РУЛЕВОЙ МЕХАНИЗМ
STEERING GEAR

Изобретение относится к рулевому механизму для системы рулевого управления автомобиля с усилителем и, в частности, к неподвижной опоре для такого рулевого механизма.
В большинстве автомобилей устанавливаются системы рулевого управления с усилителем, которые при управлении вырабатывают поддерживающий крутящий момент и за счет этого уменьшают прикладываемый водителем к рулевой колонке управляющий момент.
Известные системы рулевого управления с усилителем основаны на рулевом механизме, который преобразует мощность гидро- или электропривода и передает ее на рулевую колонку. Такие рулевые механизмы выполнены, как правило, в виде винто-обкатной передачи и, в частности, в виде винтовой зубчатой или червячной передачи, т.е. они включают зубчатое колесо, непосредственно или косвенно соединенное с продольной рулевой тягой, а также входящую в зацепление с ним шестерню, приводимую во вращение приводом через ее вал.
Проблемой таких рулевых механизмов оказался люфт, возникающий вследствие допусков на детали, их разного теплового расширения и вследствие износа. В частности, при так называемом переменном рулевом управлении, т.е. при непосредственно следующем друг за другом рулевом управлении с переменным поворотом управляемых колес такой люфт создает нежелательные шумы, которые вызваны чередующимся прилеганием боковых сторон зубьев шестерни и зубчатого колеса.
Известно устранение этого люфта за счет того, что вал-шестерня установлен с возможностью поворота на оси, проходящей перпендикулярно продольной оси вала-шестерни и на расстоянии от зацепления шестерни и зубчатого колеса, и посредством одного или нескольких пружинящих элементов прижимается к зубчатому колесу. Возможность поворота вала-шестерни интегрирована при этом в одну из двух опор, в которых своими концами установлен вал-шестерня. Такая опора называется «неподвижной опорой». Опора в зоне другого конца выполнена тогда с люфтом (так называемая «плавающая опора»), чтобы обеспечить вызванное поворотным движением отклонение. Неподвижная опора предусматривается, как правило, со стороны привода, а плавающая опора - на свободном конце вала-шестерни. Пружинящий элемент или пружинящие элементы для прижатия шестерни к зубчатому колесу интегрированы, как правило, в плавающую опору.
Такой рулевой механизм известен, например, из WO 2011/073089 А1. В этой публикации предложено устанавливать подшипник качения, размещающий в себе вал-шестерню в зоне неподвижной опоры, с внешней стороны в поворотной втулке. Последняя включает опорную втулку, размещающую на себе, в основном, без люфта подшипник качения, и наружное кольцо, которое, в основном, без люфта удерживается в отверстии корпуса рулевого механизма, причем наружное кольцо и опорная втулка соединены несколькими перемычками, которые скручиваются при проворачивании наружного кольца относительно опорной втулки. Вся поворотная втулка выполнена за одно целое в виде листовой детали.
Аналогичное WO 2011/073089 А1 выполнение рулевого механизма описано в неопубликованной до сих пор немецкой заявке 102012103146.0. В ней поворотное кольцо выполнено, однако, в виде отдельной детали. При этом оно включает внутреннее кольцо и соединенное с ним двумя торсионными перемычками наружное кольцо. Последнее служит для установки неподвижной опоры в корпусе рулевого механизма, а внутреннее кольцо зажато между подшипником качения и деформированным радиально внутрь концом опорной втулки. Чтобы можно было поместить внутреннее кольцо поворотного кольца в опорную втулку, последняя снабжена на соответствующем конце продольной стороны двумя продольными прорезями, которые служат для приема торсионных перемычек.
Недостатками этой неподвижной опоры являются относительно трудоемкое изготовление (из-за выполняемых продольных прорезей) и относительно сложный монтаж (из-за требуемой точной выверки опорной втулки относительно поворотного кольца). Кроме того, продольные прорези структурно ослабляют опорную втулку, что может привести к нежелательной подвижности подшипника качения и тем самым опоры вала-шестерни.
