CN107531273A - 一种用于电动助力转向组件的变速器组件 - Google Patents

Abstract

一种用于电动助力转向装置的变速器组件(100)包括容纳蜗杆轴(3)和蜗轮(10)的变速器壳体，蜗杆轴是由最靠近电动机(4)的端部处的主轴承(5)和由距电动机最远的端部处的尾轴承(6)相对于壳体(2)支撑的，蜗轮由输出轴(11)支撑，所述输出轴具有提供从变速器取出的至少一个端部，其中主轴承和尾轴承能够通过有限的运动范围相对于壳体自由移动，所述有限的运动范围使所述蜗杆轴能够枢转远离蜗轮，该组件还包括：用于蜗杆轴主轴承的第一枢转装置(27)，所述第一枢转装置针对蜗轮扭矩的第一方向而不针对蜗轮扭矩的相反的第二方向抵抗蜗杆轴齿负荷的轴向分量，并且限定位于枢轴线上的至少一个第一枢轴点，主轴承围绕所述至少一个第一枢轴点枢转；用于蜗杆轴主轴承的第二枢转装置(28)，所述第二枢转装置定位在远离第一枢转装置的位置，其针对蜗轮扭矩的第二方向而不是蜗轮扭矩的第一方向抵抗蜗杆轴齿负荷的轴向分量，并且限定位于第二枢轴线上的至少一个第二枢轴点，主轴承围绕所述至少一个第二枢轴点枢转，第二枢轴点与第一枢轴点间隔开。

Description

一种用于电动助力转向组件的变速器组件

技术领域

本发明涉及用于电动助力转向组件的变速器组件。

背景技术

电动助力转向系统使用电动机来产生辅助扭矩，所述辅助扭矩被施加到转向系统的旋转部分。在常规布置中，该扭矩有助于驾驶员转动转向盘。因为电动机在相对较高的速度下运行最佳，并且由于紧凑型电动机产生相对较低的扭矩，所以电动机的输出与转向柱之间的连接通常通过减速箱。

电动助力转向减速箱的最广泛使用的类型具有相对简单的蜗杆和蜗轮构造，所述蜗杆和蜗轮构造类似于附图中图1所示的构造。变速器通常包括变速器壳体，变速器壳体容纳蜗杆轴和蜗轮。蜗杆轴连接到电动机的输出端。电动机可以固定到壳体的端部面，或甚至定位于壳体内。蜗杆轴由最靠近电动机的端部处的主轴承和离电动机最远的端部处的尾轴承所支撑，两个所述轴承通常包括球轴承，所述球轴承支撑在轴承内座圈和轴承外座圈内，所述轴承内座圈螺纹连接到蜗杆轴上，而所述轴承外座圈固定到壳体。轴承的功能是使得蜗杆轴能够旋转，同时在一定程度上限制轴向和径向运动，如将要说明的那样。蜗轮连接到变速器的输出轴，并且被定位成使得蜗轮的齿啮合蜗杆轴的齿。

通过选择适当的设计参数，能够使这种类型的变速器在紧凑的尺寸内提供大的减速比。它们采用单个齿轮组，所述单个齿轮组具有低齿间滑动摩擦系数(通常小于0.05)，使得它们“可逆向驱动”。即，蜗轮能够几乎像蜗杆驱动蜗轮那样有效地驱动蜗杆。这个最后的特征对于这样类型的EPS系统的安全性是必不可少的，在所述类型的EPS系统中方向盘物理地连接到车轮，使得在电动机发生故障或者电动机控制驱动系统的任何其他部件发生故障的情况下能够实现一些转向效果。

已知的是，由于作用在电动助力转向(EPS)设备的输出轴处的外部扭转振动，用于所述设备的减速箱容易发出敲击。这些振动源于车轮，由于表面粗糙或车轮不平衡所致。替代地，机械噪声也可能由于驾驶员在方向盘处所施加的突然的扭矩反转所产生。

