ES2234898T3 - Engranaje de direccion sin holgura. - Google Patents

Abstract

Engranaje para el sistema de dirección de un vehículo, con un piñón (17), que está dispuesto de forma resistente al giro en un árbol (5), así como con una rueda (19) dentada que se engrana con el piñón (17) de tal modo que el piñón (17) y la rueda (19) dentada están tensados previamente en la dirección radial, y el árbol (5) está colocado de forma giratoria en la dirección radial (23) y montado sobre cojinetes mediante un cojinete (9) fijo y un cojinete (13) flotante, que puede desplazarse en la dirección radial (23) en una carcasa (11) de tal manera que el árbol (5) puede girar alrededor del cojinete (9) fijo, y de tal modo que entre la carcasa (11) y el cojinete (13) flotante o un anillo (47) de soporte para el cojinete (13) flotante está previsto al menos un elemento (25) de resorte, caracterizado porque el árbol (5) es, al mismo tiempo, el árbol del rotor de un motor eléctrico y el piñón (17) está colocado en voladizo en un muñón (15) del árbol 5.

Description

Engranaje de dirección sin holgura.

Estado de la técnica

La invención se refiere a un engranaje para el sistema de dirección de un vehículo, con un piñón dispuesto de forma resistente al giro en un árbol, y con una rueda dentada que se engrana con el piñón de tal modo que el piñón y la rueda dentada están tensados previamente en la dirección radial.

Los sistemas de dirección convencionales de los vehículos, los engranajes de dirección de los vehículos con engranaje de superposición y los sistemas de dirección por cable (Steer-by-Wire) requieren uno o varios engranajes de dirección con los que se transforma el movimiento de giro del volante en un movimiento de giro de las ruedas direccionales.

En los sistemas de dirección asistida eléctricos convencionales, un par de torsión aplicado por un motor eléctrico debe acoplarse adicionalmente al sistema de dirección. En un sistema de dirección por cable no existe ninguna unión mecánica o hidráulica entre el volante y las ruedas direccionales. Un regulador de dirección regula la posición de las ruedas direccionales en función de la dirección deseada por el conductor y de otros parámetros, tales como, por ejemplo, la velocidad de guiñada o la velocidad de la marcha. El movimiento de dirección de las ruedas direccionales puede programarse libremente y todo el trabajo de dirección se aplica mediante el regulador de dirección eléctrico o hidráulico.

En los sistemas de dirección de vehículos con engranaje de superposición se combina un sistema de dirección convencional con un engranaje de superposición, para poder efectuar engranes de dirección independientemente del deseo del conductor sobre la dirección. Con ello, se obtienen en su mayor parte las propiedades de un sistema de dirección por cable.

En el caso de estos engranajes no se desea holgura ya que ésta empeora la sensación de dirección, reduce la precisión de los engranes de dirección y, además, al cambiar la dirección de giro, esto se manifiesta de forma desagradable por medio de "ruidos crepitantes".

Como el estado de la técnica más próximo a la invención se considera el objeto descrito en el documento WO 99/65758 A, que presenta las características del preámbulo de la reivindicación 1, con la excepción de que, en lugar de un piñón, en el árbol está dispuesto un tornillo sin fin. Aquí se trata de una unidad de engranaje - motor de un sistema de dirección del vehículo con un motor 1 eléctrico y un rotor 3, el cual está acoplado con un vástago 5 de accionamiento de un tornillo 13 sin fin. Este vástago 5 de accionamiento está colocado en la caja 4 de engranajes mediante un cojinete 10 fijo y un cojinete 9 libre. Además, el vástago 5 de accionamiento está acoplado de forma resistente al giro con el rotor 3, el cual está colocado a su vez en la carcasa del motor eléctrico, opuesto al cojinete 10 fijo. Por tanto, en este objeto, como árboles giratorios están previstos dos componentes, es decir, el rotor 3 y el vástago 5 de accionamiento, los cuales están colocados en 3 puntos de apoyo en total. Para conseguir la ausencia de holgura deseada del engranaje, el vástago 5 de accionamiento se coloca en la caja 4 de engranajes por duplicado con ayuda del cojinete 10 fijo y del cojinete 9 flotante.

