DE102009046648A1

DE102009046648A1 - Lenkung mit einem Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung

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Publication number: DE102009046648A1
Application number: DE200910046648
Authority: DE
Inventors: Werner M Bless
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-05-19
Also published as: WO2011058115A3; WO2011058115A2

Abstract

Eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug weist nach einem ersten Aspekt der Erfindung einen Elektromotor (24) zur Lenkkraftunterstützung und eine Spurstange (10) auf. Der Elektromotor (24) weist einen mit einem Ritzel (26) gekoppelten Rotor (28) auf. Die Spurstange (10) weist eine Verzahnung auf, in die das Ritzel (16) eingreift. Das Ritzel (16) ist getriebelos mit dem Rotor (28) des Elektromotors (24) verbunden. Nach einem zweiten Aspekt ist in der Lenkung eine Elektromotorbaugruppe zur Lenkkraftunterstützung vorgesehen, die über ein Betätigungselement auf die Spurstange einwirkt. Eine Messeinrichtung ist zwischen dem Betätigungselement und der Elektromotorbaugruppe angeordnet, um eine auf das Betätigungselement ausgeübte Kraft oder ein auf das Betätigungselement einwirkendes Moment zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug, die einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung aufweist.
Hilfskraftlenkungen mit Elektromotor sind gut bekannt. So zeigt DE 39 11 088 A1 eine Hilfskraftlenkung, die als Zahnstangenlenkung ausgebildet ist. Eine Spurstange weist zwei gezahnte Bereiche auf. Ein mit der Lenksäule verbundenes Lenkritzel kämmt mit einem dieser Bereiche, während ein Hilfskraftritzel mit dem anderen Bereich kämmt. Das Hilfskraftritzel wird über ein Untersetzungsgetriebe von einem Elektromotor getrieben.
Aus DE 10 2008 021 591 A1 ist eine elektromechanische Zahnstangenlenkung bekannt. Ein Hohlwellenmotor ist an einem Lenksäulenansatz angeordnet und wirkt über ein Untersetzungsgetriebe auf den Lenksäulenansatz oder ein Lenkritzel.
Allgemein ist es ein wichtiger Gesichtspunkt bei Hilfskraftlenkungen, dass Kräfte, die auf die Räder des Kraftfahrzeugs wirken, in geeigneter Weise an den Fahrer rückgemeldet werden. Beispielsweise soll der Fahrer am Lenkrad klar spüren können, wenn Spurrillen den Geradeauslauf das Fahrzeugs beeinträchtigen. Eine mangelnde Rückmeldung führt zu einem unbefriedigenden Fahreindruck und kann sogar die Fahrsicherheit beeinträchtigen.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die bei geringem Bauaufwand eine besonders gute Rückmeldung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen optionale Merkmale einiger Ausgestaltungen der Erfindung.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Zahnstangenlenkung gelöst, bei der ein Ritzel, das in eine Verzahnung der Spurstange eingreift, getriebelos mit dem Rotor eines Elektromotors zur Lenkkraftunterstützung verbunden ist. Bei solchen Ausführungsformen beeinflusst der Elektromotor in einem stromlosen Betriebszustand (”Freilaufbetrieb”) die Bewegung der Spurstange – und damit die Rückmeldung an den Fahrer – nicht oder nur geringfügig. Dies liegt daran, dass der getriebelos mit dem Ritzel verbundene Rotor leicht drehbar ist. Wenn dagegen ein Untersetzungsgetriebe vorhanden wäre, so würden gerade leichte Bewegungen der Spurstange durch die Reibung und das Losbrechmoment des Untersetzungsgetriebes, sowie durch das entsprechend übersetzte Trägheitsmoment des Motors, erheblich behindert werden.
Unter dem Ausdruck ”getriebelos” soll im vorliegenden Dokument insbesondere verstanden werden, dass kein Untersetzungsgetriebe zwischen den Elektromotor und das Ritzel geschaltet ist. In manchen Ausgestaltungen sind der Elektromotor und das Ritzel direkt – beispielsweise über eine starre Welle oder sogar einstückig – miteinander verbunden. Es kann jedoch auch mindestens ein Gelenk vorgesehen sein, das den Elektromotor und das Ritzel drehfest miteinander verbindet. Hierbei schließt der Ausdruck ”drehfest” im vorliegenden Dokument eine direkte Verbindung sowie eine Verbindung über mindestens ein Gelenk ein, auch wenn das Gelenk möglicherweise einen gewissen Drehwinkelfehler hervorruft.
In manchen Ausführungsformen ist das Ritzel ein Lenkritzel, das ferner getriebelos – in manchen Ausgestaltungen drehfest oder direkt – mit einer Lenksäule gekoppelt ist. Es versteht sich, auch hier eine Verbindung über Wellenstücke und/oder Gelenke erfolgen kann. Bei diesen Ausgestaltungen kann ferner eine Drehmoment-Messeinrichtung zwischen die Lenksäule und das Lenkritzel gekoppelt sein, wie dies der gegenwärtig üblichen Anordnung bei Hilfskraftlenkungen entspricht.
