CN102616270B - 齿条式转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种齿条式转向装置(1)，包含转向装置外壳(2)、与转向轴不可旋转地连接并可旋转地安装于转向装置外壳(2)内的小齿轮(3)和可轴向位移地安装于转向装置外壳(2)内的齿条(5)，所述小齿轮(3)的开齿与所述齿条(5)的开齿啮合，小齿轮(3)可以预载顶住齿条(5)，并且齿条(5)通过线性滚动轴承安装在转向装置外壳(2)内。

Description

齿条式转向装置

技术领域

本发明涉及一种齿条式转向装置，具体说，是用于机动车的齿条式转向装置，该转向装置包含转向装置外壳、与转向轴不可旋转地连接并可旋转地安装于转向装置外壳内的小齿轮，以及可轴向位移地安装于转向装置外壳内的齿条，小齿轮的开齿与齿条的开齿啮合。

该齿条式转向装置以公知的方式用于传递方向盘的旋转运动，该方向盘例如通过转向轴不可旋转地连接至齿条式转向装置的小齿轮、齿条式转向装置的齿条，该齿条进而轴向位移并通过连接至一个或多个车轮架的转向联动装置转动一个或多个车轮。

背景技术

尤其在电力和/或液压驱动的助力转向系统中，齿条式转向装置有时要在小齿轮和齿条之间传递非常大的转矩。通常，在小齿轮和齿条之间传递的转矩随转向角度的增加而增加，即，随齿条离开中心位置向齿条的轴向末端位置轴向位移的增加而增加。在小齿轮和齿条啮合时，会产生对应于要传递的转矩的大径向力，该力可以引起小齿轮与齿条分离。另外，转向系统中的冲击负荷(shock loadings)也在小齿轮和齿条啮合时产生大的径向力。为了防止小齿轮与齿条分离，通常的做法是将齿条按压或预载紧靠在轴向和径向上刚性安装在转向装置外壳中的小齿轮上。

例如，美国6,119,540号专利公开了一种齿条式转向装置，其中，轴向和径向上刚性、但可旋转地安装在转向器转向装置外壳中的小齿轮的开齿与轴向可位移地安装转向装置外壳中的齿条的开齿啮合。齿条通过压块预载紧靠到径向刚性安装在转向装置外壳中的小齿轮上。为了达到该目的，特别地，在压块和转向装置外壳或可以通过螺钉拧入转向装置外壳的可调节支座部件之间提供两个弹簧元件，该弹簧元件按压压块以及齿条抵靠在小齿轮的开齿上。例如提供常规压缩弹簧和弹性O形环(elastomeric O-ring)作为各弹簧元件。齿条可滑动地安装在压块上。

由美国6,435,050号专利可知一种相似的齿条式转向装置，然而，其中，除了常规压块之外，齿条还通过齿条上的轴承环按压抵靠在小齿轮上。齿条同时可滑动地安装在压块上和轴承环内。该发明的目的在于减低或抑制齿条/压块连接发出噪音的趋势。

为了防止作用于小齿轮和齿条啮合的径向力造成小齿轮和齿条的分离，例如，由于冲击负荷或要传递的大的转矩，根据现有技术的压块利用弹簧元件预载紧靠到齿条式转向装置的小齿轮上相对更强。该预载使得在压块及可滑动地安装于其上的齿条之间产生相对较高的、不可忽略的摩擦力。然而，由于具有高内部摩擦力的齿条式转向装置产生不期望的不精确的转向手感，因此，齿条与压块之间的高摩擦对转向手感有不利影响，特别在转向装置处于直行或中心位置时。

发明内容

针对这样的技术背景，本发明的目的在于，提供一种齿条式转向装置，该转向装置不增加产生噪音的趋势而实质上降低内部摩擦力，并给出精确的转向手感。

通过以下所述的齿条式转向装置达到该目的。

本发明提供一种齿条式转向装置(1)，包含转向装置外壳(2)、与转向轴不可旋转地连接并可旋转地安装于转向装置外壳(2)内的小齿轮(3)和可轴向位移地安装于转向装置外壳(2)内的齿条(5)，所述小齿轮(3)的开齿与所述齿条(5)的开齿啮合，小齿轮(3)可以预载顶住齿条(5)，并且齿条(5)通过线性滚动轴承安装在转向装置外壳(2)内。

