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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Lenksystem, insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus
der
DE 10 2004
059 461 A1 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
mit elektromotorischer Lenkkraftunterstützung bekannt.
Parallel zur Lenkwelle des Lenksystems ist ein Elektromotor angeordnet,
der über ein zweistufiges Riemengetriebe mit der Lenkwelle
gekoppelt ist und die Lenkwelle mit einem lenkunterstützenden
Moment beaufschlagt. Die Höhe der Lenkkraftunterstützung
kann über das Übersetzungsverhältnis
im Riemengetriebe beeinflusst werden.
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Das
Unterstützungsmoment wirkt zusätzlich zu dem vom
Fahrer erzeugten Lenkmoment auf die Lenkwelle, die diesen erhöhten
Belastungen entsprechend ausgebildet sein muss. Darüber
hinaus ist zu berücksichtigen, dass für die Anordnung
des Elektromotors parallel zur Lenkwelle ein entsprechender Bauraum
vorgehalten werden muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein klein bauendes Lenksystem
mit elektrischer Lenkkraftunterstützung und zumindest zweistufiger Übersetzung
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem, das insbesondere
in Kraftfahrzeugen wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen eingesetzt
wird, umfasst eine Lenksäule, deren Drehbewegung auf ein
Lenkgestänge übertragbar ist, dem eine Zahnstange
zugeordnet ist, welche über ein Lenkritzel mit der Lenksäule
in der Weise gekoppelt ist, dass jede Drehbewegung der Lenksäule über
das Lenkritzel in eine auf die lenkbaren Räder wirkende
Stellbewegung der Zahnstange übertragen wird. Des Weiteren
ist zur Lenkkraftunterstützung ein Elektromotor vorgesehen,
der über ein mindestens zweistufiges Riemengetriebe ein
Hilfskraftritzel antreibt, welches mit der Zahnstange des Lenkgestänges
kämmt.
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Dieses
Lenksystem weist den Vorteil auf, dass das unterstützende
Servomoment des Elektromotors nicht in die Lenkwelle bzw. -säule
eingeleitet wird, sondern über das Hilfskraftritzel unmittelbar
in die Zahnstange des Lenkgestänges. Die Lenksäule bleibt
dagegen vom unterstützenden Moment des Elektromotors entlastet,
so dass eine entsprechend schwächere Dimensionierung der
Lenksäule grundsätzlich ausreicht.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in der räumlichen Trennung zwischen
der Lenkwelle und der Einleitung des Unterstützungsmoments
in das Lenksystem, wodurch zusätzliche konstruktive Möglichkeiten
und Freiheitsgrade im Hinblick auf die Gestaltung und Anordnung
der verschiedenen Lenksystembauteile gegeben sind. Es ist nicht
mehr zwingend erforderlich, unmittelbar neben der Lenksäule
Bauraum für die Anordnung des Elektromotors vorzusehen.
Vielmehr kann der Elektromotor gemäß einer vorteilhaften Ausführung
mit Abstand zur Lenksäule und ggf. benachbart zur Zahnstange
positioniert werden.
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Das
zumindest zweistufige Riemengetriebe, welches zwischen dem Elektromotor
und der Einleitung in das Lenksystem zwischengeschaltet ist, ermöglicht
trotz der kompakten Ausführung des Lenksystems die Erzeugung
eines hohen Unterstützungs- bzw. Servomoments bei zugleich
hohem Wirkungsgrad.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Hilfskraftritzel, über
das das Unterstützungsmoment vom Elektromotor in die Zahnstang
eingeleitet wird, mit dem Lenkritzel identisch ist, welches mit
der Lenksäule gekoppelt ist und über das die Lenkbewegung
des Fahrers auf die Zahnstange übertragen wird. Dem Lenkritzel
kommt somit eine doppelte Funktion zu: zum einen die Übertragung
der Lenkbewegung des Fahrers über die Lenksäule,
zum andern die Einleitung des Unterstützungsmomentes vom
Elektromotor. Auf ein zusätzliches Hilfskraftritzel kann
in dieser Ausführung verzichtet werden, was sich in einem
geringen Bauraum niederschlägt.
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Gemäß einer
alternativen vorteilhaften Ausführung ist jedoch das Hilfskraftritzel
separat vom Lenkritzel ausgeführt, wodurch eine vollständige funktionale
Trennung zwischen Lenksäule und Lenkritzel einerseits und
dem Elektromotor sowie dem Riemengetriebe und dem Hilfskraftritzel
andererseits gegeben ist. Aufgrund dieser Trennung kann die Servoeinheit
mit dem Elektromotor und dem Riemengetriebe an praktisch beliebigen
Stellen entlang der Zahnstange angeordnet werden. Die Servoeinheit kann
als modulares System ausgeführt werden, das über
das Hilfskraftritzel mit der Zahnstange gekoppelt wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung schneidet die Motorachse
des Elektromotors die Längsachse der Zahnstange. In dieser
Ausführung wird vergleichsweise wenig Bauraum in Fahrzeuglängsrichtung
für die Servoeinheit benötigt.
