CN107539362A - 用于机动车辆的齿轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的齿轮装置(1)，该齿轮装置(1)具有驱动轴(2)和蜗轮轴(8)，该驱动轴(2)轴向延伸并且可旋转地安装，蜗轮轴(8)与蜗轮(11)配合并且在一端通过扭矩传递离合器装置(5)连接到驱动轴(2)，并且在另一端通过滚子轴承(9)安装，该滚子轴承(9)能够通过预张紧元件(10)加载以使蜗轮轴(8)抵靠蜗轮(11)预张紧。为了优化蜗轮轴和蜗轮之间的接合，根据本发明规定的是，蜗轮轴(8)通过离合器装置(5)安装在驱动轴(2)上，以便可横向于轴向方向(A)枢转，其中蜗轮轴(8)在一端通过驱动轴(2)仅间接地安装。

Description

用于机动车辆的齿轮装置
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的机动车辆的齿轮装置，该齿轮装置具有驱动轴和蜗轮轴，驱动轴轴向地延伸并且可旋转地安装，蜗轮轴与蜗轮配合并且在一端通过扭矩传递离合器装置连接到驱动轴并且在另一端通过滚子轴承安装，该滚子轴承可以通过预张紧元件加载，以使蜗轮轴抵靠蜗轮预张紧。
背景技术
现代机动车辆通常装备有助力转向系统，其中驾驶员的转向运动由车辆支持，并且如果需要的话，车辆可以产生特定的转向力矩，以便将驾驶员指向推荐的转向运动。除了液压动力转向系统，最重要的是使用机动动力转向系统。在后者系统中，通常具有驱动轴的电动伺服马达作用在蜗轮轴上，蜗轮轴相应地与蜗轮配合。蜗轮位于实际转向轴上，实际转向轴例如通过小齿轮和齿杆作用在转向横拉杆上。具有伺服马达、蜗轮轴和蜗轮的类似系统也用于机动车辆的其它区域，例如，车窗升降机。
尽管理论上，在理想条件下，即使蜗轮轴围绕固定轴线旋转，但与蜗轮的最佳接合将是可能的，实际上这可能由于生产引起或安装引起的不准确性、磨损效应、污物和环境影响(例如水分和温度)而劣化。即，上述影响(单独或结合)可能导致蜗轮轴和蜗轮之间的接合太松和/或太紧。接合太紧也是一个问题，因为其导致摩擦增加、使齿轮难以移动并且增加磨损。
一种用于减轻所概述的问题的现有技术中已知的方法是通过第一滚子轴承(通常为滚珠轴承)将蜗轮轴安装在面向驱动轴的一侧上，该第一滚子轴承允许横向于轴向方向的一定程度的倾斜运动或枢转运动，而在相对端，其通过第二滚子轴承安装，该第二滚子轴承通过弹簧连接到齿轮壳体或类似物，该弹簧将第二滚子轴承在蜗轮的方向上加载。因此，根据需要，蜗轮轴可以围绕第一滚子轴承枢转，以便保持与蜗轮大致恒定的接合。
然而，这里的缺点在于，可枢转性通常仅通过在第一滚子轴承的区域中的更大的间隙是可能的，这相应地导致在那里具有相关的冲击噪声的振动的可能性，相关的冲击噪声对于NVH(噪声、振动与粗糙度)方面是不期望的。齿轮机构的精度也受到不利影响，因为蜗轮轴的轴向和径向位置在第一滚子轴承的区域中不能被精确地设置。如果在滚子轴承的区域中减少间隙，这通常导致再次降低控制的精度的增加的摩擦，并且也可能导致增加的磨损。此外，已经尝试通过具有凸形外轮廓的轴承或通过在外轴承环中和齿轮机构壳体中接合的销钉来实现可枢转性。
US 2002/0189892 A1公开了一种动力转向系统，其中伺服马达的转子连接到蜗轮轴，该蜗轮轴相应地驱动蜗轮。根据一个实施例，转子在杯状凹部中与中心轴的一端接合，该杯状凹部连接到蜗轮轴。此外，转子和蜗轮轴通过用于传递扭矩的弹性联轴器连接在一起。蜗轮轴在这里通过分配离合器部件和第一滚珠轴承安装在与转子相邻的齿轮壳体上，并且通过在蜗轮的方向上由弹簧预张紧的第二滚珠轴承安装在相对端。
