车辆转向机构的制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种车辆转向机构。

背景技术：

现代车辆都具有转向机构以满足用户转向需求。现有技术中存在多种转向机构。例如，美国专利us5,622,085揭示了一种齿轮齿条转向机构，包括安装在壳体中的齿轮，相对壳体可移动且具有和齿轮啮合的齿的齿条，以及壳体中用以支撑以及引导齿条相对于齿轮移动的轭部。壳体内设有轭簧用以推动轭部抵压齿条。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，公开了一种转向机构，包括：第一啮合元件；与第一啮合元件啮合的第二啮合元件；为第二啮合元件提供支撑的支撑部，至少部分位于支撑部内的向第二啮合元件施加预载荷及承受载荷的弹性部件，其中弹性部件在承受第一载荷时具有第一形变，在承受大于第一载荷的第二载荷时至少具有第二形变，第一载荷与第一形变之比值小于第二载荷与第二形变之比值。

在一个实施例中，弹性部件承受的载荷和形变量呈非线性关系。

在另一个实施例中，弹性部件承受的载荷和形变量在低载荷范围线性关系及在高载荷范围内呈非线性关系。

在又一个实施例中，弹性部件为非线性卷绕弹簧。

在又一个实施例中，弹性部件为非线性截锥涡卷弹簧。

在又一个实施例中，弹性部件为具有第一长度的具有第一刚度系数的线性弹簧和具有第二长度、且具有第二刚度系数的线性弹簧的组合，第一长度大于第二长度且第一刚度系数小于第二刚度系数。

在又一个实施例中，其中第一啮合元件为齿轮，第二啮合元件为齿条。

在又一个实施例中，转向机构还包括容纳齿轮，齿条和轭的壳体，其中轭包括轭主体和轭塞，轭主体具有邻近齿条的第一侧，与第一侧相对的第二侧和在第二侧凹进形成的中心空腔，其中支撑部为轭主体，弹性部件至少部分地安装在中心空腔中。

在又一个实施例中，其中轭塞邻近轭主体的第二侧并与轭主体的第二侧形成间隙。

在又一个实施例中，轭主体与轭塞形成的中心空腔在靠近轭塞处具有第一内径和在远离轭塞处具有第二内径，其中第一内径小于第二内径，其中弹性部件具有第一直径和大于第一直径的第二直径，具有第一直径的弹性部件部分设置于具有第一内径的中心空腔中,具有第二直径的弹性部件部分设置于具有第二内径的中心空腔中。

在又一个实施例中，其中第一啮合元件为套装在螺杆上的带齿螺母，第二啮合元件为齿扇。

在又一个实施例中，还包括容纳带齿螺母和齿扇的壳体，其中支撑部为与齿扇相连的齿扇轴。

在又一个实施例中，齿扇轴的端部设有空腔，弹性部件容纳在空腔内。

在又一个实施例中，其中齿扇轴的轴心线与弹性部件的形变方向基本平行，齿扇的齿端与轴心线的距离沿轴心线变化，其中带齿螺母具有与齿扇的齿相配合并在轴心线方向上啮合的接触面，其中弹性部件在轴心线方向对齿扇施加预载荷及承受载荷。

在又一个实施例中，还包括安装在壳体的开口的端盖，端盖和齿扇轴的端部之间具有间隙。

在又一个实施例中，还包括安装在端盖并且抵靠弹性部件的调节螺栓。

在又一个实施例中，其中空腔形成为第一段空腔和第二段空腔，其中第一段空腔主要容纳弹性部件，第二段空腔容纳调节螺栓的至少一部分，其中第一段空腔具有第一空腔内径，第二段空腔具有第二空腔内径，第一段空腔内径小于第二空腔内径。

在又一个实施例中，第一段空腔内包括远离第二空腔具有第一内径的端部空腔和靠近第二空腔具有第二内径的中心空腔，第一内径小于第二内径，其中弹性部件具有第一直径和大于第一直径的第二直径，具有第一直径的弹性部件部分设置于具有第一内径的端部空腔中。