In anderen Ausführungsformen ist das Ritzel dagegen ein Hilfskraftritzel, das zusätzlich zu dem Lenkritzel vorgesehen ist. In diesem Fall ist in manchen Ausgestaltungen die gesamte Lenkhilfskraft-Baugruppe von dem eigentlichen Lenkgetriebe – das auf an sich bekannte Art ausgestaltet sein kann – baulich getrennt. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Flexibilität bei der Anpassung an einen vorgegebenen Bauraum.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug gelöst, bei der eine Elektromotorbaugruppe zur Lenkkraftunterstützung über ein Betätigungselement auf eine Spurstange einwirkt, wobei eine Messeinrichtung zwischen dem Betätigungselement und der Elektromotorbaugruppe angeordnet ist, um eine auf das Betätigungselement ausgeübte Kraft oder ein auf das Betätigungselement einwirkendes Moment zu messen. Mit anderen Worten ist bei diesen Ausgestaltungen die Messeinrichtung funktional der Hilfskraft-Baugruppe zugeordnet. Die sonst übliche Messeinrichtung am Lenkgetriebe kann dann in vielen Ausgestaltungen entfallen oder, wenn sie dennoch vorgesehen ist, zu einer verbesserten Messgenauigkeit oder einer erhöhten Redundanz führen.
In manchen Ausführungsformen weist die Elektromotorbaugruppe einen Elektromotor und ein Untersetzungsgetriebe auf, wobei die Messeinrichtung zwischen dem Betätigungselement und dem Untersetzungsgetriebe angeordnet ist. Diese Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass der Messweg des Messeinrichtung zumindest in einem stromlosen Betriebszustand (”Freilaufbetrieb”) der Elektromotorbaugruppe einem Freilaufbereich für die Spurstange entspricht, in dem die Bewegung der Spurstange nicht oder nur geringfügig gehemmt wird.
In manchen Ausgestaltungen weist die Messeinrichtung mindestens ein Federelement und einen Sensor auf. Das mindestens eine Federelement kann beispielsweise mindestens ein in einem Rad speichenartig ausgebildeter Steg oder mindestens ein zwischen zwei Wellenabschnitten in axialer Richtung verlaufender Steg sein.
Das Betätigungselement kann in unterschiedlichen Ausführungsformen ein Ritzel – insbesondere ein Lenkritzel oder ein Hilfskraftritzel – oder eine Kugelumlaufmutter sein oder aufweisen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten schematischen Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1A und 1B je eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
1C eine Ansicht schräg von oben und vorne auf das erste Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange und normal zu Lenksäule,
1D eine Seitenansicht auf das erste Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange und normal zur Lenksäule,
2A und 2B je eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
2C eine Vorderansicht auf das zweite Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange,
2D eine Seitenansicht auf das zweite Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange,
3A eine perspektivische Ansicht einer in ein Gehäuse eingebauten Lenkung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
3B eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 3A in einer Richtung normal zur Spurstange,
3C eine Rückansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 3A in einer Richtung normal zur Spurstange,
4A eine perspektivische Ansicht einer in ein Gehäuse eingebauten Lenkung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4B eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 4A in einer Richtung normal zur Spurstange,
4C eine Rückansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 4A in einer Richtung normal zur Spurstange,
5A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem vierten Ausführungsbeispiel,
5B eine Draufsicht auf das vierte Ausführungsbeispiel in einer Richtdng normal zur Spurstange,
5C eine Ansicht schräg von unten auf das vierte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange,
5D eine Seitenansicht auf das vierte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange,
6A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem fünften Ausführungsbeispiel,
6B eine Draufsicht auf das fünfte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange,
6C eine Vorderansicht des fünften Ausführungsbeispiels in einer Richtung normal zur Spurstange,
7A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem sechsten Ausführungsbeispiel,
7B eine Ansicht schräg von oben und vorne auf das sechste Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange und normal zu Lenksäule,
7C eine Ansicht schräg von oben und hinten auf das sechste Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Lenksäule, in Blickrichtung des Fahrers,
8A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem siebten Ausführungsbeispiel,
8B eine Ansicht schräg von oben und vorne auf das siebte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange und normal zu Lenksäule,
8C eine Ansicht schräg von oben und hinten auf das siebte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Lenksäule,
9A eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem achten Ausführungsbeispiel,
9B eine Draufsicht auf das achte Ausführungsbeispiel in einer Richtung normal zur Spurstange,
9C eine Seitenansicht auf das achte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Spurstange,
10A und 10B je eine perspektivische Ansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem neunten Ausführungsbeispiel,
10C eine Ansicht schräg von unten und vorne auf das neunte Ausführungsbeispiel in einer Richtung entlang der Lenksäule, entgegen der Blickrichtung des Fahrers,
11A eine Schnittansicht von Bauteilen einer Lenkung in einem zehnten Ausführungsbeispiel entlang der Mittelachse der Spurstange, wie als Schnitt A-A in 11B eingezeichnet,
11B einen Querschnitt des zehnten Ausführungsbeispiels,
11C eine vergrößerte Darstellung des in 11A mit dem Kreis C markierten Bereichs,
11D eine Seitenansicht des zehnten Ausführungsbeispiels in einer Richtung normal zur Spurstange,
11E eine auseinandergezogene Darstellung von Bauteilen des zehnten Ausführungsbeispiels, und
11F eine vergrößerte Darstellung des in 11E mit dem Kreis F markierten Federpakets.
