DE10032120A1

DE10032120A1 - Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10032120A1
Application number: DE10032120A
Authority: DE
Inventors: Walter Kogel; Martin Budaker
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-07-01
Publication date: 2001-07-19
Also published as: DE50003226D1

Abstract

Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Elektromotor (9), dessen Antriebselement (10) über ein Getriebe und ein Schraubengetriebe direkt auf eine Schubstange wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für Kraft fahrzeuge nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher de finierten Art.

Lankvorrichtungen für Kraftfahrzeuge übertragen einen über ein Lenkhandrad eingeleiteten Lenkwunsch an ein Stell glied, auch Lenkaktuator genannt.

Bei elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen wird eine Servounterstützung durch einen Elektromotor bewerkstelligt. Dabei kann es sich um eine Hilfskraft oder um eine Fremd kraft handeln.

Je nach Ausführungsform der Lenkvorrichtung kann die Ser vounterstützung an verschiedenen Stellen und durch ver schiedene Anordnungen zur Verfügung gestellt werden.

Bei großen Lenkkräften und hohen Lenkachslasten um schließt der Elektromotor zentrisch eine Schubstange und überträgt die Servounterstützung über einen Kugelumlaufme chanismus direkt auf die Schubstange. Diese Anordnungen werden auch häufig bei steer-by-wire- und Hinterachs- Lenksystemen verwendet.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß nur kleine Überset zungen zwischen der Antriebsseite und der Abtriebsseite dargestellt werden können. Infolgedessen muß der Elektromo tor schon bei kleinen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellen können. Dies kann nur dadurch erreicht werden, daß das Volumen des Elektromotors dementsprechend angepasst wird, was dazu führt, daß mehr Einbauraum zur Verfügung gestellt werden muß. Durch die unmittelbare Nähe von anderen Aggregaten, wie beispielsweise Fahrzeugmotor oder Differential, kann dieser zusätzlich benötigte Einbau raum nur selten realisiert werden. Zudem kann sich die Wär meabstrahlung dieser Aggregate negativ auf das Funktions verhalten des Lenksystems, insbesondere des Elektromotors, auswirken.

Bei mittleren Anforderungen an die Lenkvorrichtung in Bezug auf Lenkkraft und Lenkachslast wirkt der Elektromotor auf ein Antriebsritzel, welches mit einer Schubstange in Wirkverbindung steht. In einer Variante weisen diese Lenk vorrichtungen zwei Antriebsritzel auf, wobei ein Antriebs ritzel über eine Lenksäule mit einem Lenkhandrad in Wirk verbindung steht und ein zweites Antriebsritzel über den Elektromotor angetrieben wird.

Diese Lenkvorrichtungen bieten Vorteile bezüglich der Frei heitsgrade der räumlichen Anordnung des Elektromotors sowie der Kollisionsumgehung mit anderen Aggregaten. Nachteilig an diesen Lenkvorrichtungen ist die Tatsache, daß das maxi mal übertragbare Drehmoment aufgrund der Verzahnung An triebsritzel/Schubstange beschränkt ist. Bei der Lenkvor richtung mit zwei Antriebsritzeln kommt als weiteres Pro blem hinzu, daß zwei Verzahnungen auf einer Schubstange in einem engen Toleranzfeld zueinander laufen, damit sie mit beiden Antriebsritzeln praktisch spielfrei kämmen.

Die in der DE 198 52 447 A1 beschriebene Lenkvorrich tung für Kraftfahrzeuge weist eine Eingangswelle auf, die mit einem Lenkhandrad über ein drehelastisches Element in Wirkverbindung steht. Über ein Planetengetriebe wird die eingeleitete Drehbewegung an ein als Antriebsritzel ausge bildetes Ausgangsglied weitergeleitet und auf eine Schub stange übertragen. Auf das Planetengetriebe und damit auch auf das Ausgangsglied wirkt zusätzlich ein Elektromotor über ein Schneckengetriebe.

Diese Lenkvorrichtung ist durch die Kombination von Planeten- und Schneckengetriebe sehr aufwendig und teuer, da die Verzahnungen spielfrei laufen müssen, um den Quali tätsanforderungen hinsichtlich Geräusch und Komfort zu ge nügen. Dies stellt besonders hohe Forderungen an Verzah nungsqualität und Lagerung der sich zueinander bewegenden Bauteile.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lenkvorrichtung darzustellen, die für alle verschiede nen Einbauvarianten eingesetzt werden kann bei gleichzeiti gem geringen Platzbedarf und hohem übertragbaren Drehmo ment. Zusätzlich soll der Elektromotor flexibel angeordnet werden und die Lenkvorrichtung eine große Übersetzung von der Antriebsseite zur Abtriebsseite darstellen können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisende, gattungsgemäße Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge gelöst.

