CN103108793A - 双小齿轮转向传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车转向装置，其具有转向装置壳体（7），齿条（6）能纵向移动地支承在所述转向装置壳体中并且与用于使能转向的轮（9）枢转的转向横拉杆（8）连接，其中，所述齿条（6）设有第一齿段（5），所述第一齿段与第一转向小齿轮（4）啮合，并且所述转向小齿轮（4）通过转向轴（2、3）与方向盘（1）抗扭地连接，其中，所述齿条（6）具有第二齿段（13），所述第二齿段与所述第一齿段（4）关于所述齿条（6）的纵轴线相对置，并且设有第二转向小齿轮（12），所述第二转向小齿轮与第二齿段（13）接合。

Description

双小齿轮转向传动装置

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分所述的特征的用于机动车的转向传动装置。

背景技术

用于机动车的电动助力的转向传动装置目前能够分为两组。第一组包括既能够手动地施加转向力矩也能够通过小齿轮将助力力矩引入齿条中的转向传动装置。在此，伺服驱动器接合在转向轴上，更确切地说，或在上转向轴的区域中或在转向小齿轮的附近。所述结构方式仅适用于相对轻的机动车，因为在所述车辆（小型车、紧凑型车）中所需要的转向力矩较小。这样的转向传动装置不适用于较大的和较重型机动车。在小齿轮的区域中待传递的扭矩变得过大，以致不能通过接合部传递。转向小齿轮也不能够构造为任意大的，因为转向小齿轮的直径还对转向传动装置的传动比产生影响。

因此，对于所谓的中等级别的、豪华级别的车辆和越野车而言，优选的是将助力通过第二齿部引入齿条中的电动助力转向装置的结构方式。在这里已知如下转向传动装置，在该转向传动装置中伺服驱动器通过第二转向小齿轮和第二齿部作用到齿条上。在公开文献DE102005022867A1、DE102007004218A1和WO2006/138209A2中示出这样的转向传动装置。所述转向传动装置具有相对大的结构体积，因为在转向小齿轮和齿条之间的接合部旁单独地设有伺服驱动器。此外，从已经提及的WO2006/138209A2中已知转向传动装置，其中在转向小齿轮的接合部旁在齿条上设有球螺纹，所述球螺纹通过球螺纹驱动装置与伺服电动机连接。在这里，转向助力通过球螺纹引入齿条中。转向小齿轮的负载由此降低。具有作用到齿条上的球螺纹驱动装置的转向传动装置是相对贵的。

在两种所述结构类型中额外的因素是，齿条在导向小齿轮的区域中通过压力件的引导必须保持为无间隙的。这种支承也与生产成本相关联，并且在实践中代表不期望的、可能的噪音源。文献DE10341266A1例如示出具有通过两个小齿轮驱动齿条的驱动装置的转向传动装置，所述两个小齿轮设置在齿条的相对置的侧上。小齿轮接合到两个齿段中，所述两个齿段同样相关于齿条的纵轴线相互对置，但是所述两个齿段在齿条的轴向方向上相互间隔开，使得所述两个齿段不重叠。因此，小齿轮不能相互支撑。在所述转向传动装置中，对于每个小齿轮而言需要压力件，意即总计两个压力件。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种能够低成本地制造的具有紧凑尺寸的转向传动装置，并且尽管如此，所述转向传动装置仍能够提供对于重型机动车而言所必需的转向助力。

所述目的由具有权利要求1所述的特征的转向传动装置实现。

因为在机动车转向装置具有转向装置壳体的情况下，齿条可纵向移动地支承在所述转向装置壳体中并且设计成用于使可转向的轮枢转，其中，齿条借助第一齿段与第一转向小齿轮啮合并且该转向小齿轮通过转向轴与方向盘抗扭地连接，并且齿条具有两个相对于齿条的纵轴线相互对置的齿部，并且因为设有接合在相对置的齿段上且为了共同的但是反向的转动而机械地强制耦联的两个转向小齿轮，能够在小齿轮直径与在常规的助力转向装置中相同的情况下借助仅一个转向小齿轮而传递两倍大的扭矩，其中，制造耗费仅略微提高。和与转向轴连接的齿部相对于纵轴线相对置的且在轴向方向上重叠优选全等的附加的齿部也能够实现省去呈至今为止已知的形式的耗费的压力件。

