专利名称：齿条齿轮式转向装置及制造方法
技术领域：
本发明涉及汽车用齿条齿轮式转向装置以及制造该转向器的方法。
技术背景汽车用齿条齿轮式转向器设计为将齿轮的转动传递给与该齿轮啮合的齿 条以使固定于齿条端部的系杆运动，并将该转动传递^会控制车轮方向的转向单元o这种类型的齿条齿轮式转向装置包括齿条导向机构，其通过弹性体例如 弹簧在啮合方向挤压齿条轴背面从而使齿轮和齿条相互适当啮合。同样，齿条导向机构是滑动式的，其中齿条轴和齿条导向机构相互形成滑 动接触，并且，齿条导向机构也是滚动式的，其中齿条轴由辊支撑。滚动式的 如此构造以使其具有销，通过将销插入齿条导向支架中形成的槽来使销支撑辊(参考日本特开第2004-034829号专利公报)。图5为用于说明具有上述传统滚动式齿条导向机构的齿条齿轮式转向装 置100结构的实施例的截面图，图6(a)为沿图5的A-A线截取的局部截面图， 图6(b)为图5的B-B线截取的截面图，图中省略了壳体。齿条齿轮式转向装置100如此构造以使得在壳体101内部配置齿轮轴104 和齿条轴105。齿轮轴104由球轴承102和滚针轴承103旋转支撑。齿条轴105 配置为借助未示出的齿条衬套在轴向可移动。齿条轴105的端部与系杆结合， 该系杆具有通过球窝接头(aballjoint)改变车轮方向的连接单元。齿条轴105的 齿条齿105a与齿轮的齿轮齿104a啮合，齿轮齿与上面的齿轮轴104 —体地形 成。再者，齿条导向机构106相对于壳体101内部的齿条轴105设置在齿轮轴 104的相对侧。齿条导向机构106构造为从后面挤压齿条轴105以适当保持齿 轮齿104a与齿条齿105a的啮合状态。齿条导向机构106由齿条导向支架107、销108和辊110组成，其中支架107整体形成为基本圆柱形，销108设置在销支撑孔107a中，该销支撑孔107a 在垂直于齿条轴105的轴向方向形成在齿条导向支架107的内部空间中，辊 110具有压入其中部的滚针轴承108和形成为手鼓形状的外周面。辊110安装在销108上，并且旋转设置在齿条导向支架107的内部空间中。转动接触，使得将齿条轴105被压向啮合面。壳体101装配有带圆柱孔的齿条导向部111，引导齿条导向支架107，并 且齿条导向支架107的外周面固定有齿条导向部111。而且，在壳体101的齿 条导向部111的下侧上(在齿条轴105的相对侧上)的齿条导向部111的内表 面形成有螺旋，以便与调节螺杆112啮合。调节螺杆112由具有底部的圓柱形部件形成。调节螺杆112构造为与齿条 导向部111啮合，并且通过插入调节螺杆112和齿条导向支架107之间的盘式 弹簧113将齿条导向支架107压向齿条轴105。调节螺杆112的螺紋数量被调 节为适合调节齿条齿105a与齿轮齿104a的啮合状态。齿条导向支架107可以 通过盘式弹簧113的弹性变形量移位。参考图5、图6(a)和图6(b)描述的传统齿条导向机构存在以下所描述问题。 也就是说，图7为说明传统辊110手鼓形外周面的截面结构的图示。如图7所 示，在传统齿条导向机构中，辊IIO手鼓形外周面的截面结构由由两个圆弧组 成的弯曲表面Rl和R2 (Rl可等于R2)构成，该两个圆弧具有比齿条轴105 外周面的曲率半径RR更大的曲率半径。因此，辊IIO手鼓形外周面和齿条轴 105的外周面在两点A和B处相互形成点^接触。