DE10310497A1 - Lenksystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem, insbesondere eine Servolenkung, für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkhandhabe zur Verschwenkung eines lenkbaren Rades. Das Rad ist gelenkig mit einem verlagerbaren Bauelement, das vorzugsweise eine Schubstange (12) ist, eines Getriebes, das vorzugsweise ein Kugelumlaufgetriebe (13) ist, verbunden. Um einen geräuscharmen Antrieb des Getriebes (13) durch einen elektrischen Servomotor (6) zu ermöglichen, ist vorgesehen, auf einer Motorwelle (5) des elektrischen Servomotors (6) eine erste Riemenscheibe (4) anzuordnen, die mit einer zweiten, eingangsseitigen Riemenscheibe (8) des Getriebes (13) über einen Verbundkeilriemen (7) zum Antrieb des verlagerbaren Bauelementes (12) verbunden ist, wobei zumindest eine (4) der beiden Riemenscheiben (4, 8) mehrrillig ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lenksystem, insbesondere ein Servolenksystem, für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die DE 100 52 275 A1 beschreibt ein Lenksystem, das als Servolenkung für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist, wobei eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe zur Verschwenkung eines lenkbaren Rades dient. Das Rad ist gelenkig in bekannter Weise mit Radlenkhebeln und Spurstangen mit einem verlagerbaren Bauelement, wie etwa einer Schub- oder Zahnstange, eines Getriebes, wie etwa einem Kugelumlaufgetriebe, verbunden. Ein elektrischer Servomotor ist antriebsmäßig mit dem verlagerbaren Bauelement des Getriebes verbunden. Zur spielfreien Verbindung des elektrischen Servomotors mit dem Getriebe dient eine Riemenscheibe an der Motorwelle des Servomotors, die mit einer eingangsseitigen Riemenscheibe an dem Getriebe über einen Zahnriemen wirkverbunden ist.
• Die Geräuschemission eines solchen Zahnriementriebes ist nicht minimiert. Zudem können bei dieser formschlüssigen, spielfreien Betrieblichen Verbindung von Servomotor und Getriebe durch insbesondere stochastische Einleitung von radseitigen Lasten Schäden an Elementen des Lenksystems und insbesondere an dem Servomotor entstehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem anzugeben, dessen Geräuschemission bei hoher Betriebssicherheit minimiert ist.
• Die Aufgabe wird mit einem Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Dadurch, dass der vorzugsweise absätzig betriebene elektrische Servomotor vorzugsweise direkt auf seiner Motorwelle eine erste Riemenscheibe trägt, die mit der zweiten, eingangsseitigen Riemenscheibe des Getriebes über einen Verbundkeilriemen verbunden ist, wird ein Riementrieb gebildet, der sehr geräuscharm und vibrationsfrei ist. Diese mit Hilfe des Verbundkeilrippenriemens bewerkstelligte Kraftübertragung von dem Servomotor auf das Getriebe ermöglicht eine hohe Leistungsübertragung, einen geringen Bauraumbedarf für den Riementrieb.
• Die Riemenscheiben sind derart gestaltet, dass zumindest eine der beiden Riemenscheiben mehrrillig ausgebildet ist. Vorzugsweise ist aber eine der Riemenscheiben rillenlos gestaltet. Dadurch wird ein Riementrieb geschaffen, der eine kraftschlüssige und dennoch einen definierten Schlupf ermöglichende Kraftübertragung ermöglicht und zudem eine sehr effektive Kompensation von unter Umständen die Elemente des Lenksystems und den Servomotor schädigenden Lasten erreicht.
• Die hier einzusetzenden Verbundkeilriemen sind vorzugsweise Riemen in Form von Verbund-Schmalkeilriemen oder Keilrippenriemen. Sie bestehen u.a. aus einem endlosen Zugstrang von Polyester- oder Polyamidcord oder dergleichen, mit hoher Festigkeit und geringer Dehnung zwischen einer verschleißfesten Deckschicht aus Polyester und parallel zur Laufrichtung verlaufenden Schmalkeilen bzw. Rippen. Diese sind im Unterbau des Verbundkeilriemens angeordnet und aus einem Elastomer-Werkstoff, wie Polychloropren ausgebildet und gewährleisten bei gutem Kraftschluss eine gleichmäßige Kraftübertragung über die gesamte Riemenbreite. Das Leistungsübertragungsverhalten und die Dehnbarkeit des Verbundkeilriemens werden in erster Linie durch den Zugstrang und dem Gewebe oder den Fäden aus dem der Zugstrang gebildet ist bestimmt, wobei der Elastizitätsmodul des gesamten Riemens generell gleich dem Elastizitätsmodul des Zugstranges ist. Der Elastizitätsmodul der hier eingesetzten Riemen liegt bevorzugt bei etwa 2 400 N/mm bis 5 000 N/mm.