蜗杆和蜗轮变速器中的主要敲击部位如图1所示：

(a)在蜗杆与蜗轮齿的啮合处以及

(b)在轴向定位蜗杆轴的“主”球轴承处。

对部位(a)处敲击的公知解决方案，也就是所谓的“弹簧蜗杆”机构，往往会加剧部位(b)处的敲击问题。这样的现有技术布置的例子在附图中的图1中示出。在“弹簧蜗杆”机构中，诸如板簧的偏置装置施加偏置力，促使蜗杆轴与蜗轮啮合，偏置力被选择成使得在低蜗轮扭矩下，实现蜗杆与蜗轮齿的双齿面接触，同时确保在较高蜗轮扭矩下蜗杆与蜗轮之间存在单齿面接触的变换。

偏置装置需要少量的蜗杆轴的径向运动，这是通过使得所述蜗杆轴能够在蜗轮的平面中绕所述蜗杆轴的轴线这样枢转：在所述蜗杆轴的标称位置的两侧围绕标称地位于(b)处的主轴承的中心处的轴线枢转小角度(通常小于+/-0.5度)。该运动由以下控制

(i)在部位(c)处特别构造的尾轴承，所述尾轴承被允许在竖直导向装置(例如直线轴承)中移动小量(通常小于+/-0.5mm)，以及

(ii)在(b)处的主轴承在其球与其座圈槽的侧面之间具有足够的内部轴向间隙，以便允许通常小于+/-0.5度的小的关节联接(即倾斜)角。

不幸的是，在(b)处的轴承中的所述轴向间隙不可避免地允许在内座圈与外座圈之间的相对轴向自由行程高达+/-0.2mm，使得在输出轴处存在换向扭矩脉冲时引起来自轴承的敲击噪声。

通过向蜗杆轴施加较大的轴向偏置力，这些敲击噪声能够部分地但不完全地得到抑制。

如前所述，如果针对高达由所提供的偏置力量确定的限定水平的蜗轮扭矩水平(例如4Nm)，能够保持双齿面接触，则蜗轮敲击在一般的驾驶中不会是严重的问题。所述4Nm被称为“踢出”扭矩，因为它是这样的蜗轮扭矩，在该扭矩下齿面接触力的“法向”分量恰好足以克服该偏置装置的向内作用，从而导致蜗杆轴向外枢转。蜗杆轴的向外枢转运动被尾轴承的竖直导向在所述尾轴承处所允许的行程所限制。为了实现4Nm的踢出扭矩而在该蜗杆轴尾轴承上所需的向下偏置力通常为12N左右，相当于在蜗杆中部处约20N的向下力。只有主轴承在齿接触平面中枢转，对于扭矩传递的两个方向该踢出扭矩才是相同的。如果蜗杆轴在主轴承中心处枢转，如图1所示，或者在平行于除了齿接触点以外的标称蜗杆轴线的任何水平面中枢转，则由于蜗轮扭矩导致的力的轴向分量所产生的力矩，踢出扭矩在两个扭矩传递方向上会不同。

采用上述抑制蜗轮敲击的“弹簧蜗杆”方法的一个显著缺点是作用在尾轴承上的偏置装置在变速器中造成额外量的静态(即背景)摩擦。与没有蜗杆轴关节联接的所谓“固定中心变速器”相比，增加量通常约为0.5Nm。这种增加是由于额外的滑动摩擦所致，当蜗杆与蜗轮齿的齿面被ARS啮合时，所述额外的滑动摩擦产生在它们之间。加剧这种效果一是通过齿的"楔形"形状，所述“楔形”形状是齿的斜率或“压力角”的函数，二是通过以下事实：当在蜗轮轴线处测量时，蜗杆轴处感受到的额外的旋转拉力乘以变速比(通常约为20：1)。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种用于电动助力转向设备的变速器组件，包括：

变速器壳体，所述变速器壳体容纳蜗杆轴和蜗轮，

蜗杆轴相对于壳体由最靠近电动机的端部处的主轴承和由离电动机最远的端部处的尾轴承所支撑，蜗轮由输出轴支撑，所述输出轴具有能够从变速器组件脱出的至少一个端部，

其中，主轴承和尾轴承可以通过有限的运动范围相对于壳体自由移动，所述有限的运动范围使的蜗杆轴能够枢转远离蜗轮，所述组件还包括：

第一枢转装置，所述第一枢转装置用于蜗杆轴主轴承，所述蜗杆轴主轴承针对蜗轮扭矩的第一方向而不针对蜗轮扭曲的相反的第二方向抵抗蜗杆轴齿负荷的轴向分量，并且限定至少一个第一枢轴点，主轴承围绕所述第一枢轴点枢转，所述第一枢轴点位于枢轴线上，

