DE602005006042T2

DE602005006042T2 - Vorrichtung zur Umwandlung einer rotierenden Bewegung in eine lineare Bewegung.

Info

Publication number: DE602005006042T2
Application number: DE602005006042T
Authority: DE
Inventors: Isamu Chiyoda-ku Tsubono; Makoto Chiyoda-ku Yamakado; Junichi Chiyoda-ku Tamamoto; Tooru Chiyoda-ku Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: EP1596101B1; JP4636813B2; DE602005006042D1; JP2005321043A; EP1596101A3; EP1596101A2; US20050247150A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mechanismus zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung, bei welcher eine kinetische Kraft zwischen einer Drehbewegung und einer Linearbewegung umgewandelt wird, und im besonderen auf einen Mechanismus zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung, der einen hohen Umwandlungswirkungsgrad aufweist und für eine kraftunterstützte Lenkeinrichtung geeignet ist.
In den letzten Jahren bilden Servo-Lenkeinrichtungen einen wesentlichen Bestandteil von Kraftfahrzeugen. In diesen Servo-Lenkeinrichtungen haben seit längerem statt der herkömmlichen hydraulischen Unterstützungssysteme elektrisch betriebene Unterstützungssysteme zum Zweck der Energieeinsparung eine breite Verwendung gefunden.
In den elektrisch betriebenen Unterstützungssystemen wird generell ein Elektromotor als Unterstützungs-Kraftquelle eingesetzt. Wenn eine mit einem Elektromotor ausgerüstete Lenkvorrichtung ein Zahnstangen-Ritzel-System enthält, sind lineare Antriebskräfte erforderlich, sodass ein Mechanismus eingesetzt wird, der Drehbewegung in Linearbewegung umwandelt, d. h. ein sog. Mechanismus zur Wandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung.
Da in diesem Fall ferner unter dem Gesichtspunkt der Miniaturisierung ein hochtouriger Elektromotor gewünscht wird, wird ein Mechanismus mit einem Drehzahlminderer als Mechanismus zur Umwand lung der Drehbewegung in die Linearbewegung verlangt und daher ist herkömmlicherweise beispielsweise ein Kugelgewindetrieb-Mechanismus als Wandler der Drehbewegung in die Linearbewegung vorgeschlagen worden (vgl. z. B. JP-A-7-165049 ).
Bei diesem vorgeschlagenen Mechanismus ist eine Gewindestange integral mit einer Zahnstange in einem Zahnstangen-Ritzel-Lenkgerät verbunden, eine Mutter kämmt mit der Gewindestange und die Mutter wird von einem Elektromotor als Drehmomentquelle angetrieben, sodass die Zahnstange eine Translationsbewegung (Linearbewegung) ausführt.
Da in diesem Fall die Zahnstange um einen Betrag entsprechend einer Gangführung des Gewindes bewegt wird, wenn der Elektromotor eine Umdrehung ausführt, wird ein hohes Untersetzungsverhältnis durch Verringerung des Steigungswinkels erzielt, wodurch die Drehzahl des Elektromotors vergrößert wird, um eine Miniaturisierung zu erzielen.
Da eine große Last zwischen dem Gewinde der Stange und dem Gewinde der Mutter wirksam ist, ist dort eine Mehrzahl von Kugeln angeordnet, die zur Erzielung eines Rollkontaktes umlaufen, wodurch die Reibung zum Erhalt einer hohen Effizienz vermindert wird.
Bei diesem Stand der Technik sind jedoch Mittel für den Umlauf der Mehrzahl von Kugeln wesentlich, und wenn der Umlauf der Kugeln nicht gleichförmig erfolgt, wird Gleitreibung zwischen den Kugeln und der Mutter sowie zwischen den Kugeln und der Zahnstange erzeugt, was den Reibungskoeffizient der Kugeln vergrößert und zu einer Verminderung des Umwandlungswirkungsgrades führt.
Insbesondere, um die Baugröße eines Motors klein zu halten, müssen die Gewindegange einen kleinen Steigungswinkel (etwa 5 Grad in dem vorliegenden Zustand) in einer Lenkvorrichtung haben, die mit einem großen Untersetzungsverhältnis eingestellt ist, was in einer erheblichen Verminderung des Wirkungsgrades resultiert, wie in 10 gezeigt, wenn sich der Reibungskoeffizient der Kugeln vergrößert (etwa 0,01 im vorliegenden Zustand).
10 zeigt das Verhältnis zwischen einem Steigungswinkel und dem Wirkungsgrad eines Kugelgewindetrieb-Mechanismus 4 mit einem Reibungskoeffizienten der Kugeln als einem Parameter. Wie in der Figur gezeigt, wurde festgestellt, dass sich der Umwandlungswirkungsgrad verringert, wenn der Reibungskoeffizient der Kugeln um etwa 0,01 ansteigt.
Wenn bei dem Stand der Technik ein Schlupf zu entstehen beginnt, werden die Rollflächen der Kugeln aufgerauht, wodurch weiterer Schlupf entsteht, der zu einem katastrophalen, schnellen Anstieg des Reibungskoeffizienten der Kugeln führt, wodurch die Befürchtung geweckt wird, dass ein Bruches des Mechanismus bald bevorsteht.
