CN113606304A

CN113606304A - 一种汽车转向系统中的滚珠丝杠副端面循环结构

Info

Publication number: CN113606304A
Application number: CN202110912435.3A
Authority: CN
Inventors: 吉源强; 张柯文; 赵波
Original assignee: Hubei Henglong Automotive System Group Co Ltd
Current assignee: Hubei Henglong Automotive System Group Co Ltd
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2041-08-10
Also published as: CN113606304B

Abstract

本发明涉及一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构，属汽车转向系统技术领域。滚珠螺母上轴向设置有回珠孔，滚珠螺母两端端口上分别设置有装配环槽，装配环槽内通过卡簧装有保持架，保持架上装有返向器，螺旋弹道的两端分别通过返向器与回珠孔连通。本发明的滚珠丝杠副端面循环结构，由于所有循环列数的滚珠都参与到了承载，因此，其承载能力相对于传统的内循环返向器结构可以提高10~18%左右；相比外插管式返向器，该端面循环结构对整车的径向空间要求低，其加工制造容易，滚珠在循环返向过程中噪音低。

Description

一种汽车转向系统中的滚珠丝杠副端面循环结构

技术领域

本发明涉及一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构，属汽车转向系统技术领域。

背景技术

在汽车转向系统中，无论是商用车、还是乘用车都需要滚珠丝杠副将旋转运动转换为直线运动，来推动轮胎的转动，从而达到汽车转向的目的。在乘用车转向领域中尤其是一些高端轿车、SUV、皮卡、房车等车型中，普遍应用的是齿条式助力转向器（R-EPS），该齿条式助力转向器是通过电机带动同步带旋转，同步带带动滚珠螺母旋转，滚珠螺母将旋转运动转换成齿条的直线移动，从而完成转向；在商用车领域无论是传统的液压循环球转向系统（RCB）、电液循环球转向系统（i-RCB）还是纯电动循环球转向系统（eRCB）中都用到了滚珠丝杠副，其基本原理是：方向盘的旋转带动滚珠丝杠的旋转，滚珠丝杠的旋转运动通过滚珠的运动转换成滚珠螺母的直线运动，滚珠螺母上的齿条带动转向臂轴的旋转，再通过转向垂臂，转向横拉杆推动轮胎的转动。

目前，在汽车转向系统中，最常用的滚珠丝杠副中的滚珠循环方式主要有：外插管式以及内循环返回式这两种结构形式。其中，外插管式循环方式在整体结构上存在对整车径向空间要求高，同时，外插管式返向器的零件加工相对困难，并且零件的精度很难保证；而对于内循环返向式结构来说，由于其滚珠为单列（圈）循环，且回珠滚道呈凹形，其每一列循环中会有2~3颗滚珠位于回珠滚道内不参与承载（按照一般滚珠螺母中有5圈循环列数，这样总共有10~15颗滚珠不参与承载），因此，其承载能力在所有循环方式中承载能力是最低，另外，从装配方式上来看，内循环返向器装配也相对麻烦，上述两种结构形式无法满足汽车在转向过程中手感平顺、低噪音和汽车大输出载荷的要求，也保证不了驾驶员的舒适性。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种对整车的径向空间要求低，加工制造容易；且便于装配，滚珠在循环返向过程中噪音小，并可有效提高滚珠承载能力,以满足汽车大输出载荷和驾驶员舒适性要求的汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构及循环方法。

本发明的技术方案是：

一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构,包括滚珠丝杠、滚珠螺母和滚珠，滚珠螺母内套装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的圆周外表面和对应的滚珠螺母圆周内表面设置有螺旋弹道，滚珠丝杠和滚珠螺母之间通过螺旋弹道设置有滚珠，其特征在于：滚珠螺母上轴向设置有回珠孔，滚珠螺母两端端口上分别设置有装配环槽，装配环槽内通过卡簧装有保持架，保持架上装有返向器，螺旋弹道的两端分别通过返向器与回珠孔连通。