1A–1D zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Spurstange 10 in einem Bereich 12, der sich nahe einer Lenksäule (nicht dargestellt) befindet, eine Verzahnung 14 aufweist. Ein Lenkritzel 16 kämmt mit dieser Verzahnung 12. Es versteht sich, dass die Verzahnung 14 und das Lenkritzel 16 in einer Vielzahl unterschiedlicher Bauformen ausgestaltet sein können. Während 1A–1D eine einfache Ausgestaltung einer Zahnstangenlenkung zeigen, sind in Ausführungsalternativen progressive Lenkungen – beispielsweise gemäß EP 1 841 635 B1 – vorgesehen, bei denen die Verzahnung 14 und das Lenkritzel 16 komplex geformt sind und gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehen.
Das Lenkritzel 16 ist mit einem Lenkwellenteil 18 verbunden oder als Verzahnung an dem Lenkwellenteil 18 ausgeformt. Das Lenkwellenteil 18 ist seinerseits in an sich bekannter Weise – beispielsweise über ein Kreuzgelenk (nicht gezeigt) – mit der Lenksäule gekoppelt. Das Lenkwellenteil 18 weist eine Drehmoment-Messeinrichtung 20 auf, die auf das über die Lenksäule eingesteuerte Lenkmoment anspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Drehmoment-Messeinrichtung 20 als ein rohrförmiger Bereich des Lenkwellenteils 18 ausgestaltet, der Einschnitte 22 aufweist, zwischen denen dünne Stege des Lenkwellenteils 18 in axialer Richtung verlaufen. Diese Stege biegen sich in Abhängigkeit von dem Lenkmoment, so dass sich der dem Lenkritzel 16 zugewandte Abschnitt des Lenkwellenteils 18 gegenüber dem der Lenksäule zugewandten Abschnitt verdreht. Ein (nicht gezeigter) Sensor misst die Verdrehung und erzeugt ein entsprechendes Messsignal, das von einer Steuerelektronik (nicht gezeigt) ausgewertet wird.
Es versteht sich, dass die Drehmoment-Messeinrichtung 20 in Ausführungsalternativen anders ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann die Drehmoment-Messeinrichtung 20 in an sich bekannter Art einen Torsionsstab aufweisen, dessen durch das Lenkmoment hervorgerufene Verdrehung von einem geeigneten Sensor abgetastet wird. In weiteren Ausführungsalternativen kann die Drehmoment-Messeinrichtung 20 eine oder mehrere Federn aufweisen, die zwischen zwei Teilstücken des Lenkwellenteils 18 angeordnet sind.
Auch der (nicht gezeigte) Sensor zum Abtasten der vom Lenkmoment hervorgerufenen Verdrehung oder Relativbewegung in der Drehmoment-Messeinrichtung 20 kann auf die verschiedensten Arten ausgestaltet sein, beispielsweise als Piezo-Sensor oder als optischer Sensor oder als elektromagnetischer Sensor, der auf eine Veränderung der Abschirmung eines Permanentmagnetfeldes anspricht.
Bei der erfindungsgemäßen Lenkung ist ferner ein Elektromotor 24 zur Lenkkraftunterstützung vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel 1A–1D ist der Elektromotor 24 über eine kurze Welle 26 direkt mit dem Lenkritzel 16 verbunden. Der Elektromotor 24 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Außenläufer ausgestaltet. Ein glockenförmiger Rotor 28 weist einen äußeren Magnetring 30 und ein durchbrochenes Verbindungsrad 32 auf, das den Magnetring 30 mit der Welle 26 verbindet. Ein ringförmiger Stator 34 ist innerhalb des Magnetrings 30 angeordnet und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen inneren Statorring 36 mit einer Vielzahl von Magnetwicklungen 38 auf.
Ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist, dass der Rotor 28 über die Welle 26 – oder in Ausführungsalternativen ein anderes Verbindungsstück oder einen einstückigen Fortsatz – getriebelos mit dem Lenkritzel 16 gekoppelt ist. Diese Ausgestaltung hat den erheblichen Vorteil, dass der Elektromotor 24 im Freilauf einer Bewegung der Spurstange 10 kaum einen Widerstand entgegensetzt und somit eine hervorragende Rückmeldung von Fahrbahneinflüssen an die Lenksäule – und über das Lenkrad an den Fahrer – gestattet.
Es versteht sich, dass der Elektromotor 24 in unterschiedlicher Art ausgestaltet sein kann. Neben der bisher beschriebenen Konstruktion als Außenläufer sind auch Ausgestaltungen als Scheibenläufer oder Innenläufer vorgesehen. Der Elektromotor 24 kann bürstenlos oder mit Schleifbürsten ausgestaltet sein, und die Magnetwicklungen können Teil des Rotors und/oder Teil des Stators sein. Wünschenswert sind in vielen Ausgestaltungen ein ausreichend hohes Drehmoment bei möglichst geringem Gewicht und geringen Kosten sowie ein möglichst kleines Trägheitsmoment.
Es versteht sich, dass der Elektromotor 24 geeignet dimensioniert sein muss, um die gewünschte Lenkkraftunterstützung auch ohne Untersetzungsgetriebe zu leisten. Dies wird insbesondere durch die Kombination eines relativ großen Rotordurchmessers mit einem relativ kleinem Ritzel – hier dem Lenkritzel 16 – erreicht. Beispielsweise kann in manchen Ausgestaltungen eine seitlich auf die Spurstange 10 wirkende Lenkkraft von ungefähr 3.000 N wünschenswert sein. Wenn davon ungefähr 1.500 N als Handmoment über das Lenkrad eingesteuert werden, verbleiben ungefähr 1.500 N, die der Elektromotor 24 bereitstellen muss. Bei einem typischen Drehmoment des Elektromotors 24 im Bereich von 9–22 Nm steht diese Kraft zur Verfügung, wenn das Ritzel – hier das Lenkritzel 16 – einen Radius im Bereich von 6–15 mm aufweist.
