DE10032120A1 - Steering device for motor vehicles - Google Patents
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Abstract
Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Elektromotor (9), dessen Antriebselement (10) über ein Getriebe und ein Schraubengetriebe direkt auf eine Schubstange wirkt.Steering device for motor vehicles with an electric motor (9), the drive element (10) acts directly on a push rod via a gear and a screw gear.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für Kraft fahrzeuge nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher de finierten Art.The invention relates to a power steering device vehicles according to the de in the preamble of claim 1 closer financed art.
Lankvorrichtungen für Kraftfahrzeuge übertragen einen über ein Lenkhandrad eingeleiteten Lenkwunsch an ein Stell glied, auch Lenkaktuator genannt.Lanking devices for motor vehicles transmit one steering request initiated via a steering handwheel to a position link, also called a steering actuator.
Bei elektrisch unterstützten Lenkvorrichtungen wird eine Servounterstützung durch einen Elektromotor bewerkstelligt. Dabei kann es sich um eine Hilfskraft oder um eine Fremd kraft handeln.With electrically assisted steering devices, a Servo assisted by an electric motor. This can be an assistant or someone else act by force.
Je nach Ausführungsform der Lenkvorrichtung kann die Ser vounterstützung an verschiedenen Stellen und durch ver schiedene Anordnungen zur Verfügung gestellt werden.Depending on the embodiment of the steering device, the Ser support at various points and through ver different arrangements are made available.
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.With large steering forces and high steering axle loads the electric motor closes a push rod centrally transfers the servo support via a ball screw mechanism directly on the push rod. These orders are also often used for steer-by-wire and rear axle Steering systems used.
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.This arrangement has the disadvantage that only small translation tongues between the drive side and the output side can be displayed. As a result, the electromo high torque even at low speeds Can provide. This can only be achieved that the volume of the electric motor accordingly is adjusted, which leads to the fact that more installation space for Must be made available. Because of the close proximity from other units, such as vehicle engines or differential, this additional installation can be required space can rarely be realized. In addition, the heat radiation of these aggregates negatively on the function behavior of the steering system, in particular the electric motor, impact.
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.With medium demands on the steering device in The electric motor acts in relation to steering force and steering axle load on a drive pinion, which with a push rod in Active connection is established. In a variant, these have steering devices two drive pinions, one drive pinion via a steering column with a steering handwheel in effect is connected and a second drive pinion over the Electric motor is driven.
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.These steering devices offer advantages in terms of clearance degrees of spatial arrangement of the electric motor and avoiding collisions with other units. Disadvantageous on these steering devices is the fact that the maxi times transmissible torque due to the toothing on drive pinion / push rod is limited. At the steering wheel direction with two drive pinions comes as another pro blem also that two teeth on a push rod in have a tight tolerance to each other so that they Comb the two drive pinions with practically no play.
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.The steering device described in DE 198 52 447 A1 tion for motor vehicles has an input shaft, the with a steering handwheel over a torsionally elastic element in Active connection is established. Via a planetary gear initiated rotary motion to a drive pinion formed output link forwarded and on a thrust rod transmitted. On the planetary gear and thus also An electric motor also acts on the output member via a worm gear.
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.This steering device is through the combination of Planetary and worm gears very complex and expensive, because the gears must run without play in order to qualify requirements regarding noise and comfort suffice. This places particularly high demands on gear teeth quality and storage of the moving ones Components.
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.The present invention is based on the object to represent a steering device that for all different NEN installation variants can be used at the same time due to its small footprint and high transferable torque ment. In addition, the electric motor should be arranged flexibly become and the steering device a great translation of can represent the drive side to the output side.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisende, gattungsgemäße Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge gelöst.The object underlying the invention is achieved by one, also the characteristic features of the main claim having generic steering device for motor vehicles witness solved.
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.The solution is in particular that the of an electric motor depending on one over the steering steering assistance given by handwheel transferred directly to a screw gear via a gear will. The steering sub is over the screw gear transfer support to a push rod that is compatible with the ge steered wheels of a motor vehicle are connected. Consequently finds a conversion of the via the screw gear the electric motor applied in a rotational movement Translation movement instead. The screw gear shows in one function variant on a recirculating ball mechanism, for a low-noise and low-wear function at the same time to ensure early high efficiency. About the Screw gears can also be much larger transmitted as via a drive pinion / push rod Combination.
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.The direct combination of the two gears creates a direct flow of power from the electric motor to the actuator. This enables much larger translations to be displayed than in the steering devices previously used, whereby the torque to be applied by the electric motor is reduced can be. This also enables the use of smaller electric motors that run at high speeds and have better efficiency. Besides, can a bearing compared to the conventional steering device savings. The tolerance and alignment pro the same as for a drive pinion / push rod Combination through two gear teeth running towards each other or a steering device with a rigid over two bearings in an electric motor mounted on a Push rod acts, occurs, occurs in the invention Do not open the steering device. The push rod is on egg ner screw thread side only with a bearing in the housing stored. By suitable choice of storage, e.g. B. by Ball bearings that misalign up to 30 Winkelmi Grooves can bridge the manufacturing tolerances be balanced.
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.Due to the reduced required engine torque also the transmission is less loaded, so that also alternative Materials can be used. This is preferred Plastic, which in the previous solutions made of permanent strength problems only used in a reinforced version can be.
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 kannIn one embodiment, the transmission can be a friction wheel be drives what advantages in terms of efficiency and Brings freedom of play. There is also a slump in the event of an overload possible, so that an additional slip clutch can be dispensed with to secure the workload. Another An alternative is a gear with a slightly tapered spur gear the, where the game compensation via a set screw or a compression spring can be accomplished
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.Advantageous and expedient embodiments of the Er invention are specified in the subclaims. The Erfin but is not on the combinations of features of the application limited sayings, rather arise for the expert further useful combinations of requirements and individual claim characteristics from the task.