US 6,727,613 B2公开了一种用于车窗升降机的驱动系统，其中马达的可旋转轴通过离合器连接到蜗轮轴。蜗轮轴在两端通过相应的轴承可旋转地安装在壳体上。分配给马达轴的离合器部件接收轴向设置在两个轴之间的金属滚珠。由于蜗轮轴的弹簧加载，分配给蜗轮轴的离合器部件抵靠金属滚珠被按压。
US 2009/0288905 A1公开了一种用于动力转向系统的柔性连接装置。这里，弹性连接元件被推到马达轴上并且通过设置在两侧上的多个轴向突起在一侧被支撑在马达轴上且在另一侧被支撑在蜗轮轴上。此外，马达轴与蜗轮轴的衬套中的圆锥形端部接合。蜗轮轴通过被配置为倾斜轴承的滚珠轴承安装在壳体上的连接元件的区域中。
US 8,459,402 B2公开了一种动力转向系统，其中马达轴再次连接到蜗轮轴。这里通过爪式离合器实现连接，其中弹性元件设置在两个离合器部件之间。与蜗轮配合的蜗轮轴在一端通过传统的滚珠轴承安装，该滚珠轴承相应地弹性安装在壳体上。在面向马达轴的另一端，蜗轮轴通过倾斜轴承安装，该倾斜轴承相应地固定连接到壳体。这里倾斜轴承的滚珠在凹槽中运动，凹槽的内半径大于滚珠的半径。
类似的系统在US 8,517,141 B2中进行了描述，其中然而没有倾斜轴承被使用，但是蜗轮轴的倾斜性通过由凸形外部与滚珠轴承的内环接触、或者内环与蜗轮轴的凸形内部接触、或外环的凸形外部在凹形壳体侧凹部中被引导来实现。
US 2011/0247891 A1公开了一种具有方向盘、上部转向轴、下部转向轴和包含伺服驱动器的转向齿轮机构的转向系统。为了抑制转向系统中的振动的生成或传播，至少一个壳体部分由具有第一和第二金属层的复合材料制成，其中粘弹性材料或弹性体的绝缘层设置在第一和第二金属层之间。伺服驱动器还包含与蜗轮配合的蜗轮轴。蜗轮轴通过未详细呈现的弹性离合器连接到安装在滚珠轴承上的马达轴上。
US 2015/0041241 A1提供了一种离合器装置，其中驱动轴通过该离合器装置连接到蜗轮轴。离合器装置大体上由爪式离合器的两部分组成，多个连接元件设置在两部分之间。每个连接元件由三层组成，其中，在轴向方向上，弹性层设置在两个非弹性树脂层之间。在一个示例性实施例中，蜗轮轴在端部通过两个滚珠轴承安装在壳体上，其中一个滚珠轴承被弹簧加载，并且蜗轮轴可以执行围绕另一个滚珠轴承的特定枢转运动。
鉴于所描述的现有技术，具有蜗轮机构的齿轮装置留有改进的空间。这特别适用于针对齿轮机构的精度、磨损和噪声生成在蜗轮轴与蜗轮之间的接合。
发明内容
本发明基于优化蜗轮轴和蜗轮之间的接合的目的。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的齿轮装置来实现，其中从属权利要求涉及本发明的有利实施例。
应当指出的是，以下说明书中单独具体说明的特征和措施可以以任何期望的技术上有意义的方式彼此组合并且公开本发明的进一步改进。说明书——特别是结合附图——进一步表征且具体说明本发明。
本发明提供一种用于机动车辆的齿轮装置。机动车辆特别是私家车和商用车。齿轮装置可以特别是用于动力转向系统的齿轮装置，尽管其它应用(例如用于车窗升降机、电动座椅调整机构、滑动式车顶、可移动全景天窗或类似物)是可能的。
