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WO2015062739A1 - Lenkgetriebe mit mehreren ritzeln - Google Patents

Lenkgetriebe mit mehreren ritzeln Download PDF

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Publication number
WO2015062739A1
WO2015062739A1 PCT/EP2014/002932 EP2014002932W WO2015062739A1 WO 2015062739 A1 WO2015062739 A1 WO 2015062739A1 EP 2014002932 W EP2014002932 W EP 2014002932W WO 2015062739 A1 WO2015062739 A1 WO 2015062739A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pinion
steering
rack
steering gear
gear according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/002932
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Hirschmann
Philippe Steck
Arne Schacht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Presta AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Presta AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Presta AG filed Critical ThyssenKrupp Presta AG
Publication of WO2015062739A1 publication Critical patent/WO2015062739A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • B62D3/126—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type characterised by the rack
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0421—Electric motor acting on or near steering gear
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0442—Conversion of rotational into longitudinal movement

Definitions

  • the present invention relates to a steering gear for motor vehicles having the features of the preamble of claim 1.
  • a design of electrically assisted steering gear for motor vehicles is preferred in which the supporting force is introduced via a second toothing in the rack.
  • the servo drive acts on the rack via a second steering pinion and a second toothing.
  • steering gear in which in addition to the engagement of the steering pinion, a ball screw is provided on the rack, which is connected via a ball screw with a servo motor.
  • the steering power is introduced via the ball screw in the rack.
  • Tooth segment and a second driven by a servo motor pinion meshes with the second toothed segment.
  • This compact arrangement of the two pinion can be dispensed with a complex pressure piece. But since the support torque is introduced in the region of the input shaft, the space freedom is very limited.
  • a steering gear is provided, in particular for motor vehicles, with a steering housing in which a rack is longitudinally displaceable and connected for pivoting steerable wheels with these, wherein the rack is provided with a first toothed segment, which meshes with a first steering pinion of a pinion shaft and wherein the pinion shaft is indirectly connected to a steering wheel via an input shaft, and wherein the rack is provided with a second toothed segment which meshes with a second pinion, and wherein the rack is a third
  • Tooth segment the second tooth segment with respect to the
  • the required steering assist force is preferably applied by at least one electric motor, which acts on the second pinion and / or the third pinion.
  • Tooth segment are arranged in a second rack portion and the first toothed segment is arranged in a spaced from the second rack portion first rack portion. This arrangement results in an increased space freedom, since the support torque is not initiated in the region of the input shaft.
  • the second pinion are driven by a first electric motor and the third pinion by a second electric motor.
  • This embodiment is particularly advantageous in steering gears of a steer-by-wire steering.
  • This mechanical coupling of the two pinions is preferably via gears, worm wheels and / or bevel gears.
  • the axes of rotation of the two opposing pinions are arranged at an acute angle to each other and if the two rack segments which are located on the rack relative to the longitudinal axis, are arranged in mutually inclined planes, because in this way a Backlash of the teeth engagement by a bias of the rack can be achieved in the included angle into it.
  • the rack in the region of the second rack section has at least one guide which cooperates with at least one guide element for guiding the rack in the direction of the parallel or at an acute angle arranged rotational axes of the steering pinion, the steering pinion remain almost free of axial forces, the game can be set and the rack is precisely guided.
  • Rack section has at least one guide, with at least one guide element for guiding the rack in the direction of
  • Rotary axis of the first steering pinion cooperates.
  • the second toothed segment and the third toothed segment are opposite to the first
  • Longitudinal axis of the rack are offset. Preference is given to 90 degrees.
  • the at least one electric motor is controlled by a torsion sensor on the steering shaft.
  • Embodiments are provided with the same reference numerals in order to increase the clarity.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of a steering gear with two pinions and two drive motors and a steering pinion
  • FIG. 5 is a perspective view of a steering gear with two pinions and a drive motor
  • Fig. 6 a three-dimensional representation of another steering gear with two
  • Fig. 7 is a perspective view of another steering gear with two of a drive motor by means of a worm shaft and two
  • Fig. 8 a spatial representation of another steering gear with two
  • Fig. 10 schematic representations of a steering gear with
  • worm gear 11, 12 schematic representations of a steering gear with gear transmission, as well
  • Fig. 13, 14 schematic representations of a steering gear
  • FIG. 1 shows a steering system for a motor vehicle with a steering wheel 1, which is rotatably coupled to an upper steering shaft 2 and a lower steering shaft 3.
  • the lower steering shaft 3 is in turn rotatably coupled to a first steering pinion 4.
  • the steering pinion 4 meshes in a known manner with a toothed segment 5 of a rack 6.
  • the rack 6 is in one
  • Steering housing slidably mounted in the direction of its longitudinal axis.
