DE102004037599A1

DE102004037599A1 - Kugelschraubgetriebe für ein elektromechanisches Lenksystem und Mutter für ein Kugelschraubgetriebe

Info

Publication number: DE102004037599A1
Application number: DE102004037599A
Authority: DE
Inventors: Martin Budaker; Klaus-Dieter Dr. Leimbach; Walter Bulling; Oliver Hetzel; Klaus BÖRROTH; Oswald Wirth
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-04-20
Also published as: CN100449173C; ATE384214T1; JP2008509353A; KR20070038138A; WO2006013148A1; DE502005002584D1; EP1774201B1; JP4907531B2; KR101240087B1; US20070204711A1; ES2299057T3; EP1774201A1; CN1993574A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelschraubgetriebe (1) für ein elektromechanisches Lenksystem eines Fahrzeugs, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Gewindespindel (2) und einer Mutter (3), wobei die Gewindespindel (2) und die Mutter (3) mit Kugellaufbahnen (4) zur gemeinsamen Aufnahme von lastübertragenden Kugeln (5) innerhalb der Mutter (3) versehen sind und wobei die Mutter (3) Kugelumlenkstücke (6) zur Herausführung und Einführung der Kugeln (5) in die Kugellaufbahnen (4) aufweist. DOLLAR A Um ein Kugelschraubgetriebe zu schaffen, dessen Kugelführung einen gleichförmigen, geräuscharmen Lauf des Kugelschraubgetriebes (1) insbesondere bei einer Querkraftbeaufschlagung der Gewindespindel (2) ermöglicht, ist vorgesehen, dass die Mutter (3) mit den Kugelumlenkstücken (6) in ihrem Übergangsbereich (8) zu den Kugellaufbahnen (4) so gestaltet ist, dass sich in Höhe eines Anlage- oder Druckwinkels (22) eine Gabelstruktur des gotischen Laufbahnprofils (16) der Kugellaufbahnen (4) in diesem Bereich ergibt und eine etwa stetig progressiv sich verändernde Kontaktfläche (9) der Kugellaufbahnen (4) der Gewindespindel (2) zu den Kugeln (5) zum definierten ruckfreien Ein- oder Auslauf der Kugeln (5) aus einer Lasteinlauf- und Lastauslaufzone (10) gewährleistet ist. Die Kugeln (5) sind in einer geschlossenen Kette (7) über etwa zwei oder mehr Gewindegänge in den Kugellaufbahnen (4) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelschraubgetriebe für ein elektromechanisches Lenksystem eines Fahrzeugs, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Mutter für ein Kugelschraubgetriebe eines Lenksystems nach Anspruch 14.

Kugelschraubgetriebe für Lenksysteme oder Kugelumlauf-Lenkgetriebe für Fahrzeuge sind bekannt. Die EP 0 133 003 B1 beschreibt ein Kugelschraubgetriebe für ein elektromechanisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit einer, mit einer Lenkhandhabe über ein Ritzel und eine Zahnstange wirkverbundenen Gewindespindel die schraubenförmige. Kugellaufbahnen um deren Umfang aufweist, wobei die Gewindespindel eine axial unbeweglich in einem Getriebegehäuse gelagerte Mutter durchragt, gegenüber der die Gewindespindel bei Rotation der Mutter axial bewegbar ist. Die Mutter weist schraubenförmige Kugellaufbahnen auf. Die Kugellaufbahnen der Gewindespindel und der Mutter dienen zur gemeinsamen Aufnahme von lastübertragenden Kugeln innerhalb des Axialbereiches der Mutter. Die Gewindespindel steht über eine getriebliche Verbindung aus Spurstangen und Radlenkhebeln mit gelenkten Rädern des Fahrzeugs in Wirkverbindung, wobei bei einer axialen Bewegung der Gewindespindel ein Lenkwinkel der gelenkten Räder des Fahrzeugs verändert wird.

Die Laufeigenschaften solcher Kugelschraubgetriebe sind von der geometrischen Ausgestaltung der Kugellaufbahnen der Gewindespindel und der Mutter im tragenden Gewindebereich und insbesondere von den geometrischen Verhältnissen der Laufbahn der Kugeln von der Kugelführung über die Lastein- und Lastauslaufzone in die Mutter und deren Gewindegänge abhängig. Bei der Lasteinlaufzone und Lastauslaufzone muß eine optimal gestaltete Geometrie derart beschaffen sein, dass die jeweilige Kugel aus der Kugelführung definiert und ruckfrei in den tragenden Bereich des Gewindeganges, in dem die Kugel den äußeren Belastungen durch Vorspannkraft und Lastkraft ausgesetzt ist, einläuft. Durch die geometrischen Verhältnisse bestimmt sich ein ruckfreier, mit konstantem Drehmoment erfolgender Lauf des Kugelschraubgetriebes und auch die Wärme- und Geräuschentwicklung des Kugelschraubgetriebes.

