CN104110478B - 蜗轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜗轮传动装置（1），包括与蜗轮（3）啮合的蜗杆（2），蜗杆（2）可通过传动轴（9）驱动。本发明提出可偏转的挠性轴（10）设置在传动轴（9）中，径向间隙（11）至少部分地在传动轴（9）和挠性轴（10）之间形成。

Description

蜗轮传动装置

技术领域

本发明涉及一种蜗轮传动装置，其包括与蜗轮啮合的蜗杆，蜗杆可通过传动轴驱动。

背景技术

通用类型的蜗轮传动装置被用在，例如，机动车辆的电子机械动力转向系统中，其减小为了在固定转向中、在机动操纵中或在低速驾驶时操作机动车辆方向盘所需要的力。在此，当转向时，动力转向装置通过使用电动机以增加驾驶员所施加的转向力，或者通过使用电动机以叠加转向角来辅助驾驶员。这样做时，电动机叠加通用的伺服辅助至通过驾驶员的机械转向运动。电子机械转向系统的各种配置是已知的，主要的区别是伺服设备（电动机，控制模块）的定位和减速齿轮的设计。在此，可得出称为转向柱式电动动力转向系统（Column EPS(C-EPS)）和小齿轮式电动动力转向系统（Pinion EPS(P-EPS)）之间的基本区别，驾驶员的机械转向运动在两种配置中均经由蜗杆、通过可操作地连接至方向盘的蜗轮被传送到电动机。在此，蜗轮和蜗杆形成一个设备，其被称为蜗轮传动装置。

为了允许补偿蜗轮传动装置的操作力，并因此减少噪音，即为了阻止可听到的振荡或那些可感觉为机动车辆的乘客车厢中的振动，其概括为车辆的“噪音、振动及声振粗糙度”，并缩写为“NVH”，优选蜗杆由金属制成，而蜗轮由塑料组成。这导致接下来的缺点，所述缺点源于蜗轮磨损的速度比蜗杆磨损的速度更快的事实，所以在蜗轮传动装置的使用期限中，在蜗杆中的蜗轮齿的啮合接合改变，其意味着齿间隙增加。其导致碰击声和振动噪音出现。此外，在蜗轮传动装置中使用与金属部件结合的塑料部件的缺点是，由于不同的材料的膨胀系数、吸水性系数对蜗杆和蜗轮具有不同的影响，相对空气湿度的波动和温度波动不能被补偿。这也导致碰击声和振动噪音以及蜗轮传动装置的卡住。这被用于蜗轮的塑料为强化塑料的事实所复杂化，其在大的温度波动下经受较大程度的膨胀。在这种情况下，塑料的膨胀可导致蜗轮传动装置的扭曲。对于增强塑料，这自然也适用空气湿度的吸收，即从空气中吸收水分，以及所导致的塑料膨胀。

为了允许大的制造设计公差以及在蜗轮传动装置尺寸上的变化，因此目标是低的弹簧常量或弹簧力。但是，这与所期望的蜗轮传动装置的性能、即实现持续良好的NVH性能不一致，也就是说，具体地，为了避免在由方向盘给予并作用于蜗轮的力矩以及作用在蜗杆上的径向力作用下，蜗轮和蜗杆不能利索地相互啮合时，可能出现在蜗轮和蜗杆之间的齿接合区域的碰击噪音。为此原因，在该区域需要高弹簧力，所述区域也被称为齿接合区域。为了满足这些要求，蜗轮传动装置是已知的，其耦接于电动机并且其中，蜗杆经由联接器连接至支持电动机转子的传动轴。还有许多用于使蜗轮和蜗杆进入预紧接合的建议。例如，预紧由径向作用的弹簧提供，其作用于蜗轮传动装置的齿接合区域、即其用来调节齿间隙，以确保蜗轮在蜗杆中的齿接合无间隙。已知蜗轮传动装置的一个缺点是电动机的力矩必须经由传动轴传递至蜗杆。对此，缺点是传动轴和蜗杆之间的制造设计公差必须被补偿。已知蜗轮传动装置的另一个缺点是在蜗轮传动装置外部需要额外的空间，以容纳用于使蜗杆预紧抵靠于蜗轮的弹簧或其他元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种蜗轮传动装置，其允许使用不同材料的大的制造设计公差，以及不同材料在尺寸上的变化，其更为稳定，足以防止碰击的噪音，并且其可通过简单且节省空间的结构实现。