Daher ist es eine wichtige Aufgabe in solch einem Mechanismus, den Umlauf der Kugeln zweckmäßig ständig aufrechtzuerhalten, sodass eine hohe Genauigkeit der Kugeln, des Muttergewindes, des Zahnstangengewindes in Form und Abmessungen als wichtigster Punkt angesehen wird, ebenso wie das optimale Design einer Kugelrücklaufbahn, was jedoch zu erhöhten Kosten führt.
Da sich die notwendige Genauigkeit rapide erhöht, wenn die Anzahl der Kugeln ansteigt, wird eine tatsächliche Grenze durch eine Obergrenze der Anzahl der Kugeln unter Kostengesichtspunkten bestimmt, während die Anzahl der Kugeln eine maximale Ausgangsleistung bestimmt, die von diesem Mechanismus erzeugt werden kann.
Daher ergibt sich bei einem Kugelspindeltrieb-Mechanismus dieses Standes der Technik eine praktische Obergrenze in der Übertragungskraft, sodass mit einem derartigen Mechanismus versehene Servo-Lenkvorrichtungen nicht in größeren Fahrzeugen eingesetzt werden können, in denen eine hohe Ausgangsleistung (Zahnstangenschub) verlangt wird.
Die Druckschrift US 4 838 103 bildet den nächstliegenden Stand der Technik und offenbart einen Mechanismus gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Mechanismus zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung zu schaffen, der effizient einen großen Schub ausgleichen kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung erreicht, wobei der Mechanismus aufweist: eine Zahnstange in Form eines Rundstabs, ein auf der Zahnstange relativ zu dieser verdrehbar gelagertes Halteglied, eine drehbar vom Halteglied getragene Umlaufrolle und einen Drehantrieb, der die Zahnstange und das Halteglied relativ zueinander dreht, wobei die Zahnstange an ihrer äußeren Umfangsfläche einen Gewindegang aufweist, die Umlaufrolle Ringnuten an ihrer äußeren Umfangsfläche aufweist, die mit dem Gewindegang der Zahnstange in Eingriff stehen, und einen Rundlauf um die äußere Umfangsfläche der Umlaufrolle bilden, wobei ein biaxialer Winkel zwischen einer Axialrichtung der Zahnstange und einer Axialrichtung der Umlaufrolle gleich groß wie ein Steigungswinkel des Gewindeganges der Zahnstange ist, und die Umlaufrolle relativ zur Zahnstange verdreht angeordnet ist.
Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass ein Reibmoment, das an einem Lagerteil erzeugt wird, der die Umlaufrolle drehbar am Halteglied trägt, kleiner ist als ein Reibmoment, das an einem Eingriffsteil des Gewindeganges an der äußeren Umfangsfläche der Zahnstage und der Ringnut der Umlaufrolle wirksam ist, und die Aufgabe wird auch gelöst, wenn ein Punkt der dichtesten Annäherung an eine Drehachse der Umlaufrolle, der als ein Punkt nahe einer Zahnstangenachse definiert ist, die eine Drehachse der Zahnstange bildet, im Wesentlichen zentral auf der Drehachse der Umlaufrolle liegt.
Die Aufgabe wird auch gelöst, wenn zumindest einer der Eingriffsorte der Umlaufrolle und der Zahnstange linear ausgeführt ist.
Ebenfalls wird die Aufgabe gelöst, wenn eine Mehrzahl von Umlaufrollen montiert sind, diese Mehrzahl von Umlaufrollen weiter in im Wesentlichen gleichwinkligen Abständen um die Zahnstange angeordnet sind und Arten der Umlaufrollen außerdem kleiner als die Anzahl der montierten Umlaufrollen ist.
Ferner kann eine Antriebskraft des Drehantriebes auf das Halteglied ausgeübt werden, um das Halteglied zu drehen und dadurch seine Rotation relativ zur Zahnstange zu realisieren, wobei Axialwinkel-Einstellmittel zum Einstellen des biaxialen Winkels nach dem Eingriff der Umlaufrolle und der Zahnstange vorgesehen sein können, oder mindestens die Ringnut oder die Nuten der Umlaufrolle oder der Umlaufrollen aus einem Kunstharz geformt sein können.
Gemäß der Erfindung kann zur Erzeugung eines großen Schubs (Zahnstangenschubs) ein Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung vorgesehen werden, der eine hohe Effizienz hat.
Gemäß der Erfindung ermöglicht ferner ein Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung in einer Fahrzeuglenkung, der als Drehquelle einen Motor aufweist, die Montage einer elektrisch angetriebenen Lenkvorrichtung in großen Fahrzeugen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der verschiedenen Darstellungen der Zeichnung
1 ist eine Querschnittsansicht eines erstens Ausführungsbeispiels eines Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
2 ist eine andere Querschnittsdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels des Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
3 ist eine Querschnittsdarstellung eines Haltegliedes in der ersten Ausführung des Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
4 ist eine Seitenansicht eines Zustandes, in welchem Umlaufrollen in dem ersten Ausführungsbeispiel des Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung zusammengebaut sind;
5 ist eine Darstellung der Verteilung der Eingriffsstellen an der Umlaufrolle, gesehen in einer Axialrichtung einer Zahnstange in dem ersten Ausführungsbeispiel des Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
6 ist eine Darstellung im Teil-Querschnitt der Umlaufrolle im ersten Ausführungsbeispiel des Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
7 ist eine Ansicht des Betriebs des ersten Ausführungsbeispiels des Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
8 ist eine Darstellung einer Umlaufrolle in einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung;
9 ist eine Darstellung einer Anordnung und eines Betriebs der Umlaufrollen in einem dritten Ausführungsbeispiel eines Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung, und
10 ist eine exemplarische Darstellung der Charakteristika der Effizienz eines Kugelgewindetrieb-Mechanismus des Standes der Technik.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ein Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung wird im Einzelnen anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Der Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung wird häufig in kraftunterstützten Lenkvorrichtungen von Automobilen eingesetzt. Jeweilige Ausführungsbeispiele werden beschrieben für einen Fall, in welchem der Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung gemäß der Erfindung bei einer zahnstangenunterstützten elektrisch angetriebenen Lenkvorrichtung angewendet wird.
