ES2237725T3 - Mejoras relacionadas con la direccion asistida electrica. - Google Patents

Mejoras relacionadas con la direccion asistida electrica.

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ES2237725T3
ES2237725T3 ES03012386T ES03012386T ES2237725T3 ES 2237725 T3 ES2237725 T3 ES 2237725T3 ES 03012386 T ES03012386 T ES 03012386T ES 03012386 T ES03012386 T ES 03012386T ES 2237725 T3 ES2237725 T3 ES 2237725T3
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Abstract

Un sistema de dirección asistida eléctrica que comprende una carcasa (4), un motor eléctrico (1) fijo con respecto a la carcasa que tiene un estator y un rotor, un árbol de entrada (5) conectado operativamente al rotor (3), un árbol de salida (12) conectado operativamente a una columna de dirección, y un sensor de par adaptado para producir una señal de salida indicativa del par en el árbol de salida, estando adaptado el motor para aplicar sobre el árbol de salida un par dependiente de la señal de salida del sensor de par a través de un tornillo sinfín (13) provisto en el árbol de entrada que está adaptado para engranar con una rueda dentada (11) dispuesta sobre el árbol de salida, estando caracterizado el sistema de dirección porque el árbol de entrada está conectado operativamente al rotor del motor por un acoplamiento flexible, cuyo acoplamiento flexible comprende una araña resiliente (52) que tiene una pluralidad de brazos (53) extendidos radialmente que definen una pluralidad de carasde accionamiento extendidas sustancialmente radialmente, cooperando una o más de las caras de accionamiento con una o más caras radiales de accionamiento definidas en el rotor (3) y cooperando una o más de las caras de accionamiento con las caras de accionamiento definidas en el árbol de entrada.

Description

Mejoras relacionadas con la dirección asistida eléctrica.
Esta invención está relacionada con el perfeccionamiento de conjuntos de engranajes, y en particular con conjuntos de dirección asistida eléctrica que incorporan un conjunto de rueda dentada y tornillo sinfín para transferir el par desde un motor eléctrico hasta una columna de dirección o un árbol de salida conectado operativamente al motor.
Es conocido el suministro de un sistema de dirección asistida para un vehículo que comprende un motor eléctrico que tiene un estator y un rotor, un árbol de entrada operativamente unido al rotor y adaptado para girar con el mismo, un árbol de salida asociado a una columna de dirección, y una caja de engranajes adaptada para transferir el par desde el árbol de entrada hasta el árbol de salida en respuesta a una medida del par en el árbol de salida efectuada por un sensor de par. El motor sirve típicamente para aplicar un par creciente sobre el árbol de salida a medida que crece el par medido, aplicando así un par de asistencia que ayuda a conducir el vehículo.
En una disposición sencilla, el árbol de entrada define un tornillo sinfín, y el árbol de salida está provisto de una rueda dentada que está adaptada para engranar con el tornillo sinfín. Aunque tal sistema es relativamente eficaz, existe un problema de ruido y de vibración debido a un engrane incorrecto entre el tornillo sinfín y la rueda dentada. Este engrane incorrecto puede producirse debido a tolerancias de fabricación, variaciones de las dimensiones por causas térmicas, distorsiones debidas a las fuerzas de torsión y desgastes durante el servicio.
Es conocido el documento US-A-4967859, que describe un aparato de asistencia eléctrica que comprende todas las características contenidas en la cláusula precaracterizadora de la reivindicación 1. Específicamente, el aparato del documento US-A-4967858 no incluye ninguna forma de empuje para el árbol.
También es conocido el documento EP-A-0420131, que describe un aparato de dirección para ruedas traseras en el cual un árbol sinfín que se extiende desde un motor es empujado hacia una rueda dentada por un medio resiliente en forma de muelle helicoidal.
En el documento J-A-62255618, un elemento resiliente constituido por muelles de lámina tiene una pluralidad de caras de accionamiento que cooperan con unas caras de accionamiento definidas en un rotor y en un árbol de entrada.
Según un primer aspecto, la invención proporciona un sistema de dirección asistida eléctrica que comprende una carcasa, un motor eléctrico fijo con respecto a la carcasa que tiene un estator y un rotor, un árbol de entrada conectado operativamente al rotor, un árbol de salida conectado operativamente a una columna de dirección, y un sensor de par adaptado para producir una señal de salida indicativa del par en el árbol de salida, estando adaptado el motor para aplicar sobre el árbol de salida un par dependiente de la señal de salida del sensor de par a través de un tornillo sinfín dispuesto en el árbol de entrada que está adaptado para engranar con una rueda dentada dispuesta sobre el árbol de salida, estando caracterizado el sistema de dirección por comprender además un primer medio de cojinete que soporta el árbol de entrada sobre la carcasa por su extremo más alejado del motor y un medio resiliente de empuje adaptado para actuar sobre el primer medio de cojinete para empujar el árbol de entrada hacia la rueda dentada.
