空心齿条杆及其制造方法与流程

本发明涉及一种用于汽车动力转向系统的空心齿条杆及其制造方法。

背景技术：

汽车动力转向系统包括在齿条杆的齿的背面上提供凹或凸的支撑面，并通过用轭架推靠至支撑面来支撑齿条杆的背面，小齿轮和齿条啮合(专利文献1)。

实心齿条杆用于常规动力转向系统。通过锻造实心材料，形成齿条部分和V-型或Y-型支撑面，支撑面设置在齿条部分的齿的背面上(专利文献2)。

对于实心齿条杆来说，由于难以通过机加工制造其中齿条杆的齿条的齿距和形状沿轴向变化的可变齿条杆，因此可变齿条杆通过锻造制得。

同时，已知动力转向系统的重量通过使用如专利文献3所示的空心齿条杆可以大大降低。在专利文献3中，通过在圆管材料的外表面上放置锯齿状模具，并通过插入带芯棒以允许材料内面承受高压，锯齿状模具的形状可以传递至外面以形成高精度的齿条。

引用文献

专利文献

专利文献1：JP 2001-151132A

专利文献2：JP H09-506550A

专利文献3：JP 2008-264874A

技术实现要素：

与实心齿条杆不同，空心齿条杆难以通过锻造制得。例如，即使从外表面锻造齿条部分，由于空心的形变，齿条部分的齿轮齿无法准确的成形为想要的形状。更难以准确形成如专利文献2的所示的齿条部分和由在齿条齿部分的背面上的轭架支撑的面。

如专利文献3所述的齿条部分和支撑面难以同时或依次形成。其由于形状和负载相互影响，因而需要格外注意。

本发明的一个目的在于提供一种容易且准确地制造空心齿条杆的方法，其中所述空心齿条杆具有与小齿轮啮合的齿条部分和由轭架支撑的面，以及具有该齿条部分和支撑面的空心齿条杆。

根据本发明的一个方面，提供一种制造空心齿条杆的方法。所述制造空心齿条杆的方法，所述空心齿条杆具有：与小齿轮啮合的齿条部分；以及设于所述齿条齿部分的背面并由轭架支撑的支撑面，包括：通过在圆管材料的外表面放置锯齿状模具，并插入带芯棒至所述圆管材料以向所述圆管材料的内表面施加压力，从而传递所述锯齿状模具的形状以形成所述齿条部分，以及通过所述圆管材料的所述齿条齿部的背面的移除工艺或变形工艺以形成所述支撑面。

优选地，移除所述圆管材料的弧面，使得所述支撑面是平坦的。

优选地，所述方法还包括：通过淬火处理和回火处理形成圆形连续的热处理层。

优选地，在设有所述齿条部分和所述支撑面的部分的整个厚度上进行淬火和回火处理。

根据本发明的一个方面，提供一种空心齿条杆。所述空心齿条杆包括：与小齿轮啮合的齿条部分；设于所述齿条齿的背面并由轭架支撑的支撑面，其中，所述支撑面是平坦的，并用于形成比周围区域薄的部分，通过淬火处理和回火处理形成的圆形连续的热处理层形成在设有所述齿条部分和所述支撑面的区域。