Das gerade genannte Drehmoment in der Größenordnung von 9–22 Nm kann beispielsweise von einem Elektromotor 24 erzeugt werden, der einen Durchmesser von ungefähr 20 cm und 4 cm Höhe aufweist. Der Elektromotor 24 kann beispielsweise eine Betriebsspannung von 12 V oder 24 V oder 70 V oder 200 V oder 400 V und eine maximale Leistungsaufnahme von 3 kW aufweisen. Allgemein kann der Durchmesser des Rotors – beispielsweise des Rotors 28 – um mindestens den Faktor 5 oder 10 oder 15 größer als der Durchmesser des an den Elektromotor 24 angeschlossenen Ritzels – hier des Lenkritzels 16, aber in anderen Ausführungsformen auch eines Hilfskraftritzels – sein.
Bei dem in 1A–1D gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein einziges Ritzel – nämlich das Lenkritzel 16 – vorgesehen, auf das sowohl das Handmoment des Fahrers als auch das Hilfskraftmoment des Elektromotors 24 einwirken. Diese Ausgestaltung ist besonders bauteilsparend und damit kostengünstig. In anderen Ausführungsformen sind dagegen getrennte Baugruppen für das Handmoment bzw. das Hilfskraftmoment vorgesehen, wie dies beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A–2D gezeigt ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A–2D weist die Spurstange 10 zwei Bereiche 12, 40 mit Verzahnungen 14, 42 auf. Der erste Bereich 12 entspricht dem bereits oben im Zusammenhang mit 1A–1D beschriebenen Bereich, in den das Lenkritzel (in 2A–2D nicht gezeigt) eingreift. Davon getrennt ist der zweite Bereich 40 mit der Verzahnung 42 vorgesehen. Ein Hilfskraftritzel 44 kämmt mit der Verzahnung 42. Der Elektromotor 24 ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel über die Welle 26 mit dem Hilfskraftritzel 44 verbunden. Auch hier wirkt somit die vom Elektromotor 24 bereitgestellte Hilfslenkkraft direkt – ohne Untersetzungsgetriebe – auf die Spurstange 10.
Die Ausgestaltung gemäß 2A–2D ist etwas aufwendiger als die oben beschriebene Ausgestaltung gemäß 1A–1D, aber sie erhöht die Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten. Insbesondere kann eine bereits bestehende Bauform des Lenkgetriebes unverändert beibehalten werden, und die Hilfskraftbaugruppe kann, je nach dem verfügbaren Bauraum, an einer geeigneten Stelle entlang der Spurstange 10 und in einer geeigneten Orientierung angebracht werden. Wegen des relativ großen Elektromotors 24 kann diese flexiblere Anpassbarkeit der Konstruktion an gegebene Bauraumverhältnisse einen erheblichen Vorteil darstellen.
3A–3C zeigen Außenansichten der in Gehäuse eingebauten Ausführung gemäß 2A–2D. Insbesondere befindet sich die Spurstange 12 in einem Spurstangengehäuse 46, und der Elektromotor 24 befindet sich in einem Motorgehäuse 48. Ferner ist ein Gehäuse 50 für das Lenkgetriebe – insbesondere das Lenkritzel 16 – und die Drehmoment-Messeinrichtung 20 vorgesehen.
Es versteht sich, dass diverse Abwandlungen der bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich sind, um die Konstruktion an den verfügbaren Bauraum anzupassen. So ist beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A–2D die Weile 26, die den Rotor 28 des Elektromotors 24 mit dem Hilfskraftritzel 44 verbindet, relativ kurz. Insbesondere in Ausgestaltungen, bei denen der Elektromotor 24 unterhalb der Spurstange 10 angeordnet ist, kann es wünschenswert sein, diese Welle 26 zu verlängern. Auf diese Weise kann ein niedrigerer Schwerpunkt der Lenkung – und somit des gesamten Kraftfahrzeuges – erhalten werden, und das Motorgehäuse 48 kann bis zu einem geeigneten Befestigungspunkt z. B. einem Querträger des Kraftfahrzeuges – verschoben werden.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 4A–4C gezeigt. Das Motorgehäuse 48 weist hierbei ein langgezogenes Verbindungsstück 52 zum Spurstangengehäuse 46 auf, um die verlängerte Welle 26 aufzunehmen. Da das Motorgehäuse 48 in der Ausgestaltung gemäß 4A–4C nach unten weist, ergibt sich ein besonders tiefer Schwerpunkt. Dies ist insbesondere für Sport- und Rennfahrzeuge wichtig. Das durch den Elektromotor 24 bedingte Gewicht ist im Rennbetrieb in der Regel unproblematisch, weil Rennfahrzeuge normalerweise Ausgleichsgewichte aufweisen, die bei einem schweren – aber schwerpunktmäßig vorteilhaft angeordneten – Elektromotor 24 entsprechend leichter ausgestaltet werden können.
