DE19907269A1

DE19907269A1 - Servolenkung

Info

Publication number: DE19907269A1
Application number: DE1999107269
Authority: DE
Inventors: Rolf Fasbender
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-02-20
Filing date: 1999-02-20
Publication date: 2000-08-24

Abstract

Die Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Untersetzungsgetriebe, das aus einem Schneckenrad und einer mit diesem kämmenden Schnecke besteht, die mit der Antriebswelle eines Elektromotors verbunden ist, welche einstückig mit dem Motoranker ausgebildet ist, weist eine Federanordnung im Untersetzungsgetriebe auf, die die bei Wechsel der Zahnflankenanlage zwischen Schneckenverzahnung und Schneckenradverzahnung auftretenden Relativbewegungen und die dadurch verursachten Geräusche dämpft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Untersetzungsgetriebe, das aus einem Schneckenrad und einer mit diesem kämmenden Schnecke besteht, die mit der Abtriebswelle eines Elektro motors derart verbunden ist, daß das Schneckenrad tangen tialen Kräften an seinem Zahneingriff federnd ausweichen kann, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors einstückig mit dem Motoranker ausgebildet ist.

Servolenkungen für Kraftfahrzeuge sind vielfältig be kannt. So beschreibt die DE-A1-195 18 196 eine Hilfskraft lenkung für Kraftfahrzeuge mit einem Lenkgetriebe und einem Servomotor, der eine rotierende Abtriebswelle aufweist. Eine Lenkspindel kann für jede Lenkrichtung über je eine Kupplung mit einer Eingangswelle des Lenkgetriebes verbun den werden. Die Abtriebswelle des Servomotors kann über ein als Schneckengetriebe ausgebildetes Übersetzungsgetriebe und für jede Lenkrichtung über je eine der beiden Kupplun gen mit der Eingangswelle verbunden werden.

Das Schneckengetriebe enthält zwei koaxial zueinander ange ordnete Schneckenräder, von denen je eines über eine Schnecke in ständiger trieblicher Verbindung mit der Ab triebswelle steht. Jedes Schneckenrad ist mit je einer Kupplungsnabe der beiden Kupplungen drehfest verbunden. Die beiden Schnecken sind koaxial auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, die über einen Freilauf für eine Drehrichtung drehfest mit der Abtriebswelle des Servomotors verbunden ist.

Die EP-B1-174 203 beschreibt eine Servolenkungsein richtung mit einer drehbaren Lenkspindel, mit einem Elek tromotor, mit einer Ausgangswelle und mit einem Getriebe, um die Ausgangswelle des Motors mit der Lenkspindel zu ver binden, wobei das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe und eine Kupplung aufweist und die Kupplung direkt mit der Lenkspindel verbunden ist, während das Untersetzungsgetrie be zwischen Kupplung und Motor geschaltet ist. Das Unter setzungsgetriebe weist eine Schnecke auf, die an der dreh baren Ausgangswelle befestigt ist sowie ein Schneckenrad, das mit der Schnecke kämmt. Die Kupplung ist dabei als elektromagnetische Kupplung ausgebildet, die zwischen der Lenkspindel und das Schneckenrad geschaltet ist, so daß, wenn die Kupplung eingerückt ist, die Drehung des Motors über das Schneckenrad auf die Ausgangswelle übertragen wird.

Die Verzahnung des Untersetzungsgetriebes einer Servo lenkung ist üblicherweise mit einem Spiel behaftet. Wird die Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes über das Lenk rad oder das Lenkgetriebe von der Fahrbahn her mit kurzen Bewegungen wechselnder Drehrichtung beaufschlagt, dann wechselt die Verzahnung des Untersetzungsgetriebes infolge dieses Spiels ihre Anlageflanke. Dieser Wechsel ist mit einem klopfenden Geräusch verbunden, wobei in der Regel diese Klopfgeräusche bereits bei so niedrigen Betätigungs momenten an der Lenkung auftreten, daß die Servounterstüt zung noch nicht anspricht. Über die Verzahnung des Unter setzungsgetriebes werden dabei die aus dem Trägheitsmoment des Motorankers resultierenden Kräfte übertragen.

Es wurden bereits aufwendige Einrichtungen zum perma nenten Spielausgleich für derartige Servolenkungen vorge schlagen, um die als unangenehm empfundenen Klopfgeräusche zu vermindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Servo lenkung für Kraftfahrzeuge mit einer besonders einfachen Anordnung auszustatten, mit der die Klopfgeräusche verhin dert bzw. stark gedämpft werden.