Partiendo de este estado de la técnica, el objetivo en el que se basa la invención consiste en mejorar adicionalmente el engranaje conocido para un sistema de dirección de un vehículo en relación con un engrane sin holgura entre la rueda dentada y el piñón. Especialmente, debe reducirse el número de componentes necesarios, disminuir el volumen estructural y el peso, y simplificar el modo constructivo. Este objetivo se consigue con un objeto con las características de la reivindicación 1.

Además, a partir del documento DE-OS 198 22 478 A1, para disminuir la holgura en los engranajes de dirección se conoce el colocar el piñón de un engranaje helicoidal de forma que pueda desplazarse axialmente y tensarlo previamente de forma elástica en la dirección axial. Con ello, no se reduce una holgura existente eventualmente en el engranaje de dirección, sino que sólo se evita parcialmente la formación de los "ruidos crepitantes" anteriormente mencionados ya que el piñón, tras un cambio en la dirección de giro al chocar en la rueda helicoidal, puede desviarse en la dirección axial y, con ello, atenuar el choque. En este engranaje de dirección es desventajoso que sufre la precisión del movimiento directriz y es necesaria una compensación longitudinal entre el árbol del piñón y el motor eléctrico que acciona el árbol del piñón.

Además, a partir del documento WO 99/11502, se conoce el colocar el árbol del piñón de un engranaje helicoidal de una unidad eléctrica de dirección asistida en un manguito excéntrico, de manera que durante el montaje puede ajustarse la holgura del engranaje helicoidal. En esta solución es desventajoso que la holgura aumente a lo largo del tiempo por el desgaste de las ruedas del engranaje y/o de su disposición de cojinetes y, con ello, aumenten los ruidos crepitantes.

A partir del documento JP OS 10 281 235 A, se conoce el montar de forma tensada previamente el piñón de un engranaje helicoidal accionado eléctricamente en un alojamiento elástico formado mediante una junta tórica de goma que está dispuesta entre el cojinete del piñón y la carcasa. En este engranaje no aparece ninguna holgura y el desgaste del engranaje se compensa automáticamente. No obstante, en esta realización es desventajoso el hecho de que una junta tórica envejezca a lo largo del tiempo y, con ello, disminuya la tensión previa. Además, el piñón no sólo puede desviarse en la dirección radial, sino también en la dirección tangencial, lo que reduce la precisión de la dirección.

A partir de la solicitud de patente, aún no publicada, con la referencia 199 44 133.2 (AT 15.09.1999) de ZF Lenksysteme GmbH, se conoce una unidad eléctrica de dirección asistida en la que el árbol, al que está fijado un piñón de un engranaje helicoidal, está montado sobre cojinetes en tres puntos. Uno de estos tres cojinetes puede desplazarse en la dirección radial. Mediante la aplicación de una fuerza elástica en la dirección radial, el árbol se deforma elásticamente y, con ello, se garantiza un engrane sin holgura del piñón en la rueda helicoidal. No obstante, los árboles aún deben absorber una solicitación periférica de curvatura adicionalmente a las solicitaciones de torsión que resultan del funcionamiento del engranaje de dirección.

Un engranaje según la invención presenta las características definidas en la reivindicación 1.

Mediante el movimiento giratorio del árbol en la dirección radial, puede formarse un engrane sin holgura entre el piñón y la rueda dentada, el cual puede compensarse sin más también al aparecer desgaste de las ruedas dentadas o de las disposiciones de cojinetes de las ruedas dentadas. No aparecen cargas adicionales de los componentes del engranaje. Además, es posible determinar de forma fácil y precisa la fuerza de apriete entre el piñón y la rueda dentada, de manera que la fricción del engranaje no sea mayor que la estrictamente necesaria y, por tanto, no se obstaculice de forma digna de mención el retroceso del sistema de dirección del vehículo a la posición central. Además, el piñón no puede desplazarse en la dirección axial, lo que aumenta la precisión de la dirección.

