一种齿轮齿条式转向系统及其转向助力器的制作方法

本实用新型属于汽车配件技术领域，具体涉及一种齿轮齿条式转向系统及其转向助力器。

背景技术：

转向系统的作用是保证车辆按照驾驶员的需要改变行驶方向，而且还要克服因路面的侧向力使车轮自行产生转向，恢复汽车原来的行驶方向。

汽车转向器根据其不同的机械形式分为：齿轮齿条转向器、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器。其中汽车上常用的是齿轮齿条转向器、循环球式转向器。为了减轻驾驶员的体力负担，转向系统增加助力系统。一般分为液压助力和电动助力。它是在机械系统的基础上增加了一个液压系统或电机系统。

8t级以上车辆因原地转向阻力矩大，要求助力电机功率大，因整车布置空间有限，发动机驱动电机功率很难满足转向器助力电机要求，故一般选用液压助力转向系统。

随着道路环境的改善，汽车高速行驶的时的操纵稳定性成为了衡量汽车安全性的重性能。特别是轻型高机动军用车辆最高车速高达145km/h。而传统的循环球式液压助力转向器因布置困难，转向垂臂与转向横拉杆结构复杂，传动机构多，导致转向盘累计间隙大，极大影响操纵稳定性。

机械式齿轮齿条转向系统中，其基本机构为齿轮和齿条机构相互啮合，转向轴带动齿轮旋转时，齿条便作直线运动，一般靠齿条直接带动横拉杆，从而使车轮沿主销轴线。图1为一种通用于3t以下车辆上的液压助力齿轮齿条转向系统结构，该转向系统由转向器总成2、齿条23、转向油缸1、横拉杆3和齿条外壳22组成，其中，转向油缸1设置在齿条外壳22内部。当方向盘的旋转力矩作用在转向器总成2的转向输入轴上时，转向输入轴上的小齿轮与齿条23啮合，齿条23通过横拉杆3传递过来的地面反作用力将转向器总成2的阀芯打开，将带有压力的助力油通过油缸壳体的油口进入转向油缸1，方向盘左右旋转完成助力油进油方向改变从而完成横拉杆3推拉动作，即完成车轮的左右转动。因该类转向系统的转向油缸1内置于齿条外壳22内，齿条23即作为转向器总成2的换向组件，又作为横拉杆3的传力组件直接承受地面传递的转向阻力载荷。若应用于大吨位车辆中，为承受较大的力矩，齿条23直径应增加，故此转向器总成2的小齿轮直径也应增加，造成转向系统结构尺寸成倍增，对整车布置带来困难。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本实用新型提供一种结构紧凑、体积小、操纵稳定性高的转向助力器。

为解决上述技术问题本实用新型所采用的技术方案为：

一种齿轮齿条式转向助力器，包括转向油缸(1)、转向器总成(2)和横拉杆(3)，其中：

转向器总成(2)包括换向阀(21)、齿条(23)和齿条外壳(22)，换向阀(21)设有阀体(211)和贯穿阀体的转向输入轴(216)，转向输入轴(216)下端伸出阀体(211)，其下端端部设有齿轮结构(217)，齿条(23)设置在齿条外壳(22)内，齿轮结构(217)与齿条(23)相啮合；

转向油缸(1)包括设有封闭腔室的油缸壳体(11)，油缸壳体(11)与齿条外壳(22)相连且平行设置；油缸壳体(11)内设有一活塞(14)，将密封腔室分隔为不连通的第一腔室(12)和第二腔室(13)，第一腔室(12)和第二腔室(13)分别与换向阀(21)的阀体(211)液路连通；一油缸推杆(15)与活塞(14)一体连接，油缸推杆(15)两端伸出油缸壳体(11)的腔室，分别连接横拉杆(3)。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述齿条(23)的一端设有球铰结构(231)，齿条(23)通过该球铰结构(231)与一侧横拉杆(3)连接。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述齿条外壳(22)设有中空壳体(221)，中空壳体(221)与换向阀(21)相对应的位置设有齿轮容置腔(222)，齿轮容置腔(222)与中空壳体(221)相连通，使得容置在齿轮容置腔(222)内的齿轮结构(217)与设置在中空壳体(221)内的齿条(23)相啮合。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述齿条外壳(22)上横向设置有用于调整齿条(23)与齿轮结构(217)之间的啮合度的间隙调整螺母(224)，齿条(23)与该间隙调整螺母(224)端部可滑动接触。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述齿条外壳(22)的两端设有用于保护齿条(23)的齿条护罩(225)，齿条护罩(225)与齿条外壳(22)通过花键嵌合连接并经管箍固定。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述齿条(23)和齿条外壳(22)均为圆柱形结构，齿条(23)同轴穿套在齿条外壳(22)内；齿条外壳(22)上设置有齿条安装座(223)，齿条安装座(223)配合螺栓将齿条外壳(22)锁紧并固定在油缸壳体(11)设有的油缸支架(17)上。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述转向油缸(1)两端连接的横拉杆(3)对称设置，分别为第一横拉杆(31)和第二横拉杆(32)，第一横拉杆(31)的第一螺纹端(311)和第二横拉杆(32)的第二螺纹端(321)分别与油缸推杆(15)端部设有的外螺纹匹配螺接；第一横拉杆(31)上套装有一固定器(4)，固定器(4)另一端连接至车架上；第二横拉杆(32)与齿条(23)相连。

