CN104321239A - 转向机构 - Google Patents

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Abstract

一种转向机构,包括齿轮(2)、与该齿轮啮合的小齿轮(3)和包含小齿轮(3)的小齿轮轴，该小齿轮轴绕一横向于小齿轮轴的纵轴线(16)的偏转轴(6)可偏转地支承；其特征在于，偏转轴(6)到齿轮(2)和小齿轮的齿啮合部位(15)的径向间距小于小齿轮(3)的芯半径。

Description

转向机构
技术领域
本发明涉及一种转向机构和特别是一种用于汽车的助力转向系统的转向机构。
背景技术
在通常的汽车中安装助力转向系统，其在转向时产生辅助转矩并因此减小由司机施加到转向柱上的转向力矩。
这种已知的助力转向系统基于一转向机构，其转换液压的或电动的驱动装置的传动功率并且传到转向柱上。这样的转向机构经常构成为螺旋辊传动机构的形式并且特别是构成为螺旋齿轮传动机构或蜗轮蜗杆传动机构、亦即它们包括一个齿轮(其直接或间接地连接于转向杆)和一经由驱动装置被小齿轮轴驱动的小齿轮。
成问题的是在这样的转向机构中出现的齿轮啮合间隙，其由于各构件公差、各传动元件的不同的热膨胀和由于磨损构成。特别是在所谓交替转向时、亦即在直接依次相继的包括交替的转向角的转向时，这样的齿轮啮合间隙产生不符合要求的嗓声，其由小齿轮和齿轮的轮齿的各对置的齿侧面的交替的贴紧产生。
已知这样消除齿轮啮合间隙，即小齿轮轴可绕一垂直于小齿轮轴的纵轴线的且以一个到小齿轮和齿轮的齿啮合部位的间距延伸的轴线可偏转地支承而且借助一个或多个弹簧元件被压向齿轮。将小齿轮轴的可偏转性集成于两个轴承之一中，小齿轮轴在末端侧经由各轴承支承。该轴承也称为“固定轴承”。轴承在另一端的区域内则制成有间隙(所谓“浮动轴承”)，以便能够实现通过转动运动引起的偏转。通常固定轴承设置在驱动侧，而将浮动轴承设置在小齿轮轴的自由端上。用于向齿轮压紧小齿轮的弹簧元件或各弹簧元件经常集成在浮动轴承中。
例如由WO 2011/073089 A1已知一种相应的同一类的转向系统。在那里设定，在固定轴承的区域内接纳小齿轮轴的滚动轴承在外侧支承于转动环中。转动环包括内环(该内环在相当大程度上无间隙地接纳滚动轴承)和外环，该外号在相当大程度上无间隙地固定于转向机构的壳体的孔中，其中外环和内环经由多个窄的接条相连接，它们在外环相对内环的旋转时被扭绞。
其它的用于构成可转动的固定轴承的方案设定，滚动轴承在外侧可转动地支承于滑动轴承中或在内侧可转动地支承于静止套筒中，或简单地一滚动轴承设有如此大的间隙，而使要求的可偏转性是可能的。
在各已知的方案中在结构上引起转动轴与固定轴承的中轴线或小齿轮轴的纵轴线相交。
在由现有技术已知的用于实现小齿轮和齿轮的啮合的无间隙性的各支承方案中不利的是，在转向柱的左转或右转时可感受到不同的转向性能。
发明内容
从该现有技术出发，本发明的目的在于，为汽车的助力转向系统提供一种改进的转向机构。特别是拟提供一种转向机构，其不具有或至少只在减少的程度上具有由描述的现有技术已知的在转向柱的左转或右转时不同的转向性能。
通过独立权利要求的目标达到该目的，有利的实施形式是各从属权利要求的内容并且由本发明的以下描述得出。
本发明基于这样的认识，即在已知的具有齿轮啮合间隙补偿的转向机构中由于绕固定轴承的偏转轴的相反定向的各力矩产生不同的转向性能，这些力矩在转向柱的左转或右转和助力转向系统的驱动装置的相应的辅助旋转时产生。这些不同的力矩由在左转或右转时相反指向的啮合力结合杠杆臂产生，该杠杆臂由啮合力的作用线到偏转轴的间距得出。绕偏转轴的相反的各反应力矩在一个方向上引起力的增大(借助于该力将小齿轮压向齿轮)并且因此引起转向机构的增大的摩擦力矩，并且在相反的方向上引起转向机构的相应减小的摩擦力矩。