En una variante de la invención está previsto que la carcasa presente un agujero oblongo para alojar el cojinete flotante y que el eje longitudinal del agujero oblongo discurra en la dirección radial. En esta variante está predeterminado el movimiento giratorio del árbol por medio del agujero oblongo. No es posible un desvío del árbol en la dirección tangencial. Además, es fácil fabricar tecnológicamente un agujero oblongo.

En un complemento adicional de la invención, el cojinete flotante se apoya contra la carcasa mediante un anillo de soporte, de manera que el cojinete flotante no se solicite con cargas radiales lineales, y se mejore el guiado del cojinete flotante en la carcasa.

En otro complemento de la invención, el elemento de resorte es un resorte helicoidal o un resorte de disco. La fuerza de tensión previa depende fundamentalmente de la constante elástica del o de los elementos de resorte, y, sólo en un alcance reducido, de la tolerancia de fabricación del anillo de soporte y de la carcasa.

En otra configuración de la invención, un mecanismo de protección contra el giro está montado entre el cojinete flotante y la carcasa, o entre el anillo de soporte y la carcasa, de manera que el cojinete flotante no puede girar en la carcasa, lo que podría conducir a efectos adversos en el funcionamiento.

En un complemento adicional de la invención, el piñón está dispuesto de forma resistente al giro en el árbol del rotor de un motor eléctrico, de manera que se reduce el número de componentes y se posibilita un modo constructivo especialmente compacto del engranaje según la invención.

El engranaje según la invención puede ser un engranaje helicoidal, un engranaje recto con dentado externo o interno, un engranaje recto con cremallera, un engranaje cónico, un engranaje planetario o un engranaje de rueda helicoidal, de manera que las ventajas según la invención surten efecto con todos los tipos de engranajes. Además, el piñón y la rueda dentada o la cremallera pueden tener dientes rectos o dientes inclinados.

Finalmente, el engranaje según la invención puede emplearse en una unidad de dirección asistida de un sistema eléctrico de dirección asistida, en un sistema de dirección por cremallera, en un regulador de dirección con un engranaje de superposición o como regulador de dirección electromotriz de un sistema de dirección por cable.

Otras ventajas y configuraciones ventajosas de la invención pueden deducirse del dibujo que viene a continuación y de su descripción.

Dibujo

En el dibujo se muestran ejemplos de realización de la invención y se describen a continuación. Muestran:

la figura 1, un primer ejemplo de realización de un engranaje recto según la invención con dentado externo;

la figura 2, un segundo ejemplo de realización de un engranaje helicoidal según la invención;

la figura 3, un detalle de una disposición de cojinetes del árbol según la invención, y

la figura 4, un corte a lo largo de la línea A-A.

Descripción de la invención

En la figura 1 se muestra un primer ejemplo de realización de un engranaje 1 según la invención con un dentado recto. El engranaje 1 se compone de un motor 3 eléctrico con un árbol 5 que porta un rotor 7. El árbol 5 está colocado en uno de sus extremos con un cojinete 9 fijo, mostrado sólo esquemáticamente, en una carcasa 11 del motor 3 eléctrico. En el extremo opuesto del motor 3 eléctrico hay un cojinete 13 flotante. En un muñón 15 del árbol 5 está sujeto un piñón 17 de forma resistente al giro. Con ello, el piñón 17 está alojado en voladizo en el árbol 5 y se engrana con una rueda 19 dentada, la cual está fijada en un árbol 21 secundario. El alojamiento del árbol 21 secundario no se muestra en la figura 1.

Para evitar una holgura en el dentado entre el piñón 17 y la rueda 19 dentada, el árbol 5 puede girar alrededor del cojinete 9 fijo en la dirección de la flecha X1. El movimiento de giro del árbol 5 se posibilita porque el cojinete 13 flotante está fijado en la carcasa 11 de forma que puede desplazarse en la dirección radial, la cual se muestra mediante una flecha 23. Un elemento 25 de resorte configurado como resorte helicoidal aprieta el piñón 17 en la rueda 19 dentada, de manera que se produce una transmisión sin holgura del movimiento de giro del motor 3 eléctrico al árbol secundario. La constante elástica y la tensión previa del elemento 25 de resorte deben dimensionarse de tal manera que, independientemente de la dirección de giro y del par de torsión del motor 3 eléctrico, las fuerzas que aparecen entre los flancos de los dientes del piñón 17 y de la rueda 19 dentada no pueden girar el árbol 5 contra la fuerza elástica del elemento 25 de resorte. Por otro lado, debe considerarse que la fuerza elástica del elemento 25 de resorte no sea mayor de lo necesario para evitar que el engranaje según la invención se vuelva duro y el desgaste sea innecesariamente grande.

