CN107207036B - 用于将辅助扭矩引入至转向轴的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将辅助扭矩引入至机电动力转向系统(100)的转向轴(1)的装置(2)，该装置(2)具有电动机(4)，该电动机包括电动机轴(40)，该电动机轴(40)经由联接元件(6)联接至大齿轮(21)以便于传递扭矩，所述大齿轮与齿轮(20)相啮合，该齿轮(20)以抗旋转的方式布置在转向轴(1)上。本发明的目的在于在电动机(4)和大齿轮(21)之间提供制造不复杂并且成本较低的改进的联接件。根据本发明，由于联接元件具有比电动机轴(40)和大齿轮(21)的扭转柔性更大的扭转弹性杆件(6)，因此该目的得以实现。

Description

用于将辅助扭矩引入至转向轴的装置
背景技术
本发明涉及用于将辅助扭矩引入至机电助力转向系统的转向轴的装置，该装置具有电动机，该电动机包括电动机轴，该电动机轴借助于联接元件以抗扭转的方式联接到大齿轮，该大齿轮与齿轮相啮合，该齿轮以共同旋转的方式布置在转向轴上。
在现有技术中，已知具有助力装置的机动车转向系统，在这种情况下，除了由驾驶员手动施加到方向盘上的转矩之外，用于辅助驾驶员并减轻驾驶员负担的辅助力借助于机电助力装置被引入至转向系统中，附加转向角也可以被引入至转向系统中。待引入的辅助力基于扭矩(即转矩的大小)来确定，该扭矩被引入至转向轴的方向盘侧部分(输入轴)并且经由与输入轴相连接的输出轴被引入至转向机构。在转向机构中，转向轴的旋转运动被转换成轨道杆的移动并且作为转向运动被传递给车轮以用于转向。
在引言中所提及的结构类型的装置的情况下，除了手动输入的转矩之外，辅助力作为辅助扭矩联接至转向轴。这里，辅助扭矩由电动机产生，控制器根据所测量的转矩、转向角和/或其他测量变量来驱动该电动机。电动机的电动机轴以共同旋转的方式(即抗扭转的方式)连接到大齿轮，在已知类型的构造中，该大齿轮例如为蜗杆的形式并且与齿轮啮合，该齿轮相应地为蜗轮的形式并且以共同旋转的方式附装到转向轴。辅助扭矩可以借助于输出轴上的大齿轮、输入轴或转向机构的转向小齿轮的布置被引入至转向轴。
为了可靠的低磨损的操作并且为了产生舒适的协调的转向感，实际上需要辅助扭矩以无震动和无急推的方式引入至转向系统中并且还需要不会产生干扰的操作噪声。为了实现这一点，现有技术中已知在电动机轴和大齿轮之间布置联接元件，例如蜗杆。为了使扭矩的引入均匀并且补偿不期望的间隙，DE 10 2012 010 869 A1中已知在电动机轴和蜗杆之间使用联接元件，该联接元件是阻尼联接器的形式并且包括内转子和外转子，内转子和外转子之间布置由弹性体材料形成的阻尼元件。以这种方式，提供了一种类型的爪形联接件，该联接件允许以弹性阻尼的方式联接辅助扭矩。
现有技术中已知的联接元件的缺点在于包括多个功能部件的结构相对复杂，这导致制造和成本的费用较高。此外，还占用相对较大的结构空间。
鉴于上述问题，本发明的目的在于，在引言中所提及的类型的装置的情况下，在电动机和大齿轮之间提供制造和成本的费用较低的改进的联接件。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了，联接元件包括扭转弹性杆件，其比电动机轴和大齿轮的扭转柔性更大。
同轴布置的杆件优选在电动机轴和大齿轮(例如蜗杆)之间形成连接轴。在本文中，根据本发明的特定技术特征在于，杆件围绕其纵向轴线的扭转柔性(即扭转弹性)比电动机轴更大，并且同样地，该杆件比大齿轮的弹性更大。换句话说，弹簧元件形成扭杆弹簧，就围绕其纵向轴线的旋转而言，该扭杆弹簧展现出比电动机轴更小的弹簧刚度(即扭转刚度)并且比大齿轮更小的扭转刚度。这具有如下效果：在辅助扭矩的传递期间，电动机轴和大齿轮保持未变形(即他们非固有地扭曲)，而杆件根据作用于其端部的扭矩而进行弹性扭曲。这里，表述“未变形”应理解为表示相对于杆件的相对较大的扭曲角，电动机轴和大齿轮在扭矩作用下仅以很小的程度弹性变形。
