CN115675619A - 用于电动动力转向设备的齿轮箱组件 - Google Patents

用于电动动力转向设备的齿轮箱组件 Download PDF

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A·沃伊塔利克
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Abstract

一种齿轮箱组件，包括：齿轮箱壳体，容纳蜗杆轴和蜗轮，该蜗杆轴结合一个或多个外部螺旋蜗杆齿；主轴承组件，在最靠近马达的端部处支撑蜗杆轴；尾轴承组件，在最远离马达的端部处支撑蜗杆轴，至少尾轴承组件能够相对于壳体在有限运动范围内自由移动通过使得蜗杆轴能够背离蜗轮的轴线径向移动，并且该齿轮箱组件进一步包括柔性联接器，在主轴承端部处将蜗杆轴连接至来自马达的动力输出件，以将转矩从马达传递至蜗杆轴，其特征在于，柔性联接器包括提供与蜗杆轴的连接的第一毂部分、提供与来自马达的动力输出件的连接的第二毂部分、以及将第一毂部分连接至第二毂部分的柔性膜，该柔性膜提供了用于将转矩从第一毂部分传递至第二毂部分的主路径。

Description

用于电动动力转向设备的齿轮箱组件
技术领域
本发明涉及一种用于电动动力转向设备的、蜗轮蜗杆类型的齿轮箱组件。
背景技术
电动动力转向***使用电动马达产生辅助转矩，该辅助转矩施加到转向***的旋转部件上。在常规布置中，这个转矩辅助驾驶者转动车轮。因为马达在相对较高的速度下工作最佳，并且因为紧凑型马达产生的转矩相对较低，所以通常通过减速齿轮箱将马达的输出端与转向柱相连接。
最广泛使用的电动动力辅助转向减速齿轮箱的类型具有相对简单的、类似于附图的图1所示的蜗轮蜗杆构造。齿轮箱组件典型地包括齿轮箱壳体100，该齿轮箱壳体容纳蜗杆轴101和蜗轮102。蜗杆轴连接至电动马达103(在最左边示出)的输出端。马达103可以紧固至壳体的端面或甚至定位在壳体内。蜗杆轴101在蜗杆轴的、蜗杆轮与蜗轮接合的区域的任一侧由两个轴承组件支撑。在本说明书中，第一轴承组件被称为主轴承组件104并且位于最靠近马达103的端部处。第二轴承组件被称为尾轴承组件105并且位于最远离马达的端部处，两个轴承组件典型地包括被支撑在内轴承座圈和外轴承座圈内的轴承元件，该内轴承座圈螺纹连接到蜗杆轴上，该外轴承座圈紧固至齿轮箱组件的壳体。轴承组件的功能是允许蜗杆轴旋转，同时在一定程度上限制轴向和径向移动。蜗轮102连接至齿轮箱的输出轴106，并且被定位成使得蜗轮的齿接合蜗杆轴的齿。
已知在电动动力辅助转向(EPS)设备中使用的减速齿轮箱由于作用在其输出轴上的外部扭振而容易嘎嘎作响(rattle)。这些振动由于地面不平或车轮不平衡在行走车轮处产生。替代性地，驾驶者在方向盘处施加突然转矩反向，使蜗轮的齿向蜗杆轴的齿上施加突然力，这可能引起机械噪声。蜗轮蜗杆齿轮箱中嘎嘎作响的主要位置是在蜗杆齿和蜗轮齿的接合处以及在最靠近马达的主轴承处，该主轴承使得蜗杆轴轴向定位。
当所传递的蜗轮转矩为零或水平较低时，通过借助于外部力(比如消声弹簧107)将蜗杆轴偏置成与蜗轮啮合，使得齿被固持处于所谓的“双面”接触，即蜗杆轴上的被接合齿的两侧同时与蜗轮上的毗邻的齿面接触，蜗轮齿之间的嘎嘎作响可以得到抑制。在此情形下，蜗轮与蜗杆轴之间没有旋转游隙。弹簧推动(在图1中为向下)蜗杆轴尾轴承的外座圈。