• Erfindungsgemäß wird zumindest eine der Riemenscheiben, vorzugsweise die Riemenscheibe, welche den größeren Durchmesser hat, insbesondere die Riemenscheibe am Eingang des Lenk-Getriebes rillenlos ausgebildet. Die andere Riemenscheine, also die kleinere, an der Motorwelle sitzende Riemenscheibe wird vorzugweise mehrrillig ausgebildet. Damit wird an der Motorwelle mit der mehrrilligen Riemenscheibe eine sehr gute form- und kraftschlüssige Verbindung erreicht, die das Motordrehmoment möglichst schlupftrei aufnimmt. An der Getriebewelle wird hingegen mit der rillenlosen Riemenscheibe eine rein kraftschlüssige Verbindung hergestellt, die einen wohl definierbaren Schlupf aufweist, um vor Überlastsitation zu schützen. Es kann aber auch zweckmäßig sein, beide Riemenscheiben rillenlos auszubilden.
• Bevorzugt sind die Riemenscheiben und die Verbundkeilriemen in einer Ebene angeordnet. Außerdem ist vorzugsweise der Riementrieb durch die Riemenspannung, die Reibpaarung von dem Verbundkeilriemen und der Oberfläche der Riemenscheiben so ausgelegt, dass das übertragbare Drehmoment etwa dem 1,2- bis 7- fachen Motormoment des Servomotors entspricht, so dass im Fehlerfall ein optimaler Schlupf zwischen Keilrippenriemen und den Riemenscheiben auftritt, um Elemente des Lenksystems, insbesondere mechanische Teile des Lenksystems vor Überbeanspruchung zu schützen. Der Keilrippenriemen kann im Spannwellenbetrieb betrieben werden, wobei vorzugsweise die Motorwelle des elektrischen Servomotors radial vorgespannt ist, oder auch im Spannrollenbetrieb, bei dem vorzugsweise auf beiden Leertrum-Seiten des Keilrippenriemes wirkende Spannrollen vorgesehen sind.
• Der erfindungsgemäße Riementrieb weist bevorzugt ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von etwa 3:1 auf und ist vorzugsweise in einem einzigen Gehäuse zusammen mit dem elektrischen Servomotor untergebracht.
• Der vorzugsweise zu verwendende Keilrippenriemen hat in einer besonders bevorzugten Bauform etwa 10 Rippen und eine Riemenbreite von etwa 25 mm, wobei genormte Profile wie PH oder PJ zum Einsatz kommen. Besonders in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die rillenlose Riemenscheibe, eine Breite aufweist, die deutlich größer, etwa um das 1,2-fache größer ist, als die Riemenbreite. Das bedeutet eine Riemenscheibe von 30 mm und mehr.
• Das Getriebe ist vorzugsweise als Kugelumlaufgetriebe ausgebildet, bei dem eine Kugelumlaufmutter in einen Gewindeabschnitt der Schubstange eingreift, wobei die zweite Riemenscheibe drehfest mit der Kugelumlaufmutter verbunden ist. Diese Anordnung eignet sich besonders gut für den Einsatz bei einem achsparallelem Hilfslenkantrieb.
• Es kann auch zweckmäßig sein, insbesondere um ein steer-by-wire Lenksystem mit einer elektromechanischen Redundanzebene darzustellen, mehrere, insbesondere zwei elektrische Servomotoren über je einen Keilrippenriemen mit Riemenscheiben des Getriebes zu verbinden.
• Die Betriebliche Verbindung des elektrischen Servomotors mit dem Getriebe über den Keilrippenriemen eignet sich bevorzugt zur Verlagerung einer Schubstange in einer Servolenkung, wobei die Riemenscheibe des Getriebes drehfest mit einer Kugelumlaufmutter verbunden ist. Es ist aber auch denkbar, den Servomotor in der Nähe der Lenksäule anzuordnen und ein Lenkritzel über ein zwei- oder mehrstufiges, erfindungsgemäßes Riemengetriebe anzutreiben.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt:
• 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Riementriebs eines Lenksystems in einer ersten Ausführungsform, bei der ein Keilrippenriemen eingesetzt ist.
• 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Riementriebs eines Lenksystems in einer zweiten Ausführungsform, bei der ein Verbund-Schmalrippenriemen eingesetzt ist und die Riemenscheibe am Eingang des Getriebes besonders breit ausgebildet ist.
