CN112572603B - 一种汽车用电动助力转向器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车用电动助力转向器，包括电机动力控制模块、减速器和转向器，电机动力控制模块调控减速器中的蜗轮蜗杆传动减速机构，转向器包括转向螺杆、转向螺母、齿轮轴、扭杆、扭矩传感器和输入轴；转向螺杆与蜗轮蜗杆传动减速机构中的蜗轮传动连接，转向螺杆的一端与转向螺母组成滚珠丝杠传动副组件，转向螺母的外部设有齿条，齿条与齿轮轴的一端啮合传动，齿轮轴的另一端通过扭杆与输入轴连接，齿轮轴上安装有扭矩传感器。本发明能提供比现有循环球式电动助力转向器更大的转向拉杆力，从而适用于轻、中、重全系车型；而与现有齿轮齿条电动助力转向器相比较，本发明能提供更为灵活的整车转向布置方式。

Description

一种汽车用电动助力转向器

技术领域

本发明属于汽车配件技术领域，具体涉及一种汽车用电动助力转向器。

背景技术

当前电动助力转向器主要有循环球式电动助力转向器和齿轮齿条式电动助力转向器。

循环球式电动助力转向器布置灵活，但由于其转向臂轴的齿轮分度圆半径与转向垂臂中心距之比通常小于1:3，所以循环球转向器输出到转向拉杆上的轴向力不足转向螺母的轴向力的1/3，与此同时，由于转向螺母与转向臂轴啮合的齿形压力角的存在，在传递大扭矩时转向器的螺杆受到较大的径向力，前述几个原因这导致了转向器内部的循环钢球受力大，钢球滚道应力也大，这会导致转向器早期损坏，因此能提供给汽车转向杆系的转向力较小，不适用于大载荷车型。

齿轮齿条式电动助力转向器限于转向器的横拉杆强度，也不适用大载荷车型。同时由于齿轮齿条式转向器，转向横拉杆与齿条直接相连，所以很难适用于转向直拉杆的车型。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种汽车用电动助力转向器；本发明适用于转向拉杆横向布置的车型，也适用于转向拉杆纵向布置的车型，同时适用于轻、中、重全系列车型。

实现本发明的技术方案是：

本发明所述一种汽车用电动助力转向器，包括电机动力控制模块、减速器和转向器，所述电机动力控制模块调控减速器中的蜗轮蜗杆传动减速机构，所述转向器包括转向螺杆、转向螺母、齿轮轴、扭杆、扭矩传感器和输入轴；所述转向螺杆与蜗轮蜗杆传动减速机构中的蜗轮传动连接，所述转向螺杆的一端与转向螺母组成滚珠丝杠传动副组件，所述转向螺母的外部、沿其长度方向设有齿条，所述齿条与齿轮轴的一端啮合传动，来控制转向螺母的移动距离；所述齿轮轴的另一端通过扭杆与输入轴连接，所述齿轮轴和输入轴之间预留有相对转动的空间，所述齿轮轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器的安装位置处通过设置上盖来预留相对转动的空间；本发明中的输入轴与一个转向操作装置连接。本发明中所述齿轮轴与输入轴之间预留了相对转动的空间，二者相对转动时扭杆产生扭转弹性变形，扭矩传感器根据输入轴与齿轮轴相对转动角度来输出扭矩信号给电机动力控制模块，电机动力控制模块输出相应的控制指令以控制电机输出扭矩及转动方向实现助力。

优选地，滚珠丝杠传动副组件还包括钢球、钢球导管孔、钢球导管；所述转向螺杆的一端的外表面上开设有第一螺旋钢球滚道，所述转向螺母内部设有第二螺旋钢球滚道，所述转向螺杆上的第一螺旋钢球滚道与转向螺母内部的第二螺旋钢球滚道组成螺旋钢球滚道，所述螺旋钢球滚道内滚动设有钢球。