当第一转向小齿轮与第二转向小齿轮机械地强制耦联以用于沿着独立于齿条作用的力线反向转动时，其中在第一小齿轮和第二小齿轮之间设置有至少一个弹簧元件，那么通过强制耦联和弹簧元件能够实现无间隙性，而不会出现机械冗余的缺点。因此，能够以适宜的方式将现有的扭矩分布到小齿轮上。弹簧元件优选是扭转弹簧。在此，扭转弹簧能够以适宜的方式通过相对于邻接的轴段具有更小的扭转刚度的部段构成在轴中，以用于驱动小齿轮中的至少一个。

在这样的转向装置中，伺服驱动器，优选为电动机能够接合在转向轴上、接合在与转向轴连接的转向小齿轮上、或者接合在第二转向小齿轮上。两个转向小齿轮的耦联能够通过正齿轮或锥齿轮实现，以至于具有固定的转动角关系的强制耦联是可能的。

特别优选的是，两个相对置的小齿轮的转动轴线设置为彼此成锐角，并且在齿条上相关于纵轴线相对置的两个齿条段设置在彼此倾斜的平面中，因为以这种方式能够通过将齿条预张紧成封闭的角实现齿部啮合的无间隙性。

当齿条在齿段的区域中还具有至少一个导向装置时，所述转向小齿轮保持为几乎不具有轴向力，间隙能够被调节并且齿条能够被精确地引导，其中所述至少一个导向装置与至少一个导向元件共同作用以用于沿转向小齿轮的平行设置的转动轴线或转向小齿轮的设置为彼此成锐角的转动轴线的方向引导所述齿条。

附图说明

下面借助于附图详细说明本发明的实施例。附图示出：

图1示出具有两个相对置的驱动小齿轮的机动车转向装置的立体视图；

图2示出图1中的转向传动装置的区域的放大视图；

图3示出图2中的转向传动装置的另一放大视图；

图4示出图3中的转向传动装置的沿齿条纵轴线的方向的视图；

图5示出类似于图3的、具有在伺服电动机轴中的附加的弹簧元件的转向传动装置；

图6示出转向传动装置在齿条的纵向方向上的示意视图，其中在两个锥齿轮和小齿轮之间的力线中分别设置有弹簧元件；以及

图7示出转向传动装置的如在图6中的视图，其中，仅在一个小齿轮和一个锥齿轮之间设有弹簧元件。

具体实施方式

图1示出用于机动车的转向装置，所述转向装置具有方向盘1，所述方向盘与上转向轴2和下转向轴3抗扭地耦联。下转向轴3又与第一转向小齿轮4抗扭地耦联。转向小齿轮4以已知的方式与齿条6的齿段5啮合。齿条6沿其纵轴线的方向可移动地支承在转向装置壳体7中。齿条6在其自由端上与转向横拉杆8通过未示出的球窝铰接件连接。转向横拉杆8本身以已知的方式通过转向节与机动车的各一个被转向的轮9连接。通过转向轴2和3和小齿轮4的连接，方向盘1的转动导致齿条6的纵向移动，并且从而导致被转向的轮9的枢转。转向轴2和/或转向轴3能够由多个轴段构成，所述轴段例如通过铰接件和/或伸缩式连接装置和/或缓冲器相互连接。被转向的轮9通过车道受到反作用，所述反作用相反地作用于转向运动。因此，为了使轮9枢转，需要下述力，所述力需要在方向盘1上的相应的扭矩。设有伺服电动机11，以便在转向运动时辅助驾驶员。伺服电动机1根据未示出的控制装置通过第二转向机构小齿轮12和第二齿段13将转向助力导入齿条6中。

在图2中更详细地示出图1中的转向装置的传动区域。齿条6在相对置的齿段5和13的区域中设有例如正方形的横截面。齿段5和13设置在齿条6的两个相对置的侧面上。在这个具体的实施例中，齿段5和13相对彼此倾斜成约10°的锐角，以至于由齿段5和13限定的平面从转向轴3和伺服电动机2来看彼此接近。相应地，第一小齿轮4和第二小齿轮2的转动轴线定向为彼此成锐角。转向小齿轮4和12的一方面与转向轴3连接并且另一方面与伺服驱动器11连接的从动侧与转向小齿轮4和12的自由端相比具有更大的彼此间的间距。

在齿段5和13之间，齿条6具有两个相对置的导向装置14，所述导向装置以纵向槽的形式大约在这些齿段的长度上安置在齿条上。导向装置14大约平行于齿段15和13延伸。相对于传动装置壳体位置固定地设置在转向传动装置中的导向元件15接合到所述导向装置14中，所述导向元件引导齿条6。齿条6通过导向元件15沿其竖直定向固定，即固定在其相对于小齿轮4和12的转动轴线的相对位置中。以这种方式，能够将在第一转向小齿轮4和齿段5之间的以及在第二转向小齿轮12和齿段13之间的齿接合部的侧部间隙设定为零。在此，所述设定利用转向小齿轮4和12彼此间的例如V形的定向。

