无间隙转向机构 现有技术
本发明涉及一种汽车转向蜗轮蜗杆传动装置，包括一个在其轴上抗扭设置的蜗杆和一个与蜗杆啮合的蜗轮，其中蜗杆和蜗轮在径向被预紧。
通常的汽车转向机构、具有差动传动装置和线操作转向装置的汽车转向机构需要一个或多个转向传动装置，通过它们将转向盘的转动转换成转向轮的转动。
在通常的电转向机构中，还必须将电机产生的转矩耦合到转向机构中。对于线操作转向装置，在转向盘和转向轮之间不存在机械或液压连接。根据司机的要求和其它条件如偏航率或行驶速度，转向盘调节转向轮的位置。其转向轮的转向运动被被任意编程且这个转向操作通过电或液压转向盘实现。
在具有差动传动装置的汽车转向机构中，通常的转向机构与差动传动装置组合，使其转向配合与司机的转向要求无关。因此，进一步改善了线操作转向机构的特点。对于差动传动装置所不希望的是间隙，这是因为他会使得转向感觉变差，降低转向配合精度，此外在改变方向时由于“喀嚓噪音”令人感到不快。
为了实现上述目的，由于在蜗轮蜗杆传动装置不需要转动时，一般它要自锁并由此电机断电，通常使用具有电机的蜗轮蜗杆传动装置。
由申请人为Robert Bosch有限公司申请号为DE 100 51 506.9(申请日为2000.10.17)的还未公开的专利申请可知一种汽车转向传动装置，其中的轴在径向摆动支承，在该轴上固定蜗轮蜗杆传动装置的蜗杆。两个轴承中的一个在径向可移动。通过在径向形成的弹簧力，轴绕固定轴承摆动并保证蜗杆与蜗轮的啮合无间隙。
如果蜗轮蜗杆传动装置的电驱动装置不被控制，蜗轮蜗杆传动装置自锁，由此转向运动从转向盘直接不可改变地传递到转向轮。
发明优点
在具有权利要求1特征地蜗轮蜗杆传动装置中，蜗轮蜗杆传动装置的自锁与电机断电时作用在蜗轮上的转矩的方向无关。由此，蜗轮蜗杆传动装置的特性在电机不通电时与转动方向无关。
因此，提高了装有本发明蜗轮蜗杆传动装置汽车转向装置的功能可靠性，即使是在电机或控制装置失效时。其优点的重要意义在于，在汽车的电装置部件失效时，其转向装置仍能起作用。
在本发明的一变型中，轴借助一个固定轴承和至少一个浮动轴承支承在壳体中，所述浮动轴承在径向在壳体中可移动，和/或壳体具有接纳浮动轴承的长孔，长孔在径向分布。在该变型中，轴的摆动通过长孔实现。轴不会在切向产生偏离。此外，长孔制造简单。在本发明另一补充实施例中，其浮动轴承经支承环支承在壳体上，这样浮动轴承不承受径向负载或承受直线负载，改善了浮动轴承在壳体中的导向。
在本发明的另一改进变型中，在浮动轴承和壳体之间或支承环与壳体之间设置至少一个弹簧件、特别是螺旋弹簧或盘簧，这样以简单廉价的方式调节蜗杆和蜗轮或齿条之间确定的预紧力。其预紧力主要与弹簧件的弹簧刚度有关，而在很小范围内与支承环或壳体的加工公差有关。
在本发明的一个特别优选实施例中，浮动轴承经板簧与壳体连接，板簧垂直于轴的纵向轴线和浮动轴承移动方向在壳体和浮动轴承之间延伸，板簧这样设置在壳体上，使得在蜗杆和蜗轮之间产生所希望的压紧力。在该实施例中，由于板簧不仅具有弹性功能还有导向功能，减少了部件的数量。此外，安装简单。
在本发明的另一实施例中，在浮动轴承和壳体之间或支承环与壳体之间设置防扭转装置，这样浮动轴承不会在壳体中转动，影响功能作用。
在本发明的另一补充方案中，蜗杆抗扭地设置在电机的转子轴上，这样减少了部件的数量且可以使得本发明的传动装置结构特别紧凑。
在可能出现的自锁失效的极端情况下，会减弱汽车转向的功能作用和操作特性，因此，还要通过电机锁定其蜗轮蜗杆传动装置。蜗轮蜗杆传动装置的锁定或主动通过电机产生反向转矩或被动通过电机的至少两相被短路实现。其被动锁定这样实现，即在电机不需要转动时，电机的至少两相被短路且电机与电源分开。在这种状态下尽管蜗轮蜗杆传动装置自锁其电机被驱动，由于相电被短路，其电机产生转动转矩。由此，减小意外的转动。
有利的是，电机的至少两相短路通过继电器或场效应晶体管(FET)-半导体件实现。
在优选具有差动传动装置的驱动中，蜗轮蜗杆传动装置的主动和被动锁定还与本发明的非对称啮合无关。
最后本发明的蜗轮蜗杆传动装置可应用于电助力转向助力单元中、齿条式转向装置中、方向盘、差动传动装置和/或拉线操作转向装置的方向盘中。
