DE10052275A1 - Kraftfahrzeugservolenkung mit elektrischem Servomoto und Zahnriemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem von einem Fahrer zu betätigenden Lenkrad, mit einem Lenkgetriebe, das durch Verlagerung eines über eine Getriebeeinrichtung anzutreibenden beweglichen Bauelements eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt. Weil ein elektrischer Servomotor, der mit einer eine Zahnscheibe tragenden Motorwelle über einen Zahnriemen mit einem zahnscheibenförmigen Eingangsrad der Getriebeeinrichtung und mit dem Bauelement antriebsmäßig verbunden ist, ist eine einfache, wartungsfreie und spielfreie Kraftübertragung gewährleistet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige Servolenkungen sind aus der EP 101579 B1 be­ kannt, bei der ein elektrischer Servomotor über einen Ku­ gelumlauf auf eine Zahnstange wirkt. Der Elektromotor, der Kugelumlauf und die Zahnstange sind dabei koaxial an­ geordnet. Der Elektromotor umgreift den Kugelumlauf an seiner Außenseite.

Weiter ist aus der EP 0133003 B1 eine entsprechende Ser­ volenkung bekannt, bei der ein Elektromotor ebenfalls ü­ ber einen Kugelumlauf auf eine Zahnstange wirkt. Hierbei ist der erforderliche Bauraum für die Verwendung am Kraftfahrzeug günstiger aufgeteilt, indem der Elektromo­ tor von dem Kugelumlauf in Axialrichtung beabstandet ist.

Das in beiden Dokumenten dargestellte Kugelumlaufgetriebe zur Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in eine Axialbewegung der Zahnstange erfordert in der Praxis ent­ weder einen relativ großen, langsam laufenden Elektromo­ tor (EP 0101579 B1) oder aber ein Reduziergetriebe zwi­ schen dem Elektromotor und dem Kugelumlauf (EP 0133003 B1), um den Drehmomentbereich und den Drehzahlbereich des jeweiligen Elektromotors an das Übersetzungsverhältnis des Kugelumlaufs anzupassen.

In der EP 0133003 B1 kämmt das Motorritzel mit einem Stirnrad mit großem Radius, welches koaxial zum Kugelum­ lauf angeordnet ist. Die Summe der Radien der beiden Stirnräder entspricht dabei dem Achsabstand von Motor zu Kugelumlauf. Nachteilig ist hier der große Durchmesser, der auch auf der dem Motor abgewandten Seite des Kugelum­ laufs zu einem großen Platzbedarf der Vorrichtung führt.

Zur Verkleinerung des Bauraums ist in der WO 98/38072 ein Zwischenrad zwischen dem Motorritzel und dem Stirnrad des auf die Zahnstange wirkenden Reduziergetriebes vorgese­ hen. Hier ergibt sich das Problem, dass dieses Zwischen­ rad in der Praxis nicht spielfrei ist. Bei Lastrichtungs­ wechseln kann dieses Spiel, das sich auch temperaturab­ hängig ändern kann, zu Geräuschen und zu undefinierten Zuständen der Regelung führen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Servolenkung der bekannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Getriebe zur Verbindung des Servomotors mit dem Lenkgetriebe spielfrei ist.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 1 gelöst.

Weil das Ritzel und das Eingangsrad Zahnriemenscheiben sind und dass das Getriebeelement ein Zahnriemen ist, kann eine formschlüssige Kraftübertragung erreicht wer­ den, die spielfrei eingestellt werden kann und die dauer­ haft, wartungsfrei und geräuscharm ist.

Wenn die Zahnscheiben und der Zahnriemen ein ebenes Ge­ triebe bilden, insbesondere die Achsen der Motorwelle und des Eingangsrades parallel zueinander angeordnet sind, ergibt sich ein kompakter Antrieb mit einfachem Aufbau. Zur Einstellung der Zahnriemenspannung kann vorgesehen sein, dass eine Spannrolle zahnseitig an dem Zahnriemen vorgesehen ist oder dass der Achsabstand der Motorwelle und der Getriebeeinrichtung einstellbar ist.