上述齿轮齿条式转向助力器中，所述换向阀(21)的阀体(211)上设有第三油管接口(212)、第四油管接口(213)、进油口(214)和回油口(215)，第三油管接口(212)和第四油管接口(213)通过管道分别与油缸壳体(11)设有的第一油管接口(18)和第二油管接口(19)相连通，进油口(214)与油泵相连，回油口(215)与油罐相连，设置在阀体(211)内的阀芯与转向输入轴(216)固定，阀芯位于第三油管接口(212)、第四油管接口(213)、进油口(214)和回油口(215)之间，转向输入轴(216)带动阀芯转动使得第三油管接口(212)与进油口(214)连通或第四油管接口(213)与进油口(214)连通。

本实用新型还提供一种齿轮齿条转向系统，该齿轮齿条式转向系统包括转向操纵机构(02)、转向助力器和车轮转向连接机构(03)，转向助力器将转向操纵机构(02)施加的转向力矩输入和转向角位移输入经转向助力器的齿轮齿条运动副的变换，传递给车轮转向连接机构(03)，使车轮转向，所述转向助力器为上述任一所述的齿轮齿条式转向助力器。

上述齿轮齿条式转向系统中，所述转向操纵机构(02)包括方向盘(021)和转向管柱(022)，转向管柱(022)一端连接方向盘，一端连接换向阀(21)的转向输入轴(226)的上端；所述车轮转向连接机构(03)包括转向节(031)和轮边减速器(032)，转向节(031)与横拉杆(3)端部设有的球头拉杆铰接，转向节(031)与轮边减速器(032)的轮轴连接。

采用以上设计，本实用新型采用外置的转向油缸作为液压助力转向系统的受力结构，地面传递的转向阻力均由转向油缸的油缸推杆和横拉杆承受，齿轮齿条机构只作为换向组件，使得转向油缸和齿条机构紧凑，体积小，节省空间，便于整车布置；同时，齿轮齿条机构作为转向辅助结构，有助于转向平稳的同时，还能在液压助力转向失效时，完成车辆行驶状态的转向。

附图说明

图1是一种现有的齿轮齿条转向系统的结构示意图；

图2是本实用新型齿轮齿条式转向系统的结构示意图；

图3是本实用新型转向助力器的立体结构示意图；

图4是本实用新型转向助力器的分解结构示意图；

图5是本实用新型转向助力器的转向油缸的剖视图；

图6是本实用新型转向助力器的横拉杆的结构示意图；

图7是本实用新型转向助力器的换向阀结构及其与齿条配合关系示意图；

01–转向助力器；

1-转向油缸，11-油缸壳体，12-第一腔室，13-第二腔室，14-活塞,15-油缸推杆,16-油缸支座，17-油缸支架，18-第一油管接口，19-第二油管接口；

2-转向器总成，21-换向阀，211-阀体，212-第三油管接口，213-第四油管接口，214-进油口，215-回油口，216-转向输入轴，217-齿轮结构；22-齿条外壳，221-中空壳体，222-齿轮容置腔，223-齿条安装座，224-间隙调整螺母，225-齿条护罩；23-齿条，231-球铰结构；

3-横拉杆，31-第一横拉杆，311-第一螺纹端，312-第一球头拉杆；32-第二横拉杆，321-第二螺纹端，322-第二球头拉杆；

4-固定器，41-卡箍，42-铰接链，43-固定接头；

02-转向操纵机构，021-方向盘，022-转向管柱；

03-车轮转向连接机构，031-转向节，032-轮边减速器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型齿轮齿条式转向系统及其转向助力器进行详细说明。