Die 1 bis 6 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Vor einer Beschreibung der Zeichnungen wird vorab erläutert, wie die Elemente in den Ausführungsbeispielen der Erfindung denjenigen in einer zahnstangenunterstützten elektrisch angetriebenen Lenkvorrichtung entsprechen.
Eine Zahnstange in den Ausführungen gemäß der Erfindung entspricht einer Zahnstange in der Lenkvorrichtung, ein Zahnstangen-Schraubengang entspricht einer Zahnstangennut und ein Zahnstangenstab entspricht einem Zahnstangenschaft. Die Zahnstange wird von Axiallagern gehalten, sodass sie in Axialrichtung bewegt, jedoch nicht gedreht werden kann.
Obgleich derartige Axiallager nicht dargestellt sind, dienen ein Ritzel und eine Zahnstange als Lagerungen in einer Zahnstange-Ritzel-Lenkvorrichtung.
1 zeigt im Längsschnitt einen Mechanismus zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung in einem zahnstangenunterstützten Teil einer elektrisch betriebenen Lenkvorrichtung, in der eine Ausführung der Erfindung angewandt wird, und 2 ist der gleiche Längsschnitt in dem Fall, in welchem die Umlaufrollen diesseitig angeordnet sind. Somit sind nur Einzelteile, die in 1 nicht dargestellt sind, mit Bezugszeichen bezeichnet.
3 ist eine Querschnittsdarstellung (in einer Querschnittsebene A-A in 2), die ein Halteglied zeigt und 4 ist eine Seitenansicht des Haltegliedes, an welchem die Umlaufrollen angebaut sind. 5 zeigt die Verteilung der Eingriffstellen in einer Umlaufrolle, gesehen in einer Axialrichtung einer Zahnstange, und 6 ist ein Längsschnitt der Umlaufrollen.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine äußere Umfangsfläche einer Zahnstange 1 zur Bildung eines Zahnstangengewindes 1a ausgebildet. Die Zahnstange bedeutet hier einen Stab (Rundstab), der mit einer Zahnstange einer Zahnstangen-Ritzel-Lenkvorrichtung verbunden ist.
Wie am besten aus 3 ersichtlich, sind in gleichwinkligen Abständen von 90° um den Zahnstangenschaft 1b vier Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 angeordnet, die Rollennuten 21b, 22b, 23b, 24b aus je einer Ringnut zum Eingriff mit dem Zahnstangengewinde 1a aufweisen und um den Zahnstangenschaft 1b umlaufen, welcher einen zentralen Schaft der Zahnstange 1 bildet.
Die jeweiligen Rollennuten 21b, 22b, 23b, 24b sind als umlaufende Ringnuten der äußeren Umfangsflächen der jeweiligen Umlaufrollen ausgebildet und in allen jeweiligen Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 vorgesehen.
Da alle jeweiligen Rollennuten 21b, 22b, 23b, 24b an einem Halter (Halteglied) 3 derart angeordnet sind, dass sie mit dem Zahnstangengewinde 1a in Eingriff stehen, sind Winkel, die alle Rollenachsen 21d, 22d, 23d, 24d der Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 zu einer Richtung längs einer Zahnstangenachse 1d bilden, gleich einem Führungswinkel des Zahnstangengewindes 1a, wie dies am besten aus 2 ersichtlich ist, mit dem Ergebnis, dass die jeweiligen Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 in Positionen ausgerichtet sind, die relativ zu der Zahnstange 1 verdreht sind.
Die Umlaufrollen 21 bis 24 sind jeweils an beiden Enden 21c bis 24c von Rollenlagern 21a bis 24a gehalten, von denen jedes ein Schrägkugellager enthält, und die Rollenlager sind in dem Halteglied 3 befestigt, wodurch alle Umlaufrollen 21 bis 24 um ihre eigenen Achsen rotieren können.
Da Axialbelastungen zusammen mit Radialbelastungen auf die Rollenlager 21a bis 24a einwirken, werden Schrägkugellager verwendet, die Belastungen in zwei Richtungen aufnehmen können. Die Rollenlager sind nicht auf diesen Typ beschränkt, sondern können natürlich ein Kegelrollenlager oder eine Kombination aus einem Axiallager und einem Radiallager enthalten. Wenn eine Beschränkung in diametraler Richtung vorliegt, reichen Nadellager aus.
Wie in 3 und 4 gezeigt, enthält der Halter 3 zwei Endplatten 3b, 3c, zwischen denen die Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 eingesetzt sind, sowie Verbindungsteile 3d, welche die Endplatten verbinden. Die Verbindungsteile 3d sind integral mit einer 3b der Endplatten ausgebildet und mit der anderen 3c der Endplatten durch Schrauben festgelegt.