  • the rack 6 is connected to tie rods 7 via ball joints, not shown.
  • the tie rods 7 themselves are in a known manner via steering knuckle, each with a steered wheel 8 of the
  • a rotation of the steering wheel 1 leads via the connection of the steering shaft 2 and 3 and the pinion 4 to a
  • Torque on the steering wheel 1 is required.
  • Two servomotors 10, 11 are provided to assist the driver in this steering movement.
  • the direction of rotation and the torque of the servomotors 10, 11 are controlled by a torsion sensor 12 on the steering shaft.
  • the servomotors 10, 11 conduct the steering assist force to the rack 6 via a second pinion 13 engaged with a second sector gear 14 and a third pinion 15 engaged with a third sector gear 16, respectively.
  • the first toothed segment 5 lies in a first toothed rack section 17 and the second and third toothed segments 14, 16 are arranged in a second toothed rack section 18 which is spaced apart from the first toothed rack section.
  • the second and third toothed segments 14, 16 are arranged on opposite sides of the rack 6, wherein the third toothed segment 16 is provided on the same rack side as the first toothed segment 5.
  • the transmission range of the power steering analogous to Figure 1 is shown in Figure 2 and Figure 3 in more detail.
  • the rack 6 is provided in the region of the opposing tooth segments 14 and 16 with an approximately square cross-section.
  • the toothed segments 14 and 16 are arranged on two opposite side surfaces of the rack 6.
  • the toothed segments 14 and 16 are inclined relative to each other at an acute angle of about 10 °, so that the planes defined by the toothed segments 14 and 16 converge towards each other as seen by the servomotors 10, 11. Accordingly, the axis of rotation 131 of the second pinion 13 and the axis of rotation 151 of the third pinion 15, in
  • Tooth segments 14 and 16 In the guides 19 with respect to the
  • Guide elements 20 which guide the rack 6.
  • the rack 6 is fixed by the guide elements 20 in their vertical orientation, ie in their relative position to the axes of rotation of the pinion 13 and 15. In this way, the backlash of the gearing engagement between the second
  • the setting uses the approximately V-shaped Orientation of the pinion 13 and 15 to each other. With elastic elements, not shown, a corresponding bias to reduce the backlash can be formed.
  • the second pinion 13 and the third pinion 15 must be in operation
  • the two pinions 13, 15 are driven by two separate drive motors.
  • the pinions 13, 15 are coupled via a reduction gear, in particular a harmonic drive gear, a planetary gear or a cycloidal gear with the respective servo motor 10, 11.
  • the torsion sensor 12 is provided with a torsion bar 21 which is arranged between the steering shaft and the first steering pinion 4.
  • a rotation of the steering wheel 1 leads to a rotation of the steering shaft and thus to the rotation of the torsion bar 21.
  • This torsion is detected by the Torsionssensor and fed to the steering control unit.
  • Control unit determines therefrom the correct control variable for the servomotors 10, 11.
  • the power steering assistance is dimensioned as a function of the torsion of the torsion bar 21.
  • Figures 5, 6 and 7 show three embodiments with only a single servo motor.
  • the servo motor 11 drives the third pinion 15, wherein the second pinion 13 is driven via a toothing of a gear transmission.
  • the pinion 13 is rotatably connected to a first gear 22, while the second
  • Steering pinion 15 is rotatably connected to a second gear 23.
  • the gears 22 and 23 are engaged with each other. They have the same circumference, so that the rotational angular velocity of the pinions 13 and 15 is identical. This is required for identically formed interventions between the pinion 13 and the toothed segment 14 on the one hand and the pinion 15 and the toothed segment 16 on the other. It can be in others
  • Embodiments also be provided that the toothing interventions are formed differently on both sides of the rack 6, in particular the two pinions have a different circumference or pitch circle. Then the synchronization must be done via appropriately adapted gears or other synchronization means.
  • the single servo motor 11 drives a third pinion 15, wherein the second pinion 13 is connected via a toothing of a toothed gear
  • the opposing tooth segments of the two pinions 13, 15 are offset by 90 degrees about the longitudinal axis of the rack 6 relative to a toothed segment, which is in engagement with the steering shaft coupled to the steering pinion 4.
  • the arrangement of the pinion on separate rack sections it is possible to arrange the teeth in different angular positions and thus adapt the steering gear to different vehicles and their space individually.
  • FIGS. 5 and 6 show a first one
  • the guide element 20 is here in the region of the engagement of the first pinion 4 in the rack 6 also has a guide 24 with respect to the transmission housing fixed in the
  • Steering gear arranged guide member 25 is provided, as well as a
  • the guide 26 may also be formed as a pressure piece, as is known in the art. However, there may be embodiments in which it can be dispensed with a complex pressure piece for adjusting the game of engagement pinion / rack.
