DE10114308A1 - Zahnstangen-Hilfskraftlenkung - Google Patents

Abstract

Eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, weist einen Elektromotor (8) und eine Zahnstange (3) auf, die mit gelenkten Rädern in Wirkverbindung steht. Zur Wandlung der Drehbewegung des Elektromotors (8) in eine Axialbewegung der Zahnstange (3) steht ein Antriebselement (12) des Elektromotors (8) in Triebverbindung mit der Zahnstange (3). Zur Wandlung der Drehbewegung in eine Axialbewegung ist ein Rollengewindetrieb (13) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangen-Hilfskraftlen­ kung, insbesondere für Kraftfahrzeuge gemäß dem Ober­ begriff von Anspruch 1.

Eine gattungsgemäße Zahnstangen-Hilfskraftlenkung ist aus der EP 0 366 691 B1 bekannt.

Bei der gattungsgemäßen Hilfskraftlenkung wird die Handlenkung durch einen Elektromotor unterstützt, der mit der Zahnstange in Triebverbindung steht. Der Elek­ tromotor dient dabei zur Servounterstützung der her­ kömmlichen Lenkvorrichtung; bei der in üblicher Weise ein Lenkwunsch von einem Lenkhandrad über eine Lenk­ spindel auf ein Ritzel übertragen wird, das die Zahn­ stange betätigt.

Zwischen dem Lenkspindelanschluß und dem Ritzel ist eine Drehmoment-Meßeinrichtung eingebaut. Die Drehmo­ ment-Meßeinrichtung erfaßt das Relativmoment zwischen dem Lenkspindelanschluß und dem Ritzel und steuert über einen Elektronik-Baustein den Antrieb des Elek­ tromotors. Zur Wandlung der Drehbewegung in eine Axialbewegung wird dabei ein Kugelumlaufgewinde einge­ setzt.

Aus der Praxis sind außerdem Lenkungen bekannt, die, insbesondere bei großen Lenkkräften und hohen Len­ kachslasten einen Elektromotor aufweisen, der die Zahnstange zentrisch umschließt. Hierzu wird ebenfalls ein Kugelumlaufmechanismus eingesetzt, der direkt auf die Schubstange wirkt. Diese Anordnungen werden auch häufig bei Steer-by-wire und Hinterachslenksystemen verwendet.

Bei den bekannten Zahnstangen-Hilfskraftlenkungen wird der Kugeldurchmesser des Kugelumlaufgetriebes durch die erforderlichen Axialkräfte bestimmt. Die Steigung des Kugelumlaufgetriebes ergibt sich dabei aus dem Ku­ geldurchmesser und das Drehmoment zur Erzeugung der Axialkräfte wird durch die Steigung bestimmt. Infolge­ dessen kann die Steigung nicht beliebig klein ausge­ legt werden und der Elektromotor muß ein entsprechend hohes Drehmoment zur Verfügung stellen können. In nachteilhafter Weise wird somit das erforderliche Drehmoment und folglich die Auslegung, Größe und die Kosten des Elektromotors durch den Kugeldurchmesser des Kugelumlaufgetriebes bestimmt. Dies macht ein ent­ sprechendes Volumen des Elektromotors erforderlich, der folglich auch einen entsprechenden Einbauraum be­ nötigt. Ein derartiger Einbauraum steht jedoch auf­ grund der verschiedenen anderen, in diesem Bereich an­ geordneten Aggregate nur selten zur Verfügung.

Zum weiteren Stand der Technik wird ferner auf die EP 0 101 579 B1 und die FR 2 596 722 A1 verwiesen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu lösen, insbe­ sondere eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung zu schaf­ fen, die eine Übersetzung zur Wandlung der Drehbewe­ gung in eine Axialbewegung unabhängig von Axialkräften und geometrischen Gegebenheiten ermöglicht, und die eine bezüglich Leistung, Wirkungsgrad, Größe und Ko­ sten optimierte Auslegung des Elektromotors ermög­ licht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß zur Wandlung der Drehbewegung des Elek­ tromotors in eine Axialbewegung der Zahnstange ein Rollengewindetrieb vorgesehen ist, kann die Überset­ zung zur Wandlung der Drehbewegung in eine Axialbewe­ gung unabhängig von den Axialkräften und geometrischen Gegebenheiten gewählt werden. In nicht naheliegender Weise hat der Erfinder die Vorzüge des Einsatzes eines Rollengewindetriebes, wie er beispielsweise in dem SKF-Rollengewindegetriebe-Katalog 3793 T beschrieben ist, für den Einsatz in Zahnstangen- Hilfskraftlenkungen erkannt. Durch die unabhängig von Tragfähigkeit und Geometrie des Getriebes frei wählba­ re Übersetzung kann die Auslegung des Elektromotors bezüglich Leistung, Wirkungsgrad und Kosten optimiert werden.