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Des
Weiteren kann es zweckmäßig sein, den Elektromotor
so anzuordnen, dass die aus dem Gehäuse des Elektromotors
herausragende Motorwelle in Richtung auf die Zahnstange weist. In
dieser Ausführung ist das Riemengetriebe zwischen dem Motorgehäuse
und der Zahnstange angeordnet, so dass die gesamte Servoeinheit
bezogen auf den Abstand zur Zahnstange nur wenig Bauraum beansprucht.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausführung liegt
die Motorwelle des Elektromotors koaxial zur Ritzelwelle des Hilfskraftritzels,
was Bauraumvorteile in Fahrzeugquerrichtung bzw. in Richtung der
Längsachse der Zahnstange bietet. Die koaxiale Positionierung
von Motorwellenachse und Ritzelwelle kann gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführung dadurch erreicht werden,
dass Motorwelle und Ritzelwelle axial hintereinanderliegend angeordnet
sind, wobei die weiteren Bauteile des Riemengetriebes parallel versetzt
hierzu positioniert sind.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführung wird die koaxiale Anordnung
dadurch realisiert, dass der Elektromotor als Hohlwellenmotor ausgebildet
ist, dessen Motorwelle als Hohlwelle ausgeführt ist, wobei
die Ritzelwelle des Lenkritzels durch die Motorwelle geführt
ist. Vorteilhafterweise besteht aber keine Wirkverbindung zwischen
der Motorwelle des Elektromotors und dem Lenkritzel; vielmehr erfolgt
die Übertragung der Motorwellenbewegung über das
Riemengetriebe auf das Hilfskraftritzel. Grundsätzlich
ist es auch möglich, dass die Hilfswelle des Hilfskraftritzels
durch die als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle geführt
ist, wobei vorteilhafterweise auch in diesem Fall keine unmittelbare
Wirkkopplung zwischen Motorwelle und Hilfskraftritzel gegeben ist, sondern
die Bewegungsübertragung zwischen Motorwelle und Hilfskraftritzel über
das Riemengetriebe erfolgt. Schließlich ist es auch möglich,
dass das Hilfskraftritzel mit dem Lenkritzel identisch ist und die Welle
des Ritzels durch den Elektromotor geführt ist, wodurch
eine besonders kompakte Ausführung erreicht werden kann.
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Auch
bei der Ausführung des Riemengetriebes sind verschiedene
Varianten möglich. Beispielsweise ist eine Zwischenwelle,
welche Bestandteil des Riemengetriebes ist und über die
die Drehbewegung der Motorwelle auf das Hilfskraftritzel übertragen wird,
zwischen der Motorwelle und der Lenksäule angeordnet. In
dieser Ausführung rückt die Zwischenwelle in die
Nachbarschaft zur Lenksäule, wohingegen der Elektromotor
mit etwas größerem Abstand zur Lenksäule
liegt, was aufgrund der größeren Dimensionierung
des Motorgehäuses von Vorteil ist.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug,
bestehend aus einer Lenksäule, deren Drehbewegung über
ein Lenkritzel auf eine Zahnstange übertragbar ist, die
Teil eines Lenkgestänges ist, welches die lenkbaren Räder des
Fahrzeuges beaufschlagt, wobei zur Lenkkraftunterstützung
ein Elektromotor angeordnet ist, der über ein zweistufiges
Riemengetriebe mit dem Lenkritzel drehgekoppelt ist,
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2 das
Lenksystem in einer modifizierten Ausführung, in der der
Elektromotor als Hohlwellenmotor ausgebildet ist und die Welle des
Lenkritzels durch die Motorhohlwelle geführt ist, wobei
auch in dieser Ausführung das Riemengetriebe mit dem Lenkritzel
drehgekoppelt ist,
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3 das
Lenksystem in noch einer weiteren Ausführung, bei der die
Lenkkraftunterstützung des Elektromotors über
ein separat ausgebildetes Hilfskraftritzel in die Zahnstange eingeleitet
wird, wobei die Achsen des Elektromotors, einer Zwischenwelle des
Riemengetriebes und des Lenkritzels jeweils parallel versetzt zueinander
angeordnet sind,
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4 das
Lenksystem in noch einer weiteren Ausführung mit separat
ausgebildetem Hilfskraftritzel, dessen Welle koaxial zur Motorwelle
angeordnet ist.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in den 1 bis 4 dargestellten Lenksysteme
sind jeweils als Electric Power Steering (EPS) ausgeführt,
bei denen mithilfe eines Elektromotors ein Servomoment zur Lenkkraftunterstützung im
Kraftfahrzeug erzeugt wird. Wie in 1 dargestellt,
besteht das Lenksystem 1 aus einer andeutungsweise eingetragenen
Lenksäule 2, über die der Fahrer einen
gewünschten Lenkwinkel vorgibt. Die Lenksäule 2 ist über
ein Lenkritzel 3 mit einer Zahnstange 4 gekoppelt,
welche Bestandteile eines Lenkgestänges 5 zur Übertragung
der Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 und 7 ist.
