CN111791941A - 齿条杆和转向装置 - Google Patents

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Abstract

一种齿条(11)包括：齿条齿排(112)，该齿条齿排包括与小齿轮齿(9a)啮合的多个齿条齿(111)；硬化层(K)，该硬化层连续地设置在齿条齿排(112)的整个外周上；以及中央部分(S)，该中央部分设置在硬化层(K)的内部且其硬度低于硬化层(K)的硬度。在从齿条杆(11)的轴向方向上观察齿条杆(11)时，来自下述位置i)、位置ii)和位置iii)的硬化层(K)的深度顺次增大：i)齿条齿(111)的齿底(111v)；ii)齿条杆(11)的相对于齿底(111v)的侧面(111s)；以及iii)齿条杆(11)的相对于齿底(111v)的背面(111b)。

Description

齿条杆和转向装置
技术领域
本发明涉及一种齿条杆和一种转向装置。
背景技术
用于车辆的齿条-小齿轮式转向装置用于将转向轴的旋转运动变换成连接至转向轮的齿条杆的轴向线性运动，以将方向盘的转向操纵力传递至转向轮。在齿条-小齿轮机构中，小齿轮轴由球轴承、滚针轴承等支撑。齿条杆由在齿条杆上形成的齿条齿与在小齿轮轴上形成的小齿轮齿之间的啮合部分和齿条衬套支撑。关于齿条齿与小齿轮齿之间的啮合有各种规格，齿的规格根据车辆的所需规格(例如，特定行程、齿条行程等)而改变。
在齿条-小齿轮式转向装置中，齿条齿与小齿轮齿之间的啮合部分由于从方向盘施加的正输入扭矩和由轮胎施加的反向输入载荷而承受负荷。由于受轮胎的摩擦力、悬架几何形状和其他因素的影响，随着齿条齿与小齿轮齿之间的啮合部分靠近齿条行程的端部(齿条齿排的任一端部)，由轮胎施加的反向输入载荷趋于增加。
另外，当由于驾驶员为了使车辆进入车库或出于其他原因急剧转动方向盘而使齿条齿与小齿轮齿之间的啮合部分到达齿条齿排的任一端部时，即发生了所谓的末端抵接，其中，齿条杆抵接止挡块并停止。该末端抵接的冲击载荷被施加到齿条齿与小齿轮齿之间的啮合部分。在齿条-小齿轮式转向装置是具有辅助机构的齿条-小齿轮式转向装置的情况下，该冲击载荷变得更大。这需要确保齿条杆的齿条齿的所需强度(特别是轴向强度)。
另外，当车辆的任何转向轮在行驶过程中意外撞到孔洞时，重的冲击载荷施加到齿条杆上。这需要确保齿条杆的所需强度(特别是抗弯强度)。公开号为6-264992和2017-057442的日本专利申请各自公开了一种齿条杆，该齿条杆具有在包括多个齿条齿的齿条齿排的整个外周上连续形成的硬化层(主要由马氏体组织组成)。该硬化层有助于确保齿条杆的齿条齿的所需强度(特别是轴向强度)和齿条杆的所需强度(特别是抗弯强度)。
发明内容
然而，已经发现，在齿条中较深地形成硬化层(主要由马氏体组织组成)可能会使齿条杆脆化，因为形成这样的深硬化层会使齿条杆的形成在硬化层内部的具有韧性且硬度比硬化层的硬度低的中央部分减小。
本发明有助于增加轴向强度和抗弯强度并减少脆化。
本发明的第一方面涉及一种齿条杆。该齿条杆包括：包括与小齿轮齿啮合的多个齿条齿的齿条齿排；在齿条齿排的整个外周上连续设置的硬化层；以及设置在该硬化层的内部且具有比硬化层的硬度低的硬度的中央部分。在沿齿条杆的轴向方向观察齿条杆时，来自下述位置i)、位置ii)和位置iii)的硬化层的深度顺次增大：i)齿条齿的齿底；ii)齿条杆的相对于齿底的侧面；iii)齿条杆的相对于齿底的背面。
根据上述方面，在齿条杆的齿条齿排的整个外周上连续地形成有硬化层。这增加了齿条齿的轴向强度和齿条杆的抗弯强度。此外，硬化层形成为使得其在齿条齿的齿底、齿条杆的侧面以及齿条杆的背面的深度顺次增大。这减少了形成在硬化层的内部且硬度低于硬化层的硬度的中央部分的减小，从而有助于减少齿条杆的脆化。