Preferiblemente, el árbol de entrada es empujado con un movimiento basculante centrado en un segundo medio de cojinete que soporta el árbol de entrada sobre la carcasa por su extremo adyacente al motor.
El medio de empuje puede estar adaptado para aplicar sobre el primer medio de cojinete una fuerza de empuje suficiente para mantener un engrane total entre los dientes del tornillo sinfín y los dientes de la rueda dentada dentro de un margen determinado de valores de par transmitidos por la rueda dentada. Esto ayuda a evitar que suenen los engranajes cuando se circula en línea recta o por una carretera bacheada al asegurar que ambos lados de los dientes engranados del tornillo y de la rueda permanecen en contacto sustancialmente en todo momento dentro de ese margen de pares. Dado que el dispositivo aumenta el rozamiento de la caja de engranajes en vacío, es importante mantener el control de la fuerza aplicada por el medio de empuje dentro de todo el margen requerido para el árbol de entrada. Por lo tanto el medio de empuje debe tener un grado pequeño de elasticidad.
La provisión del medio de empuje permite aplicar una fuerza de empuje controlada, permitiendo a la vez un movimiento basculante del árbol de entrada suficiente para compensar los cambios de dimensiones debidos a variaciones de fabricación, cambios de temperatura, etc. El valor máximo del par hasta el cual es efectivo el engrane total se elige cuidadosamente (mediante compromiso) para evitar un rozamiento excesivo.
El medio de empuje puede comprender un muelle resiliente de cualquier tipo adaptado para que actúe entre una parte de la carcasa y el primer medio de cojinete.
En ciertas configuraciones, es preferible que el muelle resiliente esté constituido por un muelle de lámina que puede sujetarse a la carcasa por un primer extremo y actúa sobre el primer medio de cojinete por su otro extremo. El muelle puede apoyar sobre el primer medio de cojinete, situado en el extremo del árbol de entrada opuesto a la rueda dentada, de manera que empuje el tornillo sinfín para que entre en contacto con la rueda dentada.
El muelle de lámina puede ser provisto fuera de la carcasa, y el segundo extremo del muelle de lámina puede pasar a través de una abertura de la carcasa para entrar en contacto con el primer medio de cojinete. El segundo extremo del muelle de lámina puede llevar un retén que cierre herméticamente la abertura por la que atraviesa.
El árbol de entrada puede estar conectado directamente al rotor del motor. Puede extenderse continuamente a través del rotor.
El árbol de entrada puede estar conectado operativamente al rotor a través de un acoplamiento flexible que permita que el tornillo sinfín bascule sin que se mueva el rotor.
El acoplamiento flexible puede consistir en un elemento resiliente, por ejemplo de goma. El rotor del motor puede estar adaptado para aplicar una fuerza motriz sobre el elemento resiliente a través de una o más superficies del elemento resiliente extendidas radialmente y separadas circunferencialmente. El elemento resiliente puede estar adaptado a su vez para aplicar una fuerza motriz sobre el árbol de entrada a través de una o más superficies del elemento extendidas radialmente y separadas circunferencialmente. El elemento puede tener una forma de araña con múltiples brazos que presenten un número de superficies de accionamiento extendidas radialmente y separadas circunferencialmente.
Cuando el árbol de entrada está conectado al rotor del motor por un acoplamiento flexible, puede proveerse un primer medio de compresión entre la carcasa y el primer medio de cojinete situado en el extremo del árbol de entrada más alejado del motor, el cual aplica una fuerza de compresión sobre el árbol de entrada para empujarlo hacia el rotor del motor. Puede estar compuesto por un muelle helicoidal. Su función es evitar el ruedo y la vibración debidos al juego axial del segundo medio de cojinete. En su estado comprimido, deberá quedar espacio libre entre las espiras adyacentes para evitar resistencias por rozamiento frente el movimiento basculante del árbol de entrada.
También puede proveerse un segundo medio de compresión (tal como un muelle helicoidal) entre el extremo del árbol de entrada adyacente al rotor del motor y el rotor del motor. Puede estar situado en una copa formada en un extremo del árbol de entrada, mientras que un pasador que se extiende sobre el eje de rotación del rotor del motor, y que forma parte del rotor, penetra en la copa para enganchar el muelle.
De este modo, mientras el primer medio de compresión empuja al segundo medio de cojinete a través del acoplamiento flexible, el segundo medio de compresión empuja al rotor directamente a través del pasador. Debe existir una diferencia entre las fuerzas aplicadas respectivamente por el primer y el segundo medio de compresión que el segundo medio de cojinete sufra un empuje de magnitud suficiente en la dirección del eje del árbol de entrada.