优选地，所述热处理层设在设有所述齿条部分和所述支撑面的部分的整个厚度上。

优选地，所述空心齿条杆还包括滚珠螺杆，以使辅助机构安装在轴方向上的与齿条部分和支撑面不同的位置。

根据本发明，可提供一种容易且准确地制造具有与小齿轮啮合的齿条部分和由轭架支撑的面的空心齿条杆的方法，以及具有该齿条部分和支撑面的空心齿条杆。

附图说明

图1显示为根据本发明的第一实施例的空心齿条杆，其中(a)是侧视图，(b)是(a)沿A-A方向的剖视图。

图2是描述根据本发明的第一实施例的制造空心齿条杆的方法的视图，其中(a)是显示整平工艺的侧视图，(b)是显示齿条部分成形工艺的剖视图。

图3是描述根据本发明的第一实施例的制造空心齿条杆的方法的视图，其中(a)是显示支撑面成形工艺的侧视图，(b)是显示支撑面在成形工艺中的剖视图。

图4是描述根据本发明的第一实施例的制造空心齿条杆的方法的视图，其中(a)是显示完成工艺的侧视图，(b)是显示完成工艺的剖视图。

图5是描述第一实施例的改进的视图，其中(a)是显示完成工艺的侧视图，(b)是显示完成工艺的剖视图。

图6是描述根据本发明的第二实施例的制造空心齿条杆的方法的视图，剖视图显示变形工艺中的支撑面。

附图标记说明

L轴

10空心齿条杆

11小直径部分

12大直径部分

21齿条部分

21a齿条齿

23支撑面

25滚珠螺母

27滚珠螺杆

29小齿轮

31轭架

33斜面

35圆管

37整平部分

39锯齿形模具

41带芯棒

43机床

44磨削工具

45齿条固定装置

46固定模具

47加压面

48活动模具

具体实施方式

下文将参照附图描述本发明的实施例。

实施例1

根据本实施例的空心齿条杆用于汽车动力转向系统。

图1显示为根据本发明的第一实施例的空心齿条杆，其中(a)是侧视图，(b)是(a)沿A-A方向的剖视图。

如图1所示，空心齿条杆10包括小直径部分11和大直径部分12，小直径部分11的最外面的横断面大致为圆形，大直径部分12的最外面的横断面比小直径部分11的横断面大且也大致为圆形。小直径部分11和大直径部分12设置在沿轴L的不同位置。

小直径部分11包括形成在其外表面上的齿条部分21，和形成在其与齿条齿部分21相反的外表面上的支撑面23。在设有齿条部分21和支撑面23的小直径部分11内，通过淬火处理和回火处理连续形成圆形热处理层。理想的是，由整个厚度组成热处理层。这样，所述层可以形成在除齿条部分21以外的整个厚度上。

滚珠螺杆27设置在大直径部分12。当辅助机构的旋转部件装配在滚珠螺杆27内，滚珠螺母25的球将作为旋转部件转动。一旦滚珠螺母25开始转动，轴L方向的空心齿条杆10的行程得到辅助。

小直径部分11的齿条部分21与转向轴的小齿轮29啮合。多个齿条齿21a沿轴X方向设置和布置。多个特定形状的齿条齿21a沿轴L方向以定齿距布置。在本实施例中，齿条杆被称为可变齿条杆，其齿距和/或形状沿轴L方向变化。

小直径部分11的支撑面23由轭架31支撑。支撑面23是大致与轴L平行延伸的平坦面。所述面允许比围绕轴L的弧面平坦，但是所述面优选是平坦的。

在本实施例中，一对平坦的支撑面23设置在齿条部分21的齿宽方向的两侧的外表面上，且相对于齿条部分21的齿宽方向呈15～75°倾斜。该对支撑面23相对于穿过轴L和齿条部分21的中心线(图1中的线B-B)的虚拟平面对称布置。从每个面到轴L的距离保持恒定。由于每个支撑面23是平坦的，而内表面是弧形的，每个支撑面23形成的区域比其他区域薄。

在每个支撑面23的两端，从支撑面23到弧形外表面设有斜面33。该斜面33可由台阶替代。未设置齿条部分21和支撑面23的小直径部分11的外表面绕轴L具有大致圆形的横截面。

根据上述空心齿条杆10，支撑面23分别设置在齿条部分21的齿宽方向的两侧的外表面上，且该支撑面23由轭架31支撑。因此，当围绕轴L沿径向向空心齿条杆10施加力时，可以避免空心齿条杆10绕轴L转动。在本实施例中，特别地，当空心齿条杆10沿轴L的行程被辅助时，从辅助机构的旋转部件向空心齿条杆施加绕轴L圆周方向的旋转力。因此，支撑面23由轭架31支撑并向下推。由此抑制空心齿条杆10沿径向的旋转，并可保持齿条部分21和小齿轮29之间良好的啮合。

介于齿条部分21和空心齿条杆10的各个支撑面23之间的部分不是恒定的形状。从而防止齿条部分21和与齿条部分21的齿宽方向呈15～75°倾斜的支撑面23的内外表面之间产生锐角部或过度收缩部。