该目的通过本发明提供的蜗轮传动装置实现。

应当指出在下述说明书中所引用的单个特征可以任何技术上适合的方式彼此结合，并且可给出本发明的其他实施例。说明书还联系附图表征和详细说明本发明。

根据本发明，蜗轮传动装置包括与蜗轮啮合的蜗杆，蜗杆优选通过至少一个后轴承和至少一个前轴承支承在外壳中。蜗杆与传动轴接触，所述传动轴可通过例如电动机驱动。挠性轴设置在传动轴内，径向间隙至少部分地设置在传动轴和挠性轴之间。在一个示例性实施例中，挠性轴包括支承在外壳的轴承中的轴承部。在另一示例性实施例中，挠性轴实际上是蜗杆，轴承部与蜗轮啮合。在两个示例性实施例中，至少可实现两种不同的弹簧常量。

在一个优选的实施例中，蜗轮传动装置通过用于生成力矩的电动机的转子连接。在此电动机优选体现为异步电动机，其包括可旋转的转子和固定的线圈，力矩由控制和开关元件通过外部限定的旋转磁场生成。转子适合设计为鼠笼式转子，或短路式转子，并与蜗杆、即与传动轴一起设置在共用的外壳中。因为这种电动机不需要任何永磁体，如果在电气或电子部分——例如机动车辆的转向装置——中发生故障，当转子旋转时没有影响或限制转子的旋转运动的磁场生成。这用来确保，例如从方向盘至机动车辆的转向车轮的动力传输在故障的情况下不受到不利的影响。自然地，其他已知的电动机概念可被用于根据本发明的蜗轮传动装置，例如用作同步电动机的三相电动机。其可以是单相或多相同步电动机，其中，持续磁化转子由在周围的定子中运动的旋转磁场同步驱动。此外，在简单的系统中，直流电动机也可被用作用于驱动蜗杆的电动机。

在车辆的动力转向装置的情况下，由电动机生成的力矩经由包括蜗杆和蜗轮的蜗轮传动装置传输至耦接于蜗轮的转向轴。动力转向系统的该实施例用来叠加力矩，也可用于叠加转向角。通过支承在外壳中的转子，电动机因此驱动与支承在传输外壳中的蜗轮啮合的蜗杆。然后，蜗轮的旋转运动被用于施加力矩，以驱动转向装置或提供辅助力矩，所述辅助力矩用于减小驾驶员必须施加在方向盘上的手动力（力矩叠加）。但是，同样可能并特别优选地，也利用动力转向装置，以通过蜗轮传动装置改变在方向盘和机动车辆的转向车轮之间的转向传动比，例如根据机动车辆的驾驶速度（转向角度叠加）。

在电动机辅助的升降、打开和关闭系统中使用根据本发明的蜗轮传动装置自然也是可行的。例如，所述电动机辅助的升降、打开和关闭系统可以是用于打开或关闭卷帘、车库或庭院大门的系统。例如，根据本发明的蜗轮传动装置也可优选用在电动车窗升降器的驱动中，所述电动车窗升降器安装在机动车辆中，用于打开和关闭车辆侧面车窗，或者也用在电动滑动顶蓬的驱动中，特别是在机动车辆的电动滑动顶蓬中。此外，根据本发明的蜗轮传动装置也适合用于打印机或组合的复印、传真和打印机。