在又一个实施例中，其中齿扇的齿端沿齿扇轴的轴心线的距离线性变化。

根据本发明另一方面，提供一种车辆，包括上述实施例中的转向机构。

单独或结合附图阅读下面的具体实施方式，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。

【附图说明】

为了更加完整地理解本发明的实施例，应参考在附图中更为详细地说明以及下文中通过示例描述的实施例，其中：

图1示意性地描述了应用本申请一个或多个实施例的用于车辆转向系统的齿轮齿条式转向系统示意图；

图2示意性地描述了本申请一个或多个实施例中齿轮齿条式转向系统的部分放大剖视图；

图3a示意性地描述了本申请一个或多个实施例中齿轮齿条式转向系统的轭和轭簧的示意图；

图3b示意性地描述了本申请另一个或多个实施例中齿轮齿条式转向系统的轭和轭簧的示意图；

图4a和图4b示意性地描述了本申请一个或多个实施例中循环球式转向系统的示意图；图4b显示了图4a所示的循环球式转向系统中的循环球式转向器在截面a-a的截面示意图；

图5示意性地描述了图4b显示的循环球式转向系统的齿扇部分放大示意图；

图6a示意性地描述了本申请一个或者多个实施例中循环球式转向系统的齿扇轴部分放大剖视图；

图6b示意性地描述了本申请另一个或者多个实施例中循环球式转向系统的齿扇轴部分放大剖视图；

图7示意性地描述了本申请一个或者多个实施例中可应用的弹性部件的示意以及其对应的特性曲线；以及

图8示意性地描述了本申请一个或多个实施例中可应用的组合弹性部件的示意图。

【具体实施方式】

对于附图中的标号，相同或类似的标号用于指示相同或类似的部件。在下文的描述中，在多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件仅作为示例包括在本文中而并不意味着限定。

车辆转向机构具有多种类型，例如广泛应用于家用轿车等的齿轮齿条转向器，应用于重型车辆能够承载较大载荷的循环球式转向器等。在齿轮齿条转向器中，通常齿条的一侧装有轭部来支撑和引导齿条的移动，还包括轭簧来推动轭部以预加载齿条使其抵靠齿轮。另外轭簧的一个重要的作用是吸收振动和冲击力。本申请的发明人发现，为了满足尽可能吸收转向器振动和冲击的性能，轭簧可以被设计为具有较大的刚度以尽可能多地吸收冲击力，然而这样设计会导致弹簧对齿条的加载力过高，导致其与齿轮之间的啮合过于紧密，从而增加摩擦力导致磨损较快，另外用户操作转向时需要施加的力过大，用户体验会变差。在循环球式转向器中存在于上述类似的困境，例如在本申请的具体实施例部分将会详细说明的，齿扇与带齿螺母的齿啮合的力度也可以通过弹簧和调节螺栓来控制，同时弹簧也会承担吸收更多振动和冲击的功能，如果仅使得弹簧刚度增加更大承受冲击载荷的能力，则会加大齿扇与带齿螺母的摩擦、磨损以及不利地影响用户调节方向盘的客户感受。申请人因此在一个或多个非限制性实施例中提出了一种转向机构总成，能解决现有技术中存在的一个或多个局限。

图1示意性地显示了应用本申请一个或多个实施例的齿轮齿条式车辆转向系统100的总体示意图。如图所示，转向系统100包括用户可操作的方向盘102，与方向盘102相连的转向杆104，转向杆104连接到齿轮箱120。具体地齿轮箱120包括齿轮122和与之相啮合的齿条124。齿条124将转向杆104的转动转换为线性的移动。齿条124进一步支撑在齿杆126上，而齿杆126则通过连接杆128、球接头130以及铰链132连接到车轮134。从而，齿条124的线性的运动可传递到车轮134以改变其方向。可以理解，车辆转向系统100具有多种连接结构，其均可以利用在本发明中。

