CN105984489A - 致动马达 - Google Patents

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Abstract

致动马达。一种由铝制成的壳体(17)。旋转轴(16)具有附连有输入转子元件(22)的一个端部并且与转子(31)一起旋转。第一轴承(33)配备至壳体(17)并且定位在输入转子元件(22)与转子(31)之间，以旋转地支承旋转轴(16)。第二轴承(34)配备至壳体(17)并且定位在转子(31)的与第一轴承(33)相反的一侧，以旋转地支承旋转轴(16)。多层螺旋波形垫圈(51)以螺旋波形形式缠绕三圈或更多圈并且定位于在壳体(17)与第一轴承(33)和第二轴承(34)中的一者的外圈(45)之间形成的轴向间隙(50)中，以沿轴向方向向外圈施加弹簧载荷。

Description

致动马达
技术领域
本公开涉及用于车辆的转向装置的致动马达。
背景技术
近年来，在车辆的转向装置中采用电动转向装置。电动转向装置配备至围绕转向装置的齿条轴的部分。这类电动转向装置通过利用传动机构例如带传动机构将致动马达的输出动力传递至齿条轴。致动马达根据驾驶员的意图频繁地反转其旋转方向以使车辆向右及向左移动。传动机构可以采用带螺旋齿的装置以降低不适感并且增强转向操作感。例如，传动机构可以采用带螺旋齿的带轮和带、带螺旋齿的齿轮对和/或类似装置。
注意的是，在采用带螺旋齿的带轮、带螺旋齿的带和/或类似装置的构型中，当致动马达处于运行状态中时，反作用力沿轴向方向作用在旋转轴上。反作用力的方向随致动马达的旋转方向的反转而反转。因此，支承旋转轴的轴承在反作用力的方向反转时被施加冲击。
本公开的目的是生产用于电动转向装置的下述致动马达：该致动马达能够在使装置在径向方向上不扩大的情况下减小支承旋转轴的轴承中产生的应力。
发明内容
如上所述，在采用带螺旋齿的带轮、带螺旋齿的带和/或类似物的构型中，反作用力在致动马达处于运行状态时沿轴向方向作用在旋转轴上。反作用力的方向在致动马达的旋转方向反转时反转。因此，支承旋转轴的轴承在反作用力反转方向时被施加冲击。本发明人研究到该冲击在轴承内产生应力。为了减轻轴承中产生的应力，轴承可以沿径向方向扩大。然而，轴承在径向方向上的扩大可以引起致动马达在径向方向的扩大。考虑到装置与车辆的可安装性，轴承和/或致动马达的扩大是不期望的。
考虑到这点，在不改变轴承的尺寸的情况下，轴承和壳体可以在轴承与壳体之间沿轴向方向形成空间，并且可以在该空间内配备垫圈以吸收冲击，从而减轻轴承内产生的应力。垫圈可以是例如专利文献1中公开的多层螺旋波形垫圈。
(专利文献1)
日本专利公报No.4306476。
还注意的是，专利文献1假定在交流发电机内采用多层螺旋波形垫圈。交流发电机的旋转轴沿一个旋转方向连续地旋转。该交流发电机的壳体由铁材料制成。
如上所述，电动转向装置可以采用传动机构，该传动机构包括带有致动马达的带螺旋齿的装置，其中，致动马达频繁地反转其旋转方向。在该电动转向装置中，与交流发电机相比，在轴承与壳体之间形成的空间沿轴向方向以更大量和更高频率改变。本发明人发现了弹簧的必要性，该弹簧具有比交流发电中使用的弹簧更小的弹簧常量，以在沿轴向方向发生巨大改变的空间中向轴承连续施加所需的弹簧载荷。特别地，在包括由铝制成的壳体的产品中，与由铁材料形成的壳体相比，轴承与壳体之间的间隙由于温度的改变而在径向方向上发生较大的改变。考虑到这点，这种包括由铝制成的壳体的产品可能需要还要更大的弹簧载荷的应用来保持轴承。
