DE10011140A1 - Rohrförmige, elektrisch unterstützte Lenkhilfe mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkhilfe für Kraftfahrzeuge mit einer koaxial zur Schubstangenachse 1 angeordneten Antriebseinheit, welche aus einer Kombination eines rohrförmigen Elektromotors 20 mit einem Rollengewindetrieb 30 besteht, welches besonders große Stellkräfte und gutes, spielfreies Lenkverhalten bei kompakter und wirtschaftlicher Bauweise ermöglicht. Dies wird dadurch erzielt, dass der koaxial angeordnete Rotor 11 des elektrisch kommutierten Motors 20 über eine koaxial zur Schubstangenachse 1 angeordnete Hohlwelle 6 mit einer drehbar gelagerten Rollengewindetriebmutter 5 gekoppelt ist, welche auf ein Gewindespindelstück 4 einwirkt und damit beim Drehen auf die Schub- bzw. Zahnstange 2 in axialer Richtung eine Krafteinwirkung ermöglicht abhängig vom Drehmoment, welches der Lenker an der Lenkwelle aufwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenkhilfenanordnung für Kraftfahrzeuge nach Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Servolenksysteme werden beispielsweise hydraulisch unterstützt betrieben dadurch, dass an der Lenkwelle das vom Lenker erzeugte Steuerdrehmoment gemessen wird und damit über eine Hydraulik ein Kolben gesteuert wird, der auf die querliegende Zahnstange des Lenksystems, welche Teil einer Schubstange ist, einwirkt und somit eine Kraftunterstützung je nach Ausschlag des Lenkrades erzeugt. Solche elektrohy­ draulische Systeme haben den Nachteil, dass bei hohen Fahr­ zeuggeschwindigkeiten, wo an sich die geringste Servokraf­ tunterstützung benötigt wird, die grösste Hydraulikleistung anfällt und im Stillstand des Fahrzeuges die Kraftunterstüt­ zung stark abfällt, wo die grössten Lenkkräfte benötigt wür­ den.

Man hat deshalb bereits versucht, Lenkhilfenanordnungen zu realisieren, die direkt die Zahnstange mit einem Elektromo­ tor antreiben. Solche Systeme sparen Platz und Energie, da der Elektromotor nur bei Bedarf aktiviert wird. Mit elektro­ motorisch betriebenen Lenkhilfeanordnungnen wäre es möglich, das Hilfskraftangebot zum richtigen Zeitpunkt bereitzustel­ len, beispielsweise entsprechend stärker bei stillstehendem Fahrzeug.