图2示意性地显示了一个或多个实施例中齿轮箱120的具体结构的截面图。其中齿轮箱120包括壳体200，容纳其中的齿轮122，与齿轮122相啮合的齿条124以及轭204。齿轮122具有齿轮轴202，其进一步连接到图1所示的转向杆104。而齿条124则通过轭204来支撑从而使得齿条124能以合适的力与齿轮122相咬合。

轭204包括支撑齿条124的轭主体206以及与壳体200通过螺栓或其他合适方式相固联的轭塞208。如图所示，在此实施例中，轭主体206的一侧邻近齿条124，而另一侧则凹陷形成容纳轭簧212的中心空腔210。轭簧212至少部分地位于该中心空腔210中从而一端抵靠轭塞208而另一端抵靠轭主体206。

继续参考图2，在图示的非限制性示例中，轭主体206的和轭塞208之间形成间隙c，间隙c的存在使得轭簧212能够起更好的调节作用，也就是可以更好地施加预载荷以及吸收载荷。具体而言，一方面轭簧212向轭主体206施加一定的预载荷以保障齿轮122与齿条124的啮合，另一方面轭簧212也承受载荷并吸收载荷，例如在道路颠簸或者其他情形下，当经受如图所示轭簧212的轴向方向的冲击时，轭簧212能吸收冲击，使得轭塞208和轭主体206之间的直接冲击能减小或者消除。

在图2所示的非限制性实施例中，轭簧212可具有变化的弹簧刚度系数，在图示的实施例中，轭簧212具有变化的轭簧直径，使得其在一定的载荷区具有变化的刚度系数。在一个或多个实施例中，其中轭簧212的选择使得其在承受第一载荷f1时具有第一形变x1，在承受大于第一载荷f1的第二载荷f2时至少具有第二形变x2，第一载荷f1与第一形变x1之比值小于第二载荷f2与第二形变x2之比值,即f1/x1<f2/x2，而f1>f2。这样的设置使得轭簧212能够对轭主体206施加合适的预负载从而对齿条124施加合适的预负载(例如f1，即较低载荷范围)，而在受到较大的冲击力时(例如f2，即较高载荷范围)，轭簧212能够以较小的形变x2来吸收该较大的冲击力。

在一些传统转向系统中，为了增加吸收较大冲击力的能力而设置的具有较大刚度系数k(也就是形变x/负荷f比值)的轭簧会使对齿条124的施加过大的预负载；在另一些传统系统中，为了达到对齿条124合适的预负载而选择较低刚度系数k的轭簧使得达到了最大形变也不足以吸收较大的冲击。本申请的发明人认识到这一问题：一方面轭簧向轭主体所施加的预载荷不能过大以免造成用户转向的困难以及齿轮齿条的过度磨损，而另一方面轭簧在大冲击载荷的情形下需要能以较小的位移/形变来吸收最大冲击。在本申请的一个示意性实施例中，可通过采用在不同负荷范围下的不同的刚度系数的轭簧来解决上面提到的一些问题。这样取决于负荷范围大小弹簧可以发生不同程度的变形来满足不同的情形。

图3a示意性地描述了本申请一个或多个实施例中齿轮齿条式转向系统的轭和轭簧的示意图；显示了轭204以及轭簧212的具体实施例。如图3a所示，轭主体206与轭塞208共同限定的中心空腔210在靠近轭塞208处具有第一内径d1和远离轭塞208处具有第二内径d2，其中第一内径d1小于第二内径d2，轭簧212具有第一直径d1和大于第一直径d1的第二直径d2，具有第一直径d1的轭簧部分设置于具有第一内径d1的中心空腔210中,具有第二直径d2的轭簧部分设置于具有第二内径d2的中心空腔210中。可以理解，上述轭簧212也可以反置，换句话说，轭簧212具有较小直径的一端可以相对更靠近齿条124，而可以在轭主体206上设置较小的内径来配合轭簧212较小直径的一端以提供更好的弹簧的稳定性。此外，在其他示例中，轭簧212可以具有不同结构，而相应地轭塞208和轭主体206可以具有对应的配置以容纳轭簧212从而提供稳定性。