Ein komplett lieferbares und einfach montierbares System ergibt sich, wenn die Getriebeeinrichtung und der Servo­ motor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das mit einem Lenkgehäuse der Servolenkung vorzugsweise einstückig ist.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorlie­ genden Erfindung anhand einer Zahnstangenlenkung be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Getriebeglieder einer Zahnstangenlen­ kung mit elektrischem Servoantrieb für ein Kraftfahrzeug in einem Querschnitt entlang der Längsachse der Zahnstange; sowie

Fig. 2 die Getriebeglieder einer Zahnstangenlen­ kung mit redundantem elektrischem Servo­ antrieb für eine Steer-by-wire-Lenkung.

Die Fig. 1 zeigt schematisch die Getriebeglieder einer erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung in einem Querschnitt entlang der Längsachse der Zahnstange.

Eine Motorwelle 1 trägt bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zahnscheibe 2, die umfangsseitig mit einem Profil 3 versehen ist. Die Motorwelle 1 dreht sich im Betrieb um eine Längsachse 4.

Ein Zahnriemen 5 läuft mit seinem zu der Zahnscheibe 2 passenden Profil umfangsseitig auf der Zahnscheibe 2 und ist seitlich durch Borde 6 der Zahnscheibe 2 geführt.

Der Zahnriemen 5 läuft andererseits auf einer Zahnscheibe 7 einer Getriebeanordnung 8, die beispielsweise einen Ku­ gelumlauf zur Übertragung der Drehbewegung in eine Stell­ bewegung einer Zahnstange oder dergleichen zu übersetzen. Die Zahnscheibe 7 ist dabei um eine Achse 9 drehbar gela­ gert, die parallel zu der Achse 4 angeordnet ist.

Die übrigen Bauelemente, mit denen die Wellen 1 und 8 ge­ lagert und geführt sind sowie der Antriebsmotor für die Motorwelle 1 und die Zahnstange, auf die die Getriebeein­ richtung 8 wirkt, sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht näher beschrieben. Gleiches gilt für das Gehäuse der gesamten Anordnung, das beispielswei­ se einstückig aus Aluminium gefertigt werden kann.

In der Praxis wird die Achse 4 der Motorwelle 1 in einer festen, parallel zur Achse 9 der Getriebeeinrichtung 8 angeordneten Position in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Getriebeeinrichtung 8 eingebaut sein. Die Achsen sind relativ zueinander in Radialrichtung unverschieblich an­ geordnet. Zur Montage wird der Zahnriemen 5 zunächst auf die lose Zahnscheibe 2 zwischen die Borde 6 eingesetzt. Zur Montage wird dann die Zahnscheibe 2 in Axialrichtung auf die Welle 1 aufgesetzt, wobei gleichzeitig der Zahn­ riemen 5 auf die Zahnscheibe 7 aufgeschoben wird. Zur Einstellung der Zahnriemenspannung kann, falls erforder­ lich, eine nicht dargestellte Spannrolle vorgesehen sein, die von der Riemenrückenseite her auf ein freies Trum des Zahnriemens 5 wirkt. Die Spannrolle soll dabei nicht fe­ derbelastet sein, sondern mit einer festen Einstellung fixiert sein, so dass die gesamte Anordnung insgesamt in der Antriebsrichtung spielfrei wird. Die Spielfreiheit ist dann auch bei wechselnden Lastrichtungen gewährleis­ tet.

Bei einer alternativen Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Achse 4 in Radialrichtung zur Achse 9 verlager­ bar ist, um ohne Spannrolle das Spiel des Zahnriemens einstellen zu können. Es ist bei entsprechender Ferti­ gungsgenauigkeit auch möglich, die Achsen 4 und 9 in Ra­ dialrichtung fix zueinander anzuordnen und auf eine Spannrolle zu verzichten.

In der Fig. 2 ist eine elektrische Servolenkung in einer Ansicht entsprechend Fig. 1 dargestellt. Dabei sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern bezeich­ net.

Gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 ist ein zweiter elektrischer Servoantrieb mit einer Motorwelle 11 vorge­ sehen, der über eine Zahnscheibe 12, die umfangsseitig ebenfalls mit einem Profil 13 versehen ist, auf einen Zahnriemen 15 wirkt. Der Zahnriemen 15 wird auf der Zahn­ scheibe 12 seitlich durch Borde 16 geführt.