所述的保持架呈环状体，保持架一侧的端面上设置有装配凸台，装配凸台上设置有返向装配凹；返向装配凹内卡装有返向器。

所述的返向装配凹一端呈开口状，返向装配凹的内壁上设置有周向定位凹。

所述的返向器为与返向装配凹形状对应的块状体，返向器上设置有截面呈弧形的回珠滚道。

所述的回珠滚道由依次相切的3段圆弧构成，回珠滚道呈L型。

所述的回珠滚道一端的端口上设置有定位凸起，用于与回珠孔端口的衔接。

所述的回珠孔两端的端口上设置有定位槽，通过定位凸起和定位槽的配合实现返向器的周向定位。

所述的回珠滚道另一端的端口上设置有呈弧形的导向舌板，导向舌板两侧的返向器上对称设置支撑挡板。

所述的导向舌板与支撑挡板之间呈高低错落设置。

所述的导向舌板与滚珠丝杠的螺旋弹道之间呈相切设置，回珠孔两端端口返向器的导向舌板朝向相反。

本发明的积极效果：

（1）本发明的滚珠丝杠副端面循环结构，由于所有循环列数的滚珠都参与到了承载，因此，其承载能力相对于传统的内循环返向器结构可以提高10~18%左右；

（2）相对于外插管式返向器结构来说，端面循环结构对整车的径向空间要求低，其加工制造容易；同时由于返向器保持架材料为塑料，因此，滚珠在循环返向过程中噪音相对于金属的外插管低。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为图1中的A—A向结构示意图；

图3为本发明的保持架和反向器装配结构示意图；

图4为本发明的保持架的结构示意图；

图5为本发明的反向器的结构示意图；

图6为本发明的滚珠螺母的结构示意图；

图7为本发明的回珠滚道的曲线图。

图中：1、滚珠丝杠，2、滚珠螺母，3、滚珠，4、回珠孔，5、固定槽，6、定位槽，7、装配环槽，8、卡簧，9、保持架，10、装配凸台，11、返向装配凹，12、返向器，13、回珠滚道，14、定位凸起，15、导向舌板，16、支撑挡板，17、周向定位凹。

具体实施方式

该汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构包括滚珠丝杠1、滚珠螺母2和滚珠3，滚珠螺母2内套装有滚珠丝杠1，滚珠丝杠1的圆周外表面和对应的滚珠螺母2圆周内表面设置有螺旋弹道，滚珠丝杠1和滚珠螺母2之间通过螺旋弹道设置有滚珠3。螺旋弹道设计时其半径(R)与滚珠3直径（d_b）的比值范围为：0.52~0.56 mm之间。（若R/d_b取最小值，则滚珠丝杠副的效率会偏低，空载摩擦扭矩也会增大；若R/d_b取最大值，则滚珠丝杠副的承载能力会降低，因此综合考虑效率、承载能力等因素，取R/d_b=0.54mm）。

滚珠螺母2上轴向设置有回珠孔4，回珠孔4与装配滚珠丝杠1的中心通孔呈平行设置。回珠孔4两端端口对应的滚珠螺母2分别设置有固定槽5，固定槽5与回珠孔4端口之间呈阶梯状设置，回珠孔4的端面上设置有定位槽6。滚珠螺母2的材料为20CrMnTi或者其他合金结构钢，为了便于滚珠3的循环，滚珠螺母2上的回珠孔4的直径（D）控制在D=d_b+(0.3~0.7mm)，即，回珠孔4的直径比滚珠3的直径大0.3~0.7mm。回珠孔4直径（D）取值太小，则滚珠3运动不顺畅，滚珠丝杠副启动扭矩也会增大，同时运转过程中也会有发卡情况出现；如滚珠螺母2回珠孔4取值过大，则滚珠3在运行过程中会出现相互碰撞产生的异响，同时在高速运转过程中也可出现滚珠3堆叠形成的发卡现象；因此，取滚珠螺母2的回珠孔4直径=0.5 mm +d_b为宜。