图3b示意性地描述了本申请另一个或多个实施例中齿轮齿条式转向系统的轭204和轭簧312示意图,显示了另一实施例中具有不同结构形式的轭簧312，在此示例中，轭簧312的两端相对其中间部分具有更小的直径，而为了更好地固定轭簧312，可以通过轭主体206内的凸起部214来限定轭簧312一端的位置。凸起部214可从轭主体206邻近齿条124的一面凸起容纳轭簧312的一端。与图3a的实施例类似，轭塞208的一个表面可凹陷来限定轭簧312另一端的位置。此外，尽管图中并未显示，可以理解也可以通过部分突出进入轭簧312中心的凸起部来限定轭簧312的移动。取决于轭簧312的形状，可以做出不同的腔体内径尺寸和形状，并且可以选择性地采用凸起或者突出进入轭簧212的中心的凸起部来限定轭簧312的位置。

图4a和图4b示意性地显示了可以应用本发明的一个或多个实施例中车辆循环球式转向系统400。图4b是图4a所示的循环球式转向系统沿着a-a截面的截面示意图。如图所示，转向系统400包括方向盘401和通过转向杆(未显示)与而方向盘401连接的循环球式转向器402。转向器402包括壳体404以及至少部分位于其中的螺杆406和套设在螺杆406上的螺母408，为了减少螺杆406与螺母408之间的摩擦与磨损，二者的螺纹不直接接触，而通过设置在螺杆406和螺母408之间的滚道内的钢球410来实现滚动摩擦。上述的螺杆406和螺母408可构成一级传动副，进一步，螺母408包括具有表面412的齿，齿的表面412与齿扇414相啮合，而齿扇414可一体形成在齿扇轴416上。齿扇414与齿扇轴416可构成二级传动副。参考图4b，将齿扇轴416通过对应的轴心线418显示为轴线截面的齿扇轴416。当方向盘401转动时，转向轴带动螺杆406转动，而进一步该转动可通过钢球410把力传递给螺母408使得螺母408沿着螺杆406移动；螺母408上的带齿表面412进一步带动齿扇414以及齿扇轴416的转动进而可通过其他转动传动装置(图中未显示)来实现车轮转向。在一个或多个实施例中，齿扇414可具有倾斜的齿扇端面，因而循环球式转向系统可在齿扇轴416的轴心线418方向设置弹簧装置来调节齿扇414与螺母408上的带齿表面412的齿隙。

现参考图4a-4b并结合局部放大视图图5，在图示的示例中，齿扇414具有相对于齿扇轴416轴心线418的倾斜的齿扇端面415，换句话说，齿扇414的齿端面415与轴心线418的距离沿轴心线发生变化，即图5所示的，齿端距离轴心线418的距离t1不同于t2，在图示的示例中，t1<t2。由于螺母408具有与齿扇414的齿相配合并在轴心线418方向上啮合的接触面412，通过设置在轴心线418方向对齿扇414施加预载荷及承受载荷的弹簧420可调节齿扇414与螺母408的齿隙以及啮合力。具体而言，如图所示，在箭头e所示的方向上，弹簧420能够促使齿扇轴416沿着e方向移动，也就是推动齿扇轴416上的齿扇414沿着e方向移动，从而使得齿扇414的端面415更紧密地与螺母408结合。在进一步的实施例中，其中齿扇414的齿端沿齿扇轴416的轴心线418的距离线性变化。在其他示例中，齿扇的齿端沿齿扇轴的轴心线的距离可以呈非线性的变化，在一个示例中，齿扇的齿端面呈弧线形。