齿轮装置具有轴向延伸、可旋转安装的驱动轴。驱动轴通常直接连接到伺服马达的转子，或者可以形成转子的一部分。可旋转安装通常相对于固定的基部(例如，马达壳体和/或齿轮壳体)进行。可旋转安装也可以通过彼此间隔开的两个轴承(特别是滚珠轴承或其它滚子轴承)进行。驱动轴轴向地延伸，这意味着驱动轴的进程限定轴向方向，从而同时限定径向方向和切向方向。
齿轮装置进一步包含蜗轮轴，该蜗轮轴与蜗轮配合并且在一端通过扭矩传递离合器装置连接到驱动轴，且在另一端通过滚子轴承安装，该滚子轴承可以通过预张紧元件加载以使蜗轮轴抵靠蜗轮被预张紧。以已知的方式，蜗轮轴大致与驱动轴同轴地延伸，其中离合器装置将扭矩从驱动轴传递到蜗轮轴。蜗轮轴相应地与蜗轮接合，从而通常驱动轴的旋转运动被逐步传递下去。在第一端的区域中，蜗轮轴通过离合器装置连接到驱动轴，并且在第二端的区域中通过滚子轴承安装。该滚子轴承可以特别是滚珠轴承。滚子轴承优选地具有尽可能少的间隙，然而不是刚性而是通过预张紧元件连接到固定基部(壳体或类似物)。预张紧元件在这里明显地被配置为有一定程度的弹性。这可以是由金属或纤维增强塑料制成的弹簧，或是由弹性体组成的元件。预张紧元件通过滚子轴承的加载力确保在朝向蜗轮轴的方向上的蜗轮轴的预张紧。相应的预张紧作用以确保蜗轮轴保持与蜗轮接合，其中预张紧元件——由于其弹性特性——同时允许蜗轮轴的一定程度的偏转，由此蜗轮轴和蜗轮之间的摩擦力可受到限制。
根据本发明，蜗轮轴通过离合器装置安装在驱动轴上，以便横向于轴向方向可枢转。换句话说，离合器装置不仅用于传递与切向力相关联的扭矩，而且形成用于蜗轮轴在驱动轴上的支承，其允许横向于轴向方向(即，特别是在径向方向上)的枢转运动。这是在例如它首先遵循蜗轮的时间上和/或空间上不均匀的外半径并且其次由预张紧元件预张紧的情况下蜗轮轴执行的运动类型。因此可行的是，通过离合器装置实现可枢转性，避免例如为此提供滚珠轴承的必要性，该滚珠轴承将必须装备有相应的间隙以便实现可枢转性。可枢转连接在一定程度上通过驱动轴产生。这是有利的，只要离合器装置可以位于至少相对靠近枢转运动的旋转点的位置，由此以给定枢转角度的绝对运动相对较小。相比之下，现有技术中已知的滚珠轴承通常位于相对远离枢转运动的旋转点的位置，以使必须进行更大的运动，这相应地需要在轴承区域中相应的大间隙。
这里，蜗轮轴在一端仅通过驱动轴间接地安装。换句话说，在面向驱动轴的这一端，与现有技术相比，不存在通过滚珠轴承或进而固定到壳体等的类似物的安装部，但是在这里离合器装置形成用于蜗轮轴的唯一安装部，从而仅通过驱动轴间接地提供与固定基部(壳体等)的连接。而在现有技术中，通常需要两个轴承用于驱动轴，且另外的两个轴承用于蜗轮轴，即总共需要四个轴承，在该实施例中，仅需要三个轴承，即两个用于驱动轴且一个(作为上述的滚子轴承)用于蜗轮轴。现有技术中所需的第四轴承的功能由离合器装置执行。
有利地，离合器装置包含建立蜗轮轴的轴向和径向位置的第一离合器和扭矩可以借以从驱动轴被传递到蜗轮轴的第二离合器。这意味着离合器装置可以在功能上和物理上分为两部分。第一离合器用于在轴向和径向上建立蜗轮轴相对于驱动轴的位置。这可以特别是上述枢转运动的旋转点的位置。蜗轮轴的其他部分的位置，特别是在滚子轴承的区域中的位置显然不能建立。术语“建立”位置在这里总是意味着一定程度的间隙可能仍然存在；因此也可以使用术语位置的“限定”或“限制”。类似于第二离合器，第一离合器被明显地配置以使其允许垂直于轴向方向的上述枢转运动。