进一步地，在齿条(5)和/或转向装置外壳(2)上形成至少一个线性滚动元件导轨(18)以引导至少一个滚动元件(19)。

进一步地，小齿轮(3)可以通过至少一个弹簧元件(14)弹性地预载顶住齿条(5)。

进一步地，小齿轮(3)可以通过至少一个阻尼元件(17)支承顶住转向装置外壳(2)。

进一步地，预载力可以通过至少一个张紧装置(15)进行调节。

进一步地，通过固定轴承(10)和至少一个可移动轴承(11)以小齿轮(3)可以在径向上转动的方式安装小齿轮(3)。

进一步地，通过至少一个弹簧元件(14)使可移动轴承(11)在径向上负载弹簧。

进一步地，可移动轴承(11)通过至少一个阻尼元件(17)支承顶住转向装置外壳(2)。

应该指出，权利要求中分别限定的特征可以以任何技术上所需的方式相互结合，并表明本发明的其他构造。本说明书具体结合附图还详细阐述了本发明的特征。

根据本发明的齿条式转向装置包含转向装置外壳、与转向轴不可旋转地连接并可旋转地安装在转向装置外壳内的小齿轮以及可轴向位移地安装在转向装置外壳内的齿条。小齿轮的开齿与齿条的开齿啮合，以便将转矩从小齿轮传递到齿条，反之亦然。根据本发明的齿条式转向装置的小齿轮可预载顶住齿条，齿条安装在转向装置外壳内的线性滚动轴承上。

在本发明的含义内，“小齿轮可预载顶住齿条”应该理解为，当小齿轮安装在转向装置外壳内时，受到实质上沿小齿轮运动方向作用的力，以使小齿轮的开齿与齿条的开齿啮合。因此，预载力以这样的方式将小齿轮压向齿条：即便在啮合时有大的径向力和冲击负荷作用，也始终确保小齿轮和齿条的开齿啮合。

通常，施加在小齿轮上的预载力的作用方向取决于小齿轮和齿条的开齿的类型，特别是其相对位置。因此，预载力可以实质上仅在径向上将小齿轮预载顶住齿条，或者，预载力同样也可以至少部分地在小齿轮的轴向上作用，例如，如果小齿轮和齿条通过锥齿(bevel toothing)相互啮合。

由于根据本发明小齿轮可预载顶住齿条，因此，可以省去根据现有技术提供的压块，齿条通常可滑动地安装于该压块上，并且通常使用该压块将齿条按压紧靠在小齿轮上。这提供了根据本发明的齿条式转向装置的主要优势，即，在结构上实质上更小、更加节省空间。因此，该齿条式转向装置也可以用于如极其有限的安装空间中，如，小型车辆中。

另外，根据本发明的齿条式转向装置可以通过滚动轴承单元，尤其是线性滚动轴承单元，安装在线性滚动轴承上。与滑动轴承相比，滚动轴承的摩擦力总体上明显较低，这使得在转向装置内部实现齿条的低摩擦线性安装成为可能。这允许齿条自如轴向位移。齿条的低摩擦安装及由此形成的齿条式转向装置实质上较低的内部摩擦，导致实质上更精确的转向手感，这使得其自身感受积极正面，特别在转向装置处于直行或中心位置时。

由于根据本发明的齿条式转向装置的内部摩擦实质上减少，而无需减少将小齿轮按压紧靠齿条的预载力及小齿轮和齿条之间的接触力，因此，与根据现有技术的齿条式转向装置相比，根据本发明的齿条式转向装置发出噪音的趋势有利地并没有增强。

根据本发明的齿条式转向装置的可预载顶住齿条的小齿轮，尤其是在冲击负载的情况下，抵消在小齿轮和齿条之间啮合中产生的径向力并有效地防止小齿轮和齿条分离。因此，根据本发明的齿条式转向装置也能够在小齿轮和齿条之间可靠地传递大的转矩。

另外，可预载顶住齿条的小齿轮也具有优势地能够消除在安装小齿轮和/或齿条中出现的轴承晃动，并由此补偿组件公差。总体上，由此有效地减少或抑制根据本发明的齿条式转向装置任何发出噪音的趋势。