参见图2，为本实用新型齿轮齿条式转向系统的结构示意图。该齿轮齿条转向系统包括转向助力器01、转向操纵机构02和车轮转向连接机构03，转向助力器01将转向操纵机构02施加的转向力矩输入和转向角位移输入经转向助力器01的齿轮齿条运动副的变换(减速增扭)，传递给车轮转向连接机构03，从而使车辆的车轮转向。

该转向助力器01通过转向操纵机构02控制液压系统，由液压助力克服地面转向助力，减轻驾驶员操作强度。齿轮齿条机构主要作为换向组件，使得该转向助力器01结构紧凑，体积小，工作稳定可靠。参见图3，该转向助力器01包括转向油缸1、转向器总成2、分别设置在转向油缸1两端的横拉杆3以及套装在横拉杆3上的固定器4，其中：

转向油缸1为外置油缸。如图5所示，转向油缸1包括设有封闭腔室的油缸壳体11，一活塞14位于油缸壳体11的腔室内部且与腔室内壁滑动连接，活塞14将所述密封腔室分隔为第一腔室12和第二腔室13，活塞14与油缸推杆15一体连接，活塞14外周设有密封圈结构，保证活塞14与腔室内壁滑动密封，使得第一腔室12和第二腔室13不连通。油缸推杆15两端伸出油缸壳体11的腔室，油缸推杆15两端设有的外螺纹，分别与两横拉杆3的端部设有的内螺纹螺接。其中，油缸推杆15与油缸壳体11的两端的连接处密封，且油缸推杆15的外径小于油缸壳体11的腔室内径，使得油缸推杆15能够随活塞14在油缸壳体11的腔室内移动。

转向油缸1通过设置在油缸壳体11上的油缸支座16固定在车架上，在一个实施例中，油缸支座16底部设有螺纹孔，螺栓配合该螺纹孔将转向油缸1与车架固定连接。油缸壳体11上还设置有两个油缸支架17，用于固定转向器总成2的齿条外壳22；油缸壳体11上设有与分别与其第一腔室12和第二腔室13连通的第一油管接口18和第二油管接口19，用于连接转向器总成2的换向阀21中的内置油道，通过换向阀21旋转改变油道通断，以实现转向油缸1的换向和助力操作。

转向油缸1两端的横拉杆3对称设置，分别为第一横拉杆31和第二横拉杆32，分别通过车轮转向连接机构03连接至两侧的车轮上，第一横拉杆31和第二横拉杆32结构相同，可以为现有结构。参见图4和图5，该实施例中的第一横拉杆31的杆体两端分别设有第一螺纹端311和第一球头拉杆312，第一螺纹端311与油缸推杆15端部设有的外螺纹相匹配连接，第一球头拉杆312与车轮转向连接机构03的转向节031连接(参见图4)。同样第二横拉杆32的杆体两端分别设有第二螺纹端321和第二球头拉杆322。转向节031设有的内锥度孔与第二球头拉杆的外锥轴连接并用螺母锁紧，防止上下窜动。第一球头拉杆的球头结构可在其壳体内沿球心以一定角度旋转，可满足车轮上下跳动时的自由度要求。第二球头拉杆内的球头同样可沿其球心转动，保证车轮转动过程中球头拉杆322不受刚性冲击。

参见图4和图7，转向器总成2包括换向阀21、齿条23和齿条外壳22，其中，换向阀21设有内置阀芯的阀体211，阀体211固定在油缸壳体11上，一转向输入轴216贯穿阀体211和阀芯且与阀芯固定、与阀体211的两端可转动密封，阀体211上设置有第三油管接口212、第四油管接口213、进油口214和回油口215，第三油管接口212和第四油管接口213通过管道分别与油缸壳体11设有的第一油管接口18和第二油管接口19相连通，进油口214与油泵相连，回油口215与油罐相连，设置在阀体211内的阀芯位于第三油管接口212、第四油管接口213、进油口214和回油口215之间，转向输入轴216带动阀芯转动的过程中，在第三油管接口212与进油口214连通以及第四油管接口213与进油口214连通之间间续转换，当第三油管接口212与进油口214连通时，油泵将油液通过进油口214泵入，并通过第三油管接口212、管道进入转向油缸1的第二腔室13，第二腔室13形成的油压推动活塞14向第一腔室12的方向移动，此时，第一腔室12内的油液通过管道、第四油管接口213、回油口215回到油罐内，进而推动油缸推杆15向第一横拉杆31的一侧移动，从而实现车轮转向调节；当第四油管接口213与进油口214连通时，油泵将油液通过进油口214泵入，并通过第四油管接口213、管道进入转向油缸1的第一腔室12，第一腔室12形成的油压推动活塞14向第二腔室13的方向移动，此时，第二腔室13内的油液通过管道、第三油管接口212、回油口215回到油罐内，进而推动油缸推杆15向第二横拉杆32的一侧移动，从而实现车轮转向调节。