Para garantizar el funcionamiento del motor 3 eléctrico, es necesario que el recorrido X2 de giro del cojinete 13 flotante esté dimensionado de tal manera que el rotor 7 no pueda pulirse en un estator 27 del motor eléctrico. Además, debe considerarse que, debido al giro del árbol 5, no se afecte negativamente en su funcionamiento a las escobillas 23 que están presentes eventualmente del motor 23 eléctrico o a los sensores del ángulo de giro, no mostrados. Esto significa que la hendidura X3 entre el rotor 7 y el estator 27 debe estar dimensionada de tal manera que, cuando el recorrido X2 de giro del cojinete 13 flotante esté agotado, no se produce un contacto entre el rotor 7 y el estator 27.

Por eso, la escobilla 29 o los sensores del ángulo de giro, no mostrados, se disponen preferiblemente cerca del cojinete 9 fijo. La carcasa 11 del motor 3 eléctrico presenta un agujero oblongo en la zona del cojinete 13 flotante, el cual es dos veces el valor X2 más largo que el diámetro del cojinete 13 flotante.

La figura 2 muestra un segundo ejemplo de realización de la invención en forma de un engranaje 31 helicoidal. Los mismos componentes están dotados de los mismos números de referencia y es válido de forma correspondiente lo dicho respecto a un ejemplo de realización. Por motivos de claridad, en la figura 2 no vuelven a indicarse la flecha X1, el recorrido X2 de giro y la hendidura X3 entre el rotor 7 y el estator 27. No obstante, lo dicho respecto al primer ejemplo de realización también es válido para el segundo ejemplo de realización. En la figura 2 hay otro posible lugar 35 de montaje para las escobillas 29 o los sensores del ángulo de giro, no mostrados.

Cuando el piñón 17 transmite un par de torsión a la rueda 33 helicoidal, se origina una fuerza F_{R} radial. La fuerza F_{R} radial contrarresta la fuerza F_{elástica}elástica del elemento 25 de resorte. Además, mediante la transmisión del par de torsión del piñón 17 a la rueda 33 helicoidal, se origina también una fuerza F_{A} axial. La fuerza F_{A} axial cambia su dirección en función de la dirección de giro. El elemento 25 de resorte debe estar dimensionado de tal manera que el par F_{elástica} x a de apriete del elemento 25 de resorte es mayor que el par (F_{R} x b - F_{A} x c).

En el caso de dentados que están libres de fuerzas axiales, tales como, por ejemplo, dentados angulares, no se presenta ninguna fuerza F_{A} axial, de manera que la fuerza F_{elástica} elástica del elemento 25 de resorte puede elegirse de forma correspondientemente más reducida. De esta forma se origina una menor fricción y la fuerza de presión es independiente de la dirección de giro del motor 3 eléctrico.

En la figura 3 se muestra de forma algo más detallada una configuración estructural del primer ejemplo de realización. El cojinete 9 fijo y el cojinete 13 flotante están realizados como cojinete de bolas ranurados. Un anillo 37 interno del cojinete 9 fijo está unido con el árbol 5 mediante un ajuste prensado. Un anillo 39 externo del cojinete 9 fijo se encaja a presión mediante un ajuste prensado en la carcasa 11 o la tapa del cojinete que pertenece a la carcasa 11. En el extremo del árbol 5 opuesto al piñón 17 está dispuesto un sensor 41 del ángulo de giro. El piñón 17 está unido con el muñón 15 del árbol de forma fija axialmente y de forma resistente al giro mediante las chavetas 43 de ajuste y un tornillo 45.