在本发明有优势的设置中，在齿条和/或转向装置外壳中形成至少一个滚动元件导轨。该导轨用于引导至少一个滚动元件。通过实质上在齿条上，即，在齿条体周围形成滚动元件导轨，实现根据本发明的齿条式转向装置的特别紧凑的结构。具体地，实质上在齿条周围部分形成根据本发明的齿条式转向装置的至少一个滚动元件导轨，其中，所述齿条周围部分不提供齿条的开齿，例如是齿条上的开齿的对侧。滚动元件在形成于齿条和转向装置外壳中的滚动元件导轨之间运转。

可以使用所有常规滚动元件作为用于安装齿条的滚动元件，如球形、筒形、圆柱形滚柱等。在滚动元件导轨中可以接收一个或多个滚动元件。如果在齿条上提供多个滚动元件，可以使用保持器(cage)将其罩住，确保滚动元件之间具有一定距离。

在本发明有优势的设置中，在齿条和/或转向装置外壳中形成多个滚动元件导轨。这些滚动元件导轨可以均匀地分布于齿条周围或可以特别地提供在齿条需要承载特别高的负载的位置。由于作用于齿条上的力，例如，作用于小齿轮和齿条之间啮合的径向力或由小齿轮施加到齿条上的预载力，通过多个滚动元件均匀地传递到转向装置外壳，这使得稳固地安装齿条成为可能。

在本发明尤其有优势的设置中，小齿轮通过至少一个弹簧元件可弹性地预载顶住齿条。特别地，通过弹性预载，小齿轮可以有效地吸收冲击负荷，该负荷可能导致刚性安装的小齿轮破裂。另外，小齿轮顶住齿条的弹性预载确保磨损的自动补偿。因此，可以免除小齿轮/齿条连接的手动再调节。

在本发明更有优势的设置中，小齿轮还可以通过至少一个阻尼元件，特别是弹性阻尼元件，支承顶到转向装置外壳上。特别地，阻尼元件能够减弱小齿轮由冲击负荷引起的震动，因此，特别有效地抵消由齿条式转向装置产生的噪音。

根据本发明更有优势的设置，将小齿轮按压紧靠在齿条上的预载力可以通过至少一个张力调整装置调节。该张力调整装置使独立于可能在齿条式转向装置中出现的任何组件公差和轴承晃动而对预载力进行精确调节成为可能。

在本发明其他有优势的设置中，小齿轮通过一个固定轴承和至少一个可移动轴承以小齿轮可以在径向上转动的方式安装于转向装置外壳内。固定轴承和/或可移动轴承的优选实施例分别为滑动轴承和滚动轴承。固定轴承在径向和轴向上实质上刚性地支承小齿轮。相反地，可移动轴承相对于固定轴承具有额外的自由度，因而，小齿轮例如在径向上不受可移动轴承的阻碍，并允许小齿轮在径向上运动。可移动轴承的这一额外的自由度允许小齿轮不受可移动轴承的阻碍，在径向上有足够大的运动自由度，因而，小齿轮可以在该方向上转动。因此，小齿轮可以在该方向上移动或预载，以使小齿轮的开齿与齿条的开齿更紧密地啮合。为了使小齿轮的足够大的往复运动成为可能，可以选择自对准轴承作为固定轴承。

在本发明其他的设置中，小齿轮的可移动轴承有优势地通过至少一个弹簧元件在径向上负载弹簧。因此，小齿轮可以通过负载弹簧的可移动轴承预载顶住齿条。该预载力可以通过选择合适的弹簧元件的简单方式确定，例如，具有合适的弹簧特性的螺旋弹簧或碟形弹簧。

本发明的其他设置还提出，通过至少一个阻尼元件，特别是弹力或弹性阻尼元件，将可移动轴承支承紧靠在转向装置外壳上。由此减弱由特别是由冲击负荷引起的可移动轴承和小齿轮在径向上的震动，有效地抑制噪音的产生。

