CN106103245A - 用于机动车辆转向系统的转向轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机动车辆转向系统的优选与动力辅助支撑系统(112、114、116)一起使用的转向轴(1)，所述轴包括具有孔(28)的第一轴部分(12)，其中为了传递转矩，设置扭力杆(3)从而形成第一轴部分(12)和第二轴部分(10)之间的旋转弹性联接，扭力杆(3)通过轴承元件(340)相对于第一轴部分(12)可旋转地安装在孔(28)中，所述轴承元件(340)包括预应力元件(344、346、348)。

Description

用于机动车辆转向系统的转向轴
技术领域
本发明涉及用于机动车辆转向系统的转向轴，包括至少一个具有孔的第一轴部分，其中为了传递转矩，设置扭力杆用于第一轴部分和第二轴部分的旋转弹性联接。用于机动车辆转向系统的转向轴优选与具有动力辅助装置的转向系统一起使用。
背景技术
在用于机动车辆转向系统的转向轴的领域中，已知的是确定相对于输出轴经由输入轴输入的转矩。通过这种方式确定的转矩可以作为基础用于确定待引入转向系统的辅助转矩或用于驾驶员的转向辅助的动力辅助装置的辅助力。为了这种目的，已知的是将机动车辆的转向轴分成输入轴和输出轴，输入轴通常连接至机动车辆的方向盘，驾驶员经由方向盘将相应的转向转矩或相应的转向指令输入输入轴。输出轴通常直接或间接连接至转向小齿轮，所述转向小齿轮经由相应的齿条和横拉杆将转向移动传递至机动车辆的转向轮。
动力辅助装置(例如电力动力辅助装置或液压动力辅助装置)通常附接至输出轴、转向小齿轮或齿条从而输入相应的辅助转矩。在此，通过确定由驾驶员经由方向盘输入输入轴的相对于输出轴的转矩从而驱动各个动力辅助装置。
在此已知的是通过扭力杆(所述扭力杆也被称为扭力棒)连接转向轴的输入轴和输出轴，并且经由转矩传感器通过输入轴和输出轴之间的相对旋转角确定输入转矩。在液压动力转向系统的情况下，这可以例如经由旋转滑阀进行，在机电动力转向系统的情况下，这可以例如经由相应的磁性传感器进行。
用于机电动力辅助装置的转向轴用于测量输入转矩。在通过各个驾驶员经由机动车辆的方向盘输入转向移动的过程中，转矩被输入转向轴特别是输入轴，从而最终使机动车辆的车轮转体。在此，设置在输入轴和输出轴之间的扭力杆用于将输入转矩从输入轴传递至输出轴，所述扭力杆以对应于经由输入轴输入的转矩的限定的量扭转，其结果是实现输入轴和输出轴之间的相对扭转。因此可以通过输入轴和输出轴之间的所述相对扭转驱动动力辅助装置，所述相对扭转可以通过传感器感知。
由于扭力杆固定在输入轴和输出轴中，因此在输入轴和扭力杆之间并且在输出轴和扭力杆之间发生相对扭转。输入轴和扭力杆之间的扭转基于如下事实：扭力杆以共同旋转的方式保持在输入轴的孔的一端的孔中，然后通过孔朝向输出轴延伸。因此在向输出轴过渡的位置处发生扭力杆和输入轴的孔与扭力杆相对的壁之间的相对扭转。
为了避免扭力杆的过载，输入轴和输出轴可以经由宽松的强制联锁连接彼此连接或联接，使得如果超过扭力杆的弹性扭转的最大值，发生输入轴与输出轴的直接强制联锁接合。
为了避免输入轴和扭力杆之间的倾斜位置，在孔中设置轴承元件，通过所述轴承元件相对于第一轴部分安装扭力杆。扭力杆通常经由作为输出轴的孔中的轴承系统的滚针轴承或滑套安装。在此为了避免转矩测量的失真并且同时使可能出现的噪声形成(其例如由于现有的轴承游隙造成)达到最小化，所述轴承元件存在高的公差要求。
DE 100 10 837 A1公开了具有扭力杆紧固装置的旋转滑块而无需机械加工除去材料，其中设置扭力滑块和扭力杆，所述扭力滑块具有中心轴向孔，中心轴向孔具有壁，所述扭力杆同轴设置在孔中，并且在扭力杆和同轴的孔的壁之间设置滚针轴承。
发明内容
