CN100352717C - 用于车辆转向的伸缩轴 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆转向的伸缩轴，其被组装在车辆的转向轴中，并包括安装成不能相互旋转但可以相互滑动的一个雄轴和一个雌轴，其中，至少一组扭矩传递部件被设置在至少一组在所述雄轴的外周面中和在所述雌轴的内周面中形成的容纳部中，并且至少所述一组扭矩传递部件是在轴向上朝着端部直径逐渐减小的柱形部件。

Description

用于车辆转向的伸缩轴

技术领域

本发明涉及一种用于车辆转向的伸缩轴，其可以实现固定的滑动负荷并通过可靠地防止游隙(侧隙)在一种高刚性的状态下传递扭矩。

背景技术

图7表示一种普通类型的车辆转向机构。在图7中，符号a和b代表伸缩轴。伸缩轴a是由一个雄轴和一个雌轴互相通过键槽装配构成的。然而，这种类型的伸缩轴a需要其具有吸收汽车行驶时产生的轴向位移且既不向方向盘传递该位移也不向其传递振动的性能。通常在以下结构中需要这种性能，即车体采用一种副车架结构、用于固定转向机构的上部的部件c和转向齿条固定在其上的车架e是不同的单元，且车架e与转向齿条d是通过将一个弹性部件f例如橡胶插入其间来固定的。而且，还有另一种情况，在将转向轴接头g固定在一个小齿轮轴h上时，操作者暂时将伸缩轴缩短然后将接头g安装和固定在小齿轮轴h上，因此需要伸缩功能。而且，转向机构的上部设置的伸缩轴b也是由雄轴和雌轴互相通过键槽装配构成的。为了使驾驶员驾驶车辆时获得最佳位置，这种类型的伸缩轴b需要在轴向方向上改变方向盘i的位置和调整此位置的功能，因而该轴需要轴向的伸缩功能。在所有以上描述的例子中，需要伸缩轴能降低在键槽装配部分的游隙噪音、方向盘上的游隙的感觉和轴向滑动时的滑动阻力。

在这种情况下，根据欧洲专利申请公开No.EP1078843A1，多组扭矩传递部件(柱形部件)被装配在形成于雄轴的外周面和雌轴的内周面中的多组轴向槽中。

每一组扭矩传递部件(柱形部件)包括多个在轴向并排设置的滚针。

利用这种布置，当不传递扭矩时，可以防止雄轴和雌轴之间的游隙的出现，从而雄轴和雌轴可以在轴向方向上以一个稳定的滑动负荷滑动而没有任何游隙。还有，当传递扭矩时，雄轴和雌轴可以通过防止在旋转方向中出现的游隙而在高刚性状态下传递此扭矩。

然而，根据欧洲专利申请公开No.EP1078843A1，每一组扭矩传递部件(柱形部件)是由多个在轴向并排设置的滚针构成的，因此组装很复杂以致需要过长的组装时间。

因此，如果每一排中滚针的数量被设定为一个或两个，则必须提高每一个雄轴和雌轴的直线度。这不可防止地涉及加工开槽部位且导致制造成本的升高。因此，性能的改进(减小外周向中的游隙而同时将滑动阻力抑制在低值)和成本的降低是不可能共存的。

而且，如果不提高每一个雄轴和雌轴的直线度，则当传递扭矩时在滚针的端面附近可能产生高的表面压力。

发明内容

在这种条件下设计出的本发明，目的在于提供一种用于车辆转向的伸缩轴，其能够实现稳定的滑动负荷、通过可靠地防止旋转方向上出现的游隙在一种高刚性的状态下传递扭矩，此外，通过缩短扭矩传递部件的组装时间和在抑制圆周方向的游隙的同时降低扭矩传递部件的表面压力来提高寿命。为达到以上目的，在一种用于车辆转向的伸缩轴中，此伸缩轴被组装在车辆的转向轴中，并包括安装成不能相互旋转但可以相互滑动的一个雄轴和一个雌轴，其特征在于，至少一组扭矩传递部件被设置在至少一组在所述雄轴的外周面中和在所述雌轴的内周面中形成的容纳部中，并且至少所述一组扭矩传递部件是在轴向上朝着端部直径逐渐减小的(圆)柱形部件。