• In 1 ist in einem schematischen Längsschnitt ein Teil eines Lenksystems zu sehen, das hier in Form eines elektrischen Servolenksystems 1, ausgebildet ist. Ein elektrischer Servomotor 6, der absätzig von einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert ist, weist eine auf seiner Motorwelle 5 drehfest angeordnete erste Riemenscheibe 4 auf. In dem gezeigten Aufführungsbeispiel ist die erste Riemenscheibe 4 mehrrillig mit v-förmigen, radialen Rillen ausgebildet. Die Riemenscheibe 4 der Motorwelle 5 rotiert in Abhängigkeit von der Drehrichtung des elektrischen Servomotors 6 um die Längsachse 15 der Motorwelle 5. Auf dieser Riemenscheibe 4 liegt ein Keilrippenriemen 7 mit seinem, aus einem Elastomer-Werkstoff gebildeten Rippen 11, auf. Der Keilrippenriemen 7 dient zur form- und kraftschlüssigen Leistungsübertragung des elektrischen Servomotors 6 auf eine eingangsseitige zweite Riemenscheibe 8 eines Getriebes 13.
• Das hier gezeigte Getriebe ist als Kugelumlaufgetriebe 13 ausgebildet, bei dem eine Kugelumlaufmutter 14 in einen Gewindeabschnitt der Schubstange 12 eingreift. Die zweite Riemenscheibe 8 ist dabei drehfest direkt mit der Kugelumlaufmutter 14 verbunden. Beide Riemenscheiben 4 und 8 sowie Keilrippenriemen 7 liegen in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Ebene 9, die etwa senkrecht zu der Längsachse 15 der Motorwelle 5 und der Längsachse 16 der Schubstange 2 des Getriebes 13 angeordnet ist. Die Riemenscheiben 4 und 8 sowie der Keilrippenriemen 7 bilden zusammen ein geräuscharmen Riementrieb 10.
• Die Kugelumlaufmutter 14 ist in bekannter Weise in einem nicht gezeigten Gehäuse des Lenkgetriebes gelagert und rotiert im Betrieb des Lenksystems 1 in Abhängigkeit von der Drehrichtung des elektrischen Servomotors 6 um die Schubstange 12. Die Schubstange 12 bildet ein verlagerbares Bauteil und ist in bekannter Weise in axialer Richtung verschiebbar, wodurch ein oder mehrere lenkbare Räder des Kraftfahrzeugs verschwenkt werden können.
• In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Riemenscheibe 4 mehrrillig ausgebildet, die zweite Riemenscheibe 8 jedoch weist keine Rillen auf. Es kann aber auch zweckmäßig sein, beide Riemenscheiben rillenlos auszubilden.
• Der Riementrieb 10, welcher durch die Riemenscheiben 4 und 8 sowie durch den Keilrippenriemen 7 gebildet ist, hat bevorzugt ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von 3:1 oder kleiner und ist in der Lage, bei kleinem Bauraum die zu einem Lenkvorgang erforderliche Leistung mit geringster Geräuschemission zu übertragen. Dies ist insbesondere auch dadurch ermöglichst, dass kein stetiger gleichförmiger Betrieb des elektrischen Servomotors erfolgt und das Riementrieb 10 zwischen dem elektrischen Servomotor 6 und dem Getriebe 13 allein als Verbundkeilriementrieb, ohne weitere mechanische Getriebestufen, ausgebildet ist.
• Der Keilrippenriemen 7 ist mit seinem kraftschlüssigen Eingriff in der Lage, u. U. schädigende Lastspitzen von dem lenkbaren Rad auf den elektrischen Servomotor 6 durch Schlupf zu kompensieren. Der Schlupf tritt zuerst auf der rillenlosen Riemenscheibe, hier also auf der zweiten Riemenscheibe 8, auf und kann daher sehr präzise eingestellt werden.
• Bevorzugt weist der Keilrippenriemen 7 etwa zehn Rippen 11 auf und hat eine Breite von etwa 25 mm. Er kann im Spannrollenbetrieb oder Spannwellenbetrieb betrieben werden und ist bevorzugt mit dem elektrischen Servomotor 6, den Riemenscheiben 4 und 8 sowie dem Kugelumlaufgetriebe 13 in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst und staubdicht gekapselt.
• Um eine oder mehrere Redundanzebenen bei dem Lenksystem zu realisieren, können auch insbesondere bei einem steer-by-wire-Lenksystem mehrere elektrische Servomotoren 6 über je einen Keilrippenriemen 7 mit Riemenscheiben 8 des Getriebes 13 verbunden sein.