原因是，由于制造公差原因(可允许的错误)，辊110外周面的曲率半径 Rl和R2以及齿条轴105外周面的曲率半径RR不能制造成完全相同的曲率半 径。然而，当辊110和齿条轴105相互形成如上所述的点接触时，因为接触部 分的面积非常小，齿轮和齿条相互啮合时产生的疏远力被传递给齿条导向支架 107。然后，辊110与齿条轴105的接触部分变为高表面压力，并且接触部分 有磨损的倾向。作为克服接触部分磨损的对策，通常是增加接触部分的硬度，并建议在以上结构中，齿条轴由高碳钢制成，辊由高碳铬轴承钢制成，并且齿条轴和辊进 行热处理以增加硬度。然而，即使增加辊和齿条轴的硬度，接触部分仍为高表面压力，没有任何改变，而且不能完全抑制磨损。而且，辊在热处理中变形，辊的波动(fluctuation ) 相对于旋转中心变大。当辊中存在振动时，盘式弹簧(参考图5)的弹性变形 量通过因辊的相位(旋转角度位置)而产生的波动量而改变。结果，由于齿条 导向机构的可移动数量改变，必须尽可能地制止辊的波动。由于该原因，辊经 过热处理之后，研磨辊的外表面以消除波动。但是，由于进行研磨处理使成本 增力口。如上所述，即使增加辊和齿条轴的硬度，尽管增加成本也不能完全消除接 触部分的磨损。结果，产生例如盘式弹簧的弹性变形量增加或齿条导向机构的 可移动量增加这些缺点。而且，在齿条齿轮式转向装置中，当增加齿条导向^U勾的可移动量时，产 生齿轮卡嗒声(卡嗒声噪声)。由于该原因，必须避免增加过多的齿条导向机 构移动量。本发明的目的是解决以上缺点，也就是说，抑制辊与齿条轴的接触部分的 磨损，消除增加过多的齿条导向机构可移动量，并且防止发生卡嗒声噪声。 发明内容根据本发明，提供具有齿条导向机构的齿条齿轮式转向装置，齿条导向机 构包括设置为朝向齿条和齿轮的啮合方向可移动的并且具有形成于其内部的 销插入槽的齿条导向支架、以及旋转安装于销上的辊，该销设置在齿条导向支 架的销插入槽中，其中，辊的外周面围绕旋转轴形成为手鼓形状，并且手鼓形 状的外周面具有与齿条轴和齿轮的啮合面相对侧上的外周面形成线接触的结 构。的外周面的截面结构的曲率相同的曲率。而且，根据本发明，提供制造具有滚动式齿条导向机构的齿条齿轮式转向 装置的方法，该齿条导向机构包括齿条导向支架，其借助辊将齿条轴的后面 压向齿条和齿轮的啮合面；辊，其具有手鼓形外周面，旋转安装在销上，销设置在齿条导向支架的销插入槽中，其中，在辊的手鼓形外周面形成为曲率和齿后，齿条轴被压向手鼓形外周面，使齿条轴在轴向往复运动，使得当辊旋转时形成线接触的结构。在这种情况中，在辊形成为截面结构具有曲率大于齿条轴与齿轮的啮合面 相对侧上的外周面的截面结构的曲率的手鼓形外周面之后，进行表面硬化处 理，并且手鼓形外周面接着塑性变形为与齿条轴啮合面相对侧上的外周面形成 线接触的结构，这是可能的。在这种情况中，辊形成为截面结构具有曲率小于齿条轴与齿轮的啮合面相 对侧上的外周面的截面结构的曲率的手鼓形外周面之后，进行表面硬化处理， 并且手鼓形外周面接着塑性变形为与齿条轴啮合面相对侧上的外周面形成线 接触的结构，这是可能的。形是可能的。再者，通过向齿条轴端部施加负载将齿条轴压向齿条导向机构而引导辊的 手鼓形外周面的塑性变形是可能的。
