CN117052854A - 一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子助力转向机技术领域，具体地说是一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构。一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：位于循环球螺母的外缘一侧套设有球轴承，循环球螺母的外缘另一侧套设有皮带轮，皮带轮的端部内缘通过螺纹连接螺纹锁紧环；循环球螺母与皮带轮的之间嵌设有若干圆柱销，位于圆柱销的外侧套设有圆环；循环球螺母与螺纹锁紧环之间设有弹簧元件，位于圆柱销与弹簧元件之间的循环球螺母上套设有万向节环。现有技术相比，该装置可以使丝杠的径向载荷及弯矩不会直接传递到球轴承的内圈上，球轴承的内圈相对位置不会受到外界的径向载荷的影响，从而实现了皮带轮的相对位置也不会受到影响。

Description

一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构
技术领域
本发明涉及电子助力转向机技术领域，具体地说是一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构。
背景技术
滚珠丝杠驱动式电子助力转向机是目前电子助力转向机的常见形式。为了固定滚珠丝杠结构，往往需要一个球轴承，且为了使转向机助力精度高、运行效率高、噪音小，该球轴承往往是四点接触式轴承，因此该轴承在转向系统内会承受巨大的轴向力。而为了使转向机低成本且轻量化，往往希望该轴承能够以更小的规格实现更大的轴向承载力。
为了使滚珠丝杠传递动力，往往需要一组皮带轮和齿形皮带构成减速机构，其中较大的皮带轮往往通过刚性连接的方式固定在循环球螺母上。而为了降低皮带的摩擦力，皮带往往以较小的张紧力布置在皮带轮上。
因此，当汽车途径颠簸路面时，轮胎会对丝杠产生径向载荷，在丝杠上形成额外的弯矩，而此弯矩会导致循环球螺母产生变形或翘曲，这会主要导致的问题有三点：（1）弯矩会增大循环球螺母和丝杠上的应力，为了适配更高的载荷，滚珠丝杠的直径要同步增大；（2）弯矩产生的径向力会传递到轴承内圈上，因此轴承的尺寸也要增大；（3）由于循环球螺母的变形或翘曲，势必会导致带轮的位置产生跳动，特别是在丝杠受到冲击载荷时，而带轮的跳动会导致皮带发生松动等情况，从而发生皮带跳齿或者打滑的情况，进而造成转向机移动力不均匀，影响转向的位置精确性。
为了解决上述问题，在CN113382914 A中，公开了一种电子助力转向系统的滚珠丝杠传动机构设计。在该设计中，循环球螺母以万向节的形式固定在皮带轮内，通过固定在皮带轮内的万向节区段和循环球螺母上的球面结构实现该万向节结构，其特点在于循环球螺母能以任意围绕与丝杠轴向相垂直取向的轴线旋转，且皮带轮刚性地连接到轴承内圈上，不跟随循环球螺母偏转。
该机构为了实现皮带轮将扭矩传递给循环球螺母，在皮带轮内侧和循环球螺母外侧布置了一圈齿形结构，并为了使齿紧密贴合，在该两个齿圈之间布置了塑料齿间环。由于整个周圈齿与齿的结构配合要求传递较大的扭矩，且需实现“循环球螺母能以任意围绕与丝杠轴向相垂直取向的轴线旋转”功能，该塑料齿间环在原理上无法实现与齿的紧密贴合，因此该结构形式会造成转向机噪声较大，且制造成本较高。
同时，该结构为了实现万向节区段的圆环与循环球螺母紧密贴合，设置了一组环形元件加载装置，在两个加载元件之间沿周向布置有多个弹簧元件。该加载方案结构复杂，且由于弹簧元件布置空间有限，元件尺寸规格较小，往往只能提供较小的加载力。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，该装置可以使丝杠的径向载荷及弯矩不会直接传递到球轴承的内圈上，球轴承的内圈相对位置不会受到外界的径向载荷的影响，从而实现了皮带轮的相对位置也不会受到影响，这就保证了皮带的张紧力始终保持不变，从而杜绝了皮带发生打滑或者跳齿的现象，提高了转向系统的精确度。