  • a further embodiment of the transmission according to Figures 5 and 6 provides that the gear 22 with the second pinion 13 rigid in the
  • Gear housing mounted and connected to the pinion 13, while the bearing of the second gear 23 and the third pinion 15 is designed to be movable within narrow limits, so that a variable center distance between the pinion 13 and the pinion 15 is ensured.
  • Fig. 8 shows a further possible arrangement of the second and third pinion, in which the pinions are oriented in opposite directions. The ones shown here
  • FIG. 9 illustrates a schematic transmission view, as corresponds to FIG.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment with a worm gear, wherein the drive has a first worm wheel 31 via a worm shaft 30
  • Worm 31 is driven via a corresponding gear stage.
  • Figures 9 and 10 illustrate corresponding gear transmission in each of which a pinion with a gear 33, 34 is fixedly connected, which is driven via a shaft 35 of the servomotor 11.
  • Figures 13 and 14 show schematic bevel gear. About one
  • Bevel gear which is connected to the servo motor 11 via a shaft 36, the two pinions (13, 15) via a respective gear 37, 38th
  • the two can be fixed with one pinion in each case
  • a first gear 37 in the bevel gear and a second gear 38 are in engagement with the first gear.
  • the preceding figures are intended to illustrate that the object according to the invention is not limited to specific types of gearboxes and drives.
  • the second and third pinion can be driven by any type of transmission, with one or two servomotors are provided.
  • the steering gear according to the invention makes it possible to choose a power steering with one or two servomotors in the range of a second spaced from the engagement of the steering pinion in the rack rack section, so that the steering gear particularly high support torque at flexible
  • the steering gear according to the invention is suitable for use in a steer-by-wire steering system in which no mechanical coupling between the steering wheel and the steering gear is present.
  • the other electric motor can thus ensure emergency operation. This is particularly relevant, in the light of the fact that the full drive power of the steering system is needed preferably when parking and thus at low vehicle speeds.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Lenkungsgehäuse, in dem eine Zahnstange (6) längsverschiebbar gelagert und zur Verschwenkung von lenkbaren Rädern mit diesen verbunden ist, wobei die Zahnstange (6) mit einem ersten Zahnsegment (5) versehen ist, welches mit einem ersten Lenkritzel (4) einer Ritzelwelle kämmt und wobei die Ritzelwelle über eine Eingangswelle (2) mittelbar mit einem Lenkrad (1) verbunden ist, wobei die Zahnstange (6) mit einem zweiten Zahnsegment (14) versehen ist, welches mit einem zweiten Ritzel (13) kämmt, wobei die Zahnstange (6) ein drittes Zahnsegment (16) aufweist, das dem zweiten Zahnsegment (14) bezüglich der Längsachse der Zahnstange (6) gegenüber liegt, und wobei ein drittes Ritzel (15) vorgesehen ist, das mit dem dritten Zahnsegment (16) in Eingriff steht.

Description

LENKGETRIEBE MIT MEHREREN RITZELN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Für große und schwere Fahrzeuge der sogenannten Mittelklasse, der
Luxusklasse, für Geländefahrzeuge und für leichte Nutzfahrzeuge wird eine Bauform der elektrischen unterstützten Lenkgetriebe für Kraftfahrzeuge bevorzugt, bei der die Unterstützungskraft über eine zweite Verzahnung in die Zahnstange eingeleitet wird. Es sind Lenkgetriebe bekannt, bei denen der Servoantrieb über ein zweites Lenkritzel und eine zweite Verzahnung auf die Zahnstange wirkt. Weiter gibt es Lenkgetriebe, bei denen neben dem Eingriff des Lenkritzels ein Kugelgewinde auf der Zahnstange vorgesehen ist, das über einen Kugelgewindetrieb mit einem Servomotor verbunden ist. Hier wird die Lenkhilfskraft über das Kugelgewinde in die Zahnstange eingeleitet. Die
Belastung des Lenkritzels wird dadurch reduziert. Lenkgetriebe mit einem auf die Zahnstange wirkenden Kugelgewindetrieb sind relativ teuer.