因此，根据本发明，至少一组扭矩传递部件是在轴向上朝着端部直径逐渐减小的柱形部件，因此数量尽可能少的柱形部件可被设置在容纳部(轴向槽)的其中一排中。因此，可以缩短组装时间，且可以以低成本生产柱形部件。而且，由于至少一组扭矩传递部件是在轴向朝着端部直径逐渐减小的柱形部件，因此可以减小圆周方向上的游隙而同时将滑动阻力抑制在低值。

而且，在根据本发明的用于车辆转向的伸缩轴中，优选地至少所述一组扭矩传递部件是经受凸面加工的柱形部件。利用该结构，至少一组扭矩传递部件是经受凸面加工的柱形部件，因此数量尽可能少的柱形部件可被设置在容纳部(轴向槽)其中一排中。因此，可以缩短组装时间，且可以以低成本制造该柱形部件。

扭矩传递部件是经受凸面加工的柱形部件，因此可以减少圆周方向中的游隙而同时将滑动阻力抑制在低值。

另外，由于扭矩传递部件是经受凸面加工的柱形部件，当加载扭矩时，从柱形部件的端部朝着中心部分被施加一平缓的表面压力，因此可以避免局部表面压力，这样产品的寿命可以保持长时间。

而且，在根据本发明的用于车辆转向的伸缩轴中，优选地至少所述一组扭矩传递部件是与端部邻近的外径加工成一种锥形结构的柱形部件。。利用这种设计，当加载扭矩时，从柱形部件的端部朝着中心部分被施加平缓的表面压力，因此可以避免局部表面压力，这样可使得产品的寿命保持长时间。在根据本发明的用于车辆转向的伸缩轴中，优选的柱形部件是滚针。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的车辆转向用伸缩轴的纵截面视图；

图2是图1中沿着线X-X的横截面视图；

图3是图1中沿着线Y-Y的横截面视图；

图4是通过一个连接部件连接的弹性部件(板簧)的透视图；

图5是图1中箭头A方向的视图；

图6是根据本发明的一个实施例的柱形部件(滚针)的侧视图；和

图7是普通类型的汽车转向机构的侧视图。

具体实施方式

在此将参考附图描述一种根据本发明的一个实施例的用于车辆转向的伸缩轴。

图1是表示根据本发明的实施例的用于车辆转向的伸缩轴的纵向截面视图。图2是沿着图1中线X-X的横截面视图。

如图1所示，用于车辆转向的伸缩轴(此后简称为伸缩轴)包括被安装为不能相互旋转但可相互滑动的一个雄轴1和一个雌轴2。

如图2所示，雄轴1的外周面上形成有在圆周方向上以120度的间隔均布且轴向延伸的三条槽3。每一个槽3，如图2中所清楚显示的，在其横截面构形中，具有一个在中心处的平坦的底部3a和从底部3a的两个端部朝着外径侧倾斜地扩展延伸的平坦的侧部3b、3b。更进一步地，此雄轴1的外周面上形成有截面基本上是圆弧形状的三条槽4，这三条槽4以120度的间隔在圆周方向均布且在轴向延伸的三个槽3之间的外圆周方向的区域轴向延伸。

雌轴2的内周面上形成有截面基本上是圆弧形状的以120度的间隔在圆周方向上均布且轴向延伸的三条槽5。而且，此雌轴2的内周面上形成有基本上是圆弧形状的三条槽6，这三条槽6以120度的间隔在圆周方向上均布且在轴向延伸的三个槽5之间的圆周方向的区域内轴向延伸。