图1为用于说明具有根据本发明第一实施方式的滚动式齿条导向机构的 齿条齿轮式转向装置的结构的截面图。图2为示出了辊外周面塑性变形的截面结构的示图。图3为用于说明根据第二实施方式但是没有塑性变形的辊外周面的截面 结构的示图。图4为用于说明根据第三实施方式的辊外周面塑性变形的方法的示图。 图5为用于说明具有滚动式齿条导向机构的传统齿条齿轮式转向装置结 构的示例的截面图。图6(a)为沿图5的A-A线截取的截面图。 图6(b)为沿图5的B-B线截取的截面图。图7为用于说明传统技术的辊外周面截面结构的示图，并且也是根据第一实施方式的辊外周面的截面结构还没有塑性变形的示图。
具体实施方式
下面，将描述本发明的优选实施方式。第一实施方式图1为用于说明具有根据本发明第一实施方式的滚动式齿条导向机构的齿条齿轮式转向装置10的结构的截面图。齿条齿轮式转向装置IO构成为将齿轮轴14和齿条轴15配置在壳体11的 内部。齿轮轴14由球轴承12和滚针轴承13旋转支撑。齿条轴15配置为借助 齿条衬套(未示出)在轴向可移动。齿条轴15的端部连接有系杆，该系杆具 有通过球窝接头(未示出)来改变车轮方向的连接单元。齿条轴15的齿条齿 15a与齿轮的齿轮齿14a啮合，齿轮齿与上述齿轮轴14 一体地形成。。再者，在壳体ll内部，齿条导向装置16相对于齿条轴15设置在齿轮轴 14的相对侧。齿条导向^f几构16构成为从后面挤压齿条轴15,以适当保持齿轮 齿14a与齿条齿15a的啮合状态。齿条导向机构16由齿条导向支架21、销22和辊24组成，齿条导向支架 21整体形成为基本圓柱形，销22配置在销支撑孔21a中，销支撑孔21a在垂 直于齿条轴15的轴向的方向上形成在齿条导向支架21的内部空间中，辊24 具有压入其中部的滚针轴承23并具有形成为手鼓形状的外周面。辊24安装在销22上，并且旋转地设置在齿条导向支架21的内部空间中。 辊24手鼓形外周面与齿条轴15的后面(该面位于啮合面相对侧)形成为滚动 接触，以便将齿条轴15压向啮合面。壳体11装配有具有圆柱孔的齿条导向部lla，该圆柱孔引导齿条导向支 架21，并且齿条导向支架21的外周面固定有齿条导向部lla。而且，壳体ll 的齿条导向部lla的下侧上(位于齿条轴15的相对侧上)的齿条导向部lla 的内表面形成有螺紋，以便与调节螺杆25啮合。调节螺杆25由带底部的圓柱形部件形成。调节螺杆25构造成与齿条导向 部lla啮合，并且通过插入调节螺杆25和齿条导向支架21之间的盘式弹簧 26将齿条导向支架21压向齿条轴15。调节螺杆25的螺紋数量调整为适当调 节齿条齿15a与齿轮14a的啮合状态。齿条导向支架21可以通过盘式弹簧26的弹性变形量而移位。现在描述辊24外周面的结构和形成该外周面的方法。辊24外周面的截面 结构与前面参考图7描述的传统技术中辊110外周面的截面结构相同。也就是 -说，辊24外周面的截面结构由弯曲面构成，该弯曲面由两个圆弧构成，圆弧 具有曲率半径Rl和R2 ( Rl可等于R2 )，该两个曲率半径大于齿条轴15外周 面截面结构的曲率半径RR。现在描述形成辊24外周面的方法。首先，辊24外周面的截面结构形成为 具有以上截面结构的外周面，也就是说，具有由两个圆弧构成的截面结构。外 周面通过已知合适的方法进行表面硬化。随后，齿轮轴14、齿条轴15和齿条导向支架21组装在壳体11的内部， 并且调节螺杆25比平常更紧固，以提供比最初供给齿条导向支架21更多的额 夕卜负载(excessive load)。在存在比最初供给齿条导向支架21更多的额外负载的情况下，齿条轴15 沿轴向往复运动，从而使辊24外周面塑性变形为齿条轴15外周面的结构，以 便跟随(follow)齿条轴外周面。