因此本发明基于这样的构想，即尽可能消除、然而至少减小这些相反作用的力矩。这如此实现，即，将在啮合力的作用线与偏转轴之间的径向间距构成尽可能小的并且优选直至减到(基本上)为零。该间距的减小(优选直到零)也引起各摩擦力矩的减小(消除)。由此可以减小或完全避免由现有技术已知的在左转或右转时不同的转向性能。
一种同类型的转向机构(其包括齿轮、与齿轮啮合的小齿轮和包含小齿轮的小齿轮轴，该小齿轮轴能够绕一横向于小齿轮轴的纵轴线的偏转轴偏转)据此按照本发明这样进一步构成，即在偏转轴与齿啮合部位之间的径向间距(参照小齿轮轴或齿轮)是尽可能小的，但至少小于小齿轮的芯半径(亦即在小齿轮轴的纵轴线与小齿轮的齿根之间的径向间距)。
特别优选该间距基本上为零，借此可以完全避免产生引起不同的转向性能的各反应力矩。
按照本发明“齿啮合部位”理解为在小齿轮和齿轮的节圆或滚动圆的接触点中的切向平面。
在按照本发明的转向机构的一个优选的实施形式中可以设定，将偏转轴设置在小齿轮轴的一个轴承中，该轴承定位在一个端部的区域内并优选定位在驱动侧的端部(亦即小齿轮轴的用于与驱动装置、例如电机连接的端部)的区域内。为此可以设置(第一)套筒，该套筒具有(至少)一个(优选环形的)外件和(至少)一个(优选环形的)内件，该内件设置在外件之内，其中外件和内件为了构成偏转轴而经由至少一个允许外件相对于内件的相对旋转的接条相连接。为此接条可以优选构成为可变形的且特别是可弹性变形的，从而接条具有扭转弹簧杆的作用。由此可以按简单的方式不仅在(第一)套筒中实现偏转轴，而且附加地也可以产生弹性恢复力，经由该弹性恢复力能够实现小齿轮向齿轮的压紧，从而实现齿轮啮合间隙补偿。为此优选设定，(集成在转向机构的壳体中的套筒的)接条是扭绞的。
特别是齿轮和小齿轮的磨损对齿轮啮合间隙具有负面的效果、亦即齿轮啮合间隙倾向于在转向机构的寿命时间内变得较大。反过来，这要求在寿命时间内加强作用的齿轮啮合间隙补偿。这又要求，在一新的转向机构中应该相对较大地选择促成齿轮啮合间隙补偿的弹簧元件的弹性偏转和因此预紧。在按照本发明的转向机构的优选的实施形式中，其中经由一个或多个起扭转弹簧杆作用的接条实现预紧，因此应该设定，套筒的外件相对于内件以足够的程度扭转且该扭转在预期的最大的齿轮啮合间隙时尽可能不减到零。为此优选设定，小齿轮轴的纵轴线在转向机构的新状态下与啮合平面形成一个确定的偏转角。
为了达到这一点可以设定，用于固定轴承在转向机构的壳体中的容纳部相对于齿轮如此定位，使得在未磨损的齿轮和小齿轮时在几何上得出该偏转角。但优选可以设定，经由(第一)套筒的外件和内件的非同心的位置实现小齿轮轴的纵轴线在固定轴承的区域内与齿轮的中轴线的径向错位，由该径向错位产生所述确定的偏转角。由此当小齿轮轴(优选地)在其两端的区域内支承于壳体中时，能够实现转向机构的壳体的成本低的制造。
除了小齿轮轴的优选驱动侧的端部在固定轴承的(第一)套筒中的支承之外，优选在小齿轮的自由端上设置(第二)套筒作为浮动轴承的元件，该浮动轴承允许由于小齿轮轴绕在固定轴承中构成的偏转轴的偏转而导致的小齿轮轴的自由端的偏移。为此优选设定，(第二)套筒具有(至少)一个外件和(至少)一个内件，其中外件和内件这样相互连接，即它们在至少一个径向方向(参照小齿轮轴)上是可彼此移动的。
将浮动轴承的(第二)套筒的外件和内件优选如同固定轴承的(第一)套筒的外件和内件构成(圆)环形的。这与在固定轴承的(第一)套筒中构成的径向错位相组合允许在一工序中借助于切削作用的刀具进行在转向机构壳体中的两个容纳部的制造，因为尽管为齿轮啮合间隙补偿的功能设置的固定轴承和浮动轴承的中轴线的错位，两个容纳部仍然可以同心地设置。
