DE102008041335A1

DE102008041335A1 - Lenkgetriebe und damit ausgestattete Servolenkung

Info

Publication number: DE102008041335A1
Application number: DE200810041335
Authority: DE
Inventors: Helmut KNÖDLER; Horst Hoffmann
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Lenkgetriebe (L) für eine Servolenkung, wobei das Lenkgetriebe durch Verlagerung einer über einen Kugelumlauf (4, 5, 7) anzutreibenden Zahnstange (3) eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt, wobei der Kugelumlauf eine Kugelumlaufmutter (5) aufweist, die mit einem Kugelgewindesegment (4) der Zahnstange (3) in Eingriff steht, wobei an der Kugelumlaufmutter (5) eine Verzahnung (9) angebracht ist, die mit einem Zahnrad (11) in Eingriff steht, das an einem Ende (12) einer Lenkspindel (13) angeordnet ist, um ein von einem Lenkrad ausgehendes mechanisches Lenkmoment über den Kugelumlauf (4, 5, 7) auf die Zahnstange (3) zu leiten. Dabei ist ein Abschnitt am Ende (12) der Lenkspindel (13) als Rotor (14) eines elektrischen Servomotors (15) ausgebildet, der über seinen Stator (16) den Rotor (14) mit einem Hilfslenkmoment beaufschlagt, das über das Zahnrad (11) auf die Kugelumlaufmutter (5) wirkt. Somit wird das von dem Servomotor erzeugte Servodrehmoment, direkt auf die Lenkspindel übertragen, und zusammen mit dem vom Lenkrad kommenden manuellen Lenkmoment auf den Kugelumlauf geleitet und dort in eine translatorische die Zahnstange auslenkende Lenkkraft umgesetzt. Der Aufwand für ein weiteres Getriebe, z.B. in Form eines Riementriebs, entfällt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine damit ausgestattete Servolenkung gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Lenkgetriebe sowie eine damit ausgestattete Servolenkung, bei der das Lenkgetriebe durch Verlagerung einer über einen Kugelumlauf anzutreibenden Zahnstange eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt.
Ein solche Servolenkung ist beispielsweise aus der DE 10 2005 019 435 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Lenkung wird die Zahnstange über einen Kugelumlauf angetrieben, wobei das von einem Lenkrad ausgehende mechanische Lenkmoment über ein Zahnradgetriebe, das als Kegelradgetriebe ausgebildet ist, auf eine Kugelumlaufmutter wirkt, um das von einem Lenkrad kommende vom Fahrer erzeugte Lenkmoment auf den Kugelumlauf zu leiten. Dazu steht die Kugelumlaufmutter mit einem Abschnitt der Zahnstange in Eingriff, der als Kugelgewindesegment bzw. Spindel ausgebildet ist. An der Kugelumlaufmutter ist eine Verzahnung angebracht, die mit einem als Kegelrad ausgebildetem Zahnrad in Eingriff steht, das an einem Ende einer Lenkspindel angeordnet ist, um eine von einem Lenkrad ausgehendes manuell erzeugtes Lenkmoment über den Kugelumlauf auf die Zahnstange zu leiten. Zusätzlich wird noch von einem elektrischen Servomotor ein Hilfslenkmoment erzeugt, das über einen Zahnriemen auf die Kugelumlaufmutter geleitet wird. Demnach werden das manuelle Lenkmoment über ein Kegelradgetriebe und das elektromotorische Hilfslenkmoment über einen Riementrieb auf die Kugelumlaufmutter und somit auch auf die Zahnstange übertragen. Diese bekannte Konstruktion erfordert also zwei Getriebe und ist somit recht aufwendig und teuer gestaltet. Zudem verursacht sie eine relativ hohe Geräuschentwicklung.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lenkgetriebe vorzuschlagen, das diese genannten Nachteile in vorteilhafter Weise überwindet. Insbesondere soll eine möglichst einfach zu realisierende und geräuscharme Konstruktion eines Lenkgetriebes und einer damit ausgestatteten Servolenkung bereitgestellt werden.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach ist ein Abschnitt am Ende der Lenkspindel als Rotor eines elektrischen Servomotors ausgebildet und wird über den Stator des elektrischen Servomotors mit einem Hilfslenkmoment beaufschlagt, das über das Zahnrad auf die Kugelumlaufmutter wirkt. Somit wird das von dem Servomotor erzeugte Servodrehmoment, direkt auf die Lenkspindel übertragen, und zusammen mit dem vom Lenkrad kommenden manuellen Lenkmoment auf den Kugelumlauf geleitet und dort in eine translatorische die Zahnstange auslenkende Lenkkraft umgesetzt. Der Aufwand für ein weiteres Getriebe, z. B. in Form eines Riementriebs, entfällt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist es vorteilhaft, wenn das Zahnrad ein Kegelrad ist. Diese Getriebeform ist besonders gut geeignet, das von dem Servomotor kommende Drehmoment mit dem manuell erzeugten Lenkmoment zu überlagern.