根据本公开的一方面，致动马达用于车辆的转向装置。转向装置包括构造成使轴向方向上的载荷发生改变的传动机构。致动马达包括由铝制成的壳体。致动马达还包括附连至壳体的定子。致动马达还包括构造成根据由定子产生的旋转磁场而旋转的转子。致动马达还包括具有附连有传动机构的输入转子元件的一个端部的旋转轴。旋转轴构造成与转子一起旋转。致动马达还包括位于输入转子元件与转子之间的第一轴承。第一轴承配备至壳体。第一轴承旋转地支承旋转轴。致动马达还包括位于转子的与第一轴承相反的一侧的第二轴承。第二轴承配备至壳体。第二轴承旋转地支承旋转轴。致动马达还包括以螺旋波形形式缠绕三圈或更多圈的多层螺旋波形垫圈。多层螺旋波形垫圈定位于在壳体与第一轴承和第二轴承中的一者的外圈之间形成的轴向间隙中。多层螺旋波形垫圈构造成沿轴向方向向外圈施加弹簧载荷。
附图说明
本发明的以上及其他目的、特征和优点将通过参照附图的以下详细描述变得明显。在附图中：
图1是示出了根据本公开的实施方式的致动马达和采用该致动马达的电动转向装置的截面图；
图2是示出了图1的致动马达的放大截面图；
图3是示出了图2中的致动马达的多层螺旋波形垫圈的立体图；
图4是示出了沿着图2中的箭头IV观察的旋转轴、带轮和带的视图；以及
图5是示出了一个关系——图2的多层螺旋波形垫圈的伸缩量与弹簧载荷之间的关系——与另一关系——单层波形垫圈的伸缩量与弹簧载荷之间的关系——之间的对比曲线图。
具体实施方式
如下，将参照附图对本公开的实施方式进行描述。
(实施方式)
图1示出了根据本公开的实施方式的采用致动马达的电动转向装置。
(电动转向装置)
首先，将参照图1对电动转向装置10的构型进行描述。电动转向装置10具有带驱动构型。电动转向装置10包括外壳11、致动马达12、滚珠螺杆13和带传动机构14。
外壳11容置转向装置的齿条轴15的一部分。外壳11附连至例如车体和/或类似物。致动马达12定位成使得旋转轴16与齿条轴15平行。致动马达12包括附连至外壳11的壳体17。
滚珠螺杆13包括滚珠螺杆轴部18、滚珠螺母19和滚珠20。滚珠螺杆轴部18是齿条轴15的一部分。滚珠螺母19配装至滚珠螺杆轴部18。滚珠螺母19由外壳11通过轴承21旋转地支承。滚珠20配备在滚珠螺杆轴部18与滚珠螺母19之间。滚珠螺杆13将滚珠螺母19的旋转运动转换成滚珠螺杆轴部18在轴向方向上的线性运动。
带传动机构14包括两个带螺旋齿的带轮22和23以及带螺旋齿的带24。带螺旋齿的带轮22用作传动机构的输入转子元件。带螺旋齿的带轮22附连至旋转轴16的一个端部。带螺旋齿的带轮23附连至滚珠螺母19。带螺旋齿的带24绕带螺旋齿的带轮22和23缠绕并且由带螺旋齿的带轮22和23保持。带传动机构14将旋转轴16的旋转运动传递至滚珠螺母19。
以此方式构造的电动转向装置10根据转向扭矩、车辆速度和/或类似特征使旋转轴16旋转。旋转轴16的旋转运动经由带传动机构14和滚珠螺杆13转换成齿条轴15的在轴向方向上的线性运动。因此，所转换的齿条轴15的线性运动用于辅助驾驶员的转向操作。致动马达12响应于驾驶员的意图而将其旋转方向频繁地反转以使车辆向右转及向左转。带传动装置14采用带螺旋齿的带轮22和23以及带螺旋齿的带24以实现较舒适的转向操作，从而增强转向操作感。带传动机构14是使轴向方向上的载荷发生改变的传动装置。
(致动马达)
随后，将参照图2至图5对致动马达12的构型进行描述。如图2中所示，致动马达12包括壳体17、定子30、转子31、旋转轴16、第一轴承33和第二轴承34。