Die bekannten Lenkgetriebe weisen das Prinzip der Einzelkettenumlenkung der Kugelketten in der Lenkmutter auf, wobei die Kugellaufbahn im Bereich der Kugelführung unterbrochen ist und das Kugelschraubgetriebe bei Querkraftbeaufschlagung der Gewindespindel, also besonders bei solchen elektromechanischen Lenksystemen auftretenden, hohen Kräften senkrecht zur Längsachse der Zahnstange und der Gewindespindel zu Geräuschentwicklung neigen, da die Gewindespindel und die an ihr festgelegte getriebliche Verbindung zu den gelenkten Rädern des Fahrzeugs im Bereich der Kugelführung nicht gleichförmig radial von den Kugeln abgestützt ist. Zudem werden die Kugeln insbesondere bei Querkraftbeaufschlagung der Gewindespindel in einem Übergangsbereich der Kugelführung zu den Kugellaufbahnen in einen tragenden Gewindebereich gedrückt, wobei die übliche, in einer kreisförmigen Öffnung mit einer Einlaufkante endende Kugelführung zu einem ruckartigen Eintrag oder Austrag der Kugeln in die Lasteinlauf- oder Lastauslaufzone der Kugellaufbahnen beiträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelschraubgetriebe für ein elektromechanisches Lenksystem zu schaffen, dessen Lasteinlauf- und Lastauslaufzone einen gleichförmigen, geräuscharmen Lauf des Kugelschraubgetriebes ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einem Kugelschraubgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Mutter für ein Kugelschraubgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.

Dadurch dass in dem Kugelschraubgetriebe die Kugeln in einer geschlossenen Kette in den Kugellaufbahnen angeordnet sind, ist ein ruckfreier Einlauf und Austrag der Kugeln in die Kugellaufbahnen der Gewindespindel und der Mutter ermöglicht. Durch die geschlossene Kugelkette in den Kugellaufbahnen ergibt sich keine Unterbrechung der tragenden Kugellaufbahn und somit auch nicht die Möglichkeit des Erzeugens von Schlaggeräuschen durch Querkrafteinfluß an der Gewindespindel.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Kugelschraubgetriebes sind dessen Lasteinlauf- und Lastauslaufzone der Mutter in ihrem Übergangsbereich zu den Gewindenuten so gestaltet, dass sich eine etwa stetig progressiv verändernde Kontaktfläche zwischen den Kugellaufbahnen der Gewindespindel und den Kugeln ergibt. Die Kugeln werden über die sich allmählich vergrößernde oder verkleinernde Kontaktfläche zu den Kugellaufbahnen der Gewindespindel und die sich dadurch ebenfalls allmählich an den Kugeln ändernde Rollreibung nicht ruckartig in diesem Übergangsbereich beschleunigt oder verzögert. Die Kugeln laufen aus der Kugelführung in der Mutter entlang von zwei Kanten eines gotischen Laufbahnprofils bis sie in Höhe des Anlagen-Druckwinkels in den Gewindegang eintreten. Die Kugeln werden dadurch sukzessive der Rollreibung durch die Relativbewegung der Gewindespindel und der Mutter ausgesetzt bzw. entzogen und von selbst mit in oder aus einem Kugelrücklaufkanal an der Mutter mitgenommen. Die Kugeln werden dadurch im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik nicht ruckartig nachgeschoben und in die Gewindegänge, die von den Kugellaufbahnen an der Mutter und der Gewindespindel gemeinsam gebildet werden, ruckartig gepresst.

Es kann zweckmäßig sein, in dem Kugelschraubgetriebe zwei oder mehrere Kugelketten mit zwei oder mehreren Gewindegängen und einer Kugelrückführung aus einem Kugelrücklaufkanal und Kugelumlenkstücken zu bilden. Die Kugelrückführung mit den Kugelumlenkstücken und dem Kugelrücklaufkanal ist bevorzugt in dem Mantel der Mutter untergebracht. Das Kugelumlenkstück ist bevorzugt in einem Umform- und/oder Gießverfahren einstückig gebildet und aus einem Metall- oder Nichtmetallwerkstoff gebildet. Der Kugelrücklaufkanal verläuft bevorzugt mit geringem radialem Abstand zum Umfang der Gewindespindel im wesentlichen oder völlig innerhalb der Mutter. Der Kugelrücklaufkanal, der bevorzugt als im wesentlichen axial geführte Bohrung im Mantel der Mutter verläuft, ist tangential zu dem Übergangsbereich des Kugelumlenkstückes zu den Kugellaufbahnen geführt, sodaß das jeweilige Kugelumlenkstück als Einlegeteil für die Mutter gebildet sein kann und die Öffnung des Kugelrücklaufkanals und des Kugelumlenkstückes nach Einlegen des jeweiligen Kugelumlenkstückes in die Mutter fluchtend zueinander zu liegen kommen.