图3示出装置的另一放大视图。相同的构件设有相同的附图标记。

第一转向小齿轮4和第二转向小齿轮12必须在工作时以反方向转动。为了精确驱动齿条6，精确的同步运动是必需的。小齿轮4和12的转动运动的同步优选不应通过齿条6进行，而是应通过单独的同步装置进行。为此，在图3中仅示意地图解示出，转向小齿轮4与第一锥齿轮16抗扭地连接，而第二转向小齿轮12与第二锥齿轮17抗扭地连接。锥齿轮16和17例如在附图标记18处相互接合。所述锥齿轮具有相同的外周，以至于小齿轮4和12的转动角速度是相同的。这在一方面在小齿轮4和齿段5之间并且另一方面在小齿轮12和齿段13之间的接合部构造为相同的情况下是必需的。在其它实施形式中也能够提出，在齿条6的两侧上的齿接合部构造为不同的，特别是两个小齿轮具有不同的外周或节距圆。因此，同步必须通过相应地匹配的锥齿轮或其它同步机构实现。

图4最终示出转向传动装置的示意图，其中，齿条6的纵轴线和运动方向垂直于绘图面。在第一转向小齿轮4和第一齿段5之间的以及在第二转向小齿轮12和第二齿段13之间的齿接合部的一个特殊的设计方案中，能够弃用用于齿条6的其它导向机构。因此，齿接合部本身由于小齿轮4和12的转动轴线的角位置造成传动装置不具有间隙。

根据图2和3的传动装置的一个优选的实施形式提出，锥齿轮16与第一转向小齿轮4刚性地支承在传动装置壳体中，并且与转向小齿轮4连接，而第二锥齿轮17和第二转向小齿轮12的支承设计为能够在狭窄的限制范围内移动，以至于确保在转向小齿轮4和转向小齿轮12之间的可变的轴间距。然后，通过适宜的弹簧装置能够无间隙地保持所示出的传动装置。因此，扩大了在制造时要维持的公差，这简化了制造。

在优选的情况下，机动车转向装置具有用于引导齿条的导向装置15，所述导向装置引导齿条6的纵向移动用于枢转所述轮9。所述转向装置15优选构造为，使得所述转向装置将弹性预张紧力施加到齿条上，以便在预张紧情况下使相应的齿段5和13的两个齿部与两个转向小齿轮4和12的齿部形成接合，进而缩小间隙。还可设想和可行的是，在装配所述装置期间通过将导向装置15相应地定位来调节所述预张紧。

图5示出本发明的另一优选的实施形式，其中基本结构与对图3的说明相符。要补充的是，在伺服电动机11和第二转向小齿轮12之间的力矩线中设有弹簧元件100，所述弹簧元件构造为扭转弹簧。相应于所述弹簧元件的弹簧常数，弹簧元件100可根据存在的扭矩实现小齿轮12相对于伺服电动机11的轴的相对转动。在工作时，弹簧元件100造成，只要作用到弹簧元件100上的扭矩是小的，那么两个小齿轮4、12中的仅一个与齿条6接合。只有当扭矩增大时，另一小齿轮才形成接合。

详细来说，根据图5的转向传动装置设计为，使得与转向轴3连接的转向小齿轮4在静止状态下不与齿段5接合。将转向轴3和伺服电动机11的马达轴耦联的锥齿轮16和17无间隙地接合，第二小齿轮12和第二齿段13同样如此。那么，在以小的扭矩转动方向盘并且在伺服电动机11的低的助力功率的情况下，力线从转向轴3经由锥齿轮16和17到马达轴上，并且然后经由小齿轮12到齿段13上。小齿轮4不与齿条接合。

如果施加更高的扭矩，那么弹簧元件100扭转。然后，小齿轮12相对于马达轴滞后。由此也改变了齿条并且尤其是齿段5相对于与转向轴3固定地耦联的小齿轮4的位置。在扭矩足够高的情况下，位置改变大到使得小齿轮4与齿段5接合。现在能够传递更高的力矩和力，因为两个齿部形成接合。由于由弹簧元件100引起的预张紧，两个齿部接合是无间隙的。

要指出的是，弹簧元件100不能与在助力转向装置的常用的扭矩传感器和旋转滑阀中使用的扭杆混淆。所述扭杆具有更低的弹簧常数，并且允许更大的相对扭转。相反，所述弹簧元件100是扭转刚性的。能够通过所述弹簧元件100实现的在小齿轮4和齿段5之间的相对运动处于0.01mm至0.1mm的范围中。