此外，第一离合器可以被配置以使其不传递扭矩，或者仅仅在可忽略的程度上。该功能由第二离合器执行，第二离合器相应地不需要自身能够传递径向和/或轴向力。换句话说，两个离合器可具有根本不同的功能，并且因此也可以在这方面进行优化或调整。第一离合器优选地至少部分地径向位于第二离合器的内侧。这是有利的，只要如上所述的第一离合器可以限定枢转运动的旋转点。在这里特别有利在于第一离合器通常不需要传递大的力，由此首先减少其磨损并且其次这种离合器的卡住风险只有很小。
优选地，第一离合器形成为球头联轴器。这样的球头联轴器——其中球形或部分至少球形的球头被接收在相应的球头接收器中——可以首先以上述方式用于限定轴向和径向位置。球头接收器通常具有收缩部分，该收缩部分防止球头从接收器中抽出。其次，球头相对于接收器仍然可以在有限的程度上可枢转。特别地，在这种情况下，蜗轮轴可以围绕球头的中心点可枢转。也可以说，这样的球头联轴器形成球窝接头。
根据优选的实施例，球头联轴器的球头连接到蜗轮轴，并且接收球头联轴器的球头的球头接收器连接到驱动轴。这里的球头接收器至少部分地围绕球头。特别地，球头接收器可以在面向蜗轮轴的部分中逐渐变细，从而防止球头的轴向抽出。逐渐变细的部分邻接蜗轮轴的侧面上的球头。球头接收器和球头都可以由金属制成，例如，钢。然而，其它材料(例如塑料，特别是纤维增强塑料或陶瓷)是可以想到的。原则上，球头和球头接收器都不需要旋转地固定在轴上；然而，通常优选刚性连接。供选择地，球头和球头接收器的相反设置是可能的，其中球头联轴器的球头连接到驱动轴，并且接收球头联轴器的球头的球头接收器连接到蜗轮轴。
单独制造球头并且然后例如通过螺栓连接、焊接、粘合或类似物将其连接到蜗轮轴或驱动轴是可能的。然而，优选地，球头与蜗轮轴或驱动轴一体形成。作为生产过程，球头可以通过铸造、冷或热成型，或通过材料去除加工来制造。具体但非排他地，当一体形成时，球头的外径最多可以对应于蜗轮轴或驱动轴的其它部分的外径。
为了改进在球头联轴器的区域中的轴向和/或径向位置的建立，球头或球头接收器可以具有至少部分地填充它们之间的间隙的涂层。例如，球头和球头接收器可以由金属制成，其中难以保证特别是在不同的环境条件下球头总是被无间隙地接收在球头接收器中。为了改进这种情况，球头接收器可以例如用塑料完全或部分地涂覆在内侧上，其中塑料理想地具有一定程度的弹性，通过该弹性可以补偿球头接收器的内部尺寸和球头的外部尺寸之间的尺寸偏差。此外，这种涂层在某些情况下可能会降低球头和球头接收器之间的摩擦。
优选地，第二离合器的第一离合器部分旋转固定地连接到驱动轴，并且与第一离合器部分配合的第二离合器部分被旋转固定地连接到蜗轮轴。这里也可以通过插入的另外部件间接地产生相应的连接。此外，各个离合器部件与相应的轴至少部分地一体地形成是可能的。两个离合器部件可以直接地或通过至少一个插入部件配合。为了实现扭矩传递，在切向方向上存在过盈配合。如果需要的话，这可以通过压紧配合来补充。
具体地，第二离合器可以被配置为爪式离合器。这里，上述离合器部分中的至少一个包含在轴向方向上在另一个离合器部件的方向上延伸的一个或多个爪。通常，第一和第二离合器部件都具有多个爪。这些可以直接互相啮合或通过至少一个插入元件配合。爪可以特别地位于相对于第一离合器径向位于外侧的区域中，特别是后者形成为球头联轴器的情况下。
