【技術領域】

本發明涉及一種車輛轉向機構。

背景技術：

現代車輛都具有轉向機構以滿足用戶轉向需求。現有技術中存在多種轉向機構。例如，美國專利us5,622,085揭示了一種齒輪齒條轉向機構，包括安裝在殼體中的齒輪，相對殼體可移動且具有和齒輪嚙合的齒的齒條，以及殼體中用以支撐以及引導齒條相對于齒輪移動的軛部。殼體內設有軛簧用以推動軛部抵壓齒條。

技術實現要素：

根據本發明的一個方面，公開了一種轉向機構，包括：第一嚙合元件；與第一嚙合元件嚙合的第二嚙合元件；為第二嚙合元件提供支撐的支撐部，至少部分位于支撐部內的向第二嚙合元件施加預載荷及承受載荷的彈性部件，其中彈性部件在承受第一載荷時具有第一形變，在承受大于第一載荷的第二載荷時至少具有第二形變，第一載荷與第一形變之比值小于第二載荷與第二形變之比值。

在一個實施例中，彈性部件承受的載荷和形變量呈非線性關系。

在另一個實施例中，彈性部件承受的載荷和形變量在低載荷范圍線性關系及在高載荷范圍內呈非線性關系。

在又一個實施例中，彈性部件為非線性卷繞彈簧。

在又一個實施例中，彈性部件為非線性截錐渦卷彈簧。

在又一個實施例中，彈性部件為具有第一長度的具有第一剛度系數的線性彈簧和具有第二長度、且具有第二剛度系數的線性彈簧的組合，第一長度大于第二長度且第一剛度系數小于第二剛度系數。

在又一個實施例中，其中第一嚙合元件為齒輪，第二嚙合元件為齒條。

在又一個實施例中，轉向機構還包括容納齒輪，齒條和軛的殼體，其中軛包括軛主體和軛塞，軛主體具有鄰近齒條的第一側，與第一側相對的第二側和在第二側凹進形成的中心空腔，其中支撐部為軛主體，彈性部件至少部分地安裝在中心空腔中。

在又一個實施例中，其中軛塞鄰近軛主體的第二側并與軛主體的第二側形成間隙。

在又一個實施例中，軛主體與軛塞形成的中心空腔在靠近軛塞處具有第一內徑和在遠離軛塞處具有第二內徑，其中第一內徑小于第二內徑，其中彈性部件具有第一直徑和大于第一直徑的第二直徑，具有第一直徑的彈性部件部分設置于具有第一內徑的中心空腔中,具有第二直徑的彈性部件部分設置于具有第二內徑的中心空腔中。

在又一個實施例中，其中第一嚙合元件為套裝在螺桿上的帶齒螺母，第二嚙合元件為齒扇。

在又一個實施例中，還包括容納帶齒螺母和齒扇的殼體，其中支撐部為與齒扇相連的齒扇軸。

在又一個實施例中，齒扇軸的端部設有空腔，彈性部件容納在空腔內。

在又一個實施例中，其中齒扇軸的軸心線與彈性部件的形變方向基本平行，齒扇的齒端與軸心線的距離沿軸心線變化，其中帶齒螺母具有與齒扇的齒相配合并在軸心線方向上嚙合的接觸面，其中彈性部件在軸心線方向對齒扇施加預載荷及承受載荷。

在又一個實施例中，還包括安裝在殼體的開口的端蓋，端蓋和齒扇軸的端部之間具有間隙。

在又一個實施例中，還包括安裝在端蓋并且抵靠彈性部件的調節螺栓。

在又一個實施例中，其中空腔形成為第一段空腔和第二段空腔，其中第一段空腔主要容納彈性部件，第二段空腔容納調節螺栓的至少一部分，其中第一段空腔具有第一空腔內徑，第二段空腔具有第二空腔內徑，第一段空腔內徑小于第二空腔內徑。

在又一個實施例中，第一段空腔內包括遠離第二空腔具有第一內徑的端部空腔和靠近第二空腔具有第二內徑的中心空腔，第一內徑小于第二內徑，其中彈性部件具有第一直徑和大于第一直徑的第二直徑，具有第一直徑的彈性部件部分設置于具有第一內徑的端部空腔中。