从所引用的现有技术出发，本发明的目的是提出用于机动车辆转向系统的转向轴，在所述转向轴中构件精确性的要求减少，同时仍然可以至少减少噪声的形成。
通过具有权利要求1的特征的转向轴实现该目的。从属权利要求给出了有利的改进方案。
因此，提出用于机动车辆转向系统的转向轴，所述转向轴包括具有孔的第一轴部分，其中为了传递转矩，设置扭力杆用于可旋转地弹性联接第一轴部分和第二轴部分，扭力杆安装在孔中从而可以经由支承元件相对于第一轴部分旋转。根据本发明，轴承元件包括预应力元件。
借助于轴承元件包括预应力元件的事实，在减少的公差要求的情况下仍然能够减少由于将扭力杆安装在第一轴部分的孔中而造成的噪声，因为轴承的轴承游隙由于预应力而减少。
因此，预应力元件或弹簧元件设置在第一轴部分和/或第二轴部分的内周表面和扭力杆的外周表面之间，预应力元件或弹簧元件直接或间接地支撑在内周表面和外周表面上使得内周表面相对于外周表面同轴地受到预应力。
通过这种方式，即使在外周表面和/或内周表面的相对较大公差的情况下仍然可以以基本上无游隙的方式安装扭力杆，并且可以减少所得的轴承游隙和发出的噪声。
优选设置预应力元件从而施加径向预应力，从而相对于第一轴部分的孔对扭力杆施加径向预应力。在此，扭力杆特别优选经由预应力元件受到径向预应力使得其相对于第一轴部分同轴地受到预应力。
预应力元件优选被构造成具有至少一个滚动体的受到径向预应力的耐磨轴承的耐磨轴承内环和/或耐磨轴承外环。在另一个优选的实施方案中，轴承元件为受到径向预应力的耐磨轴承，优选受到径向预应力的滚针轴承。在此，相对于相应的轴部段建立预应力，所述轴部段要么本身为轴承的部分要么为轴承的支撑元件。
在一个优选的实施方案中，轴承元件通过预应力元件本身构造。预应力元件特别优选以受到预应力的滑套或滑动轴承的形式构造，优选以施加径向预应力的锥形滑套的形式构造。在此，在纵截面中观察时，滑套也可以以波纹形状构造，并且因此可以具有多个锥形部分。通过这种方式，可以以特别简单的方式例如通过简单的片状金属部分实现受到径向预应力的轴承系统，所述轴承系统造成第一和/或第二轴部分和扭力杆的轴承区域的减少的公差要求。为了改进摩擦性质，滑套可以包括表面涂层，例如聚四氟乙烯(PTFE)。
在另一个优选的实施方案中，预应力元件可以以弹性塑料套筒的形式构造，所述弹性塑料套筒则提供径向预应力。通过这种方式，轴承元件可以特别经济地制造。
在一个改进方案中，在使用耐磨轴承的情况下，滚动体还可以构造成预应力元件，例如以弹性滚动体或空心薄壁钢筒的形式。
在一个优选的改良方案中，第一轴部分为输出轴，所述输出轴经由扭力棒联接至第二轴部分，所述第二轴部分以输入轴的形式构造。
如果输入过高的转矩，为了避免扭力杆的破坏，第一轴部分优选经由宽松的强制锁定联接连接额外连接至第二轴部分。
附图说明
通过如下附图说明更详细地解释本发明的其它优选的实施方案和方面，其中：
图1显示了具有动力辅助装置的机动车辆转向系统的示意图，
图2显示了具有第一轴部分和第二轴部分的转向轴的立体示意图，
图3显示了图2的转向轴的分解立体示意图，
图4显示了图2和3的转向轴在中间组装状态下的立体示意图，
图5显示了图2至4的转向轴在组装状态下穿过截面的横截面示意图，
图6显示了第一个实施方案中的穿过轴承区域的横截面示意图，
图7显示了第二个实施方案中的穿过轴承区域的截面示意图，
图8显示了第三个实施方案中的穿过轴承区域的截面示意图，
图9显示了第四个实施方案中的穿过轴承区域的截面示意图，
图10显示了第五个实施方案中的穿过轴承区域的截面示意图，
图11显示了另一个实施方案中的具有转向小齿轮的转向轴的立体示意图。
具体实施方式
下文使用附图描述优选的示例性实施方案。在此，不同附图中相同、相似或作用相同的元件用相同的附图标记表示，并且在如下描述中部分省略所述元件的重复描述，从而避免冗余。