优选地，至少一个弹性元件设置在第一离合器部件和第二离合器部件之间。这特别适用于在第二离合器被配置为爪式离合器的情况下。在任何情况下，弹性元件用于防止两个离合器部件彼此撞击引起的噪声。这里的至少一个弹性元件可以在轴向方向和/或切向方向上插入。当在切向方向上被插入时，驱动轴和蜗轮轴之间的连接变得“较软”，但是根据弹性元件的弹性和厚度其具有可忽略的效果。由于这样的弹性元件防止离合器部件之间的直接接触，所以在某些情况下，也可以减少两个离合器部件的磨损。弹性元件可以特别地由弹性体(例如橡胶)制成。还可以想到的是，弹性元件的部分相对非弹性地形成。
附图说明
根据附图中所示的示例性实施例，本发明的进一步有利的细节和效果在下面更详细地进行解释。在附图中：
图1示出了根据本发明的齿轮装置的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的齿轮装置1，该齿轮装置1可以例如用在小汽车的动力转向系统中。图示的描述被部分简化。金属驱动轴2在轴向方向A上延伸，并且通过两个滚珠轴承3可旋转地安装在马达壳体4上，其中仅一个滚珠轴承3在图1中可见。马达壳体可以在这里接收伺服马达(未详细示出)，伺服马达的转子旋转固定地连接到驱动轴2。球头联轴器6的球头接收器7旋转固定地位于处于马达壳体4外部的驱动轴2的端部上。
球头接收器7可以例如由金属制成。它围绕与蜗轮轴8一体形成的球头8.1。蜗轮轴8大致与驱动轴2同轴地延伸并且也由金属(例如钢)制成。逐渐变细的部分8.2在朝向蜗轮轴8的方向上邻接球头8.1。球头接收器7的内部7.1的形状适于球头8.1的外部形状，以使后者可以在一定程度上在其中旋转；因此，蜗轮轴8可大致围绕球头8.1的中心点枢转。枢转运动在这里大致在径向方向R上进行。球头8.1被固定以防止从球头接收器7抽出，因为后者在其开口侧具有收缩区域7.2，收缩区域7.2的开口半径小于球头8.1的半径。为了避免球头接收器7和球头8.1之间的不期望的间隙，内部7.1可以设置有塑料的涂层(未示出)，该涂层至少大部分填充球头接收器7和球头8.1之间的间隙。这种涂层在一些情况下也可以减少两个元件之间的摩擦。
球头8.1在蜗轮轴8的第一端8.3形成。在第二、相对端8.4，蜗轮轴被安装在松配滚珠轴承9中，该滚珠轴承9通过弹簧10(在这里如图所示)连接到齿轮壳体16，齿轮壳体16相应地可以固定地连接到马达壳体4。弹簧10将蜗轮轴8抵靠蜗轮11预张紧，蜗轮11与蜗轮轴8的蜗杆螺纹8.5配合。与通过球头联轴器6可枢转地安装蜗轮轴8相结合，这始终确保蜗轮轴8和蜗轮11之间的最佳接合。
球头联轴器6是离合器装置5的一部分，其进一步包含爪式离合器12。爪式离合器12的第一离合器部件13旋转固定地连接到球头接收器7，并且因此也连接到驱动轴2。爪式离合器12的第二离合器部件14旋转固定地连接到蜗轮轴8。通过在轴向方向A上延伸的爪13.1、14.1，离合器部件13、14配合以使它们将来自驱动轴2的扭矩传递到蜗轮轴8。为了防止两个离合器部件13、14彼此撞击产生噪声，若干弹性元件15设置在爪13.1、14.1之间的切向方向上。
然而爪式离合器12被配置为传递取决于切向力的扭矩，它大体上不传递驱动轴2和蜗轮轴8之间的轴向力或径向力。相比之下，球头8.1的位置在轴向方向A和径向方向R两者上(除了轻微的、可忽略的偏差之外)通过与球头接收器7的配合来建立，即球头联轴器6相应地吸收轴向方向A和径向方向R两者上的力。切向力仅在球头联轴器6的区域中起次要作用，即后者不用于将扭矩从驱动轴2传递到蜗轮轴8。因此，球头联轴器6的卡住或粘附是不太可能的。