本发明的优点在于联接元件可以通过单个部件(即杆件)来实现。所述杆件的生产和安装的费用较小，其中，从扭杆弹簧中已知的综合专家知识可以直接用于设计和生产过程中。因此，关于所需的弹性和其他机械特性(例如强度、扭转和弯曲刚度、弹簧特性曲线、阻尼特性、振动特性等)，也可以用较少的费用来对联接元件进行改变。从而可以实现有利的生产成本。
由于通过构造杆件的尺寸和材料可以将弹性特性(诸如弹簧常数和弹簧动程或弹簧角度等)预定义在较宽的范围内，因此扭矩传递连接元件对当前使用情况的具体要求的适应情况可以优化。以这种方式，例如可以提供足够大的弹力，以便于在遇到的所有操作条件下确保低噪音的磨损较小的功能。
将根据本发明的扭杆弹簧作为联接元件的另一个优点在于相对于其他已知类型的弹簧和阻尼元件，可以实现特别小的结构形式。与已知的弹簧装置(爪形联接件等)相比，通常情况下，横截面或直径将小于电动机轴、大齿轮或大齿轮的轴的横截面或直径。这是由于具有圆形横截面的扭杆的弹簧刚度与d4(d＝直径)成比例并且与弹性长度L成反比。在安装长度由可用安装空间来预定义的情况下，通过考虑材料强度、剪切模量和待传递的扭矩，可以易于计算出杆件的横截面。
杆件将辅助扭矩从电动机轴传递到大齿轮。这里，优选可以在电动机轴和大齿轮之间设置过载保护装置，该过载保护装置在超过极限扭矩的情况下保护杆件免于损坏。这可以借助于电动机轴和大齿轮之间的松弛形配合来实现。当超过电动机轴和大齿轮之间的极限扭矩和相关的相对扭曲角度时，所述形配合起作用，使得辅助扭矩直接从电动机轴传递到大齿轮。过载保护装置可以例如借助于电动机轴上的具有两个平坦侧面的轮廓和大齿轮上的具有两个平坦侧面的相应孔来实现，其中这些轮廓和孔借助于松弛形配合相互作用。过载保护装置的优点在于增大操作可靠性。
杆件的扭转刚度优选为在5Nm/°至30Nm/°之间。
其他优点的产生是由于杆件的弯曲弹性比电动机轴和大齿轮更大。具体而言，杆件同样包括预定弯曲刚度，该预定弯曲刚度是横向于杆件的纵向跨度的弯曲的弹簧刚度。这里，杆件展现出比电动机轴更低的弯曲刚度，并且同样展现出比大齿轮或大齿轮的轴更低的弯曲刚度。在杆件弯曲的情况下，在径向上向转向轴施加的弹力可用于使大齿轮-例如蜗杆-弹性地推靠齿轮-例如蜗轮。为此，预定义相对于电动机轴和大齿轮的共同轴线的角度偏移，使得大齿轮的齿部在与齿轮的齿部相啮合的方向上以弹簧加载的方式被预加载。这允许只借助于联接元件在大齿轮和齿轮之间进行无间隙的啮合，而无需如现有技术中的附加的弹簧加载装置或预加载装置。以这种方式，可以减少部件的数量，降低制造和组装方面的费用，从而降低成本费用。
杆件的自由长度至少为2mm，并且在优选实施例中为5mm，自由长度是大齿轮和齿轮上的夹紧点或紧固点之间的长度并且可用于弹性扭转或弯曲。自由长度特别优选包括5mm至40mm之间的数值。本发明的实施例提供的是，杆件具有比电动机轴和大齿轮更小的横截面面积和/或更低的扭转几何惯性力矩。以这种方式，特别就将杆件紧固至电动机轴和大齿轮而言，可以实现特别紧凑的结构形式。
关于所使用的弹性材料，相对于电动机轴和大齿轮，杆件可以由剪切模量更大、相同或更小的材料来制造。为了使杆件适应于给定的边界条件(诸如结构空间、待传递的扭矩、扭转和弯曲刚度、弹簧特性曲线、阻尼特性、振动特性等)，有利的是针对与制造电动机轴或大齿轮的材料无关的优化功能，来选择杆件的材料。例如，可以想到使用剪切模量较低的材料，以便于通过足够大的材料横截面实现软弹簧作用，或者使用剪切模量较高的材料，以便允许更小的横截面或更小的结构尺寸。
此外有利的是，杆件借助于力配合和/或形配合和/或材料连接而连接到电动机轴和/或大齿轮。需要在电动机轴和大齿轮之间产生抗扭转的连接，以便于传递扭矩。例如，杆件被按压或者热收缩配合成过盈配合以便于形成力配合，或者可以使用钉入或楔入构造的形式的连接元件。或者，可以通过彼此接合的多边形或非圆形连接元件来实现形配合连接，其中，有利的改进是所谓的滚花连接。这里，杆件和/或电动机轴或大齿轮中的相应容纳孔具有轴向的纵向齿部，该纵向齿部在压入过程期间通过塑性变形插入到连接对象的相应结合表面。以这种方式，可以形成特别牢固的力配合和形配合。还可以想到并且可行的是，杆件上设置呈横向滚花或纵向滚花形式的卷绕构造，并且所述杆件被压入圆柱形容纳孔中。纵向滚花或横向滚花有利地可以形成在容纳孔中。材料连接例如可以通过粘结、摩擦焊接、超声波或激光焊接方法等替代地或附加地产生。通过现有技术中用于夹紧扭杆的已知连接方法，基本可以选择出最符合要求的结合技术。