优选地，所述转向螺母上设有钢球导管孔，所述钢球导管孔内设有钢球导管，所述钢球导管使螺旋钢球滚道内部贯通，钢球通过钢球导管实现在螺旋钢球滚道内循环滚动，当转向螺杆转动时，通过钢球的滚动来带动转向螺母做轴向移动。

优选地，所述蜗轮蜗杆传动减速机构包括蜗杆、蜗轮和助力轴；蜗杆的两端采用球轴承支撑，所述蜗杆通过柔性联轴器与电机动力控制模块的输出轴连接，所述蜗轮和蜗杆配合组成蜗轮蜗杆传动减速机构，所述蜗轮的内孔设有助力轴，所述助力轴与转向螺杆的另一端过盈连接以传递扭矩，为了实现助力轴与转向螺杆更好地连接，转向螺杆与助力轴通过花键连接来传递扭矩，具体地，在助力轴上设置外花键，转向螺杆内设置与助力轴配合的内花键，助力轴通过内花键和外花键的配合与转向螺杆连接。

优选地，所述转向器包括转向器壳体，所述转向螺杆、转向螺母、齿轮轴、扭杆、扭矩传感器和输入轴设于转向器壳体内，所述转向螺杆与蜗轮传动连接的端部的外圆周上设有第一台阶，所述第一台阶的外侧安装有双列圆锥滚子轴承，通过第一台阶来限制双列圆锥滚子轴承的轴向移动，所述双列圆锥滚子轴承的另一端通过锁紧螺母锁紧，从而实现双列圆锥滚子轴承与转向螺杆的连接；位于双列圆锥滚子轴承的外圈一端面的转向器壳体内部设第二台阶，另一端面设有锁紧螺塞；通过第一台阶和第二台阶的双重限位作用实现对双列圆锥滚子轴承的安装和限位作用，结构设计更为合理。

优选地，所述减速器包括减速器壳体，所述蜗轮蜗杆传动减速机构设于减速器壳体内；所述电机动力控制模块与减速器壳体采用螺栓连接，所述转向器壳体与减速器壳体采用螺栓连接。

优选地，所述齿轮轴与扭杆连接的一端通过第二滚针轴承支撑安装于转向器壳体内，另一端通过深沟球轴承支撑安装于转向器壳体内，所述深沟球轴承外侧与转向器壳体之间设有挡圈，通过挡圈对深沟球轴承进行定位和实现密封效果。本发明中的齿轮轴通过第一滚针轴承与输入轴连接，内孔与扭杆过盈连接。

优选地，位于所述蜗轮外侧的减速器壳体的端盖内部设有密封O型圈，O型圈的设置保证了减速器壳体内部的密封环境，所述端盖外部设有支撑座，支撑座优选地均匀设于端盖的边沿处。

本发明中的输入轴与一个转向操作装置连接即转向盘端连接，接收来自驾驶员的转向意图，转向螺母与汽车转向拉杆通过螺纹连接。转向时，首先转向动作作用于输入轴，此时由于转向阻力的作用，齿轮轴没有转动；连接输入轴与齿轮轴之间的扭杆产生扭转变形，而扭矩传感器通过扭杆的变形量，输出扭矩信号给电机动力控制模块，电机动力控制模块通过内置软件计算后提供助力扭矩；电机动力控制模块与蜗杆连接，带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合而带动蜗轮转动；蜗轮与助力轴刚性过盈连接，从而将助力扭矩传递到助力轴；助力轴与转向螺杆通过花键连接，将助力扭矩传递给转向螺杆；转向螺杆与转向螺母、钢球、钢球导管组成滚珠丝杠传动副，从而将转向螺杆上的转动扭矩转换成转向螺母的轴向移动力；转向螺母轴向移动带动汽车转向拉杆运动，从而实现转向。

