径向预加载的齿条轴承的制作方法

径向预加载的齿条轴承
1.相关申请
2.本专利申请是2017年5月15日提交的美国专利申请序列号15/594,909(其要求2016年5月20日提交的美国临时专利申请序列号62/339,670的优先权)的部分继续申请，其公开内容均通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.齿条齿轮(rack and pinion)转向系统是汽车工业中经常使用的常见类型的系统。典型的齿条齿轮转向系统用于将旋转运动转换为线性运动，并且可以包括长形的(elongated，细长的)转向齿条(即，齿杆)、系杆(tie rods)、转向轴和小齿轮(pinion gear，齿轮)。通常与相应的前轮胎相连接的系杆被附接至转向齿条的相对端部处。小齿轮附接至转向轴的一端部，方向盘附接至转向轴的另一端部。小齿轮与转向齿条的齿可操作地啮合。方向盘的转动使小齿轮转动，这转而使齿条以线性方式移动。
4.许多系统部件通常帮助小齿轮与齿条的可操作啮合，并且可以包括齿条轴承(即，齿条轭或靴)、壳体和其他部件。支持该啮合连接的已知设计和配置可能易于产生不希望的噪音，提供的转向感觉(feel)性能不如意，增加维护复杂性以及其他问题。
5.因此，期望改进可操作的啮合连接和/或相关部件，以例如最小化系统噪音、改善系统感觉并优化稳健性(robustness，鲁棒性)。


技术实现要素：

6.在本公开的一个示例性且非限制性的实施例中，齿条齿轮转向系统包括壳体、齿条、小齿轮和径向预加载的齿条轴承。齿条由壳体支撑，并且小齿轮与齿条啮合。径向预加载的齿条轴承被支撑并预加载到壳体、以及被预加载到齿条。
7.在另一个示例性实施例中，一种用于齿条齿轮转向系统的齿条轴承包括第一半圆柱形部段和第二半圆柱形部段。第二半圆柱形部段可操作地联接至第一半圆柱形部段，以径向膨胀和收缩。
8.从以下结合附图的描述中，这些以及其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
9.在说明书的结尾处的权利要求中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将变得显而易见，在附图中：
10.图1是根据本公开的示例性实施例的齿条齿轮转向系统的局部截面图；
11.图2是与图1类似的齿条齿轮转向系统的截面图，但移除了一些部件以显示细节；
12.图3是沿图2中的箭头3
‑
3的方向观察的齿条齿轮转向系统的截面图；
13.图4是齿条齿轮转向系统的齿条轴承的立体图，示出了第一端面；
14.图5是该齿条轴承的另一立体图，示出了相对的第二端面；
15.图6是齿条轴承的第二实施例的立体图；
16.图7是齿条轴承的半圆柱形部段的立体图；
17.图8是齿条齿轮转向系统的第三实施例的截面图；
18.图9是沿图8中的箭头9
‑
9的方向观察的齿条齿轮转向系统的齿条轴承的截面图；
19.图10是根据本公开另一方面的齿条轴承的立体图；以及
20.图11示出了图10的齿条轴承。
具体实施方式
21.现在参照附图，其中将参照具体实施例来描述本发明而不限制本发明，可用于汽车的齿条齿轮转向系统20帮助将旋转运动转换为线性运动。参照图1，齿条齿轮转向系统20可包括长形的转向齿条22(即，齿杆)、两个系杆(未示出)、转向轴24、小齿轮26、壳体28、齿条轴承30、以及弹性的柔性构件32，该柔性构件适于相对于中心线c2在轴向方向上施加偏压力。在一示例中，构件32可以是螺旋弹簧。每个系杆可以跨在齿条22的相应端部与未示出的相应轮胎(例如，前轮胎)之间，并且可操作地连接到这两者。小齿轮26可附接至转向轴24的一端部以围绕轴线a旋转，并且方向盘(未示出)可附接至相对端部。小齿轮26被构造和布置成与转向齿条22的齿34可操作地啮合。方向盘的转动使小齿轮26旋转，这又使齿条22沿中心线c1以基本上线性的方式移动。