图1显示了机动车辆转向系统100的示意图，驾驶员有可能经由方向盘102将相应的转矩作为转向指令输入转向轴1。转矩然后经由转向轴1传递至转向小齿轮104，所述转向小齿轮104与齿条106啮合，所述齿条106就其本身而言然后经由相应的横拉杆108将预定的转向角传递至机动车辆的转向轮110。
可以以联接至转向轴1的动力辅助装置112、联接至小齿轮104的动力辅助装置114，和/或联接至齿条106的动力辅助装置116的形式设置电力和/或液力动力辅助装置。各个动力辅助装置112、114或116将辅助转矩输入转向轴1、转向小齿轮104和/或将辅助力输入齿条106，因此在转向操作的过程中辅助驾驶员。图1中显示的三个不同的动力辅助装置112、114或116显示了其可能的设置位置。
动力辅助装置通常仅占据单个所显示的位置。考虑到通过转矩传感器118确定的输入转矩限定待通过各个动力辅助装置112、114或116施加从而辅助驾驶员的辅助转矩或辅助力。作为输入辅助转矩或辅助力的替代形式或与输入辅助转矩或辅助力相结合，可以通过动力辅助装置112、114或116将额外的转向角输入转向系统，所述额外的转向角与由驾驶员经由方向盘102施加的转向角相加。
转向轴1具有连接至方向盘102的输入轴10和经由转向小齿轮104连接至齿条106的输出轴12。输入轴10和输出轴12经由图1中不可见的扭力棒以旋转弹性方式彼此联接。通过这种方式，当输出轴12相对于输入轴10不精确同步旋转时，由驾驶员经由方向盘102输入输入轴10的转矩始终造成输入轴10相对于输出轴12的相对旋转。输入轴10和输出轴12之间的该相对旋转可以例如借助于旋转角传感器测得，因此可以基于扭力杆的已知抗扭刚度确定为相对于输出轴的相应的输入转矩。通过这种方式，通过确定输入轴10和输出轴12之间的相对旋转构造转矩传感器118。这种类型的转矩传感器118原则上是已知的并且可以例如以旋转滑阀、电磁测量或其它相对扭转测量的形式实现。
因此，仅当输出轴12相对于输入轴10与扭力杆的旋转阻力相反地扭转时，由驾驶员经由方向盘102施加至转向轴1或输入轴10的转矩将导致通过动力辅助装置112、114、116中的一个输入辅助转矩。
作为一个替代形式，转矩传感器118还可以设置在位置118’处，转向轴1分成输入轴10和输出轴12和经由扭力杆的旋转弹性联接相应地在不同位置呈现，从而能够确定相对旋转并且因此确定待通过输出轴12(所述输出轴12经由扭力杆联接至输入轴10)的相对扭转输入的输入转矩和/或辅助力。
此外，图1中的转向轴1包括至少一个万向接头120，通过所述万向接头120可以使转向轴1在机动车辆中的进程适应于空间条件。
下文在图2至10和11中显示的转向轴1的示例性实施方案可以特别令人满意地与转矩传感器118的布置连同联接至转向轴1的动力辅助装置112(图1中显示)相结合。
图11中显示的转向轴1的实施方案可以特别令人满意地与转矩传感器118’的布置连同联接至小齿轮104的动力辅助装置114或联接至齿条106的动力辅助装置116一起使用。
图2示意性显示了转向轴1，所述转向轴1具有以第一轴部分的形式构造的输出轴12和以第二轴部分的形式构造的输入轴10，输入轴10和输出轴12汇合的区域通过图1中显示的转矩传感器118桥接。输入轴10相对于输出轴12同轴设置并且经由扭力棒以旋转弹性方式连接至输出轴12，所述扭力棒在图2中不可见而是在内部延伸，转向轴1的特定构造在图3至5中阐明。
涡轮1120固定地设置在输出轴12上从而与输出轴12一起旋转从而通过动力辅助装置112输入辅助转矩。因此，动力辅助装置112的电动马达或伺服马达的输出可以作用于涡轮1120。在一个替代形式中，也可以设置液力驱动。动力辅助装置112因此将经由用于驾驶员的转向辅助的转矩传感器118确定的辅助转矩输入输出轴12，并且因此输入机动车辆转向系统100的位于输出轴12下游的所有构件。
