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1、(10)申请公布号 CN 103085856 A (43)申请公布日 2013.05.08 CN 103085856 A *CN103085856A* (21)申请号 201210431747.3 (22)申请日 2012.11.01 13/291,382 2011.11.08 US B62D 3/12(2006.01) (71)申请人 福特全球技术公司 地址 美国密歇根州迪尔伯恩市中心大道 330 号 800 室 (72)发明人 约翰克罗斯曼 (74)专利代理机构 北京连和连知识产权代理有 限公司 11278 代理人 徐春玉 (54) 发明名称 用于动力转向齿条和小齿轮组的叉臂总成 (57)。
2、 摘要 一种动力转向装置， 包括设置在外壳中并由 叉臂总成预载的齿条齿轮和小齿轮。叉臂总成包 括 ； 偏置成与齿条啮合的轴套。叉臂塞通过叉臂 开口延伸从而通过托轴套总成在齿条上提供齿轮 啮合负载。叉臂体通过齿条齿轮孔在转向齿轮的 外壳中轴向装配， 并且通过叉臂孔插入叉臂总成 从而对轴套总成施加啮合预载。一种通过制成被 包覆模压而制成叉臂体的片弹簧而制造叉臂总成 的方法。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 1030。
3、85856 A CN 103085856 A *CN103085856A* 1/2 页 2 1. 一种动力转向装置， 其特征在于， 包含 ： 限定孔的外壳 ； 设置在孔中的齿条齿轮 ； 驱动齿条齿轮的小齿轮 ； 叉臂总成， 包括 ： 具有预载齿条的第一弹簧刚度的轴套 ； 通过外壳中的叉臂开口延伸的叉臂塞 ； 以及 通过叉臂塞施加齿轮啮合负载的具有第二弹簧刚度的叉臂塞弹簧， 其中第二弹簧刚度 大于第一弹簧刚度。 2. 根据权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 轴套进一步包含与叉臂塞接合的弹簧体 以及设置在弹簧体和齿条齿轮之间的轴套层。 3. 根据权利要求 2 所述的装置， 其特征在于， 弹簧。
4、体是用聚合物层包覆模压的弹簧钢 构件， 弹簧钢构件在齿条齿轮和外壳之间绕齿条齿轮延伸并且当轴套被弹簧体偏置时支承 轴套。 4. 根据权利要求 4 所述的装置， 其特征在于， 轴套是结合在包覆模压在弹簧钢构件上 的聚合物层的低摩擦聚合物。 5. 根据权利要求 3 所述的装置， 其特征在于， 弹簧钢构件是具有多个定位导轨的整体， 其中定位导轨通过包覆模压聚合物层的一体成型的活动铰链连接。 6. 根据权利要求 5 所述的装置， 其特征在于， 定位导轨是片弹簧。 7. 根据权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 轴套大于叉臂开口并且凭借外壳的内表 面的一部分和叉臂塞保持在孔中。 8. 一种将叉臂总成。
5、装配到转向齿轮组的方法， 其中， 转向齿轮组包括 ： 限定外壳孔的 外壳 ； 叉臂开口和与外壳孔相交的小齿轮开口 ； 设置在外壳孔中的齿条齿轮 ； 通过小齿轮 开口装配到外壳上、 与齿条齿轮可操作地啮合的小齿轮， 其特征在于， 所述方法包含 ： 凭借齿条齿轮将轴套轴向插入轴套孔 ； 在齿条齿轮的与小齿轮开口径向相对的一侧对齐轴套和叉臂开口 ； 通过小齿轮开口插入小齿轮从而与齿条齿轮啮合 ； 以及 将叉臂塞装配到叉臂开口中压在轴套上保持齿条齿轮与小齿轮的啮合。 9. 根据权利要求 8 所述的方法， 其特征在于， 进一步包含 ： 选择弹簧构件 ； 以及 将轴套层装配到弹簧构件上从而在将轴套插入外壳。
6、孔中之前制成轴套。 10. 一种制造车辆的动力转向装置的叉臂总成的方法， 其特征在于， 包含 ： 冲压片弹簧体 ； 包覆模压片弹簧体 ； 将轴套层安装到片弹簧体上从而制成轴套总成 ； 选择叉臂塞 ； 以及 将啮合负载弹簧装配到叉臂塞上从而制成叉臂总成。 11. 根据权利要求 10 所述的方法， 其特征在于， 将轴套层安装到预载弹簧体上从而制 成轴套总成的步骤包括结合轴套层和片弹簧体。 权 利 要 求 书 CN 103085856 A 2 2/2 页 3 12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其特征在于， 将轴套层安装到预载弹簧体上的步骤 包括使预载弹簧体弯曲从而将轴套保持为半圆形。 13.。
