présentant un angle d'incli-
<EMI ID=1.1>
le sens d'une réduction vers l'extrémité.
La manière de tailler les dents de crémaillère hélicoïdales 2, engendrées de la façon décrite plus haut, sera à présent expliquée avec référence aux diagrammes représentés sur les Fig. 2, 3 et 4.
Bien qu'un procédé de taille de crémaillère tournante ait été décrit dans le brevet japonais publié n[deg.] 90224/80, Michio Abe, l'inventeur du procédé de taille des engrenages conformes à l'invention, a perfectionné ce procédé de taille de crémaillère tournante, comme on l'expliquera ci-après comparé au procédé décrit dans la demande de brevet japonais précitée. Le concept de l'invention décrite dans ce brevet japonais est illustré schématiquement sur la Fig. 2 dans laquelle les points 1, 2, 3, ..., 14, situés sur l'axe X de la crémaillère sont ceux qui indiquent les pas d'une fraise-mère ou d'un outil circulaire (qualifié ci-après d'"outil"). Les points 1, 2, 3, ..., 14, servent également à indiquer des chiffres correspondants de l'outil. Un axe vertical Y indique un angle de révolution autour de l'axe X de la crémaillère.
La ligne définie par la rotation de la barre de crémaillère passe par le milieu de chacun des pas des dents de crémaillère engendrés sur la face de la barre de crémaillère. D'une manière plus spécifique, l'outil est avancé dans le sens de la flèche A (ou dans un sens opposé à celle-ci) sous un angle hélicolal par rapport à l'axe X de la barre de crémaillère pour entailler la crémaillère dans l'ordre numérique allant de 14 à 1. Dans ce cas, si la barre de crémaillère n'est soumise ni à la rotation de l'axe de crémaillère ni au déplacement de cet axe de crémaillère, les dents standards 1, 2, 3, ..., 14, ont chacune un pas uniforme Po pour atteindre le degré de déplacement de la cré-
<EMI ID=2.1>
maillère 1 est tournée et déplacée pour la taille des dents à pas déterminant le rapport variable, la barre de crémaillère doit être tournée d'un angle de rotation
<EMI ID=3.1>
partant du point 13' intersecte la ligne horizontale partant du point 14' avant la taille d'une dent 13' et après la taille d'une dent 14'. De plus, il est nécessaire de déplacer la barre de crémaillère 1 dans le sens de l'axe X de la crémaillère (vers la gauche sur la Fig. 2) de l'intervalle 6 13 à une distance jusqu'à
<EMI ID=4.1>
horizontale partant du point 14' de sorte qu'un coincement des dents puis être évité.
<EMI ID=5.1>
déplacement 5 13, etc., ont la même valeur à un segment où la ligne a est linéaire (à partir des points 14' et
13' vers un point supposé être le point 9', non représenté). Ils sont modifiés par une minime variation de volume, un segment décrivant une courbe d'accélération uniforme telle qu'une courbe circulaire ou une courbe sinusoïdale (à partir du point supposé être le point 9' jusqu'au point l'). L'angle de rotation est <EMI ID=6.1>
rotation 6 et le déplacement r doivent être égaux à zéro pour un segment décrivant une ligne horizontale.
<EMI ID=7.1>
la crémaillère, qui est obtenu lorsque la crémaillère ne subit aucune rotation, est réduit à la valeur du déplacement de la crémaillère initialement fixée, comme le montre clairement la Fig. 2.
L'invention est destinée à engendrer sur une courbe définie par la face de la barre de crémaillère, les dents de pas déterminant un rapport variable suggérées dans les brevets anglais n[deg.] 667038 et 326763. Les Fig. 3 et 4 sont des vues schématiques de la manière d'engendrer les dents conformément à l'invention.