本发明的第二方面涉及一种转向装置。该转向装置包括：壳体；齿条杆，该齿条杆由壳体支承为能够沿轴向方向移动并联接至车辆的车轮；以及小齿轮轴，该小齿轮轴由壳体支承为能够绕小齿轮轴的轴线旋转。该小齿轮轴与齿条杆的齿条齿排啮合，并且联接至车辆的方向盘。齿条杆包括：包括与小齿轮齿啮合的多个齿条齿的齿条齿排；在齿条齿排的整个外周上连续设置的硬化层；设置在该硬化层的内部且硬度低于硬化层的硬度的中央部分。在沿齿条杆的轴向方向观察齿条杆时，来自下述位置i)、位置ii)和位置iii)的硬化层的深度顺次增大：i)齿条齿的齿底；ii)齿条杆的相对于齿底的侧面；iii)齿条杆的相对于齿底的背面。
根据上述方面，在齿条杆的齿条齿排的整个外周上连续地形成有硬化层。这增加了齿条齿的轴向强度和齿条杆的抗弯强度。此外，硬化层形成为使得在齿条齿的齿底、齿条杆的侧面以及齿条杆的背面的深度顺次增大。这减少了形成在硬化层的内部且硬度低于硬化层的硬度的中央部分的减小，从而有助于减少齿条的脆化。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和产业意义，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示出了本发明的实施方式的转向装置的示意性构型；
图2A示出了本发明实施方式的齿条杆的在沿垂直于其轴线的方向观察时的视图；
图2B是图2A的齿条杆的在沿其轴向方向观察时沿着线IIB-IIB截取的剖视图；
图2C是常规标准齿条杆的在沿其轴向方向观察时的剖视图；
图2D是临时齿条杆的在沿其轴向方向观察时的剖视图；
图3示出了不同齿条杆之间的轴向强度比；
图4示出了不同齿条杆之间的断面系数比；
图5是示出在沿本发明的实施方式的齿条杆的轴向方向观察时齿条杆的硬化层的厚度分布的剖视图；
图6A示出了用于形成本发明的实施方式的齿条杆的硬化层的方法以及在沿齿条杆的轴向方向观察时硬化层的状态；
图6B示出了用于形成常规标准齿条杆的硬化层的方法以及在沿标准齿条杆的轴向方向观察时硬化层的状态；以及
图7是用于制造本发明的实施方式的齿条杆的方法的流程图。
具体实施方式
将给出对包括本发明的实施方式的齿条杆的转向装置的示意性构型的说明。转向装置可以是具有立柱辅助机构的齿条-小齿轮式电动助力转向装置，其中，电动马达将动力传递至柱轴；或者是具有小齿轮辅助机构的齿条-小齿轮式电动助力转向装置，其中，电动马达将动力传递至小齿轮轴。
转向装置还可以是具有齿条辅助机构的齿条-小齿轮式电动助力转向装置，其中，电动马达将动力传递至齿条杆，或者是不具有辅助机构的齿条-小齿轮式转向装置。转向装置至少包括转向操纵机构、转向机构和辅助机构。
作为示例，以下描述的转向装置是具有立柱辅助机构的齿条-小齿轮式电动转向装置。因此，如图1所示，转向装置1包括转向操纵机构2和转向机构3，并且根据驾驶员对方向盘4(转向操纵构件)的操作而使转向轮5转向。转向操纵机构2包括辅助驾驶员的转向操作的辅助机构6。
转向操纵机构2包括输入轴7a、输出轴7b、中间轴8以及构成齿条-小齿轮机构PR1的小齿轮轴9。输入轴7a联接至方向盘4。输出轴7b经由扭杆7c联接至输入轴7a。中间轴8经由第二万向接头8d联接至小齿轮轴9。
中间轴8构造成沿中间轴8的轴向方向伸展和缩回，并且包括第一轴8a和第二轴8b，该第一轴8a和该第二轴8b例如通过花键配合以能够相对于彼此移动且一起旋转的方式彼此配合。第一轴8a与第一万向接头8c联接，第二轴8b与第二万向接头8d联接。小齿轮轴9形成有小齿轮齿9a。
转向机构3包括构成齿条-小齿轮机构PR1的齿条杆11以及拉杆12。齿条杆11形成有与小齿轮齿9a啮合的齿条齿111(参见图2A)。每个拉杆12在其一端处联接至齿条杆11，在其另一端处联接至相应的转向轮5。响应于方向盘4因驾驶员的操作而产生的旋转，小齿轮轴9经由输入轴7a、输出轴7b和中间轴8发生旋转。
小齿轮轴9的旋转被变换成齿条杆11的轴向往复运动。齿条杆11的这种轴向往复运动经由相应的拉杆12传递至转向轮5。这改变了转向轮5的转向角，从而改变车辆的行驶方向。