为了能够精确确定待经由涡轮1120输入的转矩或辅助力的大小，输入轴10和输出轴12以旋转弹性方式彼此连接，正如上文所述，结果是由驾驶员经由方向盘102输入输入轴10的各个转向指令导致通过动力辅助装置112辅助驾驶员，该动力辅助装置作用于涡轮1120并且因此作用于转向轴1。为了这个目的，设置转矩传感器118，所述转矩传感器118确定输入轴10和输出轴12之间的相对旋转或输入轴10和输出轴12之间的相应的相对旋转角，并且可以基于此确定待通过动力辅助装置112提供的辅助转矩。
图3显示了转向轴1的展开示意图，显示了输入轴10和输出轴12连同涡轮1120。
输入轴10具有用于接收输出轴12的插入区域22的接收区域20，所述插入区域22相对于所述接收区域20互补。这可以在图5的截面图中特别清楚地看到，输出轴12的插入区域22接收在输入轴10的接收区域20中使得输入轴10原则上可以相对于输出轴12自由旋转，但是同时在径向方向上加以引导。在接收区域20和插入区域22之间存在较小游隙，从而可实现基本上无摩擦的旋转。
扭力棒3使输入轴10以旋转弹性方式连接至输出轴12。在图5的截面图中示意性显示了输入轴10与输出轴12的所述旋转弹性连接。为了这个目的，扭力棒3具有在其面对输出轴12的端部处的结合部段30和在其面对输入轴10的端部处的结合部段32。扭力杆3的面对输出轴12的结合部段30固定地连接至输出轴12从而在输出轴12的结合套槽40中随着输出轴12一起旋转。扭力杆3的面对输入轴10的结合部段32固定地连接至输入轴10从而在输入轴10的结合套槽42中随着输入轴10一起旋转。
在此，扭力杆3接收在输出轴12的孔28中并且在输入轴10的结合套槽42的方向上从输出轴12的结合套槽40延伸通过孔28并且通过其打开端部280。
在所显示的实施方案中，扭力杆3具有包括轴承座36的轴承区域34，轴承元件340可以保持在所述轴承座36上，使得例如由图5所示，在结合部段30处固定地保持在输出轴12上从而随着输出轴12一起旋转的扭力棒3可以在输出轴12的孔28中相对于输出轴12自由扭转。
在此，通过轴承元件340相对于输入轴10和输出轴12基本上同轴地保持扭力杆3。在此，避免了输入轴10和输出轴12之间的可能的倾斜位置。
图4示意性显示了转向轴1的组装状态，其中扭力杆3已经插入输出轴12的孔28中，并且扭力杆3的结合部段30以非刚性的强制联锁方式连接至输出轴12的结合套槽40。因此，仅扭力杆3的另一个结合部段32仍然从输出轴12突出，其结果是可以在随后的组装步骤中将输出轴12的插入区域22引入输入轴12的相应接收区域20，因此扭力杆3的结合部段32被压入输入轴10的相应结合套槽42。
当通过方向盘输入高转矩时，为了避免扭力杆3的过载或扭力杆3与输入轴10和/或输出轴12的连接的过载，输入轴10和输出轴12额外优选地经由宽松的强制联锁连接至彼此连接以经由扭力杆3旋转弹性连接，从而预先确定输入轴10相对于输出轴12的相对旋转的最大值以及扭力杆3的扭转的最大值。
因此，在图4显示的组装过程中必须保证扭力杆3结合在宽松的强制联锁连接关于相应最大旋转角的中间位置处。
在图5中，在标识A的圆形细节中示意性显示了轴承元件340，所述轴承元件340设置在扭力杆3的轴承区域34中，并且所述轴承元件340设置在扭力杆3的轴承区域34中的轴承座36和输出轴12的轴承座26之间。轴承座26设置在输出轴12的孔28的内周表面上。在所显示的示例性实施方案中，轴承座26设置在输出轴12的紧邻打开端部280的孔28内。