附图说明

参考附图中所示的示例性实施例对本发明进行下述更详细的说明，附图中：

图1示出在电动动力转向装置中的根据本发明的蜗轮传动装置的横向截面图；

图2示出根据本发明的蜗轮传动装置的另一实施例的横向截面图，以及

图3示出表示挠性轴和蜗杆的偏转力的曲线图。

附图标记列表

1、蜗轮传动装置

2、蜗杆

3、蜗轮

4、后轴承

5、前轴承

6、外壳

7、转子

8、电动机

9、传动轴

10、挠性轴

11、径向间隙

12、凹槽

13、10的中部

14、12的内壁

15、10的固定部

16、10的轴承部

17、弹性元件

18、X/Y-轴交叉处

19、X-轴上的点，其指示挠性轴的最大偏转力（标记刚度突然变化的点）

20、挠性轴的偏转力

21、蜗杆的偏转力

22、外部

ΔL 偏移

F 力

具体实施方式

在不同的附图中，相同部分总是具有相同的附图标记，因此其通常仅说明一次。

图1示出根据本发明的蜗轮传动装置1的横向截面图，其包括蜗杆2和蜗轮3，蜗杆2以径向力F_r与蜗轮3在未进一步示出的齿接合区域啮合。为了可旋转的支承，蜗杆2由外壳6内的后轴承4和前轴承5支承。转子7设置在外壳6内，所述转子7为电动机8的一部分且驱动蜗杆2。蜗杆2在轴承4和5之间延伸的部分被称为传动轴或马达轴9，其或者是蜗杆2的整体部件，即与蜗杆2整体形成，或者是例如经由耦接元件（未示出）连接至蜗杆2。因此，在下文中，可靠在轴承4和/或5上且在轴承4和5之间延伸的蜗杆2的区域被称为传动轴9。挠性轴10设置在传动轴9中，例如在后轴承4的区域，径向间隙11在挠性轴10和传动轴9之间至少部分地形成。

挠性轴10设置在传动轴9的凹槽12中。在这种情况下，凹槽12为传动轴9中的钻孔。但是，凹槽12也以是，例如，铣削在传动轴9中。凹槽12还可以是空心的圆柱体凹槽，其在制造蜗杆2时已经提供在传动轴9中。这就是说在制造蜗杆2时，空心的圆柱体凹槽已在传动轴9中形成空洞。挠性轴也可设置在蜗杆的凹槽中。

挠性轴10包括轴承部16、中部13和固定部15。轴承部16具有比固定部15大的直径，固定部15具有比中部13大的直径。

中部13具有外径，其使径向间隙11形成在挠性轴10和传动轴9中的凹槽12的内径之间。在此，挠性轴10、即中部13，以及蜗杆2、即传动轴9之间的径向间隙11，允许挠性轴10在径向间隙11的区域内的偏转，即直到挠性轴10支承于传动轴9、实际上支承于容纳挠性轴10的凹槽12的内壁14上的点（图3中的点19）。直到该点（图3中的点19），施加在蜗轮传动装置1上的弹簧力是低的。当挠性轴10在一点或短线上支承于传动轴9，即在凹槽12的内壁14上，挠性轴10不能再有进一步的偏转。然后，从该点（图3中的点19）向前，施加在蜗轮传动装置1上的弹簧力或偏转力随着蜗杆2的偏转不成比例地增加。因此在这方面，不同的弹簧常量占优，其将在下文进一步研究。

在图1所示的根据本发明的蜗轮传动装置1中，挠性轴10经由固定部15连接至传动轴9。在固定部15的区域中，凹槽12的最大尺寸小于挠性轴10的最小尺寸，产生一定程度的过盈，并导致当挠性轴利用其固定部插入，优选为压入凹槽12内时的过盈配合或压入配合。纵向和横向力可因此在挠性轴10和传动轴9之间没有损耗地传输。自然地，挠性轴10也可以通过摩擦、粘结材料，或例如通过齿轮联轴器、楔形接头、舌榫接头的刚性联锁连接，通过螺栓、键或铆钉连接或通过黏附粘接、钎焊或焊接连接的接头配合在其他部位至少部分连接至蜗杆2。省去压入配合也是可行地，其中挠性轴和蜗杆将整体形成，中部和径向间隙由合适的工具生产。