Wie insbesondere in 4 gezeigt, sind die Verbindungsteile 3d um die Zahnstange 1 zwischen den jeweiligen Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 vorgesehen und in dieser Ausführung an vier Orten montiert, da vier Umlaufrollen vorgesehen sind.
Ein Rohrstück erstreckt sich von einer 3c der Endplatten zum Abdecken der Zahnstange 1 und ein Rotor 5a als Element eines Motors 5 ist an dem Rohrstück im Presssitz oder Schrumpfsitz befestigt.
Der Halter 3 ist drehbar in einem Gehäuse 6 durch Lager 3a1, 3a2 gehalten und Schrägkugellager, die zur Aufnahme von Belastungen in zwei Richtungen geeignet sind, werden als Haltelager eingesetzt, wie in der Figur gezeigt, da die Axialbelastungen zusammen mit den Radialbelastungen auf die Lager einwirken.
Jedoch sind die Haltelager nicht auf diesen Typ beschränkt, sondern können natürlich auch eine Kombination aus einem Axiallager und einem Radiallager sein. Ferner können die Haltelager 3a1, 3a2 jeweils zweireihige Schrägkugellager sein.
Auf diese Weise ist der Halter 3, in den die Umlaufrollen eingebaut sind, an und in dem Gehäuse 6 durch einen Lagerdeckel 4 befestigt, und das Gehäuse 6 ist in ein Haltegliedgehäuse 6a unterteilt, in wel chem die Haltelager festgelegt sind, und in ein Motorgehäuse 6b, in welchem ein Stator 5b des Motors 5 eingepresst oder eingeschrumpft ist.
Der Halter 3, in den die Umlaufrollen 21 bis 24 eingebaut sind, ist an dem Haltegliedgehäuse 6a montiert und danach wird das Motorgehäuse 6b an das Haltegliedgehäuse angebaut. Dabei werden der Stator 5b und der Rotor 5a zur Bildung des Motors 5 einander gegenüberliegend angeordnet. Beim Zusammenbau wird Schmiermittel für einen geeigneten Fluss zwischen den jeweiligen Bauteilen eingebracht.
Nachfolgend wird ein Betrieb des Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 zeigt in der Entwicklung eine äußere Umfangsfläche der Zahnstange 1 zum Zweck der Beschreibung des Funktionsprinzips.
Wenn der Motor 5 betätigt wird, rotiert der Halter 3 um den Zahnstangenschaft 1b und die am Halter gehaltenen vier Umlaufrollen 21 bis 24 laufen um die Zahnstange 1.
Da die Rollennuten 21b bis 24b der jeweiligen Umlaufrollen 21 bis 24 mit dem Zahnstangengewinde 1a der Zahnstange 1 kämmen, werden die jeweiligen Umlaufrollen durch die Kräfte des Zahnstangengewindes um ihre eigenen Achsen in Drehung versetzt.
Da die Umlaufrollennuten 21b bis 24b hier nicht in Form eines Gewindes, sondern in Form einer Nut ausgebildet sind, die in je einer Ebene senkrecht zur Rollenachse liegen, werden die Stellen (Positionen), in denen die Rollennuten 21b bis 24b mit dem Zahnstangenge winde 1a in Eingriff stehen, nicht axial bewegt, in welcher Weise auch immer die Umlaufrollen 21 bis 24 um ihre eigenen Achsen rotieren, und natürlich werden die Axialpositionen der Rollennuten 21b bis 24b nicht verändert, sondern bleiben auch während der Drehung unverändert.
Die dicken Linien in 7 zeigen Gewindekämme des Zahnstangengewindes 1a, wenn sich die Umlaufrollen 21 bis 24 in einer Position A befinden. Es sei der Fall angenommen, dass die Umlaufrollen um δrad aus einer Position A drehen, um sich δ × (Radius des Zahnstangenschaftes) auf einem Kreis (einer Vertikalrichtung in der Entwicklung) der Zahnstange zu bewegen, um eine Position B zu erreichen.
Die Positionen der Rollennuten werden nicht in Richtung längs der Zahnstangenachse wie oben beschrieben bewegt, sondern nur in der Vertikalrichtung der Entwicklung. Daher werden in dem Fall, in welchem die Zahnstange um δ × (Radius des Zahnstangenschafts) × tan (Steigungswinkel des Zahnstangengewindes) in einer Axialrichtung (einer rechten oder linken Richtung in der Entwicklung) bewegt wird, die Gewindekämme in eine Position bewegt, die durch die unterbrochenen Linien dargestellt ist, um den Eingriff der Rollennuten und des Zahnstangengewindes aufrechtzuerhalten.
Eine Zahnstangenverschiebung M (im Folgenden als Steigung des Mechanismus bezeichnet) des Motors 5 pro Umdrehung wird ausgedrückt durch die folgende Formel, unter der Voraussetzung, dass δ gleich 2π ist: M = 2π × (Radius des Zahnstangenschaftes) × tan (Steigungswinkel des Zahnstangengewindes).
Wie aus der Formel hervorgeht, kann durch Verkleinern des Steigungswinkels des Zahnstangengewindes das Untersetzungsverhältnis vergrößert werden, um einen großen Zahnstangenschub zu erzeugen.