浮动轴承的(第二)套筒的作为连在一起的单元的构成(其仍然允许外件相对内件的期望的径向可移动性)可以设定，外件和内件经由(至少)一个铰链相互连接。
除在浮动轴承的(第二)套筒的外件与内件之间的相对移动外，其应该能够实现小齿轮轴的自由端的偏移，小齿轮轴的自由端的支承应该是尽可能无间隙的，以便避免小齿轮在齿轮上的咬合。为了达到这一点优选设定，外件到内件的间距在径向对置于铰链的部分内是尽可能小的，但优选不为零，例如可以设置仅仅约0.1mm的间距。
铰链优选可以这样构成，即，外件的一个部分和内件的一个部分在铰链的区域内接触，其中外件和内件的这些部分被一个由高弹性材料(例如弹性体)构成的套子包围。于是通过外件和内件的各部分相互的滑动或滚动能够实现铰链运动，而外壳一方面几乎不阻止该铰链运动且另一方面确保外件和内件被保持在一起。
为了尽可能成本低地进行浮动轴承的(第二)套筒的制造和装配可以优选设定，在套筒的径向对置于铰链的部分中设置的小间距在套筒装配在壳体中时才产生。这可以优选这样达到，即外件和/或内件在相关的部分中具有沿径向可移动的限制元件，所述限制元件的径向宽度优选大于外件或内件的相应部分的径向宽度。由此可以达到，在浮动轴承的(第二)套筒未安装于转向机构的壳体中(或小齿轮轴上)时限制元件如此程度地径向向外(或向内)移动，使得产生对套筒的制造和装配有利的内件到限制元件的相对较大的间距。在此限制元件由于其相对较大的径向宽度可以突出于外件的外面(或内件的内面)。限制元件的该突出在浮动轴承的(第二)套筒的安装状态下由于与壳体(或小齿轮轴)的容纳部的相撞是不可能的。因此固定元件必须为了装配而径向向内(或向外)移动并且由壳体(或小齿轮轴)的容纳部固定在该位置上，在该位置上固定元件与内环构成期望的小间距。
附图说明
以下借助一在附图中示出的实施例更详细地说明本发明。其中：
图1按照本发明的转向机构的纵剖面图；
图2图1的转向机构的功能的示意图；
图3在图1的转向机构中使用的固定轴承的俯视图；
图4图3的固定轴承沿图3中的剖面IV-VI截取的纵剖面图；
图5在图1的转向机构中使用的浮动轴承的套筒的俯视图；
图6图5的套筒沿图5中的剖面VI-VI截取的纵剖面图；和
图7在按现有技术的一种同类型的转向机构中以与图2相对应的示意图示出反应力矩的产生。
具体实施方式
图1示出按照本发明的转向机构的一个实施形式的各主要的构件。转向机构包括壳体1，齿轮2和与齿轮2啮合的小齿轮3支承在该壳体内。小齿轮3和包含小齿轮的小齿轮轴以蜗杆的形式整体构成。
齿轮2牢固固定在汽车的转向柱4上。
小齿轮3具有一个驱动侧的端部，小齿轮经由该端部可连接于未示出的驱动装置(例如电机)的输出轴。在驱动侧的该端部的区域内小齿轮3借助于第一支承部支承于壳体中。该支承部构成为固定轴承5，其基本上不允许小齿轮3相对于壳体1的平移，但允许绕偏转轴6的偏转。
该偏转引起小齿轮3的对置于驱动侧的端部的自由端的偏移，小齿轮3在那里借助于浮动轴承7支承于壳体1的相应的容纳部中。该浮动轴承7构成为允许由小齿轮3的偏转产生的自由端偏移。
不仅固定轴承5而且浮动轴承7分别包括一个滚动轴承8、9，小齿轮3的相应部分尽可能无间隙地支承在所述滚动轴承中。滚动轴承8、9本身分别支承在一个套筒10、11中，所述套筒又尽可能无间隙地设置在壳体1的相应的容纳部中。套筒10、11在结构上这样构成，即其在固定轴承5的情况下使小齿轮3能够绕偏转轴6偏转，而在浮动轴承7的情况下使小齿轮3的自由端能够偏移。
为此固定轴承5的套筒10包括外环12形式的外件(例如由弹簧钢制成)和内环13形式的内件(例如由弹簧钢制成)。外环12经由两个接条14(例如由弹簧钢制成)连接于内环13，其中两个接条14在相当大程度上共线延伸并由构成偏转轴6，外环12可以绕该偏转轴相对于内环13偏转。但在这里各接条14并从而偏转轴6并不通过套筒10的中心延伸，而相对于该中心径向错位(参见图2和3)。因此偏转轴不与小齿轮3的纵轴线16相交。