轴承元件340设置在扭力杆3的轴承区域34中，从而保持孔28中的扭力杆3相对于输出轴12基本上同轴，并且因此避免输入轴10、输出轴12和扭力杆3之间的倾斜位置，从而使转矩测量的任何可能失真和/或可能的噪声形成达到最小化。
在示例性实施方案中，轴承元件340包括预应力元件，所述预应力元件可以形成输出轴12和扭力杆3之间的径向预应力，并且通过这种方式可以保持扭力杆3相对于输出轴12同轴。
图6至10显示了包括预应力元件的轴承元件340的不同改良方案。
图6在第一个示例性实施方案中显示了图5的通过标识A表示的细节。
在所述示例性实施方案中，轴承元件340包括滚动体342，所述滚动体342围绕圆周设置并且保持在形成预应力元件的弹性耐磨轴承环34中。耐磨轴承环344直接支撑在输出轴12的轴承座26上。滚动体342直接在扭力杆3的轴承座36上滚动。因此，输出轴12和扭力杆3经由耐磨轴承环344相对于彼此受到预应力，所述耐磨轴承环344以预应力元件的形式构造并且在滚动体342上施加径向预应力。耐磨轴承环344形式的预应力元件以相应的间接方式(即经由滚动体342)作用于扭力杆3。耐磨轴承环344在此以耐磨轴承外环的形式构造。
以预应力元件的形式构造的耐磨轴承环344优选以片状金属部分的形式构造，例如以中间区域收缩的片状金属套筒的形式构造。在此，片状金属的厚度被构造成使得耐磨轴承环344具有弹性性质并且因此可以施加预应力。
滚动体342可以由塑料构成或者可以以钢体的形式构造，特别是是具有受到径向预应力的滚针轴承的构造。在一个改进方案中，滚动体也可以具有弹性构造，例如为薄的空心钢辊的形式。
在所显示的实施方案中，耐磨轴承344具有锥形形状并且相应地形成朝着扭力杆3的轴承座36向滚动体342施加预应力的弹性部分。
由于轴承元件340具有耐磨轴承环344形式的预应力元件，耐磨轴承342能够始终遵循扭力杆3的轴承座36的外部轮廓。因此，相比于使用常规耐磨轴承或滚针轴承的情况，轴承座36的公差要求和轴承座26的公差要求可以减少，同时也减少了发出脆响的倾向或发出噪声的倾向。
在图7中显示的另一个示例性实施方案中，通过滚动体342和耐磨轴承环344形式的预应力元件形成轴承元件340。在此，耐磨轴承环344支撑在扭力杆3的轴承座36上，并且滚动体342在轴承座26上滚动，其结果是在输出轴12的轴承座26和扭力杆3的轴承座36之间再次建立径向预应力，所述径向预应力保证扭力杆3相对于输出轴12保持同轴。耐磨轴承环344在此以耐磨轴承内环的形式构造。
此外，由于施加的预应力，滚动体342可以以改进的方式遵循轴承座26的轮廓，其结果是即使在减少的公差要求的情况下仍然可以进一步减少发出脆响的倾向。
耐磨轴承环344具有锥形构造，其结果是其在径向方向上在滚动体342上施加预应力，因此在输出轴12的轴承座26和扭力杆3的轴承座36上向滚动体342施加预应力。
图8显示了另一个实施方案中的轴承元件340的截面示意图。在此，轴承元件340通过预应力元件显示，所述预应力元件以径向弹性滑套346的形式构造。径向弹性滑套346具有锥形形式并且因此能够建立径向预应力。
滑套346支撑在轴承座26和轴承座36上，其结果是轴承元件340直接传递预应力。
轴承元件340因此被构造成使得预应力元件344对孔28中的扭力杆3施加径向预应力，使得扭力杆3相对于输出轴12保持同轴。
图9显示了轴承元件340的另一个示例性实施方案，其中预应力元件再次以径向弹性滑套346的形式构造，所述径向弹性滑套346因此充当预应力元件。滑套346具有锥形构造，从而能够施加相应的预应力。
图9中显示的滑套346以与图8所示的定向相反的定向设置在轴承区域26和36之间。