Aus der US-Patentschrift 5,711,396 ist beispielsweise ein elektromotorisch betriebener Servoantrieb bekannt geworden, welcher direkt auf die Zahnstange des Lenksystems wirkt. Um genügend hohe Kräfte erzeugen zu können, ist ein entspre­ chend robuster Elektromotor vorgesehen, der entsprechend stark untersetzt werden muss, um genügend hohe Stellkräfte zu erzeugen. Bei der vorerwähnten Patentschrift wurde der Elektromotor seitlich zur Zahnstange beziehungsweise Schub­ stange angeordnet, welcher ein Kugelspindelgetriebe an­ treibt, das koaxial zur Zahnstangenachse angeordnet ist und als Untersetzungsgetriebe dient. Bei diesem Kugelspindelge­ triebe sind zusätzliche Aufwendungen notwendig, um die Ku­ geln zu rezirkulieren. Bei dieser Anordnung ist nachteilig, dass der Motor und die Getriebeanordnung kompliziert aufge­ baut ist und relativ viel Einbauraum beansprucht. Ausserdem ist der Wirkungsgrad nicht besonders hoch. Um Einbauraum zu sparen, wurde auch versucht, rezirkulierende Kugelspindelge­ triebe zusammen mit dem Elektromotor koaxial auf der Zahn­ stangenachse anzuordnen, wie dies beispielsweise aus der GB 2 284 790 bekannt geworden ist. Die bis heute bekannten An­ ordnungen haben den Nachteil, dass wegen den begrenzten Wir­ kungsgraden elektrisch betriebene Servolenkanordnungen bei grösseren Fahrzeugen nicht zum Einsatz kommen, da dies eine hohe elektrische Speiseleistung des Elektromotors verlangt. Die zur Verfügung stehende elektrische Leistung des Bordnet­ zes eines Kraftfahrzeuges ist begrenzt, was somit auch den Einsatzbereich der bisher bekannten, elektrisch betriebenen Lenkhilfeanordnungen begrenzte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Nachteile des vorerwähnten Standes der Technik zu beseiti­ gen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine elektri­ sche Lenkhilfe für eine Lenkanordnung zu realisieren, welche äusserst kompakt aufgebaut ist und welche es erlaubt, ein rasches Ansprechverhalten mit einer guten Dynamik mit an­ sprechendem Lenkverhalten für den Lenker zu erzielen, welche bei hohem Wirkungsgrad arbeitet und grosse Stellkräfte di­ rekt auf die Schubstange beziehungsweise Zahnstange wirkend erzeugen kann und wirtschaftlich herstellbar ist. Die Anord­ nung soll ausserdem kompakt sein und rohrförmig koaxial zur Schubstangenachse angeordnet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Anordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprü­ che definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein koaxial zur Schubstangenachse angeordneter Elektromotor mit seinem Rotor einen Rotations-Translationswandler antreibt. Dieser besteht aus einer Gewindemutter, welche ihrerseits in ein Gewindestück eingreift, welches in einem Teilbereich der Schubstange angeordnet ist. Die drehbare Mutter beziehungs­ weise der Rotor sind drehgelagert angeordnet und ortsfest mit dem Fahrzeugchassis so verbunden, dass dies beim Verdre­ hen der Mutter eine axiale Verschiebung der Schubstange be­ wirkt, womit eine entsprechende Kraft auf die Schubstange einwirkt. Die Mutter und die Schubstange wirken wie ein Ge­ triebe zur Kraftübersetzung. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Rotor des Motors direkt mit dem Ro­ tations-Translationswandler koppelbar ist.

Besonders günstige Eigenschaften und auch hohe Wirkungsgrade werden erreicht, wenn als Getriebe ein sogenannter Rollenge­ windetrieb verwendet wird, wie ihn die Firma GSA Gewindesa­ tellitenantriebe AG, Baselstr. 5, Feldbrunnen, Schweiz oder auch die Firma INA Lineartechnik, 66406 Homburg, Deutschland herstellt. Solche Rollengewindetriebe bestehen im wesentli­ chen aus einer Gewindespindel mit relativ feinem Gewinde und einer Gewindemutter. In der Gewindemutter sind achsparallel Gewinderollen angeordnet. Rotiert die Gewindespindel, so drehen sich die Gewinderollen ohne axiale Verschiebung pla­ netenartig um die Gewindespindel. Zahnkränze führen dabei die Gewinderollen radial. Bei der vorliegenden Anwendung wird nicht die Gewindespindel gedreht, sondern die rotierbar gelagerte Gewindemutter, welche beispielsweise über eine Hohlwelle mit dem Rotor des Elektromotors verbunden ist. Ein solcher Rollengewindetrieb übertrifft die Eigenschaften der bekannten Kugelgewindetriebe deutlich. Dank der möglichen geringen Gewindesteigung kann der Rollengewindetrieb bei gleichen Momenten höhere Kräfte erzeugen als der Kugelgewin­ detrieb. Es sind hohe Drehzahlen möglich bei gleichförmigem und geringem Reibungsmoment, hohe Positioniergenauigkeit dank kleinen Gewindesteigungen, geringe Laufgeräusche, ein­ fache Montage und Demontage der Gewindemutter und eine hohe Betriebssicherheit ist gewährleistet. Kleine Gewindesteigun­ gen erlauben eine hohe Kraftübersetzung bei kompakter Bau­ weise. Die Steigung wird aber so gewählt, dass keine Selbsthemmung auftritt und beim Ausfall der Lenkhilfe noch ein Steuern möglich ist. Der Gewindetrieb weist ausserdem ein geringes Gewicht auf und ist einfach ein- und auszubau­ en, auch an schwer zugänglichen Stellen. Der Durchmesser ei­ nes solche Gewindetriebes liegt beispielsweise im Bereich von einigen cm.