22.参照图1至图3，齿条轴承30适于支撑齿条22，并预加载小齿轮26与齿条22之间的啮合接合。齿条轴承30可总体地(generally)且可滑动地装配在基本圆柱形的孔中，所述孔具有由壳体28的基本圆柱形内表面38限定的边界。孔36和表面38可基本以中心线c2为中心，该中心线c2可与中心线c1正交和/或可与该中心线c1相交。因为齿条轴承30在壳体28的孔36内轴向滑动，所以齿条轴承30能够将调节弹簧(adjustor spring，调节器弹簧)32(见图1)的轴向预加载(见图2中的箭头40)传递到啮合接合。可以通过调节塞(adjuster plug，调节器塞)42相对于齿条轴承30的调节来限制滑动运动的量，所述调节塞可以螺纹接合至壳体28。
23.参照图2至图5，齿条轴承30可以包括：轴向基部端面44，该轴向基部端面可以是环形形状的；以及相对的齿条接触端面46，该齿条接触端面可以是凹形形状的，以与齿条22滑动接触。齿条轴承30可以包括孔48，该孔可以是盲孔，并具有由齿条轴承30的大致圆柱形的内表面50和弹簧座52限定的边界。调节弹簧32可以将轴向预加载40直接施加在弹簧座52与调节塞42之间。齿条轴承30的大致圆柱形的外表面54可相对于中心线c2轴向地跨在端面44与46之间，并且与壳体28的内表面38径向相对。
24.齿条轴承30还可以包括狭槽56，该狭槽可以与中心线c2共面(即，位于共同假想平面内)，可以与盲孔48连通，并且可以通过外表面54、内表面50、端面44和46以及弹簧座52进行连通。更具体地说，狭槽56可以通过内表面50的两个沿直径相对的位置和外表面54的一个周向位置进行连通。由于狭槽不通过外表面54的两个沿直径相对的位置进行连通，因此齿条轴承30通常可以是具有两个半圆柱形部段58、60的一体且均质的部件，所述两个半圆柱形部段通过齿条轴承30的整体(integral)铰接部分62附接。也就是说，狭槽56将齿条轴承30的大部分分段，留下用作铰接部分62的一小部分柔性材料。
25.铰接部分62可以为相对于中心线c2轴向延伸的总体上长形的。端面44、46以及外
表面54的相对较小部分可以由整体铰接部分62承载。在一个示例中，齿条轴承30可以由注射成型聚合物制成。
26.参照图2和图3，齿条轴承30的外径(见箭头64)的尺寸可以制定成实现在壳体28的内表面38与齿条轴承30的外表面54之间测得的初始的、沿周向的低(low，小)间隙(见箭头66)。齿条轴承30经由铰接部分62的挠曲导致的径向压缩通常可以增加间隙66，并且轴承的径向膨胀通常可以减小间隙66，直到间隙不再是沿周向连续的，并且内表面38和外表面54在凸部(lobes)80处彼此直接滑动接触。可以预期并理解的是，铰接部分62可被调整以在半圆柱形部段58、60上施加偏压力，从而使这些部段径向向外移动。
27.参照图3和图5，狭槽56的边界可以由相应的半圆柱形部段58、60的相对的侧部68、70限定。齿条齿轮系统20还可以包括至少一个弹性构件72，所述弹性构件在侧部68和70之间延伸且与每个部段58、60偏压接触，从而施加径向向外偏压所述部段58、60的力(见图2和图3中的箭头74)。通常，弹性构件72可以靠近外表面54并且与铰接部分62沿直径相对。弹性构件72可以由橡胶或橡胶状材料制成。构件72的另一示例可以是弹性弹簧。
28.在将齿条轴承30组装到壳体28中的过程中，齿条轴承30可以抵抗(against)弹性构件72的偏压力74径向收缩，从而进一步压缩相应的半圆柱形部段58、60的侧部68、70之间的该构件。在弹性构件72被适当地压缩的情况下，通常在壳体28的内表面38与齿条轴承30的外表面54之间形成间隙66，从而能够将齿条轴承30轴向插入壳体28的孔36中。一旦插入，则齿条轴承30的释放可以使弹性构件72膨胀，从而使齿条轴承30径向膨胀，直到齿条轴承30的外表面54接触壳体28的内表面38。