In anderen Worten liefert daher die Erfindung ein Verfahren zur Verwirklichung des Rollkontaktes mittels der Aufteilung einer Mutter in frei drehende Rollen, und es ist wichtig, dass die Rollenachsen 21d, 22d, 23d, 24d der Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 eine Winkelabweichung haben, die gleich dem Steigungswinkel des Zahnstangengewindes 1a von der Richtung der Zahnstangenachse 1d ist.
Hier werden die Umlaufrollen 21 bis 24 an dem Halter 3 durch die Rollenlager 21a bis 24a frei drehbar gehalten, sodass die bei der Drehung wirksamen Reibungskoeffizienten wesentlich kleiner als diejenigen an den Eingriffstellen sind.
Daher können die jeweiligen Umlaufrollen 21 bis 24 um ihre eigenen Achsen mit solchen Drehzahlen rotieren, bei welchen die jeweiligen Rollennuten 21b bis 24b so kleine Relativgeschwindigkeiten wie möglich zur Oberfläche des Zahnstangengewindes 1a haben, mit dem Ergebnis, dass Rollkontakt im Wesentlichen an den Eingriffstellen stattfindet, sodass der Reibungsverlust verringert und ein hoher Wirkungsgrad erhalten wird.
Wie in 5 gezeigt, sind die Eingriffstellen an den jeweiligen Rollennuten in einer Umlaufrolle generell in die Nähe einer Linie (Y-Achse) verteilt, welche einen Punkt der nächsten Annäherung an der Umlaufrolle und ein Zentrum der Zahnstange, gesehen in Richtung der Zahnstangenachse, verbindet.
Da andererseits die Rollenachsen 21d, 22d, 23d, 24d der Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 um einen Winkel abweichen, der gleich dem Steigungswinkel des Zahnstangengewindes 1a von der Richtung längs der Zahnstangenachse 1d ist, wie oben beschrieben, bilden die Rollenachsen Winkel zu der Zahnstangenachse, und je mehr die Rollennuten von dem Punkt der dichtesten Annäherung entfernt sind, desto mehr sind die Zentralpositionen der Rollennuten von der Y-Achse entfernt, sodass sich die Geschwindigkeitskomponenten der Rollennuten an den Eingriffsstellen in einer Radialrichtung vergrößern.
Da die Geschwindigkeitskomponenten des Zahnstangengewindeganges an den Eingriffsstellen in Radialrichtung zu dieser Zeit 0 sind, bewirken die Geschwindigkeitskomponenten der Rollennuten in Radialrichtung Gleitgeschwindigkeiten, die verantwortlich für einen Reibungsverlust sind, mit dem Ergebnis, dass, wenn die Rollennuten der Umlaufrollen in von den Punkten der nächsten Annäherung entfernten Positionen vorgesehen werden, sich der Reibungsverlust an den Eingriffsbereichen vergrößert und zu einer Verminderung der Leistung führt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die Punkte der dichtesten Annäherung der jeweiligen Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 zur Zahnstange 1 im Wesentlichen zentral an den Umlaufrollen positioniert, sodass keine Rollennut erheblich von dem Punkt der nächsten Annäherung entfernt ist, was den Vorteil ergibt, dass nur eine geringfügige Verminderung des Wirkungsgrades auftritt.
Wenn ein Schub (Zahnstangenschub) an der Zahnstange 1 erzeugt wird, wird seine Reaktionskraft in einer Axialrichtung der Zahnstange 1 erzeugt und letztendlich auf diejenigen Bereiche aufgebracht, in welchen das Zahnstangengewinde 1a und die Rollennuten 21b bis 24b der jeweiligen Umlaufrollen miteinander in Eingriff stehen.
Da bei dieser Ausführung eine Mehrzahl von Rollennuten an einer Umlaufrolle vorgesehen ist, vergrößern sich die Eingriffsbereiche entsprechend der Anzahl an Nuten, mit dem Ergebnis, dass eine hohe Belastung aufgenommen werden kann.
Da bei dieser Ausführung eine Mehrzahl an Umlaufrollen vorgesehen ist (hier vier Umlaufrollen 21 bis 24), werden die Eingriffsbereiche weiterhin vergrößert, was die Aufnahme einer großen Last ermöglicht, sodass ein großer Zahnstangenschub erzeugt werden kann.
Da bei dem Ausführungsbeispiel weiterhin die Umlaufrollen 21 bis 24 in gleichwinkligen Intervallen um die Zahnstange 1 angeordnet sind, heben sich die Komponenten der Radialkräfte (in einer Radialrichtung um die Zahnstangenachse 1d), die auf die jeweiligen Umlaufrollen einwirken, gegenseitige auf und kommen außen nicht zur Geltung.
Als ein Ergebnis werden die Belastungen auf die Haltelager 3a1, 3a2 verringert, sodass Lager mit kleinen Belastungskapazitäten verwendet werden können, um zu einer Reduktion der Kosten und zur Miniaturisierung beizutragen, und da die erzeugten Reibungsverluste ebenfalls verringert sind, wird eine Leistungsverbesserung möglich.