在本发明的有利的实施例中，杆件与电动机轴和/或与大齿轮一体地形成。这里，形成一体的部件，其中，杆件和电动机轴、或者杆件和大齿轮(例如蜗杆)或者杆件和电动机轴和大齿轮由具有相同材料的单个部件来制造。材料例如可以由钢制成，所述一体杆件可以通过非切削和/或切削加工工艺由钢生产。所述材料的硬度在其各个功能区域上连续均匀，或者所述材料也可以包括具有不同硬度的区域。因此，例如可以想到，通过局部硬化来形成具有不同特性的区域，以例如实现蜗杆的特别坚固的表面。例如可以以感应的方式进行局部硬化。为此，同样可以想到，特别合适的表面结构或表面涂层(例如氮化钛、碳化硅、碳化硼等)被施加到整个一体部件或其一部分，以便改善滑动特性和/或牢固性。
大齿轮优选为蜗杆的形式，并且齿轮优选为蜗轮的形式。这是用于引入辅助扭矩的轮系的已证实的实施例，在这种情况下，根据本发明，蜗杆借助于杆件(即扭转弹性扭杆)连接到电动机轴。以这种方式，扭矩可以以无急推和无冲击的方式联接。此外，由于其弯曲弹性特性，扭杆可以用于将蜗杆推动到与蜗轮相啮合。由于电动机轴的旋转轴线和蜗杆的旋转轴线之间的预定义的角度偏置，这可以易于实现，使得杆件弹性弯曲。这里出现的回复力确保蜗杆的蜗杆螺纹线程与蜗轮的齿部无间隙地啮合。这有助于提高运行平稳性并且减小磨损。
附图说明
以下将基于附图更详细地讨论本发明的有利的实施例，其中，详细而言：
图1示出了机动车的具有助力装置的转向系统的示意性立体图；
图2示出了根据本发明的用于引入辅助扭矩的装置在部分拆卸状态下的示意性立体图；
图3示出了穿过第一实施例的根据图2的装置的示意性剖视图；
图4示出了穿过第二实施例的根据图2的装置的示意性剖视图；
图5示出了穿过第三实施例的根据图2的装置的示意性剖视图；
图6示出了根据本发明所设计的包括电动机轴、联接元件和蜗杆的组件的立体图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的部分总是由相同的附图标记来表示，因此通常每个相同的部分均只被提及一次。
图1示意性示出了包括转向轴1的机动车转向系统100。转向轴1的输入轴10附装有方向盘102，驾驶员可以借助于该方向盘102输入转向扭矩-也被简称为转矩-来作为向转向轴1的转向指令。转矩经由转向轴1传递给转向小齿轮104，该转向小齿轮104与齿条106啮合，然后该齿条106转而借助于轨道杆108的移动将预定转向角传递给机动车的转向轮110。
可以提供电力辅助装置来作为助力装置112和/或助力装置114和/或助力装置116，其中，助力装置112在输入侧联接到转向轴1，助力装置114在小齿轮104处联接到转向轴1，并且助力装置116联接到齿条106。助力装置112或114在每种情况下均包括用于将辅助扭矩引入转向轴1的装置2，借助于该装置2可以将辅助扭矩或附加转向角联接到转向轴1或转向小齿轮104，从而辅助驾驶员进行转向操作。同样可以借助于助力装置116来实现辅助，借助于该装置116，线性辅助力可以经由齿条106引入至轨道杆108。图1所示的三种不同的助力装置112、114和116示出了其可能的布置位置。
通常，所示位置中只有一个位置被助力装置112、114或116占用。辅助扭矩或辅助力借助于相应的助力装置112、114或116来施加以便于辅助驾驶员，通过考虑驾驶员输入的和扭矩传感器所检测的转矩，来确定辅助扭矩或辅助力。所述类型的扭矩传感器通常与装置2一起集成在助力装置112或114中并且在此未详细地说明。
为了简单地总结，在扭矩传感器中，输入轴10和输出轴12借助于扭杆以弹性转动的方式彼此联接。因此，如果输出轴12未相对于输入轴10精确地同步转动，由驾驶员经由方向盘102输入给输入轴10的转矩导致输入轴10相对于输出轴12相对转动。输入轴10与输出轴12之间的所述相对转动可以借助于旋转角传感器来测量，并且与输出轴12相对应的相应输入扭矩可以基于扭杆的已知扭转刚度来确定。以这种方式，扭矩通过测量输入轴10和输出轴12之间的相对扭转来确定。所述类型的扭矩传感器原则上是已知的并且例如可以借助于电磁传感装置或测量相对旋转的一些其他装置来实现。