轴向延伸的槽3、5构成三组用于将在以后说明的三组球形部件7的第一容纳部，而轴向延伸的槽4、6构成三组用于将在以后描述的三组柱形部件8的第二容纳部。这三组轴向槽3、5(第一容纳部)和三组轴向槽4、6(第二容纳部)在圆周方向上交替地设置，其中相邻的槽以60度的间隔在圆周方向上均布。

第一扭矩传递装置如此构成，即以当雄轴1和雌轴2之间形成轴向的相对运动时以可滚动的方式和当旋转时以被板簧9限制的方式传递扭矩的三组第一扭矩传递部件(球形部件)7，通过三片用于预压的波纹形状的弹性部件(板簧)9可滚动地容纳在雄轴1的三个轴向槽3和雌轴2三个的轴向槽5之间。每一个第一扭矩传递部件7都包括一个球形部件。

第二扭矩传递装置如此构成，即以均允许雄轴1和雌轴2的轴向相对运动和当旋转时传递扭矩的方式传递扭矩的三组第二扭矩传递部件(柱形部件)8，可滑动地被容纳在雄轴1的轴向延伸的三个槽4和雌轴2的轴向延伸的三个槽6之间。每一个第二扭矩传递部件8包括一个轴向延伸的柱形部件。

在雄轴1的槽3内板簧9在轴向上延伸基本上超过槽3的全部长度，且被置于球形部件7和形成槽的表面之间。板簧9，当处于非扭矩传递状态时，向球形部件7和柱形部件8施加一个预压负荷以紧靠雌轴2至不产生游隙的程度，和，当传递扭矩时，以一种弹性变形的方式在圆周方向上将球形部件7限制在雄轴1和雌轴2之间。

在这种结构的伸缩轴中，球形部件7和柱形部件8被容纳在雄轴1和雌轴2之间，且通过板簧9向球形部件7和柱形部件8施加预压负荷以紧靠雌轴2至不产生游隙的程度。因此当不传递扭矩时，能可靠地防止雄轴1和雌轴2之间的游隙，同时当雄轴1和雌轴2做轴向相对运动时，雄轴1和雌轴2可以以稳定的滑动负荷在轴向上滑动而不产生游隙。

应注意到如果滑动面是如现有技术那样形成为仅用于滑动，则用于防止游隙的预压负荷将只能被保持在确定的负荷以下。这是因为滑动负荷是通过使预压负荷与摩擦系数相乘而得出的，且如果增加此预压负荷是为了防止游隙和提高伸缩轴的刚度，则此滑动负荷增加，因此进入恶性循环。

在此方面，本实施例采用一个部分地基于滚动的机构，因此可以增加预压负荷而不引起滑动负荷的显著升高。因此可以获得现有技术不可能获得的游隙的防止和刚度的提高而不引起滑动负荷的增加。

当传递扭矩时，三组板簧9在产生弹性变形的同时起着将三组球形部件7在圆周方向上限制在雄轴1和雌轴2之间的作用，被容纳在雄轴1和雌轴2之间的三组柱形部件8起着主要传递扭矩的作用。

例如，当扭矩从雄轴1输入时，在初始阶段，由于板簧9的预压而没有产生游隙，且板簧9对扭矩产生反作用，从而传递扭矩。此时，全部扭矩在雄轴1、板簧9、球形部件7和雌轴2之间的扭矩传递负荷与雄轴1、柱形部件8和雌轴2之间的扭矩传递负荷平衡的状态下被传递。

更进一步，由于在雄轴1和雌轴2之间通过柱形部件8在旋转方向上的间隙被设定为比雄轴1、板簧9、球形部件7和雌轴2之间通过球形部件7的间隙小，故当扭矩增加时，柱形部件8受到比球形部件7更强烈的反作用，且主要是柱形部件8向雌轴2传递扭矩。因此能可靠地防止雄轴1和雌轴2之间在旋转方向上的游隙且在高刚度的状态下传递扭矩。