为实现上述目的，设计一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，包括循环球螺母、球轴承、皮带轮，其特征在于：位于循环球螺母的外缘一侧套设有球轴承，循环球螺母的外缘另一侧套设有皮带轮，皮带轮的端部内缘通过螺纹连接螺纹锁紧环；所述的循环球螺母与皮带轮的之间嵌设有若干圆柱销，位于圆柱销的外侧套设有圆环；所述的循环球螺母与螺纹锁紧环之间设有弹簧元件，位于圆柱销与弹簧元件之间的循环球螺母上套设有万向节环。
所述的圆柱销至少设有2个，两个圆柱销分别嵌设于循环球螺母的上端及下端位置。
所述的循环球螺母的外侧面由一段长圆柱面及一段球形曲面连接而成，位于循环球螺母的球形曲面的中部为短圆柱面，位于短圆柱面的上端及下端分别设有圆孔槽。
所述的圆柱销的一端位于循环球螺母的圆孔槽内，并且圆柱销的一端与圆孔槽为过盈配合连接；圆柱销的另一端位于循环球螺母的外侧，圆柱销的顶部设有限位法兰结构。
所述的皮带轮的两端内侧面分别设有内螺纹，皮带轮内部的一侧设有缩小面，皮带轮内部的另一侧设有内孔配合面；位于皮带轮内侧面的上端及下端分别设有槽口，所述的槽口的位置及大小与圆环相配合。
所述的弹簧元件为碟形弹簧或者波形弹簧。
所述的万向节环的内侧面为曲面结构，并且曲面结构与循环球螺母的球形曲面相配合。
所述的圆环与圆柱销的另一端为间隙配合连接。
所述的球轴承的内圈设有内圈，内圈的一端位于球轴承的内部，内圈的另一端通过螺纹与皮带轮一端内侧的内螺纹连接，皮带轮另一端通过螺纹与螺纹锁紧环连接。
本发明同现有技术相比，提供一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，该装置可以使丝杠的径向载荷及弯矩不会直接传递到球轴承的内圈上，球轴承的内圈相对位置不会受到外界的径向载荷的影响，从而实现了皮带轮的相对位置也不会受到影响，这就保证了皮带的张紧力始终保持不变，从而杜绝了皮带发生打滑或者跳齿的现象，提高了转向系统的精确度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构剖视图。
图3为图2中A-A向剖视图。
图4为本发明结构爆炸图。
图5为循环球螺母结构示意图。
图6为皮带轮结构示意图。
图7为图6中B-B向剖视图。
图8为本发明摆动原理示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1至图8所示，位于循环球螺母4的外缘一侧套设有球轴承9，循环球螺母4的外缘另一侧套设有皮带轮7，皮带轮7的端部内缘通过螺纹连接螺纹锁紧环1；所述的循环球螺母4与皮带轮7的之间嵌设有若干圆柱销6，位于圆柱销6的外侧套设有圆环5；所述的循环球螺母4与螺纹锁紧环1之间设有弹簧元件2，位于圆柱销6与弹簧元件2之间的循环球螺母4上套设有万向节环3。
圆柱销6至少设有2个，两个圆柱销6分别嵌设于循环球螺母4的上端及下端位置。
循环球螺母4的外侧面由一段长圆柱面4-1及一段球形曲面4-2连接而成，位于循环球螺母4的球形曲面4-2的中部为短圆柱面4-3，位于短圆柱面4-3的上端及下端分别设有圆孔槽4-4。
圆柱销6的一端位于循环球螺母4的圆孔槽4-4内，并且圆柱销6的一端与圆孔槽4-4为过盈配合连接；圆柱销6的另一端位于循环球螺母4的外侧，圆柱销6的顶部设有限位法兰结构6-1。
皮带轮7的两端内侧面分别设有内螺纹7-2，皮带轮7内部的一侧设有缩小面7-3，皮带轮7内部的另一侧设有内孔配合面7-4；位于皮带轮7内侧面的上端及下端分别设有槽口7-1，所述的槽口7-1的位置及大小与圆环5相配合。
弹簧元件2为碟形弹簧或者波形弹簧。
万向节环3的内侧面为曲面结构3-1，并且曲面结构3-1与循环球螺母4的球形曲面4-2相配合。
圆环5与圆柱销6的另一端为间隙配合连接。