第二枢转装置，所述第二枢转装置用于蜗杆轴主轴承，所述第二枢转装置位于远离第一枢转装置的位置，其针对蜗轮扭矩的第二方向而不针对蜗轮扭矩的第一方向抵抗蜗杆轴齿负荷的轴向分量，并且限定至少一个第二枢轴点，主轴承围绕所述第二枢轴点枢转，所述第二枢轴点位于第二枢轴线上，第二枢轴点与第一枢轴点间隔开。

提供两个不同的枢轴点，每个枢轴点用于针对相应的蜗轮扭矩的方向抵抗蜗杆轴齿负荷，可以在保持相同水平的踢出扭矩的同时减小变速器中的上述静态摩擦。

在优选的布置中，由第一枢转装置限定的枢轴点可以定位在齿接触平面与蜗杆轴线相对的一侧上，由第二枢转装置限定的枢轴点定位在齿接触面与蜗杆轴线相同的一侧上。

为了方便起见，在本申请中，我们将认为蜗杆轴处于“接触面上方”，蜗轮轴线处于"接触面下方"，蜗轮轴线位于水平面中，蜗杆轴线也位于水平面中，蜗轮轴线与蜗杆轴线正交。在该取向上的枢轴线通常可以位于水平面中并且平行于蜗轮的轴线延伸。读者将会理解，这些在这里仅作为相关术语使用，而不应被解释为以绝对的方式限制任何部件的位置。

当组件以前段所述的方式定向时，第一枢轴点可以位于齿接触平面下方，所述第一枢轴点与所述齿接触平面的垂直测量的距离与由第二枢转装置限定的枢轴点位于齿接触平面上方的距离基本相同。

扭矩的第一方向可以是这样的方向，所述方向产生具有指向电动机的分量的齿接触力，第二方向可以与所述第一方向相反。变速器组件可以包括支撑装置，所述支撑装置相对于作用在主轴承上的径向力基本刚性地支撑主轴承、相对于作用在主轴承上的轴向力基本柔性地支撑主轴承，从而使得主轴承能够围绕第一枢轴或第二枢轴枢转而轴承没有相对于壳体的轴向移动。

第一枢轴可以面向电动机，第二枢轴可以背向电动机。

变速器组件可以包括支撑装置，所述支撑装置相对于作用在主轴承上的倾斜力矩柔性地支撑主轴承，同时大体上防止主轴承的径向移动。

在一种布置中，用于主轴承的支撑装置可以包括例如弹簧钢的板，所述板的一部分固定到主轴承，而另一部分固定到变速器壳体或固定到一些其他的固定部件，例如被固定到变速器壳体的电动机壳体。

板可以包括：主体部分，所述主体部分围绕主轴承，所述主轴承固定到所述主体部分上，例如具有小于1.5mm的厚度的主体部分；和一对腿部，所述一对腿部从主体部分的相应侧延伸。

腿部可以大体上彼此平行，并且可以从大体上接近主要部分的两个相邻拐角的位置悬伸，腿部提供与变速器壳体的连接。

第一枢轴点可以设在支撑装置的第一侧上，第二枢轴点可以设在第二侧上。

例如，第一枢轴可以设在最靠近电动机的那侧，第二枢轴可以设置在最靠近蜗杆的相对侧。

枢轴点可以接触主轴承或支撑件。

第一枢轴点中的一个或多个或全部、以及第二枢轴点中的一个或多个或全部可以包括一个或多个支座，所述支座相对于变速器壳体固定就位，并且当所述支座用作枢轴时能够接触该支撑件或主轴承，当所述支座不抵抗力时能够与主轴承支撑件分离。