Der koaxial zur Schubstangenachse angeordnete Elektromotor ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Stator mit seiner Wicklung die Schubstangenachse koaxial umschliesst und dar­ über vorzugsweise rohrförmig der Rotor den Stator drehgela­ gert umschliesst. Besonders geeignet sind glockenförmige Ro­ toranordnungen. In der bevorzugten Ausführung als elektro­ nisch kommutierter Gleichstrommotor sind hohe Wirkungsgrade erreichbar. Dazu nimmt der drehgelagerte Rotor Permanentma­ gnete auf, vorzugsweise mit einem hohen Energieprodukt vom Typ Seltenerdmagnete wie beispielsweise Cobalt-Samarium, vorzugsweise vom Typ Neodym-Magnete. Um ein gleichförmiges Betriebsverhalten zu erreichen, ist es wichtig, dass der Elektromotor gleichförmig dreht und keinen sogenannten Rip­ pel erzeugt. Um dies zu optimieren, können die Statornuten und/oder die Permanentmagnete des Rotors gegenüber der Drehachsrichtung schräg gestellt werden beziehungsweise in einem Winkel gegeneinander angeordnet werden, so dass die Feldeingriffe überlappend wirken.

Das Kraftübersetzungsverhältnis des Rotations- Translationswandlers und des Motors wird so ausgelegt, dass hohe Stellkräfte erzeugt werden können, vorzugsweise bis über 10 kN, bei schnellen Reaktionszeiten, was insbesondere für die Lenksicherheit wichtig ist.

Die Anordnung der Motor-Wandler-Einheit kann dahingehend mit Vorteil für die Lenkhilfenanwendung optimiert werden da­ durch, dass bei einer an die Schub- bzw. Zahnstange abgege­ benen Stellkraft von beispielsweise 4,7 kN und bei einer Mo­ torspeisespannung von 36 V ein eingespeister Strom von bis zu 48 A benötigt wird, vorzugsweise bis zu 42 A, insbesonde­ re bis zu 35 A.

Der Motor wird entsprechend den gewünschten Anforderungen über eine elektronische Leistungsstufe frequenzgesteuert, wobei die Ansteuerfrequenz vorzugsweise über dem Bereich des menschlichen Hörvermögens liegt. Die Leistungsstufe wird von einer Steuerungseinheit getrieben, welche als Ist-Wertsignal das an der Lenkwelle gemessene Drehmoment verarbeitet, wel­ ches beim Lenken gegenüber der Schubstange erzeugt wird. Da­ zu wird beispielsweise ein Torsionsstab zwischen dem Lenkge­ triebe und der Lenkwelle angeordnet und dessen Deformation bei Krafteinwirkung gemessen. Die Steuerung kann mit Vorteil mit einer entsprechenden Charakteristik beziehungsweise Übertragungsfunktion versehen werden, um die gewünschte Steuercharakteristik bei verschiedenem Betriebsverhalten er­ zeugen zu können. Beispielsweise kann das bereits erwähnte tempoabhängige und gewichtsabhängige Steuerkraftverhalten berücksichtigt und kompensiert werden. Des weiteren kann mit Vorteil die Rückstellung der Vorderräder bei Loslassen des Lenkrades unterstützt werden und/oder Ungleichförmigkeiten des Lenkungsgelenkes z. B. infolge Kardanfehler kompensiert werden und/oder Rotationsschwingungen der Lenkanlage aktiv gedämpft werden.

Der elektronisch gesteuerte Motor erlaubt es ausserdem, be­ stimmte Negativeigenschaften des Motors wie beispielsweise Restrippelverhalten oder aber auch Fertigungstoleranzen aus­ zugleichen, indem beispielsweise die Motorleistung kompen­ sierend moduliert wird entweder durch feste Vorgaben oder durch Messung der Wirkung über Sensoren und Einbindung in ein programmiertes Regelsystem. Die Steuerung ist vorteil­ hafterweise als programmierbare Steuerung ausgebildet, bei­ spielsweise als Mikroprozessorsystem, welches über eine Software definiert werden kann oder auch über fest eingebun­ dene, abgespeicherte Programme. Mit der erfindungsgemässen Motor-Wandler-Anordnung können gute Gesamtwirkungsgrade je­ denfalls besser 50%, vorzugsweise besser 60%, sogar besser 70% ohne weiteres erreicht werden, womit bei kompakter Bau­ weise trotzdem die hohen Stellkräfte ohne Überlastung des Bordnetzes erreicht werden können und dies auch bei hohen geforderten Stellkräften wie sie bei grossen Fahrzeugen auf­ treten.

Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise mit einer schematischen Figur näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch und im Querschnitt eine erfindungsge­ mässe Lenkhilfenanordnung

In Fig. 1 ist im Querschnitt schematisch eine erfindungsge­ mässe Motor-Rotations-Translationswandler-Anordnung darge­ stellt, wobei der Motor als Glockenläufermotor ausgebildet ist und als Wandler ein Rollengewindetriebe der Firma GSA eingesetzt ist. Die Anordnung ist koaxial zur Schubstangen­ achse 1 aufgebaut. Die Schubstange 2 enthält einen Zahnstan­ genteil 14 und einen Gewindespindelteil 4. An den beiden En­ den ist diese, wenn nötig über Schubstangenzwischenteile 16, mit den Spurstangen 15 gelenkbeweglich verbunden zur Ein­ stellung des Radeinschlags. Die Zahnstange 2 wird in bekann­ ter Weise über ein Zahnrad, beispielsweise ein Ritzel 3, mit der Lenkwelle und dem Steuerrad gekoppelt. Die Zahnstange 14 und der Ritzel 3 bilden das sogenannte Lenkgetriebe. In der Lenkwelle, in der Regel im unteren Bereich kurz vor dem Ge­ triebegehäuse im Bereich des sogenannten Lenkgetriebezap­ fens, wird über eine Messvorrichtung wie ein Torsionsstabe­ lement das Drehmoment gemessen, welches der Lenker über die Lenkwelle auf die Zahnstange 14 ausübt. Dieses Drehmoment wird als Mass genommen für die Ansteuerung der Servoeinheit, welche die Aufgabe hat, eine Kraft so auf die Zahnstange 14 einzukoppeln und somit auf die an beiden Enden angeordneten Spurstangen 15 zur Verstellung der Räder, dass die aufzuwen­ dende Lenkkraft nicht zu gross wird und einer gewünschten Charakteristik entspricht.

Auf der einen Seite der Zahnstange 14 befindet sich ein Ge­ windespindelstück 4, welches Teil des Wandlers 30 bildet.

Der Wandler 30 ist auf einem Lagerblock 8 aufgebaut, welcher beispielsweise über einen Hilfsrahmen 17 ortsfest am Fahr­ zeugchassis befestigt wird. Der Hilfsrahmen 17 ist mit Vor­ teil gegenüber dem Fahrzeug federnd, beispielsweise mit Gum­ midämpfern, befestigt. Eine Mutter 5 wird am Lagerblock 8 drehbar um die Schubstangenachse 1 mit den Lagern 7 gela­ gert. In Fig. 1 ist die Mutter 5 als bevorzugte Rollenge­ windemutter ausgebildet, wobei die Gewindespindel 4 zusammen mit der Mutter 5 den von der Firma GSA vertriebenen Rollen­ gewindetrieb (RGT) bildet. Durch Drehen der Mutter 5 um die Schubstangenachse 1 wird die Gewindespindel 4 mit angebauter Zahnstange 14 je nach Drehrichtung in Achsrichtung vorwärts oder rückwärts bewegt. Da die drehbare Mutter über den La­ gerblock 8 ortsfest abgestützt ist. Somit wird die ganze Schubstange 2 bewegt und die Kraft auf die Spurstangen 15 übertragen, wodurch die Räder kraftunterstützt bewegt wer­ den.

Zum Antrieb der RGT-Mutter 5 ist diese über eine Hohlwelle 6, welche die Schubstangenachse 1 koaxial umschliesst, mit einem koaxial angeordneten Rotor 11 des Elektromotors 20 di­ rekt gekoppelt, welcher in diesem Beispiel bevorzugt als Glockenläufer ausgebildet ist.