Dadurch, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Einsatz des Rollengewindegetriebes wesentlich größere Überset­ zungen darstellen lassen, kann das vom Elektromotor aufzubringende Drehmoment deutlich reduziert werden.

Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, daß ein Rotor des Elektromotors kraftschlüssig mit dem An­ triebselement verbunden ist.

Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Ro­ tor des Elektromotors und dem Antriebselement entsteht in vorteilhafter Weise beim Überschreiten eines be­ stimmten Drehmoments z. B. am mechanischen Endanschlag des Zahnstangen-Lenkgetriebes ein Schlupf, wodurch die mechanischen Teile vor übermäßiger Belastung geschützt werden. Darüber hinaus können Fluchtungs- und Tole­ ranzfehler, die beispielsweise durch verschiedene La­ gerungen entstehen, ausgeglichen werden.

Von Vorteil ist es, wenn das Antriebselement als Mut­ terteil ausgebildet ist, das mittels einem kraft­ schlüssigen Verbindungselement mit einer Antriebswelle des Elektromotors in Verbindung steht und das kraft­ schlüssige Verbindungselement als wellenförmiges Federelement ausgebildet ist.

Ein wellenförmiges Federelement ist besonders kosten­ günstig herstellbar und handhabbar.

In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß der Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung ausgebildet ist. Eine Ausgestaltung des Rollengewindetriebs mit Rollenrückführung eignet sich in besonderem Maße für kleine Übersetzungen.

In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Rollengewindetrieb ohne Rollenrückfüh­ rung ausgebildet ist.

Der Rollengewindetrieb kann in einer weiteren Variante als Planeten-Wälz-Getriebe ausgebildet sein.

In besonders vorteilhafter Weise läßt sich mit einem Planeten-Wälz-Getriebe jede beliebige Übersetzung rea­ lisieren, da die Planeten im Vergleich zu einem her­ kömmlichen Rollengewindetrieb einen Freiheitsgrad mehr ermöglichen und prinzipiell sogar negative Übersetzun­ gen, d. h. eine Drehrichtungsumkehr realisierbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprü­ chen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnstangen-Hilfskraftlenkung; und

Fig. 2 einen Teilschnitt gemäß der Linie II-II der Fig. 1 mit einer rohrförmigen Weiterbildung einer Antriebswelle, einem Federelement, ei­ nem Mutterteil und einer Gewindespindel.

Fig. 1 zeigt eine Zahnstangen-Hilfskraftlenkung mit einem Zahnstangen-Lenkgetriebe 1, das ein Antriebsrit­ zel 2 und eine Zahnstange 3 aufweist. Das Antriebsrit­ zel 2 steht dabei in üblicher Weise in Eingriff mit der Zahnstange 3.

Wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich, ist das An­ triebsritzel 2 über einen Lenkspindelanschluß 4 mit einer nicht näher dargestellten Lenkhandhabe zur Über­ mittlung eines Lenkwunsches verbunden. Die Zahnstange 3 ist in bekannter Weise über ein Lenkgestänge 5 und 6 mit nicht näher dargestellten Rädern verbunden.

Zwischen dem Lenkspindelanschluß 4 und dem Antriebs­ ritzel 2 ist eine Drehmoment-Meßeinrichtung 7 einge­ baut, die das Relativmoment zwischen dem Lenkspin­ delanschluß 4 und dem Antriebsritzel 2 erfaßt. Anhand des erfaßten Relativmoments wird über einen nicht dar­ gestellten Elektronikbaustein ein Elektromotor 8 ge­ steuert.

Wie in Fig. 1 erkennbar, ist die Zahnstange 3 in einem Bereich 9 als Gewindespindel 10 ausgebildet. Die Ge­ windespindel 10 bildet dabei gemeinsam mit rollenför­ migen Wälzelementen 11 und einem Antriebselement 12 des Elektromotors 8 ein Rollengewindetrieb 13. Die Ge­ windespindel 10 steht über die rollenförmigen Wälzele­ mente 11 mit dem Antriebselement 12 des Elektromotors 8 in trieblicher Verbindung.