以下是本发明中转向器的转向螺母上的静态输出力的计算过程：

设电机动力控制模块输出扭矩为M₁，转向螺杆的扭矩为M₂，蜗杆与蜗轮组成的蜗轮蜗杆减速比为i，则

M₂＝M₁*i

设转向螺杆螺距为s，转向螺母上输出力为F，则

与现有循环球式电动助力转向器相比较，本发明的优势在于转向螺杆与转向螺母、钢球、钢球导管组成滚珠丝杠传动副，转向螺杆外部的第一螺旋钢球滚道和转向螺母的内部的第二螺旋钢球滚道受力既是转向螺母输出的转向力，即F；

而对传统循环球式电动助力转向器，其中，转向垂臂的一端与本转向器的输出轴连接，另一端与汽车拉杆连接，转向器的输出轴转动时，带动转向垂臂摆动，从而使连接汽车拉杆的转向垂臂的一端带动汽车拉杆转动，当输出力为F，设转向垂臂中心距为L₁，转向臂轴的齿扇分度圆半径为R，则转向螺母上的轴向力为

转向螺杆外部的第一螺旋钢球滚道和转向螺母的内部的第二螺旋钢球滚道受力都为F₀；

以现有某一循环球电动助力转向器为例，其转向垂臂中心距为151mm，臂轴齿扇分度圆半径为35mm，当输出力为F时，则

从此计算公式得出，现有的转向螺母所受轴向力为本发明中转向螺母所受轴向力的4.3倍，远高于本发明中转向螺母所受轴向力，因此这也是现有循环球电动助力转向器无法适用于中重型车辆的主要技术难点，而本发明中由于重新设计结构，将轴向螺母所受轴向力显著性地、成倍地减少，能够使本发明所述转向器适用于中重型车辆。

而与传统齿轮齿条式电动助力转向器相比较，本发明中的螺旋钢球滚道设置在齿条内部，且将转向螺杆轴向固定，从而减小了转向器的长度，使之可以纵向布置，以适用于更多车型。

综上所述，本发明相对于现有的转向器，本发明中的转向螺母所受轴向力显著性地、成倍地减少，因此能够提供共对现有的转向器更大的转向拉杆力，从而能适用于轻、中、重全系车型；同时能提供更为灵活的整车转向布置方式，扩大转向器的适用范围。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明的转向器通过设置蜗轮蜗杆传动减速机构和滚珠丝杠传动副组件，在滚珠丝杠传动副组件中的转向螺母的齿条上啮合齿轮轴，齿轮轴和输入轴之间使用扭杆连接，并在扭杆上安装扭矩传感器，在齿轮轴和输入轴之间预留相对转动的空间，扭矩传感器根据输入轴和齿轮轴相对转动角度来输出扭矩信号给电机动力控制模块，电机动力控制模块输出相应的控制指令以控制电机输出扭矩及转动方向实现助力；本发明的结构布置，使转向螺母所受轴向力显著性地、成倍地减少，因此能够提供共对现有的转向器更大的转向拉杆力，从而能适用于轻、中、重全系车型。

(2)本发明所述转向器与传统齿轮齿条式电动助力转向器相比较，本发明中的螺旋钢球滚道设置在齿条内部，且将转向螺杆轴向固定，从而减小了转向器的长度，使之可以纵向布置，以适用于更多车型。

(3)本发明中的转向螺杆一端设有第一台阶，通过第一台阶与转向器壳体内的第二台阶配合，将支撑转向螺杆的双列圆锥滚子轴承进行限位和固定，防止双列圆锥滚子轴承发生轴向位移，并对转向螺杆进行定位。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明所述助力转向器的平面示意图；