Aus der DE 10 2010 027 553 AI ist ein preisgünstiges Lenkgetriebe mit kompakten Abmessungen bekannt, bei dem die Zahnstange ein erstes und ein dem ersten bezüglich der Längsachse der Zahnstange gegenüberliegendes zweites Zahnsegment aufweist, wobei das Lenkritzel mit dem ersten
Zahnsegment und ein zweites von einem Servomotor angetriebene Ritzel mit dem zweiten Zahnsegment kämmt. Durch diese kompakte Anordnung der beiden Ritzel kann auf ein aufwändiges Druckstück verzichtet werden. Da aber das Unterstützungsmoment im Bereich der Eingangswelle eingeleitet wird, ist die Bauraumfreiheit stark begrenzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkgetriebe zu schaffen, das erhöhte Bauraumfreiheit aufweist und dennoch die für schwere Kraftfahrzeuge erforderlichen Lenkhilfskräfte zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe wird von einem Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Danach ist ein Lenkgetriebe vorgesehen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Lenkungsgehäuse, in dem eine Zahnstange längsverschiebbar gelagert und zur Verschwenkung von lenkbaren Rädern mit diesen verbunden ist, wobei die Zahnstange mit einem ersten Zahnsegment versehen ist, welches mit einem ersten Lenkritzel einer Ritzelwelle kämmt und wobei die Ritzelwelle über eine Eingangswelle mittelbar mit einem Lenkrad verbunden ist, und wobei die Zahnstange mit einem zweiten Zahnsegment versehen ist, welches mit einem zweiten Ritzel kämmt, und wobei die Zahnstange ein drittes
Zahnsegment aufweist, das dem zweiten Zahnsegment bezüglich der
Längsachse der Zahnstange gegenüber liegt, und wobei ein drittes Ritzel vorgesehen ist, das mit dem dritten Zahnsegment in Eingriff steht. Durch das Vorhandensein von insgesamt drei Ritzeln kann die Bauraumgestaltung sehr flexibel gestaltet werden.
Die erforderliche Lenkhilfskraft wird vorzugsweise durch wenigstens einen Elektromotor aufgebracht, der an dem zweiten Ritzel und/oder dem dritten Ritzel angreift.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das zweite Zahnsegment und das dritte
Zahnsegment in einem zweiten Zahnstangenabschnitt angeordnet sind und das erste Zahnsegment in einem vom zweiten Zahnstangenabschnitt beabstandeten ersten Zahnstangenabschnitt angeordnet ist. Diese Anordnung ergibt eine erhöhte Bauraumfreiheit, da das Unterstützungsmoment nicht im Bereich der Eingangswelle eingeleitet wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Ritzel von einem ersten Elektromotor und das dritte Ritzel von einem zweiten Elektromotor angetrieben werden.
Diese Ausführungsform ist besonders bei Lenkgetrieben einer Steer-by-Wire Lenkung vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Ritzel mit dem dritten Ritzel zu einer gegensinnigen Drehung mechanisch
zwangsgekoppelt ist. Diese mechanische Kopplung der beiden Ritzel erfolgt vorzugsweise über Zahnräder, Schneckenräder und/oder Kegelräder.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Drehachsen der beiden sich gegenüber liegenden Ritzel in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind und wenn die beiden Zahnstangensegmente, die sich an der Zahnstange bezüglich der Längsachse gegenüber liegen, in zueinander geneigten Ebenen angeordnet sind, weil auf diese Weise eine Spielfreiheit der Verzahnungseingriffe durch eine Vorspannung der Zahnstange in den eingeschlossenen Winkel hinein erzielt werden kann. Es ist aber auch denkbar und möglich, die Drehachsen der beiden gegenüberliegenden Ritzel parallel anzuordnen. In diesem Falle können spezielle Druckstücke vorgesehen sein, die Spiele zwischen den
Verzahnungen beseitigen und die Verzahnungen unter Vorspannung in Eingriff bringen. Dazu können elastisch vorgespannte Lagerungen der Ritzelwellen und oder andere Techniken, wie sie bei der Spielbeseitigung von
Schneckenradgetrieben bekannt sind, eingesetzt werden.
Wenn weiter die Zahnstange im Bereich des zweiten Zahnstangenabschnitts wenigstens eine Führung aufweist, die mit wenigstens einem Führungselement zur Führung der Zahnstange in Richtung der parallelen oder in einem spitzen Winkel zueinander angeordneten Drehachsen der Lenkritzel zusammenwirkt, bleiben die Lenkritzel nahezu frei von Axialkräften, das Spiel kann eingestellt werden und die Zahnstange wird präzise geführt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zahnstange im Bereich des ersten
Zahnstangenabschnitts wenigstens eine Führung aufweist, die mit wenigstens einem Führungselement zur Führung der Zahnstange in Richtung der
Drehachse des ersten Lenkritzels zusammenwirkt.
In einer Ausführungsform kann weiterhin vorgesehen sein, dass das zweite Zahnsegment und das dritte Zahnsegment gegenüber dem ersten
Zahnsegment um einen Winkel im Bereich von 60 bis 90 Grad um die
Längsachse der Zahnstange versetzt sind. Bevorzugt sind dabei 90 Grad.