球轴承9的内圈设有内圈8，内圈8的一端位于球轴承9的内部，内圈8的另一端通过螺纹与皮带轮7一端内侧的内螺纹7-2连接，皮带轮7另一端通过螺纹与螺纹锁紧环1连接。
在循环球螺母4的球形曲面4-2上，上下对称地布置有两个圆柱销6，这两个圆柱销6可以在皮带轮7内侧的两个槽口7-1内滑动，且循环球螺母4可以在圆柱销6滑动到设定的任意位置时沿圆柱销6轴线旋转，因此构成了具有“循环球螺母能以任意围绕与丝杠轴向垂直取向的轴线旋转”功能的结构。
循环球螺母4上设有球形曲面4-2，并在一侧布置有万向节环3，该万向节环3具有与循环球螺母4相匹配连接的曲面结构3-1，同时，在球轴承9的内圈8上也具有与循环球螺母4相匹配连接的万向节球面区段。以上三个零件构成了能够使循环球螺母以万向节段球面的球心为中心任意方向旋转的基本结构。
为了实现将扭矩由皮带轮7传递到循环球螺母4，在循环球螺母4的曲面结构3-1上，上下对称地布置有两个圆柱销6，该圆柱销6通过过盈配合的方式安装到循环球螺母4两侧的圆孔槽4-4内。因此，循环球螺母4可以穿过两个圆柱销6的轴线旋转。
在皮带轮7的内侧，设置有沿皮带轮7轴向布置的两个槽口7-1，该槽口7-1具有与圆柱销6外圆柱面母线相切合的平面构成两侧面，因此，圆柱销6可以沿与槽口7-1平行的方向滑动，因此构成了具有“循环球螺母能以任意围绕与丝杠轴向相垂直取向的轴线旋转”功能的结构。
在两个圆柱销6上布置有两个圆环5，圆环5内表面与圆柱销外表面间隙配合，且圆柱销6端面设有限位法兰结构6-1，该圆环5可以沿圆柱销6轴线旋转，且圆环6外表面与皮带轮的槽口7-1相贴合，在实际应用中，该圆环5与槽口7-1两侧往往需要有一个较小的间隙，因此圆环5只有一侧面与槽口7-1贴合，因此，该结构可以实现将圆柱销6与槽口7-1的相对滑动运动变为相对滚动运动，降低零件的磨损。
循环球螺母4的球形曲面4-2中间设置有一段短圆柱面4-3以削减球面的最大径向尺寸，该结构使皮带轮7可以有更多的径向布置空间，缩小面7-3的直径，以较小的皮带轮7外径实现较宽的槽口7-1布置，降低槽口7-1与圆柱销6的贴合压强，从而降低摩擦力。
为了使万向节环3的曲面结构3-1以需要的轴向预紧力贴紧循环球螺母4，在万向节环3另一端面设置有预紧机构，该预紧机构由一个环形结构的弹簧元件2和一个螺纹锁紧环1构成。该弹簧元件2优选是蝶形弹簧，同时，也可以设计为波形弹簧。螺纹锁紧环1以外螺纹形式与皮带轮7端面内侧的内螺纹7-2固定连接，同时按照设定的轴向安装位置锁紧，使弹簧元件2具有设定的轴向压力，从而使万向节环3的曲面结构3-1以及球轴承9的内圈8的万向节球面区段从两侧贴紧循环球螺母的球形曲面4-2。
该方案为了保证皮带轮7能够以刚性连接的方式连接到球轴承9的内圈8上，可以采用螺纹连接的安装形式，并辅以常用的螺纹胶或铆点的形式防松。其结构设计为，皮带轮7一侧端面内侧的内螺纹7-2与球轴承9的内圈8的外螺纹相连接，且皮带轮7的端面贴紧球轴承9的内圈8上的肩部。同时，为了弥补因螺纹结构造成的皮带轮7轴心与球轴承9的内圈8轴心有轻微偏差对万向节结构贴合度的影响，万向节环3的外圆柱面与皮带轮7相应的内孔配合面以间隙配合的形式安装。
该装置可以使丝杠的径向载荷及弯矩不会直接传递到球轴承9的内圈8上，也不会向球轴承9内的钢球和轴承外圈上传递；从而减小了球轴承所受到的外部载荷，对同样的外部径向载荷设计可以选取尺寸更小的轴承。
同时丝杠的径向载荷不会传递到球轴承9的内圈8上，也意味着球轴承9会对丝杠的反向作用力同步减小，该作用力的减小也使得对于同样外部径向载荷设计下对应的滚珠丝杠的直径可以同步减小。
皮带轮7由于受到外界的皮带驱动的扭矩，而皮带为了避免打滑或者跳齿的现象发生，因此有内在皮带张紧力，皮带轮7仅和球轴承9的内圈8相连接，而由于前面提到径向载荷不会传递到球轴承9的内圈8上，球轴承9的内圈8的相对位置不会受到外界的径向载荷的影响，从而实现了皮带轮7的相对位置也不会受到影响，这就保证了皮带的张紧力始终保持不变，从而杜绝了皮带发生打滑或者跳齿的现象，提高了转向系统的精确度。