为了促进此移动，蜗杆轴与马达之间的连接必须允许包括一定量的移动自由度。如图1所示，并且如在图2的分解局部视图中更好可见的，这可以通过将马达的输出轴的尖端108磨圆并且将此尖端定位在连接至蜗杆轴的刚性联接器中的互补承窝内来实现。在现有技术中，比如在申请人早期的专利申请PCT/GB017/052892中公开的布置，图1的图像取自该布置，刚性联接器有两个单独的部分，一个部分109固定至马达轴，而另一个部分110固定至蜗杆轴。这两个部分中的每个部分均设置有使两个部分互锁的齿，以提供用于转矩流动跨过联接器的路径。
这样的已知的两件式联接器在组装期间会出现困难，在组装期间需要注意将联接器的两个部分正确地对准以防止每个部分上的凸耳之间发生撞击而阻止旋转。因为两个部分是刚性的，所以错位可能会损坏这些凸耳，或阻止部分被完全推动在一起，在最好的情况下，使组装减慢，在最坏的情况下，需要更换部分。
本发明的目的是改良在组装上述种类的现有技术齿轮箱组件期间出现的问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于来自电动动力辅助转向设备的电动马达的动力输出件的齿轮箱组件，该齿轮箱组件包括：
齿轮箱壳体，该齿轮箱壳体容纳蜗杆轴和蜗轮，
所述蜗杆轴结合一个或多个外部螺旋蜗杆齿；
主轴承组件，该主轴承组件在最靠近马达的端部处支撑蜗杆轴；
尾轴承组件，该尾轴承组件在最远离马达的端部处支撑蜗杆轴，
其中，至少尾轴承组件能够相对于壳体在有限运动范围内自由移动，使得蜗杆轴能够背离蜗轮的轴线径向移动，
并且齿轮箱组件进一步包括柔性联接器，该柔性联接器在主轴承端部处将蜗杆轴连接至来自马达的动力输出件，以将转矩从马达传递至蜗杆轴，
其特征在于，柔性联接器包括提供与蜗杆轴的连接的第一毂部分、提供与来自马达的动力输出件的连接的第二毂部分、以及将第一毂部分连接至第二毂部分的柔性膜，该柔性膜提供了用于将转矩从第一毂部分传递至第二毂部分的主路径。
在齿轮箱组件的使用期间，通过对在施加在两个毂部分之间的扭转负载下的变形具有高抵抗性，膜可以基本上阻止两个毂部分之间的相对角度移动，并且基本上允许两个毂部分之间进行有限移位范围之内的相对轴向和径向移动。
膜可以使得第一毂部分和第二毂部分能够在使用期间相对轴向移动多达2mm、或可能3mm或更多，并且可以允许径向移动至少0.5mm、或至少1mm、或至少2mm。该膜可以基本上允许无旋转移动，一直到几十Nm的扭转负载施加在两个毂部分之间，使得使用转向的车辆的驾驶者不会感觉到由于膜而产生的任何扭转游隙或磁滞。
提供具有柔性膜的联接器允许在组装期间针对蜗杆轴和马达动力输出件的径向和轴向偏移获得一定程度的自对准，从而克服了现有技术中的、在提供形成为两个单独部分的联接器时发生撞击的问题。膜提供了用于跨过联接器传递转矩的路径，而不是将两个单独部件上的齿互锁。
膜可以包括将第一毂部分连接至第二毂部分的薄的、盘形的、波状的材料片材。
膜可以被配置成使得轴向或径向负载使膜的部分通过以膜的小剪切力弯曲而变形，而扭转负载主要引起膜的剪切。通过提供在剪切中易于弯曲但难以变形的材料薄膜，可以实现所需的扭转负载行为、径向负载行为和轴向负载行为。可以采用塑料材料、或金属合金、或复合材料来实现期望的行为。然而，最优选的是，联接器包括模制塑料部件或玻璃纤维材料(比如PA6 30GF)或类似材料。