Diese unabhängige Orientierung der gegenüberliegenden Zahnsegmente im Bezug auf das erste Zahnsegment ermöglicht erheblich mehr Bauraumfreiheit. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der wenigstens eine Elektromotor durch einen Torsionssensor an der Lenkwelle gesteuert wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Gleichwirkende oder gleichartige Elemente in verschiedenen
Ausführungsbeispielen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Anordnung eines Lenkgetriebes mit zwei Ritzel sowie zwei Antriebsmotoren und einem Lenkritzel,
Fig. 2: eine Ansicht eines Lenkgetriebes analog zur Figur 1,
Fig. 3: eine andere Ansicht des Lenkgetriebes der Figur 2,
Fig. 4: einen Längsschnitt durch eine Lenkwelle mit Torsionssensor,
Fig. 5: eine räumliche Darstellung eines Lenkgetriebes mit zwei Ritzeln sowie einem Antriebsmotor,
Fig. 6: eine räumliche Darstellung eines weiteren Lenkgetriebes mit zwei
Ritzeln sowie einem Antriebsmotor,
Fig. 7: eine räumliche Darstellung eines weiteren Lenkgetriebes mit zwei von einem Antriebsmotor mittels einer Schneckenwelle und zwei
Schneckenräder angetriebenen Ritzeln,
Fig. 8: eine räumliche Darstellung eines weiteren Lenkgetriebes mit zwei
Ritzeln sowie zwei Antriebsmotoren,
Fig. 9: schematische Darstellungen des Lenkgetriebes aus Fig. 7,
Fig. 10: schematische Darstellungen eines Lenkgetriebes mit
Schneckenradgetriebe, Fig. 11, 12: schematische Darstellungen eines Lenkgetriebes mit Zahnradgetriebe, sowie
Fig. 13, 14: schematische Darstellungen eines Lenkgetriebes mit
Kegelradgetriebe.
Die Figur 1 zeigt eine Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad 1, das mit einer oberen Lenkwelle 2 und einer unteren Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist. Die untere Lenkwelle 3 ist wiederum drehfest mit einem ersten Lenkritzel 4 gekoppelt. Das Lenkritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 5 einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem
Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des
Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 1 führt über die Verbindung der Lenkwelle 2 und 3 und des Ritzels 4 zu einer
Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 9 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes
Drehmoment am Lenkrad 1 erforderlich macht. Zwei Servomotoren 10, 11 sind vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Drehrichtung und das Drehmoment der Servomotoren 10, 11 werden durch einen Torsionssensors 12 an der Lenkwelle gesteuert. Die Servomotoren 10, 11 leiten die Lenkhilfskraft über ein zweites Ritzel 13, das mit einem zweiten Zahnsegment 14 in Eingriff steht bzw. ein drittes Ritzel 15, welches mit einem dritten Zahnsegment 16 in Eingriff steht, in die Zahnstange 6 ein. Das erste Zahnsegment 5 liegt dabei in einem ersten Zahnstangenabschnitt 17 und das zweite und dritte Zahnsegment 14, 16 sind in einem zweiten, von dem ersten beabstandeten Zahnstangenabschnitt 18 angeordnet. Weiterhin sind das zweite und dritte Zahnsegment 14, 16 auf gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange 6 angeordnet, wobei das dritte Zahnsegment 16 auf der gleichen Zahnstangenseite wie das erste Zahnsegment 5 vorgesehen ist. Die Drehachse 131 (=Wellenachse) des zweiten Ritzels 13 und die Drehachse 151 (=Wellenachse) des dritten Ritzels 15 sind in diesem Beispiel parallel zueinander ausgerichtet. Mit nicht dargestellten Vorspannelementen und/oder exzentrischen Lagerungen der Wellen der Ritzel 13, 15 erfolgt die
Spielreduktion des Flankenspiels im Getriebeeingriff zwischen Ritzel 13, 15 und Verzahnung 14, 16 der Zahnstange 6. Eine alternative Ausrichtung der Wellenachsen in einem spitzen Winkel zueinander ist jedoch möglich.