在一个实施例中，参见图4，转向输入轴216下端伸出阀体211，其下端端部设有齿轮结构217，该齿轮结构217与齿条23相啮合，齿轮结构217的旋转运动可转化为齿条23的水平运动。齿条23设置在固定于油缸壳体11上的齿条外壳22内，齿条23位于第二横拉杆32的一端设有一球铰结构231，球铰结构231与第二横拉杆32固定连接，使得齿条23具有一定的运行自由度，齿条外壳22对齿条23其支撑保护功能。具体的，齿条外壳22设有中空壳体221，中空壳体221与换向阀21相对应的位置设有齿轮容置腔222，齿轮容置腔222与中空壳体221相连通，使得容置在齿轮容置腔222内的齿轮结构217与设置在中空壳体221内的齿条23相啮合，齿轮容置腔222底部设有一端盖；该齿轮容置腔222所在一侧设有齿条安装座223，齿条安装座223配合螺栓将齿条外壳22锁紧并固定在油缸壳体11的油缸支架17上。优选的，齿条23和齿条外壳22均为圆柱形结构，齿条23同轴穿套在齿条外壳22内；为了保证强度，齿条外壳22表面设置“田”字型花筋。

一个实施例中，齿条外壳22上设置有一横向的间隙调整螺母224，齿条23与该间隙调整螺母224端部可滑动接触。当齿条23由于磨损等原因与齿轮结构227啮合不紧时，可通过调节间隙调整螺母224，调整齿条23与齿轮结构217之间的啮合度。

一个实施例中，齿条外壳22的两端各设置有一齿条护罩225，齿条护罩225与齿条外壳22通过花键嵌合连接并经管箍固定，用于保护齿条23。齿条护罩为橡胶结构，可随油缸运动自由伸缩。

固定器4一端套装并固定在第一横拉杆31上，另一端连接至车架上，用于在转向油缸1故障(例如“溜缸”，油缸在一个方向运动超出油缸行程的情形)时，将转向油缸1限位，防止转向油缸1继续对车架或轮边减速系统造成损坏。参见图6，该实施例中，固定器4包括卡箍41、铰接链42和固定接头43，卡箍41套装并固定在横拉杆上，固定接头43与车架固定连接，铰接链42可以保障车架和横拉杆之间的运动具有一定的自由度。

参见图2，转向操纵机构02用于提供转向动作或指令，包括方向盘021和转向管柱022，转向管柱022一端连接方向盘，一端连接换向阀21的转向输入轴226的上端，车辆驾驶人员通过操纵方向盘021，提供转向力矩，通过转向管柱022作用至换向阀21的转向输入轴216，转向输入轴216带动阀芯转动，通过控制油液泵入转向油缸1的第一腔室12或第二腔室13，进而实现增大力矩和变换力矩方向实现车轮的转向控制。

参见图2，车轮转向连接机构03包括转向节031和轮边减速器032，转向节031与横拉杆3的球头拉杆铰接，转向节031与轮边减速器032的轮轴连接，横拉杆的水平运动，带动转向节031、轮边减速器032的轮轴运行，进而实现车轮转向。

工作时，方向盘031的转动施加在换向阀21的转向输入轴216上，转向输入轴216转动带动与其齿轮结构217啮合的齿条23水平移动，由于齿条23与第二横拉杆32固定连接，也带动横拉杆3水平移动；同时，由于转向助力器01液压力的作用，油缸推杆18推动第二横拉杆32同方向移动，相当于承受转向力作用的主要是油缸推杆18，而不是齿条23，由于齿轮齿条结构的存在，使得车轮转向更为平稳；如果转向油缸1失效，仅靠齿轮结构和齿条23形成齿轮齿条结构也能够实现运动过程的转向(此时转向力比较小，不适合原地转向)。

本实用新型齿轮齿条式转向系统具备强制转向能力，即在车辆行驶过程中，因发动机故障导致转向泵(油泵+换向阀)无法提供动力时，方向盘031输入的转向力矩带动转向输入轴216转动，进而带动齿条23推动横拉杆运动，因车辆行驶过程中转向阻力矩较原地转向小很多，无需助力情况下，只需齿轮齿条结构的传动副提供足够的传动比就可以按照驾驶员需求完成转向直至停车。

本领域技术人员应当理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不限制本实用新型的范围，对本实用新型所做的各种等价变型和修改均属于本实用新型公开内容。