Pour tailler les pas de dents donnant un rapport variable 21, 22, ... , 33, 34 sur l'axe X de la crémaillère, l'outil comportant des dents 21, 22,
<EMI ID=8.1>
suivant l'angle hélicoïdale dans le sens de la flèche A pour déplacer la barre de crémaillère 1 de la distance qui peut être modifiée dans une certaine mesure dans le sens axial X de la crémaillère de manière à fournir les pas voulus. Ceci ressort des brevets anglais précités. Ces brevets démontrent également que l'on peut obtenir le même résultat en modifiant la vitesse de rotation de l'objet à tailler par rapport à une vitesse de rotation de l'outil si cet outil sert de pignon. Dans le premier processus conforme à l'invention, on suppose que l'outil présente
<EMI ID=9.1> hélicoïdal 0( dans le sens de la flèche A pour tailler suivant la ligne a de rotation de la crémaillère autour de la barre de crémaillère 1 de la même manière que celle expliquée avec référence à la Fig. 2 pour obtenir les dents de crémaillère 1", 2", 13", 14" de pas donnés déterminant un rapport variable. En ce point, le déplacement de la crémaillère est réduit de la valeur TR1 (Fig. 2) à la valeur TR2 (Fig. 3). Sous ce rapport, il est à noter que puisque le déplacement initialement prescrit de la crémaillère doit comprendre le dépla-
<EMI ID=10.1>
de la crémaillère est insuffisant à cet effet.
Dans le second processus conforme à l'invention, une nouvelle ligne b de rotation de la crémaillère est donc décrite et relie les intersections l', 2', ..., 13', 14' auxquelles des perpendiculaires partant des points 1', 2', 13', 14' (Fig. 2) intersectent des lignes qui sont décrites suivant l'angle hélicoïdal 0( à partir des points 21, 22,
33, 34 sur l'axe de crémaillère X, correspondant aux dents de crémaillère 1", 2", ..., 13", 14" (Fig. 3). Cette ligne b est tracée suivant un angle d'inclinaison
<EMI ID=11.1>
la rotation de la crémaillère. D'une manière plus spécifique, lors du traçage de la ligne b définie par rotation de la crémaillère par l'intermédiaire de la barre de crémaillère 1, l'outil présentant des pas de dents donnant un rapport variable est utilisé pour
<EMI ID=12.1>
(seul 6'13 est représenté) de l'axe de la crémaillère pour effectuer la taille, de manière à fabriquer une crémaillère présentant les mêmes pas de dents donnant le rapport variable que la crémaillère représentée sur la Fig. 2 (ou décrite dans le brevet japonais publié n[deg.] 90224/80). Dans la continuation du second processus, suivant l'invention, comme décrit plus haut avec référence à la Fig. 4, l'outil de pas uniforme Po est actionné de la manière expliquée avec référence à la Fig. 2 ou 3 pour tailler suivant une ligne qui est <EMI ID=13.1>
reliant les points l', 2', ..., 13', 14' (les mêmes que sur la Fig. 3) suivant la ligne b (la même que sur la Fig. 3) aux points 1, 2, ..., 13, 14 (les mêmes que sur la Fig. 2) sur l'axe X de la crémaillère sans cesser d'imprimer les rotations de l'axe de la crémaillère <EMI ID=14.1>
de pas uniforme Po peut être utilisée sous l'angle hélicoïdal^ ' (le même que sur la Fig. 3) pour obtenir une crémaillère présentant le même pas de dent donnant le rapport variable que dans la crémaillère représentée sur la Fig. 3 présentant le déplacement de crémaillère
<EMI ID=15.1>
<EMI ID=16.1>
l'angle d'inclinaison�' représenté sur la Fig. 4 est
<EMI ID=17.1> Fig. 3, mais est inférieur à l'angle d'inclinaison,/3 représenté sur la Fig. 2.