Vorzugsweise ist der als Rotor ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel in dem Lenkgetriebe mittels Radiallagern axial nicht verschiebbar gelagert ist, wobei aber das Zahnrad am Ende der Lenkspindel axial verschiebbar angeordnet ist. In diesem Fall wird das Zahnrad, das insbesondere ein Kegelrad ist, von einem federnden Element, insbesondere einer Schraubenfeder, mit einer Kraft beaufschlagt, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter vorgesehene Verzahnung wirkt.
Alternativ dazu kann der als Rotor ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel auch axial verschiebbar in dem Lenkgetriebe gelagert sein, wobei das Zahnrad mit dem Ende der Lenkspindel fest verbunden ist. In diesem Fall wird der axial verschiebbare Rotor und/oder seine Lagerung von einem federnden Element, insbesondere von einer Wellfeder, mit einer Kraft beaufschlagt, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter vorgesehenen Verzahnung wirkt.
Eine vorteilhafte Variante dazu ergibt sich, wenn der als Rotor ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel in dem Stator axial verschiebbar gelagert ist, und wenn das Zahnrad bzw. Kegelrad mit dem Ende der Lenkspindel fest verbunden ist. In diesem Fall ist der axial verschiebbare Abschnitt der Lenkspindel als ein zum Stator axial versetzter Rotor ausgebildet, wodurch der Rotor zumindest im Betrieb des Servomotors mit einer Kraft beaufschlagt wird, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter vorgesehenen Verzahnung wirkt.
Auch kann vorteilhafter Weise im Stator des elektrischen Servomotors zumindest ein als Hilfsmagnet vorgesehener Permanentmagnet angeordnet sein, zu dem der Rotor axial versetzt angeordnet ist, wodurch der Rotor dann auch ohne Betrieb bzw. Bestromung des Servomotors mit einer Kraft beaufschlagt wird, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter vorgesehenen Verzahnung wirkt.
Vorgeschlagen wird auch eine erfindungsgemäße Servolenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkgetriebe, das durch Verlagerung einer über einen Kugelumlauf anzutreibenden Zahnstange eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt, wobei der Kugelumlauf eine Kugelumlaufmutter aufweist, die mit einem Kugelgewindesegment bzw. Spindel-Abschnitt der Zahnstange in Eingriff steht, wobei an der Kugelumlaufmutter eine Verzahnung angebracht ist, die mit einem Zahnrad in Eingriff steht, das an einem Ende einer Lenkspindel angeordnet ist, um eine von einem Lenkrad ausgehende mechanische Lenkkraft über den Kugelumlauf auf die Zahnstange zu leiten. Der Abschnitt am Ende der Lenkspindel, der als Rotor eines elektrischen Servomotors ausgebildet ist, wird über den Stator des elektrischen Servomotors mit einer Hilfslenkkraft beaufschlagt, die über das Zahnrad auf die Kugelumlaufmutter wirkt.
