CN107416010A - 径向预加载齿条轴承 - Google Patents

Abstract

一种齿条齿轮转向系统，其包括：壳体；齿条；小齿轮；以及径向预加载齿条轴承。齿条由壳体支撑，并且小齿轮与齿条啮合。径向预加载齿条轴承被支撑和预加载到壳体上并被预加载到齿条上。本发明能够补偿公差叠加并允许壳体有较大的直径公差，从而降低制造成本和时间。

Description

径向预加载齿条轴承

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2016年5月20日提交的美国临时专利申请序列号62/339,670的优先权，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及齿条轴承，尤其涉及径向预加载齿条轴承。

背景技术

齿条齿轮转向系统是常用形式的经常用于机动车行业的系统。典型的齿条齿轮转向系统用于将旋转运动转换为线性运动，并且可以包括：细长的转向齿条(即齿杆)；拉杆；转向轴；以及小齿轮。通常连接到对应的前轮胎(front tire)的拉杆附接到转向齿条的相对端部。小齿轮被附接到转向轴的端部，并且转向盘被附接到转向轴的相对端部。小齿轮操作性地与转向齿条的齿啮合。转向盘的转动使小齿轮转动，接下来，该小齿轮使齿条以线性方式移动。

许多系统部件通常有利于小齿轮与齿条的可操作啮合，并且可以包括齿条轴承(即，齿条轭或靴)、壳体和其它部件。支持这种啮合连接的已知设计和配置易于造成不期望的噪音、提供不符合期望的转向感觉性能、增加维护复杂性、以及其他问题。

因此，期望对可操作的、啮合的连接和/或相关的部件进行改进，以(举例来说)使系统噪声最小化、改善系统感觉并优化耐用性。

发明内容

在本申请的一个示例性和非限制性的实施例中，齿条齿轮转向系统包括：壳体；齿条；小齿轮；以及径向预加载齿条轴承。齿条由壳体支撑，并且小齿轮与齿条啮合。径向预加载齿条轴承被支撑且被预加载到壳体上，并被预加载到齿条上。

在另一个示例性实施例中，用于齿条齿轮转向系统的齿条轴承包括第一半圆柱形节段和第二半圆柱形节段。第二半圆柱形节段操作性地联接到第一半圆柱形节段，用于径向的膨胀和收缩。

从下面结合附图的描述中，这些和其他优点和特征将变得更加明显。

附图说明

本发明的主题在权利要求书中被特别指出并明确地要求保护。由以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他的特征以及优点是明显的，其中：

图1是根据本申请的示例性实施例的齿条齿轮转向系统的局部横截面；

图2是类似于图1的齿条齿轮转向系统的横截面，但去除了一些组件来显示细节；

图3是沿着图2中箭头3-3的方向观察的齿条齿轮转向系统的横截面；

图4是观察第一端面的齿条齿轮转向系统的齿条轴承的立体图；

图5是观察相对的第二端面的齿条轴承的另一立体图；

图6是齿条轴承的第二实施例的立体图；

图7是齿条轴承的半圆柱形节段的立体图；

图8是齿条齿轮转向系统的第三实施例的横截面；以及

图9是沿图8中箭头9-9的方向观察的齿条齿轮转向系统的齿条轴承的横截面。

具体实施方式

现在参考附图，借助特定实施例(但不限于此)来描述本发明，可用于机动车的齿条齿轮转向系统20有助于将旋转运动转换成线性运动。参考图1，齿条齿轮转向系统20可以包括：细长的转向齿条22(即，齿杆)；两个拉杆(未示出)；转向轴24；(小)齿轮(piniongear)26；壳体28；齿条轴承30；以及弹性柔性构件32，此构件适合沿关于中心线C2的轴向方向施加偏置力。在一个示例中，构件32可以是螺旋弹簧。每个拉杆可在齿条22的相应端部和未示出的对应轮胎(例如，前轮胎)之间横跨，并且操作性地连接到齿条22的相应端部和未示出的对应轮胎(例如，前轮胎)。小齿轮26可以附接到转向轴24的一端部，以围绕轴线A旋转，且转向盘(未示出)可以被附接到相对的端部。小齿轮26被构造和设置成与转向齿条22的齿34操作性地啮合。转向盘的转动使小齿轮26旋转，该小齿轮接下来沿着中心线C1以基本上线性的方式移动齿条22。