图2为图1中A-A剖切面的剖视图；

图3为本发明所述转向螺杆和转向螺母的结构示意图；

图4为本发明所述转向螺杆和钢珠的结构示意图；

图5为图1中B-B剖切面的剖视图；

图6为图1中C-C剖切面的剖视图。

图中，1-转向器壳体，2-转向螺杆，21-第一螺旋钢球滚道，22-第一台阶，23-双列圆锥滚子轴承，3-转向螺母，31-第二螺旋钢球滚道，32-钢球导管孔，33-齿条，4-钢球，5-钢球导管，6-齿轮轴，61-深沟球轴承，62-挡圈，63-第一滚针轴承，64-第二滚针轴承，7-扭杆，8-扭矩传感器，9-输入轴，10-电机动力控制模块，11-减速器壳体，12-蜗杆，13-蜗轮，14-助力轴，15-端盖，16-支撑座，17-O型圈，18-锁紧螺母，19-锁紧螺塞。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种汽车用电动助力转向器，如附图1和2所示，包括电机动力控制模块10、减速器壳体11和转向器壳体1，减速器壳体11内设有减速器，转向器壳体1内设有转向器；电机动力控制模块10调控减速器中的蜗轮蜗杆传动减速机构；蜗轮蜗杆传动减速机构设于减速器壳体11内；电机动力控制模块10与减速器壳体11采用螺栓连接，转向器壳体1与减速器壳体11采用螺栓连接；转向器包括转向螺杆2、转向螺母3、齿轮轴6、扭杆7、扭矩传感器8和输入轴9；转向螺杆2与蜗轮蜗杆传动减速机构中的蜗轮13传动连接，转向螺杆2的一端与转向螺母3组成滚珠丝杠传动副组件，转向螺母3的外部、沿其长度方向设有齿条33，齿条33与齿轮轴6的一端啮合传动，来控制转向螺母3的移动距离；如附图6所示，齿轮轴6的另一端通过扭杆7与输入轴9连接，齿轮轴6上安装有扭矩传感器8，扭矩传感器8的安装位置处通过设置上盖20来预留相对转动的空间，附图4所示；本实施例中齿轮轴6与扭杆7连接的一端通过第二滚针轴承64支撑安装于转向器壳体1内，另一端通过深沟球轴承61支撑安装于转向器壳体1内，深沟球轴承61外侧与转向器壳体1之间设有挡圈62，通过挡圈62对深沟球轴承61进行定位和实现密封效果。本实施例中的齿轮轴6通过第一滚针轴承63与扭杆7连接。

本实施例中的输入轴9与一个转向操作装置连接。本实施例中齿轮轴6与输入轴9之间预留了相对转动的空间，二者相对转动时扭杆7产生扭转弹性变形，扭矩传感器8根据输入轴9与齿轮轴6相对转动角度来输出扭矩信号给电机动力控制模块10，电机动力控制模块10输出相应的控制指令以控制电机输出扭矩及转动方向实现助力。

如附图2、3和4所示，本实施例中滚珠丝杠传动副组件还包括钢球4、钢球导管孔32、钢球导管5；转向螺杆2的一端的外表面上开设有第一螺旋钢球滚道21，转向螺母3内部设有第二螺旋钢球滚道31，转向螺杆2上的第一螺旋钢球滚道21与转向螺母3内部的第二螺旋钢球31滚道组成螺旋钢球滚道，螺旋钢球滚道内滚动设有钢球4；为了实现钢珠的循环滚动，在转向螺母3上设有钢球导管孔32，钢球导管孔32内设有钢球导管5，钢球导管5使螺旋钢球滚道内部贯通，钢球4通过钢球导管5实现在螺旋钢球滚道内循环滚动，当转向螺杆2转动时，通过钢球4的滚动来带动转向螺母3做轴向移动。

如附图5所示，本实施例中蜗轮蜗杆传动减速机构包括蜗杆12、蜗轮13和助力轴14；蜗杆12的两端采用球轴承支撑，蜗杆12通过柔性联轴器与电机动力控制模块10的输出轴连接，蜗轮13和蜗杆12配合组成蜗轮蜗杆传动减速机构，蜗轮13的内孔设有助力轴14，助力轴14与转向螺杆2的另一端过盈连接以传递扭矩，为了实现助力轴14与转向螺杆2更好地连接，转向螺杆2与助力轴14通过花键连接来传递扭矩，具体地，在助力轴14上设置外花键，转向螺杆2内设置与助力轴14配合的内花键，助力轴14通过内花键和外花键的配合与转向螺杆2连接。