Die Lösung erfolgt insbesondere dadurch, daß die von einem Elektromotor in Abhängigkeit von einem über das Lenk handrad vorgegebenen Sollwert erzeugte Lenkunterstützung über ein Getriebe direkt auf ein Schraubengetriebe übertra gen wird. Über das Schraubengetriebe wird die Lenkunter stützung auf eine Schubstange übertragen, die mit den ge lenkten Rädern eines Kraftfahrzeugs verbunden sind. Somit findet über das Schraubengetriebe eine Umwandlung der über den Elektromotor aufgebrachten Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung statt. Das Schraubengetriebe weist in einer Funktionsvariante einen Kugelumlaufmechanismus auf, um eine geräusch- und verschleißarme Funktion bei gleich zeitigem hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Über das Schraubengetriebe lassen sich auch wesentlich größere Kräf te übertragen als über eine Antriebsritzel/Schubstangen- Kombination.

Durch die direkte Kombination der beiden Getriebe entsteht ein direkter Kraftfluß vom Elektromotor zum Stellglied. Dadurch lassen sich viel größere Übersetzungen darstellen als bei den bisher verwendeten Lenkvorrichtungen, wodurch das vom Elektromotor aufzubringende Drehmoment reduziert werden kann. Dies ermöglicht gleichzeitig den Einsatz von kleineren Elektromotoren, die bei hohen Drehzahlen laufen und einen besseren Wirkungsgrad aufweisen. Außerdem kann eine Lagerstelle gegenüber den herkömmlichen Lenkvorrich tungen eingespart werden. Die Toleranz- und Fluchtungspro blematik, wie sie bei einer Antriebsritzel/Schubstangen- Kombination durch zwei zueinander laufende Verzahnungen oder einer Lenkvorrichtung mit einem starr über zwei Lager in einem Gehäuse gelagerten Elektromotor, der auf eine Schubstange wirkt, auftritt, tritt bei der erfindungsgemä ßen Lenkvorrichtung nicht auf. Die Schubstange ist auf ei ner Schraubengewindeseite nur mit einem Lager im Gehäuse gelagert. Durch geeignete Wahl der Lagerung, z. B. durch Kugellager, die eine Schiefstellung von bis zu 30 Winkelmi nuten überbrücken können, können die Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.

Durch das reduzierte erforderliche Motordrehmoment wird auch das Getriebe weniger belastet, sodaß auch alternative Werkstoffe verwendet werden können. Bevorzugt wird hierbei Kunststoff, der bei den bisherigen Lösungen aus Dauerfe stigkeitsproblemen nur in verstärkter Ausführung verwendet werden kann.

Das Getriebe kann in einer Ausführungsform ein Reibradge triebe sein, was Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Spielfreiheit bringt. Zudem ist bei Überlast ein Durchrut schen möglich, sodaß auf eine zusätzliche Rutschkupplung zur Übarlastsicherung verzichtet werden kann. Eine weitere Alternative ist ein Getriebe mit leicht kegeligen Stirnrä dern, bei dem der Spielausgleich über eine Stellschraube oder eine Druckfeder bewerkstelligt werden kann

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Er findung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfin dung ist aber nicht auf die Merkmalskombinationen der An sprüche beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

Nachfolgend sind anhand der Figuren verschiedene Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung prinzipgemäß beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge in Form einer Zahnstangenlenkung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge als Stellglied für ein gelenktes Rad;

Fig. 3 eine Darstellung des Schnittes entlang der Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge mit einem Reibradgetriebe und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraft fahrzeuge mit einem Stirnradgetriebe.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Antriebsritzel 2 in einem Ge häuse 1 drehbar gelagert ist. Das Antriebsritzel 2 steht über seine Verzahnung im Eingriff mit einer Zahnstange 3, die in dem Gehäuse 1 axial verschiebbar geführt ist. Das Antriebsritzel 2 kann über eine mechanische Lenksäule mit einem Lenkhandrad in Wirkverbindung stehen. In einer Vari ante wirkt auf das Antriebsritzel 2 ein nicht dargestellter Elektromotor, der mit dem Lenkhandrad über eine Regelstrec ke verbunden ist. Die Zahnstange weist ein Schraubengewinde auf, das hier in Form eines Kugelumlaufmechanismus ausge bildet ist. Die Zahnstange 3 ist über ein Kugelgewinde 4, eine Lenkmutter 5 und ein Lager 6 im Gehäuse 1 gelagert. Die Zahnstange 3 steht über Spurstangen 7 und 8 mit nicht dargestellten, gelenkten Rädern eines Kraftfahrzeuges in Wirkverbindung. Eine von einem Elektromotor 9 in Abhängig keit von einem über das Lenkhandrad aufgebrachten Lenkmo ment erzeugten Servounterstützung wird über ein Schnecken getriebe auf die Lenkmutter 5 übertragen. Dabei weist eine Antriebselement 10 des Elektromotors 9 eine Schnecke 11 auf, die mit einem Schneckenrad 12 kämmt. Dieses Schnecken rad 12 ist formschlüssig mit der Lenkmutter verbunden. Die vom Elektromotor 9 aufgebrachte Servounterstützung wird auf die Zahnstange 3 übertragen und die Rotationsbewegung der Antriebselement 10 des Elektromotors 9 in eine Linearbewe gung der Zahnstange 3 umgewandelt.