7、 根据权利要求 10 所述的方法， 其特征在于， 包覆模压步骤进一步包含对片弹簧体 施加聚合物涂层。 14. 根据权利要求 10 所述的方法， 其特征在于， 进一步包含在包覆模压步骤之后从片 弹簧体上除去连接网状物。 权 利 要 求 书 CN 103085856 A 3 1/4 页 4 用于动力转向齿条和小齿轮组的叉臂总成 技术领域 0001 本发明涉及一种对齿条和行星转向齿轮总成 （rack and pinion steering gear assembly） 施加预载和啮合负载的叉臂总成 （yoke assembly） 。 背景技术 0002 转向齿轮总成通过转向柱将施加于方向盘的旋转运动。
8、转变为齿条齿轮 （rack gear） 的横侧向移动。 转向齿轮总成可以包括齿条和小齿轮 （a rack and a pinion gear） ， 二者配合以使车辆的前轮转弯从而使车辆转向。 转向齿轮总成受到震动以及前轮胎和车轮 施加的负载。 如果齿条和小齿轮没有保持在适当的位置， 那么在极端情况下， 碰撞会导致齿 条和小齿轮解离。可以提供叉臂总成将齿条和小齿轮保持在一起。 0003 叉臂总成在与小齿轮径向相对的位置接触齿条齿轮。通常， 在叉臂和齿条齿轮之 间提供线接触， 线接触对摩擦和磨损而言不是最佳的。必须在转向齿轮外壳中提供大直径 开口从而允许将叉臂装配到外壳上。调整叉臂或将叉臂装配到外。
9、壳上需要能够接近叉臂。 叉臂的大直径以及外壳中用于叉臂的开口的尺寸导致难以方便地定位总成以装配在车辆 的前端。 0004 在示例性实施例和以下总结的说明中公开的装置和方法解决上述问题以及对本 发明主题相关领域的技术人员来说显而易见的其它问题。 发明内容 0005 本发明公开一种用于车辆的动力转向装置， 该装置包含 ： 限定在横向车辆方向延 伸的孔的外壳 ； 设置在外壳内的孔中的齿条齿轮 ； 设置在外壳中、 在孔中可操作地与齿条 齿轮啮合从而在外壳中相互地驱动齿条齿轮的小齿轮 ； 以及叉臂总成。叉臂总成包括设置 在孔中、 预载齿条并偏置为与齿条接合的轴套。叉臂塞通过叉臂开口在外壳中延伸并且对 齿。
10、条齿轮施加齿轮啮合负载。轴套具有对应于轴套预载的第一弹簧刚度。轴套还通过叉臂 塞弹簧朝向齿条齿轮偏置， 其中， 叉臂塞弹簧具有大于第一弹簧刚度的第二弹簧刚度。 叉臂 塞可操作以抑制齿条齿轮与小齿轮解离。 0006 根据本发明的装置的其它方面， 轴套进一步包含与叉臂塞接合的弹簧体以及设置 在弹簧体和齿条齿轮之间的轴套层。弹簧体可以是用聚合物层包覆模压 （over-molded） 的 弹簧钢构件。 弹簧钢构件在齿条齿轮和外壳之间绕齿条齿轮延伸并且当轴套被弹簧体偏置 时支承轴套。轴套可以是结合至包覆模压在弹簧钢构件上的聚合物层的低摩擦聚合物。弹 簧钢构件可以是具有多个定位导轨的整体， 其中定位导轨通。
11、过一体成型的活动铰链连接。 定位导轨可以是片弹簧。 轴套可以大于叉臂开口并且可以凭借外壳的内表面的一部分和叉 臂塞保持在孔中。 0007 本发明还公开了一种将叉臂总成装配到转向齿轮组的方法。该方法中使用的转 向齿轮组包括 ： 限定外壳孔的外壳 ； 叉臂开口和与外壳孔相交的小齿轮开口。在外壳孔中 设置齿条齿轮并且将小齿轮通过小齿轮开口装配到外壳上， 小齿轮与齿条齿轮可操作地啮 说 明 书 CN 103085856 A 4 2/4 页 5 合。该方法包含凭借齿条齿轮将轴套轴向插入轴套孔。在齿条齿轮的与小齿轮开口径向相 对的一侧对齐轴套和叉臂开口。通过小齿轮开口插入小齿轮从而与齿条齿轮啮合。将叉臂 。
12、塞装配到叉臂开口中以压在轴套上并保持齿条齿轮与小齿轮的啮合。 0008 根据该方法的其它方面， 该方法可以进一步包含选择弹簧构件和将轴套层装配到 弹簧构件上从而在将轴套插入外壳孔中之前制成轴套的步骤。 0009 本发明还公开了一种制造车辆的动力转向装置的叉臂总成的方法。 该方法包含以 下步骤 ： 制成预载弹簧体以及将轴套层安装到预载弹簧体上从而制成轴套总成。选择叉臂 塞并将啮合负载弹簧装配到叉臂塞上从而制成叉臂总成。 将轴套总成轴向插入外壳孔并且 在齿条齿轮的与小齿轮开口径向相对的一侧对齐轴套总成和叉臂开口。 通过小齿轮开口插 入小齿轮从而与齿条齿轮啮合。 将叉臂总成装配到叉臂开口中以压在轴套。