Ausgehend von einer Servolenkung der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenem Merkmal; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung sieht also vor, daß das spielbehaftete Untersetzungsgetriebe für eine elektrische Servolenkung, das zwischen dem Servomotor und dem eigentlichen Lenkge triebe vorgesehen ist, mit einer Federanordnung versehen ist, die die bei Wechsel der Zahnflankenanlage zwischen Schneckenverzahnung und Schneckenradverzahnung auftretenden Relativbewegungen dämpft und die dadurch verursachten Ge räusche verhindert oder zumindest stark dämpft.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Lagerung der Schnecke bzw. der mit ihr verbundenen Ab triebswelle des Motorankers derart mit Federelementen ver sehen sein, daß eine axiale Verschiebung in beiden Axial richtungen möglich ist, so daß eine Drehbewegung des Schneckenrades nicht zwangsweise sofort eine synchrone Drehbewegung der Schnecke bzw. des Motorankers bewirkt, wodurch dessen Drehbeschleunigung gedämpft wird.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Lagerung des Schneckenrades mit Hilfe von Fe derelementen derart erfolgen, daß bei wechselnden Drehrich tungen des Schneckenrades dessen Achse gegen die Kraft der Federelemente verschiebbar ist, so daß bei Beaufschlagung des Schneckenrades nicht zwangsweise sofort eine synchrone Drehbewegung der Schnecke bzw. des Motorankers verursacht wird.

Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Schneckenrad einen entlang seines Umfangs glei tend gelagerten Ring mit der äußeren Schneckenradverzahnung auf, der vorzugsweise aus einem weichen Werkstoff, wie Kunststoff, besteht. Dieser Ring ist derart auf einem mit der Schneckenradwelle verbundenen Bund gelagert, das er sich relativ zur Welle verdrehen kann, wodurch Stöße, die bei der Drehbeschleunigung des Ankers auftreten, gedämpft werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der mehrere vorteilhafte Ausführungs beispiele dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Unterset zungsgetriebe mit federnd gelagerter Schnecke,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit federnd gelagertem Schneckenrad,

Fig. 3a, 3b ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungs beispiel mit einem gleitend gelagertem Ring auf einem Bund der Schneckenradwelle in zwei Teilschnitten und

Fig. 4 ein geeignetes Federelement für das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Servolenkung für ein Kraftfahrzeug ist mit 1 ein Gehäuse bezeichnet, in dessen Ringraum 2 der nicht dargestellte Stator eines Elektromotors angeordnet ist. Der Anker 3 des Elektromotors ist in Lagern 4 und 5 gelagert. Eine Schnecke 6 ist mit der Abtriebswelle des Elektromotors drehfest verbunden und kämmt mit einem Schneckenrad 7. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Schnecke 6 ist mit der Abtriebswelle des Elektromotors einteilig ausgebildet. Eine einteilige Ausbildung der bei den Bauteile ist nicht unbedingt erforderlich. Zwischen den beiden Bauteilen kann auch eine Kupplung eingeschaltet sein. Wesentlich ist, daß das Schneckenrad tangentialen Kräften an seinem Zahneingriff federnd ausweichen kann. Dreht sich nun das Schneckenrad 7 hin und her, dann muß der Anker 3 mit seiner relativ großen Masse in eine wechselnde Drehbewegung versetzt werden. Beim dadurch auftretenden Wechsel der Zahnflankenanlage nach der Überwindung des Zahnspiels kommt es zu Kraftspitzen an den Zahnflanken, welche die als unangenehm empfundenen Klopfgeräusche verur sachen.

Erfindungsgemäß ist nun zur Verhinderung bzw. Verrin gerung dieser Klopfgeräusche und zur Dämpfung der durch den Zahnflankenanlagewechsel bedingten Bewegungen bei diesem Ausführungsbeispiel die Lagerung für die Schnecke 6 derge stalt ausgeführt, daß eine axiale Verschiebung ausgehend von einer Mittellage in beide Richtungen möglich wird auf grund von einer in die Lager 4, 5 eingesetzten Federanord nung, wobei diese Federanordnung im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel aus jeweils einem Federelement 8, 9 in der Form einer Tellerfeder besteht, die die gewünschte Axial verschiebung der Schnecke, bzw. der mit ihr verbundenen Abtriebswelle des Elektromotors ermöglicht. Eine Drehbewe gung des Schneckenrads führt damit nicht zwangsweise sofort zu einer synchronen Drehbewegung der Schnecke bzw. des mit ihr verbundenen Motorankers, so daß die Drehbeschleunigung des Motorankers gedämpft wird. Die Tellerfedern sind dabei koaxial zur Abtriebswelle angeordnet.

Als Federelemente 8, 9 für die Lager 4, 5 können Fe derelemente mit linearer oder nicht linearer Kennlinie ver wendet werden, wobei im letzteren Fall Federelemente mit progressiver Kennlinie bevorzugt werden. Des weiteren ist es vorteilhaft, die Federelemente 8, 9 derart auszulegen, daß sie bei der vom Motormoment erzeugten maximalen Axial kraft noch nicht auf Block sind. Dadurch wird ein Kraftsprung am Ende des Federweges vermieden.