支座可以包括半球形部件，并且可以被容纳在支撑件的主体中的互补的凹部中。

支座可以由相对柔软的弹性缓冲材料(例如诸如橡胶的弹性体材料)形成。弹性体材料可以被大体上封闭在紧密配合的空腔中，当加载时这限制所述空腔的过度变形。

使用柔软的材料有助于最小化枢轴产生任何敲击噪声的风险。

在存在多于一个第一枢轴的情况下，这些第一枢轴可以大体上沿着第一枢轴线的线间隔散开。在存在多于一个的第二枢轴的情况下是相同的，使所述第二枢轴沿着第二枢轴线散开。

在一种布置中，有两个第一枢轴和两个第二枢轴。两个第一枢轴可以位于垂直穿过蜗杆轴的轴线的相对的两侧上，对于两个第二枢轴也是类似的。因此，第一枢转装置和第二枢转装置可以定位在径向平面的相对两侧上，所述径向平面相对于主轴承被固定。

第一枢轴可以保持在变速器壳体中，第二枢轴可以保持在一个或多个分离的壳体中，所述壳体机械地附接到变速器壳体。例如，第二枢轴可以是固定到变速器壳体的电动机壳体的一部分或被所述电动机壳体的一部分所保持。

电动机和电动机壳体可以被认为形成变速器组件的一部分。电动机壳体和变速器机壳可以被认为构成用于变速器组件的单个两部分(或更多部分)壳体的一部分。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例来描述本发明的一个实施例，附图中：

图1是用于电动助力转向系统的现有技术变速器组件的局部横截面视图；

图2示出了针对蜗杆和蜗轮变速器中顺时针的蜗轮扭矩和顺时针的蜗轮扭矩，施加到蜗杆的齿面的力F1和F2的方向；

图3是根据本发明的用于电动助力转向系统的变速器组件的实施例的横截面视图；

图4是示出主轴承的两个枢轴线的相对位置的视图；

图5是图3和图4的变速器组件的概观，其示出了壳体中的电动机、蜗杆轴和蜗轮轴的相对位置；

图6是对应于图3的简化视图，其更清楚地示出来自主轴承的支撑；

图7是图6所示的主轴承和被支撑的蜗杆轴的轴线的俯视图；而

图8(a)至图8(f)详细示出了在安装之前支撑组件处的主轴承的各个部件。

具体实施方式

图3至图8示出了能够并入电动助力转向设备中的根据本发明的一个方面的变速器组件100的实施例。在使用中，变速器组件100在转向设备的电动机的输出中提供齿轮减速，使得由电动机产生的扭矩能够传递到转向柱或齿条(或转向系统的其他部件)，该扭矩辅助驾驶员转动方向盘或提供转向扭矩的主要来源。

变速器组件100包括变速器主壳体机壳2，所述主壳体机壳容纳蜗杆轴3，示出于图3和图4中。电动机机壳2a被连接到机壳2(当两个机壳有效地连接起来时形成一个单一的壳体，并且可以被视为两部分的壳体)。电动机机壳2a容纳电动机4的转子4b，所述转子终止于转子销4a。蜗杆轴3包括承载蜗轮的细长轴3a。轴3由主轴承5和尾轴承6支撑，所述主轴承在最接近电动机4的蜗杆3a的一侧，所述尾轴承在距离电动机4最远的轴3的端部处。两个轴承5、6包括环形内座圈和环形外座圈，所述环形内座圈螺纹连接到轴3上，所述环形外座圈由壳体支撑，其中一组球轴承将所述内座圈连接到所述外座圈。如将描述的那样，当扭矩被施加到变速器组件100时，主轴承能够在使用中相对于壳体2移动少量距离。

通过将(固定到转子的)转子销的端部插入到形成在轴3的端部中的孔7中，蜗杆轴3被连接到电动机4的转子。螺旋弹簧8位于所述孔中，并且被拧到轴3上。弹簧8作用在孔的盲基部与衬套之间，所述衬套可滑动地位于所述孔中并且接合该转子销4a。弹簧施加将蜗杆轴3偏置远离转子销4a的力，轴朝向电动机转子的任何运动越来越多地压缩该弹簧。另外值得注意的是，转子销具有球形头部，在所述球形头部处所述转子销接合滑动衬套9，使得蜗杆轴能够绕转子销枢转。该运动的枢轴点在所述轴的轴线上，尽管该点沿轴的位置可以根据滑动衬套9在孔7内的确切位置而变化。