13、总成上并保持齿 条齿轮与小齿轮的啮合。 0010 根据制造叉臂总成的方法的其它方面， 该方法可以进一步包含冲压单件片弹簧体 并用聚合物层包覆模压该单件片弹簧体。 将轴套层安装到预载弹簧体上从而制成轴套总成 并且可以进一步包括结合轴套层和片弹簧体。 将轴套层安装到预载弹簧体上的步骤可以包 括使预载弹簧体弯曲从而将轴套保持为半圆形。 该方法可以进一步包含在包覆模压步骤之 后除去单件片弹簧体的网状物部分。 0011 结合附图以及以下对转向齿轮装置和装配及制造转向齿轮总成的叉臂总成的方 法的示例实施例的详细说明， 将更容易理解本发明的这些和其它方面。 附图说明 0012 图 1 是一对前轮和轮胎总成的。
14、转向柱、 转向齿轮、 外壳和转向拉杆的透视图 ； 0013 图 2 是齿条和小齿轮转向齿轮以及叉臂总成的局部透视图 ； 0014 图 3 是沿图 2 中的线 3-3 的齿条和小齿轮转向齿轮的横截面图， 还表示外壳的局 部 ； 0015 图 4 是图 2 和 3 所示的轴套总成的透视图 ； 以及 0016 图 5 是通过图 2 和 3 所示的轴套施加的弹簧力的自由体受力图。 具体实施方式 0017 以下提供本发明的示例性实施例的详细说明。公开的实施例是本发明的示例， 其 可以以各种可替换的形式实施。附图不一定按比例绘制。可以放大或缩小一些特征以表示 特定组件的细节。本申请中公开的具体结构和功能的。
15、细节不应解释为限制， 而是仅作为教 导本领域技术人员如何实施本发明的代表性基础。 0018 参照图 1， 动力转向系统总体上由附图标记 10 表示。方向盘 12 与具有电动转向 （EPS） 手动转向齿轮系统 16 的转向柱 14 连接。EPS 手动转向齿轮系统可操作地与转向齿 轮外壳 20 连接。 0019 参照图 2， 所示的 EPS 手动转向齿轮系统 16 的一部分移除了转向齿轮外壳 20（如 图 1 所示） 。齿条齿轮 22 与小齿轮 24 啮合。小齿轮 24 的远端容纳于小齿轮端轴承 26 中。 叉臂总成总体上由附图标记 30 表示。叉臂总成 30 接合总体上由附图标记 32 表示的轴。
16、 套总成。叉臂总成包括调整轴 38 和轴套界面轴 40。轴套总成 32 包括支承滑套 （sliding 说 明 书 CN 103085856 A 5 3/4 页 6 bushing） 46 的叉臂体 44。叉臂体 44 与轴套界面轴 44 接合。轴套界面轴 40 对叉臂体 44 施加啮合预载力。叉臂体 44 对滑套 46 施加轴套预载。以下参照图 4 描述轴套预载力和啮 合预载力。 0020 参照图 3， 转向齿轮外壳 20 以通过小齿轮套管 50 的横截面图表示， 其中小齿轮套 管 50 限定用于小齿轮 24 的开口。该截面还通过齿条齿轮 22、 叉臂总成 30 和轴套总成 32。 所示小齿。
17、轮 24 凭借叉臂总成 30 与齿条齿轮 22 啮合并且轴套总成 32 在齿条齿轮 22 与小 齿轮 24 啮合的点的对侧上支承齿条齿轮 22。小齿轮 24 的远端容纳在小齿轮端轴承 26 中。 小齿轮通过螺母 52 保持在小齿轮端轴承 26 中。端盖 （end cap） 54 安装在小齿轮套管 50 的末端上。小齿轮套管 50 的上端设置有上部小齿轮轴套 56 以在小齿轮 24 和小齿轮套管 50 之间提供润滑油密封。还可以通过端盖 54 在小齿轮套管 50 中包含润滑油。齿条齿轮 22 通过齿条齿轮孔 58 延伸， 其中齿条齿轮孔通过转向齿轮外壳 20 的长度延伸。叉臂套管 60 在转向齿。
18、轮外壳 20 中制成， 用于容纳叉臂总成 30。叉臂总成 30 包括轴套界面轴 40 和 调节轴 38。在调节轴 38 和轴套界面轴 40 之间设置有贝勒维尔 （Belleville） 垫圈 62 或弹 簧以向轴套总成 32 施加啮合预载弹簧力。通过调节叉臂调节螺母 64 调节由叉臂总成 30 施加的力， 其中叉臂调节螺母 64 用于在叉臂套管 60 中调整调节轴 38 的位置。 0021 参照图 4， 所示为只有轴套总成 32 的情形。轴套总成 32 包括叉臂体 44 和滑套 46。滑套 46 可以是由叉臂体 44 支承的 PTFE 构件。叉臂体 44 包括多个由源自弹簧钢板的 冲压间隔片制。