附图说明

本发明的其他有优势的细节和有益效果在结合以下附图所示的示例性实施例中具体描述。

图1为根据本发明的齿条式转向装置的示例性实施例的示意性截面图。

附图标记：

1……齿条式

2……转向装置外壳

3……小齿轮

4……3的旋转轴线

5……齿条

6……3的开齿

7……5的开齿

8……3的上轴外伸部

9……3的下轴外伸部

10……上部轴承，固定轴承

11……下部轴承，可移动轴承

12……螺母

13……闭合盖

14……螺旋弹簧

15……张力调整装置

16……凹槽

17……阻尼元件

18……线性滚动元件导轨

19……滚动元件

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的齿条式转向装置1的示例性实施例包含转向装置外壳2，其中，小齿轮3绕旋转轴线4可旋转地安装，并且齿条5可轴向位移地安装。齿条5的轴向位移的方向与图1的绘图平面垂直。

如图1所示，小齿轮3具有实质上圆柱形的构造，在其外周具有与齿条5的开齿7啮合的开齿6。

小齿轮3在其轴向端部分别具有上轴外伸部和下轴外伸部8和9。上轴外伸部8不可旋转地连接至转向轴(图1中未示出)，该转向轴进而连接至方向盘(也未示出)，诸如机动车驾驶员的操作者通过该方向盘进行转向输入。在方向盘和小齿轮3之间有优势地提供伺服单元，特别是液压和/或电伺服单元(也未示出)，用以辅助操作者的转向输入。

小齿轮3和上、下轴外伸部8和9分别可旋转地安装在转向装置外壳2的上部和下部轴承10和11上。轴承10和11宜为滑动和/或滚动轴承的形式，上部轴承10为固定轴承，下部轴承11为可移动轴承。不考虑轴承晃动的话，固定轴承10在径向和轴向上实质上刚性地支承小齿轮3，或上轴外伸部8，而可移动轴承11只在轴向上支承下轴外伸部9。

从图1可以明显看出，下轴外伸部9利用螺母12以其轴向末端固定在可移动轴承11下方。为了组装的目的，通过可被闭合盖13关闭的开口可以在转向装置外壳2的下部区域接近螺母12。闭合盖13例如可以旋入或拧入转向装置外壳2。

可移动轴承11在转向装置外壳2内至少在径向上具有一定的运动自由度。该运动自由度例如通过转向装置外壳2内提供的相应的狭缝预设，可移动轴承11可位移地接收在该狭缝中。在图1所示的示例性实施例中，狭缝的纵向轴线有利地设置在绘图平面内，并与旋转轴线4垂直，这样，小齿轮3就可以在转向装置外壳2内朝向齿条5的方向转动，即，沿径向转动。为了稳定的横向安装，在横向上，即与绘图平面垂直方向上，例如可以由狭缝的侧壁引导可移动轴承11。固定轴承10也可以是自动对准轴承的形式，以便使小齿轮3能够做足够大的往复运动。

如图1所示，通过螺旋弹簧14使可移动轴承11在径向上负载弹簧，即，在不受可移动轴承11阻碍的方向上负载弹簧。螺旋弹簧14为弹性弹簧元件。当然，只要适于在不受轴承11阻碍的径向上预载可移动轴承11，螺旋弹簧14也可以由任何其他弹性弹簧元件代替。

在远离可移动轴承11的一端，螺旋弹簧14顶住转向装置外壳2或顶住与转向装置外壳2连接的张力调整装置15。在图1所示的示例性实施例中，可以将张力调整装置15拧入转向装置外壳2，由此，螺旋弹簧14压紧可移动轴承11的弹簧力可以通过张力调整装置15进行简单调节。如图1所示，由于可以将张力调整装置15拧入转向装置外壳2，并且其可以从外部接近，因此，即便例如当齿条式转向装置1安装在机动车上，也无需大量的复杂性和花费，即可对弹簧力或预载力进行调节。

通过预载弹簧的可移动轴承11，可以将小齿轮3预载顶住齿条5，使得小齿轮3上的开齿6与齿条5上的开齿7之间啮合得更牢固。图1表示小齿轮3处于被预载顶住齿条5的状态。可以看出，在该状态下，可移动轴承11在齿条一侧并不在径向上顶住转向装置外壳2。在该位置处，转向装置外壳2具有例如凹槽16，或者接收可移动轴承11的狭缝的尺寸可以制成：在预载状态下，可移动轴承11在齿条一侧径向上不与转向装置外壳接触。从而确保预载力不以不期望的方式因顶靠转向装置外壳而受到限制，而是可以自由调节。另外，以此方式为可移动轴承11和小齿轮3在径向上提供足够的运动自由度，因此小齿轮/齿条连接中可能出现的磨损通过负载弹簧的可移动轴承11自动补偿。