В основе изобретения лежит задача усовершенствования рулевого механизма для системы рулевого управления автомобиля с усилением. В частности, должен быть создан рулевой механизм, который был бы простым в изготовлении и/или в монтаже.
Эта задача решается посредством рулевого механизма по п.8 формулы с неподвижной опорой по п.1. Предпочтительные варианты неподвижной опоры являются объектом зависимых пунктов формулы и раскрыты в нижеследующем описании изобретения.
В основе изобретения лежит идея устранения недостатков, возникающих вследствие размещения внутреннего кольца поворотного кольца внутри опорной втулки у описанной в заявке 102012103146.0 неподвижной опоры, за счет того, что внутреннее кольцо устанавливается с внешней стороны на опорной втулке. Благодаря этому опорная втулка может иметь простую и, в частности, неразрезную трубчатую форму, которая не только недорога в изготовлении, но и не требует никакой особой выверки во время монтажа. Чтобы достичь установки вала-шестерни в неподвижной опоре максимально без люфта, это предложенное решение требует, однако, чтобы движение вала-шестерни максимально без люфта передавалось от него на подшипник вращения, а затем через опорную втулку на поворотное кольцо. Согласно изобретению, это достигается за счет подходящей, в осевом направлении неподвижной установки подшипника вращения в опорной втулке, а поворотного кольца - на ней.
В соответствии с этим родовая неподвижная опора для рулевого механизма с подшипником вращения (в частности, подшипником качения), содержащим внутренний вкладыш, предусмотренный для размещения вала-шестерни рулевого механизма, и внешний вкладыш, размещенный в опорной втулке, а также с поворотным кольцом, содержащим наружное и внутреннее кольца, которые соединены с возможностью (упругого) поворота одним или несколькими торсионными перемычками, причем наружное кольцо предусмотрено для установки неподвижной опоры в корпусе рулевого механизма, усовершенствован, согласно изобретению, за счет того, что внутреннее кольцо поворотного кольца установлено и в осевом направлении зафиксировано на наружной стороне опорной втулки.
В одном предпочтительном варианте неподвижной опоры может быть предусмотрено, что опорная втулка имеет первый и второй продольные участки, причем второй продольный участок имеет меньшие наружный и внутренний диаметры, чем первый продольный участок, так что между обоими продольными участками как с внешней, так и с внутренней стороны образован упор, причем подшипник вращения прилегает к упору с внутренней стороны, а поворотное кольцо - к упору с внешней стороны.
Это представляет собой конструктивно особенно простую интеграцию двух (продольных) упоров для подшипника вращения и поворотного кольца. Такая опорная втулка может изготавливаться особенно предпочтительно путем деформации трубчатой заготовки, причем должно быть преимущественно предусмотрено, чтобы опорная втулка была выполнена с максимально постоянной толщиной стенки. Кроме того, радиально проходящий участок стенки опорной втулки, образующий упоры, должен быть предпочтительно ориентирован как можно более перпендикулярно продольной оси опорной втулки.
Наряду с деформацией трубчатой заготовки существует также возможность выполнения упоров путем обработки резанием (в частности, токарной обработки) трубчатой или стержнеобразной заготовки. В принципе, существует также возможность выполнения упоров посредством отдельных деталей, например упорных колец, которые входят во внутренний и наружный пазы опорной втулки или соединены с ней иным образом (например, сварены, спаяны, склеены).
В одном предпочтительном варианте неподвижной опоры может быть предусмотрено, что один свободный конец опорной втулки, в частности первого продольного участка, деформирован радиально внутрь, образуя внутренний буртик, который образует (второй) (продольный) упор для подшипника вращения. Это представляет собой конструктивно простую реализацию двухсторонней продольно-осевой фиксации подшипника вращения. Полная продольно-осевая фиксация осуществлялась бы тем самым посредством операции деформации после помещения подшипника вращения в опорную втулку. Однако в качестве альтернативы существует также возможность выполнения концевого упора за счет отдельного упорного элемента, например упорного кольца.