Die Erfindung und die sich ergebenden Vorteile werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben, wobei auf folgende schematischen Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 zeigt in einer ersten Ausführungsform ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe;
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes; und
3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes;
In der 1 ist ein Lenkgetriebe L dargestellt, das in einem Lenkungsgehäuse 1 einer Servolenkung angeordnet ist. Das Lenkungsgehäuse 1 wird durch einen Getriebedeckel 2 abgeschlossen, hinter dem ein Kugelumlauf angeordnet ist. Der Kugelumlauf umfasst im wesentlichen eine Kugelumlaufmutter 5 und darin geführte bzw. umlaufende Kugeln 7, die wiederum im Engriff mit einem als Spindel bzw. Kugelgewindesegment 4 ausgebildeten Abschnitt einer Zahnstange 3 stehen. Durch den Kugelumlauf können Lenkmomente in translatorische Kräfte umgesetzt werden, die dann die Zahnstange 3 und damit verbundenen Räder auslenken.
Erfindungsgemäß werden nun über die nachfolgend beschriebene Konstruktion sowohl ein manuelles von dem Lenkrad über die Lenkspindel 13 kommendes Lenkmoment wie auch ein von einem Servomotor 15 erzeugtes Lenkmoment zusammen auf den Kugelumlauf geführt. Somit benötigt das Lenkgetriebe L nur das eine Getriebe, nämlich das mit dem Kugelumlauf gebildete Getriebe. Dazu werden beide Momente werden über ein Zahnrad, das hier als Kegelrad 11 ausgebildet ist und sich am Ende der Lenkspindel 13 befindet, auf eine an der Kugelumlaufmutter 5 vorgesehenen Verzahnung 9 geführt. An der Kugelumlaufmutter 5 ist ebenfalls ein als Kegelrad 8 ausgebildetes Zahnrad vorgesehen, das als Ring mit schräg angesetzten Zähnen auf die Kugelumlaufmutter 5 aufgesetzt ist. Ein Radiallager 6 dient zur stabilen Lagerung von Kugelumlaufmutter 5 sowie Zahnrad bzw. Kegelrad 8.
Damit das von dem Servomotor 15 erzeugte Moment direkt und unmittelbar an der Lenkspindel 13 wirkt, ist der Endabschnitt bzw. das Wellenende 12 der Lenkspindel 13 als Rotor bzw. Läufer 14 ausgebildet, der von dem Stator bzw. Ständer 16 des Servomotors umschlossen und bei Stromfluss durch die Ständerwicklung elektromagnetisch in Rotation versetzt wird. Der Servomotor 15 ist hier z. B. als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet und wird von einer (nicht dargestellten) Steuerungsschaltung angesteuert.
Der Rotor 14 ist im wesentlichen aus mehreren Permanentmagneten aufgebaut, die mit der Lenkspindel 13 verbunden bzw. auf dieser fest angebracht sind. Alternativ kann auch durch Materialbeeinflussung der Lenkspindel selbst eine permanente mindestens zweipolige Magnetisierung realisiert werden. In dem hier in 1 gezeigten Beispiel wird der Rotor 14 durch mehrere Radiallager 21 und 22 so gelagert, dass der Rotor 14 nicht axial verschiebbar ist. Dazu sind in dem Lenkgehäuse 2 Aufnahmen bzw. Anschläge 19 und 20 vorgesehen, an denen das jeweilige Radiallager in axialer Richtung anschlägt. Somit wird der Rotor 14 drehbeweglich in einer fest vorgegebenen axialen Position gelagert. Um den Eingriff des Kegelrades 11 mit seiner Verzahnung 10 in die Verzahnung 9 der Kugelumlaufmutter 5 immer möglichst optimal sicherzustellen, ist das Kegelrad 11 in axialer Richtung verschiebbar auf dem Ende bzw. Wellenstumpf 12 der Lenkspindel 13 angebracht. Ein federndes Element in Form einer Schraubenfeder 18, die zwischen dem Ansatz des Rotors 14 und der ihr zugewandten Seite des Kegelrades 11 angebracht ist, bewirkt eine elastische Kraft, die in axialer Richtung zur Verzahnung 10 hin wirkt und somit eine Andrückkraft für das Kegelrad 11 darstellt, um es in den optimalen Eingriff mit der Verzahnung 10 zu bringen bzw. zu halten.
Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes 100'. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 ist hier im Beispiel nach 2 das Kegelrad 11 fest mit dem Wellenende 12 verbunden und kann nicht axial verschoben werden. Jedoch ist die Lagerung des Rotors 14 axial beweglich ausgestaltet, indem die Radiallager 20 und 21 nicht in axialer Richtung durch Anschläge (wie in 1 als „19” und „20” zu sehen) begrenzt werden, sondern axial verschiebbar im Gehäuse 1 angeordnet sind. Zusätzlich sind elastische Elemente beispielsweise in Form von Wellfedern 25 vorgesehen, die auf das obere Radiallager 21 eine Kraft in axialer Richtung zur Verzahnung 10 hin ausüben. Somit wird der Rotor 14 und das damit verbundene Kegelrad 11 in den Eingriff mit der Kugelumlaufmutter 5 gedrückt. Am unteren Ende, d. h. an dem unteren Radiallager 22, sind elastische Elemente 26 zur Dämpfung bzw. für einen weichen Endanschlag vorgesehen. Je nach Ausrichtung des Lenkgetriebes ist auch die auf die Bauteile, insbesondere auf den Rotor 14, einwirkende Schwerkraft zu beachten, die sich verstärkend, schwächend oder neutral zu der von der obigen Wellfeder erzeugten Federkraft verhalten kann. Auch dies ist bei der Dimensionierung der Wellfedern 25 zu berücksichtigen.
In der 3 ist eine weitere Variante in Form eines Lenkgetriebes 100'' dargestellt, bei dem die Lagerung des Rotors 14' nicht axial beweglich, sondern nur der Rotor 14' im Stator 16 axial verschiebbar gelagert ist. Dabei ist der Rotor 14' bewußt axial versetzt zum Stator 16' angeordnet. Dadurch ergibt sich zumindest während der Bestromung des Servomotors 15 eine magnetische Kraft in axialer Richtung, die den Rotor 14' in die optimale Position zum Stator 16' bringen will und somit den Rotor 14' nach unten zieht. Das bedeutet aber eine auf das Kegelrad 11 einwirkende Druckkraft, die den Eingriff in die Verzahnung 10 verbessert. Diese Kraft wird also ohne Einsatz von zusätzlichen Federelementen und direkt vom Servomotor 15 selbst erzeugt. Um auch im stromlosen Zustand des Servomotors 15 eine solche Kraft zu erzeugen, kann ein als Hilfsmagnet angeordneter Permanentmagnet (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der den permanent-magnetischen Rotor 14' in axialer Richtung mit der gewünschten Kraft beaufschlagt.

L, L', L'': Lenkgetriebe in verschiedenen Ausführungsformen
1: Lenkungsgehäuse
2, 2': Getriebedeckel
3: Zahnstange
4: Abschnitt als Spindel bzw. Kugelgewindesegment ausgebildet
5: Kugelumlaufmutter
6: Radiallager
7: Kugeln
8: Zahnrad an Kugelumlaufmutter, als Kegelrad ausgebildet
9: Verzahnung
10: Verzahnung
11: Zahnrad am Ende der Lenkspindel, als Kegelrad ausgebildet
12: Wellenende bzw. Ende der Lenkspindel
13: Lenkspindel
14, 14': Rotor
15: Servomotor, als Elektromotor ausgebildet
16: Stator
18: Feder
19, 20: Anschlag für Radiallager
21, 22: Radiallager für Rotor
25: Wellfeder
26: elastisches Dämpfungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005019435 A1 [0003]

Claims

Lenkgetriebe (L, L', L'') für eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, wobei das Lenkgetriebe durch Verlagerung einer über einen Kugelumlauf (4, 5, 7) anzutreibenden Zahnstange (3) eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt, wobei der Kugelumlauf eine Kugelumlaufmutter (5) aufweist, die mit einem Kugelgewindesegment (4) der Zahnstange (3) in Eingriff steht, wobei an der Kugelumlaufmutter (5) eine Verzahnung (9) angebracht ist, die mit einem Zahnrad (11) in Eingriff steht, das an einem Ende (12) einer Lenkspindel (13) angeordnet ist, um ein von einem Lenkrad ausgehendes mechanisches Lenkmoment über den Kugelumlauf (4, 5, 7) auf die Zahnstange (3) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt am Ende (12) der Lenkspindel (13) als Rotor (14) eines elektrischen Servomotors (15) ausgebildet ist, der über seinen Stator (16) den Rotor (14) mit einer Hilfslenkmoment beaufschlagt, das über das Zahnrad (11) auf die Kugelumlaufmutter (5) wirkt.