蜗杆3a连接到同样容纳在壳体中的蜗轮10。蜗轮10被支撑在输出轴11(图5中示出)上，所述输出轴的两个端部12、13可以从变速器的外部接近。输出轴11的一个端部11连接到转向轴并且向前连接到方向盘(未示出)，输出轴11的另一个端部13连接到转向齿条并且向前连接到车轮。因此，输出轴11在该示例中提供从方向盘直接到车轮的机械路径，蜗轮将扭矩从电动机传递到输出轴以辅助驾驶员。

蜗轮10和蜗杆3a各自具有啮合的互补的齿，并且所述蜗轮和所述蜗杆可以处于单接触或双接触状态。在前者中，在给定时刻与蜗轮啮合的每个蜗杆齿将最多仅接触单个蜗轮齿，而在后者情况下，至少一个蜗杆齿会在给定的时刻与两个蜗轮齿的齿面接触。在这个例子中，齿具有14度的齿压力角。

主轴承5和尾轴承6允许蜗杆轴3的一些受控的轴向运动和蜗杆轴的枢转。现在将描述轴承相对于壳体2被支撑的方式。

如图6所示，主蜗杆轴轴承5通过两个轴承座22、23而安装到弹簧板21的紧密配合的中心孔20中。弹簧板具有主体24，所述主体定位中心孔和从所述主体悬伸的两个腿部25、26。两个轴承座22、23接触弹簧板21的主体，使得所述腿部从轴承座的侧面突出，除此以外弹簧板被夹在这些轴承座之间。该子组件可以在拐角处由四个挤压铆钉固定在一起。主轴承6具有最小的内部间隙，并且可以是4点接触型。

子组件通过图7和图8(f)所示的两个定位销而精确地定位在变速器壳体2中，所述两个定位销将所述子组件定位在弹簧板21的垂直腿部25、26中的每个腿部的孔中。弹簧板21由两个螺钉固定到壳体上，所述两个螺钉穿过垂直腿部中的每个腿部中的另一个孔，并且所述两个螺钉还用于将两个称为反转板27的块固定到壳体2。这些块在图8(e)中示出。

作用在蜗杆轴3上的轴向力被两对圆柱形橡胶块28、29通过主轴承和子组件传递到壳体2，所述两对圆柱形橡胶块分别插入到壳体2中的孔和反转板27中的孔中。每个所述块形成枢轴。

变速器壳体2中的两个块28抵抗由于作用在第一方向(ACW)上的来自蜗轮的扭矩所导致的被导向离开电动机的轴向力；而反转板中的那些块则抵抗由于在相反的第二方向上的来自蜗轮的扭矩所导致的轴向力。

每个相应的枢轴对产生用于蜗杆轴的枢转轴线，当施加所述方向的扭矩时，所述蜗杆轴围绕所述枢转轴线试图倾斜。相对于齿接触平面，两个枢轴线位于不同的位置。这可以在图3以及图4中最清楚地看出。这些位置处在相对于齿接触平面的高度hCW和hACW处(见图3)。对于该示例使用14度的齿角，因为tan14°＝0.25，所以hCW和hACW必须等于两个枢轴位置距离变速器中心线的相应水平距离的0.25倍。请注意，第一方向(ACW)上的扭矩枢轴在齿接触平面下方，而第二方向(CW)上的扭矩枢轴则在齿接触平面上方。

弹簧板21本身并不旨在抵抗作用在蜗杆轴上的轴向力，且所述弹簧板成形为使得也提供对蜗杆轴的倾斜的最小阻力。弹簧板相对于作用在主轴承上的径向力仅刚性地起作用。

要注意的是，轴向(水平)齿的力分量改变了蜗轮扭矩的第一方向相对蜗轮扭矩的第二方向，而法向(竖直)分量并不如此。这通过第一枢轴和第二枢轴限定的两个不同的枢轴线的位置所调节。