Соответствующим образом может быть предпочтительно также предусмотрено, что соседний с поворотным кольцом свободный конец опорной втулки, в частности второго продольного участка, деформирован радиально наружу, образуя наружный буртик, который образует (второй) (продольный) упор для поворотного кольца.
Чтобы достичь максимально равномерной передачи осевых усилий между поворотным кольцом и деформированной опорной втулкой, между поворотным кольцом и наружным буртиком может быть предпочтительным образом расположена кольцевая шайба.
Поскольку посредством поворотного кольца может осуществляться фиксация оси поворота для вала-шестерни, проворачивание поворотного кольца после монтажа неподвижной опоры в рулевом механизме должно быть исключено. Для этого должен быть реализован предохранитель от проворачивания поворотного кольца. Предпочтительным образом этого можно достичь при предпочтительной деформации для образования наружного буртика за счет того, что пружинное кольцо и/или кольцевая шайба имеет (по меньшей мере) один выступ и/или (по меньшей мере) одно углубление, которые образуют с наружным буртиком предохранитель от проворачивания с геометрическим замыканием за счет того, что при деформации материал опорной втулки вдавливается в углубление или выступ в ее наружный буртик, в результате чего возникает соединение с геометрическим замыканием.
Предложенный рулевой механизм включает, по меньшей мере, одно зубчатое колесо, находящуюся в зацеплении с ним шестерню и включающий ее вал, причем вал-шестерня с одной стороны установлен в неподвижной опоре, образующей ось поворота для вала-шестерни, расположенной поперек его продольной оси, причем вал-шестерня с другой стороны установлен преимущественно в плавающей опоре.
Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью примера его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: рулевой механизм в продольном разрезе;
- фиг.2: неподвижную опору рулевого механизма в перспективе;
- фиг.3: неподвижную опору при виде спереди;
- фиг.4: неподвижную опору в продольном разрезе в плоскости IV-IV из фиг.3.
На фиг.1 изображены основные компоненты рулевого механизма в одном варианте его выполнения. Он включает корпус 1, внутри которого установлены зубчатое колесо 2 и находящаяся в зацеплении с ним шестерня. Шестерня и включающий ее вал 3 выполнены за одно целое в виде червяка.
Зубчатое колесо 2 прочно закреплено на рулевой колонке 4 или выходном валу рулевого механизма автомобиля.
Вал-шестерня 3 имеет конец со стороны привода, которым он соединяется с выходным валом привода (например, электродвигателя) (не показан). В зоне этого конца со стороны привода вал-шестерня 3 установлен в корпусе 1 посредством первой опоры. Эта опора выполнена в виде неподвижной опоры 5, которая, в основном, не допускает никакого поступательного движения вала-шестерни 3 относительно корпуса 1, однако обеспечивает проворачивание вокруг оси 6 поворота.
Этот поворот вызывает отклонение противоположного концу со стороны привода свободного конца вала-шестерни 3, который установлен там посредством плавающей опоры 7 в соответствующем гнезде корпуса 1. Плавающая опора 7 выполнена так, что она обеспечивает возникающее в результате поворота вала-шестерни 3 отклонение свободного конца.
Неподвижная 5 и плавающая 7 опоры включают соответственно подшипник вращения в виде (шарико)подшипника качения 8, 9. Во внутренних вкладышах этих подшипников качения 8, 9 в значительной степени без люфта установлены соответствующие участки вала-шестерни 3, тогда как внешние вкладыши подшипников качения 8, 9 установлены в соответствующем опорном устройстве 10, 11, которые, в свою очередь, в значительной степени без люфта расположены в соответствующих гнездах корпуса 1. Опорные устройства 10, 11 конструктивно выполнены так, что они в случае неподвижной опоры 5 обеспечивают поворот вала-шестерни 3 вокруг оси 6, а в случае плавающей опоры 7 - отклонение свободного конца вала-шестерни 3.
Для этого опорное устройство 10 неподвижной опоры 5 включает опорную втулку 12 круглого сечения, на первом продольном участке которой с внутренней стороны размещен подшипник качения 8, а на втором продольном участке с наружной стороны - поворотное кольцо 13.