En una variante, el medio de empuje puede comprender un anillo tórico situado entre el primer medio de cojinete y la carcasa. El anillo tórico puede ser de caucho, y puede encajar con una circunferencia exterior del primer medio de cojinete y con una parte de la carcasa.
El primer medio de cojinete puede moverse por lo tanto con respecto a la carcasa venciendo una fuerza de resistencia ejercida por el anillo tórico cuando se comprime al menos una parte del anillo tórico. Con esta disposición, puede fabricarse deliberadamente la rueda dentada o el tornillo sinfín con un ligero sobredimensionamiento sobre las dimensiones calculadas en función de la distancia entre sus ejes respectivos. Esto asegura que el anillo tórico esté siempre sometido a una pequeña compresión residual.
En una alternativa al anillo tórico, el medio de empuje resiliente puede consistir en un elemento resiliente que esté alojado entre el primer medio de cojinete y la carcasa, tal como un bloque separador de goma. El elemento puede estar situado entre el primer medio de cojinete y la carcasa, opuesto al lado del árbol de entrada que engrana con la rueda dentada. El medio de empuje puede actuar a compresión o a tracción.
El segundo medio de cojinete puede consistir en un cojinete a bolas que está adaptado para impedir el movimiento radial y axial del árbol de entrada con respecto a la carcasa pero que permite el movimiento basculante del árbol de entrada venciendo la fuerza de empuje producida por el medio de empuje.
El segundo medio de cojinete puede elegirse para que incluya un conjunto de cojinete a bolas de alta tolerancia que esté adaptado, gracias a la forma de la ranura en la que están situadas las bolas, para impedir sustancialmente cualquier desplazamiento radial del árbol de entrada con respecto a la carcasa mientras atraviesa el segundo cojinete, pero permitiendo que el árbol de entrada pivote sobre un punto de su eje que pase por un punto del plano del segundo medio de cojinete.
En una disposición preferida, la carcasa define una primera parte y una segunda parte, cuya primera parte incluye una carcasa para el árbol de entrada que tiene al menos un par de paredes opuestas, y cada pared tiene una abertura en la cual está respectivamente montado el primer o el segundo medio de cojinete, y la segunda parte comprende una carcasa, al menos para una parte del árbol de salida, que tiene al menos un par de paredes opuestas, disponiendo cada pared de una abertura para alojar uno o más cojinetes adaptados para sujetar el árbol de salida con respecto a la carcasa. El árbol de salida está montado preferiblemente perpendicular al árbol de entrada y está sustancialmente impedido para moverse radialmente con respecto a la carcasa.
Puede proveerse sobre una cara circunferencial externa del primer medio de cojinete un trozo de revestimiento plástico que evite el contacto entre el primer medio de cojinete y la carcasa durante los desplazamiento excesivos. Esto ayuda a eliminar el ruido vibratorio debido al contacto de metal a metal entre el primer medio de cojinete y la carcasa.
La primera abertura practicada en la primera porción de la carcasa (que aloja al primer medio de cojinete) puede estar constituida por una ranura alargada, a través de la cual pasa el árbol de entrada, y que tiene unos extremos semicirculares y un par de lados paralelos centrales. La separación entre los lados paralelos puede ser sustancialmente igual al diámetro exterior del primer medio de cojinete. El radio de los extremos semicirculares de la ranura puede ser sustancialmente igual al radio exterior del primer medio de cojinete. De este modo, el primer medio de cojinete puede estar adaptado para moverse axialmente por la ranura pero puede estar impedido de moverse radialmente en perpendicular con la ranura.
La primera abertura de la primera parte puede estar constituida por un orificio anular que tiene una superficie interior con un diámetro mayor que el diámetro del primer medio de cojinete. Por lo tanto la superficie exterior del primer medio de cojinete puede estar separada de la pared interior. En este espacio puede alojarse el elemento de anillo tórico que constituye el medio de empuje.
Puede proveerse una acanaladura sobre una circunferencia de la pared interior que sitúe el anillo tórico en una posición predeterminada con respecto a la pared, siendo la profundidad de la acanaladura inferior al espesor radial del elemento de anillo tórico. En este caso, el primer medio de cojinete puede desplazarse desde su posición de reposo, venciendo la fuerza de empuje ejercida por el anillo tórico, sobre una distancia igual a la diferencia entre el espesor radial del anillo tórico y la profundidad de la acanaladura. Por lo tanto, el primer medio de cojinete está impedido de seguir desplazándose radialmente por la abertura cuando se apoya sobre la pared interior de la primera abertura.