滚珠螺母2的中心通孔两端端口上分别设置有装配环槽7，装配环槽7内通过卡簧8装有保持架9，保持架9呈环状体，保持架9一侧的端面上设置有装配凸台10，装配凸台10上设置有返向装配凹11；用于装配返向器12，返向装配凹11一端呈开口状，返向装配凹11的内壁上设置有周向定位凹17，用于对返向器12的周向定位。

返向器12为与返向装配凹11轮廓形状对应的块状体，返向器12上设置有截面呈弧形的回珠滚道13。回珠滚道13呈L型，回珠滚道13一端的端口上设置有定位凸起14，定位凸起14配合定位槽6用于与回珠孔4端口的衔接，以保证回珠孔4与回珠滚道13衔接的平顺流畅，从而保证返向器12的回珠滚道13与滚珠螺母2的回珠孔4中心在一条直线上，防止滚珠3工作中出现卡阻。定位凸起14可根据空间来进行调整设计，以方便返向器12与滚珠螺母2的回珠孔4安装定位。

返向器12的回珠滚道13另一端的端口上设置有呈弧形的导向舌板15，导向舌板15是由比滚珠丝杠1的螺旋弹道的法向截面整体、小约0.5mm左右截面的绕滚珠丝杠1的螺旋线扫描而成，该种设计可保证导向舌板15不会与滚珠丝杠1的螺旋弹道相互碰撞，同时又可以引导滚珠3循环往复。导向舌板15两侧的返向器上对称设置支撑挡板16。导向舌板15与支撑挡板16之间呈高低错落设置。支撑挡板16在设计过程中，要求保证支撑挡板16的端面到导向舌板15前端端部（尖部）的距离可以容纳1~1.5个滚珠3，以保证滚珠3的运转摩擦扭矩和跳动在最小范围。导向舌板15经返向装配凹11上的开口，延伸至装配凹11外端。

该循环结构装配时，首先将返向器12卡装在保持架9的返向装配凹11内，返向器12的回珠滚道13配合装配凸台10内壁形成回珠通道，由此形成保持架9与返向器12的装配体，再将该装配体装配于滚珠螺母2两端，其中，保持架9的装配凸台位于固定槽5内，卡簧8位于装配环槽7内从而对装配体形成轴向定位。返向器12的定位凸起14位于定位槽6内，通过定位凸起14和定位槽6的配合对装配体形成周向定位；返向器12的回珠滚道13一端与回珠孔4连通；回珠滚道13另一端通过导向舌板15延伸至螺旋弹道内，由此在回珠滚道13、返向器12和螺旋弹道的协同作用下形成三者连通，从而构成一个滚珠通道。滚珠通道内的滚珠3数量视实际情况而定，要求各滚珠3之间的间隙和等于2—3颗滚珠3的直径和。

该循环结构装配完成后，导向舌板15两侧的支撑挡板16位于螺旋弹道壁上且相互滑动接触，延伸至螺旋弹道内的导向舌板15与螺旋弹道之间呈相切，回珠孔4两端端口的导向舌板15朝向相反。导向舌板15与螺旋弹道边周之间保留有一定间隙，以防止在工作中与螺旋弹道接触产生异响。导向舌板15与螺旋弹道边周之间的间隙状态通过定位凸起14和定位槽6的配合，以及返向器12与返向装配凹11的配合得以保持。考虑到滚珠丝杠1、滚珠螺母2的螺旋弹道以及返向器12的加工与装配误差的影响，同时，考虑到滚珠丝杠1在承载过程中，滚珠丝杠1会产生挠度变形，因此，将导向舌板15与螺旋弹道间隙取值为0.5mm，以防止在上述因素的影响下，导向舌板15会与螺旋弹道发生摩擦产生噪音，也会影响整个滚珠丝杠副总成的可靠性。滚珠丝杠1旋转时，滚珠3即可在保持架9、返向器12、滚珠螺母2、滚珠丝杠1与滚珠螺母螺2之间的螺旋弹道内进行循环往复，实现滚珠丝杠1在滚珠螺母2上的直线运动。