在装配状态下，挠性轴10凸出在凹槽12外，中部13的一部分，其也可被称为外部22越过凹槽的出口凸出。邻接外部22的是轴承部16，其优选具有与传动轴9的外径相同的外径。如图1所示，挠性轴10通过轴承部16——例如在后轴承4上——可旋转地支承在外壳6内。因此，传动轴9首先在前轴承5中并经由挠性轴10在后轴承4中可旋转地支承。如上所述，传动轴9与蜗杆2接触。轴承部16和传动轴9的优选为相同的外径意味着根据本发明的蜗轮传动装置1能够替换已安装的蜗轮传动装置，不需要改变轴承4和5，即不需要变动外壳6，并因此很容易地可适合于不仅是原装设备也适合改装。但是，对于弹簧元件10的轴承部16，具有与传动轴9的外径不相同的外径，即外径更小或更大也是自然可行的。在这种情况下，轴承部16的外径或传动轴的外径可以例如，通过在轴承4或5的内径上的推承套调整，或者已安装在外壳内的轴承4或5可由与轴承部16的外径或与传动轴的外径相配的轴承所替换。

如上所述，蜗杆2支承在前轴承5内，所述蜗杆2在此也形成传动轴9。在后轴承4和前轴承5之间的区域内，蜗杆2相应地包括至少两个零件，一部分，在这种情况下为挠性轴10，被引入凹槽12，以便中部13中的挠性轴10通过径向间隙11从凹槽12的内径分离。以这种方式生产的设备首先被支承在后轴承4（挠性轴10的轴承部16）和前轴承5中。与图1所示的示例性实施例相反，对于挠性轴10也设置为可旋转地支承在前轴承5上自然也是可行的。那么这意味着传动轴9中的凹槽12应当也形成在前轴承5的区域内。术语“前轴承”和“后轴承”仅涉及在附图平面内的右手侧（前）和左手侧（后）。

仍如图1所示，为了防止在传动轴9和挠性轴10之间的过重接触，弹性元件17被设置在挠性轴10和传动轴9之间，所述弹性元件17在挠性轴10的中部13的后部区域中。在优选的实施例中，弹性元件17设置为在外部22上，邻接轴承部16的端面，并且优选延伸进入径向间隙11，以便在该部分的径向间隙11优选地被弹性元件17填充，弹性元件17事实上形成阻尼元件17。弹性元件17的作用在此是为了防止挠性轴10针对传动轴9的过重接触，例如，为了排除任何在挠性轴10和蜗杆2、即传动轴9之间的自锁。此外，弹性元件17用来平滑化或阻尼图3中的点19所表示的刚度的突然变化。自然地，在纵轴方向上在中部13分布的多个弹性元件17也可被设置在中部13上或其周围。弹性元件17优选为橡胶弹性元件17，其可以是环、管或二维元件，例如，其至少部分在径向方向并且至少部分在其纵向方向围绕挠性轴10、即中部13。自然地，其也可优选使用环绕挠性轴10的弹性元件17，也就是说，所述弹性元件17径向上完全围绕挠性轴10、即中部13，例如以橡胶弹性圈的形式，以排除可导致自锁的、传动轴9和的挠性轴10之间在挠性轴10的中部13的整个径向圆周上的过度的摩擦接触。