Dans la forme d'exécution de l'invention décrite plus haut, la crémaillère peut présenter 50% du rapport. Un angle d'inclinaison étroit/^' avec l'axe b de rotation de la barre de crémaillère entraîne une augmentation considérable du couple nécessaire pour faire tourner la barre de crémaillère, ce qui rend la charge qui peut être exercée sur l'élément extrêmement légère. De plus, comme les dents sont celles produites par la taille continue de l'outil, une force d'autorotation due à son engrènement avec la crémaillère n'exige aucun chemin de came pour la rotation ni d'autres éléments pour la rotation de la crémaillère.
Pour mieux faire comprendre l'invention, on décrira ci-après avec référence à la Fig. 5, une forme d'exécution préférée de l'invention dans laquelle la taille des dents est effectuée au moyen d'un outil circulaire 101 qui est un pignon à cinq dents présentant un cercle primitif standard 12 comme dans le pignon standard. Un cercle primitif variable 103 est cependant tracé pour former des dents de crémaillère de pas variables. Pour simplifier l'explication, un cercle défini par l'outil est divisé en secteurs de 5[deg.] donnant
<EMI ID=18.1>
pondant à une révolution de l'outil - 360[deg.]/5) ... Pn, et défini par des rayons et par le cercle primitif variable qui le recoupe, c'est-à-dire que
<EMI ID=19.1>
D'autre part, chaque secteur de longueur d'arc de 5[deg.] défini par des rayons et par les cercles primitifs
<EMI ID=20.1>
L'outil 101 est entraîné par un déplacement de coulissement de son arbre dans un sens axial de manière
<EMI ID=21.1>
de l'axe central 104 le long duquel le centre est déplacé, d'une barre de crémaillère 1 montée parallèlement à l'axe central 104 pour effectuer une taille de profondeur prédéterminée sur la barre de crémaillère. L'outil est ensuite entraîné en rotation (une taille est représentée effectuée par une rotation intermittente) chaque fois de 5[deg.] à une vitesse constante tout
<EMI ID=22.1>
Pn à chaque rotation de 5[deg.] le long de l'axe central 104 pour former ainsi les dents de crémaillère
<EMI ID=23.1>
lère 1. Les formes de dents ainsi obtenues peuvent être tracées sous la forme de courbes de dents variables, comme indiqué schématiquement aux dessins.
Lors de l'usinage pratique de l'outil circulaire, l'axe de cet outil est immobilisé tandis que la barre de crémaillère est déplacée dans un sens axial.
Il ressort de ce qui précède que, conformément à l'invention, les dents de crémaillère de pas variables peuvent être facilement engendrées par les mêmes opérations d'usinage que celles prévues pour un outil de taille classique sauf qu'un déplacement axial fin et une rotation fine, comme mentionné plus haut, sont imprimés à la barre de crémaillère par une commande numérique ou une came. Cela étant, une crémaillère du type à dents droites et une crémaillère hélicoïdale à pas largement variables, peuvent être obtenues par une simple conversion du système de déplacement de la crémaillère pour un outil circulaire standard.
Etant donné que les pas des dents de la crémaillère varient progressivement à partir du milieu de la barre de crémaillère vers l'une de ses extrémités, lorsque le volant de direction est tourné vers la droite ou vers la gauche à partir de sa position neutre, une force de braquage fortement allégée est obtenue.
Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée aux détails d'exécution décrits auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS
1.- Mécanisme de direction à pignon et crémaillère à rapport variable comprenant un pignon pouvant tourner sous l'action d'un couple de manoeuvre de la direction dérivé d'un volant de direction et une barre de crémaillère comportant des dents de crémaillère pouvant être engagées en prise avec le pignon et formées suivant une ligne donnée de manière à tourner autour de l'axe de la barre de crémaillère et à se déplacer dans le sens axial de la barre de crémaillère, caractérisé en ce que les dents de la crémaillère présentent des pas donnant un rapport variable et ces pas varient progressivement à partir du milieu de la barre de crémaillère vers une de ses extrémités.
2.- Mécanisme de direction à pignon et cré-
Variable ratio rack and pinion steering mechanism and method for cutting teeth.