辅助机构6包括扭矩传感器13、电子控制单元(ECU)14、电动马达15和蜗轮减速器16。扭矩传感器13检测输入轴7a与输出轴7b之间的扭转量。ECU14基于根据由扭矩传感器13检测到的扭转量获得的转向操纵扭矩以及基于由车速传感器10检测到的车速来确定辅助扭矩。
电动马达15由ECU14驱动及控制。蜗轮减速器16将电动马达15的旋转力传递到输出轴7b。因此，辅助扭矩被施加到输出轴7b，从而辅助驾驶员的转向操作。
本实施方式的齿条杆11可以是具有恒定传动比的齿条杆；或者可以是具有可变传动比的齿条杆，其中，齿条齿的规格根据在齿条杆上的轴向位置而变化。作为示例，本文讨论的齿条杆是具有恒定传动比的齿条杆。
如图2A所示，本实施方式的齿条杆11在其外表面上形成有包括多个齿条齿111的齿条齿排112，并且齿条杆11的每个端面上还形成有与相应拉杆12联接的内螺纹113。齿条齿排112通过利用模具对由经过预热处理(淬火和回火)的钢制成的实心轴构件11R进行压制从而使其塑性变形而形成，或者通过切削轴构件11R而形成。轴构件11R除了在其形成有齿条齿排112的部分以外可以是中空的。
近来，要求车辆减小尺寸以提高燃料效率以实现更好的环境性能。为此，减小齿条-小齿轮式转向装置的重量是必要的。实现该目的的一种有效的方法是减小齿条杆的齿条直径。因此，如图2B所示的本实施方式的齿条杆11的齿条直径R小于图2C所示的设置用于符合车辆所需规格(例如，特定行程和齿条行程)的标准齿条杆21的齿条直径Ra。这允许齿条-小齿轮式转向装置的重量的减小。
然而，如在以上发明内容部分中所述的，减小齿条杆的齿条直径涉及减小齿条齿的齿深和齿面宽度，这通常会使得难以确保齿条齿的所需强度(特别是轴向强度)。具体地，如在图2C中所示，常规标准齿条杆21的标准齿条齿211具有基于与车辆的所需规格(例如，特定行程和齿条行程)相符的齿规格来设定的齿面宽度Wa和齿深Ha。同时，图2D中所示的临时齿条杆31是标准齿条杆21的较小直径版本(其直径等于本实施方式的齿条杆11的齿条直径R)。
临时齿条杆31的临时齿条齿311形成为使得临时齿条杆31的轴心Cb与临时齿条齿311的齿底311v之间的距离d等于标准齿条杆21的Ca与标准齿条齿211的齿底211v之间的距离。因此，临时齿条杆31的临时齿条齿311的齿面宽度Wb与齿深Hb分别小于标准齿条杆21的标准齿条齿211的齿面宽度Wa和齿深Ha。这意味着临时齿条齿311的轴向强度小于标准齿条齿211的轴向强度。
在使临时齿条杆31的齿面宽度和齿深分别等于标准齿条杆21的齿面宽度和齿深时，临时齿条杆31的轴心Cb与临时齿条齿311的齿底311v之间的距离变得小于标准齿条杆21的轴心Ca与标准齿条齿211的齿底211v之间的距离。这仍导致临时齿条齿311的轴向强度降低。
因此，如图2B所示，本实施方式的齿条杆11被在径向方向上较深地切出齿使得齿条齿111的齿底111v的位置移位为比临时齿条齿311的齿底311v的位置更靠近齿条杆11的轴心C。这能够使齿条齿111的齿面宽度W和齿深H分别大于临时齿条杆31的齿面宽度Wb和齿深Hb，尽管齿条杆11的齿条直径R被形成为小于标准齿条杆21的齿条直径Ra。这允许齿条齿111具有类似于标准齿条齿211的轴向强度的轴向强度。
图3是将常规标准齿条杆21、临时齿条杆31和本实施方式的齿条杆11的轴向强度比进行对比的图。假设常规标准齿条杆21的轴向强度为100％，则临时齿条杆31和本实施方式的齿条杆11二者均具有在大约-15％内的轴向强度。即，本实施方式的齿条杆11的齿条齿111的轴向强度可以设定在标准齿条杆21的标准齿条齿211的容许轴向强度范围内。这确保了具有较小齿条直径的齿条杆11的齿条齿111的所需强度(特别是轴向强度)。