Поворотное кольцо 13 включает наружное 14 и внутреннее 15 кольца. Наружное кольцо 14 соединено с внутренним кольцом 15 двумя торсионными перемычками 16. Кольца 14, 15 и торсионные перемычки 16 выполнены за одно целое, например из пружинной стали. Обе торсионные перемычки 16 проходят коллинеарно и образуют ось 6 поворота, вокруг которой наружное кольцо 14 поворачивается относительно внутреннего кольца 15. При этом торсионные перемычки 16 и, тем самым, ось 6 поворота проходят, однако, не через центр поворотного кольца 13 и тем самым сечения вала-шестерни, а с радиальным смещением относительно него (фиг.3). Ось 6 поворота не пересекается тем самым с продольной осью 17 вала-шестерни 3.
За счет радиального смещения торсионных перемычек 16 относительно центра поворотного кольца 13 ось 6 поворота смещается к внешней периферии вала-шестерни 3, в результате чего можно уменьшить или предотвратить реактивные моменты, которые возникли бы вследствие возникающих при зацеплении шестерни и зубчатого колеса 2 усилий зацепления в сочетании с расстоянием линии их действия от оси 6 поворота. Для максимально полного предотвращения реактивных моментов предусмотрено, что ось 6 поворота лежит в пределах касательной плоскости, которая образована в точке соприкосновения обеих частичных или паллоидных окружностей зубчатого колеса 2 и шестерни.
Внутренний и наружный диаметры второго продольного участка опорной втулки 12 меньше соответствующих диаметров первого продольного участка. За счет этого образуется кольцеобразный уступ 18 с проходящей точно радиально, т.е. перпендикулярно продольной оси 17 опорной втулки 12 (или вала-шестерни), стенкой. Этот уступ представляет собой с внутренней стороны первый (продольный) упор для подшипника качения 8, а с наружной стороны - первый (продольный) упор для внутреннего кольца 15 поворотного кольца 13. Для неподвижной продольно-осевой фиксации подшипника качения 8 в опорной втулке 12 и поворотного кольца 13 на ней предусмотрен соответственно второй (продольный) упор. Оба этих упора образованы деформированными, радиально проходящими свободными концами опорной втулки 12. При этом соседний с подшипником качения 8 свободный конец ориентирован радиально внутрь, а соседний с поворотным кольцом 13 свободный конец - радиально наружу. Деформация свободных концов опорной втулки 12 осуществляется после того, как подшипник качения 8 будет вставлен в нее, а поворотное кольцо 13 надето на нее.
Между внутренним кольцом 15 поворотного кольца 13 и опорной втулкой 12 предусмотрен предохранитель от проворачивания. Он выполнен в виде углубления 19 во внутреннем кольце 15 поворотного кольца 13. При деформации соответствующего свободного конца в углубление 19 вдавливается материал опорной втулки 12, в результате чего возникает соединение с геометрическим замыканием, которое предотвращает относительное вращение между опорной втулкой 12 и поворотным кольцом 13.
На наружном кольце 14 поворотного кольца 13 выполнен выступ 20, а на противоположной стороне - соответствующее углубление 21. Они служат для однозначного позиционирования поворотного кольца 13 и соединенной с ним без проворачивания опорной втулки 12 в корпусе 1. Последний имеет для этого соответствующий ответный контур.
Перечень ссылочных позиций
1 - корпус
2 - зубчатое колесо
3 - вал-шестерня
4 - рулевая колонка или выходной вал
5 - неподвижная опора
6 - ось поворота
7 - плавающая опора
8 - подшипник качения неподвижной опоры
9 - подшипник качения плавающей опоры
10 - опорное устройство неподвижной опоры
11 - опорное устройство плавающей опоры
12 - опорная втулка
13 - поворотное кольцо
14 - наружное кольцо
15 - внутреннее кольцо
16 - торсионная перемычка
17 - продольная ось опорной втулки и вала-шестерни
18 - уступ
19 - углубление
20 - выступ
21 – углубление.