The present invention relates to a rack and pinion steering mechanism used in the steering system of motor vehicles and the like and, in particular, to a rack and pinion steering mechanism in which a rack bar has teeth determining a variable ratio, formed by a tool comprising cutting teeth of uniform pitch.
Variable-ratio rack-and-pinion steering mechanisms of these types have been described hitherto in English patents n [deg.] 609356,
667038, 1356172 and 3267763, in Australian patent n [deg.] 241798, and in Japanese published patent n [deg.] 90224/80.
The mechanisms described in these printed publications have defects which are described below. English patent n [deg.] 609356 has the disadvantage that a sleeve is mounted on a rack and that, consequently, the difficulty and the manufacturing costs of the mechanism increase while the manufacture of a support bearing for the sleeve causes difficulties. As described in British Patent No. [deg.] 667038, composite teeth and a circular obliquity required for a variable ratio rack and pinion mechanism can be obtained by a rack bar with which a helical gear is associated, and obtain a variable ratio by means of a variation of the pitch diameter of the pinion, this being applicable to a pinion with straight teeth or with helical teeth.
The tolerance limit for a variation of the pitch diameter is therefore such that a radius of curvature of the tooth profile must be chosen according to the strength characteristics of the tooth. A variable ratio steering mechanism described in English patent n [deg.] 1356172 has drawbacks due to the fact that the teeth of the rack have different pressure angles at different points and that it is difficult to absorb the microvibrations coming from the outside at the level of the meshing as a result of a displacement between a tooth top and a tooth root so that the teeth of the rack lack resistance. The construction in this English patent gives a low ratio, for example of around 20%.
The defects in English patent n [deg.] 3267763 in which a circular drive pinion comprises uniform teeth which mesh with a rack to be driven, the rack having a variable pitch diameter giving a variable engagement ratio, are such that it is not easy to make the racks to be driven and that a larger pressure angle is necessary to give a lower ratio between the opposite ends of the rack. However, a significant variation in efficiency in the teeth when they mesh with each other represents an impulse communicated to a steering wheel. The selection of a lower gear is limited in order to avoid this pulse thus providing an insufficient transmission gear ratio.
A defect in Australian Patent No. [deg.] 241798 is the fact that a flywheel travels the full amplitude of its required rotational travel in less than two revolutions as a result of repeated variations in the gear ratio appearing each time rotates it, which decreases the average ratio. The system according to Japanese patent published n [deg.] 90224/80 is designed such that rack teeth of uniform pitch are formed along a path of rotation of the rack bar defined by a resulting curve formed by the axial line and the helical line of the rack, and so that an axial displacement of the rack bar at a variable speed relative to a regular rotation of a helical pinion meshing the teeth of the rack gives about 50% of the engagement report.
The disadvantage of this system is that a high speed rotation is necessary for the rack to impose a high load on a cam path provided between the rack bar and its housing to maintain the rotation of the rack bar. .
On the other hand, until now, during the size of the teeth by a generation process, rack teeth have been formed on a rack bar by a tool comprising several cutting teeth which is subjected to a two-dimensional control. However, this method has the disadvantage that the teeth have a complicated shape and that a gentle meshing with a pinion is, therefore, very difficult to achieve. One can also easily imagine that rack teeth are formed one by one on a cylindrical rack bar by means of a tool comprising a single cutting tooth. However, this method does not produce teeth of the generation type and moreover it is very expensive.
The object of the invention is in particular to eliminate the aforementioned defects from known methods by providing a new and improved rack and pinion steering mechanism with variable ratio and a method for cutting the teeth of this mechanism.
Another object of the invention is to provide a variable-ratio rack-and-pinion steering mechanism and a method for cutting the teeth of this mechanism, according to which teeth of a given variable-ratio rack are cut on a rack bar by means of of a tool comprising uniform pitch teeth following a given rotation path of the rack bar at a given helical angle and also at a given inclination angle while continuously imparting movement to the rack bar of rotation about its axis and an axial displacement (hereinafter referred to respectively as "rotation" and "displacement of the axis of the rack").