图2示出根据本发明的蜗轮传动装置1的另一优选实施例的横向截面图。蜗轮传动装置1包括蜗杆2和蜗轮3，蜗杆2与蜗轮3在齿接合区域（未进一步示出）以径向力F_r啮合。蜗杆2与传动轴9接触，传动轴9支承在轴承4和5中。在图2所示的示例性实施例中，蜗杆2由挠性轴10形成。如上所述，挠性轴10包括固定部15、中部13和轴承部16，但是轴承部16与蜗轮3啮合。挠性轴10设置在传动轴9的凹槽12中，所述传动轴9设置在外壳6内、可旋转地支承在前轴承5和后轴承4内。挠性轴10经由固定部15连接至传动轴9，并且如对图1所说明的，轴承部16凸出在凹槽12外面。如从图1所示的根据本发明的蜗轮传动装置1的示例性实施例所已知的，在固定部15的区域内的凹槽12的最大尺寸小于挠性轴10的最小尺寸，造成一定程度的过盈并导致过盈配合或压入配合。使用图2所示的蜗轮传动装置1，纵向和横向力也可因此在挠性轴10和传动轴9之间没有损耗地传输。自然地，挠性轴10也可以通过摩擦、粘结材料，或例如通过齿轮联轴器、楔形接头、舌榫接头的刚性联锁连接，通过螺栓、键或铆钉连接或通过黏附粘接、钎焊或焊接连接的接头配合至少部分连接至传动轴9的其他部位。如上述已提到的，使用上述措施，省去压入配合将是可能的。

如图2所示，邻接于固定部15的挠性轴10的中部13被设计为，径向间隙11至少部分地在挠性轴10和传动轴9之间形成，所述径向间隙11允许挠性轴10在径向间隙11的区域内偏转，即直到挠性轴10支承于传动轴9、实际上支承于容纳挠性轴10的凹槽12的内壁14上的点（图3中的点19）。直到该点（图3中的点19），施加在蜗轮传动装置1上的弹簧力是低的。当挠性轴10在一点或短线上支承于传动轴9、即在凹槽12的内壁14上，挠性轴10不能再有其他的偏转。然后，从该点（图3中的点19）向前，施加在蜗轮传动装置1上的弹簧力或偏转力随着蜗杆2、即挠性轴10的偏转不成比例地增加。

为了防止挠性轴10对传动轴9过重接触，弹性元件17被设置在传动轴9的前轴承区域5中的挠性轴10的中部13和传动轴9之间，以便排除挠性轴10和传动轴9之间的自锁。此外，在此，弹性元件17也用来平滑化或阻尼图3中的点19所表示的刚度的突然变化。自然地，在挠性轴10的纵轴方向分布的多个弹性元件17也可被设置在挠性轴10上或周围。弹性元件17优选为橡胶弹性元件17，其可以是环、管或二维元件，其至少部分在径向方向并且至少部分在其纵向范围围绕挠性轴10。自然地，在此其也可优选使用环绕挠性轴10的弹性元件17，也就是说，其径向上完全围绕挠性轴10，例如以橡胶弹性圈的形式，以排除可导致自锁的、在传动轴9和挠性轴10之间在挠性轴10的中部13的整个径向圆周上的过度的摩擦接触。因此，在此方面，该示例性实施例还具有至少两种不同的弹簧常量。

在图1的示例性实施例中，传动轴9为蜗杆2的整体部件。挠性轴10容纳在传动轴9中，以便轴承支承首先由轴承5、其次由轴承4提供。挠性轴10或者由其轴承部16支承在轴承4中，在这种情况下，传动轴9支承在轴承5中；或者挠性轴10由其轴承部16支承在轴承5内。那么，传动轴9将被支承在轴承4中。挠性轴10设置为整体上在外壳6内，并且事实上形成传动轴9的整体部件，但是，所述挠性轴优选被视为独立于传动轴9的零件。蜗轮传动装置1因此具有两个弹簧常量。在根据图2的示例性实施例中，还实现了具有两个弹簧常量的蜗轮传动装置1。在根据图2的该示例性实施例中，传动轴9支承在两个轴承4和5中，蜗杆2设计为与挠性轴10相对应，并通过其固定部15被压入传动轴的凹槽12内，以便轴承部16与蜗轮3啮合。为此，传动轴9在轴承4及5处支承在外壳6内，挠性轴10具体化为凸出外壳6的蜗杆2。在图2的示例性实施例中，对于与蜗轮3啮合的轴承部16，具有与传动轴9的外径不同的外径也同样是可能的。具体地，轴承部16可根据蜗轮3的需求调整，并且也可以是大于、小于或等于传动轴9的外径的大小。