Der Zahnriemen 15 läuft mit dem Zahnriemen 5 auf einer gemeinsamen, gegenüber der Haftungsform der Fig. 1 brei­ ter ausgeführten Zahnscheibe 17. Die Zahnscheibe 17 wie­ derum wirkt auf die Getriebeeinrichtung 8 zur Betätigung der weiteren Elemente der Kraftfahrzeuglenkung.

Gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 sind die An­ triebselemente, die antriebsmäßig vor der Zahnscheibe 17 liegen, redundant ausgeführt. Eine solche Konfiguration ist für Steer-By-Wire-Lenkungen vorteilhaft, bei denen zwei unabhängig voneinander agierende Antriebe die not­ wendige Ausfallsicherheit bieten. Die Motorwellen 1 und 11 sind folglich auch bei diesem Ausführungsbeispiel nicht miteinander gekoppelt, so dass beim Ausfall eines Motors ebenso wie beim Ausfall eines der Zahnriemen 5, 15 die volle Funktion der Lenkung erhalten bleibt. Die übri­ gen Vorteile hinsichtlich Geräuschentwicklung, Spielfrei­ heit und einfacher Montage durch Zusammenfassung der Len­ kung zu einem System entsprechend den im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnten Vorteilen.

Insgesamt ergibt sich mit dieser Anordnung eine spiel­ freie Kraftübertragung von einem elektrischen Servomotor auf eine Getriebeeinrichtung einer Servolenkung, wobei die Kraftübertragung über die erwartete Lebensdauer des Kraftfahrzeugs zuverlässig und wartungsfrei arbeitet. Der Einstellaufwand bei der Montage ist gering oder kann völ­ lig entfallen. Die verwendeten Bauelemente sind in der Praxis erprobt und relativ preiswert. Die Bauelemente können insbesondere auch ohne Schmierung in einem Gehäuse laufen, das nicht notwendig öldicht sein muss. Dies ist sowohl bei der Herstellung als auch beim späteren Recyc­ ling des Kraftfahrzeugs vorteilhaft, da an dieser Stelle auf flüssige Betriebsstoffe verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem von ei­ nem Fahrer zu betätigenden Lenkrad, mit einem Lenkge­ triebe, das durch Verlagerung eines über eine Getrie­ beeinrichtung (8) anzutreibenden beweglichen Bauele­ ments eine Verschwenkung von lenkbaren Fahrzeugrädern bewirkt, mit wenigstens einem elektrischen Servomo­ tor, der jeweils mit einer ein Ritzel (2, 12) tragen­ den Motorwelle (1, 11) über ein Getriebeelement (5, 15) mit einem Eingangsrad (7, 17) der Getriebeein­ richtung und dadurch mit dem Bauelement antriebsmäßig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das we­ nigstens eine Ritzel (2, 12) und das Eingangsrad (7, 17) Zahnriemenscheiben sind und dass das Getriebeele­ ment (5, 15) jeweils ein Zahnriemen (5, 15) ist.

2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnscheiben (2, 12, 7, 17) und der Zahnrie­ men (5, 15) ein ebenes Getriebe bilden, insbesondere die Achsen (4, 9) der Motorwelle (1, 11) und des Ein­ gangsrades (7, 17) parallel zueinander angeordnet sind.

3. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannrolle zahnseitig oder rückenseitig an dem wenigstens einen Zahn­ riemen (5, 15) vorgesehen ist.

4. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsabstand der Mo­ torwelle (1, 11) und der Getriebeeinrichtung (8) ein­ stellbar ist.

5. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (8) und der Servomotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das mit einem Lenkgehäuse der Servo­ lenkung vorzugsweise einstückig ist.

6. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Servomotoren vorge­ sehen sind, die mittels jeweils einer Zahnscheibe (2, 12) über jeweils einen Zahnriemen (5, 15) gemeinsam auf ein Eingangsrad (7, 17) einer Getriebeeinrichtung (8) wirken.