Nachfolgend sind anhand der Figuren verschiedene Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung prinzipgemäß beschrieben.In the following, various figures are given with reference to the figures principle examples of the present invention described.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge in Form einer Zahnstangenlenkung; Figure 1 shows a first embodiment of an inventive steering device for motor vehicles in the form of a rack and pinion steering.
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge als Stellglied für ein gelenktes Rad; Fig. 2 shows a second embodiment of a steering device according to the invention for motor vehicles as an actuator for a steered wheel;
Fig. 3 eine Darstellung des Schnittes entlang der Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 2; Fig. 3 is an illustration of the section along the line III-III in Fig. 1 and Fig. 2;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraftfahr zeuge mit einem Reibradgetriebe und Fig. 4 shows a third embodiment of an inventive steering device for motor vehicles with a friction gear and
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Lenkvorrichtung für Kraft fahrzeuge mit einem Stirnradgetriebe. Fig. 5 shows another embodiment of an inventive steering device for motor vehicles with a spur gear.
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. Fig. 1 shows a steering device for motor vehicles according to the invention, in which a drive pinion 2 in a Ge housing 1 is rotatably mounted. The drive pinion 2 is in engagement with a toothed rack 3 , which is guided axially displaceably in the housing 1 via its toothing. The drive pinion 2 can be operatively connected to a steering handwheel via a mechanical steering column. In a variant ante acts on the drive pinion 2, an electric motor, not shown, which is connected to the steering handwheel via a control link. The rack has a screw thread, which is out here in the form of a ball screw mechanism. The rack 3 is mounted in the housing 1 via a ball screw 4 , a steering nut 5 and a bearing 6 . The rack 3 is operatively connected via tie rods 7 and 8 to steered wheels (not shown) of a motor vehicle. One generated by an electric motor 9 depending on speed generated by a steering torque from the steering wheel servo assist is transmitted via a worm gear to the steering nut 5 . A drive element 10 of the electric motor 9 has a worm 11 which meshes with a worm wheel 12 . This worm wheel 12 is positively connected to the steering nut. The applied by the electric motor 9 power assistance is transferred to the rack 3 and the rotational movement of the drive element 10 of the electric motor 9 is converted into a linear movement of the rack 3 .
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.In Fig. 2, an actuator for a steered wheel is shown as a further embodiment of a steering device for motor vehicles according to the invention. The push rod 13 has a screw thread, which is designed here in the form of a recirculating ball mechanism. The push rod 13 is mounted on a ball screw 4 , a steering nut 5 and a bearing 6 in the housing 1 .
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.The push rod 13 is linearly guided by a bearing 14 and secured against rotation. The push rod 13 is operatively connected to steered wheels, not shown, of a motor vehicle. One generated by an electric motor 9 in dependency on a steering torque applied by the steering wheel power assist is transmitted via a worm gear to the steering nut 5 . Here, a drive element 10 of the electric motor 9 has a Schnec ke 11 which meshes with a worm wheel 12 . This worm wheel 12 is positively connected to the steering nut 5 a related party. The applied by the electric motor 9 Servounter support is transferred to the push rod 13 and the rotational movement of the drive element 10 of the electromotive gate 9 is converted into a linear movement of the push rod 13 .
Zwischen dem Gehäuse 1 und einem verlängerten Fortsatz 16 der Lenkmutter 5 ist ein Sensor 15 integriert, der die axiale Verschiebung erfaßt. A sensor 15 , which detects the axial displacement, is integrated between the housing 1 and an extended extension 16 of the steering nut 5 .
In Fig. 3 ist als eine mögliche Getriebeform ein Schneckengetriebe dargestellt, das mit dem Antriebsele ment 10 des Elektromotors 9 in Wirkverbindung steht.In Fig. 3, a worm gear is shown as a possible gear form, which element is in operative connection with the Antriebssele element 10 of the electric motor 9 .
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. Fig. 4 shows a further embodiment of the invention. The drive element 10 of the electric motor 9 carries prestressed friction disks 18 and 19 via a spring 17 , which transmit the torque of the electric motor 9 directly to a screw gear 21 via a friction disk 20 .
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. In Fig. 5 shows a variant of the invention is shown in which the drive element 10 of the electric motor 9 carries a spur gear 22 which meshes with a spur gear 23rd The spur gear 23 is rotatably connected to the screw gear 21 , so that a direct drive from the electric motor 9 to the push rod 13 is given. The spur gears 22 and 23 can be adjusted to one another via an adjusting mechanism 24 without play.
11
Gehäuse
casing
22
Antriebsritzel
pinion
33rd
Zahnstange
Rack
44
Kugelgewinde
Ball screw
55
Lenkmutter
Steering nut
66
Lager
camp
77
Spurstange
Tie rod
88th
Spurstange
Tie rod
99
Elektromotor
Electric motor
1010th
Antriebselement
Drive element
1111
Schnecke
slug
1212th
Schneckenrad
Worm wheel
1313
Schubstange
Push rod
1414
Lager
camp
1515
Sensor
sensor
1616
Fortsatz
Continuation
1717th
Feder
feather
1818th
Reibscheibe
Friction disc
1919th
Reibscheibe
Friction disc
2020th
Reibscheibe
Friction disc
2121
Schraubengetriebe
Helical gear
2222
Stirnrad
Spur gear
2323
Stirnrad
Spur gear
2424th
Einstellmechanismus
Adjustment mechanism
Claims (8)
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|---|---|---|---|
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