壳体17包括由铝制成的第一壳体部35和第二壳体部36。第一壳体部35和第二壳体部36在第一壳体部35和第二壳体部36将定子铁芯37置于第一壳体部35与第二壳体部36之间的情况下通过利用紧固件例如螺栓(未示出)附连至彼此。
定子30包括定子铁芯37和线圈38。线圈38配备在定子铁芯(定子芯)37的狭槽中。转子31配备在定子30内部并且响应于通过定子30产生的旋转磁场而旋转。转子31的重心G定位成距第二轴承34比距第一轴承33更近。
旋转轴16延伸穿过壳体17，使得旋转轴16突出到外壳11中。带螺旋齿的带轮22附连至旋转轴16的一个端部。旋转轴16与转子31一体地旋转。转子31配装至旋转轴16的一部分(第一部分)39。第一轴承33配装至旋转轴16的一部分(第二部分)40。所述部分39具有与所述部分40的直径相同的直径。
第一轴承33定位在带螺旋齿的带轮22与转子31之间。第一轴承33通过第一壳体部35的轴承保持器41保持。轴承保持器41形成杯形形状。第一轴承33配装至轴承保持器41的管状部分42。第一轴承33旋转地支承旋转轴16的一个端部。
第二轴承34定位在转子31的与第一轴承33相反一侧。第二轴承34通过第二壳体部36的轴承保持器43保持。轴承保持器43形成杯形形状。第二轴承34配装至轴承保持器43的管状部分44。第二轴承34旋转地支承旋转轴16的另一个端部。在本实施方式中，第二轴承34的外径小于第一轴承33的外径。
第一轴承33在轴向方向上的轴向中心位于与带螺旋齿的带24的载荷中心、即与带螺旋齿的带轮22的中心相距了距离L1毫米处。第二轴承34在轴向方向上的轴向中心位于与第一轴承33的轴向中心相距了距离L2毫米处。值(L2/L1)大于等于1且小于等于2。注意的是，距离L2要求大于预定值以产生转向轮系统所需的输出扭矩。还注意的是，带的张力施加至带螺旋齿的带轮22。由于以作为支点的第一轴承33为中心的杠杆原理，带的张力引起第二轴承34的在与带的张力的施加的方向相反的方向上的运动。在距离L2是不必要的较大值的情况下，带的张力引起第二轴承34的以作为支点的第一轴承33为中心在相反方向上的较大的运动。因此，在距离L2是不必要的较大值的情况下，第二轴承34可能会强烈地撞击轴承保持器43。考虑到这个因素，值(L2/L1)可以采用可容许的最大极限——等于2。
第二轴承34的外圈45与轴承保持器43的底部部分之间沿轴向方向形成轴向间隙50。多层螺旋波形垫圈51配备在轴向间隙50中。多层螺旋波形垫圈51沿轴向方向向外圈45施加弹簧载荷。
如图3中所示，多层螺旋波形垫圈51是螺旋形形状的波形垫圈。多层螺旋波形垫圈51缠绕成三圈或更多圈。更具体地，多层螺旋波形垫圈51通过将单个钢板(矩形线)以螺旋形形式沿边缠绕三圈或更多圈形成。此外，钢板沿厚度方向弯曲以在以螺旋形形式缠绕时形成波形形状。钢板弯曲成例如在一圈中具有四个波峰(堆)。当钢板弯曲并缠绕时，上波峰(堆)和下波峰(谷)在彼此相邻的偶数圈与奇数圈之间转换。即，偶数圈中的上波峰与奇数圈中的下波峰在缠绕方向上的相同位置处彼此相对。在本实施方式中，多层螺旋波形垫圈51的圈数是4.5圈。
如图4中所示，在以此方式构造的致动马达12中，旋转轴16在从带螺旋齿的带22观察时顺时针旋转。在这种状态下，反作用力沿从转子31朝向第二轴承34的方向施加到旋转轴16上。在受到该反作用力时，第二轴承34朝向轴承保持器43的底部部分46移动，使得轴向间隙50减小。相比之下，当旋转轴16在从带螺旋齿的带轮22观察时逆时针旋转时，反作用力沿从转子31朝向第一轴承33的方向施加到旋转轴16上。在受到该反作用力时，第二轴承34远离底部部分46移动，使得轴向间隙50扩大。多层螺旋波形垫圈51响应于反作用力而沿轴向方向伸缩。以此方式，多层螺旋波形垫圈51在反作用力的方向转换时吸收施加至第二轴承34的冲击。