塑性变形使辊24外周面的截面结构(半径R1 和R2)与齿条轴外周面的截面结构(半径RR) —致(R1=R2=RR)。结果， 辊24外周面与齿条轴外周面形成高精度的线接触。图2为示出了已经塑性变形的辊24外周面截面结构的示图。辊24的外周 面和齿条轴15的外周面在部分C和D的区域相互形成线接触。部分E为事先 形成于辊24中的槽。通过例如已知的渗碳淬火处理或渗氮处理方法进行上面辊24外周面的表 面硬化处理。在这种情况中，硬化层厚度为大约O.l至0.6mm是令人满意的， 硬化层太厚是不合要求的，因为塑性变形困难。根据以上结构，辊的外周面和齿条轴的外周面相互形成线接触，并且接触 面积增加，从而可能减少接触面压力。结果，抑制接触面磨损、防止增加过多 的齿条导向机构可移动量以及防止产生卡嗒噪声是可能的。第二实施方式第二实施方式与具有根据第一实施方式滚动式齿条导向机构的齿条齿轮 式转向装置IO的结构相似，只有辊24外周面的结构与第一实施方式不同。因此，从图1和说明中得到的具有齿条导向机构的齿条齿轮式转向装置的结构的 详细描述被省略，将只描述不同点。
图3为用于说明才艮据第二实施方式但没有塑性变形的辊外周面的截面结 构的示图。在第二实施方式中，辊24外周面的截面结构形成为一个弯曲面，其 具有比齿条轴15外周面截面结构的曲率半径RR小的曲率半径R1。由于该原 因，辊24外部环和齿条轴15外周面仅在点A和B相互形成接触。
在第二实施方式中，辊24外周面的结构形成为图3所示的截面结构，并 且该外周面通过已知合适的方式进行表面硬化。
然后，齿轮轴14、齿条轴15以及齿条导向支架21组装在壳体11内部， 并且调节螺杆13比平常更紧固，以提供比最初供给齿条导向支架21更多的额 外负载。
在存在比最初供给齿条导向支架21更多的额外负载的情况下，齿条轴15 沿轴向往复运动，从而使辊24外周面塑性变形为齿条轴15外周面的结构，以 便跟随(follow)齿条轴外周面。塑性变形使辊24外周面的截面结构(半径R1) 与齿条轴外周面的截面结构(半径RR) —致(R1=RR)。结果，辊24外周面 与齿条轴外周面形成高精度的线接触。
类似地，在第二实施方式中，图2示出了已经塑性变形的辊24外周面的 截面结构(半径Rl )。辊24的外周面和齿条轴15的外周面在部分C和D的 区域相互形成线接触。部分E为事先形成于辊24中的槽。
通过例如如第一实施方式中的已知的渗碳淬火处理或渗氮处理的方法，进 行上面辊24外周面的表面硬化处理。硬化层厚度为大约0.1至0.6mm是令人 满意的，硬化层太厚是不合要求的，因为塑性变形困难。
类似地，在第二实施方式中，辊外周面与齿条轴外周面的接触面积增加， 从而可能减少接触面压力。结果，抑制接触面磨损、防止增加过多的齿条导向 机构可移动量以及防止产生卡嗒噪声是可能的。
第三实施方式
第三实施方式与具有根据第一实施方式滚动式齿条导向机构的齿条齿轮 式转向装置10的结构相似，只有辊24外周面的结构塑料变形的方法与第一和 第二实施方式的方法不同。因此，从图1所示第一实施方式中得到的具有齿条导向机构的齿条齿轮式转向装置的结构的详细描述^皮省略，将只描述不同点。