图6示出弹簧元件的可能的设置的示意图。在此，所述视图选择为，使得齿条6的纵轴线垂直于绘图平面。

方向盘1与锥齿轮16抗扭地连接。弹簧元件101设置在锥齿轮16和与所述锥齿轮同轴的小齿轮4之间。弹簧元件101优选是扭转弹簧。小齿轮4与齿条6的齿段5啮合。锥齿轮16与第二锥齿轮17啮合，所述第二锥齿轮与伺服电动机11的马达轴抗扭地连接。在锥齿轮17和小齿轮12之间设置有弹簧元件100。弹簧元件100也优选是扭转弹簧。小齿轮12又与齿段13啮合，所述齿段13与齿段5相对置，并且所述齿段13与齿段5重叠，优选全等设置。

在所述设置中在结构上提出，在三个齿接合部中的每个中可产生间隙。这使得传动装置的制造特别简单和低成本。

在工作时，在低扭矩的情况下，在力线中，两个小齿轮4和12中的仅一个与相关联的齿段5或13接合。这也区分为下述两种情况：

1.小齿轮4与齿段5接合。在该情况下，在锥齿轮16和17之间以及在小齿轮12在齿段13中的啮合部处存在小的间隙。在扭矩升高的情况下，弹簧元件101扭转。锥齿轮16与锥齿轮17形成接触，并且到目前为止无力矩的小齿轮12沿齿条6的轴向方向压向齿段13的侧部。因此，在弹簧元件101充分扭转的情况下，两个小齿轮4和12与各自相关联的齿段5或13接合。那么能够传递更高的扭矩，并且所有齿啮合部是无间隙的。

2.小齿轮12与齿段13接合，并且通过锥齿轮16和17加载有来自转向轴3的扭矩。小齿轮4具有间隙。在该情况下，以增加的扭矩扭转所述弹簧元件100，以至于例如具有无负载的小齿轮4的转向轴3能够转动，而小齿轮12进而还有齿条6静止。小齿轮4进行转动直至其侧部与齿段5形成接合。从这一刻起，扭矩经由两个小齿轮传递。

因此，在这个实施例中非强制性必需的是，特定的齿接合部在结构上总是无间隙的。更确切地说，可以由于磨损、温度影响而改变接合状况，而这不会损害功能。

图7示出具有仅一个弹簧元件100的一个可能的实施方案，其中，锥齿轮的和小齿轮的位置相对于其它实施例是不同的。

下转向轴3通过未示出的带动装置与小齿轮4耦联。在转动所述转向轴3的情况下在抗扭地且形状接合地带动小齿轮4之前，带动装置例如允许+/-6°的转动间隙。

此外，转向轴3与锥齿轮16以扭转刚性的方式连接。锥齿轮16与锥齿轮17啮合，所述锥齿轮17经由弹簧元件100与伺服电动机11的马达轴连接。第二小齿轮12又与马达轴以扭转刚性的方式耦联。

现在，转向轴3的转动首先不引起小齿轮4的转动，然而引起锥齿轮16的转动和锥齿轮17的相应的反向转动。扭矩导致弹簧元件的扭转，所述弹簧元件在这种情况下设计有1°/10Nm的弹簧刚度。因此，10Nm的扭矩导致弹簧元件100扭转1°。在所述扭转后，小齿轮12在转动运动中由锥齿轮17带动，并且驱动齿条6。小齿轮4跟随齿条6，并且在带动装置中相对于转向轴3自由地转动1°。

当在转向轴3上的扭矩达到60Nm的值时，弹簧元件100扭转6°，并且所述弹簧元件接合带动装置，以便以扭转刚性的方式将小齿轮4随着转向轴3带动。然后，转向轴3的扭矩的一部分通过小齿轮4直接传递到齿条6上，而其它部分经由锥齿轮16和17、弹簧元件100和小齿轮12作用到齿条6上。附加地，由伺服电动机11施加助力力矩，所述助力力矩由马达轴直接作用到小齿轮12上，并且经由所述小齿轮驱动齿条6，以用于辅助转向运动。在所说明的设计方案中，扭矩被分配为，使得最大60Nm从转向轴3传递到小齿轮12上。其余的施加在转向轴3上的扭矩经由小齿轮4传到齿条上。然而，小齿轮12还附加地将伺服电动机11的助力力矩传递到齿条上。那么，从60Nm的转向力矩起，这种装置在所有齿啮合部中是无间隙的，并且与可能具有仅一个类似尺寸的小齿轮的装置相比，这种装置能够经由小齿轮4和12以及相关联的齿段5和13将更大的力传递到齿条上。扭矩分布的这种示例图还可类似地用于根据图5和6的实施形式。