Die Drehbewegung der Lenksäule 2 wird über
das Lenkritzel 3 in eine Verstellbewegung der Zahnstange 4 übertragen,
die zu einer entsprechenden Radlenkwinkelverstellung der lenkbaren
Räder 6 und 7 führt.
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Zur
Erzeugung eines Lenkkraft unterstützenden Momentes ist
eine Servoeinheit vorgesehen, bestehend aus einem Elektromotor 8 und
einem zweistufigen Riemengetriebe 10. Die Drehbewegung
der Motorwelle 9 des Elektromotors 8 wird über
das Riemengetriebe 10 auf das Lenkritzel 3 übertragen.
Das Riemengetriebe 10 umfasst eine Zwischenwelle 11, die
mit einem ersten und einem zweiten Zwischenrad 12 bzw. 13 unterschiedlichen
Durchmessers versehen ist, wobei das erste Zwischenrad 12 über
einen ersten Riemen 15 mit einem Motorritzel 14 auf
der Motorwelle 9 des Elektromotors und das zweite Zwischenrad 13 über
einen zweiten Riemen 16 mit einem Abtriebsrad 17 auf
dem Lenkritzel 3 kämmt. Die Achsen 18, 19 und 20 des
Lenkritzels 3, der Motorwelle 9 des Elektromotors
und der Zwischenwelle 11 des Riemengetriebes liegen parallel
zueinander, wobei die Längsachse 18 des Lenkritzels 3 mit
der Längsachse der Lenkwelle 2 zusammenfällt.
Die Zwischenwelle 11 ist in Querrichtung gesehen zwischen dem
Lenkritzel 3 und der Motorwelle 9 positioniert.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
der Elektromotor 8 als Hohlwellenmotor ausgeführt,
bei dem die Motorwelle 9 als Hohlwelle ausgebildet ist. Durch
die Motorwelle 9 ist ein oberer Abschnitt 3a der Welle
des Lenkritzels 3 geführt, ohne jedoch mit der Motorwelle 9 wirkgekoppelt
zu sein. Bei dem oberen Abschnitt 3a kann es sich auch
um eine obere Lenkspindel oder die Lenksäule handeln. Bei
dieser Anordnung stellt die Lenkachse 18 des Lenkritzels 3 und
der Lenksäule zugleich die Motorachse dar.
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Das
Riemengetriebe 10 ist wieder zweistufig ausgeführt,
wobei die Zwischenwelle 11 parallel zur Motorwelle 9 und
zur Welle des Lenkritzels 3 versetzt ist.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird das
unterstützende Moment des Elektromotors 8 über
das Riemengetriebe 10 mithilfe eines als separaten Bauteil
ausgeführten Hilfskraftritzels 21 in die Zahnstange 4 eingeleitet.
Hierzu ist der zweite Riemen 16 des Riemengetriebes 10 mit
dem Abtriebsrad 17 gekoppelt, welches auf der Welle des
Hilfskraftritzels 21 drehfest aufsitzt. Das Hilfskraftritzel 21 ist
unabhängig und separat vom Lenkritzel 3 ausgebildet und
weist eine Längsachse 22 auf, die parallel versetzt
ist zu den übrigen Längsachsen 18 bis 20 von Lenkritzel 3,
Motorwelle 9 und Zwischenwelle 11. Unmittelbar
benachbart zum Lenkritzel 3 bzw. der Lenksäule
ist der Elektromotor 8 mit der Motorwelle 9 angeordnet,
mit größerem parallelem Abstand folgen zunächst
die Zwischenwelle 11 und schließlich das Hilfskraftritzel 21.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 4 entspricht
im Wesentlichen demjenigen nach 3, jedoch
mit dem Unterschied, dass die Motorwelle 9 des Elektromotors 8 und
die Welle des Hilfskraftritzels 21 koaxial mit zusammenfallenden
Achsen 19 bzw. 22 angeordnet sind, jedoch zueinander
einen axialen Versatz aufweisen. Die Zwischenwelle 11 liegt
zwischen dem Lenkritzel 3 bzw. der Lenksäule und
der Motorwelle 9 sowie der Welle des Hilfskraftritzels 21.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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