该装置的扭矩传递结构主要由两个圆柱销6以及圆环5传递，在原理上实现了零件之间的无隙贴合，因此在实际应用中可以实现较为紧密的零件贴合，避免了转向系统内由于零件碰撞而产生的噪音，且提高了传动效率。同时，由于圆柱销6的直径较大，该方案也可以传递较大的助力扭矩，可以适用于更大功率的转向系统，提高零件的寿命。
该装置的万向节结构通过弹簧元件2预紧，由于弹簧元件实例蝶形弹簧的布置空间较大，可以实现更加灵活的预紧力设计范围，且以较为简单的结构实现了较大的预紧力。

Claims (9)

1.一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，包括循环球螺母、球轴承、皮带轮，其特征在于：位于循环球螺母（4）的外缘一侧套设有球轴承（9），循环球螺母（4）的外缘另一侧套设有皮带轮（7），皮带轮（7）的端部内缘通过螺纹连接螺纹锁紧环（1）；所述的循环球螺母（4）与皮带轮（7）的之间嵌设有若干圆柱销（6），位于圆柱销（6）的外侧套设有圆环（5）；所述的循环球螺母（4）与螺纹锁紧环（1）之间设有弹簧元件（2），位于圆柱销（6）与弹簧元件（2）之间的循环球螺母（4）上套设有万向节环（3）。
2.根据权利要求1所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的圆柱销（6）至少设有2个，两个圆柱销（6）分别嵌设于循环球螺母（4）的上端及下端位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的循环球螺母（4）的外侧面由一段长圆柱面（4-1）及一段球形曲面（4-2）连接而成，位于循环球螺母（4）的球形曲面（4-2）的中部为短圆柱面（4-3），位于短圆柱面（4-3）的上端及下端分别设有圆孔槽（4-4）。
4.根据权利要求1或2所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的圆柱销（6）的一端位于循环球螺母（4）的圆孔槽（4-4）内，并且圆柱销（6）的一端与圆孔槽（4-4）为过盈配合连接；圆柱销（6）的另一端位于循环球螺母（4）的外侧，圆柱销（6）的顶部设有限位法兰结构（6-1）。
5.根据权利要求1所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的皮带轮（7）的两端内侧面分别设有内螺纹（7-2），皮带轮（7）内部的一侧设有缩小面（7-3），皮带轮（7）内部的另一侧设有内孔配合面（7-4）；位于皮带轮（7）内侧面的上端及下端分别设有槽口（7-1），所述的槽口（7-1）的位置及大小与圆环（5）相配合。
6.根据权利要求1所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的弹簧元件（2）为碟形弹簧或者波形弹簧。
7.根据权利要求1所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的万向节环（3）的内侧面为曲面结构（3-1），并且曲面结构（3-1）与循环球螺母（4）的球形曲面（4-2）相配合。
8.根据权利要求1或5所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的圆环（5）与圆柱销（6）的另一端为间隙配合连接。
9.根据权利要求1所述的一种电子助力转向机万向摆动式循环球螺母机构，其特征在于：所述的球轴承（9）的内圈设有内圈（8），内圈（8）的一端位于球轴承（9）的内部，内圈（8）的另一端通过螺纹与皮带轮（7）一端内侧的内螺纹（7-2）连接，皮带轮（7）另一端通过螺纹与螺纹锁紧环（1）连接。
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