参见图1至图3，齿条轴承30适于支撑齿条22，并且对小齿轮26和齿条22之间的啮合接合部进行预加载。齿条轴承30可基本上且可滑动地装配在基本上圆柱形的孔36内，该孔具有由壳体28的基本上圆柱形的内表面38所限定的边界。孔36和表面38可以基本以中心线C2为中心，中心线C2可垂直于中心线C1和/或与中心线C1相交。由于齿条轴承30在壳体28的孔36内沿轴向滑动，所以齿条轴承30能够将调节器弹簧32(见图1)的轴向预加载力(见图2中的箭头40)传递到啮合接合部。可通过相对于齿条轴承30调整调节器插塞42，来限制滑动运动的量，齿条轴承30可以螺纹式地接合到壳体28。

参见图2至图5，齿条轴承30可包括：轴向基准端面44，轴向基准端面44可呈环形；以及相对的齿条接触端面46，齿条接触端面46可呈凹形以与齿条22滑动接触。齿条轴承30可以包括孔48，该孔可以是盲孔并具有由齿条轴承30的基本上圆柱形的内表面50和弹簧座52限定的边界。调节器弹簧32可以在弹簧座52和调节器插塞42之间直接地施加轴向预加载力40。齿条轴承30的基本上圆柱形的外表面54可以关于中心线C2沿轴向横跨在端面44、46之间、并且沿径向与壳体28的内表面38相对。

齿条轴承30还可包括狭槽56；狭槽56可与中心线C2共平面(即，位于公共假想平面内)，可与盲孔48连通，并且可穿过外表面54、内表面50、端面44、46和弹簧座52连通。更具体地，狭槽56可以通过内表面50的两个沿直径相对的位置和外表面54的一个周向位置连通。因为狭槽没有通过外表面54的两个沿直径相对的位置连通，所以齿条轴承30可基本上是一整体且均匀的块件，该块件具有两个半圆柱形节段58、60，而这两个半圆柱形节段由齿条轴承30的整体式铰接部62来附接。也就是说，狭槽56将大部分齿条轴承30分成节段，留下一小部分柔性材料作为铰接部62。

铰接部62可以关于中心线C2基本呈细长形轴向地延伸。外表面54的和端面44、46的相对较小的部分可由整体式铰接部62来承载。在一个示例中，齿条轴承30可以由注塑聚合物制成。

参见图2和图3，齿条轴承30的外径(参见箭头64)的尺寸可被设计成在壳体28的内表面38和齿条轴承30的外表面54之间实现初始的周向小间隙(见箭头66)。齿条轴承30的经由铰接部62的弯曲造成的径向压缩通常可以增大间隙66；并且轴承的径向膨胀通常可以减小间隙66，直到该间隙不再沿周向连续、且内表面38和外表面54在凸起部80处彼此直接滑动接触为止。可以想到和理解的是，铰接部62可适于在半圆柱形节段58、60上施加偏置力，从而引起这些节段沿径向向外地移动。

参见图3和图5，狭槽56的边界可由对应的半圆柱形节段58、60的相对的侧面68、70限定。齿条齿轮系统20还可以包括至少一个弹性构件72；该弹性构件在侧面68、70之间延伸，并且与每个节段58、60偏置性地接触以施加沿径向向外偏置节段58、60的力(参见图2和图3中的箭头74)。通常，弹性构件72可以靠近外表面54并且与铰接部62沿直径地相对。弹性构件72可以由橡胶或类橡胶材料来制成。构件72的另一示例可以是弹性弹簧。

在将齿条轴承30组装到壳体28内时，齿条轴承30可以逆着弹性部件72的偏置力74沿径向收缩，从而进一步压缩对应的半圆柱形节段58、60的侧面68、70之间的构件。随着弹性构件72明显地被压缩，基本上造成壳体28的内表面38与齿条轴承30的外表面54之间的间隙66能够使齿条轴承30沿轴向插入到壳体28的孔36中。一旦被插入，齿条轴承30的释放就可以引起弹性构件72膨胀，从而使齿条轴承30沿径向膨胀，直到齿条轴承30的外表面54接触壳体28的内表面38为止。