本发明的其它优点和优选实施例可从下面的附图和描述中得知。
【附图说明】
下面参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了具有外齿的本发明蜗轮蜗杆传动装置的第一实施例；
图2示出了本发明蜗轮蜗杆传动装置的第二实施例；
图3示出了本发明轴支承第一实施例的细节；
图4示出了本发明轴支承第二实施例的细节。
【具体实施方式】
图1示出了本发明蜗轮蜗杆传动装置1的第一实施例。传动装置1由具有一个轴5的电机3构成，轴5带有转子7。轴5的一端通过示意示出的固定轴承9支承在电机3的壳体11中。在电机3的相对端设置一浮动轴承13。在轴5的轴端15抗扭地固定一蜗杆17(未示出)。蜗杆17浮动地支承在轴5上并与固定在传动轴21上的蜗轮19啮合。传动轴21的支承件在图1中未示出。为了防止在蜗杆17和蜗轮19存在间隙，轴5可以绕固定轴承9在箭头X1方向摆动。轴5的摆动可以这样实现，即浮动轴承13在蜗轮19的方向可移动地支承在壳体11中。浮动轴承13连同轴5的移动方向用箭头23表示。
由螺旋弹簧构成的弹簧件25将蜗杆17压靠在蜗轮19上，使得电机3的转动无间隙地传递到传动轴21上。弹簧件25的弹簧刚度和预紧力这样确定，即不会影响电机的转动方向和转矩，在蜗杆17和蜗轮19齿面之间产生的力不会克服弹簧件25的弹簧力使得轴5摆动。另外要注意的是，弹簧件25的弹簧力不能大到妨碍本发明传动装置运行困难、导致磨损不必要的增大。
为了确保电机3的作用，需要浮动轴承13具有这样的摆动量X2，使得其转子7不能在电机的定子27上摩擦。此外，应注意的是，可能设置的电机3的电刷(未示出)或转角传感器41不会由于轴5的摆动影响其功能作用。这意味着转子7和定子27之间间隙X3必须使得转子7和定子27不发生接触。
电刷29或未示出的转角传感器优选设置在固定轴承9附近。浮动轴承13设置在壳体11的细节下面参照图3进行描述。
如图1所示，蜗轮19齿31右齿面20的啮合角αr与齿31左齿面22的啮合角αl相等。蜗轮蜗杆传动装置1被自锁，因此在电机3不通电时蜗轮19不转动。自锁通过适当选择蜗杆17的螺旋角(未示出)实现或被改善。
蜗杆17将转矩传递到蜗轮19上，在蜗杆17上产生径向力Fr。径向力Fr克服弹簧件25的弹簧力F弹簧。此外，通过由蜗杆17将转矩传递到蜗轮19上，还产生轴向力FA。轴向力FA的方向随着转动方向改变。弹簧件25这样确定尺寸，弹簧件25的压紧转矩
F弹簧×a
大于转矩
FR×b-FA×c
如果在蜗轮19上经传动轴21传递转矩M，会在蜗杆17和蜗轮19的齿31之间的啮合产生下面的转矩平衡：
情况1：转矩M逆时针起作用(在数学上为正)：
∑M＝Fa，r×c-F弹簧×a+Fr，r×b＝0
其中：
FN，r：齿31的右齿面20与蜗轮17之间的垂直力
Fa，r：FN，r的轴向分量
Fr，r：FN，r的径向分量
a，b，c：有效杠杆臂的长度
情况2：转矩M顺时针起作用(在数学上为负)：
∑M＝-Fa，l×c-F弹簧×a+Fr，r×b＝0
其中：
FN，l：齿31的左齿面22与蜗轮17之间的垂直力
Fa，l：FN，l的轴向分量
Fr，l：FN，l的径向分量
a，b，c：有效杠杆臂的长度
由于符号Fa，r和Fa，l不同，在图1中所示的蜗轮蜗杆1的自锁取决于转动方向。这种作用例如在下述情况是不希望的，蜗轮蜗杆传动装置1用在电助力转向助力单元中、齿条式转向装置中、方向盘、差动传动装置和/或拉线操作转向装置的方向盘中。
如果右齿面20的啮合角αr与齿31左齿面22的啮合角αl不相等，可以实现蜗轮蜗杆传动装置的对称特性。
图2示意示出了本发明图1蜗轮蜗杆传动装置1的一实施例。相同的部件采用与图1相应的附图标记。
在图2所示的啮合中，右齿面20的啮合角αr小于齿31左齿面22的啮合角αl。通过适合选择啮合角αr和啮合角αl，可以实现蜗轮蜗杆传动装置1与转动方向无关的特性。杠杆臂a、b、c的长度以及弹簧力F弹簧可以对啮合角αr和啮合角αl的选择产生影响。原理上，减小弹簧力F弹簧，以减小摩擦和磨损。