如附图2和4所示，为了便于转向螺杆2的连接，转向螺杆2与蜗轮13传动连接的端部的外圆周上设有第一台阶22，第一台阶22的外侧安装有双列圆锥滚子轴承23，通过第一台阶22来限制双列圆锥滚子轴承23的轴向移动，双列圆锥滚子轴承23的另一端通过锁紧螺母18锁紧，从而实现双列圆锥滚子轴承23与转向螺杆2的连接；位于双列圆锥滚子轴承23的外圈一端面的转向器壳体1内部设第二台阶，另一端面设有锁紧螺塞19；通过第一台阶22和第二台阶的双重限位作用实现对双列圆锥滚子轴承23的安装和限位作用，结构设计更为合理；位于蜗轮13外侧的减速器壳体11的端盖15内部设有密封O型圈17，O型圈17的设置保证了减速器壳体11内部的密封环境，端盖15外部设有支撑座16，支撑座16优选地均匀设于端盖15的边沿处。

本实施例中的输入轴9与一个转向操作装置连接即转向盘端连接，接收来自驾驶员的转向意图，转向螺母3与汽车转向拉杆通过螺纹连接。转向时，首先转向动作作用于输入轴9，此时由于转向阻力的作用，齿轮轴6没有转动；连接输入轴9与齿轮轴6之间的扭杆7产生扭转变形，而扭矩传感器8通过扭杆7的变形量，输出扭矩信号给电机动力控制模块10，电机动力控制模块10通过内置软件计算后提供助力扭矩；电机动力控制模块10与蜗杆12连接，带动蜗杆12转动，蜗杆12与蜗轮13啮合而带动蜗轮13转动；蜗轮13与助力轴14刚性过盈连接，从而将助力扭矩传递到助力轴14；助力轴14与转向螺杆2通过花键连接，将助力扭矩传递给转向螺杆2；转向螺杆2与转向螺母3、钢球、钢球导管5组成滚珠丝杠传动副，从而将转向螺杆2上的转动扭矩转换成转向螺母3的轴向移动力；转向螺母3轴向移动带动汽车转向拉杆运动，从而实现转向。

以下是本实施例所述转向器的转向螺母3上的静态输出力的计算过程：

设电机动力控制模块10输出扭矩为，转向螺杆2的扭矩为，蜗杆12与蜗轮13组成的蜗轮13蜗杆12减速比为i，则

M₂＝M₁*i

设转向螺杆2螺距为s，转向螺母3上输出力为F，则

与现有循环球式电动助力转向器相比较，本实施例的优势在于转向螺杆2与转向螺母3、钢球、钢球导管5组成滚珠丝杠传动副，转向螺杆2外部的第一螺旋钢球滚道21和转向螺母3的内部的第二螺旋钢球滚道31受力既是转向螺母3输出的转向力，即F；

而对传统循环球式电动助力转向器，其中，转向垂臂的一端与本转向器的输出轴连接，另一端与汽车拉杆连接，转向器的输出轴转动时，带动转向垂臂摆动，从而使连接汽车拉杆的一端带动汽车拉杆转动，当输出力为F，设转向垂臂中心距为L₁，转向臂轴的齿扇分度圆半径为R，则转向螺母3上的轴向力为

转向螺杆2外部的第一螺旋钢球滚道21和转向螺母3的内部的第二螺旋钢球滚道31受力为F₀；

以某一循环球电动助力转向器为例，其转向垂臂中心距为151mm，臂轴齿扇分度圆半径为35mm，当输出力为F时，则

从此计算公式得出，现有的转向螺母3所受轴向力为本实施例中转向螺母3所受轴向力的4.3倍，远高于本实施例中转向螺母3所受轴向力，因此这也是现有循环球电动助力转向器无法适用于中重型车辆的主要技术难点，而本实施例中由于重新设计结构，将轴向螺母所受轴向力显著性地、成倍地减少，能够使本实施例转向器适用于中重型车辆。