Daneben erfolgt ein Eingriff durch einen Kontakt zwischen der Gewindegangfläche des Zahnstangengewindes 1a und den Nutflächen der Rollennuten 21b bis 24b, sodass die Kontaktsituation frei einge stellt werden kann entsprechend der Ausbildung dieser Flächen, was einen erheblichen Unterschied verglichen mit der Tatsache darstellt, dass der Kontakt an Kugelteilen in einem Kugelgewindetrieb-Mechanismus auf einen Punktkontakt beschränkt ist.
Demgemäß wird bei dem Ausführungsbeispiel durch die Ausführung der Nutenflächen-Konfigurationen der am dichtesten angenäherten Nuten zur Erzielung eines Linienkontaktes an den Kontaktstellen die Aufnahme einer weiter vergrößerten Belastung ermöglicht, mit dem Ergebnis, dass ein weiter vergrößerter Zahnstangenschub erhalten werden kann.
Nachfolgend werden die Umlaufrollen 21 bis 24 in dem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf den Querschnitt gemäß 6 beschrieben. In den Umlaufrollen sind ein Schaftteil und ein äußerer Umfangsteil incl. einer Rollennut aus unterschiedlichen Materialien geformt, was in der Figur gezeigt ist, wobei der erstgenannte Bauteil aus einem Material, z. B. einem Metall wie Aluminium od. dgl., gebildet ist, das einen großen Young'schen Modul hat, und das letztere aus Kunstharz, wie z. B. technischem Kunststoff, geformt ist.
Die Ausführung hat den Vorteil, dass ein Rollennutenteil, das eine komplexe Form haben muss, durch Gesenkformen eines Kunstharzes hergestellt werden kann, was zu einer Kostenreduktion beiträgt, und eines der miteinander kämmenden Teile aus einem Kunstharz geformt wird, zum Ausgleich einer abgeschätzten Beeinträchtigung durch Deformation des Kunstharzes, was es ermöglicht, eine Formtoleranz in Erwartung der Deformation einzustellen, wodurch das Auftreten eines Spiels an den Eingriffsbereichen verhindert wird.
Eine solche Fähigkeit der Verhinderung des Spiels bedeutet, dass das Auftreten einer Totzone (bzw. eines Freiganges) verhindert werden kann, in welcher ein Lenkrad insgesamt nicht reagiert, auch wenn ein Einstellhebel betätigt wird, was zu einer Verbesserung des Lenkverhaltens beiträgt.
Andererseits ergibt sich beim Gesenkformen eines Kunstharzes ein Problem, dass ein Grat an den Fugen der Form erzeugt wird, wobei der Grat in diesem Fall parallel zu der Rollenachse 21d verläuft, wie in 6 unter Berücksichtigung des Zugumformens dargestellt. Da andererseits die Eingriffspositionen nicht parallel zu der Rollenachse 21d ausgerichtet sind, wie aus 7 entnehmbar, kann eine Mehrzahl von Gratteilen nicht in Kontakt mit den Eingriffsstellen gelangen, auch wenn ein Grat vorhanden ist, sodass keine Gefahr eines fehlerhaften Eingriffs besteht.
Da in diesem Fall jedoch das Zahnstangengewinde 1a aus Metall geformt ist und die Rollennuten aus einem Kunststoff geformt sind, benötigen diese eine Dicke in umgekehrtem Verhältnis zu der Materialfestigkeit des Kunstharzes, sodass während das Zahnstangengewinde 1a dünnwandig sein kann, es notwendig ist, z. B. eine Vergrößerung der Intervalle (Dicke der Rollenkämme) der Rollennuten in Betracht zu ziehen.
Der Einbau der Umlaufrollen 21 bis 24 in den Halter 3 geschieht wie folgt. Die Endplatte 3c, die mit der Endplatte 3b zur Bildung einer Unterbaugruppe vereinigt ist, wird vorläufig an den Verbindungsteilen 3d angeschraubt, wobei diese Unterbaugruppe in das Haltegliedgehäuse 6a eingesetzt wird und die Zahnstange 1 zentral mit der Unterbaugruppe verschraubt wird.
Danach werden die Verbindungsteile 3d und die Endplatte 3c, die vorläufig miteinander verschraubt worden sind, voneinander gelöst, die Endplatte 3c wird etwas verdreht, um biaxiale Winkel der Rollenachsen und der Zahnstangenachse einzustellen, zur Verringerung des Spiels an den Eingriffsbereichen, und die Verbindungsteile und die Endplatte werden wieder aneinander befestigt.
Da sich die Reibung an den Lagerteilen vergrößert, wenn sich das Spiel verringert, wird danach eine geeignete Verdrehung ausgeführt, was bedeutet, dass die Einstellung des Spiels und des Wirkungsgrad in der Endstufe des Zusammenbaus durchgeführt werden kann, sodass die Ausführung den Vorteil hat, dass das Spiel und die Streuung der Leistung vermindert werden können.
Da bei dem Ausführungsbeispiel der Stator 5b des Motors 5 in dem Gehäuse 6 vorgesehen ist, der Rotor 5a an dem Halter 3 vorgesehen ist und – nicht dargestellte – Mittel zur Ermöglichung einer translatorischen Bewegung und zur Verhinderung einer Rotation an der Zahnstange 1 vorgesehen sind, wie vorstehend beschrieben, dreht sich die Zahnstange 1 nicht, sondern führt nur Translationsbewegungen aus, wodurch sich der Vorteil der Zweckmäßigkeit ergibt, da kein Drehmoment auf einen am oberen Ende der Zahnstange 1 montierten Zugstab übertragen werden kann.
Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet als Umlaufrollen trommelförmige Umlaufrollen 121, 122, 123, 124 mit einem kleinen Außendurchmesser in denjenigen Teilen der Rollennuten 121b, 122b, 123b, 124b, die Mittelpunkte nächstliegend zu den Punkten der dich testen Annäherung haben, und die vergrößerte Außendurchmesser zu deren beiden Seiten aufweisen, wie in 8 gezeigt; und bezüglich anderer Gesichtspunkt ist es das gleiche wie das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel; daher erübrigt sich eine Erläuterung bezüglich der Konstruktion und Betriebsweise der verbleibenden Teile.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das oben beschrieben ist und in dem die Rollennuten einen konstanten Außendurchmesser haben, wird eine Obergrenze für die Anzahl an eingestellten Eingriffsbereichen gesetzt, weil je entfernter die Rollennuten 21b, 22b, 23b, 24b von den Punkten der dichtesten Annäherung sind, desto kleiner sind die Bereiche, in denen ein Eingriff stattfinden kann, und wenn die Rollennuten zu weit von den Punkten der nächsten Annäherung entfernt sind, wird ein Eingriff unmöglich wird, wie dies aus 5 leicht zu ersehen ist.
Auch wenn bei der in 8 dargestellten Ausführung die Rollennuten 121b, 122b, 123b, 124b von den Punkten der dichtesten Annäherung getrennt sind, werden die Eingriffsbereich beibehalten, da die Umlaufrollen 121, 122, 123, 124 in ihrem Außendurchmesser vergrößert sind, mit dem Ergebnis, dass die Anzahl der Eingriffsbereiche pro Umlaufrolle zur Erzielung eines besonderen Effektes erhöht ist, sodass der Zahnstangenschub weiter vergrößert werden kann.
Im Folgenden wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die ersten Umlaufrolle 21 und die zweiten Umlaufrolle 22 von den vier Umlaufrollen 21, 22, 23, 24 um die Zahnstange 1 herum angeordnet, an welcher das Zahnstangengewinde 1a in Form eines einzi gen Gewindeganges so ausgebildet ist, dass er mit dem Zahnstangengewinde 1a in Eingriff steht, jedoch nicht in Axialrichtung außer Position gelangt.
Daher müssen die Axialpositionen der Rollennuten 21b, 22b jeweils an den Umlaufrollen 21, 22 bei jeder Rolle geändert werden. Wie aus 1 ersichtlich, ist die oberhalb der Zahnstange 1 angeordnete Umlaufrolle 22 an ihren beiden Enden mit nicht in Eingriff bringbaren Oberflächen versehen, während die beiden Enden der unterhalb der Zahnstange 1 angeordneten Umlaufrolle 24 als Eingriffsflächen dienen.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Zahnstangengewinde 1a der Zahnstange 1 aufgrund des Gewindes axial um eine halbe Steigung bei einem Vorschub von 180° bewegt werden kann, sodass bei Vorhandensein einer Mehrzahl von Umlaufrollen die Rollennuten für jede Umlaufrolle in unterschiedlichen Axialpositionen hergestellt werden müssen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es daher notwendig, eine Mehrzahl von Umlaufrollen herzustellen, deren Rollennuten in ihren Axialpositionen unterschiedlich voneinander sind, sodass die Massenproduktivität gering ist und Kostenprobleme bestehen.
Außerdem sind in diesem Fall diejenigen Punkte der Rollen der nächsten Annäherung, die dem Zahnstangenschaft 1b am nächsten liegen, auf den die Mittelachsen der Umlaufrollen bildenden Rollenachsen alle im Wesentlichen mittig an den Umlaufrollen angeordnet, wobei alle Rollennuten von den Punkten der nächsten Annäherung ver schieden positioniert sind und nicht in den gleichen Positionen liegen, sodass die Nutform für jede Rollennut separat entworfen und hergestellt werden muss, was zu weiter erhöhten Kosten führt.
Demgegenüber reicht bei einem dritten Ausführungsbeispiel nur eine einzige Art von Umlaufrollen aus. Das dritte Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Wie 7 ist auch 9 eine Darstellung, in welcher ein Zahnstangengewinde 1a einer Zahnstange 1 sich in der Ebene entwickelt und Umlaufrollen 21 bis 24 mit der gleichen Rollennut fortschreitend in Axialrichtung verschoben und in einem Halter 3 angeordnet sind.
In diesem Fall sind die vier Umlaufrollen vorgesehen und die erste Umlaufrolle 21 bis zur letzten Umlaufrolle 24 sind in dieser Reihenfolge verschoben, wodurch es ausreicht, die Umlaufrollen 21 bis 24 mit der gleichen Rollennut zu versehen, wodurch eine erhebliche Reduktion der Kosten erreicht werden kann.
Während die Umlaufrollen 21 bis 24 jeweils eine unterschiedliche axiale Länge haben müssen, kann eine erhebliche Reduktion der Kosten erreicht werden, weil die Rollennuten 21b, 22b, 23b und 24b, welche hohe Kosten durch Entwurf und Herstellung verursachen, alle gleich ausgebildet werden können.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel haben alle Umlaufrollen 21 bis 24 jeweils mittig angeordnete Punkte der dichtesten Annäherung, sodass drei Formen für die Rollennuten ausreichen, wodurch eine weitere Reduktion der Kosten erreicht werden kann.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel mit vier Umlaufrollen ist das Verfahren zum Verschieben der Umlaufrollen in Axialrichtung nicht auf den Fall begrenzt, bei welchem vier Umlaufrollen vorgesehen sind, sondern es kann auch in anderen Fällen ausgeführt werden.