Lenkgetriebe (L, L', L'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad ein Kegelrad (11) ist.
Lenkgetriebe (L) Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Rotor (14) ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel (13) in dem Lenkgetriebe (L) axial nicht verschiebbar gelagert ist, und dass das Zahnrad (11) am Ende (12) der Lenkspindel (13), insbesondere mittels einer Längsführung, axial verschiebbar angeordnet ist, wobei ein federndes Element, insbesondere eine Schraubenfeder (18), das Zahnrad (11) mit einer Kraft beaufschlagt, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter (5) vorgesehene Verzahnung (9) wirkt.
Lenkgetriebe (L') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Rotor (14) ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel (13) in dem Lenkgetriebe (L') axial verschiebbar gelagert ist, und dass das Zahnrad (12) mit dem Ende der Lenkspindel (13) fest verbunden ist, wobei ein federndes Element, insbesondere eine Wellfeder (25) den axial verschiebbaren Rotor (14) mit einer Kraft beaufschlagt, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter (5) vorgesehene Verzahnung (9) wirkt.
Lenkgetriebe (L'') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Rotor (14') ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel (13) in dem Stator (16) axial verschiebbar gelagert ist, dass das Zahnrad (11) mit dem Ende (12) der Lenkspindel (13) fest verbunden ist, und dass der axial verschiebbare Abschnitt der Lenkspindel (13) als ein zum Stator (16) axial versetzter Rotor (14') ausgebildet ist, wodurch der Rotor (14') zumindest im Betrieb des Servomotors (15) mit einer magnetischen Kraft beaufschlagt wird, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter (5) vorgesehenen Verzahnung (9) wirkt.
Lenkgetriebe (L, L', L'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Servomotor (15) als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist, wobei der als Rotor (14, 14') ausgebildete Abschnitt der Lenkspindel (13) mit permanent-magnetischen Rotorelementen versehen ist.
Lenkgetriebe (L, L', L'') nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Stator (16) des elektrischen Servomotors (15) zumindest ein als Hilfsmagnet ausgebildeter Permanentmagnet im Bereich des Stators (16) und axial versetzt zu dem Rotor (14) angeordnet ist, wodurch der Rotor (14') auch ohne Betrieb des Servomotors (15) mit einer magnetischen Hiflskraft, beaufschlagt wird, die axial in Richtung auf die an der Kugelumlaufmutter (5) vorgesehenen Verzahnung (9) wirkt.
Servolenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkgetriebe (L, L', L'') das durch Verlagerung einer über einen Kugelumlauf (4, 5, 7) anzutreibenden Zahnstange (3) eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt, wobei der Kugelumlauf eine Kugelumlaufmutter (5) aufweist, die mit einem Kugelgewindesegment (4) der Zahnstange (3) in Eingriff steht, wobei an der Kugelumlaufmutter (5) eine Verzahnung (9) angebracht ist, die mit einem Zahnrad (11) in Eingriff steht, das an einem Ende (12) einer Lenkspindel (13) angeordnet ist, um ein von einem Lenkrad ausgehendes mechanisches Lenkmoment über den Kugelumlauf (4, 5, 7) auf die Zahnstange (3) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt am Ende (12) der Lenkspindel (13) als Rotor (14) eines elektrischen Servomotors (15) ausgebildet ist, der über seinen Stator (16) den Rotor (14) mit einer Hilfslenkmoment beaufschlagt, das über das Zahnrad (11) auf die Kugelumlaufmutter (5) wirkt.