5A–5D zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der der Rotor 28 des Elektromotors 24 mit dem Hilfskraftritzel 44 über ein Kreuzgelenk 54 verbunden ist. Der auftretende Kreuzgelenkfehler des Kreuzgelenks 54 kann durch eine geeignete Motorsteuerung des Elektromotors 24 ausgeglichen werden. Auch bei diesen Ausgestaltungen wird im vorliegenden Dokument von einer getriebelosen und drehfesten Verbindung zwischen dem Rotor 28 und dem Hilfskraftritzel 44 gesprochen.
Die Welle 26 ist in der Ausgestaltung gemäß 5A–5D auf zwei Ansatzstücke 56, 58 reduziert. In weiteren Abwandlungen können zusätzlich zum Kreuzgelenk 54 auch eine verlängerte Welle 26 (ähnlich wie in 4A–4C) und/oder weitere Gelenke und/oder weitere Verbindungsstücke vorgesehen sein. Allgemein wird es in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen lediglich als wichtig erachtet, dass keine oder nur eine geringfügige Untersetzung des Motormoments erfolgt, um die Spurstange 10 bei einem Freilauf des Elektromotors 24 möglichst wenig zu beeinflussen.
In den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen war die Drehmoment-Messeinrichtung 20 der Lenksäule zugeordnet und in das Lenkwellenteil 18 zwischen dem Lenkritzel 16 und der Lenksäule integriert. Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß einem weiteren. Aspekt der Erfindung beschrieben, bei denen eine Messeinrichtung – die beispielsweise als Drehmoment-Messeinrichtung oder als Messeinrichtung für eine translatorische Bewegung ausgestaltet sein kann – der Lenkkraftunterstützungs-Baugruppe zugeordnet ist. Bei diesen Ausgestaltungen ist allgemein eine Elektromotorbaugruppe zur Lenkkraftunterstützung vorgesehen. Diese Elektromotorbaugruppe weist in manchen Ausgestaltungen lediglich einen Elektromotor – wie oben beschrieben – auf. In anderen Ausführungsformen sind dagegen ein Elektromotor und ein damit verbundenes Untersetzungsgetriebe als Elektromotorbaugruppe vorgesehen.
Die Ausführungsform gemäß 6A–6C ähnelt der Ausgestaltung gemäß 2A–2D. In beiden Fällen sind eine Spurstange 10 mit zwei verzahnten Bereichen 12, 40 und entsprechend zwei Verzahnungen 14, 42 vorgesehen. Eine als getriebeloser Elektromotor 24 ausgestaltete Elektromotorbaugruppe 60 wirkt über ein Betätigungselement 62 – hier als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltet – auf die Verzahnung 42 des zweiten Bereichs 40 der Spurstange 10 ein. Die zwischen der Elektromotorbaugruppe 60 und dem Betätigungselement 62 auftretenden Kräfte oder Momente werden von einer Messeinrichtung 64 gemessen.
Im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsrad 32, das den äußeren Magnetring 30 des Rotors 28 mit der Welle 26 und dem Hilfskraftritzel 44 verbindet, als Messeinrichtung 64 ausgestaltet, die auf ein Drehmoment zwischen dem Hilfskraftritzel 44 und dem äußeren Magnetring 30 anspricht. Genauer weist das Verbindungsrad 32 mehrere kreissektorförmige Einschnitte 66 aus, die jeweils einen ebenfalls kreissektorförmigen Radscheibenabschnitt 68 definieren. Zwischen den Einschnitten 66 sind dünne, speichenartige Stege 70 im Verbindungsrad 32 ausgebildet. Die Stege 70 verbinden einen inneren Nabenbereich 72 mit einem äußeren Randbereich 74 des Verbindungsrades 32.
In dem in 6A–6C gezeigten unbelasteten Zustand verläuft jeder Steg 70 geradlinig und mittig zwischen je zwei Radscheibenabschnitten 68. Wenn sich dagegen, beispielsweise durch eine Spurrille, die Spurstange 10 etwas nach rechts (in der Orientierung von 6A–6C) verschiebt, so dreht sich das als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltete Betätigungselement 62 geringfügig gegen den Uhrzeigersinn. Der Nabenbereich 72 und die Radscheibenabschnitte 68 folgen dieser Drehbewegung. Wegen der Masseträgheit des Rotors 28 folgt dieser jedoch der Drehbewegung nicht unmittelbar, so dass der äußere Randbereich 74 zunächst ortsfest bleibt. Die Stege 70 verbiegen sich daher geringfügig, und ein geeigneter Sensor (nicht gezeigt) misst die relative Drehbewegung zwischen der Welle 26 und dem Nabenbereich 72 einerseits sowie dem Randbereich 74 und dem äußeren Magnetring 30 andererseits.
Die maximale Biegung der Stege 70 ist durch einen Anschlag der Stege 70 an den jeweils im Uhrzeigersinn angrenzenden Radscheibenabschnitten 68 (bei einer Drehung des Nabenbereichs 72 gegen den Uhrzeigersinn) bzw. durch einen Anschlag der Stege 70 an den jeweils entgegen dem Uhrzeigersinn angrenzenden Radscheibenabschnitten 68 (bei einer Drehung des Nabenbereichs 72 im Uhrzeigersinn) definiert. Die einer Drehung entgegenwirkende Federkraft wird insbesondere durch die Breite und Dicke der Stege 70 sowie durch deren Anzahl bestimmt. Es versteht sich, dass in Ausführungsalternativen statt der in 6A–6C gezeigten sechs Stege 70 mehr oder weniger Stege vorgesehen sein können.