19、成的片弹簧 （leaf spring） 68。在制造工艺中， 弹簧钢板通过网状物连接在 另一端。然后将冲压的片放置在注塑模具中， 在注塑模具中用例如 Delrin 这样的聚合物材 料对冲压的片进行包覆模压， 聚合物材料将片弹簧连接在一起并在片弹簧之间提供活动铰 链。除去连接片弹簧的网状物从而使片弹簧仅由 Delrin 活动铰链连接相连接。滑套 46 制 成 PTFE 基板。然后将滑套与叉臂体 44 结合。PTFE 基板可以模塑成与齿条齿轮 22 的形状 总体上相符的半圆柱形或弓形。叉臂体 44 由滑套保持在与转向齿轮外壳 20 内齿条齿轮孔 58 总体上相符的位置。 0022 通过将叉臂总成经。
20、齿条齿轮孔58轴向插入直到其与叉臂套管60对齐从而将轴套 总成 32 装配到转向齿轮外壳 20 中。通过叉臂套管 60 插入叉臂总成 30（包括轴套界面轴 40、 贝勒维尔垫圈 62 和调节轴 38） 。在叉臂总成 30 插入叉臂套管 60 之前将齿条齿轮 22 插 入转向齿轮外壳 20 中。轴套总成 32 可以明显大于叉臂套管 60 的直径并且轴套总成 32 可 以比现有技术更大程度地包围齿条齿轮 22， 原因在于轴套总成 32 通过齿条齿轮孔 58 轴向 插入。当通过齿条齿轮孔 58 插入轴套总成 32 时， 在将小齿轮插入转向齿轮外壳 20 之前可 以使用促动器搁置轴套。 0023 通过。
21、齿条齿轮孔 58 施加到包覆模压片 （over-molded leaf） 68 上的位置干扰力导 致片弹簧 68 弯曲， 从而提供设计意图预载。由于叉臂体 44 插入齿条齿轮孔 58 中， 因此其 被轻微压缩以预载滑套46。 轴套外径和外壳内径之间累积的设计确定最大允许位移 （即， 叉 臂间隙） 。 0024 参照图 4， 片弹簧 68 相对于齿条齿轮孔 58 轴向延伸。可以在片弹簧 68 的外表面 上设置多个抗转动筋 （anti-rotation rib） 70， 其容纳于在转向齿轮外壳 20 的齿条齿轮孔 58 中形成的对应的槽中。抗转动筋阻止叉臂体 44 和滑套 46 在齿条齿轮孔 58。
22、 中转动。还 可以在片弹簧 68 上设置多个轴向阻挡调整片 （retention tab） 72， 其与转向齿轮外壳 20 说 明 书 CN 103085856 A 6 4/4 页 7 的齿条齿轮孔 58 中形成的定位槽接合。轴向阻挡调整片 72 使叉臂体 44 便于在齿条齿轮 孔 58 中在轴向方向定位。在叉臂体 44 上设置有一对小齿轮间隙开孔 （pinion clearance cut-out） 74， 其提供小齿轮 22 的间隙。 0025 参照图 5， 提供自由体受力图说明由叉臂总成 30 和轴套总成 32 施加到齿条齿轮 22 上的力。轴套总成 32 提供约为总负载 20% 的初始。
23、预载力 76。初始预载 76 具有低刚度， 完全是总成累积的函数， 并且以 30-60的接触角施加。主要的预载 78 完全垂直于齿条施 加大约 80% 的负载。通过螺纹塞和锁紧环可以调节该力。主要的负载的刚度非常高， 并且 是调整为消除齿轮组中任何游隙的精度。 通过低摩擦和低磨损滑套接触齿条对齿条施加所 有的预载力。 顺应性叉臂体符合滑套46， 然后符合齿条外径， 产生滑套46和齿条齿轮22之 间的真正表面接触。 0026 尽管以上对示例性实施例进行了说明， 但目的不在于描述本发明的所有可能的形 式。相反， 说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性的， 应当理解的是， 在不背离本 发明的主旨和范围的前提下可以做出各种改变。此外， 各种实现实施例的特征可以组合从 而形成本发明的另外的实施例。 说 明 书 CN 103085856 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103085856 A 8 2/5 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103085856 A 9 3/5 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103085856 A 10 4/5 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103085856 A 11 5/5 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 103085856 A 12 。