图6a示意性地描述了图4a-4b和图5中循环球式转向系统的齿扇轴部分放大剖视图。进一步参考图4a-5并结合图6a，可以看到在图示的示例中，对应于齿扇轴416的端部位置处，壳体404的开口上设置有端盖424，端盖424和齿扇轴416的端部426之间具有间隙，并且齿扇轴416的一端形成凹陷的空腔419，弹簧420至少部分地容纳在空腔419中，而端盖424上安装有抵靠弹簧420的调节螺栓422。参考图6a，齿扇轴416的一端的凹陷形成为第一段空腔419和第二段空腔421，其中第一段空腔419可主要容纳弹簧420，而第二段空腔421可容纳调节螺栓422的至少一部分，其中第一段空腔419可具有第一空腔内径r1，第二段空腔421可具有第二空腔内径r2，第一空腔内径r1小于第二空腔内径r2。在上述示例中，其中齿扇轴416的轴心线418与弹簧420的形变方向基本平行，使得弹簧420的形变能够提供齿扇轴416的预负载以及吸收齿扇轴416的轴心线418方向上的冲击。更具体地，调节螺栓422能够调节弹簧420的压缩状态(即图示的间隙距离s可以调节)，从而使得弹簧420能够对齿扇轴416施加负载，也就是对齿扇414施加负载，这样一方面齿扇414能够以预定的力与带齿螺母408啮合；而另一方面弹簧420能够吸收来自车轮振动等的沿着齿扇轴416的轴线方向的冲击力，从而使得齿扇轴416与端盖424之间基本不会发生冲击振动或者能够最小化其间的碰撞振动的可能。

图6b示意性地描述了本申请另一个实施例中循环球式转向系统500的齿扇轴部分放大剖视图。在图示的进一步的实施例中，齿扇轴516中形成的空腔包括第一段空腔519和第二段空腔521。第一段空腔519内包括远离第二段空腔521具有第一内径y1的端部空腔524和靠近第二端空腔521具有第二内径y2的中心空腔526，第一内径y1小于第二内径y2，其中弹簧520具有第一直径d1和大于第一直径d1的第二直径d2，具有第一直径d1的弹簧部分设置于具有第一内径y1的端部空腔524中。具有第二直径d2的弹簧部分至少部分地设置于具有第二内径y2的中心空腔526中。可以理解，弹簧520的位置可以倒置，而对应的，空腔的内径设置也可以相应地作出调整以更好地限定弹簧520的位置来提供更好的稳定性。

在图6b所示的示例中，调节螺栓522接触弹簧520的端面还形成有周边凸起部502以及中心凸起部504用于限定弹簧520的位置，可以理解取决于弹簧520的形状，空腔519的内径以及形状可以做出调节以更好地匹配弹簧520，还可如上示例中所显示的设置围绕弹簧520的凸起或者部分穿过弹簧520的中心的凸起来限定弹簧520的位置。

在齿扇轴中具有弹簧的循环球式转向系统中，其弹簧的设置存在类似于上述的齿轮齿条式转向系统的困境。本申请的循环球式转向系统通过使用具有不同负荷范围下不同的刚度系数的弹簧可解决上述的问题。

图7显示了可以应用于图1-图6b所示的实施例中的弹性部件的示意性结构以及其特性曲线，在这些示例中，其中弹性部件所受载荷f和形变量x呈非线性关系，也就是说，弹性部件在图示的示例中为非线性弹簧。弹性部件620,720和820为非线性卷绕弹簧.弹性部件920非线性截锥涡卷弹簧。弹性部件620，720，820和920的特性曲线分别为622，722，822和922。

本发明上述的一个或多个非限制性实施例中的轭簧和弹簧(在下文或者其他位置处可统称为弹性部件)在不同载荷情形下具有不同的刚度系数k，具体而言，弹性部件在承受第一载荷f1时具有第一形变x1，在承受大于第一载荷f1的第二载荷f2时至少具有第二形变x2，所述第一载荷f1与所述第一形变x1之比值小于所述第二载荷f2与所述第二形变x2之比值。可以理解弹性部件的形状并无特定限制，只要其特性曲线能够提供变化的刚度系数即可，在一些示例中，希望选择刚度系数的差别k2-k1越大越好，使其具有较小的初始负载，并且后期能够以一定的位移/形变来吸收更大冲击载荷。