Der Getriebebereich der Lenkhilfe analog zur Figur 1 ist in der Figur 2 und der Figur 3 detaillierter dargestellt. Die Zahnstange 6 ist im Bereich der sich gegenüber liegenden Zahnsegmente 14 und 16 mit einem etwa quadratischen Querschnitt versehen. Die Zahnsegmente 14 und 16 sind an zwei sich gegenüber liegenden Seitenflächen der Zahnstange 6 angeordnet. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel sind die Zahnsegmente 14 und 16 in einem spitzen Winkel von etwa 10° gegeneinander geneigt, so dass die von den Zahnsegmenten 14 und 16 definierten Ebenen von den Servomotoren 10, 11 gesehen aufeinander zulaufen. Dementsprechend sind die Drehachse 131 des zweiten Ritzels 13 und die Drehachse 151 des dritten Ritzels 15, im
Unterschied zur Darstellung in Figur 1, in einem spitzen Winkel zueinander orientiert. Die angetrieben Seiten der Ritzel 13 und 15, die einerseits mit dem Servoantrieb 10 und andererseits mit dem Servoantrieb 11 verbunden sind, weisen einen größeren Abstand voneinander auf als die freien Enden der Lenkritzel 13 und 15. Zwischen den Zahnsegmenten 14 und 16 weist die Zahnstange 6 zwei sich gegenüber liegende Führungen 19 auf, die in Form von Längsnuten etwa über die Länge der Zahnsegmente auf der Zahnstange angebracht sind. Die Führungen 19 verlaufen etwa parallel zu den
Zahnsegmenten 14 und 16. In die Führungen 19 greifen bezüglich des
Getriebegehäuses ortsfest in dem Lenkgetriebe angeordnete
Führungselemente 20 ein, die die Zahnstange 6 führen. Die Zahnstange 6 wird durch die Führungselemente 20 in ihrer vertikalen Ausrichtung, also in ihrer relativen Lage zu den Drehachsen der Ritzel 13 und 15 fixiert. Auf diese Weise kann das Flankenspiel des Verzahnungseingriffs zwischen dem zweiten
Lenkritzel 13 und dem Zahnsegment 14 sowie zwischen dem dritten Lenkritzel 15 und dem Zahnsegment 16 auf einen vordefinierten kleinen Wert, oder gar auf Null, eingestellt werden. Die Einstellung nutzt dabei die etwa V-förmige Orientierung der Ritzel 13 und 15 zueinander. Mit nicht dargestellten elastischen Elementen kann eine entsprechende Vorspannung zur Reduktion des Flankenspiels ausgebildet sein.
Das zweite Ritzel 13 und das dritte Ritzel 15 müssen sich im Betrieb
gegensinnig drehen. Eine genau synchronisierte Bewegung ist für einen präzisen Antrieb der Zahnstange 6 erforderlich. Die beiden Ritzel 13, 15 werden durch zwei separate Antriebsmotoren angetrieben. Dabei sind die Ritzel 13, 15 über ein Untersetzungsgetriebe, insbesondere ein Harmonic- Drive-Getriebe, ein Planetengetriebe oder ein Zykloidengetriebe mit dem jeweiligen Servomotor 10, 11 gekoppelt.
In der Figur 4 ist der Torsionssensor 12 mit einem Torsionsstab 21, der zwischen der Lenkwelle und dem ersten Lenkritzel 4 angeordnet ist,
dargestellt. Eine Drehung des Lenkrads 1 führt zu einer Drehung der Lenkwelle und somit zur Verdrehung des Torsionsstabs 21. Diese Torsion wird von dem Torsionssensor erfasst und dem Lenkungssteuergerät zugeführt. Das
Steuergerät ermittelt daraus die richtige Steuergröße für die Servomotoren 10, 11. Die Lenkkraftunterstützung ist dabei in Abhängigkeit von der Torsion des Torsionsstabs 21 bemessen.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen drei Ausführungsbeispiele mit nur einem einzigen Servomotor.
In der Figur 5 treibt der Servomotor 11 das dritte Ritzel 15 an, wobei das zweite Ritzel 13 über eine Verzahnung eines Zahnradgetriebes angetrieben wird. Hierzu ist es nur schematisch veranschaulicht, dass das Ritzel 13 mit einem ersten Zahnrad 22 drehfest verbunden ist, während das zweite
Lenkritzel 15 mit einem zweiten Zahnrad 23 drehfest verbunden ist. Die Zahnräder 22 und 23 stehen miteinander im Eingriff. Sie weisen den gleichen Umfang auf, so dass die Drehwinkelgeschwindigkeit der Ritzel 13 und 15 identisch ist. Dies ist bei identisch ausgebildeten Eingriffen zwischen dem Ritzel 13 und dem Zahnsegment 14 einerseits und dem Ritzel 15 und dem Zahnsegment 16 andererseits erforderlich. Es kann in anderen
Ausführungsformen auch vorgesehen sein, dass die Verzahnungseingriffe zu beiden Seiten der Zahnstange 6 unterschiedlich ausgebildet sind, insbesondere die beiden Ritzel einen unterschiedlichen Umfang oder Wälzkreis aufweisen. Dann muss die Synchronisierung über entsprechend angepasste Zahnräder oder andere Synchronisierungsmittel erfolgen.