Another object of the invention is to provide a rack mechanism and a method for cutting the teeth of this rack, according to which the rack bar has teeth of the continuous generation type on its surface and the teeth are formed by a tool, by example a circular tool or a milling cutter able to work in three or four dimensions thanks to a numerical control.
These and other goals are achieved by the two processes which will be explained below.
The first process is carried out in such a way that when cutting the teeth in a rack bar using a tool having a variable pitch ratio, the rotation of the rack axis and the displacement of this the axis mentioned above is continuously transmitted to the rack bar to allow the tool to cut the teeth at a given helical angle with respect to the axis of the rack bar so that the amplitude of the rotation of the axis of the rack (hereinafter referred to as "amplitude of rotation") and the amplitude of the displacement of the axis of the rack (hereinafter referred to as "amplitude of displacement")
are continuously modified to provide a given angle of inclination with respect to the axis of the rack and to determine a virtual variable gear step on a line of rotation of the rack which represents the amplitude of a given displacement in association with this given tilt angle.
The second process is carried out in such a way that when cutting the teeth in the rack bar by means of a tool having a uniform ratio pitch, the rotation of the axis of the rack and the displacement of this axis are also transmitted continuously to the rack bar to cut the teeth at another helical angle so that the amplitude of rotation and the amplitude of displacement different from the above amplitudes are continuously modified in order to provide a pitch of actual variable ratio given on a different rack rotation line which represents the amplitude of another tilt angle and that of another displacement. The variable ratio rack and pinion steering mechanism can be obtained by repeating the two above processes.
These objects and these particular features of the invention, as well as others, will emerge clearly from the following description given, by way of example, with reference to the appended drawings in which:
Fig. 1 is a fragmentary view illustrating a configuration of the preferred embodiment of a variable-ratio rack-and-pinion steering mechanism according to the invention;
Figs. 2, 3 and 4 are schematic views illustrating the manner in which the teeth are cut in accordance with the invention, and
Fig. 5 is a view of a tool forming teeth in a rack bar.
Fig. 1 illustrates a rack and pinion mechanism according to the invention. A rack comprises a rack bar 1 and rack teeth 2. A pinion 3 meshes with the teeth 2 of the rack and is mounted so as to rotate about its axis. The pinion 3 is connected to a steering wheel
(not shown). The rack bar 1 is mounted so as to rotate around the axis X of the rack and to move in the direction of the axis of the rack bar along the line a or b defined by the rotation of the bar rack, when pinion 3 rotates. A cam track 10 can cooperate with guide means (not shown) to assist the rack bar 1 in its rotation.
The pinion 3 is arranged so as to form an angle 'with the axis X of the rack and can be considered as a tool having uniform pitches Po. The rack teeth 2 engaged with the pinion 3 are generated along a line b of rotation of the rack having an angle of inclination ^ '(or a line a of rotation of the rack having an angle of inclination ^
<EMI ID = 1.1>
the direction of a reduction towards the end.
The manner of cutting the helical rack teeth 2, generated as described above, will now be explained with reference to the diagrams shown in Figs. 2, 3 and 4.
Although a rotary rack pruning method has been described in Japanese patent published n [deg.] 90224/80, Michio Abe, the inventor of the gear pruning method according to the invention, has perfected this method of size of rotating rack, as will be explained below compared to the method described in the aforementioned Japanese patent application. The concept of the invention described in this Japanese patent is illustrated schematically in FIG. 2 in which the points 1, 2, 3, ..., 14, located on the axis X of the rack are those which indicate the steps of a hob or a circular tool (hereinafter qualified d '"tool"). Points 1, 2, 3, ..., 14 are also used to indicate corresponding figures of the tool. A vertical axis Y indicates an angle of revolution around the axis X of the rack.