该循环结构的回珠滚道13由依次相切的3段圆弧（R1、R2、R3）构成， 3段圆弧的回珠曲线会直接影响到滚珠3在返向器12中运行是否顺畅，为了保证滚珠运行过程中的流畅性，该循环结构的回珠曲线的起点圆弧R1与滚珠螺母2的螺旋弹道的螺旋线相切，R2与R1、R3过渡处也要保持相切。在整个三段圆弧设计中，圆弧R2处设计非常关键，究其原因，滚珠3从R1运动到R2处时，滚珠3会进行急剧转弯，因此,R2的曲率半径如果设计过小则滚珠3运动到该处后会与返向器12发生碰撞，造成摩擦力矩增大,如碰撞力过大，则会出现噪音及发卡等问题。如果R2的曲率半径设计过大，则整个回珠滚道13的长度会增加，则在返向器12中的滚珠3数量也会增加，影响整体的空载摩擦力矩，因此，为了减小碰撞力，回珠曲线的中间位置处的圆弧半径R2应该最大，同时R1、R2、R3之间的曲率变化不能太大，以免引起滚珠3运转过程中发生碰撞，导致驾驶员的手感不好。回珠滚道13设计时，先初取三段圆弧半径R1、R2、R3，可先取R1、R2、R3半径数值为滚珠3直径d_b，然后通过软件进行滚珠3的模拟分析，模拟滚珠3从返向器12起始点，经过R1、R2，运动到R3过程中，滚珠3运动的摩擦力矩，通过不断调整R1、R2、R3处的圆弧半径，使得三者的摩擦力矩基本接近一致，即，R1、R3≈d_b；R2=d_b+1~3mm，由此使得滚珠3运行平缓顺畅。回珠曲线可根据具体的安装、设计情况，通过改变回珠曲线12相应的圆弧半径R1、R2、R3及圆弧角度使得回珠曲线12的设计变得更加灵活。

该端面循环结构在工作时，分别安装于滚珠螺母2左右两侧的返向器12、保持架9以及滚珠螺母2的回珠孔4，一起构成了滚珠3的整个循环通道。当滚珠丝杠1（滚珠螺母2）随方向盘的转动而转动时，滚珠3被滚珠丝杠1（滚珠螺母2）推动沿着滚珠丝杠1和滚珠螺母2之间的螺旋弹道进行螺旋运动，这一过程中，由于在滚珠螺母2（滚珠丝杠1）的螺旋弹道的限制作用下，滚珠螺母2（滚珠丝杠1）会被滚珠3推动着进行直线运动。当滚珠3运动至滚珠螺母2的一侧端面时，通过安装于滚珠螺母2内的返向器12的支撑挡板16、导向舌板15的引导作用，以及滚珠3之间的顺序挤压推动，使滚珠3进入返向器12与保持架9之间形成的返向通道内，滚珠3在返向器12中的回珠滚道13、保持架9形成的回珠通道内，沿着返向器12的回珠滚道13的曲线进行运动直至滚珠螺母2的回珠孔4端口处，位于滚珠螺母2的回珠孔4端口处的滚珠3在后面滚珠3的挤压推动下，到达安装于滚珠螺母2另一侧的返向器12中，并通过导向舌板15再次进入滚珠丝杠1与滚珠螺母2之间的螺旋弹道参与循环，从而完成整个滚珠3的循环过程。

该循环结构相比外插管式返向器，由于采用端面循环方式，其对整车的径向空间要求低，且加工制造也相对容易；同时由于返向器12、保持架9材料为塑料，且回珠滚道13由依次相切的3段圆弧（R1、R2、R3）构成，使得滚珠3运行平缓顺畅，因此，滚珠3在循环返向过程中噪音相对于金属的外插管式循环方式低。