应注意到球形部件7可以是一个滚珠。更进一步地，柱形部件8可以是滚针。

此滚针8以线接触承受负荷，因此能够将接触压力限制在比以点接触承受负荷的滚珠7更低的水平上，而且具有各种与此类似的效果。因此，采用滚针8在以下方面比在所有的排内运用滚珠结构更优越。

·在滑动部分处的阻尼效果比利用滚珠滚动结构大。因此，获得高振动吸收性能。

·如果传递同样的扭矩，滚针能将接触压力抑制得更低，因此可以减少轴向长度而有效地利用空间。

·如果传递同样的扭矩，滚针能够将接触压力抑制得更低，从而排除必须通过热处理或类似工艺使雌轴的轴向槽的表面硬化的附加步骤。

·可以减少部件的数量。

·可以提高组装性能。

·可以抑制组装成本。

因此，对于在雄轴1和雌轴2之间传递扭矩来说滚针8起着关键的作用，且与雌轴2的内周面滑动接触。此滚针8与传统的键槽装配相比有以下优点。

·滚针是大量生产的，因此成本非常低。

·滚针在经过热处理以后被抛光，因此具有高的表面硬度和优良的抗磨损性能。

·由于滚针是被抛光/研磨的，因此它的表面粗糙度优良而足以降低滑动时的摩擦系数，从而滑动负荷可以被抑制在低值。

·可以对应于使用条件改变滚针的长度和布置，这样可适宜于各种应用而不用改变设计思想。

·可以有一种情况，其中滑动摩擦系数必须依据使用条件被进一步地降低。在此时，可以通过仅仅进行滚针的表面处理改变其滑动特性，因此可用于各种应用而不用改变设计思想。

·具有不同外径的滚针可以在几个微米为单位以低成本制造，因此通过选择滚针的直径，雄轴、滚针和雌轴之间的间隙可以被抑制在最小值。因此，容易提高扭转方向上的轴刚度。

另一个方面，部分地采用滚珠的结构特点与滚针被置于所有排中且每一排滚针都是可滑动的结构相比具有以下优点。

·摩擦系数低，因此滑动负荷被抑制于低值。

·预压负荷可以增加，且可以同时实现长时期的防止游隙和高刚度。

图3是沿着图1中的线Y-Y的横截面视图。图4是被连接部件连接的弹性部件(板簧)的透视图。图5是图1中箭头A方向上的视图。

如图1所示，雄轴1的端部上形成有一个小直径部1a。这个小直径部1a上设置有一个用于限制滚针8的轴向移动的止动板10。这个止动板10包括一个用于轴向预压的弹性部件11和一对用来夹紧该轴向预压用弹性部件11的平板12、13。

也就是说，根据本实施例，平板13、轴向预压用弹性部件11和平板12以此顺序被安装在小直径部1a上，然后小直径部1a的端部1b被敛缝(或被铆接)，因此稳固地将止动板10安装在小直径部上。

应注意到止动板10的固定方法不限制于敛缝(或铆接)，也可以包括使用一个定位止动环32，一个螺纹件安装部件，一个推压螺母或类似的部件。

利用这种布置，止动板10的构成使得平板13紧靠在滚针8上，且可以由轴向预压用弹性部件11对滚针8施加适当的预压以使其在轴向上不移动。

轴向预压用弹性部件11是由橡胶、树脂制成的或包括由刚片制成的板簧等。轴向预压用弹性部件11可以与平板12、13分离，然而考虑到组装的简单性方面，优选地轴向预压用弹性部件11和平板12、13构成一个整体成型的产品。

例如，当轴向预压用弹性部件11通过利用橡胶制造，并且如果通过平板12、13的硫化成形制造时，就可以实现其一体化，因此可以制造一个易组装和低成本的产品。

此外，当轴向预压用弹性部件11是通过使用树脂制造的时，就可以通过平板12、13与波纹弹性部件11的一体成形来实现一体化，其中可获得同样的优点。

而且，平板12、13使用钢片、树脂或形成有一层树脂膜的钢片。

更进一步地，雄轴1的轴向延伸的槽3、4在基本上与轴向垂直的轴向直角面14、15处终止且接靠在滚珠7和滚针8上。

如以上所述，在滚针8一侧，滚针8的轴向移动是由在雄轴1的小直径部1a处的止动板10限制的，同时，在滚针8的另一侧，滚针的轴向移动通过其接靠在轴向直角面15上限制。