The line defined by the rotation of the rack bar passes through the middle of each of the steps of the rack teeth generated on the face of the rack bar. More specifically, the tool is advanced in the direction of arrow A (or in a direction opposite to it) at a helical angle relative to the axis X of the rack bar to cut the rack in the numerical order going from 14 to 1. In this case, if the rack bar is neither subjected to the rotation of the rack axis nor to the displacement of this rack axis, the standard teeth 1, 2, 3, ..., 14, each have a uniform pitch Po to reach the degree of displacement of the creat
<EMI ID = 2.1>
mesh 1 is rotated and moved for the size of the teeth with a step determining the variable ratio, the rack bar must be rotated by an angle of rotation
<EMI ID = 3.1>
starting from point 13 'intersects the horizontal line starting from point 14' before the size of a tooth 13 'and after the size of a tooth 14'. In addition, it is necessary to move the rack bar 1 in the direction of the X axis of the rack (to the left in Fig. 2) from the interval 6 13 to a distance up to
<EMI ID = 4.1>
horizontal starting from point 14 'so that jamming of the teeth can be avoided.
<EMI ID = 5.1>
displacement 5 13, etc., have the same value to a segment where line a is linear (from points 14 'and
13 'to a point assumed to be point 9', not shown). They are modified by a slight variation in volume, a segment describing a uniform acceleration curve such as a circular curve or a sinusoidal curve (from the point assumed to be point 9 'to point l'). The rotation angle is <EMI ID = 6.1>
rotation 6 and displacement r must be equal to zero for a segment describing a horizontal line.
<EMI ID = 7.1>
the rack, which is obtained when the rack does not undergo any rotation, is reduced to the value of the displacement of the rack initially fixed, as clearly shown in FIG. 2.
The invention is intended to generate on a curve defined by the face of the rack bar, the pitch teeth determining a variable ratio suggested in English patents n [deg.] 667038 and 326763. Figs. 3 and 4 are schematic views of how to generate the teeth according to the invention.
To cut the teeth pitch giving a variable ratio 21, 22, ..., 33, 34 on the axis X of the rack, the tool comprising teeth 21, 22,
<EMI ID = 8.1>
along the helical angle in the direction of arrow A to move the rack bar 1 by the distance which can be modified to a certain extent in the axial direction X of the rack so as to provide the desired steps. This appears from the abovementioned English patents. These patents also demonstrate that the same result can be obtained by modifying the speed of rotation of the object to be cut with respect to a speed of rotation of the tool if this tool is used as a pinion. In the first process according to the invention, it is assumed that the tool has
<EMI ID = 9.1> helical 0 (in the direction of arrow A to cut along the line a of rotation of the rack around the rack bar 1 in the same way as that explained with reference to Fig. 2 to obtain the rack teeth 1 ", 2", 13 ", 14" of given steps determining a variable ratio. At this point, the displacement of the rack is reduced from the value TR1 (Fig. 2) to the value TR2 (Fig. 3) In this respect, it should be noted that since the initially prescribed displacement of the rack must include the displacement
<EMI ID = 10.1>
rack is insufficient for this purpose.
In the second process in accordance with the invention, a new line b of rotation of the rack is therefore described and connects the intersections l ', 2', ..., 13 ', 14' to which perpendiculars starting from points 1 ', 2 ', 13', 14 '(Fig. 2) intersect lines which are described according to the helical angle 0 (from points 21, 22,
33, 34 on the rack axis X, corresponding to the rack teeth 1 ", 2", ..., 13 ", 14" (Fig. 3). This line b is drawn at an angle of inclination
<EMI ID = 11.1>
the rotation of the rack. More specifically, when drawing the line b defined by rotation of the rack by means of the rack bar 1, the tool having teeth pitch giving a variable ratio is used to
<EMI ID = 12.1>
(only 6'13 is shown) of the axis of the rack for cutting, so as to manufacture a rack having the same pitch of teeth giving the variable ratio as the rack shown in FIG. 2 (or described in Japanese patent published n [deg.] 90224/80). In the continuation of the second process, according to the invention, as described above with reference to FIG. 4, the uniform pitch tool Po is actuated in the manner explained with reference to FIG. 2 or 3 to cut along a line which is <EMI ID = 13.1>
connecting points l ', 2', ..., 13 ', 14' (the same as in Fig. 3) along line b (the same as in Fig. 3) at points 1, 2, .. ., 13, 14 (the same as in Fig. 2) on the X axis of the rack without ceasing to print the rotations of the rack axis <EMI ID = 14.1>
of uniform pitch Po can be used from the helical angle ^ '(the same as in FIG. 3) to obtain a rack having the same tooth pitch giving the variable ratio as in the rack shown in FIG. 3 showing the rack movement
<EMI ID = 15.1>
<EMI ID = 16.1>
the angle of inclination � ' shown in Fig. 4 is
<EMI ID = 17.1> Fig. 3, but is less than the angle of inclination, / 3 shown in FIG. 2.