同样，如在上面的发明内容部分所述的，减小齿条杆的齿条直径通常会使得难以确保齿条杆的所需强度(特别是抗弯强度)。图4是将常规标准齿条杆21、临时齿条杆31和本实施方式的齿条杆11的断面系数进行对比的图。假设常规标准齿条杆21断面系数是100％，则临时齿条杆31和本实施方式的齿条杆11二者均具有在约-30％内的断面系数。
在齿条杆的整个外周上连续地形成硬化层是有效的措施。如图5所示，本实施方式的齿条杆11包括硬化层K(图中用交叉阴影线指示)和中央部分S(图中用单阴影线指示)，该硬化层K在各齿条齿111(齿条齿排112)的整个外周上连续地形成并且主要由马氏体组织形成，该中央部分S形成在硬化层K的内部、具有韧性且硬度低于硬化层K的硬度。这是因为各齿条齿111的从齿尖111f到齿底111v存在的硬化层K可有助于减少齿条齿111与小齿轮齿9a啮合区域处的齿面磨损和齿部断裂(或增大疲劳强度和增大断裂强度)。
此外，各齿条齿111的齿底111v侧上的硬化层K有助于抑制由于齿条杆11的弯折而在齿底111v处发生的断裂。硬化层K也存在于齿条杆11的相对于齿条齿111的齿底111v而言的背面111b上；该背面111b是仅次于齿底111v的第二容易因弯折而断裂的部分。齿条杆11的相对于齿条齿111的齿底111v而言的侧面111s上的硬化层K对于提供抗弯折的增强是必要的。
如图6B所示，常规标准齿条杆21的硬化层Ka(图中用交叉阴影线指示)通过利用加热元件40传导(电阻加热)形成。每一次加热，硬化层Ka仅在齿条齿211(齿条齿排212)侧上形成。因此，通过传导(电阻加热)来加热标准齿条杆21的齿条齿211(齿条齿排212)的整个外周需要至少两次加热，其中一次加热用于齿条齿211(齿条齿排212)侧，另一次加热用于相对于齿条齿211(齿条齿排212)侧而言的背面211b。
鉴于此，如图6A所示，硬化层K(图中用交叉阴影线指示)利用加热线圈50以适当的温度通过感应(高频感应加热)进行淬火和回火来形成。通过感应(感应加热)来对齿条杆11的齿条齿111(齿条齿排112)的整个外周进行加热仅需要加热一次，这有助于避免成本增加。
如上所述，在齿条齿111(齿条齿排112)的整个外周上连续形成硬化层K确保了齿条杆11的所需强度(特别是抗弯强度)。然而，发明人已经发现在齿条杆11中深入地形成硬化层K可能会增加使齿条杆11脆化的风险。这是因为在齿条杆11中形成这样的深硬化层K(主要由马氏体组织组成)会减小形成在硬化层K的内部、具有韧性且硬度低于硬化层K的硬度的中央部分S。
鉴于此，如图5所示，硬化层K(图中用交叉阴影线指示)的厚度根据在齿条杆11上的周向位置而变化。这有助于防止中央部分S的减少以及防止齿条杆11的脆化。具体地，在沿轴心C方向观察本实施方式的齿条杆11时，在齿条齿111的齿底111v的硬化层K(图中用交叉阴影线指示)的深度最小，其次是在齿条杆11的相对于齿底111v而言的侧面111s的硬化层的深度，然后是在齿条杆11的相对于齿底111v而言的背面111b的硬化层的深度。
在齿条齿111的齿底111v和在齿条杆11的背面111b的硬化层K的深度kv、kb分别沿垂直于齿条齿111的齿底111v并穿过齿条杆11的轴心C的直线测得。来自齿条杆的侧面111s的硬化层K的深度ks沿垂直于上述直线并穿过齿条杆11的轴心C的直线测得。
下面给出根据在齿条杆11上的周向位置来改***化层K的深度的理由。由于齿条齿111的齿底111v易于因齿条杆11的弯折而发生断裂，因此齿底111v处的硬化层K优选较深，但在形成深硬化层K方面存在下述问题。具体地，齿条杆11的硬化层K是利用加热线圈50形成的。因此，将加热线圈50放置成朝着齿条齿111偏移允许在齿条齿111的齿底111v处形成深的硬化层K。
然而，如果齿条齿111的齿尖111f太靠近加热线圈50，则齿尖111f可能熔化或齿条齿111可能发生变形。为了避免这些情况，在加热线圈50与齿条齿111的齿尖111f之间有必要保持适当的间隙。这意味着，来自齿条齿111的齿底111v的硬化层K的最大深度kv是有限的，这可能导致齿条杆11的抗弯强度不足。