En otra disposición alternativa más, el medio de empuje puede consistir en una barra de torsión que tiene un primer extremo que actúa sobre el primer medio de cojinete y un segundo extremo fijo con respecto a una parte de la carcasa, de manera que la barra de torsión aplica una fuerza de empuje sobre el primer medio de cojinete.
La barra de torsión puede consistir en una varilla alargada, sustancialmente en forma de U, que tiene en un primer extremo una parte terminal, doblada con un ángulo de noventa grados aproximadamente con respecto al resto del primer extremo y con respecto a la parte central de la varilla, para encajar con una parte del primer medio de cojinete. Preferiblemente, la parte terminal del extremo actúa directamente sobre una superficie externa del primer medio de cojinete, opuesta a la rueda dentada del árbol de salida, atravesando un canal abierto en la carcasa que se extiende radialmente a partir de la pared interna de la primera abertura de la primera parte de la carcasa.
La parte central de la barra de torsión puede estar sujeta a una parte de la carcasa mediante una o más abrazaderas o grilletes.
En segundo extremo de la barra de torsión puede reposar sobre una cara extrema de un tornillo roscado que encaja en la carcasa. El giro del tornillo dentro del orificio roscado desplaza el segundo extremo de la barra de torsión con respecto a la carcasa. Puesto que el primer extremo está encajado en el primer medio de cojinete, el tornillo actúa aumentando o disminuyendo la torsión en la barra de un modo conocido, alterando a su vez la fuerza de empuje aplicada sobre el primer medio de cojinete (es decir, se utiliza cuando se hace el ajuste).
En una disposición preferida, una parte terminal del segundo extremo de la barra de torsión está doblada aproximadamente noventa grados con respecto al resto del segundo extremo y encaja en un hueco de la cara extrema del tornillo. Esto proporciona una colocación firme para la segunda parte extrema.
En otra disposición alternativa más, cuando el espacio en el vehículo lo permita, el medio de empuje puede consistir en un muelle helicoidal cuyo eje es sustancialmente perpendicular al del tornillo sinfín. El muelle helicoidal podría estar instalado en un orificio de la carcasa. Un primer extremo del muelle podría aplicar una fuerza sobre el anillo guía exterior del primer medio de cojinete a través de un extremo adaptado del muelle o a través de un componente independiente colocado entre el muelle y el primer medio de cojinete. Un tapón o placa de cierre situada en el extremo del orificio más alejado del medio de cojinete constituiría un soporte para el muelle helicoidal y un medio de estanqueidad.
En una disposición más preferida, la parte terminal del segundo extremo de la barra de torsión encaja en una cavidad de la carcasa. Esto hace que el dispositivo sea no ajustable y a prueba de manipulaciones indebidas, lo cual es preferible en las versiones comerciales.
Como refinamiento, cuando el medio de empuje consista en un retén de anillo tórico que actúe entre el primer medio de cojinete y la carcasa, el eje central del anillo tórico puede estar desplazado con respecto al eje del árbol de entrada. Esto proporciona una relación entre la fuerza de empuje y el desplazamiento del medio de cojinete que difiere del caso en el cual los ejes del anillo tórico y del árbol coinciden. Es preferible que el eje del anillo tórico, cuando pasa a través del primer medio de cojinete, esté más cerca de la rueda dentada que del árbol de entrada.
Para refinar aun más la relación entre la fuerza de empuje y el desplazamiento del primer medio de cojinete, la forma de la acanaladura para el anillo tórico (cuando exista) con respecto a la sección transversal del anillo tórico puede elegirse de tal modo que la parte comprimida del anillo tórico rellene completamente la acanaladura cuando el desplazamiento alcance un valor predeterminado correspondiente a una fuerza de empuje predeterminada, con lo cual el grado de aumento de la fuerza de empuje con el desplazamiento total es apreciablemente mayor que el grado de aumento de la fuerza de empuje con el desplazamiento cuando el desplazamiento es inferior al desplazamiento predeterminado. Por lo tanto, cuando el anillo tórico se encuentra en su posición normal, correspondiente a un par nulo en la rueda dentada, el anillo tórico puede rellenar sólo parcialmente la acanaladura.
Según un segundo aspecto, la invención proporciona un sistema de dirección asistida eléctrica que comprende una carcasa, un motor eléctrico fijo con respecto a la carcasa que tiene un estator y un rotor, un árbol de entrada conectado operativamente al rotor, un árbol de salida conectado operativamente a una columna de dirección, y un sensor de par adaptado para producir una señal de salida indicativa del par en el árbol de salida, estando adaptado el motor para aplicar sobre el árbol de salida un par dependiente de la señal de salida del sensor de par a través de un tornillo sinfín dispuesto en el árbol de entrada que está adaptado para engranar con una rueda dentada dispuesta sobre el árbol de salida, estando caracterizado el sistema de dirección porque el árbol de entrada está conectado operativamente al rotor del motor por un acoplamiento flexible, cuyo acoplamiento flexible consiste en una araña resiliente que tiene una pluralidad de brazos extendidos radialmente que definen una pluralidad de caras de accionamiento extendidas sustancialmente radialmente, cooperando una o más de las caras de accionamiento con una o más caras radiales de accionamiento definidas en el rotor y cooperando una o más de las caras de accionamiento con las caras de accionamiento definidas en el árbol de entrada.