Genauso gut ist es auch möglich, daß die Lager 4 und 5 fest im Gehäuse 1 angeordnet sind; in diesem Fall ist die die Lager durchsetzende Welle axial verschiebbar mittels geeigneter Federelemente zu lagern. Die Federelemente be finden sich dann zwischen Lager und Welle.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel zur ge dämpften Beschleunigung des Motorankers. Hierbei ist das Schneckenrad 107 über Lager 108 und 109 im Gehäuse 101 ge lagert. Das Lager 108 ist auf Führungsbahnen 110 und 111 in radialer Richtung parallel zur Achse der Schnecke 106 be weglich. Innerhalb des radialen Bewegungsfreiraums wird das Lager über Federelemente 112 und 113 sowie Druckstücke 114 und 115 zentriert. Bei wechselnden Drehrichtungen des Schneckenrads 107 kann die Achse des Schneckenrades gegen die Federelemente 112 und 113 ausweichen. Auch hierbei wird also erreicht, daß nicht zwangsweise sofort eine synchrone Drehbewegung der Schnecke bzw. des Motorankers bewirkt wird, wenn das Schneckenrad aufgrund von Stößen einen Zahn flankenwechsel hervorruft.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Masse der an der Ausweichbewegung beteiligten Bauteile kleiner als beim ersten Ausführungsbeispiel.

Auch hierbei können die Federelemente 112, 113 als Tellerfedern mit linearer oder nicht linearer Kennlinie ausgeführt sein.

In Fig. 3 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbei spiel dargestellt, bei dem die Masse der an der Ausweichbe wegung beteiligten Bauteile noch kleiner als bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist. Das Getriebe ist hierbei nur ausschnittweise dargestellt mit den für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauteilen.

Fig. 3a zeigt dabei einen Axialschnitt und Fig. 3b einen Radialschnitt durch ein Teil des Schneckenrades und der Schnecke. Auch hierbei ist die Schnecke 206 wieder mit dem Motoranker verbunden wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Lagerung erfolgt jedoch hierbei nicht axial verschieb bar im Gehäuse.

Das Schneckenrad 207 ist auf der Welle 220 befestigt. Die Welle 220 ist in Axialrichtung und in Radialrichtung fest im Gehäuse gelagert. Ferner weist die Welle 220 einen Bund 221 auf, auf welchem ein Ring 222, der die Schnecken radverzahnung trägt, gleitend gelagert ist. Ferner ist der Ring 222 durch einen zwischen einem Rand 223 und einer Scheibe 224 gebildeten Raum in axialer Richtung fixiert, jedoch nicht eingeklemmt. Die Scheibe 224 ist fest mit der Welle 220 verbunden.

Der Ring 222 besitzt in axialer Richtung mehrere Boh rungen 225. Durch jede dieser Bohrungen führt ein Stift 226, der im Rand 223 bzw. in der Scheibe 224 befe stigt ist. Wird der Ring 222 aus einem weichen Material, z. B. Kunststoff hergestellt, so kann die Bohrung 225 mit einem in Längsrichtung offenen Ring 227 aus Metall, z. B. einem Stahlring, ausgekleidet sein.

Der Außendurchmesser des Stiftes 226 ist kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung 225 bzw. des Ringes 227. Dies bedeutet, daß sich der Ring 222 bezüglich der Wel le 220 verdrehen kann und wobei der Verdrehweg dem Unter schied der beiden zuletzt genannten Durchmesser entspricht.

Im Ringraum zwischen dem Außendurchmesser des Stif tes 226 und dem Innendurchmesser der Bohrung 225 bzw. des Stahlrings 227 befindet sich nun ein Federelement 228, wel ches den Ring 222 in der Mitte seiner radialen Verstellmög lichkeit zur Welle 220 hält. Sobald über die Schneckenver zahnung eine Umfangskraft auf den Ring 222 ausgeübt wird, kann sich dieser gegen die Kraft des Federelementes 228 relativ zur Welle 220 verdrehen. Durch diese Maßnahme las sen sich ebenfalls Stöße, die bei der Drehbewegung des An kers auftreten, dämpfen.