29.间隙66的大小、弹性构件72的可压缩性(即，压缩系数)以及其他因素可以被适当地设计和确定以补偿各部件(例如，齿条轴承30和壳体28)之间的任何热膨胀系数。各部件之间的热膨胀的相互作用至少部分地取决于材料类型。例如，齿条轴承30可以由聚合物制成，而壳体28可以由金属制成。金属的一个示例可以是铝。这些材料选择对于减轻重量可以是理想的，并且各部件的新型构造可以防止或减少齿条轴承30卡住(seize)壳体28的任何可能性。
30.径向预加载的齿条轴承30可以在温度变化期间在齿条轴承30与壳体28之间提供线对线配合。在温度升高时，如果齿条轴承30比壳体28增长(grow，膨胀)得更多，则齿条轴承可能会轻微挤压。当温度降低并且齿条轴承30比壳体28收缩更多时，弹性构件72可以使齿条轴承30抵靠壳体28膨胀。
31.因为径向预加载的齿条轴承30可以补偿齿条轴承外径与壳体内表面直径之间的尺寸差异，所以可以增加壳体内表面公差。这将减少加工操作的次数和循环时间。此外，当齿条轴承30由聚合物制成时，在注射成型工艺之后，齿条轴承30可不需要任何二次加工或其他二次尺寸调整操作(sizing operation)。
32.在正常操作期间并且为了限制系统嘎嘎作响(rattle and clunk)，且优化系统“感觉”性能，齿条轴承30可以在所有温度和操作条件下保持与壳体内表面38的线对线配合。另外在操作期间，调节弹簧32可以沿着中心线c2支承(bear upon)在齿条轴承30的弹簧座52上。进而，齿条轴承30的接触端面46支承在齿条22上。接触端面46的轮廓可以与齿条22的轮廓大体上匹配和/或可以包括一般接触点76、78(见图2)，以使齿条22和齿条轴承30在从一个或两个中心线c1、c2偏移大约四十五(45)度的点处彼此接触。通常，可以通过使齿条
轴承30的端面46的曲率半径大于转向齿条22的相对的外圆柱形表面的曲率半径而形成接触点76、78。
33.接触点76、78的布置或定向可以帮助齿条轴承30径向向外扩展，并且可以迫使齿条轴承30接触壳体28的内表面38。在一个实施例中，多个凸部80(即，示出为四个)可关于中心线c2周向间隔开，并且被承载在齿条轴承30的外表面54与壳体28的内表面38之间。在一个实施例中，齿条轴承30可承载凸部80，并且壳体28的内表面38可以是圆柱形的和/或可以比齿条轴承30的外表面54更呈圆柱形。尽管未示出，但是可以预期且理解的是，每个半圆柱形部段58、60(即，基本上圆柱形)可以仅包括一个凸部80，因此总共两个凸部在周向上彼此相隔大约一百八十度(180度)。
34.凸部80可促进稳定性，而无需保持圆形齿条轴承外径与壳体孔36之间的高一致性。可以预期且理解的是，在一些实施例中，凸部80的使用和/或接触点76、78的使用可具有某些设计灵活性，从而可略微偏离齿条轴承30的表面54和/或端面46的大致圆柱形形状。
35.在一个实施例中，由于操作特性而可能不需要弹性构件72。例如，在操作中，随着转向操纵或来自车辆底盘的输入而导致的齿条力增加，齿条轴承30与壳体28之间的预加载力74可以成比例地增加。齿条轴承30加载得越多，施加的去间隙力(delashing force)就越大。在径向预加载足以在保持平稳操作的同时防止嘎嘎声的情况下，可能不需要弹性构件72。