El árbol de entrada puede tener formada una copa en su extremo adyacente al rotor del motor. Una clavija situada sobre el eje de rotación del rotor puede estar adaptada para alojarse dentro de la copa. El acoplamiento flexible puede estar situado entre una cara extrema de la copa y el rotor, quizás alrededor de la clavija.
La copa puede estar adaptada para alojar un primer elemento resiliente de empuje, tal como un muelle, que actúa entre el extremo de la clavija y la base de la copa para empujar el rotor separándolo del árbol de entrada.
Puede proveerse un segundo medio de compresión adaptado para empujar el árbol de entrada hacia el rotor. Este puede consistir en un muelle situado entre la carcasa y un medio de cojinete que soporta el árbol de entrada.
Se describirán a continuación tres ejemplos de la presente invención únicamente a título de ejemplo. Se hace referencia a los dibujos adjuntos, que incluyen los mismos números de referencia para las mismas piezas, y en los cuales:
la Figura 1 es una vista parcial recortada de una primera realización de un sistema de dirección asistida eléctrica que incorpora la presente invención;
la Figura 2 es una vista de una segunda realización de un sistema de dirección asistida eléctrica que incorpora la presente invención;
la Figura 3 es una vista alternativa del sistema de la Figura 2 mostrando la conexión entre la barra de torsión y un tornillo roscado que está fijado a la carcasa;
la Figura 4 es una tercera realización de un sistema de dirección asistida eléctrica que incorpora la presente invención;
la Figura 5 es un detalle del segundo cubo soporte para el rotor del motor;
la Figura 6 es un detalle del elemento flexible de araña; y
la Figura 7 muestra una planta del elemento de muelle de lámina.
La Figura 1 es una vista recortada de una parte del sistema de dirección asistida eléctrica de la presente invención para utilizar en un vehículo.
Un motor 1 para aplicar un par de asistencia sobre un árbol de salida 12, conectado operativamente a un árbol de columna de dirección, comprende un estator 2 y un rotor 3. El motor está montado en un lado de una carcasa 4. Un extremo de un árbol de entrada 5 enchavetado a un extremo del rotor penetra a través de una abertura 8 en una cavidad interna 6 de la carcasa. El otro extremo del árbol de entrada pasa a través de una abertura 7 existente en un lado de la carcasa opuesto a la abertura 8, y un primer medio de cojinete 9 y un segundo medio de cojinete 10, situados respectivamente en la abertura 7 y en la abertura 8, soportan el árbol de entrada sobre la la carcasa.
Entre los dos medios de cojinete, el árbol de entrada 5 porta un tornillo sinfín 13 que está adaptado para engranar con una rueda dentada 11 montada sobre el árbol de salida 12 en el lugar que atraviesa la carcasa. Unos cojinetes (no representados) soportan el árbol de salida 12 sobre la carcasa 4, perpendicularmente al eje del árbol de entrada 5, de manera que el tornillo sinfín y la rueda dentada estén engranados.
En funcionamiento, una señal emitida por un sensor de par (no representado), adaptado para medir el par en el árbol de salida 12 (o en un árbol de dirección conectado operativamente al mismo), es enviada a una unidad electrónica de control (ECU) que a su vez produce una señal de mando del motor que controla el par producido por el motor 1. El motor 1 transfiere entonces el par, mediante el rotor 3 del motor, al árbol de entrada 5 y al árbol de salida 12 para proporcionar una asistencia que ayude a un conductor del vehículo.
Cada uno de los medios de cojinete 9, 10 incluye una caja de cojinete a bolas o cojinete a rodillos que tiene un anillo guía interior del cojinete que coopera con el árbol de entrada y un anillo guía exterior del cojinete situado alrededor del anillo guía interior, estando los rodamientos situados entre ambos. Puede utilizarse cualquier conjunto de cojinete conocido siempre que cumpla los requisitos de tolerancia y resistencia de carga establecidos por el diseñador.
El segundo medio de cojinete 10 está sujeto a la carcasa 4 y actúa como un pivote sobre el cual puede bascular el árbol de entrada 5. Impide sustancialmente cualquier movimiento radial del árbol 5 mientras atraviesa el cojinete 10.
El primer medio de cojinete 9 está separado de la carcasa 4 por un medio resiliente de empuje 14 adaptado para empujar el árbol de entrada 5 hacia la rueda dentada 12 del árbol de salida 11.