相应地，基于所测量的由驾驶员经由方向盘102向转向轴1或输入轴10施加的转矩，来计算借助于助力装置112或114的一者中的装置2引入至转向轴的辅助扭矩。
替代地或与辅助扭矩的引入相结合地，助力装置112、114、116可以将附加转向角引入至转向系统，该附加转向角被加在由驾驶员经由方向盘102所施加的转向角上。
图1中的转向轴1还包括至少一个(优选两个)万向接头120，借助于该万向接头，转向轴1在机动车中的轮廓可以适应于空间条件。
图2在立体图中部分地示出了装置2，其中，为了更好地观察，省略了朝向观察者的一侧的轴向壳体盖。蜗轮20形式的大齿轮以共同旋转的方式附装到转向轴1，更具体地附装到输出轴12，该输出轴12与转向轴轴线200共轴，该转向轴轴线200因此也形成了蜗轮轴线。借助于蜗轮20围绕蜗轮轴线200的旋转，可以将辅助扭矩引入至转向轴1中，以便于将辅助力或附加转向角相应地引入至转向系。蜗轮20布置在壳体3中。借助于传感装置5(例如磁传感装置)，可以测量输入轴10相对于输出轴12的扭转，并且由此可以确定由驾驶员输入至方向盘102的转向扭矩。
图3示出了穿过第一实施例的根据图2的装置2并穿过蜗轮20的、与转向轴轴线200(蜗轮轴线)相垂直的截面。由此可以看出蜗杆21与蜗轮20相啮合，蜗杆21的蜗杆轴线210横向于蜗轮轴线200。蜗杆21安装在轴承装置22中，以便于能够在壳体3中围绕蜗杆轴线210旋转。
电动机4通过凸缘安装到壳体3上，该电动机包括电动机轴40，该电动机轴40能够围绕其电动机轴轴线400旋转。电动机轴安装在滚动轴承41、42中。
电动机轴40借助于联接元件(具体地，根据本发明的扭转弹性杆件6)以抗扭转的方式连接到蜗杆21。杆件6形成具有自由长度L的扭转弹性扭杆，该自由长度L是在电动机轴40和蜗杆21处的夹紧点或紧固点之间的长度，并且在所述自由长度L上，所述扭杆展现出比电动机轴40和蜗杆21更低的扭转刚度。自由长度L优选可以大于2mm，并且约为5mm的长度L是有利的。
图3示出了第一实施例，在该实施例中，电动机轴40、杆件6和蜗杆21开始被制造为分离的部件并且随后以相对于旋转轴线400或210共同旋转的方式轴向结合在一起。为此，在电动机轴40的输出侧端部形成同轴孔43，杆件6的第一端部区域61以共同旋转的方式插入该同轴孔43中。同样地，杆件6的第二端部区域62以共同旋转的方式插入到位于蜗杆21的电动机侧端部的同轴孔23中。
杆件6的端部区域61、62可以以较大尺寸被压入孔43、23中，使得形成力配合连接。端部区域61、62和相应的孔43、23也可以具有非圆形横截面(例如多边形)，使得就围绕轴线400、210的旋转而言形成形配合。用于产生抗扭转的牢固连接的另一种可行方案包括：杆件的端部区域61、62和/或孔43、23具有纵向齿部，在轴向压入过程中，该纵向齿部通过塑性变形插入连接对象的结合面。以这种方式，可以形成特别牢固的力配合和形配合。材料连接例如可以通过引入粘合剂的粘接、摩擦焊接、超声波或激光焊接方法等替代地或附加地产生。实际上，同样可以想到使用诸如销、滑键、楔形物等附加连接元件。
杆件6开始形成为分离的部件的优点在于可以自由地选择材料，该材料例如具有较大或较小的剪切模量或者与电动机轴40或蜗杆21不同的其他材料特性。
在图4所示的替代实施例中，电动机轴40与杆件6一体地形成，即由一个材料件制造。通常由钢组成的电动机轴40因此可以在输出侧变化成直径相对较小的部分，该部分形成杆件6。例如由于形成杆件6的部分的横截面可以通过压制或滚压成获得期望的扭转刚度(小于电动机轴40的扭转刚度)而以非切削的方式来减小，因此这种形状的电动机轴40可以特别经济地制造。在自由端区域62上，也同样可以易于形成纵向齿部，该纵向齿部允许借助于易于执行的轴向压入运动，来与蜗杆21力配合和形配合连接。