而与传统齿轮齿条式电动助力转向器相比较，本实施例中的螺旋钢球滚道设置在齿条33内部，且将转向螺杆2轴向固定，从而减小了转向器的长度，使之可以纵向布置，以适用于更多车型。

综上，本实施例相对于现有的转向器，本实施例中的转向螺母所受轴向力显著性地、成倍地减少，因此能够提供共对现有的转向器更大的转向拉杆力，从而能适用于轻、中、重全系车型；同时能提供更为灵活的整车转向布置方式，扩大转向器的适用范围。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种汽车用电动助力转向器，其特征在于，包括电机动力控制模块、减速器和转向器，所述电机动力控制模块调控减速器中的蜗轮蜗杆传动减速机构，所述转向器包括转向螺杆、转向螺母、齿轮轴、扭杆、扭矩传感器和输入轴；所述转向螺杆与蜗轮蜗杆传动减速机构中的蜗轮传动连接，所述转向螺杆的一端与转向螺母组成滚珠丝杠传动副组件，所述转向螺母的外部设有齿条，所述齿条与齿轮轴的一端啮合传动，所述齿轮轴的另一端通过扭杆与输入轴连接，所述齿轮轴和输入轴之间预留有相对转动的空间，所述齿轮轴上安装有扭矩传感器；

滚珠丝杠传动副组件还包括钢球、钢球导管孔、钢球导管；所述转向螺杆的一端的外表面上开设有第一螺旋钢球滚道，所述转向螺母内部设有第二螺旋钢球滚道，所述转向螺杆上的第一螺旋钢球滚道与转向螺母内部的第二螺旋钢球滚道组成螺旋钢球滚道，所述螺旋钢球滚道内滚动设有钢球。

2.根据权利要求1所述的一种汽车用电动助力转向器，其特征在于，所述转向螺母上设有钢球导管孔，所述钢球导管孔内设有钢球导管，所述钢球导管使螺旋钢球滚道内部贯通，钢球通过钢球导管实现在螺旋钢球滚道内循环滚动。

3.根据权利要求1或2所述的一种汽车用电动助力转向器，其特征在于，所述蜗轮蜗杆传动减速机构包括蜗杆、蜗轮和助力轴；所述蜗杆通过联轴器与电机动力控制模块的输出轴连接，所述蜗轮和蜗杆配合组成蜗轮蜗杆传动减速机构，所述蜗轮的内孔设有助力轴，所述助力轴与转向螺杆的另一端连接。

4.根据权利要求1所述的一种汽车用电动助力转向器，其特征在于，所述转向器包括转向器壳体，所述转向螺杆、转向螺母、齿轮轴、扭杆、扭矩传感器和输入轴设于转向器壳体内，所述转向螺杆与蜗轮传动连接的端部的外圆周上设有第一台阶，所述第一台阶的外侧安装有双列圆锥滚子轴承，所述双列圆锥滚子轴承的另一端通过锁紧螺母锁紧，位于双列圆锥滚子轴承的外圈一端面的转向器壳体内部设第二台阶，另一端面设有锁紧螺塞。

5.根据权利要求4所述的一种汽车用电动助力转向器，其特征在于，所述减速器包括减速器壳体，所述蜗轮蜗杆传动减速机构设于减速器壳体内；所述电机动力控制模块与减速器壳体连接，所述转向器壳体与减速器壳体连接。

6.根据权利要求5所述的一种汽车用电动助力转向器，其特征在于，位于所述蜗轮外侧的减速器壳体的端盖内部设有密封O型圈，所述端盖外部设有支撑座。

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