El segundo (y mayor) medio de cojinete 10 sufre por lo tanto las fuerzas tangenciales ejercidas sobre la rueda dentada por el tornillo sinfín, así como las fuerzas radiales (es decir, en ángulo recto con el eje del tornillo sinfín) debidas al ángulo helicoidal y al ángulo de presión de los dientes.
El primer conjunto de cojinete 9 está restringido axialmente con respecto a la carcasa 4 (según se describirá a continuación) pero es libre para moverse radialmente en contra de la fuerza de empuje ejercida por el medio de empuje 14.
El medio de empuje 14 actúa para empujar el tornillo sinfín hacia el engrane con la rueda dentada a través de un medio resiliente y para permitirle que adopte una condición de engrane total (es decir, sin que exista huelgo entre los flancos de ambos lados de los dientes del tornillo sinfín y de la rueda dentada) en todo el margen de variaciones del tamaño y posición de la rueda dentada (debidas a tolerancias de fabricación), de la temperatura y del estado de desgaste de los dientes. Según se aprecia en la Figura 1, el medio de empuje consiste en un anillo tórico situado en una acanaladura 15 de sección transversal cuadrada.
Es preciso mantener esta condición de engrane total dentro de un margen de valores del par, medidos en la rueda dentada, (por ejemplo hasta 4 N-m en una aplicación), para evitar que suenen los engranajes cuando se circula en línea recta por carreteras bacheadas. Para mantener el engrane total con un par de 4 N-m en la rueda dentada, es preciso aplicar una fuerza de 20 N sobre el tornillo sinfín, radialmente con respecto a la rueda dentada. Cuando se aplica un par más alto, el tornillo sinfín se separa de la rueda dentada y aparece un huelgo en los lados de los dientes que no estén transmitiendo el par. El par nominal máximo del sistema de engranajes representado en la Figura 1 es de 42 N-m.
Se ha demostrado mediante experimentos que, si no se incorpora un medio de empuje, el margen de variación del desajuste dimensional que puede producirse debido a las tolerancias, la temperatura y el desgaste, es típicamente de unos 0,150 mm. Para compensarlo, se requiere un margen de movimiento radial del tornillo sinfín, con respecto a la rueda dentada, aproximadamente igual al doble de la variación del desajuste (debido al ángulo de presión de 14 grados); es decir un total de 0,300 mm (ó +/-0,150 mm desde la posición nominal del eje del tornillo sinfín). Este margen de movimiento se consigue permitiendo que el árbol del tornillo sinfín pivote sobre el cojinete a bolas mayor, moviéndose nominalmente en un plano vertical, y empujando el desplazamiento hacia la rueda dentada por medio del anillo tórico de 3 mm de ancho que actúa sobre el anillo guía exterior del cojinete a bolas menor.
En el diseño particular representado en la Figura 1, la relación de longitudes entre el centro de engrane del tornillo sinfín y el centro de los respectivos cojinetes significa que el anillo tórico deberá aplicar una fuerza de 20 x 48[48 + 38,5]N (=11N). Idealmente, esta debería mantenerse sobre un margen de desplazamientos, a partir de la posición nominal del árbol del tornillo sinfín, de +/-0,270(= +/-0,150 x [48 + 38,5)/48]mm). Sin embargo, esto no es práctico porque la fuerza debe cambiar con el movimiento en el caso de un medio resiliente sencillo como este. Como compromiso, la invención obtiene un margen de fuerzas comprendido aproximadamente entre 17 y 27 N sobre el margen total de desplazamiento de 0,540 mm (es decir +/-0,270 mm). Esto se consigue desplazando el centro de la acanaladura para el anillo tórico con respecto a la posición nominal del eje del tornillo sinfín. La magnitud de esa desviación dependerá de la Fuerza vs. La característica del desplazamiento del anillo tórico, que actuará como un muelle no lineal cuya fuerza aumentará a medida que el anillo sinfín sea obligado a alejarse de la rueda dentada. Cuando se supera el límite del citado margen de desplazamientos de trabajo, en el sentido de alejarse de la rueda dentada, la resistencia del anillo tórico deberá aumentar muy rápidamente para evitar un desplazamiento excesivo del árbol del tornillo sinfín con pares elevados.
Existe un límite absoluto de carrera (por ejemplo 0,500 mm desde el eje nominal) debido al hecho de que el orificio de la carcasa para el cojinete de 22 mm de diámetro está mecanizado a 23 mm. Para evitar el ruido de impacto entre metal y metal, puede elegirse el anillo tórico con una fuerza mínima de 150 N a un desplazamiento de 0,500 mm con respecto al centro del cojinete pequeño. Esto requerirá un grado de crecimiento muy rápido de la fuerza del muelle entre 0,300 y 0,500 mm de desplazamiento. Esto puede conseguirse haciendo a la medida la forma de la acanaladura para el anillo tórico, con respecto al diámetro de la sección transversal del anillo tórico, para que el material del anillo tórico sólo rellene la acanaladura en el momento exacto en el cual es preciso que la fuerza del muelle aumente bruscamente. La dureza del caucho es otro parámetro que puede optimizarse.