Fig. 4 zeigt beispielsweise ein für dieses Ausfüh rungsbeispiel geeignetes Federelement 228 in Form eines tonnenförmigen langgestreckten Ringes, mit mehreren sich über einen Großteil seiner Länge erstreckenden Längsschlit zen 229. Die Federkonstante läßt sich dabei unter anderem durch die Anzahl der Längsschlitze 229 einstellen. Zur bes seren Herstellbarkeit kann das Federelement mit einem durchgehenden Längsschlitz versehen sein. Es sind aber auch andere Federelemente, z. B. aus einem Elastomer, denkbar. Hinsichtlich der Charakteristik der Federelemente 228 gel ten die gleichen Möglichkeiten wie bei den anderen Ausfüh rungsbeispielen. Zur Erzielung bestimmter Gesamtfederkenn linien können auch Federelemente unterschiedlicher Kennli nie miteinander kombiniert werden.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß Fig. 3 be steht darin, daß bei Herstellung des Ringes 222 aus einem Werkstoff mit gegenüber dem Werkstoff der Welle 220 anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten dann keine zusätzlichen Span nungen in den Teilen auftreten, wenn die Passung am Durch messer 221 derart gewählt wird, daß die Wärmedehnungen nur in Richtung größeres Spiel gehen.

Bezugszeichen

1

Gehäuse

2

Ringraum

3

Anker

4

Lager

5

Lager

6

Schnecke

7

Schneckenrad

8

Federelement

9

Federelement

101

Gehäuse

106

Schnecke

107

Schneckenrad

108

Lager

109

Lager

110

Führungsbahn

111

Führungsbahn

112

Federelement

113

Federelement

114

Druckstück

115

Druckstück

206

Schnecke

207

Schneckenrad

220

Welle

221

Bund

222

Ring

223

Rand

224

Scheibe

225

Bohrung

226

Stift

227

Ring

228

Federelement

229

Längsschlitz

Claims

1. Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Unter setzungsgetriebe, das aus einem Schneckenrad und einer mit diesem kämmenden Schnecke besteht, die mit der Abtriebswel le eines Elektromotors derart verbunden ist, daß das Schneckenrad tangentialen Kräften an seinem Zahneingriff federnd ausweichen kann, wobei die Abtriebswelle des Elek tromotors einstückig mit dem Motoranker ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterset zungsgetriebe mit einer Federanordnung versehen ist, die die bei Wechsel der Zahnflankenanlage zwischen Schnecken verzahnung und Schneckenradverzahnung auftretenden Relativ bewegungen und die dadurch verursachten Geräusche dämpft.

2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federanordnung aus je einem in jedes Lager (4, 5) der Schnecke (6) bzw. der Ab triebswelle integrierten Federelement (8, 9) besteht, so daß ausgehend von einer Mittellage eine axiale Verschiebung der Lager (4, 5) zusammen mit einer axialen Verschiebung der Schnecke bzw. Welle gegen die Wirkung der Federelemen te (8, 9) ermöglicht wird.

3. Servolenkung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die in die Lager (4, 5) integrierten Federelemente (8, 9) Tellerfedern mit linearer Kennlinie sind.

4. Servolenkung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die in die Lager (4, 5) integrierten Federelemente (8, 9) Tellerfedern mit nicht linearer Kennlinie sind.

5. Servolenkung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die in die Lager (4, 5) integrierten Federelemente (8, 9) Tellerfedern mit progres siver Kennlinie sind.

6. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federanordnung aus zwei, mindestens einem der Lager (108) für das Schnecken rad (107) zugeordneten Federelementen (112, 113) besteht, die mit Druckstücken (114, 115) für die Zentrierung des Lagers (108) in einer Aussparung im Gehäuse (101) zusammen wirken, wobei die Aussparung Führungsbahnen (110, 111) auf weist für eine Radialverschiebung des Lagers (108) parallel zur Längsachse der Schnecke (106).

7. Servolenkung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federelemente (112, 113) Tellerfedern mit linearer Kennlinie sind.

8. Servolenkung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federelemente (112, 113) Tellerfedern mit nicht linearer Kennlinie sind.

9. Servolenkung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federelemente (112, 113) Tellerfedern mit progressiver Kennlinie sind.

10. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federanordnung aus meh reren Federelementen (228) besteht, die in eine Vielzahl von Bohrungen (225) in einem Ring (222) eingesetzt sind, der die Schneckenradverzahnung trägt und der gleitend in einem Bund (221) gelagert ist, welcher fest mit der Wel le (220) des Schneckenrades (207) verbunden ist.

11. Servolenkung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Federelement (228) ein tonnenförmiger langgestreckter Ring mit mehreren sich über einen Großteil seiner Länge erstreckenden Längsschlit zen (229) ist.

12. Servolenkung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ring (222) aus einem weichen Material besteht, daß die Bohrungen (225) im Ring (222) mit einem Ring (227) in der Form einer Metall buchse ausgekleidet sind und daß das Federelement (228) von einem dünnen Metallstift (226) durchsetzt wird, wobei der Außendurchmesser des Stiftes (226) kleiner als der Innen durchmesser der Bohrung (225) bzw. der Metallbuchse ist.