In Fig. 2 ist als eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge ein Stellglied für ein gelenktes Rad dargestellt. Die Schub stange 13 weist ein Schraubengewinde auf, das hier in Form eines Kugelumlaufmechanismus ausgebildet ist. Die Schub stange 13 ist über ein Kugelgewinde 4, eine Lenkmutter 5 und ein Lager 6 im Gehäuse 1 gelagert.

Die Schubstange 13 wird durch ein Lager 14 linear geführt und gegen Verdrehen gesichert. Die Schubstange 13 steht mit nicht dargestellten, gelenkten Rädern eines Kraftfahrzeuges in Wirkverbindung. Eine von einem Elektromotor 9 in Abhän gigkeit von einem über das Lenkhandrad aufgebrachten Lenk moment erzeugten Servounterstützung wird über ein Schnec kengetriebe auf die Lenkmutter 5 übertragen. Dabei weist eine Antriebselement 10 des Elektromotors 9 eine Schnec ke 11 auf, die mit einem Schneckenrad 12 kämmt. Dieses Schneckenrad 12 ist formschlüssig mit der Lenkmutter 5 ver bunden. Die vom Elektromotor 9 aufgebrachte Servounter stützung wird auf die Schubstange 13 übertragen und die Rotationsbewegung der Antriebselement 10 des Elektromo tors 9 in eine Linearbewegung der Schubstange 13 umgewan delt.

Zwischen dem Gehäuse 1 und einem verlängerten Fortsatz 16 der Lenkmutter 5 ist ein Sensor 15 integriert, der die axiale Verschiebung erfaßt.

In Fig. 3 ist als eine mögliche Getriebeform ein Schneckengetriebe dargestellt, das mit dem Antriebsele ment 10 des Elektromotors 9 in Wirkverbindung steht.

Fig. 4 zeigt einen weitere Ausgestaltungsform der Er findung. Das Antriebselement 10 des Elektromotors 9 trägt über eine Feder 17 vorgespannte Reibscheiben 18 und 19, die über eine Reibscheibe 20 das Drehmoment des Elektromotors 9 direkt an ein Schraubengetriebe 21 übertragen.

In Fig. 5 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der das Antriebselement 10 des Elektromotors 9 ein Stirnrad 22 trägt, das mit einem Stirnrad 23 kämmt. Das Stirnrad 23 ist drehfest mit dem Schraubengetriebe 21 ver bunden, so daß ein direkter Durchtrieb vom Elektromotor 9 zur Schubstange 13 gegeben ist. Die Stirnräder 22 und 23 können über eine Einstellmechanismus 24 spielfrei zueinan der eingestellt werden.

Bezugszeichen

1

Gehäuse

2

Antriebsritzel

3

Zahnstange

4

Kugelgewinde

5

Lenkmutter

6

Lager

7

Spurstange

8

Spurstange

9

Elektromotor

10

Antriebselement

11

Schnecke

12

Schneckenrad

13

Schubstange

14

Lager

15

Sensor

16

Fortsatz

17

Feder

18

Reibscheibe

19

Reibscheibe

20

Reibscheibe

21

Schraubengetriebe

22

Stirnrad

23

Stirnrad

24

Einstellmechanismus

Claims

1. Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Elek tromotor (9), dessen Antriebselement (10) mit einem Getrie be in Wirkverbindung steht, und einem Schraubengetriebe, das auf eine Schubstange wirkt, dadurch gekenn zeichnet, daß das Antriebselement (10) über das Getriebe direkt auf das Schraubengetriebe und die Schub stange wirkt.

2. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schubstange auf der Schraubengewindeseite nur mit einem Lager (6) in einem Ge häuse (1) gelagert ist.

3. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verschiebung der Schub stange mit einem, im Gehäuse (1) integrierten Sensor (15) erfaßt wird.

4. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schubstange (13) durch ein Lager (14) linear geführt wird.

5. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Antriebselement (10) eine Schnecke (11) trägt, die über ein Schneckenrad (12) auf das Schraubengetriebe wirkt.

6. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Antriebselement (10) mit Reibscheiben (18, 19) verbunden ist, die über eine Reibscheibe (20) mit dem Schraubengetriebe in Wirkverbin dung stehen.

7. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Antriebselement (10) ein Stirnrad (22) trägt, das über ein Stirnrad (23) auf das Schraubengetriebe wirkt.

8. Lenkvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe über eine Feder (17) spielfrei eingestellt werden kann.