在实践中，可以优选的是，不完全抵消分离力，因为蜗杆轴在高扭矩下将其自身拉入啮合的任何趋势会使变速器效率降低。因此，有利的是，取而代之将分离力减小约75％。因此，可能仍然需要抗敲击弹簧，但所述抗敲击弹簧可以设计成仅产生原始啮合力的25％，因此相关的静态摩擦力也应该降低到25％，从而得到重大改善。请注意，保留一定量的ARS负荷对于防止蜗杆轴在动态情况下跳出啮合是有用的。

Claims (9)

1.一种用于电动助力转向设备的变速器组件，包括：

变速器壳体，所述变速器壳体容纳蜗杆轴和蜗轮，

所述蜗杆轴相对于所述壳体被主轴承和尾轴承支撑，所述主轴承位于最靠近所述电动机的端部处，所述尾轴承位于离所述电动机最远的端部处，所述蜗轮被输出轴支撑，所述输出轴具有至少一个端部，所述至少一个端部能够从所述变速器组件脱出，

其中，所述主轴承和所述尾轴承通过有限的运动范围能够相对于所述壳体自由移动，所述有限的运动范围使得所述蜗杆轴能够枢转远离所述蜗轮，所述变速器组件还包括：

第一枢转装置，所述第一枢转装置用于所述蜗杆轴主轴承，所述第一枢转装置针对所述蜗轮扭矩的第一方向而不针对所述蜗轮扭矩的相反的第二方向抵抗所述蜗杆轴齿负荷的轴向分量，并且限定至少一个第一枢轴点，所述主轴承围绕所述至少一个第一枢轴点枢转，所述至少一个第一枢轴点位于枢轴线上；

第二枢转装置，所述第二枢转装置用于所述蜗杆轴主轴承并且定位在远离所述第一枢转装置的位置，所述第二枢转装置针对所述蜗轮扭矩的第二方向而不针对所述蜗轮扭矩的第一方向抵抗所述蜗杆轴齿负荷的轴向分量，并且限定至少一个第二枢轴点，所述主轴承围绕所述至少一个第二枢轴点枢转，所述至少一个第二枢轴点位于第二枢轴线上，所述第二枢轴点与所述第一枢轴点间隔开。

2.如权利要求1所述的变速器组件，其中，由所述第一枢转装置限定的枢轴点位于所述齿接触平面与所述蜗杆轴线相对的一侧，而由所述第二枢转装置限定的枢轴点位于所述齿接触平面与所述蜗杆轴线相同的一侧。

3.如权利要求1或2所述的变速器组件，其中，所述第一枢轴点位于所述齿接触平面下方，竖直测量的所述第一枢轴点与所述齿接触平面的距离与由所述第二枢转装置限定的枢轴点位于所述齿接触平面上方的距离大体上相同。

4.如前述权利要求中任一项所述的变速器组件，其中，所述蜗轮扭矩的第一方向是这样的方向，所述方向产生具有朝所述电动机导向的分量的齿接触力。

5.如前述权利要求中任一项所述的变速器组件，其中，所述第一枢轴面向所述电动机而所述第二枢轴背向所述电动机。

6.如前述权利要求中任一项所述的变速器组件，其还包括支撑装置，对于作用在所述主轴承上的倾斜力矩，所述支撑装置柔性地支撑所述主轴承，同时基本防止所述主轴承的径向运动，并且其中所述第一枢轴点设在所述支撑装置的第一侧上，所述第二枢轴点设在第二侧上。

7.如权利要求6所述的变速器组件，其中，用于所述主轴承的支撑装置包括板，所述板的一部分固定到所述主轴承，而另一部分固定到所述变速器壳体或固定到一些其他的固定部件，所述其他的固定部件例如是被固定到所述变速器壳体的电动机壳体。

8.如权利要求7所述的变速器组件，其中，所述板包括：主体部分，所述主体部分围绕所述主轴承，所述主轴承固定到所述主体部分上；和一对腿部，所述一对腿部从所述主体部分的相应侧延伸。

9.如前述权利要求中任一项所述的变速器组件，其中，所述第一枢轴点和所述第二枢轴点中的每个枢轴点包括一个或多个支座，所述一个或多个支座相对于所述变速器壳体固定就位，并且当用作枢轴时所述一个或多个支座能够接触所述支撑件或主轴承，当不抵抗力时所述一个或多个支座能够与主轴承支撑件分离。