通过各接条14相对套筒的中心的该径向错位，偏转轴6移到小齿轮3的外圆周附近移，由此可以减少或避免各反应力矩(Mz)的构成，反应力矩由在小齿轮和齿轮的齿啮合时产生的啮合力(Fa1、Fa2)与啮合力(Fa1、Fa2)的作用线15离偏转轴6的间距的结合而产生或可能产生。为了尽可能完全地避免各反应力矩(Mz＝0)而设定，偏转轴6处在切向平面之内，该切向平面构成在齿轮2和小齿轮3的两个节圆或滚动圆的接触点中(齿啮合部位15)，如这在图2中示意示出的。
与此比较，在图7中示出，在按现有技术的一种同类型的转向机构中如何绕偏转轴6′构成反应力矩(Mz≠0)，该偏转轴6′在那里与蜗杆3′的纵轴线16′相交，因此延伸通过浮动轴承5′的套筒的中心。该反应力矩(Mz≠0)导致在转向柱的左转时(一方面)和转向柱的右转时(另外一方面)的不同的转向性能，因为由于相反指向的啮合力(Fa1、Fa2)由此产生的反应力矩(Mz≠0)的方向也是相反的。这在转向柱转动时根据转向导致压紧力(R)的加强或减小并因此导致转向机构的摩擦力矩的加强或减小。
此外在固定轴承5的套筒10的外环12上还构成凸缘23并在相反侧上构成相应的凹部24。它们用作套筒10或固定轴承5在壳体1中的明确的定位，壳体1为此具有相应的对应轮廓。
图5和6示出套筒，其构成在蜗杆3的自由端的区域内设置的浮动轴承7的一部分。该套筒11的一个重要的功能在于，允许由于蜗杆围绕在固定轴承5中构成的偏转轴6的偏转而导致的蜗杆3的自由端的平移运动(偏移)。为此套筒11同样包括外环17形式的外件和内环18形式的内件。内环18以基本上恒定的间距同心地设置在外环17之内。在一部分内，内环18经由一径向延伸的接条19连接于外环17。在接条19的区域内外环17和内环18的各部分接触，其中这些部分被一弹性体环26包围。通过该构造，接条19构成一个具有小的偏转力矩的回转铰链，其使外环17相对于内环18能够实现围绕处在接条19的区域的偏转轴的偏转。在该偏转运动时外环17和内环18在各接触的部分中相互滑动或滚动，而弹性体环允许外环17相对于内环18的该相对运动并且附加确保外环和内环保持在一起。
浮动轴承7的套筒11的内环18还具有轴环25，该轴环结合滚动轴承9用于套筒11在壳体1内的轴向定位。
兹设定，浮动轴承7的套筒11这样集成到转向机构的壳体1中，使得小齿轮3绕在固定轴承5中构成的偏转轴6的偏转导致内环18相对于外环17沿着一个方向移动，该方向基本上垂直于引导通过接条19的径向轴线20。在垂直于该方向的方向上，亦即在套筒11的延伸通过接条19的径向轴线20的方向上，相反应当尽可能没有外环17相对内环18的可移动性，以便尽可能避免在转向机构的操作中小齿轮3在齿轮2上的咬合。这由此达到，即，将在内环18与外环17之间在套筒11的径向对置于接条19的部分中的间距限制到一个小尺寸，例如0.1mm。这借助于限制元件21来实现，该限制元件沿径向方向可移动地支承于外环17内。限制元件具有一径向宽度，其大于外环17的径向宽度。由此可以如此程度地向外移动仍未安装于壳体1中的套筒11的限制元件21，使得限制元件突出于外环17的外面。由此在内环18的外面与限制元件之间形成一个相对较大的间距，该间距在套筒11装配在壳体1中时减到期望的尺寸，这是因为由于与壳体1的相撞，限制元件不再可能突出于外环17的外面。
此外套筒11的外环17还包括止挡元件22，该止挡元件在蜗杆在图1和2中向上偏转时限制内环18的运动。