如下，将参照图5对轴向间隙50中配备多层螺旋波形垫圈的构型与轴向间隙50中配备单层波形垫圈的构型之间的差异进行描述。第二轴承34需要所需弹簧载荷范围内(最小压力至最大压力)的弹簧载荷的应用。如下，对可假定的情况进行描述。在可假定的情况下，多层波形垫圈和单层波形垫圈两者都设定弹簧常量以使所需弹簧载荷的范围内的弹簧载荷能够施加至第二轴承34，同时伸缩量从零变成最大值。在这种情况下，多层螺旋波形垫圈51在所需弹簧载荷范围内的伸缩量范围S1大于单层波形垫圈在所需弹簧载荷范围内的伸缩量范围S2。
多层螺旋波形垫圈51能够在所需弹簧载荷范围内连续向第二轴承34施加弹簧载荷，甚至在包括具有螺旋齿的带轮和带的构型中轴向间隙50发生相对较大地改变的实施方式中仍是如此。多层螺旋波形垫圈51具有t毫米的厚度和D毫米的外径。在本实施方式中，值(t/D)大于等于0.013且小于等于0.02。以此方式，本实施方式能够设定适合的弹簧常量。相比之下，单层波形垫圈在轴向间隙50发生较大地改变而超过了伸缩量范围S2时可能不能够施加所需的弹簧载荷。
(效果)
如上所述，根据本实施方式，致动马达12包括多层螺旋波形垫圈51。多层螺旋波形垫圈51是缠绕了三圈或更多圈的螺旋波形垫圈。多层螺旋波形垫圈51定位在轴向间隙50中。轴向间隙50形成在第二轴承34的外圈45与壳体17的轴承保持器43的底部部分46之间。多层螺旋波形垫圈51沿轴向方向向外圈45施加弹簧载荷。
多层螺旋波形垫圈51能够通过减少每圈的弹簧载荷来降低其弹簧常量。此外，多层螺旋波形垫圈51能够通过任意设定圈的数目来产生所需的弹簧载荷。因此，多层螺旋波形垫圈51在旋转轴16在受到反作用力时沿轴向方向移动了相对较大的距离的同时能够连续向第二轴承34施加相对大的弹簧载荷。因此，本实施方式能够在使该装置在径向方向上不扩大的情况下减小第二轴承34中的应力。
特别地，在轴承保持器43与壳体17由铝一体地制成的构型中，由于第二轴承34与轴承保持器43之间的由其内部产生的热量和/或外部热量引起的热膨胀的差异，外圈45可能难以支承在外圆周处。在这种情况下，为了支承外圈45，需要弹簧载荷沿轴向方向施加到外圈45上。考虑到该因素，采用具有较大伸缩量范围的多层螺旋波形垫圈51会是有利的。
此外，根据本实施方式，多层螺旋波形垫圈51配备在第二轴承34与壳体17之间。由于以作为支点的第一轴承33为中心的杠杆原理，第二轴承34可能趋于沿与带的张力施加至带螺旋齿的轮的方向相反的方向移动。在该构型中，多层螺旋波形垫圈51配备在第二轴承34与壳体17之间。以此方式，多层螺旋波形垫圈51向第二轴承34施加弹簧载荷，从而减小第二轴承34的运动。
此外，根据本实施方式，值(t/D)大于等于0.013且小于等于0.02。在该构型中，多层螺旋波形垫圈51的弹簧常量设定成适合的值，使得多层螺旋波形垫圈51能够在轴向间隙50发生相对较大改变的构型中在所需弹簧载荷范围内向第二轴承34连续施加弹簧载荷。
另外，在本实施方式中，上波峰的数目在多层螺旋波形垫圈51的一圈中是四个。随着上波峰数目的增加，多层螺旋波形垫圈51的每圈的高度可能减小。注意的是，在多层螺旋波形垫圈51中的上波峰的数目过大的情况下，制造过程可能变复杂，并且弹簧载荷的变化可能由于加工精度的偏差而增大。因此，适合的设计可以是将上波峰的数目设定为四个。