该循环结构相比现有内循环返向器，该循环结构滚珠3运行平缓顺畅，且在工作中不存在内循环返向器中的滚珠在返向过程中必须要越过滚珠丝杠，以及内循环中的返向器不与丝杠滚道表面接触和部分钢球是不参与滚珠丝杠承载的情况，其承载能力远大于内循环返向器。具体计算公式及方法如下：

该循环结构（端面循环返向器）中参与循环的滚珠钢球数量计算：

内循环返向器中钢球有效个数计算：

假设在整个滚珠丝杠总成中，每个钢球受力均匀，则承载能力的对比计算如下：

上式中：（1）n_1有效、n_2有效——分别为端面循环、内循环返向器中参与承载的有效钢球个数；

（2）α-为端面循环相对于内循环承载能力提高百分比；

（3）D₀-为滚珠丝杠公称直径，mm；

（4）d_b-为滚珠直径，mm；

（5）P-滚珠丝杠螺距，mm；

（6）Φ’——为内循环返向器工作直径，一般Φ’=（2~3）*p-(2~3)mm，由于每个厂家不同，取值会略有差异；

（7）t-滚珠丝杠工作圈数。

表1 端面循环与内循环滚珠丝杠副有效钢球数量计算对比

通过上表1的计算论证，在同样的工作圈数、钢球直径、螺距、公称直径的条件下，端面循环（本发明）的中整个滚珠丝杠总成有效承载钢球数量为95颗，而内循环只有80颗，在假设滚珠丝杠中每个钢球都受力均匀，则端面循环返向相对于内循环反向器承载能力提高18.7%。

Claims

1.一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构,包括滚珠丝杠（1）、滚珠螺母（2）和滚珠（3），滚珠螺母（2）内套装有滚珠丝杠（1），滚珠丝杠（1）的圆周外表面和对应的滚珠螺母（2）圆周内表面设置有螺旋弹道，滚珠丝杠（1）和滚珠螺母（2）之间通过螺旋弹道设置有滚珠（3），其特征在于：滚珠螺母（2）上轴向设置有回珠孔（4），滚珠螺母（2）两端端口上分别设置有装配环槽（7），装配环槽（7）内通过卡簧（8）装有保持架（9），保持架（9）上装有返向器（12），螺旋弹道的两端分别通过返向器（12）与回珠孔（4）连通。

2.根据权利要求1所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的保持架（9）呈环状体，保持架（9）一侧的端面上设置有装配凸台（10），装配凸台（10）上设置有返向装配凹（11）；返向装配凹（11）内卡装有返向器（12）。

3.根据权利要求2所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的返向装配凹（11）一端呈开口状，返向装配凹（11）的内壁上设置有周向定位凹（17）。

4.根据权利要求2所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的返向器（12）为与返向装配凹（11）轮廓形状对应的块状体，返向器（12）上设置有截面呈弧形的回珠滚道（13）。

5.根据权利要求4所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的回珠滚道（13）由依次相切的3段圆弧构成，回珠滚道（13）呈L型。

6.根据权利要求4所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的回珠滚道（13）一端的端口上设置有定位凸起（14），用于与回珠孔（4）端口的衔接。

7.根据权利要求6所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的回珠孔（4）两端的端口上设置有定位槽（6），通过定位凸起（14）和定位槽（6）的配合实现返向器（12）的周向定位。

8.根据权利要求6所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的回珠滚道（13）另一端的端口上设置有呈弧形的导向舌板（15），导向舌板（15）两侧的返向器（12）上对称设置支撑挡板（16）。

9.根据权利要求8所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的导向舌板（15）与支撑挡板（16）之间呈高低错落设置。

10.根据权利要求9所述的一种汽车转向系统中滚珠丝杠副端面循环结构, 其特征在于：所述的导向舌板（15）与滚珠丝杠（1）的螺旋弹道之间呈相切设置，回珠孔（4）两端端口返向器（12）的导向舌板（15）朝向相反。