Nótese que es importante limitar la fuerza de engrane producida a pares bajos, porque induce un rozamiento de magnitud apreciable durante el funcionamiento en vacío de la caja de engranajes y esto es perjudicial para el rendimiento y el buen tacto de la conducción. Una fuerza de engrane de 20 N creará 0,4 N de rozamiento medido en la rueda dentada. El máximo aceptable es típicamente unos 0,5 N.
Para que pueda actuar como centro de pivotamiento para el árbol del tornillo sinfín, al menos con los pequeños desplazamientos angulares afectados (+/-0,18 grados), el cojinete mayor puede estar especificado con un grado de tolerancia "C3" (es decir con la máxima tolerancia estándar). Esto permitirá que el cojinete ruede con la desalineación requerida sin excesivo rozamiento o desgaste. Para evitar el ruido debido a las inversiones esporádicas de par en la caja de engranajes que se producen cuando se rueda en línea recta por carreteras bacheadas, el cojinete puede estar precargado axialmente a 90 N. La precarga puede ser aplicada a través del árbol precargando el anillo guía exterior del cojinete menor mediante un muelle helicoidal 16 comprimido.
La conexión entre el árbol 5 del tornillo sinfín y el rotor 3 del motor es un engrane enchavetado con tolerancia en el cual se utiliza un pequeño muelle de lámina para cargar lateralmente la chaveta macho con respecto a la chaveta hembra y eliminar cualquier juego torsional en el accionamiento motorizado. Esta disposición permite un pequeño grado de curvatura entre el árbol del tornillo sinfín y el rotor del motor y por lo tanto permite el desplazamiento deseado del árbol del tornillo sinfín.
En las Figuras 2 y 3 se muestra una realización alternativa y, cuando es posible, se han utilizado los mismos números de referencia que en la Figura 1, puesto que muchos componentes son idénticos.
La segunda realización difiere de la primera realización en que, en lugar de un retén de anillo tórico, el medio de empuje consiste en una barra de torsión 100 que actúa sobre una superficie exterior del primer medio de cojinete.
La barra de torsión 100 consiste en una barra alargada doblada en forma de U alargada. Cada extremo de la barra está doblado además con un ángulo aproximado de noventa grados.
La parte central 101 de la barra 100 está sujeta sobre una parte de la carcasa 4 mediante un casquillo que permite que la barra gire sobre su eje. Un extremo 102 de la barra actúa sobre el medio de cojinete mientras que el otro extremo 103 actúa sobre un tornillo 104 roscado sobre la carcasa 4. El giro del tornillo 104 desplaza el correspondiente extremo de la barra, creando una torsión en la barra puesto que el otro extremo está impedido de moverse por el medio de cojinete. De este modo, puede ajustarse la fuerza de empuje mediante el giro del tornillo.
Naturalmente, el tornillo no es esencial, y pueden utilizarse muchos otros modos para variar la fuerza de empuje. Por ejemplo, pueden introducirse cuñas entre el extremo de la barra de torsión y el medio de cojinete o la carcasa. También están previstos dentro del alcance de la invención otros tipos de muelles.
El experto en la técnica comprenderá por lo tanto que la presente invención consiste, al menos en un aspecto, en el suministro de un medio de empuje que empuja el árbol de entrada hacia el árbol de salida con una deseada relación entre Desplazamiento y Fuerza de Empuje que evita, al menos parcialmente, el ruido de los engranajes.
En la Figura 4 se ilustra una tercera realización de un sistema de dirección asistida eléctrica de la presente invención.
Este sistema difiere de los dos sistemas anteriores en que el tornillo sinfín está situado en un árbol de entrada 5 que está aislado del rotor 3 del motor por un acoplamiento flexible. También es empujado hacia la rueda dentada 11 mediante un muelle 200 de lámina dispuesto para actuar sobre el primer medio de cojinete 9 que soporta el extremo del árbol 5 opuesto al motor.
El rotor 3 del motor es cilíndrico y está soportado por cada extremo mediante un respectivo cubo 30, 31. Un primer cubo 30 consiste en un bastidor soporte con un cojinete situado en su eje de rotación. El cojinete ajusta a deslizamiento sobre un pasador 32 centrado que forma parte de la carcasa 4 del motor y que está situado en el eje de rotación del rotor. El pasador atraviesa pues el cojinete para dar soporte al rotor en el extremo del motor opuesto a la caja de engranajes.