Der (nicht gezeigte) Sensor zur Messung der Drehbewegung kann – ähnlich wie der Sensor der Drehmoment-Messeinrichtung 20 der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele – auf unterschiedliche Weisen ausgestaltet sein. Beispielsweise kann ein Piezo-Sensor oder ein optischer Sensor oder ein Magnetsensor oder ein Widerstandssensor oder ein Hochfrequenz-Abstandssensor verwendet werden.
Insgesamt entspricht bei einem Leerlauf der Elektromotorbaugruppe 60 der von der Messeinrichtung 64 bestimmte Messwert somit dem auf das Betätigungselement 62 ausgeübten Drehmoment – oder in anderen Ausgestaltungen der auf das Betätigungselement 62 ausgeübten Kraft – gegenüber der Masseträgheit und dem Losbrechmoment der Elektromotorbaugruppe 60. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6A–6C ist dieses Gegenmoment relativ gering, weil der Rotor 28 direkt – insbesondere getriebelos – mit dem Betätigungselement 62 gekoppelt ist. Es sind jedoch auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Elektromotorbaugruppe 60 neben dem eigentlichen Elektromotor 24 ein Untersetzungsgetriebe aufweist.
Bei Ausgestaltungen mit Untersetzungsgetriebe ist das Gegenmoment im stromlosen Betrieb (”Freilauf”) des Elektromotors deutlich höher, weil erstens das Losbrechmoment des Untersetzungsgetriebes überwunden werden muss und sich zweitens die Masseträgheit des Rotors mit dem Untersetzungsfaktor multipliziert.
In diesen Ausgestaltungen ist es besonders vorteilhaft, die Messeinrichtung 64 zwischen das Betätigungselement 62 und das Untersetzungsgetriebe der Elektromotorbaugruppe 60 zu schalten, weil dann der für die Messung benötigte Drehwinkel der Messeinrichtung 64 einen Freilaufbereich für das Betätigungselement 62 mit sehr geringem Gegenmoment darstellt. Wenn beispielsweise bei der Ausgestaltung gemäß 6A–6C der Biegebereich der Stege 70 bis zum Anschlag an die jeweils angrenzenden Radscheibenabschnitte 68 in jede Richtung 5° beträgt, so erfolgt zumindest bei Geradeausfahrt eine hervorragende Rückmeldung von Spurrillen oder sonstigen Fahrbahneigenschaften. Für diese Rückmeldung ist nämlich nur eine ungehinderte Bewegung der Spurstange 10 um wenige Millimeter oder sogar weniger als einen Millimeter (z. B. maximal 4 mm oder maximal 2 mm) erforderlich. Das Hilfskraftritzel 44, das sich wegen der Biegung der Stege 70 ohne Bewegung des Untersetzungsgetriebes und Rotors 28 in jeder Richtung um z. B. 5° bewegen kann, lässt eine derartige Verschiebung der Spurstange 10 ohne weiteres zu.
Es versteht sich, dass die Ausgestaltung mit einer Elektromotorbaugruppe 60 und einer dieser Baugruppe zugeordneten Messeinrichtung 64 auch in Ausführungsformen vorgesehen sein kann, bei denen das Betätigungselement 62 nicht als Hilfskraftritzel 44, sondern als Lenkritzel 16 ausgestaltet ist. Eine derartige Ausführungsform, die eine Abwandlung der Ausgestaltung nach 1A–1D ist, ist in 7A–7C gezeigt.
An einem mit der Lenksäule (nicht dargestellt) verbundenen Lenkwellenteil 18 ist in der Ausführungsform nach 7A–7C das Lenkritzel 16 als Betätigungselement 62 ausgeformt. Das Lenkritzel 16 ist ferner mit der als Elektromotor 24 ausgebildeten Elektromotorbaugruppe 60 über eine Welle 26 verbunden. Die Welle 26 weist eine Messeinrichtung 64 auf, die ähnlich wie die Drehmoment-Messeinrichtung 30 gemäß 1A–1D ausgebildet ist, aber nicht lenksäulenseitig, sondern zwischen dem Lenkritzel 16 und dem Elektromotor 24 angeordnet ist.
Es versteht sich, dass die Ausführungsform nach 7A–7C wahlweise auch mit einer in das Verbindungsrad 32 integrierten Messeinrichtung 64 – ähnlich wie in 6A–6C gezeigt – ausgestaltet sein kann. Eine derartige Ausgestaltung ist in 8A–8C dargestellt. Die Radscheibenabschnitte 68 sind hier zur Materialersparnis V-förmig ausgebildet, wobei die Schenkel des ”V” Anschläge zur Begrenzung der maximalen Biegung der Stege 70 bilden.
In einer weiteren Abwandlung kann bei der Ausführungsform gemäß 6A–6C eine verlängerte Welle 26 mit einer in die Welle 26 integrierten Messeinrichtung 64 – wie in 7A–7C gezeigt – vorgesehen sein. Das Verbindungsrad 32 braucht dann keine Biegeabschnitte aufzuweisen.
Wie bereits erwähnt, kann als Abwandlung der Ausführungsformen nach 6A–6C, 7A–7C und 8A–8C die Elektromotorbaugruppe 60 mit einem Untersetzungsgetriebe ausgestattet sein.