In der Figur 6 treibt der einzige Servomotor 11 ein drittes Ritzel 15 an, wobei das zweite Ritzel 13 über eine Verzahnung eines Zahnradgetriebes
angetrieben wird. Im Gegensatz zur Ausführungsform der Figur 5 sind die gegenüberliegenden Zahnsegmente der beiden Ritzel 13, 15 um 90 Grad um die Längsachse der Zahnstange 6 gegenüber einem Zahnsegment, welches in Eingriff mit dem mit der Lenkwelle gekoppelten Lenkritzel 4 steht, versetzt. Durch die Anordnung der Ritzel auf separaten Zahnstangenabschnitten ist es möglich die Verzahnungen in unterschiedlichen Winkellagen anzuordnen und somit das Lenkgetriebe an verschiedene Fahrzeuge und ihre Bauräume individuell anzupassen.
Die beiden Ausführungsformen der Figur 5 und 6 zeigen einen ersten
Zahnstangenabschnitt 17 mit nur einem Zahnsegment, welches mit dem ersten Ritzel 4 in Eingriff steht. Zusätzlich zu dem Führungselement 20 ist hier im Bereich des Eingriffs des ersten Ritzels 4 in die Zahnstange 6 ebenfalls eine Führung 24 mit einem bezüglich des Getriebegehäuses ortsfest in dem
Lenkgetriebe angeordnete Führungselement 25 vorgesehen, sowie eine
Führung 26 der Zahnstange auf der dem Ritzel 4 gegenüberliegenden Seite. Die Führung 26 kann auch als Druckstück ausgebildet sein, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Allerdings kann es Ausführungsformen geben, bei denen auf ein aufwendiges Druckstück zur Einstellung des Spiels des Eingriffs Ritzel/Zahnstange verzichtet werden kann.
Eine weitere Ausführungsform des Getriebes nach den Figuren 5 und 6 sieht vor, dass das Zahnrad 22 mit dem zweiten Ritzel 13 starr in dem
Getriebegehäuse gelagert und mit dem Ritzel 13 verbunden ist, während die Lagerung des zweiten Zahnrades 23 und des dritten Ritzels 15 ist in engen Grenzen beweglich ausgeführt, so dass ein variabler Achsabstand zwischen dem Ritzel 13 und dem Ritzel 15 gewährleistet ist. Durch geeignete
Anfederung kann dann das dargestellte Getriebe spielfrei gehalten werden. Die bei der Fertigung einzuhaltenden Toleranzen werden dadurch vergrößert, was die Fertigung vereinfacht.
In der Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform mit einem einzigen
Antriebsmotor 11 gezeigt, wobei das zweite und dritte Ritzel 13, 15 mittels Schneckenräder 27, 28 über eine Schneckenwelle 29 angetrieben werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere mögliche Anordnung des zweiten und dritten Ritzels, bei der die Ritzel entgegengesetzt ausgerichtet sind. Die hier gezeigten
Servomotoren 10, 11, die die Ritzel antreiben, liegen somit auf
entgegengesetzten Seiten der Zahnstange. Die Drehachsen des zweiten Ritzels 13 und dritten Ritzels 15 sind dabei weiterhin, wie in vorhergehenden
Beispielen in einem spitzen Winkel zueinander orientiert. In diesem Beispiel ist jedoch auch eine parallele Lage der Wellenachsen oder Drehachsen 131, 151 der beiden Ritzel 13, 15 möglich.
Die Figur 9 veranschaulicht eine schematische Getriebeansicht, wie sie der Figur 7 entspricht.
Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Schneckenradgetriebe, wobei der Antrieb über eine Schneckenwelle 30 ein erstes Schneckenrad 31
verbunden mit dem zweiten Ritzel 13 antreibt, wobei das zweite Schneckenrad 32, welches mit dem dritten Ritzel 15 verbunden ist, von dem ersten
Schneckenrad 31 über eine entsprechende Zahngetriebestufe angetrieben wird.
Die Figuren 9 und 10 veranschaulichen entsprechende Zahnradgetriebe bei denen jeweils ein Ritzel mit einem Zahnrad 33, 34 fest verbunden ist, welches über eine Welle 35 des Servomotors 11 angetrieben wird.
Die Figuren 13 und 14 zeigen schematische Kegelradgetriebe. Über ein
Kegelrad, welches mit dem Servomotor 11 über eine Welle 36 verbunden ist, werden die beiden Ritzel (13, 15) über jeweils ein Zahnrad 37, 38
angetrieben. Dabei können die beiden fest mit jeweils einem Ritzel in
Verbindung stehenden Zahnräder direkt von dem Kegelrad (Fig. 13)
angetrieben werden, oder wie in Figur 14 dargestellt kann ein erstes Zahnrad 37 in das Kegelrad und ein zweites Zahnrad 38 in Eingriff mit dem ersten Zahnrad stehen.