按照本发明的转向机构实现齿轮啮合间隙的补偿，齿轮啮合间隙如特别是因转向机构的各构件的制造公差、这些构件的不同的热膨胀和因磨损可能出现。这样达到该齿轮啮合间隙补偿，即小齿轮3可偏转地支承并且被弹簧加载地压向齿轮2。如同偏转轴6的构成，弹簧加载通过固定轴承5的套筒10的各接条14实现，各接条由于外环12相对内环13的相对扭转被扭绞并因此功能上起扭转弹簧杆作用。为了达到足够的弹簧预紧，以便补偿在转向传动机的寿命时间内越来越大的磨损，兹设定，小齿轮3在新制造的转向机构中设有相对较大的偏转角。对此设定，将小齿轮3这样集成在壳体1中，使得其纵轴线16在固定轴承5的区域内与在浮动轴承7的区域内(参见图1)相比离齿啮合部位或啮合力(Fa1、Fa2)的作用线15的距离稍小。该错位通过固定轴承5的套筒10的内环12相对外环13的相应的错位(x)达到，因此它们并不精确地同心设置(参见图3和4)。由此有可能，尽管设置错位(x)，仍可将本身是同心的固定轴承5和浮动轴承7设置在壳体1的容纳部中。由此可以简化壳体1的制造。
附图标记清单
1  壳体
2  齿轮
3  小齿轮
4  转向柱
5  固定轴承
6  偏转轴
7  浮动轴承
8  滚动轴承
9  滚动轴承
10 套筒
11 套筒
12 外环
13 内环
14 接条
15 齿啮合部位
16 小齿轮的纵轴线
17 外环
18 内环
19 接条
20 径向轴线
21 限制元件
22 止挡元件
23 凸缘
24 凹部
25 轴环
26 弹性体环

Claims (12)

1.一种转向机构,包括齿轮(2)、与该齿轮啮合的小齿轮(3)和包含小齿轮(3)的小齿轮轴，该小齿轮轴绕一横向于小齿轮轴的纵轴线(16)的偏转轴(6)可偏转地支承；其特征在于，偏转轴(6)到齿轮(2)和小齿轮(3)的齿啮合部位的径向间距小于小齿轮(3)的芯半径。
2.按照权利要求1所述的转向机构，其特征在于，偏转轴(6)到齿轮(2)和小齿轮(3)的齿啮合部位(15)的径向间距为零。
3.按照权利要求1或2所述的转向机构，其特征在于，小齿轮轴具有一个驱动侧的端部，其中小齿轮轴在该驱动侧的端部的区域内支承于(第一)套筒(10)中，该套筒具有外件和在外件之内设置的内件，其中外件和内件为了构成偏转轴(6)而经由至少一个可变形的接条(14)相连接。
4.按照权利要求3所述的转向机构，其特征在于，接条(14)是扭绞的。
5.按照权利要求3或4所述的转向机构，其特征在于，外件和内件不同心地设置。
6.按照上述权利要求之一项所述的转向机构，其特征在于，小齿轮轴具有一个自由端，其中小齿轮轴在自由端的区域内支承于(第二)套筒(11)中，(第二)套筒(11)具有外件和在外件之内设置的内件，该外件和内件沿小齿轮轴的一个径向方向是可相互移动的。
7.按照权利要求5和6所述的转向机构，其特征在于，第一套筒(10)的外件和第二套筒(11)的外件分别支承在一个由转向机构的壳体(1)构成的容纳部中，其中这两个容纳部同心地设置。
8.按照权利要求6或7所述的转向机构，其特征在于，(第二)套筒(11)的外件经由铰链与内件连接。
9.按照权利要求8所述的转向机构，其特征在于，外件的一个部分和内件的一个部分在铰链的区域内接触，这些部分被一个由高弹性的材料制成的套子至少部分地包围。
10.按照权利要求8或9所述的转向机构，其特征在于，在外件与内件之间的在(第二)套筒(11)的径向对置于铰链的部分中的间距小于在(第二)套筒(11)的剩余部分中的间距。
11.按照权利要求10所述的转向机构，其特征在于，外件和/或内件径向对置于铰链地具有沿径向方向可移动的限制元件(21)。
12.按照权利要求11所述的转向机构，其特征在于，限制元件(21)具有一个径向宽度，该径向宽度大于外件或内件在这样的一个部分中的径向宽度，在该部分中限制元件(21)可移动地支承在外件或内件中。
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