在又一個實施例中，其中齒扇的齒端沿齒扇軸的軸心線的距離線性變化。

根據本發明另一方面，提供一種車輛，包括上述實施例中的轉向機構。

單獨或結合附圖閱讀下面的具體實施方式，本發明的上述優點和其它優點以及特征將變得顯而易見。

【附圖說明】

為了更加完整地理解本發明的實施例，應參考在附圖中更為詳細地說明以及下文中通過示例描述的實施例，其中：

圖1示意性地描述了應用本申請一個或多個實施例的用于車輛轉向系統的齒輪齒條式轉向系統示意圖；

圖2示意性地描述了本申請一個或多個實施例中齒輪齒條式轉向系統的部分放大剖視圖；

圖3a示意性地描述了本申請一個或多個實施例中齒輪齒條式轉向系統的軛和軛簧的示意圖；

圖3b示意性地描述了本申請另一個或多個實施例中齒輪齒條式轉向系統的軛和軛簧的示意圖；

圖4a和圖4b示意性地描述了本申請一個或多個實施例中循環球式轉向系統的示意圖；圖4b顯示了圖4a所示的循環球式轉向系統中的循環球式轉向器在截面a-a的截面示意圖；

圖5示意性地描述了圖4b顯示的循環球式轉向系統的齒扇部分放大示意圖；

圖6a示意性地描述了本申請一個或者多個實施例中循環球式轉向系統的齒扇軸部分放大剖視圖；

圖6b示意性地描述了本申請另一個或者多個實施例中循環球式轉向系統的齒扇軸部分放大剖視圖；

圖7示意性地描述了本申請一個或者多個實施例中可應用的彈性部件的示意以及其對應的特性曲線；以及

圖8示意性地描述了本申請一個或多個實施例中可應用的組合彈性部件的示意圖。

【具體實施方式】

對于附圖中的標號，相同或類似的標號用于指示相同或類似的部件。在下文的描述中，在多個實施例中描述了多個操作參數和部件。這些具體的參數和部件僅作為示例包括在本文中而并不意味著限定。

車輛轉向機構具有多種類型，例如廣泛應用于家用轎車等的齒輪齒條轉向器，應用于重型車輛能夠承載較大載荷的循環球式轉向器等。在齒輪齒條轉向器中，通常齒條的一側裝有軛部來支撐和引導齒條的移動，還包括軛簧來推動軛部以預加載齒條使其抵靠齒輪。另外軛簧的一個重要的作用是吸收振動和沖擊力。本申請的發明人發現，為了滿足盡可能吸收轉向器振動和沖擊的性能，軛簧可以被設計為具有較大的剛度以盡可能多地吸收沖擊力，然而這樣設計會導致彈簧對齒條的加載力過高，導致其與齒輪之間的嚙合過于緊密，從而增加摩擦力導致磨損較快，另外用戶操作轉向時需要施加的力過大，用戶體驗會變差。在循環球式轉向器中存在于上述類似的困境，例如在本申請的具體實施例部分將會詳細說明的，齒扇與帶齒螺母的齒嚙合的力度也可以通過彈簧和調節螺栓來控制，同時彈簧也會承擔吸收更多振動和沖擊的功能，如果僅使得彈簧剛度增加更大承受沖擊載荷的能力，則會加大齒扇與帶齒螺母的摩擦、磨損以及不利地影響用戶調節方向盤的客戶感受。申請人因此在一個或多個非限制性實施例中提出了一種轉向機構總成，能解決現有技術中存在的一個或多個局限。

圖1示意性地顯示了應用本申請一個或多個實施例的齒輪齒條式車輛轉向系統100的總體示意圖。如圖所示，轉向系統100包括用戶可操作的方向盤102，與方向盤102相連的轉向桿104，轉向桿104連接到齒輪箱120。具體地齒輪箱120包括齒輪122和與之相嚙合的齒條124。齒條124將轉向桿104的轉動轉換為線性的移動。齒條124進一步支撐在齒桿126上，而齒桿126則通過連接桿128、球接頭130以及鉸鏈132連接到車輪134。從而，齒條124的線性的運動可傳遞到車輪134以改變其方向。可以理解，車輛轉向系統100具有多種連接結構，其均可以利用在本發明中。