第一毂部分、第二毂部分和膜可以形成为单一部件。单一部件可以包括柔性复合材料。毂部分和膜可以包括单个部分，比如一件式模制体。
第一毂部分和第二毂部分可以各自相对较不具柔性。为了提供此性质，这两个毂部分可以具有比膜厚的壁，但以其他方式具有与膜相同的材料。
第一毂部分和第二毂部分可以是大致圆柱形的并且共享共用旋转轴线，一个毂部分的直径大于另一个毂部分的直径。当然，当径向负载施加毂部分时，这两个毂部分可以移动而不对准。
膜可以在两个毂部分之间径向延伸，并且可以包括一组两个或更多个直径各不相同的圆柱形部分，这两个或更多个圆柱形部分各自在一个端部通过径向延伸的柔性环状部分连接至相邻圆柱形部分的相邻端部，并且在两个端部中的另一个端部通过径向延伸的环状部分连接相邻圆柱形部分的相邻端部或连接至其中一个毂部分，以向膜提供蛇形截面形状。
膜的圆柱形部分中的每个圆柱形部分和两个毂部分可以围绕共用轴线布置，使得在沿着蜗杆轴的轴线观察时，毂部分和圆柱形部分是同心的。圆柱形部分中的两个或更多个圆柱形部分在物理上可以同心地布置，但在本发明的范围内，一些圆柱形部分并不完全或部分地与至少一个其他圆柱形部分重叠，而是轴向偏移。
圆柱形部分可以提供膜的径向柔性的主要来源，而环状部分可以提供膜的轴向柔性的主要来源。
替代性地，环状部分可以是膜的径向柔性和轴向柔性两者的主要来源。
每个环状部分可以包括通过围绕环的旋转轴线旋转半圆形式而形成的环面的一半，由此在沿着从环的旋转中心径向延伸的线观察时，该环状部分具有c形截面，其中，在穿过沿着膜的将两个毂部分互连的表面限定的任何线性路径时，c形所面向的方向从一个环交替到下一个环。在以截面图观察时，这限定了波状的蛇形表面。
通过方向上的交替，在沿着联接器的旋转轴线观察时，圆柱形部分和环状部分将限定交替的脊和沟的同心模式。与对膜的材料和厚度的经考虑的选择相结合的这种形状允许联接器所需的扭转柔性、径向柔性和轴向柔性可以针对给定应用进行调整。
第一毂部分可以是大致圆柱形的并且包括一组花键，该一组花键用于连接至蜗杆轴的互补的一组花键。
第二毂部分可以是大致圆柱形的并且包括一组花键，该一组花键用于连接至马达动力输出件的互补的一组花键。
至少一个毂部分的花键和马达输出件的蜗杆轴的对应的花键可以相对较精细，并且可以被配置成在这些花键在初始组装期间没有自对准的情况下自对准。
第一毂部分的外部直径可以小于第二毂部分的外部直径。
联接器可以包括在圆柱形部分的与花键相反的一侧上紧密地装配到第一毂部分上的金属套环，以防止毂部分的带花键部分歪曲。
类似地，联接器可以包括在圆柱形部分的与花键相反的一侧上紧密地装配到第二毂部分上的金属套环，以防止毂部分的带花键部分歪曲。
套环或每个套环可以是不会完全围绕毂部分延伸的裂缝套环，以在处于负载下时向套环的直径提供一定程度的扩张。这些套环的主要功能是以弹性易感性将花键齿连接固持在适当位置。
在套环中设置有裂缝的情况下，毂部分的在该区域中的对应部分可以省略以形成狭缝。这确保了毂部分的该区的弹性易感性。
花键可以围绕每个毂部分的圆柱形部分的面向外或面向内的壁设置。
齿轮箱组件可以包括弹簧，比如螺旋弹簧，该弹簧作用于联接器的毂部分与马达动力输出件之间、或作用于联接器的毂部分与蜗杆轴之间，以提供蜗杆轴的轴向预负载。
第一毂部分可以限定用于螺旋弹簧的端部的支座。此支座可以设置在第一毂部分的面向蜗杆轴的一侧上或设置在相反侧上。