在另一个实施例中，弹性部件承受的载荷f和形变量x在低载荷范围线性关系，从而需要较低载荷的齿隙调节时能够具有相对一致的啮合力度。具体而言，随着运行时间相啮合的部件的齿间总会存在磨损损耗，从而齿隙会逐渐增大，此时由于弹性部件存在，可以提供持续的压力来保证即便在齿间出现磨损损耗的情形下也能保持一致的啮合力度，因此在低负载情形下线性关系或者说一定的刚度系数可以使得齿隙和啮合力度的调节保持稳定性和一致性。而在高载荷范围内呈非线性关系，这样使得在遇到较大冲击载荷时弹性部件能够以尽可能小的形变来尽可能吸收较大的载荷。

在又一个示例中，弹性部件承受的载荷f和形变量x在低载荷范围和高载荷范围内均呈现非线性关系。特别地，在图4-图6b所示的循环球式转向系统中的一个非限制性实施例中，齿扇的齿端面呈弧线形，在此实施例中，可以有利地应用上述的具有非线性关系的弹簧的示例。

图8显示了可应用于本申请的一个或多个实施例的弹性部件1020。如图8所示，弹性部件1020为具有第一长度l1的具有第一刚度系数k1的第一线性弹簧1022和具有第二长度l2、且具有第二刚度系数k2的第二线性弹簧1024的组合，第一长度l1大于第二长度l2且第一刚度系数k1小于第二刚度系数k2。在将弹性部件1020应用在图1所示的齿轮齿条式转向系统或者图4所示的循环球式转向系统中时，首先是具有第一长度l1的具有第一较小的刚度系数k1的第一弹簧1022起到作用，此时提供的弹力或者预负载可以设置为预定的较小的值，从而保证齿轮齿条或者带齿螺母和齿扇之间的啮合力不会过大以确保合适的转向力度以及较小的齿间摩擦和磨损；而在受到较大的冲击载荷的情形下，第一弹簧1022被压缩至第二长度l2，此时第二弹簧1024与第一弹簧1022均被压缩以吸收冲击载荷，由于此时第二弹簧1024具有第二较大的刚度系数k2，其在被压缩产生相同形变的情形下能够比第一弹簧1022吸收更高的载荷，而第一和第二弹簧1022,1024叠加则可以吸收更高载荷。可以理解弹性部件1020可以如图8所示同轴心线排布，在其他示例中也可以具有其他布置，而弹簧的数量以及特性曲线可以具有不同的选择，在一些示例中可以采用线性与线性弹簧的组合，也可以采用线性与非线性弹簧的组合。

本申请的非限制性示例中，通过提供在不同载荷下具有至少两个不同的刚度系数的弹性部件或者弹性部件的组合，可获得弹性部件在初级较小的形变时较低的预负载，并且由于在较大载荷情形下具有较大的刚度系数，其可以一定的形变吸收较大的冲击载荷，从而避免了上面提到的提供齿间合适的啮合力度与吸收高冲击载荷之间不能兼顾的问题，提供具有不同刚度的弹性部件提供了合适的齿隙和啮合力度，同时也能吸收较高的冲击载荷，以较低的成本实现了调节和性能提升。

如本说明书所陈述的,本发明通过一个或多个实施例提供了具有优化的弹性部件的转向系统。尽管本申请以齿轮齿条式转向系统和循环球式转向系统为例说明了本发明的一个或多个实施例，可以理解具有其他转向结构或者附件(例如助力转向机构)的车辆的转向系统也可以应用本发明，只要其中可以通过弹性部件来调节齿隙和吸收载荷。此外本申请主要以车辆为背景进行讨论，可以预想其也可以应用于其他的合适的领域。本领域中的技术人员可以对这些具体实施例进行多种改变、修改和变化而不脱离本发明权利要求限定的实质和范围。