圖2示意性地顯示了一個或多個實施例中齒輪箱120的具體結構的截面圖。其中齒輪箱120包括殼體200，容納其中的齒輪122，與齒輪122相嚙合的齒條124以及軛204。齒輪122具有齒輪軸202，其進一步連接到圖1所示的轉向桿104。而齒條124則通過軛204來支撐從而使得齒條124能以合適的力與齒輪122相咬合。

軛204包括支撐齒條124的軛主體206以及與殼體200通過螺栓或其他合適方式相固聯的軛塞208。如圖所示，在此實施例中，軛主體206的一側鄰近齒條124，而另一側則凹陷形成容納軛簧212的中心空腔210。軛簧212至少部分地位于該中心空腔210中從而一端抵靠軛塞208而另一端抵靠軛主體206。

繼續參考圖2，在圖示的非限制性示例中，軛主體206的和軛塞208之間形成間隙c，間隙c的存在使得軛簧212能夠起更好的調節作用，也就是可以更好地施加預載荷以及吸收載荷。具體而言，一方面軛簧212向軛主體206施加一定的預載荷以保障齒輪122與齒條124的嚙合，另一方面軛簧212也承受載荷并吸收載荷，例如在道路顛簸或者其他情形下，當經受如圖所示軛簧212的軸向方向的沖擊時，軛簧212能吸收沖擊，使得軛塞208和軛主體206之間的直接沖擊能減小或者消除。

在圖2所示的非限制性實施例中，軛簧212可具有變化的彈簧剛度系數，在圖示的實施例中，軛簧212具有變化的軛簧直徑，使得其在一定的載荷區具有變化的剛度系數。在一個或多個實施例中，其中軛簧212的選擇使得其在承受第一載荷f1時具有第一形變x1，在承受大于第一載荷f1的第二載荷f2時至少具有第二形變x2，第一載荷f1與第一形變x1之比值小于第二載荷f2與第二形變x2之比值,即f1/x1<f2/x2，而f1>f2。這樣的設置使得軛簧212能夠對軛主體206施加合適的預負載從而對齒條124施加合適的預負載(例如f1，即較低載荷范圍)，而在受到較大的沖擊力時(例如f2，即較高載荷范圍)，軛簧212能夠以較小的形變x2來吸收該較大的沖擊力。

在一些傳統轉向系統中，為了增加吸收較大沖擊力的能力而設置的具有較大剛度系數k(也就是形變x/負荷f比值)的軛簧會使對齒條124的施加過大的預負載；在另一些傳統系統中，為了達到對齒條124合適的預負載而選擇較低剛度系數k的軛簧使得達到了最大形變也不足以吸收較大的沖擊。本申請的發明人認識到這一問題：一方面軛簧向軛主體所施加的預載荷不能過大以免造成用戶轉向的困難以及齒輪齒條的過度磨損，而另一方面軛簧在大沖擊載荷的情形下需要能以較小的位移/形變來吸收最大沖擊。在本申請的一個示意性實施例中，可通過采用在不同負荷范圍下的不同的剛度系數的軛簧來解決上面提到的一些問題。這樣取決于負荷范圍大小彈簧可以發生不同程度的變形來滿足不同的情形。

圖3a示意性地描述了本申請一個或多個實施例中齒輪齒條式轉向系統的軛和軛簧的示意圖；顯示了軛204以及軛簧212的具體實施例。如圖3a所示，軛主體206與軛塞208共同限定的中心空腔210在靠近軛塞208處具有第一內徑d1和遠離軛塞208處具有第二內徑d2，其中第一內徑d1小于第二內徑d2，軛簧212具有第一直徑d1和大于第一直徑d1的第二直徑d2，具有第一直徑d1的軛簧部分設置于具有第一內徑d1的中心空腔210中,具有第二直徑d2的軛簧部分設置于具有第二內徑d2的中心空腔210中。可以理解，上述軛簧212也可以反置，換句話說，軛簧212具有較小直徑的一端可以相對更靠近齒條124，而可以在軛主體206上設置較小的內徑來配合軛簧212較小直徑的一端以提供更好的彈簧的穩定性。此外，在其他示例中，軛簧212可以具有不同結構，而相應地軛塞208和軛主體206可以具有對應的配置以容納軛簧212從而提供穩定性。