间隙66的大小、弹性构件72的可压缩性(即压缩系数)、以及其他因素可以被适当地设计和设定，以补偿各部件(例如齿条轴承30和壳体28)之间的任何热膨胀系数。这些部件之间的热膨胀相互作用至少部分地取决于材料类型。例如，齿条轴承30可以由聚合物制成，而壳体28可以由金属制成。金属的一个例子可以是铝。这些材料选择可以对于减轻重量是理想的，并且这些部件的新型结构可以防止或减少齿条轴承30卡在壳体28上的任何可能性。

在温度变化期间，径向预加载齿条轴承30可在齿条轴承30和壳体28之间形成线对线配合。当温度升高并且如果齿条轴承30比壳体28增大更多，齿条轴承可以略微挤压。当温度降低并且齿条轴承30比壳体28收缩得更多，弹性构件72可以使齿条轴承30膨胀抵靠壳体28。

因为径向预加载齿条轴承30可以补偿齿条轴承的外径和壳体内表面直径之间的尺寸差异，所以可以增大壳体内表面公差。这将减少机械加工操作的数量和循环时间。此外，若齿条轴承30由聚合物制成，那么齿条轴承30在注塑工序之后就可能不需要任何二次机械加工操作或其它二次设定尺寸的操作。

在正常操作期间并且为了限制系统的震动声(rattle)和敲击声(clunk)以及优化系统“感觉”性能，齿条轴承30可以在所有温度和操作条件下保持与壳体内表面38的线对线配合。而且在操作期间，调节器弹簧32也可以沿着中心线C2支承在齿条轴承30的弹簧座52上。接下来，齿条轴承30的接触端面46支承在齿条22上。接触端面46的轮廓通常可以与齿条22的轮廓匹配、和/或一般可以包括接触点76、78(参见图2)，从而使得齿条22和齿条轴承30在偏离中心线C1、C2中的一个或两个大约四十五(45)度的点处彼此接触。通常，接触点76、78可以由齿条轴承30的端面46产生，该端面的曲率半径大于转向齿条22的相对的外圆柱形表面的曲率半径。

接触点76、78的上述设置或定向可以有助于齿条轴承30的径向向外扩展并且可以迫使齿条轴承30接触壳体28的内表面38。在一个实施例中，多个凸起部80(即，所示四个)可以围绕中心线C2周向地间隔开并被承载在齿条轴承30的外表面54和壳体28的内表面38之间。在一个实施例中，齿条轴承30可以承载凸起部80，并且壳体28的内表面38可以是圆柱形和/或比齿条轴承30的外表面54更圆柱形。尽管未示出，但是可以想到和理解的是，半圆柱形节段58、60(即，基本上圆柱形)可各自包括仅一个凸起部80，其中，总共两个凸起彼此分离大约一百八十度(180度)地沿周向间隔开。

凸起部80可以有助于稳定性，而不必在圆形齿条轴承外径与壳体孔36之间保持高度一致性。可以想到和理解的是，在一些实施例中，使用凸起部80和/或使用接触点76、78，可允许一定的设计灵活性，从而略微偏离齿条轴承30的面54和/或端面46的大致圆柱形形状。

在一个实施例中，由于操作特性可能不需要弹性构件72。例如，在像因转向操纵而使齿条力增大的操作中，或从车辆底盘输入的操作中，齿条轴承30与壳体28之间的预加载力74可以成比例地增加。齿条轴承30被加载越多，冲击力(delashing force)被施加得就越多。在径向预加载足以防止发生震动声同时保持平稳操作的情况下，可能不需要弹性构件72。

参考图6和图7，其示出了齿条轴承的第二实施例，其中，与第一实施例相似的元件具有除撇号后缀之外相同的附图标记。齿条轴承30'可以包括两个分开的半圆柱形节段58'、60'，这两个半圆柱形节段具有彼此相对的对应侧面68'、70'。为了简化制造和降低成本，每个节段58'，60'可以相同。第一键72'可以从每个侧面68'、70'突出，以便容置在由相对的另一侧面70'、68'所限定的凹部82中。键72'通常适于在节段58'、60'之间随着这些节段沿径向膨胀和收缩而进行定向和保持定向。在一个示例中，键72'可以是对应于节段58'、60'的一整体且均匀的块件。在另一示例中，键72'可以是弹性构件。弹性构件的示例可以包括弹性体材料(例如橡胶)、弹簧等等。