此外，根据本实施方式，值(L2/L1)大于等于1且小于等于2。距离L2要求大于预定值以产生转向轮系统所需的输出力矩。相比之下，带的张力施加至带螺旋齿的带轮22。带的张力由于以作为支点的第一轴承33为中心的杠杆原理而引起第二轴承34的在与带的张力施加的方向相反的方向上的运动。在L2是不必要的较大值的情况下，带的张力引起第二轴承34的以作为支点的第一轴承33为中心在相反方向上的较大运动。因此，第二轴承34可能会强烈地撞击轴承保持器43。考虑到这个因素，将值(L2/L1)设定成大于等于1且小于等于2是适合的。
在本实施方式中，第二轴承34的外径小于第一轴承33的外径。在第二轴承34的外径这样相对较小的构型中，多层螺旋波形垫圈51可以有效地减小装置中的应力。
转子31的重心G定位成距第二轴承34比距第一轴承33更近。在转子31的重心G这样靠近第二轴承34(L3<L2/2)的构型中，第二轴承34由于绕作为支点的第一轴承33的杠杆原理而易于沿与施加至带螺旋齿的轮22的带的张力的方向相反的方向移离。在该构型中，配备了多层螺旋波形垫圈51，从而施加弹簧载荷以偏置第二轴承34。因此，该构型可以减小第二轴承34的运动。
(其他实施方式)
根据本公开的另一实施方式，多层螺旋波形垫圈可以配备在第一轴承与壳体之间。多层螺旋波形垫圈可以配备在第一轴承与壳体之间，并且另一螺旋波形垫圈可以配备在第二轴承与壳体之间。根据本公开的另一实施方式，转子的重心可以靠近第一轴承。替代性地，转子的重心可以定位在第一轴承与第二轴承之间的中间点处。根据本发明的另一实施方式，旋转轴的宽度可以在多个轴向位置处变化。
根据本公开的另一实施方式，可以采用另一传动机构来代替带传动机构14。该传动机构可以构造有另一装置例如一对斜齿齿轮。根据本公开的另一实施方式，将带螺旋齿的带轮的旋转运动转换成齿条轴在轴向方向上的线性运动的机构不限于滚珠螺杆。该机构可以是另一机构例如齿轮装置。电动转向装置不限于与齿条轴连接。根据本公开的另一实施方式，电动转向装置可以与例如转向轴连接。
根据本公开的致动马达用于车辆的转向装置。转向装置配备有传动机构以产生轴向方向上的载荷的改变。致动马达包括壳体、定子、转子、第一轴承和第二轴承。壳体由铝制成。定子附连至壳体。转子响应于通过定子产生的旋转磁场而旋转。旋转轴在一个端部处附连有传动机构的输入转子元件。旋转轴与转子一起旋转。
第一轴承定位在输入转子元件与转子之间。第一轴承定位在壳体中。第一轴承旋转地支承旋转轴。第二轴承定位在转子的与第一轴承相反的一侧。第二轴承定位在壳体中。第二轴承旋转地支承旋转轴。
致动马达包括多层螺旋波形垫圈。多层螺旋波形垫圈为缠绕有三圈或更多圈的螺旋波形垫圈。多层螺旋波形垫圈定位在轴向间隙中。轴向间隙形成在壳体与第一轴承和第二轴承中的一者的外圈之间。多层螺旋波形垫圈沿轴向方向向外圈施加弹簧载荷。
多层螺旋波形垫圈构造成通过减小一圈(一卷)中的弹簧载荷来减小其弹簧常数。此外，多层螺旋波形垫圈能够通过任意设定圈的数目来产生所需的弹簧载荷。因此，多层螺旋波形垫圈在旋转轴受到反作用力而沿轴向方向移动了相对较大的距离的同时能够将相对大的弹簧载荷连续施加到轴承上。因此，本公开能够在使装置在径向方向上不扩大的情况下减小支承旋转轴的轴承中的应力。
在本公开中，术语“由铝制成”可以包括由合金(铝合金)制成的产品，该产品包含作为基础材料(主要成分)的铝。