图3示出用来表示相当于偏转力20和21的弹簧力的曲线图。为此，两个不同的弹簧常量被示出。在力作用的方向中的长度的偏移或变化（ΔL）的测量点在X-轴上表示。在Y-轴上是必须被施加以偏转挠性轴10的力（F）的测量点，其给出挠性轴10和传动轴9的偏转力20和21以及弹簧力。在代表X和Y轴的交叉的第一点18和在X轴上的第二点19之间，按照为偏转它们所必须被施加的力绘制出用于偏转挠性轴10的测量值，其给出用于挠性轴10的偏转力20。点18和19之间的距离在此对应于中部13和传动轴9之间的径向间隙11的径向间隙值，也就是说，挠性轴10的偏转力20根据径向间隙11的径向间隙值限定。从标记为在刚度上的突然变化的点19，中部13支承于传动轴9，且偏转被限制。然后，从点19向前，弹簧力、即必须被施加用于偏转蜗杆2的力（偏转力21）不成比例地增加。归因于在蜗轮3和蜗杆2之间的齿接合区域的力矩所出现的——例如通过方向盘经由蜗轮3被给予蜗杆2的——径向力F_r可因此被成功地补偿。另一方面，如图3中所示的位于点18和19之间的用于偏转挠性轴10的相对大的力（偏转力20）甚至允许在蜗轮传动装置1中的大的制造设计公差，并且因此在其使用寿命期限中所遭受的磨损，与归因于环境因素的不同的材料膨胀一起被成功地补偿。

Claims (8)

1.一种蜗轮传动装置，包括与蜗轮（3）啮合的蜗杆（2），蜗杆（2）可通过传动轴（9）驱动，

其特征在于，

可偏转的挠性轴（10）设置在传动轴（9）的凹槽（12）中，径向间隙（11）至少部分地在传动轴（9）和挠性轴（10）之间形成；

所述挠性轴（10）包括将所述挠性轴（10）连接至所述传动轴（9）的固定部（15）、通过所述径向间隙（11）与所述传动轴间隔的中部（13）以及设置在所述传动轴（9）外面的轴承部（16）；

所述径向间隙（11）允许所述挠性轴（10）在其区域内偏转，直到所述挠性轴（10）支承于所述传动轴（9）。

2.根据权利要求1所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

径向间隙（11）在挠性轴（10）的中部（13）和传动轴（9）的凹槽（12）的内壁（14）之间形成。

3.根据权利要求1所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

挠性轴（10）的固定部（15）压入传动轴（9）的凹槽（12），挠性轴（10）的轴承部（16）伸出凹槽（12）外，轴承部（16）支承在后轴承（4）内或者支承在前轴承（5）内，或者与蜗轮（3）啮合。

4.根据权利要求3所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

挠性轴（10）的轴承部（16）具有与传动轴（9）的外径相同的外径。

5.根据权利要求1所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

至少一个弹性元件（17）设置在挠性轴（10）的中部（13）上。

6.根据权利要求1所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

通过挠性轴（10）和/或蜗杆（2）的偏转，蜗轮传动装置（1）可受到不同的弹簧力（F）。

7.根据权利要求3所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

传动轴（9）与蜗杆（2）整体地形成，挠性轴（10）的轴承部（16）设置在外壳（6）内，并被支承在前轴承或后轴承内，传动轴（9）在两种情况下均支承在另一个轴承中。

8.根据权利要求3所述的蜗轮传动装置，

其特征在于，

传动轴（9）整体上支承在外壳（6）内，作为蜗杆（2）的挠性轴（10）的固定部（15）容纳在凹槽（12）内，作为蜗杆（2）的挠性轴（10）的轴承部（16）凸出外壳（6）外，并且轴承部（16）与蜗轮（3）啮合。