参见图8和图9，其示出了齿条轴承的第三实施例，其中，与第一和第二实施例相似的元件具有除双撇号后缀之外相同的附图标记。类似于第二实施例，齿条轴承30”可以包括两个分开的半圆柱形节段58”、60”。这些节段可以包括彼此相对的对应侧面68”、70”。为了简化制造和降低成本，每个节段58”、60”可以相同。多个弹性构件72”(即，所示六个)可以在每个侧面68”、70”之间延伸并且与转向侧面偏置性地接触。

弹性构件72”可被定向以确保期望的径向膨胀。例如，在径向膨胀和收缩期间，相对的侧面68”、70”可以保持基本上彼此平行。在一个示例中，第一组三个弹性构件72”可以彼此分离地沿轴向间隔开，且彼此沿周向对齐、并靠近基本上圆柱形的表面54”。第二组三个弹性构件72”可以彼此分离地沿轴向间隔开，彼此沿周向对齐、并靠近基本上圆柱形的表面54”。第一组弹性构件72”可以与第二组弹性构件72”沿周向间隔开大约一百八十度(180度)。如图所示，弹性构件72”是螺旋弹簧；然而，这些构件也可由任何可弹性地膨胀和可压缩的材料制成。

本发明的优点和益处包括补偿了公差叠加并允许了较大壳体直径公差的设计，从而降低了制造成本和时间。本发明的设计有助于通过补偿铝壳体和塑料齿条轴承组件部件之间的热膨胀差异来使用聚合物齿条轴承组件。其他优点包括齿条轴承30和壳体28之间的摩擦力，这种摩擦力在齿条和齿轮分离方向上提供了阻尼，并且消除了对较传统的径向O形环的任何需要。

虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为合并迄今为止未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、替换、替代或等同设置。附加地，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的这些方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种齿条齿轮转向系统，包括：

壳体；

由所述壳体支撑的齿条；

与所述齿条啮合的小齿轮；以及

径向预加载齿条轴承，被支撑和预加载到所述壳体上并被预加载到所述齿条上。

2.根据权利要求1所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条被构造和设置成沿着第一中心线移动，并且所述齿条轴承沿着横穿所述第一中心线的第二中心线延伸。

3.根据权利要求2所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承相对于所述齿条被轴向地预加载，且相对于所述壳体关于所述第二中心线被径向地预加载。

4.根据权利要求3所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承与所述壳体直接接触。

5.根据权利要求3所述的齿条齿轮转向系统，还包括：

弹簧，被构造和设置成相对于所述齿条轴向地偏置所述齿条轴承。

6.根据权利要求5所述的齿条齿轮转向系统，还包括：

插塞，接合到所述壳体，其中，所述弹簧关于所述第二中心线轴向地在所述齿条轴承和所述插塞之间被弹性地压缩。

7.根据权利要求3所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承包括第一半圆柱形节段和第二半圆柱形节段，所述第一半圆柱形节段和第二半圆柱形节段彼此被径向向外地偏置。

8.根据权利要求7所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述第一半圆柱形节段和第二半圆柱形节段彼此沿直径相对。

9.根据权利要求7所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承包括弹性构件，所述弹性构件被构造和设置成将所述第一半圆柱形节段径向地偏置而离开所述第二半圆柱形节段。

10.根据权利要求7所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承包括附接到所述第一半圆柱形节段和第二半圆柱形节段的轴向地延伸的铰接部。

11.根据权利要求10所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承是整体且均匀的块件。

12.根据权利要求11所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述齿条轴承由注塑聚合物制成。

13.根据权利要求8所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述第一半圆柱形节段和第二半圆柱形节段是分开的节段。

14.根据权利要求13所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述第一半圆柱形节段包括第一面，并且所述第二半圆柱形节段包括与所述第一面相对的第二面，而且其中，齿条轴承包括在所述第一面和第二面之间延伸且周向地间隔开的第一键和第二键，所述第一键和第二键用于使所述第一半圆柱形节段与所述第二半圆柱形节段定向。

15.根据权利要求14所述的齿条齿轮转向系统，其中，所述第一键和第二键是弹性构件。