Die vorangestellten Figuren sollen verdeutlichen, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf bestimmte Getriebeformen und Anriebe begrenzt ist. Das zweite und dritte Ritzel können über beliebigartige Getriebe angetrieben werden, wobei ein oder zwei Servomotoren vorgesehen sind.
Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe ermöglicht es, eine Lenkhilfe mit einem oder zwei Servomotoren im Bereich eines zweiten vom Eingriff des Lenkritzel in die Zahnstange beabstandeten Zahnstangenabschnitts zu wählen, so dass das Lenkgetriebe besonders hohe Unterstützungsmomente bei flexibler
Bauraumgestaltung aufbringen kann.
Das erfindungsgemäße Lenkgetriebe eignet sich zum Einsatz in ein Steer-by- Wire Lenksystem bei dem keine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe vorhanden ist. Dabei bieten insbesondere die
Ausführungsbeispiele entsprechend den Figuren 1, 2, 3 und 8, bei denen zwei voneinander unabhängige Antriebsmotoren vorgesehen sind, ein hohes Maß an Redundanz, wie es für Steer-by-Wire Systeme vorteilhaft ist. Bei dem Ausfall einer der beiden Elektromotoren kann der andere Elektromotor somit einen Notbetrieb sicherstellen. Die ist besonders relevant, vor dem Hintergrund, dass die volle Antriebsleistung des Lenksystems bevorzugt beim Einparken und somit bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten benötigt wird.

Claims

Patentansprüche
Lenkgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem
Lenkungsgehäuse, in dem eine Zahnstange (6) längsverschiebbar gelagert und zur Verschwenkung von lenkbaren Rädern mit diesen verbunden ist, wobei die Zahnstange (6) mit einem ersten Zahnsegment (5) versehen ist, welches mit einem ersten Lenkritzel (4) einer Ritzelwelle kämmt und wobei die Ritzelwelle über eine Eingangswelle (2) mittelbar mit einem Lenkrad (1) verbunden ist, wobei die Zahnstange (6) mit einem zweiten Zahnsegment (14) versehen ist, welches mit einem zweiten Ritzel (13) kämmt, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zahnstange (6) ein drittes Zahnsegment (16) aufweist, das dem zweiten Zahnsegment (14) bezüglich der Längsachse der Zahnstange (6) gegenüber liegt, und dass ein drittes Ritzel (15) vorgesehen ist, das mit dem dritten Zahnsegment (16) in Eingriff steht.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Elektromotor vorgesehen ist, der an dem zweiten Ritzel (13) und/oder dem dritten Ritzel (15) angreift.
Lenkgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zahnsegment (14) und das dritte Zahnsegment (16) in einem zweiten Zahnstangenabschnitt (18) angeordnet sind und das erste
Zahnsegment (5) in einem vom zweiten Zahnstangenabschnitt (18) beabstandeten ersten Zahnstangenabschnitt (17) angeordnet ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ritzel (13) von einem ersten
Elektromotor (10) und das dritte Ritzel (15) von einem zweiten
Elektromotor (11) angetrieben sind.
Lenkgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe Teil einer Steer-by-Wire Lenkung ist.
Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ritzel (13) mit dem dritten Ritzel (15) zu einer gegensinnigen Drehung mechanisch zwangsgekoppelt sind.
7. Lenkgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
mechanische Kopplung der beiden Ritzel (13, 15) über Zahnräder (33, 34), Schneckenräder (27, 28, 31, 32) und/oder Kegelräder erfolgt.
8. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dass die Drehachsen der beiden sich gegenüber liegenden Lenkritzel (13, 15) in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind.
9. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zahnstange (6) im Bereich des zweiten Zahnstangenabschnitts (18) wenigstens eine Führung (19) aufweist, die mit wenigstens einem Führungselement (20) zur Führung der Zahnstange (6) in Richtung der Drehachsen der Lenkritzel (13, 15) zusammenwirkt.
10. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zahnstange (6) im Bereich des ersten
Zahnstangenabschnitts (17) wenigstens eine Führung (24) aufweist, die mit wenigstens einem Führungselement (25) zur Führung der Zahnstange (6) in Richtung der Drehachse des ersten Lenkritzels (4) zusammenwirkt.
11. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Zahnsegment (14) und das dritte Zahnsegment (16) gegenüber dem ersten Zahnsegment (5) um einen Winkel im Bereich von 60 Grad bis 90 Grad um die Längsachse der Zahnstange (9) versetzt sind.
12. Lenkgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Elektromotor (10, 11) durch einen Torsionssensors 12 an der Lenkwelle gesteuert ist.
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