在一个优选布置中，第一毂部分可以包括一组与蜗杆轴上的外部花键接合的内部花键，并且第二毂部分可以包括一组与马达动力输出件的一部分接合的内部花键，并且弹簧可以在第一毂部分的与蜗杆轴相反的一侧上作用于动力输出件与第一毂部分之间。
在替代性布置中，第一毂部分可以包括一组与蜗杆轴的超大部分接合的内部花键，并且第二毂部分可以包括一组与动力输出件的带花键部分接合的内部花键，弹簧位于形成在蜗杆轴的端部中的凹部内并且作用于蜗杆轴与第二毂部分之间。
附图说明
现在将仅通过示例的方式，参照附图并如附图所展示地描述齿轮箱组件的落入本发明的范围内的两个实施例，在附图中：
图1是用于电动动力辅助转向***的现有技术齿轮箱组件的截面视图；
图2是图1的齿轮箱组件的联接器的放大视图；
图3是根据本发明的齿轮箱的第一实施例的与图1的截面视图类似的截面视图；
图4a、图4b和图4c是根据本发明的一方面的齿轮箱组件的第一实施例的联接器的视图；
图5是在第一实施例的齿轮箱组件中处于原位置的联接器的截面视图；
图6是根据本发明的齿轮箱的第二实施例的与图1的截面视图类似的截面视图；
图7a、图7b和图7c是根据本发明的一方面的齿轮箱组件的第二实施例的联接器的视图；以及
图8是在第二实施例的齿轮箱组件中处于原位置的联接器的截面视图。
具体实施方式
图3至图6中示出了本发明的第一实施例。齿轮箱组件200在转向设备的电动马达的输出端提供齿轮减速，从而允许将马达产生的转矩传递至转向柱或齿条(或转向***的其他部分)，该转矩辅助驾驶者转动方向盘或提供转向转矩的主要来源。
齿轮箱组件200包括齿轮箱壳体，该齿轮箱壳体容纳结合一个或多个外部螺旋蜗杆齿的蜗杆轴201和由输出轴203承载的蜗轮202。齿轮箱组件的传动比是通过蜗杆轴和蜗轮的相对形状和齿数量来设定，蜗杆轴的每次旋转使得蜗轮前进设定齿数量，该设定齿数量对应于蜗轮的整圈的一小部分。
主轴承组件204在最靠近马达的端部处支撑蜗杆轴，并且尾轴承组件205在最远离马达的端部处支撑蜗杆轴，这些轴承使得轴能够绕该轴的长轴线旋转。尾轴承组件能够相对于壳体在有限运动范围内自由移动，这使得蜗杆轴能够背离蜗轮的轴线径向移动。
蜗杆轴201通过柔性联接器204连接至来自电动马达的动力输出件207。该联接器的功能是将转矩从马达传递至蜗杆轴，同时使得蜗杆轴与马达208的动力输出件之间能够进行一些相对移动。
柔性联接器204可以在附图中的图4a至图4c中最佳可见。柔性联接器204包括一件式模制体，该一件式模制体限定提供与蜗杆轴201的连接的第一毂部分205、提供与来自马达208的动力输出件207的连接的第二毂部分206、和将第一毂部分连接至第二毂部分的柔性膜209。第一毂部分205和第二毂部分206具有相对较厚的壁并且是刚性的，膜具有较薄的壁并且更具柔性。柔性膜209提供了用于将转矩从第一毂部分传递至第二毂部分的主路径。这样，此膜将转矩从马达动力输出件、跨过联接器传递至蜗杆轴。
第一毂部分205是大致环形的并且具有一组内部花键210，该一组内部花键与蜗杆轴的面向马达的端部上的对应的花键接合。第二毂部分206也是大致环形的，并且该第二毂部分的直径大于第一毂部分205的直径。此第二毂部分也具有一组内部花键211，该一组内部花键接合来自马达的动力输出件上的一组对应的花键。