圖3b示意性地描述了本申請另一個或多個實施例中齒輪齒條式轉向系統的軛204和軛簧312示意圖,顯示了另一實施例中具有不同結構形式的軛簧312，在此示例中，軛簧312的兩端相對其中間部分具有更小的直徑，而為了更好地固定軛簧312，可以通過軛主體206內的凸起部214來限定軛簧312一端的位置。凸起部214可從軛主體206鄰近齒條124的一面凸起容納軛簧312的一端。與圖3a的實施例類似，軛塞208的一個表面可凹陷來限定軛簧312另一端的位置。此外，盡管圖中并未顯示，可以理解也可以通過部分突出進入軛簧312中心的凸起部來限定軛簧312的移動。取決于軛簧312的形狀，可以做出不同的腔體內徑尺寸和形狀，并且可以選擇性地采用凸起或者突出進入軛簧212的中心的凸起部來限定軛簧312的位置。

圖4a和圖4b示意性地顯示了可以應用本發明的一個或多個實施例中車輛循環球式轉向系統400。圖4b是圖4a所示的循環球式轉向系統沿著a-a截面的截面示意圖。如圖所示，轉向系統400包括方向盤401和通過轉向桿(未顯示)與而方向盤401連接的循環球式轉向器402。轉向器402包括殼體404以及至少部分位于其中的螺桿406和套設在螺桿406上的螺母408，為了減少螺桿406與螺母408之間的摩擦與磨損，二者的螺紋不直接接觸，而通過設置在螺桿406和螺母408之間的滾道內的鋼球410來實現滾動摩擦。上述的螺桿406和螺母408可構成一級傳動副，進一步，螺母408包括具有表面412的齒，齒的表面412與齒扇414相嚙合，而齒扇414可一體形成在齒扇軸416上。齒扇414與齒扇軸416可構成二級傳動副。參考圖4b，將齒扇軸416通過對應的軸心線418顯示為軸線截面的齒扇軸416。當方向盤401轉動時，轉向軸帶動螺桿406轉動，而進一步該轉動可通過鋼球410把力傳遞給螺母408使得螺母408沿著螺桿406移動；螺母408上的帶齒表面412進一步帶動齒扇414以及齒扇軸416的轉動進而可通過其他轉動傳動裝置(圖中未顯示)來實現車輪轉向。在一個或多個實施例中，齒扇414可具有傾斜的齒扇端面，因而循環球式轉向系統可在齒扇軸416的軸心線418方向設置彈簧裝置來調節齒扇414與螺母408上的帶齒表面412的齒隙。

現參考圖4a-4b并結合局部放大視圖圖5，在圖示的示例中，齒扇414具有相對于齒扇軸416軸心線418的傾斜的齒扇端面415，換句話說，齒扇414的齒端面415與軸心線418的距離沿軸心線發生變化，即圖5所示的，齒端距離軸心線418的距離t1不同于t2，在圖示的示例中，t1<t2。由于螺母408具有與齒扇414的齒相配合并在軸心線418方向上嚙合的接觸面412，通過設置在軸心線418方向對齒扇414施加預載荷及承受載荷的彈簧420可調節齒扇414與螺母408的齒隙以及嚙合力。具體而言，如圖所示，在箭頭e所示的方向上，彈簧420能夠促使齒扇軸416沿著e方向移動，也就是推動齒扇軸416上的齒扇414沿著e方向移動，從而使得齒扇414的端面415更緊密地與螺母408結合。在進一步的實施例中，其中齒扇414的齒端沿齒扇軸416的軸心線418的距離線性變化。在其他示例中，齒扇的齒端沿齒扇軸的軸心線的距離可以呈非線性的變化，在一個示例中，齒扇的齒端面呈弧線形。