Die Ausgestaltung gemäß 9A–9C ist eine Abwandlung der Ausführungsform nach 6A–6C. Die Elektromotorbaugruppe 60 weist hier einen Elektromotor 24 beliebiger Bauart auf, der über ein Untersetzungsgetriebe 76 und eine Messeinrichtung 64 auf das Betätigungselement 62 – das hier als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltet ist – wirkt. Das Untersetzungsgetriebe 76 kann beispielsweise als Getriebe mit einem Schneckenrad oder Kegelrad oder konischem Schraubrad oder als Crown-Gear-Getriebe ausgestaltet sein.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 9A–9C weist das Untersetzungsgetriebe 76 ein mit dem Elektromotor 24 direkt verbundenes Kegelrad 80 sowie das Rad 78 mit einer ebenfalls kegelförmigen Verzahnung auf. In dem Rad 78 ist – ähnlich wie in dem Verbindungsrad 32 gemäß 6A–6C – eine Scheibe mit mehreren speichen artigen Stegen 70 und mehreren als seitliche Anschläge wirkenden Radscheibenabschnitten 68 ausgebildet. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 6A–6C misst ein Sensor 71 die seitliche Verbiegung der Stege 70. Das Messergebnis entspricht dem durch die Spurstange 10 auf das Betätigungselement 62 eingesteuerten Drehmoment gegen die Trägheit und das Losbrechmoment der Elektromotorbaugruppe 60, also im vorliegenden Fall des Elektromotors 24 mit dem Untersetzungsgetriebe 76.
Auch bei der hier dargestellten Ausführungsformist es vorteilhaft, die Messeinrichtung 64 funktional zwischen das Betätigungselement 62 – das hier als Hilfskraftritzel 44 ausgestaltet ist – und das Untersetzungsgetriebe 76 zu schalten, damit der nur durch die Rückstellkraft der Stege 70 belastete Freilaufbereich der Messeinrichtung 64 unmittelbar zu einem entsprechenden Freilaufbereich des Hilfskraftritzels 44 führt.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist eine Ausgestaltung ähnlich wie in 9A–9C in die Lenkgetriebeeinheit integriert. Diese Ausführungsvariante, die in 10A–10C gezeigt ist, entspricht somit einer Kombination der räumlichen Anordnung gemäß 8A–8C mit einer Elektromotorbaugruppe 60 und einer Messeinrichtung 64 gemäß 9A–9C. Als Betätigungselement 62 dient hier das Lenkritzel 16. Wieder ist die Messeinrichtung 64 funktional zwischen das Betätigungselement 62 und das Untersetzungsgetriebe 76 geschaltet. Das Lenkwellenteil 18 weist keine Torsionselemente auf und sorgt somit für eine direkte Verbindung zwischen dem Lenkritzel 16 und der Steuersäule. Neben der Bauteilersparnis ergibt sich hierdurch ein besonders direktes Lenkgefühl mit ausgezeichneten Rückmeldeeigenschaften.
11A–11F zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Spurstange 10 statt der Verzahnung 14 ein Schraubengewinde 82 für eine Kugelumlaufmutter 84 aufweist. Die Kugelumlaufmutter 84 ist mittels zweier Federpakete 86, 88 axial schwimmend in einem Gehäuse 90 gehalten. Das Gehäuse 90 weist einen ersten und einen zweiten Teil 92, 94 auf, die fest miteinander verbunden sind. Der erste Teil 92 des Gehäuses 90 ist mit einer Verzahnung 96 für einen Zahnriemen (nicht gezeigt) versehen, über den das Gehäuse 90 von einer (nicht gezeigten) Elektromotorbaugruppe angetrieben wird.
Wie insbesondere aus 11E und 11F hervorgeht, greifen Federfaschen 98 der Federpakete 86, 88 drehfest in Ausnehmungen 100 der Kugelumlaufmutter 84 sowie (nicht gezeigt) der beiden Gehäuseteile 92, 94 ein. Die Kugelumlaufmutter 84 wird somit drehfest, aber axial schwimmend, im Gehäuse 90 gehalten. Eine Drehbewegung des Gehäuses 90 überträgt sich daher auf die Kugelumlaufmutter 84, die ihrerseits die Spurstange 10 in axialer Richtung – je nach dem Drehsinn der Kugelumlaufmutter 84 nach rechts oder links – drängt.
Die in axialer Richtung nachgiebigen Federlaschen 98 der Federpakete 86, 88 lassen eine gewisse axiale Relativbewegung zwischen der Kugelumlaufmutter 84 und dem Gehäuse 90 zu, die von einem (nicht gezeigten) Sensor gemessen wird. Innerhalb des Federweges ist somit der Messwert des Sensors ungefähr proportional zu der axial zwischen dem Gehäuse 90 und der Spurstange 10 wirkenden Kraft. Da die Messung in Querrichtung des Fahrzeugs erfolgt, sollten auftretende Quer- oder Gear-Kräfte möglichst zur Korrektur des Messwertes berücksichtigt werden.