因此，可以减少加工的负荷或尽量减少在生产上对加工的极大注意，并保证使用时的足够强度和耐久性。

空心齿条杆10在齿条部分21和支撑面23之间，以及各齿条部分21之间具有绕轴L大致呈弧形的外表面。支撑面设置在与外表面相对应的虚拟圆周表面的内侧。齿条部分21的齿的整个背面没有突出部分。因此，绕空心齿条杆10的轴的外表面可以尽可能的紧凑，且转向齿轮更易于装配。此外，可容易给外围部件保有足够的空隙，而无需改变外围部件的设计，且外围部件可以紧凑设计。

由于空心齿条杆10在设置支撑面23和齿条部分21的区域具有由淬火处理和回火处理形成的圆形热处理层，使得空心齿条杆10具有足够的强度。即使平坦的支撑面23较薄也能确保足够的强度。

接着说明一种制造空心齿条杆10的方法。图2是描述根据本发明的第一实施例的整平空心齿条杆的方法的视图，其中(a)是显示整平工艺的侧视图，(b)是显示齿条部分成形工艺的剖视图。图3是描述根据本发明的第一实施例机加工空心齿条杆的方法的视图，其中(a)是显示支撑面成形工艺的侧视图，(b)是显示支撑面在成形工艺中的剖视图。图4是描述根据本发明的第一实施例修磨空心齿条杆的方法的视图，其中(a)是显示完成工艺的侧视图，(b)是显示完成工艺的剖视图。空心齿条杆10由包括如下使用可淬硬管材料的工艺的方法制造。

首先，如图2(a)所示，小直径部分11和大直径部分12按需要在管状材料中形成，整平部分37由平模在小直径部分11的外表面上形成(整平工艺)。在该工艺中，小直径部分11的外表面和内表面是整平部分37，沿周向的其他部分大部分保持为弧形，大直径部分12形成圆管35。

其次，如图2(b)所示，锯齿形模具39位于整平部分37的外表面上，然后圆管35和整平部分37分别固定。通过将带芯棒41插入整平部分37的中空13对内表面施加压力，锯齿形模具39的形状被传递至整平部分37以形成齿条部分21(齿条部分成形工艺)。

在该工艺中，在以齿条部分21相反的形状以面向整平部分37的状态固定锯齿形模具39之后，带芯棒41通过依次用较大的实心棒41取代较小的实心棒41被反复插入中空13(整平部分37的内表面和与内表面相对的面之间)。

当整平部分37朝外变形以传递多个齿条齿21的形状时，整平部分37的外表面被压至锯齿形模具39。该形状可以是最终的形状，或是在热处理工艺之后容易制成最终形状的近似形状。

理想的是，与齿条部分21的齿相对的外表面和齿条部分21的齿的底部之间的距离大于小直径部分11的半径。

如图3(a)、(b)所示，随后，齿条部分21的齿的背面上的弧面通过使用剪切或磨削的移除工艺以形成支撑面23(支撑面成形工艺)。

在该工艺中，齿条部分21沿齿宽方向的两侧上的部分，在齿条部分21的齿之外的弧面的两侧的部分被工具43或44剪切或磨削，从而形成相对齿条部分21的齿宽方向呈15～75°倾斜的平面。

因此，一对支撑面23在对应于弧形内表面的位置对称形成。这种形状可以是最终形状，或是在热处理工艺之后容易地制成最终形状的近似形状。

小直径部分11中，除了齿条部分21和支撑面23的外表面和内表面保持大致弧形，且各个支撑面23和齿条部分21之间的外表面以及各支撑面23之间的外表面大致呈弧形。

接下来，小直径部分11的设置齿条部分21和支撑面23的区域经过热处理，例如淬火处理和回火处理，形成连续的圆形的热处理层(热处理工艺)。此时，淬火和回火处理可以在整个厚度上执行。也可以在除了齿条部分21的整个厚度上形成热处理层。热处理的条件可以按照需要选择。

空心小直径部分11的整个壁厚的强度从而得到增强。

接下来，如图4(a)、(b)所示，每个部分通过磨削等精确完成。在这种情况下，在热处理后通过磨削工具44进行磨削以完成齿条杆的最终形状。滚珠螺杆27在大直径部分12的外表面上形成(完成工艺)。

在该磨削工艺中，支撑面23通过圆盘磨削工具44的侧周面处理完成。然而不限于该方法。如图5(a)、(b)所示，例如，也可以通过使用圆盘磨削工具的端面来处理支撑面23。

