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Die Erfindung betrifft eine Servolenkung, insbesondere eine Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer, von einem Servomotor angetriebenen Bewegungsschraube, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 103 10 492 A1 zeigt und beschreibt eine elektrische Servolenkung wobei ein Servomotor ein axial verlagerbares Bauelement antreibt, das mit seinem Kugelgewinde in Eingriff mit einem Muttergewinde einer axial unverschieblich oder geringfügig verschieblich in einem Gestell gelagerten Mutter ist. Die Mutter ist mit einer Riemenscheibe eines Zugmittelgetriebes zwischen dem Servomotor und der so gebildeten Bewegungs-schraube drehfest verbunden. Die Mutter ist über ein Radial-Festlager an dem Gestell abgestützt und gelagert. Das Radiallager ist als Wälzlager und insbesondere als Vierpunktlager gebildet, da insbesondere auch Axialkräfte aufzunehmen sind.
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Durch die definierte Vorspannung des Lagerinnenringes des Vierpunktlagers sind Klappergeräusche der Lagerung, hervorgerufen durch im Betrieb der Servolenkung rasch wechselnde Axialkräfte auf die Lagerringe und Wälzkörper reduziert.
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Zu Betriebsbeginn solcher Servolenkungen treten unterschiedliche Erwärmungen der Lagerringe des Wälzlagers auf. Dadurch entstehen unerwünschte Toleranzen in dem Wälzlager, die über denjenigen des konstruktiv vorgegebenen Betriebsspiels liegen. Es werden im Betrieb solcher Servolenkungen rasch wechselnde Axialkräfte auf das axial verlagerbare Bauteil aufgebracht, die zusammen mit den Toleranzen zu Beginn eines Betriebes einer Servolenkung gelegentlich Klappergeräusche verursachen, bis sich durch eine gleichmäßige Erwärmung der Bauteile des Wälzlagers letztendlich das konstruktiv vorgegebene Betriebsspiel einstellt.
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Die bekannten Wälzlagerbauarten sind bei dem speziellen Anwendungsbereich in einer Servolenkung nicht immer in der Lage in der genannten Betriebsphase eine Geräuschentwicklung zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkung anzugeben, deren Betriebsgeräusch minimiert ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch daß zumindest die Wälzkörper eines Lagers zur axialen Lagerung der Mutter als Nadeln eines so gebildeten Nadellagers ausgeführt sind, und das Nadellager federbelastet zwischen einem gestellfesten oder annähernd gestellfesten Bauteil und der Mutter sich abstützt, ist ein Lagerspiel, welches bei Einwirkung von insbesondere wechselnden Axialkräften Klappergeräusche verursacht, ausgeschlossen. Das Nadellager baut aufgrund seiner Nadeln mit geringem Durchmesser klein und kann auch beispielsweise nur über einen Teilbereich seiner axialen Erstreckung angefedert sein um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Die Mutter ist damit an dem Gestell spielfrei angefedert abgestützt. Insbesondere die meist zu Klappergeräuschen führenden, recht kleinen, aber rasch wechselnden Axialkräfte auf das axial verlagerbare Bauelement sind dadurch in ihrer Wirkung auszuschließen.
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Sofern von einem gestellfesten Bauteil und einem axial unverschieblich in einem Gestell gelagerten Mutter die Rede ist, so versteht es sich, daß geringste Bewegungen der genannten Bauelemente insbesondere, wenn diese angefedert gelagert sind, involviert sind.
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Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Nadellager an zwei sich gegenüberliegenden Stirnseiten des gestellfesten Bauteils zur axialen Lagerung der Mutter vorgesehen. Die Nadellager liegen sich somit gegenüber in Bezug auf eine Mittenebene des gestellfesten Bauteils. Damit sind die Nadellager in der Lage, die in beide möglichen Richtungen gerichteten Axialkräfte auf das axial verlagerbare Bauteil und damit auf die Mutter abzufedern und aufzunehmen. Die gesamte Anordnung baut sehr klein und ist dennoch sehr robust im Aufbau. Es kann zudem zweckmäßig sein, auch zur radialen Lagerung der Mutter ein Nadellager zu verwenden. Vorzugsweise stützen sich alle drei Nadellager an einem einzigen gestellfesten Bauteil ab, sodaß das gesamte Lager zur Lagerung der Mutter aus Nadellagern gebildet ist und dennoch kompakt baut.
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Zumindest die in axialer Richtung der Mutter wirkenden Nadellager bzw. deren Nadeln sind durch Tellerfedern angefedert. Die Tellerfedern können dabei auch nur auf einen Teilbereich der Nadeln oder eines Aussenringes des betreffenden Nadellagers wirken und dennoch für eine wirksame Anfederung der Lageranordnung ausreichen. Die Tellerfedern können sich auch an Anlageschrägen so abstützen, daß die Dauerfestigkeit der Tellerfedern gewährleistet ist. Auf diese Weise ist eine Abstützung um alle relevanten Achsen der Mutter an dem Gestell ermöglicht, die spielfrei ist und Klappergeräusche vermeidet. Die Anordnung aus den drei Nadellagern ist selbstnachstellend und auch unterschiedliche Wärmedehnungen der dahingehenden erfindungsgemäßen Lagerung der Mutter kompensierend. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Servolenkung stehen die Tellerfederkräfte zu den maximal auftretenden Axialkräften in dem axial verlagerbaren Bauelement in einem Verhältnis von etwa 1:2 bis 2:1.