此外，在止动板10中，平板13接靠在滚针8上，因此轴向预压用弹性部件11对滚针8施加适当的预压以使其不在轴向上移动。

因此，通过给滚针8适当的预压可以获得定位而没有任何轴向间隙。当雄轴1和雌轴2互相滑动时，滚针也不会在轴向上移动，且可以可靠地防止发出一种不舒适的噪音例如冲撞声。

而且，雄轴1的轴向槽3、4有基本上与轴向垂直的且接靠在滚珠7和滚针8上轴向直角面14、15。因此，利用这些轴向直角面14、15，可以限制滚珠7和滚针8的轴向移动而不用提供专用部件。因此，通过减少组件的数量可以降低制造成本，此外因为没有使用专用部件故可能降低重量且获得紧凑的结构。

其次，根据本实施例，如图1、3和4所示，用于向三组滚珠7施加预压的三个板簧9是通过一个环形连接部件20而被连接的。具体而言，如图1中所示，雄轴1的端部的小直径部1a上形成有一个阶梯形环形面21。该环形连接部件20被安装在小直径部1a上且沿着阶梯形环形面21布置。

在环形面21是朝雄轴1的轴向的轴向环形面的条件下，该阶梯形环形面21可以采用任何结构。

环形连接部件20在其三个周边缘部位处与三个板簧9的轴向端部连接。也就是说，如图4所示，环形连接部件20是与三个轴向延伸的板簧9整体地构成的。三个板簧9可以是不同的部件。

因此，尽管采用滚珠7和滚针8的复合结构，但作为滚动面的三个板簧9被制成一个整体，因此通过将实质上的组件数量从三个减少至一个可以降低制造成本，因此可以实现组件数量的减少，且通过改进组装性能组装时间也减少。

而且，环形连接部件20不是如现有技术那样沿圆周方向延伸的圆弧形连接部件，且因此可以形成一种紧凑的结构而不用在直径方向上扩大雌轴2的直径。

此外，在雄轴1的端部形成的小直径部1a贯穿过环形连接部件20。因此，当组装这三个板簧9时，雄轴1的端部的小直径部1a被插入通过环形连接部20，由此在组装时起着引导的功能，因此可使组装工作容易和通过减少装配时间以降低制造成本。

此外，环形连接部件20被设置在止动板10的平板13和阶梯形环形面21之间的轴向间隙中。该轴向间隙被设定在例如0.3mm至2.0mm的范围内。

由于这个轴向间隙的存在，即使当三个板簧9由于扭矩输入而变形，环形连接部件20也被设计为不限制板簧9的这些运动。

而且，如图3和4所示，每一个板簧9的横截面形状都采用基本上与雄轴1的轴向槽3的形状平行的直线性形状。该板簧9包括中心处的平坦底部9a、相对于平坦底部9a在横截面方向上从两端朝着其外径发散地延伸的第一倾斜侧面部9b、9b，和在第一倾斜侧面部9b、9b的最外径侧被向外折叠的且基本上与第一倾斜面部9b、9b平行延伸的第二倾斜面部9c。环形连接部件20的圆周边缘部位被连接至每一个板簧9的中心部分的平坦底部9a处。每一个板簧9的平坦底部9a被压配至槽3的平坦底部3a上，第二侧面部9c被压配至槽3的平坦侧面部3b、3b处，且第一侧板部(倾斜面部)9b、9b压迫滚珠7和滚针8抵靠着雌轴2的槽5、6的侧面。