圖6a示意性地描述了圖4a-4b和圖5中循環球式轉向系統的齒扇軸部分放大剖視圖。進一步參考圖4a-5并結合圖6a，可以看到在圖示的示例中，對應于齒扇軸416的端部位置處，殼體404的開口上設置有端蓋424，端蓋424和齒扇軸416的端部426之間具有間隙，并且齒扇軸416的一端形成凹陷的空腔419，彈簧420至少部分地容納在空腔419中，而端蓋424上安裝有抵靠彈簧420的調節螺栓422。參考圖6a，齒扇軸416的一端的凹陷形成為第一段空腔419和第二段空腔421，其中第一段空腔419可主要容納彈簧420，而第二段空腔421可容納調節螺栓422的至少一部分，其中第一段空腔419可具有第一空腔內徑r1，第二段空腔421可具有第二空腔內徑r2，第一空腔內徑r1小于第二空腔內徑r2。在上述示例中，其中齒扇軸416的軸心線418與彈簧420的形變方向基本平行，使得彈簧420的形變能夠提供齒扇軸416的預負載以及吸收齒扇軸416的軸心線418方向上的沖擊。更具體地，調節螺栓422能夠調節彈簧420的壓縮狀態(即圖示的間隙距離s可以調節)，從而使得彈簧420能夠對齒扇軸416施加負載，也就是對齒扇414施加負載，這樣一方面齒扇414能夠以預定的力與帶齒螺母408嚙合；而另一方面彈簧420能夠吸收來自車輪振動等的沿著齒扇軸416的軸線方向的沖擊力，從而使得齒扇軸416與端蓋424之間基本不會發生沖擊振動或者能夠最小化其間的碰撞振動的可能。

圖6b示意性地描述了本申請另一個實施例中循環球式轉向系統500的齒扇軸部分放大剖視圖。在圖示的進一步的實施例中，齒扇軸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內包括遠離第二段空腔521具有第一內徑y1的端部空腔524和靠近第二端空腔521具有第二內徑y2的中心空腔526，第一內徑y1小于第二內徑y2，其中彈簧520具有第一直徑d1和大于第一直徑d1的第二直徑d2，具有第一直徑d1的彈簧部分設置于具有第一內徑y1的端部空腔524中。具有第二直徑d2的彈簧部分至少部分地設置于具有第二內徑y2的中心空腔526中。可以理解，彈簧520的位置可以倒置，而對應的，空腔的內徑設置也可以相應地作出調整以更好地限定彈簧520的位置來提供更好的穩定性。

在圖6b所示的示例中，調節螺栓522接觸彈簧520的端面還形成有周邊凸起部502以及中心凸起部504用于限定彈簧520的位置，可以理解取決于彈簧520的形狀，空腔519的內徑以及形狀可以做出調節以更好地匹配彈簧520，還可如上示例中所顯示的設置圍繞彈簧520的凸起或者部分穿過彈簧520的中心的凸起來限定彈簧520的位置。

在齒扇軸中具有彈簧的循環球式轉向系統中，其彈簧的設置存在類似于上述的齒輪齒條式轉向系統的困境。本申請的循環球式轉向系統通過使用具有不同負荷范圍下不同的剛度系數的彈簧可解決上述的問題。

圖7顯示了可以應用于圖1-圖6b所示的實施例中的彈性部件的示意性結構以及其特性曲線，在這些示例中，其中彈性部件所受載荷f和形變量x呈非線性關系，也就是說，彈性部件在圖示的示例中為非線性彈簧。彈性部件620,720和820為非線性卷繞彈簧.彈性部件920非線性截錐渦卷彈簧。彈性部件620，720，820和920的特性曲線分別為622，722，822和922。

本發明上述的一個或多個非限制性實施例中的軛簧和彈簧(在下文或者其他位置處可統稱為彈性部件)在不同載荷情形下具有不同的剛度系數k，具體而言，彈性部件在承受第一載荷f1時具有第一形變x1，在承受大于第一載荷f1的第二載荷f2時至少具有第二形變x2，所述第一載荷f1與所述第一形變x1之比值小于所述第二載荷f2與所述第二形變x2之比值。可以理解彈性部件的形狀并無特定限制，只要其特性曲線能夠提供變化的剛度系數即可，在一些示例中，希望選擇剛度系數的差別k2-k1越大越好，使其具有較小的初始負載，并且后期能夠以一定的位移/形變來吸收更大沖擊載荷。