Durch den derart gebildeten Rollengewindetrieb 13 läßt sich die Drehbewegung des Elektromotors 8 einfach und zuverlässig in eine Axialbewegung der Zahnstange 3 um­ wandeln.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das An­ triebselement des Elektromotors 8 als Mutterteil 12 ausgebildet, das mittels einem kraftschlüssigen Ver­ bindungselement 14 mit einer Antriebswelle 15 des Elektromotors in Verbindung steht. Die Antriebswelle 15 ist dabei drehfest mit einem Rotor 16 verbunden.

Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich, ist das kraft­ schlüssige Verbindungselement 14 zwischen dem Mutter­ teil 12 und einer rohrförmigen Weiterbildung 17 der Antriebswelle 15 angeordnet. Dabei ist das kraft­ schlüssige Verbindungselement in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als wellenförmiges Federelement 14 (Fig. 2) ausgebildet. Durch eine Ausbildung als wel­ lenförmiges Federelement 14 wird eine besonders vor­ teilhafte, zuverlässige und konstruktiv einfach zu er­ stellende kraftschlüssige Verbindung zur Übertragung des Drehmoments zwischen dem Mutterteil 12 und dem Ro­ tor 16 des Elektromotors 8 erstellt. Zum einen ent­ steht dadurch beim Überschreiten eines bestimmten Drehmoments z. B. am mechanischen Endanschlag des Zahn­ stangen-Lenkgetriebes 1 ein Schlupf zwischen dem Mut­ terteil 12 und dem Rotor 16, wodurch mechanische Teile vor übermäßiger Belastung bzw. Beschädigung geschützt werden. Zum anderen können Fluchtungs- und Toleranz­ fehler zwischen dem Mutterteil 12, welches über die rollenförmigen Wälzelemente 11 gelagert ist, und einer Lagerung 18 der Antriebswelle 15 ausgeglichen werden.

In alternativen Ausführungsformen kann der Rollenge­ windetrieb 13 mit oder ohne Rollenrückführung ausge­ bildet sein. Bezüglich einem hohen Freiheitsgrad und der Möglichkeit, eine beliebige Übersetzung wählen zu können, hat sich eine Ausbildung des Rollengewinde­ triebs als Planeten-Wälz-Getriebe 13 als besonders vorteilhaft herausgestellt. Rollerigewindetriebe bzw. Planeten-Wälz-Getriebe 13 sind prinzipiell bekannt und beispielsweise in dem SKF-Rollengewindegetriebe- Katalog 3793 T beschrieben.

Claims (11)

1. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Elektromotor und mit ei­ ner Zahnstange, die mit gelenkten Rädern in Wirk­ verbindung steht, wobei zur Wandlung der Drehbewe­ gung des Elektromotors in eine Axialbewegung der Zahnstange ein Antriebselement des Elektromotors in Triebverbindung mit der Zahnstange steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wandlung der Drehbewegung in eine Axialbewe­ gung ein Rollengewindetrieb (13) vorgesehen ist.

2. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollengewindetrieb (13) rollenförmige Wälzele­ mente (11) aufweist, die eine triebliche Verbin­ dung zwischen dem Antriebselement (12) des Elek­ tromotors (8) und der Zahnstange (3) bilden.

3. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (3) im Bereich der rollenförmigen Wälzelemente (11) als Gewindespindel (10) ausge­ bildet ist.

4. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (16) des Elektromotors (8) kraftschlüs­ sig mit dem Antriebselement (12) verbunden ist.

5. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement als Mutterteil (12) ausgebil­ det ist, das mittels einem kraftschlüssigen Ver­ bindungelement (14) mit einer Antriebswelle (15) des Elektromotors (8) in Verbindung steht.

6. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (15) drehfest mit dem Rotor (16) des Elektromotors (8) verbunden ist.

7. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftschlüssige Verbindungselement als Feder­ element (14) ausgebildet ist.

8. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (14) wellenförmig ausgebildet ist.

9. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollengewindetrieb (13) mit Rollenrückführung ausgebildet ist.

10. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollengewindetrieb (13) ohne Rollenrückführung ausgebildet ist.

11. Zahnstangen-Hilfskraftlenkung nach einem der An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollengewindetrieb als Planeten-Wälz-Getriebe (13) ausgebildet ist.