因为蜗轮轴8通过离合器装置5并且特别是球头联轴器6可枢转地安装在驱动轴2上，所以第一端8.3的区域中不需要附加轴承(例如，滚珠轴承)在。然而在现有技术中，这种滚珠轴承在某些情况下需要具有相当大的间隙以便实现蜗轮轴8的可枢转性，球头联轴器6可以至少几乎无间隙地生产。这也允许以高精度限定球头8.1的区域中的轴向和径向位置。此外，与球头8.1和球头接收器5彼此撞击相关联的可听咔嗒声也被抑制。
附图标记列表：
1 齿轮装置
2 驱动轴
3、9 滚珠轴承
4 马达壳体
5 离合器装置
6 球头联轴器
7 球头接收器
8 蜗轮轴
8.1 球头
8.2 逐渐变细的部分
8.3 第一端
8.4 第二端
8.5 蜗杆螺纹
10 弹簧
11 蜗轮
12 爪式离合器
13 第一离合器部件
14 第二离合器部件
15 弹性元件
16 齿轮壳体
A 轴向方向
R 径向方向

Claims (9)

1.一种用于机动车辆的齿轮装置，所述齿轮装置具有驱动轴(2)和蜗轮轴(8)，所述驱动轴(2)轴向延伸并且可旋转地安装，所述蜗轮轴(8)与蜗轮(11)配合并且在一端通过扭矩传递离合器装置(5)连接到所述驱动轴(2)，并且在另一端通过滚子轴承(9)安装，所述滚子轴承(9)能够通过预张紧元件(10)加载以使所述蜗轮轴(8)抵靠所述蜗轮(11)预张紧，
其特征在于
所述蜗轮轴(8)通过所述离合器装置(5)安装在所述驱动轴(2)上，以便可横向于轴向方向(A)枢转，其中所述蜗轮轴(8)在一端通过所述驱动轴(2)仅间接地安装。
2.如权利要求1所述的齿轮装置，
其特征在于
所述离合器装置(5)包含第一离合器(6)和第二离合器(12)，所述第一离合器(6)建立所述蜗轮轴(8)的轴向位置和径向位置，扭矩能够通过所述第二离合器(12)从所述驱动轴(2)被传递到所述蜗轮轴(8)。
3.如前述权利要求中任一项所述的齿轮装置，
其特征在于
被配置为球头联轴器(6)的所述第一离合器(6)。
4.如权利要求3所述的齿轮装置，
其特征在于
所述球头联轴器(6)的球头(8.1)连接到所述蜗轮轴(8)，并且接收所述球头(8.1)的所述球头联轴器(6)的球头接收器(7)连接到所述驱动轴(2)，或者所述球头(8.1)连接到所述驱动轴(2)并且所述球头接收器(7)连接到所述蜗轮轴(8)。
5.如权利要求4所述的齿轮装置，
其特征在于
所述球头(8.1)与所述蜗轮轴(8)或所述驱动轴(2)一体形成。
6.如权利要求4和5中任一项所述的齿轮装置，
其特征在于
所述球头(8.1)或所述球头接收器(7)具有涂层，所述涂层至少部分地填充所述球头(8.1)和所述球头接收器(7)之间的间隙。
7.如前述权利要求中任一项所述的齿轮装置，
其中
所述第二离合器(12)的第一离合器部件(13)被旋转固定地连接到所述驱动轴(2)，并且与所述第一离合器部件(13)配合的第二离合器部件(14)被旋转固定地连接到所述蜗轮轴(8)。
8.如前述权利要求中任一项所述的齿轮装置，
其特征在于
所述第二离合器(12)被配置为爪式离合器。
9.如前述权利要求中任一项所述的齿轮装置，
其特征在于
至少一个弹性元件(15)设置在所述第一离合器部件(13)和所述第二离合器部件(14)之间。
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