Der Rotor 11 beziehungsweise die Hohlwelle 6 ist im Motorbe­ reich ebenfalls durch das Lager 12 gegenüber dem Motorgehäu­ se 9 ortsfest gegenüber dem Chassis beziehungsweise dem La­ gerblock 8 und dem Hilfsrahmen 17, aber drehbar um die Schubstangenachse 1, gelagert. Die Statorwicklung 10 um­ schliesst die Schubstangenachse 1 und ist auf der einen Sei­ te des einkragenden Motorgehäuses 9 ortsfest fixiert, wobei der Rotor 11 um den Stator 10 rotierbar ist. Der Rotor 11 greift somit von einer Seite des Elektromotors 20 in einen schlitzförmigen Luftspalt 13 ein und rotiert in diesem um die zentrisch liegende Statorwicklung 10. Der Motor 20 ist so ausgebildet, dass in Verlängerung zur Gewindespindel 4 ein weiteres Stangenstück 16 angeschlossen werden kann, wel­ ches direkt in axialer Richtung durch den Motor hindurch greift und am anderen Ende wiederum mit der Spurstange 15 beweglich gekoppelt verbunden werden kann.

Claims (14)

1. Lenkhilfenanordnung für Schubstangenlenkungen in Kraft­ fahrzeugen mit einer Schubstange (2, 4, 14, 16), welche in ihrer Verlängerung verbindbar mit einer Spurstange (15) ist und über ein Getriebe (14, 3) mit der Lenkwelle koppelbar ist, wobei koaxial zur Schubstangenachse (1) ein Elektromo­ tor (20) mit einem Rotations-Translationswandler (30, 4, 5) vorgesehen ist zur Einkopplung einer Hilfskraft auf die Schubstange (2) in Achsrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Rotations-Translationswandler (30) ein in Achsrichtung (1) der Schubstange (2) angeordnetes Gewindestück (4) ent­ hält, wobei dieses von einer ortsfest drehgelagerten Mutter (7) aufgenommen wird und die Mutter (5) mit dem Rotor (11) eines zur Achse (1) koaxial angeordneten Elektromotores (20) gekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) Mittel (6) zur direkten Kopplung mit dem Ro­ tations-Translationswandler (4, 5) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotations-Translationswandler (4, 5) ein Rollenge­ windetrieb (30) ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (20) einen Sta­ tor (10) mit einer Wicklung koaxial zur Schubstangenachse (1) umfasst und einen um diesen drehgelagerten Rotor (11) mit Permanentmagneten aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete vom Typ Seltenerdmagnete sind, wie Cobalt-Samarium, insbesondere vom Typ Neodym-Magnete.

6. Anordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete mit den Statornuten einen Winkel bil­ den.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (20) als Gloc­ kenläufermotor ausgebildet ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) über eine zur Ach­ se (1) koaxiale Hohlwelle (6) mit der Mutter (5) des Rota­ tions-Translationswandlers (30) direkt verbunden ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass die Getriebe-Motoreneinheit an die Zahnstange eine Kraft von 4,7 kN abgibt bei 36 V Speise­ spannung und einem eingespeisten Strom von bis zu 48 A, vorzugsweise bis zu 42 A, insbesondere bis zu 35 A.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass Mittel zur Messung des vom Lenker an die Lenksäule abgegebenen Drehmomentes vorgesehen sind und Mittel zur programmierten Verarbeitung des Drehmomentsi­ gnals und Ansteuerung des Motors (20) vorgesehen sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur programmierten Ansteuerung des Motors (20) die Motorleistung so modulieren, dass der Motorrippel ausge­ glichen wird.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Motors (20) über dem Hörbereich liegt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch ge­ kennzeichnet, dass die programmierte Ansteuerung Mittel um­ fasst zur unterstützten Rückstellung der Vorderräder bei Loslassen des Lenkrades, und/oder Mittel zur Kompensation von Ungleichförmigkeiten des Lenkungsgelenkes infolge Kar­ danfehler und/oder Mittel zur aktiven Dämpfung der Lenkan­ lage, insbesondere von Rotationsschwingungen.