图10显示了另一个截面示意图，其中轴承元件340再次以预应力元件的形式构造，轴承元件340在此通过弹性塑料套筒348构造，所述弹性塑料套筒348在径向方向上提供输出轴12的轴承座26和扭力杆3的轴承座36之间的预应力。原则上，例如由图6、7、8和9所示，预应力元件346、344也可以以塑料套筒的形式构造。
图11显示了另一个实施方案中的转向轴1的立体示意图，所述转向轴1包括输入轴10和输出轴12，并且所述转向轴1例如被设置成与图1的转矩传感器118’一起使用。因此，转向小齿轮104以直接邻接输出轴12的方式设置，并且通过动力辅助装置114将辅助转矩直接施加至转向小齿轮104，和/或通过动力辅助装置116将辅助转矩直接施加至齿条106。图11中显示的转向轴1具有与图2至10的不同实施方案中所示的基本上相同的内部构造。
只要可以应用，单独示例性实施方案中显示的所有单独特征可以彼此组合和/或替代，而不偏离本发明的范围。
附图标记列表
1 转向轴
10 输入轴
12 输出轴
100 机动车辆转向系统
102 方向盘
104 转向小齿轮
106 齿条
108 横拉杆
110 转向轮
112 动力辅助装置
114 动力辅助装置
116 动力辅助装置
118 转矩传感器
118’ 转矩传感器
120 万向接头
1120 涡轮
20 接收区域
22 插入区域
26 轴承座
28 孔
280 打开端部
3 扭力杆
30 结合部段
32 结合部段
34 轴承区域
36 轴承座
340 轴承元件
342 滚动体
344 耐磨轴承环
346 滑套
348 弹性塑料套筒
40 结合套槽
42 结合套槽

Claims (10)

1.用于机动车辆转向系统的转向轴(1)，包括具有孔(28)的第一轴部分(12)，其中为了传递转矩，设置扭力杆(3)用于第一轴部分(12)和第二轴部分(10)的旋转弹性联接，扭力杆(3)安装在孔(28)中从而可以经由轴承元件(340)相对于第一轴部分(12)旋转，
其特征在于，
轴承元件(340)包括预应力元件(344、346、348)。
2.根据权利要求1所述的转向轴(1)，其特征在于，预应力元件(344、346、348)被构造成施加径向预应力。
3.根据权利要求1或2所述的转向轴(1)，其特征在于，轴承元件(340)通过预应力元件构造。
4.根据前述权利要求任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，预应力元件以片状金属元件的形式构造。
5.根据权利要求1至3任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，预应力元件(348)以弹性塑料套筒的形式构造。
6.根据前述权利要求任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，轴承元件(340)为受到径向预应力的耐磨轴承。
7.根据前述权利要求任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，预应力元件(344)以受到径向预应力的耐磨轴承的耐磨轴承内环和/或耐磨轴承外环的形式构造，具有至少一个滚动体(342)。
8.根据前述权利要求任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，预应力元件通过弹性滚动体构造。
9.根据权利要求1至5任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，预应力元件(346)以受到预应力的滑动轴承的形式构造。
10.根据前述权利要求任一项所述的转向轴(1)，其特征在于，第一轴部分(12)额外经由宽松的强制联锁连接而连接至第二轴部分(10)。
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