两个毂部分被相应的金属环212、213包围，该相应的金属环防止毂部分在被装配至对应的动力输出件或蜗杆轴时径向扩张，从而防止花键跳出而脱离接合。每个金属环具有裂缝，使得该金属环不会形成完整的圆，从而允许该环具有较小程度的径向顺应性，使得该环可以充当弹簧以将花键压入原位。
两个毂部分205、206通过膜209连接，该膜包括一组三个不同直径的半环面部分，每个半环面的边缘通过膜的圆柱形部分连接至另一个环面的边缘。这些连接在沿着将第一毂部分和第二毂部分连接的任何径向线穿过时使膜具有波状表面。这些波状使膜在施加在膜上的轴向和径向负载方面具有高柔性，但对扭转变形的抵抗性高。这是因为径向和轴向负载使得膜的部分弯曲，但扭转负载需要膜的部分在这些部分的平面内压缩或拉伸。
如图4b和图5所示，第一毂部分205在背离蜗杆轴的一侧上具有环形突起。此环形突起为作用于第一毂部分与动力输出件之间的螺旋弹簧212提供了支座，从而向马达与蜗杆轴之间的连接提供了一些轴向预负载。弹簧212是可选的并且在落入本发明的范围内的一些布置中可以省略。
图6至图8展示了根据本发明的一方面的齿轮箱组件的第二实施例。齿轮箱组件300与第一实施例的齿轮箱组件非常类似，并且为清楚起见，相似部件已经用相似附图标记标识。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于柔性联接器304的形状以及此柔性联接器连接至蜗杆轴201的端部和动力输出件207的方式。
与第一实施例相似，柔性联接器304包括一件式模制体，该一件式模制体限定提供与蜗杆轴的连接的第一毂部分305、提供与来自马达的动力输出件的连接的第二毂部分306、和将第一毂部分连接至第二毂部分的柔性膜309。第一毂部分305和第二毂部分306具有相对较厚的壁并且是刚性的，膜309具有较薄的壁并且更具柔性。柔性膜提供了用于将转矩从第一毂部分传递至第二毂部分的主路径。这样，此膜将转矩从马达动力输出件、跨过联接器传递至蜗杆轴。
第一毂部分305是大致环形的并且具有一组内部花键，该一组内部花键与蜗杆轴的面向马达的扩大端部部分上的对应的花键接合。第二毂部分306也是大致环形的，但在此实施例中，该第二毂部分的直径小于第一毂部分的直径。此第二毂部分也具有一组内部花键310，该一组内部花键接合来自马达的动力输出件上的一组对应的花键。第二毂部分306同心地布置在第一毂部分内。
两个毂部分被相应的金属环311、312包围，该相应的金属环防止毂部分在被装配至对应的动力输出件或蜗杆轴时径向扩张，从而防止花键跳出而脱离接合。每个金属环具有裂缝，使得该金属环不会形成完整的圆，从而允许该环具有较小程度的径向柔度，使得该环可以充当弹簧以将花键压入。
将两个毂部分连接的柔性膜309与第一实施例的柔性膜在其形状和构造方面相似。该柔性膜包括一组三个不同直径的半环面部分，每个半环面的边缘通过膜的圆柱形部分连接至另一个环面的边缘。这些连接在沿着将第一毂部分和第二毂部分连接的任何径向线穿过时使膜具有波状表面。
因为第一毂部分305具有相对较大的直径，所以该第一毂部分可以连接至蜗杆轴的对应的超大端部部分，如图8所示。这为蜗杆轴的端部中的、容纳螺旋弹簧315的凹部314提供了空间。螺旋弹簧作用于凹部的基部与第二毂部分的背离马达的一侧之间。因此，弹簧将蜗杆轴背离马达动力输出件偏置，在这样做时，将第二毂部分按压成与动力输出件接合。与第一实施例一样，提供弹簧在本发明的范围内的一些布置中是可选的。