如图2所示，如果浮动轴承13是滑动轴承，可以进一步改善蜗轮蜗杆传动装置1的自锁。滑动轴承包括与轴端15连接的轴套32和在箭头方向23移动设置在壳体中的轴承套33。弹簧件25将力F弹簧施加到轴承套33上，以保证所希望的无间隙特性。由滑动轴承构成浮动轴承13设置在壳体11中的情况下面参照图4描述。轴套32还可以在整个的轴端15上延伸且蜗轮与轴套32接触。其结构未示出。
如果浮动轴承由滑动轴承构成且轴5不转动时，在轴套32和轴承套33之间产生滑动摩擦。静摩擦系数μ静大于滑动摩擦系数μ滑动，这对于在转动时的摩擦阻力起到了决定作用。通过这种作用可以进一步改善本发明蜗轮蜗杆传动装置1的自锁，这不会对于通过电机3驱动其蜗轮蜗杆传动装置1带来明显的缺陷。
另外可以通过选择适合于蜗轮蜗杆传动装置1与滑动轴承啮合的润滑剂，其作用得到进一步增加。其润滑剂一方面具有小的滑动摩擦系数μ滑动，另一方面在轴5不动时，轴套32和轴承套33以及蜗杆17和蜗轮19尽可能稳定接触。
在极特殊的情况下不要实现蜗轮蜗杆传动装置1的自锁时和经蜗杆驱动电机时，由转角传感器41(参见图1，图2未示出)检测其转动。未示出的控制装置这样控制其电机3，使得其电机再处于初始位置且由电机3产生回变转矩，锁定蜗轮蜗杆传动装置1。锁定在本发明中称作主动锁定。
可替换的主动锁定是，所谓的电机力用到蜗轮蜗杆传动装置的所谓被动锁定上，下面参照图2描述。
在图2中示意示出了电机的三相u、v和w。如果电机3不转动，根据现有技术其三相u、v和w不通电。在这种情况下，蜗轮蜗杆传动装置1的自锁使得从蜗轮19传递到蜗轮蜗杆传动装置1的转矩不会使得电机3转动。在极端情况下自锁失效，根据本发明，通过至少两相u、v和w短路且电机3与电源供给装置(未示出)分离，电机3的电机力用于传动装置的锁定。如果电机被短路且经蜗轮蜗杆传动装置驱动，处于发电机工作方式的电机产生制动转矩。这种制动转矩随着电机的转速呈线性关系增加。在电机转速较小时调节其制动转矩，其转矩与转矩M平衡或与经蜗杆17传递到电机3轴5上的转矩平衡。其相u、v和w的短路可以通过继电器或场效应晶体管(FET)-半导体件实现。
在用方向盘进行转向且同时蜗轮蜗杆传动装置1失效时，电机以很小的转速以发电机工作方式转动。所调节的转速小到不会影响转向过程且保证转向盘可靠转向使得轮转向。
另外，在自锁失效时，电机3由未示出的控制装置控制，使得电机7不转动且相对于在蜗轮19上产生的转矩产生一反向转矩。对此需要设置一如图1所示的转角传感器41。由于需要监控转向传动装置的位置，在本发明的汽车转向蜗轮蜗杆传动装置中本身通常设置转角传感器。
需要强调的是，可以使用本发明的非对称啮合以及对图1所示蜗轮蜗杆传动装置1的电机3进行错接。
图3示出了图1浮动轴承13的截面图。轴端15通过球轴承37支承在支承环47中。支承环47又被容纳在壳体11的长孔49中。长孔49的尺寸使得支承环47可以在箭头23方向以两倍的X2移动，即通过长孔49在径向的长度确定摆动量X2。弹簧件25或者直接作用在球轴承37的外环上或间接地经支承环47作用到轴端15上。在切向方向，在这里用箭头51表示，长孔49的尺寸使得支承47无间隙地与长孔49配合。弹簧件25同时用于防扭转，以防止支承环47在长孔49中转动。也保护在切向方向无间隙和在径向以两倍量X2移动支承环47的其他实施例。
图4示出了图2本发明浮动轴承13另一实施例的截面图。轴端15与轴套32压在一起。轴套32可以在轴承套33中转动。在该实施例中，弹簧件25由板簧构成并与壳体11这样连接，使得所希望的弹簧力F弹簧施加到蜗杆17(参见图2)上。在所示实施例中，轴承套33和弹簧件25成一体。例如对于大啮合力的情况，其端止挡通过电机壳体11中的点划线表示的孔53实现。
弹簧件25与壳体11的连接这样形成，即弹簧力F弹簧以及在切向方向(见箭头51)作用的力可以由弹簧件25可靠传递。这种可移动的浮动轴承实施例特别有利于制造、安装和起作用。
本发明及其使用不限于实施例的蜗轮蜗杆传动装置，而还可以用于其它类型的传动装置中。
本发明实际包括在说明书、附图和权利要求书中的所有特征以及其任意的组合。