La figura 4 muestra una representación en corte del cojinete 13 flotante a lo largo de la línea de corte A-A. El muñón 15 del árbol está alojado con un cojinete de bolas ranurado en un anillo 47 de soporte. A su vez, el anillo 47 de soporte está alojado en un agujero 49 oblongo de la carcasa 11. El agujero 49 oblongo está dimensionado de tal manera que el anillo 47 de soporte puede desplazarse dos veces X2 de forma radial, es decir, en la dirección de la flecha 23. Es decir, el recorrido X2 de giro se determina mediante la longitud del agujero 49 oblongo en la dirección longitudinal. El elemento 25 de resorte actúa directamente sobre el anillo exterior del cojinete 13 flotante o indirectamente sobre el árbol 5 mediante el anillo 47 de soporte. En la dirección tangencial, indicada aquí mediante una flecha 51, el agujero 49 oblongo está dimensionado de tal manera que el anillo 47 de soporte se adapta sin holgura al agujero oblongo. El elemento 25 de resorte sirve al mismo tiempo como mecanismo de protección contra el giro, para evitar que el anillo de soporte se gire en el agujero 49 oblongo. También deben protegerse otras configuraciones que no tienen holgura en la dirección tangencial y permiten un desplazamiento del anillo 47 de soporte en la dirección radial dos veces el valor X2.

La invención y su aplicabilidad no están limitadas a engranajes helicoidales y engranajes rectos de dientes rectos con dentado externo según los ejemplos de realización, sino que también puede emplearse en engranajes rectos con dentado interno, engranajes cónicos, engranajes planetarios o engranajes de tornillo sin fin. La invención también puede utilizarse en engranajes de cremallera.

Claims (8)

1. Engranaje para el sistema de dirección de un vehículo, con un piñón (17), que está dispuesto de forma resistente al giro en un árbol (5), así como con una rueda (19) dentada que se engrana con el piñón (17) de tal modo que el piñón (17) y la rueda (19) dentada están tensados previamente en la dirección radial, y el árbol (5) está colocado de forma giratoria en la dirección radial (23) y montado sobre cojinetes mediante un cojinete (9) fijo y un cojinete (13) flotante, que puede desplazarse en la dirección radial (23) en una carcasa (11) de tal manera que el árbol (5) puede girar alrededor del cojinete (9) fijo, y de tal modo que entre la carcasa (11) y el cojinete (13) flotante o un anillo (47) de soporte para el cojinete (13) flotante está previsto al menos un elemento (25) de resorte, caracterizado porque el árbol (5) es, al mismo tiempo, el árbol del rotor de un motor eléctrico y el piñón (17) está colocado en voladizo en un muñón (15) del árbol 5.

2. Engranaje según la reivindicación 1, caracterizado porque el cojinete (9) fijo, alrededor del cual puede girar el árbol (5), se encuentra en el lado del motor eléctrico que está opuesto al muñón (15) del árbol, mientras que el cojinete (13) flotante se encuentra en el otro lado del motor eléctrico.

3. Engranaje según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la carcasa (11) presenta un agujero (49) oblongo para alojar el cojinete (13) flotante, y porque el eje longitudinal del agujero (49) oblongo discurre en la dirección radial (23).

4. Engranaje según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el elemento (25) de resorte es un resorte helicoidal o un resorte de disco.

5. Engranaje según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre el cojinete (13) flotante y la carcasa (11) o entre el anillo (47) de soporte y la carcasa (11) está colocado un mecanismo de protección contra el giro.

6. Engranaje según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el árbol (5) está colocado en la carcasa (11) con cojinetes deslizantes y/o rodamientos, preferiblemente, cojinetes acanalados u oscilantes de bolas.

7. Engranaje según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el engranaje es un engranaje helicoidal, engranaje recto con dentado externo o interno, engranaje recto con cremallera, engranaje cónico, engranaje planetario o engranaje de tornillo sin fin.

8. Empleo de un engranaje según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el engranaje se emplea en una unidad de dirección asistida de un sistema eléctrico de dirección asistida, en un sistema de dirección por cremallera, en un regulador de dirección, en un engranaje de superposición y/o como regulador de dirección de un sistema de dirección por cable (Steer-by-Wire).