根据第三实施方式但没有塑性变形的辊24外周面的截面结构与图7所示 的传统截面结构相同，而且也和根据第一实施方式但没有塑性变形的外周面结 构相同。也就是说，辊11外周面的截面结构由弯曲面形成，该弯曲面由两个 圓弧构成，两个圓弧具有弯曲面Rl和R2 (Rl可等于R2)，弯曲面曲率半径 Rl和R2大于齿条轴15外周面截面结构的曲率半径RR。由于该原因，辊24 外部环和齿条轴15外周面仅在点A和B相互形成接触。
在第三实施方式中，辊24外周面的结构首先形成为图7所示的截面结构， 并且该外周面通过已知合适的方式进行表面硬化。
然后，如图4所示，负载F施加于齿条轴15的端部，以将齿条轴15压向 齿条导向支架21中的辊24。由于图1示出了齿条轴15设置为垂直纸面的状 态，因此齿条轴15的端部设置在纸面的前侧。
图4中，负载被施加于球窝接头31,球窝接头31为齿条轴15端部与系 杆30的连接部。可选择地，负载F可直接施加于齿条轴15的端部。重要的是 齿条轴15被压向齿条导向支架21中的辊24。
在存在比最初供给齿条导向支架21更多的额外负载的情况下，齿条轴15 沿轴向往复运动，从而使辊24外周面塑性变形为齿条轴15外周面的结构，以 便跟随齿条轴外周面。塑性变形使辊24外周面的截面结构(半径R1和R2) 与齿条轴外周面的截面结构(半径RR) —致(R1=R2=RR)。结果，辊24外 周面与齿条轴外周面形成高精度的线接触。
类似地，在第三实施方式中，图2示出了已经塑性变形的辊24外周面的 截面结构(半径Rl )。辊24的外周面和齿条轴15的外周面在部分C和D的 区域相互形成线接触。部分E为事先形成于辊24中的槽。
通过例如如第一和第二实施方式中的已知的渗碳淬火处理或渗氮处理的 方法，进行上面辊24外周面的表面硬化处理。硬化层厚度为大约0.1至0.6mm 是令人满意的，硬化层太厚是不合要求的，因为塑性变形困难。
在以上三个实施方式中，没有塑性变形的辊24外周面的截面结构被描述 为图7中所示的传统截面结构，并且在图7中示出了根据第一实施方式但是没 有塑性变形的辊24的截面结构。可选择地，截面结构可形成为4艮据图3中示 出的第二实施方式但是没有塑性变形的辊24的截面结构。类似地，在第三实施方式中，辊外周面与齿条轴外周面的接触面积增加， 从而可能减少接触面压力。结果，抑制接触面磨损、防止增加过多的齿条导向 机构可移动量以及防止产生卡嗒噪声是可能的。
如上面已经描述的，根据本发明的齿条齿轮式转向装置，旋转安装在齿条 导向机构上的辊的外周面围绕旋转轴形成为手鼓结构。手鼓形外周面具有和齿 条轴与齿轮的啮合面的相对侧上的外周面形成线接触的结构。更具体地，辊的
周面截面结构的曲率相同。
由于具有以上结构，辊外周面与齿条轴外周面的接触面积增加，从而可能 减少接触面压力。结果，抑制接触面磨损、防止增加过多的齿条导向机构可移 动量以及防止产生卡嗒噪声是可能的。
而且，根据本发明制造齿条齿轮式转向装置的方法，在旋转安装在齿条导
不同的手鼓形外周面之后，齿条轴在轴向往复运动，并且塑性变形，同时齿条 轴被压向手鼓形外周面，并且辊的手鼓形外周面形成为与齿条轴外周面线接触 的结构。
在已经由制造方法制造的辊的外周面中，辊的手鼓形外周面和齿条轴的外 周面相互形成高精度的线接触。由于具有以上结构，辊的外周面与齿条轴的外 周面的接触面积增加，从而可能减少接触面压力。结果，抑制接触面磨损、防 止增加过多的齿条导向机构可移动量以及防止产生卡嗒噪声是可能的。