除了上面说明的工艺之外，可通过执行多个不同的工艺，如热精炼、表面处理，上浆以及在适当的阶段进行检查来制造空心齿条杆10。

根据上述制造空心齿条杆10的方法，在通过向圆管材料插入带芯棒41向内表面加压形成空心齿条杆21之后形成支撑面23。因此，不存在支撑面23变形或精度降低的风险。

换句话说，当齿条部分21形成时，通过插入带芯棒41，不仅圆管材料的外形会膨胀，锯齿形模具39的形状也会通过按压材料至锯齿形模具39发生传递。因此，向圆管材料施加有高压力。

如果在形成齿条部分21之后已形成支撑面23，支撑面23及其周围区域会因为例如中空13的变形或较薄区域的变形而发生变形。

通过形成齿条部分21和随后的支撑面23，可以防止支撑面23和其周围区域的变形，便于制造。

根据本实施例的制造方法，移除弧形外表面以形成支撑面23，在工艺中不施加足够引起变形的高压力。因此可以保持齿条部分21的形状并避免精度降低。此外，齿条部分21的齿宽方向的两侧的内表面上不会形成如由冲压产生的尖锐边缘，这意味着可以确保所需强度和耐久性。另外，由于厚圆管材料难以变形，冲压仅能产生有限的变形。然而，使用移除工艺如剪切，支撑面23的形状和尺寸可以任意设置。因此可以高精度形成齿条部分21和所需形状的支撑面23。

使用本实施例的制造方法，由于齿条部分21的齿的背面侧的弧面由移除工艺制得以形成平坦的支撑面23，形成了薄的部分。然而，厚度随弧的形状逐渐变化。这是没有局部减薄发生的原因，保证了空心齿条杆10期望的强度。

使用本实施例的制造方法，形成齿条部分21和支撑面23，然后小直径部分11的整个厚度通过淬火和回火处理制得。因此，空心小直径部分11的整个厚度的抗弯强度增加，从而提高空心齿条杆10的刚度。即使由于形成支撑面23，断面系数减小，也可以保持足够的抗弯强度。

实施例2

下文描述第二实施例。在第一实施例中，支撑面23通过执行例如剪切或磨削的移除工艺形成。在第二实施例中，空心齿条杆10采用与第一实施例中相同的方法制造，除了支撑面23通过诸如冲压法的形变工艺形成。

图6示出了通过第二实施例的制造方法形成支撑面23的过程。在该工艺中，齿条部分21以与第一实施例相同的方法形成于圆管材料，然后齿条部分21维持并固定至具有齿条固定装置45的固定模具46。

通过使用具有V形加压面47的活动模具48，弧形外表面在齿条部分21的齿的背面被加压并变形以形成一对支撑面23，其中，V形加压面47以对应待形成的一对支撑面23的一定角度形成。

由此，齿条部分21的齿的背面上的管壁变形以改变弧形内外表面使之平坦。从而将外表面成形为支撑面23。接着空心齿条杆10可以以与第一实施例相同的方法制造。

在如上所述第二实施例中，可以得到与第一实施例相同的操作效果。特别地，在第二实施例中，形成齿条部分21的空心材料的外表面被加压和变形以形成支撑面23，因此，外表面已减少的体积进入中空13。即使部分外表面的形状被挤压，其他部分的形状不会向外膨胀或突出多余的厚度，这与通过锻造形成的实心材料不同。

如上所述，类似地，齿条部分21和支撑面23可以通过形变工艺形成。因此，容易处理材料和设备。此外，由于外表面没有突出多余的厚度，工艺之后无需移除多余的厚度。从而便于制造，且避免材料浪费。

上述实施例可以在本发明的范围内根据需要进行改进。

例如，在上述实施例中，支撑面成形为平坦面。然而，本发明不仅适用于平坦面，也适用于其他面。例如，小于小直径部分11的弧形外表面的曲线或弯曲的面，不同于绕轴L的弧面也是允许的。

上述实施例的情形，支撑面23形成为使得垂直于轴L的横截面形成大致V形。然而，形成支撑面23使得垂直于轴L的横截面形成大致Y形也是可行的。

以上介绍了用于电动动力转向系统的空心齿条杆10。然而，所述空心齿条杆10也可以用于液压动力转向系统。

上述实施例中，滚珠螺杆27用于大直径部分12。然而，本发明也适用于其他类型的动力转向系统。也允许空心齿条杆不具有滚珠螺杆27。