Claims (9)

1.一种用于来自电动动力辅助转向设备的电动马达的动力输出件的齿轮箱组件，所述齿轮箱组件包括：
齿轮箱壳体，所述齿轮箱壳体容纳蜗杆轴和蜗轮，
所述蜗杆轴结合一个或多个外部螺旋蜗杆齿；
主轴承组件，所述主轴承组件在最靠近所述马达的端部处支撑所述蜗杆轴；
尾轴承组件，所述尾轴承组件在最远离所述马达的端部处支撑所述蜗杆轴，
其中，至少所述尾轴承组件能够相对于所述壳体在有限运动范围内自由移动，使得所述蜗杆轴能够背离所述蜗轮的轴线径向移动，
并且所述齿轮箱组件进一步包括柔性联接器，所述柔性联接器在所述主轴承端部处将所述蜗杆轴连接至来自所述马达的动力输出件，以将转矩从所述马达传递至所述蜗杆轴，
其特征在于，所述柔性联接器包括提供与所述蜗杆轴的连接的第一毂部分、提供与来自所述马达的动力输出件的连接的第二毂部分、以及将所述第一毂部分连接至所述第二毂部分的柔性的膜，柔性的膜提供了用于将转矩从所述第一毂部分传递至所述第二毂部分的主路径。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其中，在所述齿轮箱组件的使用期间，通过对在施加在两个毂部分之间的扭转负载下的变形具有高抵抗性，所述膜基本上阻止所述两个毂部分之间的相对角度移动，并且基本上允许所述两个毂部分之间进行有限移位范围之内的相对轴向和径向移动。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的齿轮箱组件，其中，所述膜包括将所述第一毂部分连接至所述第二毂部分的薄的、盘形的、波状的材料片材。
4.根据任一前述权利要求所述的齿轮箱组件，其中，所述膜被配置成使得轴向或径向负载使所述膜的部分通过以所述膜的小剪切力弯曲而变形，而扭转负载主要引起膜的剪切。
5.根据任一前述权利要求所述的齿轮箱组件，其中，所述第一毂部分、所述第二毂部分和所述膜形成为单一部件。
6.根据任一前述权利要求所述的齿轮箱组件，其中，所述第一毂部分和所述第二毂部分是大致圆柱形的并且共享共用旋转轴线，一个毂部分的直径大于另一个毂部分的直径，并且其中，所述膜在两个毂部分之间径向延伸。
7.根据权利要求6所述的齿轮箱组件，其中，所述膜包括一组两个或更多个直径各不相同的圆柱形部分，所述两个或更多个圆柱形部分各自在一个端部通过径向延伸的柔性环状部分连接至相邻圆柱形部分的相邻端部，并且在两个端部中的另一个端部通过径向延伸的环状部分连接相邻圆柱形部分的相邻端部或连接至其中一个毂部分，以向所述膜提供蛇形截面形状，所述膜的圆柱形部分中的每个圆柱形部分和两个毂部分围绕共用轴线布置，使得在沿着所述蜗杆轴的轴线观察时，所述毂部分和所述圆柱形部分是同心的。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的齿轮箱组件，其中，所述联接器包括在圆柱形部分的与花键相反的一侧上紧密地装配到所述第一毂部分上的金属套环，以防止毂部分的带花键部分歪曲。
9.根据权利要求6、7或权利要求8所述的齿轮箱组件，其中，所述联接器包括在圆柱形部分的与花键相反的一侧上紧密地装配到所述第二毂部分上的金属套环，以防止毂部分的带花键部分歪曲。
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