在另一個實施例中，彈性部件承受的載荷f和形變量x在低載荷范圍線性關系，從而需要較低載荷的齒隙調節時能夠具有相對一致的嚙合力度。具體而言，隨著運行時間相嚙合的部件的齒間總會存在磨損損耗，從而齒隙會逐漸增大，此時由于彈性部件存在，可以提供持續的壓力來保證即便在齒間出現磨損損耗的情形下也能保持一致的嚙合力度，因此在低負載情形下線性關系或者說一定的剛度系數可以使得齒隙和嚙合力度的調節保持穩定性和一致性。而在高載荷范圍內呈非線性關系，這樣使得在遇到較大沖擊載荷時彈性部件能夠以盡可能小的形變來盡可能吸收較大的載荷。

在又一個示例中，彈性部件承受的載荷f和形變量x在低載荷范圍和高載荷范圍內均呈現非線性關系。特別地，在圖4-圖6b所示的循環球式轉向系統中的一個非限制性實施例中，齒扇的齒端面呈弧線形，在此實施例中，可以有利地應用上述的具有非線性關系的彈簧的示例。

圖8顯示了可應用于本申請的一個或多個實施例的彈性部件1020。如圖8所示，彈性部件1020為具有第一長度l1的具有第一剛度系數k1的第一線性彈簧1022和具有第二長度l2、且具有第二剛度系數k2的第二線性彈簧1024的組合，第一長度l1大于第二長度l2且第一剛度系數k1小于第二剛度系數k2。在將彈性部件1020應用在圖1所示的齒輪齒條式轉向系統或者圖4所示的循環球式轉向系統中時，首先是具有第一長度l1的具有第一較小的剛度系數k1的第一彈簧1022起到作用，此時提供的彈力或者預負載可以設置為預定的較小的值，從而保證齒輪齒條或者帶齒螺母和齒扇之間的嚙合力不會過大以確保合適的轉向力度以及較小的齒間摩擦和磨損；而在受到較大的沖擊載荷的情形下，第一彈簧1022被壓縮至第二長度l2，此時第二彈簧1024與第一彈簧1022均被壓縮以吸收沖擊載荷，由于此時第二彈簧1024具有第二較大的剛度系數k2，其在被壓縮產生相同形變的情形下能夠比第一彈簧1022吸收更高的載荷，而第一和第二彈簧1022,1024疊加則可以吸收更高載荷。可以理解彈性部件1020可以如圖8所示同軸心線排布，在其他示例中也可以具有其他布置，而彈簧的數量以及特性曲線可以具有不同的選擇，在一些示例中可以采用線性與線性彈簧的組合，也可以采用線性與非線性彈簧的組合。

本申請的非限制性示例中，通過提供在不同載荷下具有至少兩個不同的剛度系數的彈性部件或者彈性部件的組合，可獲得彈性部件在初級較小的形變時較低的預負載，并且由于在較大載荷情形下具有較大的剛度系數，其可以一定的形變吸收較大的沖擊載荷，從而避免了上面提到的提供齒間合適的嚙合力度與吸收高沖擊載荷之間不能兼顧的問題，提供具有不同剛度的彈性部件提供了合適的齒隙和嚙合力度，同時也能吸收較高的沖擊載荷，以較低的成本實現了調節和性能提升。

如本說明書所陳述的,本發明通過一個或多個實施例提供了具有優化的彈性部件的轉向系統。盡管本申請以齒輪齒條式轉向系統和循環球式轉向系統為例說明了本發明的一個或多個實施例，可以理解具有其他轉向結構或者附件(例如助力轉向機構)的車輛的轉向系統也可以應用本發明，只要其中可以通過彈性部件來調節齒隙和吸收載荷。此外本申請主要以車輛為背景進行討論，可以預想其也可以應用于其他的合適的領域。本領域中的技術人員可以對這些具體實施例進行多種改變、修改和變化而不脫離本發明權利要求限定的實質和范圍。