In the embodiment of the invention described above, the rack can have 50% of the ratio. A narrow angle of inclination / ^ 'with the axis b of rotation of the rack bar results in a considerable increase in the torque required to rotate the rack bar, which makes the load which can be exerted on the element extremely slight. In addition, as the teeth are those produced by the continuous size of the tool, an autorotation force due to its engagement with the rack requires no cam path for rotation or other elements for rotation of the rack.
To better understand the invention, the following will be described with reference to FIG. 5, a preferred embodiment of the invention in which the pruning of the teeth is carried out by means of a circular tool 101 which is a pinion with five teeth having a standard pitch circle 12 as in the standard pinion. A variable primitive circle 103 is however drawn to form rack teeth of variable pitch. To simplify the explanation, a circle defined by the tool is divided into sectors of 5 [deg.] Giving
<EMI ID = 18.1>
laying down a revolution of the tool - 360 [deg.] / 5) ... Pn, and defined by radii and by the variable primitive circle which intersects it, that is to say that
<EMI ID = 19.1>
On the other hand, each sector of arc length of 5 [deg.] Defined by radii and by the primitive circles
<EMI ID = 20.1>
The tool 101 is driven by a sliding movement of its shaft in an axial direction so
<EMI ID = 21.1>
from the central axis 104 along which the center is moved, from a rack bar 1 mounted parallel to the central axis 104 to effect a predetermined depth size on the rack bar. The tool is then driven in rotation (a size is represented effected by an intermittent rotation) each time by 5 [deg.] At a constant speed while
<EMI ID = 22.1>
Pn at each rotation of 5 [deg.] Along the central axis 104 to thereby form the rack teeth
<EMI ID = 23.1>
1st 1. The tooth shapes thus obtained can be traced in the form of variable tooth curves, as shown diagrammatically in the drawings.
During practical machining of the circular tool, the axis of this tool is immobilized while the rack bar is moved in an axial direction.
It follows from the above that, in accordance with the invention, the rack teeth of variable pitch can be easily generated by the same machining operations as those provided for a tool of conventional size except that a fine axial displacement and a fine rotation, as mentioned above, are printed on the rack bar by a numerical control or a cam. However, a rack of the straight tooth type and a helical rack with widely variable pitch can be obtained by a simple conversion of the rack displacement system for a standard circular tool.
Since the pitch of the rack teeth varies gradually from the middle of the rack bar to one of its ends, when the steering wheel is turned to the right or to the left from its neutral position, a greatly reduced steering force is obtained.
Of course, the invention is in no way limited to the execution details described to which numerous changes and modifications can be made without departing from its scope.
CLAIMS
1.- Variable ratio rack and pinion steering mechanism comprising a pinion which can rotate under the action of a steering torque derived from a steering wheel and a rack bar comprising rack teeth which can be engaged with the pinion and formed in a given line so as to rotate about the axis of the rack bar and to move in the axial direction of the rack bar, characterized in that the teeth of the rack have steps giving a variable ratio and these steps vary gradually from the middle of the rack bar towards one of its ends.
2.- Pinion and crank steering mechanism