• In der 2 ist nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der ein Verbund-Schmalkeilriemen 7', auch kurz Kraftband genannt, verwendet wird. Das Kratftband hat eine Breite von etwa 25 mm Außerdem ist hier auf der Seite des Kugelumlaufgetriebes 13 eine sehr breite zweite Riemenscheibe 8' eingesetzt, deren Breite B7' etwa 30 mm beträgt. Diese Konstruktion hat den besonderen Vorteil, dass sie sehr einfach zu montieren ist und evtl. bei der Serienfertigung auftretende Toleranzen ausgleicht, so dass es nicht auf eine streng genau fluchtende Anordnung der Riemenscheiben 4 und 7' ankommt.
• Die Erfindung ist nicht nur in den oben genau beschriebenen Anwendungsfällen von elektrischen Servolenkungen einsetzbar. Ebenso können auch im Bereich von anderen Bauformen von Elektro-Lenkungen, etwa solchen mit Doppleritzelantrieben, (dual pinion) oder an der Lenksäule mittels Lenkritzel einwirkende Antrieben.

Claims (12)

1. Lenksystem, insbesondere Servolenksystem (1), für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkhandhabe zur Verschwenkung eines lenkbaren Rades, welches gelenkig mit einem verlagerbaren Bauelement (12) eines Getriebes (13) verbunden ist, mit einem elektrischen Motor (6), dessen Motorwelle (5) eine erste Riemenscheibe (4) trägt, und mit einer an dem Getriebe (13) angeordneten zweiten Riemenscheibe (8) zum Antrieb des verlagerbaren Bauelementes (12), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Riemenscheibe (4) der Motorwelle (5) über einen Verbundkeilriemen (7) mit der zweiten Riemenscheibe (8) des Getriebes (13) zum Antrieb des verlagerbaren Bauelementes (12) verbunden ist, und dass zumindest eine (4) der beiden Riemenscheiben (4, 8) mehrrillig ausgebildet ist.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkeilriemen ein Keilrippenriemen (7) oder Verbund-Schmalkeilriemen (7') ist, dass eine (4) der Riemenscheiben mehrrillig ausgebildet ist und dass die andere Riemenscheibe (8) rillenlos ausgebildet ist.
3. Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Riemenscheiben (4), welche auf der Motorwelle (5) angeordnet ist, mehrrillig ausgebildet ist und dass die zweite Riemenscheibe (8), welche zum Antrieb des Bauelements (12) vorgesehen ist, rillenlos ausgebildet ist.
4. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verlagerbare Bauelement eine Schubstange (12) ist, dass das Getriebe als Kugelumlaufgetriebe (13) ausgebildet ist, bei dem eine Kugelumlaufmutter (14) in einen Gewindeabschnitt der Schubstange (12) eingreift, und dass die zweite Riemenscheibe (8) drehfest mit der Kugelumlaufmutter (14) verbunden ist.
5. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Riemenscheibe (8'), welche rillenlos ausgebildet ist, eine Breite (B8') aufweist, die mindestens der 1,2-fachen Breite (B7') des Verbundkeilriemens (7') entspricht.
6. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Verbundkeilriemen (7) und die Riemenscheiben (4, 8) gebildete Riementrieb (10) zum Schutz der Elemente des Lenksystems (1) vor Überbeanspruchung dann Schlupf zwischen dem Verbundkeilriemen (7) und den Riemenscheiben (4, 8) aufweist, wenn das Drehmoment an der Motorwelle (5) etwa das 1,2- bis 7-fache, insbesondere das 1,5- bis 3-fache, desjenigen Drehmomentes überschreitet, das der Motor (6) im stationären Betrieb maximal erreichen kann.
7. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkeilriemen (7) und die Riemenscheiben (4, 8) ein etwa in einer Ebene (9) liegenden Riementrieb (10) bilden, bei dem der Verbundkeilriemen (7) im Spannwellenbetrieb oder im Spannrollenbetrieb betrieben ist.
8. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Riementrieb (10) ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von etwa 3:1 aufweist.
9. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (6), der Riementrieb (10) und das Getriebe (13) in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind.
10. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkeilriemen (7, 7') mindestens 10 Rippen (11) aufweist.
11. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkeilriemen (7') eine Breite (B7') von mindestens 25 mm aufweist.
12. Lenksystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Motoren über zumindest je einen Verbundkeilriemen mit Riemenscheiben des Getriebes verbunden sind.