Insgesamt bildet somit bei der Ausgestaltung gemäß 11A–11F die Kugelumlaufmutter 84 das Betätigungselement 62, während die Federpakete 86, 88 – zusammen mit dem nicht gezeigten Sensor – die Messeinrichtung 64 bilden. Die Elektromotorbaugruppe 60 kann einen Elektromotor beliebiger Bauart aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Lenkung mit elektromotorischer Lenkkraftunterstützung kann sowohl für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor als auch für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ergibt sich der Vorteil, dass der Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung ohne weitere Energieverteilungsmaßnahmen aus derselben Stromquelle wie der Haupt-Antriebsmotor des Fahrzeugs gespeist werden kann. Der Grund hierfür ist, dass starke Lenkeinschläge, die eine starke Unterstützung durch den Hilfskraftmotor erfordern, nur bei niedrigen Geschwindigkeiten – also geringer Belastung des Haupt-Antriebesmotors – auftreten. Umgekehrt erfolgen bei hoher Belastung des Haupt-Antriebsmotors – also hoher Geschwindigkeit oder starker Beschleunigung – keine starken Lenkeinschläge, so dass der Hilfskraftmotor keine oder allenfalls geringe Leistung benötigt.
Die in der obigen Beschreibung genannten und in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten sollen nicht als Einschränkung des Erfindungsbereichs, sondern als Beispiele einiger Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden. Weitere Abwandlungen sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich. So können insbesondere Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu erhalten. Der Erfindungsbereich soll demgemäß nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern durch die Ansprüche und ihre Äquivalente definiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Spurstange
12: (erster) Bereich
14: (erste) Verzahnung
16: Lenkritzel
18: Lenkwellenteil
20: Drehmoment-Messeinrichtung
22: Einschnitt
24: Elektromotor
26: Welle
28: Rotor
30: äußerer Magnetring
32: Verbindungsrad
34: Stator
36: innerer Statorring
38: Magnetwicklung
40: (zweiter) Bereich
42: (zweite) Verzahnung
44: Hilfskraftritzel
46: Spurstangengehäuse
48: Motorgehäuse
50: Gehäuse für Lenkgetriebe und Drehmoment-Messeinrichtung
52: Verbindungsstück
54: Kreuzgelenk
56, 58: Ansatzstück
58: Ansatzstück
60: Elektromotorbaugruppe
62: Betätigungselement
64: Messeinrichtung
66: Einschnitt
68: Radscheibenabschnitt
70: Steg
71: Sensor
72: Nabenbereich
74: Randbereich
76: Untersetzungsgetriebe
78: Rad
80: Kegelrad
82: Schraubgewinde
84: Kugelumlaufmutter
86, 88: Federpaket
90: Gehäuse
92, 94: Gehäuseteil
96: Verzahnung
98: Federlaschen
100: Ausnehmung,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3911088 A1 [0002]
DE 102008021591 A1 [0003]
EP 1841635 B1 [0052]

Claims

Lenkung für ein Kraftfahrzeug, mit: – einem Elektromotor (24) zur Lenkkraftunterstützung, der einen mit einem Ritzel (16, 44) gekoppelten Rotor (28) aufweist, – einer Spurstange (10), die eine Verzahnung (14, 42) aufweist, in die das Ritzel (16, 44) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ritzel (16, 44) getriebelos mit dem Rotor (28) des Elektromotors (24) verbunden ist.
Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (16, 44) und der Rotor (28) des Elektromotors (24) durch mindestens eine Welle (26) und/oder mindestens ein Gelenk (54) drehfest miteinander verbunden sind.
Lenkung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (16, 44) ein Lenkritzel (16) ist, das getriebelos mit einer Lenksäule gekoppelt ist.
Lenkung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmoment-Messeinrichtung (20) zwischen die Lenksäule und das Lenkritzel (16) gekoppelt ist.
Lenkung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (16, 44) ein Hilfskraftritzel (44) ist, und dass die Lenkung ferner ein Lenkritzel (16) aufweist, das in eine weitere Verzahnung (14) der Spurstange (10) eingreift.
Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotors (28) um einen Faktor 5 oder einen Faktor 10 oder einen Faktor 15 größer ist als der Durchmesser des Ritzels (16, 44).
Lenkung für ein Kraftfahrzeug, mit: – einer Spurstange (10), und – einer Elektromotorbaugruppe (60) zur Lenkkraftunterstützung, die über ein Betätigungselement (62) auf die Spurstange (10) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Messeinrichtung (64) zwischen dem Betätigungselement (62) und der Elektromotorbaugruppe (60) angeordnet ist, um eine auf das Betätigungselement (62) ausgeübte Kraft oder ein auf das Betätigungselement (62) einwirkendes Moment zu messen.
Lenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotorbaugruppe (60) einen Elektromotor (24) und ein Untersetzungsgetriebe aufweist, und dass die Messeinrichtung (64) zwischen dem Betätigungselement (62) und dem Untersetzungsgetriebeangeordnet ist.
Lenkung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (64) mindestens ein Federelement (70, 86, 88) aufweist, und dass ein Sensor zur Abtastung der Verformung des mindestens einen Federelements (70, 86, 88) oder einer damit verbundenen Bewegung vorgesehen ist.
Lenkung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (70, 86, 88) mindestens ein in einem Rad (32, 78) speichenartig ausgebildeter Steg (70) oder mindestens ein zwischen zwei Wellenabschnitten axial verlaufender Steg ist.
Lenkung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (62) ein Ritzel (16, 44), insbesondere ein Lenkritzel (16) oder ein Hilfskraftritzel (44), ist.
Lenkung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (64) dazu eingerichtet ist, ein zwischen dem Ritzel (16, 44) und der Elektromotorbaugruppe (60) wirkendes Drehmoment zu messen.
Lenkung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (62) eine Kugelumlaufmutter (84) ist.
Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem der Ansprüche 7 bis 13.