在雄轴1的端部形成的小直径部1a穿过环形连接部件20。在雄轴1的小直径部1a和环形连接部件20之间形成直径方向的间隙。此直径方向的间隙处于例如从0.2mm至1.0mm的范围内。与轴向间隙的情况一样，由于该直径方向间隙的存在，即使当三个板簧9由于扭矩的输入产生变形，环形连接部件20也被设计为不限制这些板簧9的运动。

下一步，如图1和6所示，根据本实施例，对滚针8进行凸面加工。图6表示根据本发明的实施例的柱形部件(滚针)的侧视图。滚针8的直径在轴向上从中心部分开始朝着端部逐渐地减小。具有最大直径的部分(ΦD1)是中心部分，同时具有最小直径的部分(ΦD2)是与端面最近的部分(然而不包括与端面的角半径(R)部分)。

如图6所示，

L1：滚针的全长，

L2：经受凸面加工的轴向长度，

L3：最大直径部分的轴向长度，

ΦD1：最大直径，

ΦD2：最小直径，和

S：不同量(在半径上的最大直径和最小直径之间的差异)，

其中凸面尺寸关系是，优选地，被设定为S＝0.003mm至0.500mm和L2＝L1×0.1至L1×0.25。

此外，在现有技术中，在使滚针8滑动同时使其与雄轴1和雌轴2接触的情况下，雄轴1、滚针8和雌轴2之间的间隙尤其是轴向位置差异必须被严格地控制。

例如，如果显示雌轴2的内径从入口附近朝着内部部分逐渐地被减小的趋势，则当滚针8的端面获得强烈的接触时雄轴1将会具有一个非常大的滑动阻力。如果全部间隙被设定为很大以避免这种阻力的增加，则圆周方向的游隙将会特别大。

相比之下，如本实施例中，通过对滚针8进行凸面加工使凸面部分进入一个雌轴2的锥形部分，可以确保较长的滑动行程同时将滑动阻力抑制在低值而不引起任何圆周方向上游隙的增加。

因此，根据本实施例，对滚针8进行凸面加工且在轴向上从中心部分开始朝着端部直径逐渐减小，因此数量尽可能小的滚针8可设置在轴向槽4、6的一排中。因此，可以缩短组装时间，且滚针可以以低成本制造。

此外，对滚针8进行凸面加工，因此如以上所述可在圆周方向上减小游隙同时将滑动阻力抑制在低值。

而且，对滚针8进行凸面加工，当扭矩被加载时，从滚针8的端部开始朝着中心部分施加平缓的表面压力。因此可以避免局部表面压力，这样可以长时间保持产品的寿命。

应注意本发明不限制于以上说明的实施例且可以以各种形式变形。

如以上所说明的，根据本发明，数量尽可能小的柱形部件可被设置在一排容纳部(轴向槽)中。因此，可以缩短组装时间，且柱形部件可以以低成本制造。

而且，扭矩传递机构能够降低周向游隙，同时将滑动阻力抑制在低值。

Claims (4)

1、一种用于车辆转向的伸缩轴，其被组装在车辆的转向轴中，并包括安装成不能相互旋转但可以相互滑动的一个雄轴和一个雌轴，其特征在于：

设有至少一组在所述雄轴的外周面中和在所述雌轴的内周面中形成的容纳部，在每组容纳部中设置有扭矩传递部件，

所述扭矩传递部件是在轴向上朝着端部直径逐渐减小的柱形部件，并且，

设有另外至少一组在所述雄轴的外周面中和在所述雌轴的内周面中形成的容纳部，在每组容纳部中设置有被径向偏压的球形部件。

2、根据权利要求1所述的用于车辆转向的伸缩轴，其特征在于，所述扭矩传递部件是经受凸面加工的柱形部件。

3、根据权利要求1所述的用于车辆转向的伸缩轴，其特征在于，所述扭矩传递部件是与端部邻近的外径加工成一种锥形结构的柱形部件。

4、根据权利要求1所述的用于车辆转向的伸缩轴，其特征在于，所述柱形部件是滚针。

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