然后，由于辊的手鼓形外周面塑性变形，以便跟随齿条轴外周面，辊的外 周面与齿条轴的外周面形成高精度的线接触，而无需进行精确的一般工作，并 且能够容易地高精度地进行辊手鼓形外周面的处理。
工业应用
在具有能够防止产生卡嗒噪声的齿条导向机构的齿条齿轮式转向装置以 及制造该转向装置的方法中，齿条轴外周面与齿条导向支架的辊的外周面的接 触状态从点接触变成线接触，从而增大接触面积，并且减少接触面压力。由于 具有以上结构，防止接触面磨损、防止增加过多的齿条导向机构可移动量以及 防止产生卡嗒噪声是可能的。而且，能够容易地高精度地进行辊手鼓形外周面 的处理。
权利要求
1.一种齿条齿轮式转向装置，该装置具有滚动式齿条导向机构，该导向机构借助辊将齿条轴的后面压向齿条和齿轮的啮合面，其中，齿条导向机构包括齿条导向支架和辊，所述齿条导向支架设置为朝向齿条和齿轮的啮合方向可移动而且具有形成于其内部的销插入槽，所述辊旋转地安装于销上，该销设置在齿条导向支架的销插入槽中，并且其中，所述辊的外周面围绕旋转轴形成为手鼓形状，而且手鼓形状的外周面具有和齿条轴与齿轮的啮合面的相对侧上的外周面形成线接触的结构。
2. 根据权利要求1所述的齿条齿轮式转向装置，其中，所述辊的手鼓形构的曲率相同的曲率。
3. —种制造具有滚动式齿条导向机构的齿条齿轮式转向装置的方法，该 齿条导向机构包括齿条导向支架和辊，所述齿条导向支架借助辊将齿条轴的后 面压向齿条和齿轮的啮合面，所述辊具有手鼓形外周面，旋转安装在销上，销 设置在齿条导向支架的销插入槽中，侧上的外周面的截面结构的曲率不同的截面结构之后，齿条轴被压向所形成的 手鼓形外周面，使齿条轴在轴向往复运动，使得当辊旋转时可塑性变形，并且的结构。
4. 根据权利要求3所述的制造齿条齿轮式转向装置的方法，其中，在所率的截面结构的手鼓形外周面之后，进行表面硬化处理，而且手鼓形外周面接 着塑性变形为与齿条轴啮合面相对侧上的外周面形成线接触的结构。
5. 根据权利要求3所述的制造齿条齿轮式转向装置的方法，其中，在所 述辊形成为曲率小于齿条轴与齿轮的啮合面相对侧上的外周面截面结构的曲 率的截面结构的手鼓形外周面之后，进行表面硬化处理，而且手鼓形外周面接
6. 根据权利要求3至5任一项所述的制造齿条齿轮式转向装置的方法， 其中，通过将齿条导向机构压向齿条轴而进行辊的手鼓形外周面的塑性变形。
7. 根据权利要求3至5任一项所述的制造齿条齿轮式转向装置的方法， 其中，通过向齿条轴端部施加负载，将齿条轴压向齿条导向机构而进行辊的手 鼓形外周面的塑性变形。
全文摘要
一种齿条齿轮式转向装置及制造方法，其能够通过在齿条导向机构中增加辊外周面在齿条轴外周面上的接触面积，来减少接触面压力，抑制接触面磨损，并防止过分增加齿条导向机构的可移动量。辊(24)外周面的截面结构由弯曲面构成，该弯曲面由两个圆弧构成，并且外周面是经过硬化处理的表面。齿轮轴、齿条轴和齿条导向支架安装于壳体内，并且调节螺杆在载荷作用下非常紧地将齿条导向支架压向齿条。在此受压状态，扭矩被施加给齿轮轴使齿条轴(15)在轴向往复运动，以使辊(24)外周面塑性变形为齿条轴的外周面的形状。辊(24)外周面在部分(C)和(D)与齿条轴(15)的外周面线性接触，以增加接触面积。
文档编号B62D3/12GK101300164SQ20068004077
公开日2008年11月5日 申请日期2006年11月1日 优先权日2005年11月4日
发明者西久保宏树 申请人:日本精工株式会社