Außerdem reicht in dem Fall, in dem die Umlaufrollen aus einem Kunstharz gegossen werden, eine Art von Formwerkzeug aus, sodass in dieser Beziehung eine Kostensenkung erreicht wird.
Weiterhin haben bei allen vorstehenden Ausführungsbeispielen die Umlaufrollen, beispielsweise die Umlaufrollen 21 bis 24, im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Zahnstange 1, wobei es in der Ausführung der Erfindung möglich ist, Umlaufrollen mit einem kleineren Durchmesser als dem der Zahnstange auszuführen, solange die Festigkeit dies zulässt.
In diesem Fall kann die Anzahl der Umlaufrollen weiter vergrößert werden, wodurch es auch möglich wird, die Anforderungen eines Falles zu erfüllen, bei welchem weiter vergrößerte Zahnstangenschübe erforderlich sind.

Claims

Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung, mit – einer Zahnstange (1) in Form eines Rundstabs, einem auf der Zahnstange (1) relativ zu dieser verdrehbar gelagerten Halteglied (3), einer drehbar vom Halteglied (3) getragenen Umlaufrolle (21–24; 121–124) und einem Drehantrieb (5), der die Zahnstange (1) und das Halteglied (3) relativ zueinander dreht, wobei – die Zahnstange (1) an ihrer äußeren Umfangsfläche einen Gewindegang (1a) aufweist, – die Umlaufrolle (21–24; 121–124) Ringnuten (21b–24b) an ihrer äußeren Umfangsfläche aufweist, die mit dem Gewindegang (1a) der Zahnstange (1) in Eingriff stehen und einen Rundlauf um die äußere Umfangsfläche der Umlaufrolle (21–24; 121–124) bilden, und – ein biaxialer Winkel zwischen einer Axialrichtung der Zahnstange (1) und einer Axialrichtung der Umlaufrolle (21–24; 121–124) gleich groß wie ein Steigungswinkel des Gewindeganges (1a) der Zahnstange (1) ist, – die Umlaufrolle (21–24; 121–124) relativ zur Zahnstange (1) verdreht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – Oberflächen der Nuten (21b–24b) der Umlaufrolle (21–24; 121–124) und Oberflächen des Gewindeganges (1a) der Zahnstange (1) so definiert sind, dass die Eingriffsstellen zwischen der Um laufrolle (21–24; 121–124) und der Zahnstange (1) – gesehen in Axialrichtung der Zahnstange (1) – in der Nähe einer Linie (Y-Achse) verteilt sind, welche Punkte der dichtesten Annäherung verbinden, die sich jeweils auf Achsen der Umlaufrolle (21–24; 121–124) und der Zahnstange (1) in Positionen befinden, in welchen die Achsen am dichtesten einander angenähert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reibmoment, das an einem Lagerteil (21a–24a) erzeugt wird, der die Umlaufrolle (21–24; 121–124) drehbar am Halteglied (3) trägt, kleiner ist als ein Reibmoment, das an einem Eingriffsteil des Gewindeganges (1a) an der äußeren Umfangsfläche der Zahnstange (1) und der Ringnut (21b–24b) der Umlaufrolle (21–24; 121–124) wirksam ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Punkt der dichtesten Annäherung an eine Drehachse der Umlaufrolle (21–24; 121–124), der als ein Punkt nahe einer Zahnstangenachse (1d) definiert ist, die eine Drehachse der Zahnstange (1) bildet, im Wesentlichen zentral auf der Drehachse der Umlaufrolle (21–24; 121–124) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebskraft des Drehantriebs (5) auf das Halteglied (3) ausgeübt wird, um das Halteglied (3) relativ zur Zahnstange (1) zu drehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Axialwinkel-Einstellmittel (3c, 3d) zum Einstellen des biaxialen Winkels, nachdem sich die Umlaufrolle (21–24; 121–124) und die Zahnstange (1) miteinander in Eingriff befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Ringnut oder die Nuten (21b–24b) der Umlaufrolle oder der Rollen (21–24; 121–124) aus Kunstharz geformt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufrolle (12, 122, 123, 124) eine Gestalt hat, bei welcher der Außendurchmesser sich mit Entfernen von den Punkten der dichtesten Annäherung vergrößert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrteil sich vom Halteglied (3) erstreckt und die Zahnstange (1) überdeckt, und ein hohler Motor (5) vorgesehen ist, dessen Rotor (5a) an dem Rohrteil befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnuten (21b–24b) aus Harz geformt sind und der Zwischenraum zwischen benachbarten Ringnuten (21b–24b) größer als die Breite der Ringnuten (21b–24b) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenteil der Umlaufrolle (21–24; 121–124) aus Metall geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufrolle (21–24; 121–124) durch Gießformen gebildet ist, wobei eine Trennebene der Gießform in einer die Achse der Umlaufrolle (21–24; 121–124) enthaltenden Ebene angeordnet ist.