根据在图5、6和7中的视图，扭转弹簧100、101通过轴部段构成，其扭转刚度比相邻的轴部段的扭转刚度更低。这相应于视图通过轴的简单的直径减小来图解示出。可设想和可行的是，也使用表现出扭转弹簧功能的单独的构件。

相对于现有技术，在所示出的转向传动装置中能够弃用耗费的压力件。在传统的齿条转向装置中，压力件设置在设有在第二转向小齿轮12和第二齿段13之间的接合部的位置处。压力件的弃用一方面带来在转向装置的制造和装配中的成本上的优点。另一方面由此消除了潜在的噪声源。

本发明不局限于下述实施形式，其中伺服驱动器11与小齿轮12直接耦联。更确切地说，电动伺服驱动器也能够作用到上转向轴2、下转向轴3或小齿轮4上。因此，作用到小齿轮4上的扭矩的一部分经由在锥齿轮16和17之间的齿部或者在小齿轮的平行的转动轴线的情况下经由相应的正齿轮传递到第二转向小齿轮上，以至于施加到齿条6上的扭矩经由两个齿接合部导入。所述结构方式可实现，借助在转向柱的区域中的伺服电动机来选择能够施加特别高的助力力矩的转向器配置。因此，由于两个相对置的转向小齿轮4和12的设置，这样的转向装置也适用于较为重型的机动车。

在本发明的一个改进方案中可设想和可行的是，设有两个伺服驱动器，优选电动机，其中一个伺服驱动器（未在附图中示出）直接作用到上转向轴2或下转向轴3或小齿轮4上，而第二伺服驱动器11作用到第二小齿轮12上。

附图标记列表

1   方向盘

2   上转向轴

3   下转向轴

4   转向小齿轮

5   齿段

6   齿条

7   转向装置壳体

8   转向横拉杆

9   轮

10  车道

11  伺服电动机

12  转向小齿轮

13  齿段

14  导向装置

15  导向元件

16  锥齿轮

17  锥齿轮

100 弹簧元件

101 弹簧元件

Claims (10)

1.具有转向装置壳体（7）的机动车转向装置，齿条（6）沿纵轴线的轴向方向能移动地支承在所述转向装置壳体中，并且与能转向的轮（9）有效连接以用于枢转所述能转向的轮，其中，所述齿条（6）设有第一齿段（5），所述第一齿段与第一转向小齿轮（4）啮合，并且其中所述转向小齿轮（4）通过转向轴（2、3）与方向盘（1）抗扭地连接，并且其中所述齿条（6）具有第二齿段（13），并且设有第二转向小齿轮（12），所述第二转向小齿轮与所述第二齿段（13）接合，

其特征在于，所述第二齿段（13）与所述第一齿段（4）关于所述齿条（6）的所述纵轴线相对置，并且沿所述纵轴线的轴向方向与所述第一齿段（4）重叠地设置。

2.如权利要求1所述的机动车转向装置，其特征在于，所述第一转向小齿轮（4）与所述第二转向小齿轮（12）机械地强制耦联，以用于沿着独立于所述齿条（6）作用的力线反向转动，其中，在所述第一小齿轮（4）和所述第二小齿轮（12）之间设置有至少一个弹簧元件（100、101）。

3.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，所述至少一个弹簧元件（100、101）是扭转弹簧。

4.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，设有电动伺服驱动器（11），所述电动伺服驱动器接合在所述转向轴（2、3）上。

5.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，设有电动伺服驱动器（11），所述电动伺服驱动器作用到所述第一转向小齿轮（4）上或者作用到所述第二转向小齿轮（12）上。

6.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，设有电动伺服驱动器（11），所述电动伺服驱动器接合在第二转向小齿轮（12）上。

7.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，两个转向小齿轮（4、12）的机械耦联通过正齿轮或锥齿轮（16、17）实现。

8.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，两个相对置的转向小齿轮（4、12）的转动轴线设置为相对彼此成锐角。

9.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，所述齿段（5、13）设置在彼此倾斜的平面中。

10.如上述权利要求之一所述的机动车转向装置，其特征在于，所述齿条（6）在所述齿段（13）的区域中具有至少一个导向装置（14），所述至少一个导向装置与至少一个导向元件（15）共同作用，以用于沿着所述转向小齿轮（4、12）的转动轴线的方向引导所述齿条（6）。

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