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Ein oder mehrere Nadellager können auch ohne einen separaten Außen- oder Innenring gebildet werden. Die Funktion des Außenringes übernimmt dabei ein mit der Mutter oder dem Gehäuse vorzugsweise einteilig gebildetes Bauelement. So kann das gestellfeste Bauteil, an dem sich die Nadellager abstützen, auch die Funktion eines Innenringes für beide in axialer Richtung wirkenden Nadellager übernehmen. Zusätzlich kann dieses gestellfeste Bauteil einen Außenring für das in radialer Richtung wirkende Nadellager bilden. Auch ein drehfest mit der Mutter verbundenes Riemenrad kann die Funktion eines Anschlags für ein Nadellager übernehmen oder ein Riemenrad kann Laufflächen für Nadeln des betreffenden oder der betreffenden Nadellager zur axialen Lagerung der Mutter bereitstellen.
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Das axial verlagerbare Bauelement ist als Spindel oder Zahnstangen-Gewindeabschnitt gebildet. Das axial verlagerbare Bauelement kann in an sich bekannter Weise über Spurstangen und Radlenkhebel mit lenkbaren Rädern eines Kraftfahrzeugs verbunden sein. Der Gewindeabschnitt oder die Spindel wirkt mit der zu lagernden Mutter zusammen, wobei die so gebildete Bewegungsschraube Teil eines Lenkgetriebes einer elektrischen oder hydraulischen Hilfskraftlenkung oder Fremdkraftlenkung ist. Das Gestell ist als Lenkgetriebegehäuse dargestellt, das somit eine konstruktive Einheit für ein dadurch dargestelltes Kugelmutter-Spindelgetriebe oder Kugelmutter-Hydrogetriebe bildet.
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Vorzugsweise ist der Servomotor als Elektromotor in Pulsweiten-Modulation gesteuert. Die Motorwelle des Elektromotors ist drehfest mit einer Riemenscheibe verbunden. Ein darauf laufender Riemen ist zudem über eine Riemenscheibe auf oder an der Mutter aufgespannt. Die beiden Riemenscheiben bilden ein selbstspannendes Zugmittelgetriebe. Der Riemen kann als Zahnriemen gebildet sein. Es kann auch eine Kombination zweier verschiedener Riemenbauarten in dem Zugmittelgetriebe verbaut sein. Es kann anstelle eines selbstspannenenden Zugmittelgetriebes der Servomotor verlagerbar relativ zu der Längsachse des axial verlagerbaren Bauelements und der Mutter vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der Zeichnung wiedergegeben. In der Zeichnung zeigt:
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1 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Servolenkung.
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2 zeigt ein Detail II in 1.
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In 1 ist ein teilweiser Längsschnitt durch eine Servolenkung 1 für einen Personenkraftwagen gezeigt. Wesentliche Bauteile der Servolenkung 1 sind ein als geschlossenes Lenkgetriebegehäuse 21 gebildetes Gestell 4 aus Aluminiumdruckguß oder einem ähnlichen Leichtmetallwerkstoff. Das Lenkgetriebegehäuse 21 weist einen Radialflansch 23 auf, an dem mittels Schraubbolzen ein elektrischer Servomotor 2 angeschraubt ist. Der elektrische Servomotor 2 dient zur Bereitstellung einer Lenkhilfskraft auf einen Spindelabschnitt 20 einer Zahnstange 19. Die Zahnstange 19 stellt ein axial verlagerbares Bauelement 6 in dem Lenkgetriebegehäuse 21 dar. An nicht gezeigten axialen Enden der Zahnstange 19 sind gelenkig Spurstangen festgelegt, die mit Radlenkhebeln gelenkter Räder des Personenkraftwagens zur Lenkwinkelverstellung der Räder bei einer Axialverschiebung der Zahnstange 19 dienen.
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Der Spindelabschnitt 20 der Zahnstange 19 ist mit seinem Gewinde 7 mit einem Muttergewinde 8 einer Mutter 5 in Eingriff. Die Mutter 5 ist als Kugelmutter oder Kugelumlaufmutter 24 gebildet. Eine von dem elektrischen Servomotor 2 angetriebene Bewegungsschraube 3 ist dadurch gebildet. Die Kugelmutter 24 ist um den Spindelabschnitt 20 in dem Gestell 4 rotierbar gelagert, aber axial nahezu unverschieblich angeordnet. Die Kugelmutter 24 ist axial und radial über ein Lager 9 in dem Gestell 4 oder Lenkgetriebegehäuse 21 gelagert. Das Lager ist zum Ausgleich durch Spiel, das sich insbesondere zu Beginn des Betriebes der Servolenkung 1 durch ungleichmäßige Erwärmung der Komponenten der Bewegungsschraube 3 und deren Lagerungen beim Stand der Technik einstellen würde in der Art einer Anordnung von drei Nadellagern 10, 10', 10'' gebildet.