应当理解的是，尽管在文中已经描述了本公开的如包括特定步骤顺序的实施方式的过程，但是在文中未公开的包括这些步骤和/或额外的步骤的其他顺序的其他替代实施方式意在落入本公开的步骤内。
尽管已经参照本公开的优选实施方式描述了本公开，但应理解的是，本公开不限于所述优选实施方式和构型。本公开意在覆盖各种改型和等同装置。此外，尽管优选的是所述各种组合和构型，但包括更多、更少或仅单个元件的其他组合和构型也在本公开的精神和范围内。

Claims (9)

1.一种用于车辆的转向装置的致动马达，所述转向装置包括构造成使轴向方向上的载荷发生改变的传动机构(14)，所述致动马达包括：
壳体(17)，所述壳体(17)由铝制成；
定子(30)，所述定子(30)附连至所述壳体(17)；
转子(31)，所述转子(31)构造成根据由所述定子(30)产生的旋转磁场而旋转；
旋转轴(16)，所述旋转轴(16)具有附连有所述传动机构(14)的输入转子元件(22)的一个端部，所述旋转轴(16)构造成与所述转子(31)一起旋转；
第一轴承(33)，所述第一轴承(33)定位在所述输入转子元件(22)与所述转子(31)之间，所述第一轴承(33)配备至所述壳体(17)，所述第一轴承(33)旋转地支承所述旋转轴(16)；
第二轴承(34)，所述第二轴承(34)定位在所述转子(31)的与所述第一轴承(33)相反的一侧，所述第二轴承(34)配备至所述壳体(17)，所述第二轴承(34)旋转地支承所述旋转轴(16)；以及
多层螺旋波形垫圈(51)，所述多层螺旋波形垫圈(51)以螺旋波形形式缠绕三圈或更多圈，所述多层螺旋波形垫圈(51)定位于形成在所述第一轴承(33)和所述第二轴承(34)中的一者的外圈(45)与所述壳体(17)之间的轴向间隙(50)中，所述多层螺旋波形垫圈(51)构造成沿轴向方向向所述外圈施加弹簧载荷。
2.根据权利要求1所述的致动马达，其中，
所述传动机构(14)具有带驱动构型，以通过利用带螺旋齿的带轮(22、23)和带螺旋齿的带(24)将旋转力传递至齿条轴(15)。
3.根据权利要求1或2所述的致动马达，其中，
所述多层螺旋波形垫圈(51)定位在所述第二轴承(34)与所述壳体(17)之间。
4.根据权利要求1或2所述的致动马达，其中，
所述多层螺旋波形垫圈(51)具有t毫米的厚度和D毫米的外径，并且
值(t/D)大于等于0.013并且小于等于0.02。
5.根据权利要求1或2所述的致动马达，其中，
所述多层螺旋波形垫圈(51)在一圈中具有四个上波峰。
6.根据权利要求1或2所述的致动马达，其中，
所述第一轴承(33)的轴向中心与所述输入转子元件(22)的轴向中心彼此相距L1毫米的距离，
所述第一轴承(33)的所述轴向中心与所述第二轴承(34)的轴向中心彼此相距L2毫米的距离，以及
值(L2/L1)大于等于1且小于等于2。
7.根据权利要求1或2所述的致动马达，其中，
所述第二轴承(34)的外径比所述第一轴承(33)的外径小。
8.根据权利要求1或2所述的致动马达，其中，
所述转子(31)的重心距所述第二轴承(34)比距所述第一轴承(33)更近。
9.根据权利要求8所述的致动马达，其中，
所述旋转轴(16)具有第一部分(39)和第二部分(40)，
所述第一部分(39)配装有所述转子(31)，
所述第二部分(40)配装有所述第一轴承(33)，以及
所述第一部分(39)的直径与所述第二部分(40)的直径相同。
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