36.参照图6和图7，示出了齿条轴承的第二实施例，其中与第一实施例相似的元件具有相似的附图标记(除了带有上撇号的后缀外)。齿条轴承30’可包括两个单独的半圆柱形部段58’、60’，它们具有彼此相对的侧部68’、70’。为了简化制造和降低成本，每个部段58’、60’可以是相同的。第一键部72’可以从每个侧部68’、70’突伸出，以接收于由相对的另一侧部70’、68’所限定的凹部82中。在部段58’、60’径向地膨胀和收缩时，键部72’通常被调整以在部段58’、60’之间定向并保持定向。在一个示例中，键部72’可以是对于相应部段58’、60’的一体且均质的部件。在另一个示例中，键部72’可以是弹性构件。弹性构件的示例可以包括弹性体材料(例如，橡胶)、弹簧等。
37.参照图8和图9，示出了齿条轴承的第三实施例，其中与第一实施例和第二实施例相似的元件具有相似的附图标记(除了带有双上撇号的后缀外)。类似于第二实施例，齿条轴承30”可包括两个单独的半圆柱形部段58”、60”。这些部段可以包括彼此相对的相应侧部68”、70”。为了简化制造并降低成本，每个部段58”、60”可以相同。多个弹性构件72”(即，示出了六个)可以在每个侧部68”、70”之间延伸并与之偏压接触。
38.弹性构件72”可以被定向为确保期望的径向膨胀。例如，在径向膨胀和收缩期间，相对的侧部68”、70”可以保持基本上彼此平行。在一个示例中，第一组三个弹性构件72”可以彼此轴向间隔开，彼此周向对齐，并且靠近基本圆柱形的表面54”。第二组三个弹性构件72”可以彼此轴向间隔开，彼此周向对齐，并且靠近基本圆柱形的表面54”。第一组弹性构件72”可以与第二组弹性构件72”在周向上隔开大约一百八十度(180度)。如图所示，弹性构件72”是螺旋弹簧；然而，这些构件可以由任何可弹性膨胀和压缩的材料制成。
39.图10和图11示出了齿条轴承的另一实施例，并且该齿条轴承总体上用附图标记130表示。除非另外具体描述，否则以上结合图1至图9的实施例所描述的部件与图10和图11的实施例中的相同。
40.齿条轴承130包括第一部段158和第二部段160，这些部段与上述的半圆柱形部段相似，但在图10和图11中，部段158、160不必是半圆柱形的，并且可以被称为主部段，诸如第一主部段158和第二主部段160。与本文所述的其他实施例不同，部段158、160在结构上彼此不结合。相反，第一部段158和第二部段160是相同的，并且一起装配在壳体内以形成剪刀状轴承。
41.齿条接触力将导致两个部段158、160以剪刀运动的形式在壳体孔中倾斜(tip)。为确保剪刀轴承在极端载荷冲程(extreme load excursions)期间不会屈服(yield)，在这两个半部之间提供了显著的轴向间隙。在图11中用附图标记170表示该间隙区域。为防止轴承部段158、160屈服，这些部段被设计为与轴向间隙170配合在一起。在极端载荷冲程下，该间隙将闭合，并且轴向载荷将从一个轴承部段通过另一个轴承部段被传递到调节塞中。如果间隙太大，则在载荷被转移到另一轴承半部之前就会发生轴承部段屈服。但是，如果间隙太小，则会阻止剪刀运动并且会减小径向预加载。为了提高壳体孔的稳定性，剪刀齿条轴承具有如图11中所示的六凸部设计。
42.本公开的优点和益处包括一种设计，该设计补偿了公差累加(tolerance stack)并且允许更大的壳体直径公差，从而减少了制造成本和时间。本设计通过补偿铝壳体与塑料齿条轴承组件部件之间的热膨胀差异来促进聚合物齿条轴承组件的使用。其他优点包括齿条轴承30与壳体28之间的摩擦力，该摩擦力在齿条齿轮分离方向上提供阻尼，并且消除了对于任何更传统的径向o形圈的需要。
43.尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，可以对本发明进行修改以并入迄今未描述但与本发明的精神和范围相对应的任何数量的变型、变更、替换或等同布置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方案可以包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应被视为由前述描述所限制。