El segundo cubo 31 comprende un bastidor soporte radial y una clavija 33 integral y situada centralmente. La clavija 33 sobresale del rotor 30 hacia la caja de engranajes y se aloja en una copa 51 formada en el extremo del árbol de entrada 5 para asegurar una alineación axial aproximada entre el rotor y el árbol de entrada 5.
Entre el segundo cubo 31 y la copa 51 existe un acoplamiento flexible 52 que comprende una araña de caucho con ocho brazos 53, idénticos y separados circunferencialmente, que definen dieciséis superficies radiales de accionamiento 54.
Según puede apreciarse en la Figura 6, el segundo cubo 31 tiene cuatro dientes o garras de accionamiento 31a que se proyectan hacia la caja de engranajes y encajan entre los correspondientes brazos de la araña flexible. La copa 51 del árbol del tornillo sinfín está también provista de cuatro dientes o garras que se extienden axialmente hacia el rotor y engranan con las restantes superficies de accionamiento existentes entre los brazos de la araña. Así pues, la transmisión desde el rotor del motor está acoplada al árbol del tornillo sinfín a través de la araña.
La existencia del acoplamiento flexible, que puede apreciarse con mayor detalle en las Figuras 5 y 7 de los dibujos adjuntos, permite que el árbol de entrada 5 se desplace sin necesidad de un desplazamiento correspondiente del rotor 3 del motor, aumentando la vida útil del motor.
En el interior de la copa se provee un pequeño muelle helicoidal 55 que actúa a través de un separador sobre el extremo de la clavija del segundo cubo para empujar el rotor del motor alejándolo de la caja de engranajes. Se provee un segundo muelle 56 entre la carcasa de la caja de engranajes y el primer medio de cojinete para empujar el árbol de entrada 5 hacia el rotor.
En la Figura 7 de los dibujos adjuntos puede apreciarse con mayor detalle el muelle de lámina 200. Consiste en un elemento resiliente sustancialmente plano que se atornilla sobre la carcasa del motor mediante unos orificios 202 situados en un extremo y con el plano del muelle paralelo al eje del árbol de entrada.
El extremo libre 201 del muelle de lámina 200 tiene una curva de noventa grados y pasa a través de un orificio de la carcasa para apoyarse sobre el primer medio de cojinete 9. Esto aplica una fuerza sobre el árbol de entrada dirigida hacia la rueda dentada. Un retén moldeado sobre el extremo 201 del muelle de lámina coopera con las paredes del orificio para cerrar herméticamente el orificio. Además, se provee una tapa 300 de chapa que impide el acceso al muelle de lámina a menos que se retire la tapa.
El primer medio de cojinete que sostiene el extremo libre del árbol del tornillo sinfín está colocado dentro de una guía de plástico que ajusta a presión dentro de la carcasa. La guía está sobredimensionada en 0,76 mm con respecto al movimiento radial del primer medio de cojinete, en sentido hacia dentro y alejándose de la rueda dentada, pero ajusta sin tolerancias en la dirección perpendicular (horizontal) para impedir el movimiento del cojinete en esa dirección. Por lo tanto la guía sólo permite al primer medio de cojinete un grado de libertad de movimiento.

Claims (2)

1. Un sistema de dirección asistida eléctrica que comprende una carcasa (4), un motor eléctrico (1) fijo con respecto a la carcasa que tiene un estator y un rotor, un árbol de entrada (5) conectado operativamente al rotor (3), un árbol de salida (12) conectado operativamente a una columna de dirección, y un sensor de par adaptado para producir una señal de salida indicativa del par en el árbol de salida, estando adaptado el motor para aplicar sobre el árbol de salida un par dependiente de la señal de salida del sensor de par a través de un tornillo sinfín (13) provisto en el árbol de entrada que está adaptado para engranar con una rueda dentada (11) dispuesta sobre el árbol de salida, estando caracterizado el sistema de dirección porque el árbol de entrada está conectado operativamente al rotor del motor por un acoplamiento flexible, cuyo acoplamiento flexible comprende una araña resiliente (52) que tiene una pluralidad de brazos (53) extendidos radialmente que definen una pluralidad de caras de accionamiento extendidas sustancialmente radialmente, cooperando una o más de las caras de accionamiento con una o más caras radiales de accionamiento definidas en el rotor (3) y cooperando una o más de las caras de accionamiento con las caras de accionamiento definidas en el árbol de entrada.
2. Un sistema de dirección asistida eléctrica según la reivindicación 1, en el cual el árbol de entrada tiene formada una copa (51) en su extremo adyacente al rotor del motor y una clavija situada sobre el eje de rotación del rotor está adaptada para ser recibida dentro de la copa.
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