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Wie auch 2 in einem Detail II in 1 zeigt, sind zwei Nadellager 10, 10' diametral zu einem gestellfesten Bauteil 12 angeordnet und dienen als Axiallager für die Mutter 5 in beide Richtungen.
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Das gestellfeste Bauteil 12 ist in einem Gehäusedeckel 25 des Lenkgetriebegehäuses 21 festgelegt und als im Querschnitt rechteckförmiger Ring gebildet. Das gestellfeste Bauteil 12 ist auch in der Lage, zur Dämpfung von Axialschwingungen der Mutter 5 sich geringfügig in dem Gehäusedeckel 25 zu bewegen. Seine beiden axialen Stirnseiten 13, 14 sind senkrecht zu einer Längsachse 27 der Zahnstange 19 ausgerichtet und bilden Laufflächen 17 für Nadeln 11 der betreffenden Nadellager 10, 10'. Die Nadellager 10, 10' zur axialen Lagerung haben somit keine Innenringe.
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Außenringe 16 der Nadellager 10, 10' stützen sich hingegen an einer Stirnfläche eines Riemenrades 18 zum Antrieb für die Mutter 5 und an einem auf die Mutter-Außenumfangsfläche aufgeschobenen ringförmigen Anschlag 26 ab. Das Riemenrad 18 ist drehfest mit der Mutter 5 verbunden. Die beiden Nadellager 10, 10' sind lediglich über einen radialen Teilbereich an den genannten Anschlagsflächen anliegend und haben freie Enden, an denen je eine Tellerfeder 15, 15' wirkt. Die Tellerfedern 15, 15' pressen mit einer Kraft S die Nadellager 10, 10' jeweils an das gestellfeste Bauteil 12, sodaß durch ein auch teilweises Kippen der Nadellager 10, 10' durch die Tellerfedern 15, 15' bewirkt wird und stets Spielfreiheit bei der Einwirkung von wechselnden Axialkräften F an der Zahnstange 19 zwischen der Mutter 5 und dem Gestell 4 herrscht.
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Ein weiteres Nadellager 10'', das gänzlich ohne Innenring und Außenring auskommt, dient zur radialen Lagerung der Mutter 5 an dem Gestell 4. Zu diesem Zweck sind in einer zu der Mutter 5 hin geöffneten Umfangsnut 28 in dem gestellfesten Bauteil 12 Nadeln 11 eingelassen und wälzen an der Aussenumfangsfläche der Mutter 5 und am Nutgrund der Umfangsnut 28 ab. Die Nadeln sind seitlich durch Nutränder gehalten.
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Der elektrische Servomotor 2 ist über ein Zugmittelgetriebe mit der Mutter 5 wirkverbunden, wobei ein als Zahnriemen gebildeter Riemen 22 auf dem Riemenrad 18 an der Mutter 5 abläuft. Das Riemenrad 18 ist in der Art einer stufenzylindrischen Hülse gebildet und bildet mit ihrer, dem Lager 9 zugewandten Stirnseite, den Anschlag für einen Außenring 16 des Nadellagers 10. Der Riemen 22 läuft ferner auf einer nicht gezeigten Riemenschiebe, die drehfest mit einer Motorwelle des elektrischen Servomotors 2 verbunden ist, ab.
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Der Servomotor 2 wird nach Maßgabe von Sensorsignalen, die einen gewünschten Lenkwinkel und einen Radlenkwinkel abbilden, von einer nicht gezeigten Steuer- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert. Dadurch wird die Mutter 5 in die eine oder andere Richtung gedreht und die Zahnstange 19 in die eine oder andere Richtung verschoben. Auf die Mutter 5 werden andererseits Axialkräfte F, die von den Radreaktionskräften abgeleitet sind, eingeleitet. Zudem ergeben sich bei Lenkbewegungen an einer Lenkhandhabe in die eine oder andere Richtung wechselnde Axialkräfte an der Mutter 5, die auf das Lager 9 wirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servolenkung
- 2
- Servomotor
- 3
- Bewegungsschraube
- 4
- Gestell
- 5
- Mutter
- 6
- Bauelement, axial verlagerbar
- 7
- Gewinde
- 8
- Muttergewinde
- 9
- Lager
- 10, 10', 10''
- Nadelllager
- 11
- Nadel
- 12
- Bauteil, gestellfest
- 13
- Stirnseite
- 14
- Stirnseite
- 15, 15'
- Tellerfeder
- 16
- Aussenring
- 17
- Lauffläche
- 18
- Riemenrad
- 19
- Zahnstange
- 20
- Spindelabschnitt
- 21
- Lenkgetriebegehäuse
- 22
- Riemen
- 23
- Radialflansch
- 24
- Kugelmutter
- 25
- Gehäusedeckel
- 26
- Anschlagring
- 27
- Längsachse
- 28
- Umfangsnut
- S
- Tellerfederkraft
- F
- Axialkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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