也可以在凹槽16中有利地填充阻尼元件17，特别是弹力或弹性阻尼元件，由此，可移动轴承11及小齿轮3可以通过阻尼元件17顶住转向装置外壳2。这为有效地抑制由例如冲击负荷引起的小齿轮3的震动及因此特别是由齿条式转向装置1产生的噪音提供相当优势。另外，可移动轴承11的整个容腔，例如狭缝的内表面，也可以衬有阻尼元件17，以便同样减弱小齿轮3的横向运动。

由图1可以看出，齿条5通过在齿条体实质上与开齿7相对的一侧的线性滚动轴承安装在转向装置外壳2上。在根据本发明的齿条式1中，可以省略在现有技术中用于将齿条预载顶住在小齿轮的压块，由此根据本发明的齿条式转向装置1具有特别紧凑并节省空间的结构。

由图1可以看出，不同于现有技术所使用的压块，线性滚动元件导轨18形成于齿条5或齿条体中。在滚动元件导轨18中引导至少一个滚动元件19，例如，球形、筒形、圆柱形及其他滚动元件。当齿条5轴向位移时，滚动元件19在齿条5和转向装置外壳2之间运转。对于同样的预载力，与通常用于现有技术的压块上的齿条的滑动轴承相比，在此情况下产生的滚动摩擦相对较小。因此，根据本发明的齿条式转向装置1提供实质上更精确的转向手感。

不言而喻，根据本发明的齿条式转向装置不限于描述的示例性实施例及附图所示。因此，对于图1所示的示例性实施例，可选地，可在齿条5上形成多个滚动元件导轨18，例如围绕齿条5周围，每条滚动元件导轨18分别接收并引导至少一个滚动元件19。这样就确保了作用于小齿轮/齿条连接的力和该力向转向装置外壳2的传递的分配得更均匀。

同样可以在转向装置外壳2上或同时在齿条5和转向装置外壳2上部分形成滚动元件导轨18。

另外，当然，还可以在一个导轨18中提供多个滚动元件19。在该情况下，滚动元件19最好由保持器(cage)罩住，以保持滚动元件19相互具有一定距离。

另外，也可以通过小齿轮3的偏心安装实现小齿轮3预载顶住齿条5。

在优选设置中，根据本发明的齿条式转向装置用于具有电力和/或液压驱动的助力转向系统的机动车辆中。

Claims (8)

1.一种齿条式转向装置(1)，包含转向装置外壳(2)、与转向轴不可旋转地连接并可旋转地安装于转向装置外壳(2)内的小齿轮(3)和可轴向位移地安装于转向装置外壳(2)内的齿条(5)，所述小齿轮(3)的开齿与所述齿条(5)的开齿啮合，其特征在于，小齿轮(3)可以预载顶住齿条(5)，并且齿条(5)通过线性滚动轴承安装在转向装置外壳(2)内，在齿条(5)和/或转向装置外壳(2)上形成至少一个线性滚动元件导轨(18)以引导至少一个滚动元件(19)。

2.根据权利要求1所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，小齿轮(3)可以通过至少一个弹簧元件(14)弹性地预载顶住齿条(5)。

3.根据权利要求1或2所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，小齿轮(3)可以通过至少一个阻尼元件(17)支承顶住转向装置外壳(2)。

4.根据权利要求1或2所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，预载力可以通过至少一个张紧装置(15)进行调节。

5.根据权利要求1或2所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，通过固定轴承(10)和至少一个可移动轴承(11)以小齿轮(3)可以在径向上转动的方式安装小齿轮(3)。

6.根据权利要求5所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，通过至少一个弹簧元件(14)使可移动轴承(11)在径向上负载弹簧。

7.根据权利要求5所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，可移动轴承(11)通过至少一个阻尼元件(17)支承顶住转向装置外壳(2)。

8.根据权利要求6所述的齿条式转向装置(1)，其特征在于，可移动轴承(11)通过至少一个阻尼元件(17)支承顶住转向装置外壳(2)。