图5中示出了另一个替代实施例，其中电动机轴40与杆件6和蜗杆21一体地形成，即由一个材料件形成。以这种方式，形成单个整体部件，该部件无需结合连接并且可以经济地制造。在该实施例中，杆件6的弹性特性可以受其尺寸和形状的影响。此外，如果使用钢作为材料，则可以想到电动机轴40、杆件6和蜗杆21的各个功能区域借助于局部热处理而具有不同的材料特性，例如强度、硬度等。同样可行的是，各个区域的功能借助于表面处理(例如硬质材料涂覆等)来适应于设定的需求。
图6示出了由电动机轴40、杆件6和蜗杆21形成的组件，其中可以实现根据图3、图4或图5的结构类型。
在所示的实施例中，蜗杆轴线210和电动机轴轴线400彼此对准，即，在所示的截面中，他们围成180°的角度α。然而，也可以想到电动机4以角度偏移的方式布置，使得电动机轴轴线400和蜗杆轴线210之间围成小于180°的角度α。以这种方式，杆件6在其自由长度L上弯曲，即预加载成弯曲状态，其中，所产生的弯曲力矩经由径向抵靠蜗轮20的齿部的蜗杆21吸收。换句话说，蜗杆21推动其蜗杆螺纹与蜗轮20相啮合。这在引入辅助扭矩期间产生无间隙的啮合和较高的运行平稳性。
附图标记列表
1 转向轴
10 输入轴
12 输出轴
100 机动车转向系统
102 方向盘
104 转向小齿轮
106 齿条
108 轨道杆
110 转向轮
112 助力装置
114 助力装置
116 助力装置
120 万向接头
2 用于引入辅助扭矩的装置
20 蜗轮
200 蜗轮轴线
21 蜗杆
210 蜗杆轴线
22 轴承装置
23 孔
4 电动机
40 电动机轴
400 电动机轴轴线
41 轴承
42 轴承
43 孔
5 传感装置
6 杆件
61 端部区域
62 端部区域

Claims (10)

1.一种用于将辅助扭矩引入至机电助力转向系统(100)的转向轴(1)的装置(2)，所述装置(2)具有电动机(4)，所述电动机(4)包括电动机轴(40)，所述电动机轴(40)借助于联接元件(6)以抗扭转的方式联接到大齿轮(21)，所述大齿轮(21)与齿轮(20)相啮合，所述齿轮(20)以共同旋转的方式布置在所述转向轴(1)上，
其特征在于，
所述联接元件包括扭转弹性杆件(6)，所述扭转弹性杆件(6)的扭转柔性比所述电动机轴(40)和所述大齿轮(21)更大。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)的扭转刚度为5Nm/°至30Nm/°。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)的自由长度(L)至少为2mm。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)的自由长度(L)为5mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)的弯曲弹性比所述电动机轴(40)和所述大齿轮(21)更大。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)具有比所述电动机轴(40)和所述大齿轮(21)更小的横截面面积和/或更低的扭转几何惯性力矩。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)相对于所述电动机轴(40)和所述大齿轮(21)由剪切模量更大、相同或更小的材料制成。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)借助于力配合和/或形配合和/或材料连接而连接到所述电动机轴(40)和/或所述大齿轮(21)。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杆件(6)与所述电动机轴(40)和/或与所述大齿轮(21)一体地形成。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大齿轮为蜗杆(21)的形式，并且所述齿轮为蜗轮(20)的形式。
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