鉴于此，将仅次于齿条齿111的齿底111v的第二易于因弯折而断裂的在齿条杆11的背面111b的硬化层K的深度kb做得最大，由此，能够增加齿条杆11的抗弯强度。将提供抗弯增强的在齿条杆11的侧面111s的硬化层K的深度ks形成为仅次于背部111b的硬化层的深度kb的第二大深度，这也增大了齿条杆11的抗弯强度。
兼顾到抑制中央部分S的减小的必要性，分别确定背面111b和侧面111s的硬化层K的深度kb、ks。具体地，为了取得齿条杆11的抗弯强度与齿条杆11的中央部分S的径向横截面积之间的平衡，硬化层K被形成为使得来自齿条齿111的齿底111v的硬化层的深度kv、来自齿条杆11的侧面111s的硬化层的深度ks以及来自齿条杆11的背面111b的硬化层的深度kb顺次增大(kv＜ks＜kb)。
下面，将说明用于制造齿条杆11的方法。将钢制实心轴构件11R设置在切削装置上以进行切削加工，从而在轴构件11R的每个端面上切削出用于与拉杆12联接的内螺纹113(图7中的步骤S1)。然后，将经历了切削加工的轴构件11R安置在压制装置上以进行压制加工，由此，在轴构件11R的外表面上形成齿条齿排112(图7中的步骤S2)。
将经历了压制加工的轴构件11R安置在高频感应加热炉中进行加热。然后，通过快速冷却对加热的轴构件11R进行淬火(图7中的步骤S3)。将经淬火的轴构件11R安置在高频感应加热炉中并加热预定时间段以进行回火(图7的步骤S4)。如此形成的硬化层K在齿条齿111的齿底111v处具有最小的深度，其次是其在齿条杆11的侧面111s处的深度，然后是其在齿条杆11的背面111b处的深度。
将淬火并回火后的轴构件11R安置在压制装置中，在该压制装置中对轴构件11R进行压制以除去其残余应变(图7中的步骤S5)。将除去了残余应变的轴构件11R安置在抛光机中以进行抛光处理，由此对齿条齿排112和其他部分进行抛光(图7中的步骤S6)。完成上述步骤即可完成齿条杆11。

Claims (4)

1.一种齿条杆(11)，其特征在于，包括：
齿条齿排(112)，所述齿条齿排(112)包括与小齿轮齿(9a)啮合的多个齿条齿(111)；
硬化层(K)，所述硬化层(K)在所述齿条齿排(112)的整个周部上连续地设置；以及
中央部分(S)，所述中央部分(S)设置在所述硬化层(K)的内部且与所述硬化层(K)相比具有较低的硬度，其中，
在沿所述齿条杆(11)的轴向方向观察所述齿条杆(11)时，下述位置i)、ii)和iii)的所述硬化层(K)的深度顺次增大：
i)所述齿条齿(111)的齿底(111v)；
ii)所述齿条杆(11)的相对于所述齿底(111v)的侧面(111s)；以及
iii)所述齿条杆(11)的相对于所述齿底(111v)的背面(111b)。
2.根据权利要求1所述的齿条杆(11)，其特征在于，所述硬化层(K)通过对所述齿条齿排(112)的所述整个周部的感应加热来设置。
3.根据权利要求1或2所述的齿条杆(11)，其特征在于，
所述齿条杆(11)用于车辆的转向装置中，
所述齿条杆(11)的齿条直径小于符合所述车辆的所需规格的标准齿条杆的标准齿条直径，并且
相比于所述标准齿条杆的标准齿条齿的齿底相对于所述标准齿条杆的轴心的位置，所述齿条杆(11)的所述齿条齿(111)的齿底(111v)相对于所述齿条杆(11)的轴心的位置朝向所述齿条杆(11)的轴心移位。
4.一种转向装置(1)，其特征在于，包括：
壳体；
根据权利要求1或2所述的齿条杆(11)，所述齿条杆(11)由所述壳体支撑为能够沿轴向方向移动，所述齿条杆(11)联接至车辆的车轮；以及
小齿轮轴(9)，所述小齿轮轴(9)由所述壳体支撑为能够绕所述小齿轮轴(9)的轴线旋转，所述小齿轮轴(9)与所述齿条杆(11)的齿条齿排(112)啮合，所述小齿轮轴(9)联接至所述车辆的方向盘。
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