Die Kugelumlenkstücke sind in einer montagefreundlichen, besonders bevorzugten Ausführungsform der Mutter an axialen Enden der Mutter oder in deren Nähe positioniert, sodaß die Kugelumlenkstücke auf einfache Weise mit je einem axialen Sicherungselement, wie einem Sprengring und/oder einem Federelement, wie einer axial zwischen dem Sprengring und dem Kugelumlenkstück angeordneten, vorzugsweise mit einem Elastomeren, wie Gummi, beschichteten Scheibe festgelegt werden können. Die Kugeln wälzen sich zumindest im Bereich der Kugelumlenkstücke über ein gotisches Laufbahnprofil ab.

Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
1 zeigt einen Längsschnitt eines Kugelschraubgetriebes mit einem elektromechanischen Antrieb,
2 zeigt einen teilweisen Längsschnitt und eine Ansicht des Kugelschraubgetriebes in 1,
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kugelumlenkstückes,
4 zeigt eine Ansicht einer Stirnseite einer Mutter des Kugelschraubgetriebes in 1,
5 zeigt einen Querschnitt durch ein gotisches Laufbahnprofil mit schrägem Anschnitt der Kugelführung der Mutter des Kugelschraubgetriebes in 1.
In 1 ist in einem Längsschnitt ein Kugelschraubgetriebe 1 für ein elektromechanisches Hilfskraft-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Eine drehbar in einem Getriebegehäuse 19 gehaltene Gewindespindel 2 ist mit einer Lenkhandhabe des Kraftfahrzeugs über eine nicht gezeigte Zahnstange, auf der ein drehfest mit der Lenkhandhabe verbundenes Ritzel kämmt, verbunden. In dem Getriebegehäuse 19 ist sowohl das Kugelschraubgetriebe 1, die Gewindespindel 2, als auch ein Elektromotor 20 der über ein Untersetzungsgetriebe 21 auf eine Mutter 3 wirkt, angeordnet. Die Gewindespindel 2 weist um ihren Umfang schraubenförmige Kugellaufbahnen 4 mit etwa gleicher Steigung wie schraubenförmige Kugellaufbahnen 4 in der Mutter 3 auf. Die Mutter 3 ist von der Gewindespindel 2 durchragt und über Kugeln 5 einer Kugelkette 7, die geschlossen in den Kugellaufbahnen 4 von Gewindespindel 2 und Mutter 3, sowie in einer Kugelrückführung 12, bestehend aus je einem Kugelumlenkstück 6 (vgl. 2) und einem Kugelrücklaufkanal 13, angeordnet sind, mit der Gewindespindel 2 wirkverbunden. Die Gewindespindel 2 verschiebt sich bei Drehung der Mutter 3 axial auf dieser. An der Gewindespindel 2 ist eine getriebliche Verbindung, bestehend aus Spurstangen und Radlenkhebeln zu lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeugs festgelegt, sodaß bei einer Axialverschiebung der Gewindespindel 2 auf der Mutter 3 ein Lenkwinkel der lenkbaren Räder verändert wird. Die Kugeln 5 laufen in den Kugellaufbahnen 4 mit kleinstmöglichem Spiel.
Um ein ruckfreies Einführen und Austragen der Kugeln 5 in die Kugellaufbahnen 4 zu ermöglichen und um eine stetige, gleichförmige radiale Abstützung der Gewindespindel 2 an der Mutter 3 zu gewährleisten, sind ein oder mehrere Kugelketten 7 vorgesehen, die einen geschlossenen Gewindegang von mehr als 360° bilden, ohne Unterbrechung der tragenden Kugellaufbahn. Zudem sind an den axialen Enden 17, 17' eines Kugelrücklaufkanales 13 Kugelumlenkstücke 6 in die Wand der Mutter 3 eingelegt und festgelegt, die so gestaltet sind, dass sie in ihrem Übergangsbereich 8 zu den Kugellaufbahnen 4 eine stetig zu den Kugellaufbahnen 4 hin verkleinernde Grundfläche aufweisen, die wiederum eine stetig sich progressiv verändernde Kontaktfläche 9 der Kugeln 5 an die Kugellaufbahnen 4 ermöglicht. Dadurch lassen sich die Kugeln 5 infolge von Rollreibung bei einer Relativbewegung von Gewindespindel 2 und Mutter 3 in einer Lasteinlauf- Lastauslaufzone 10 an diesen sich aufspreitenden Enden 11 der Mutter 3 und deren Kugelumlenkstücke 6 ruckfrei bewegen (vgl. 2, 3).
In 2 ist in einem teilweisen Längsschnitt und in einer Ansicht des Kugelschraubgetriebes 1 in 1 der Aufbau des Kugelschraubgetriebes 1 mit einer einzigen Kugelkette 7, die über etwa vier Gewindegänge der Mutter 3 sich erstreckt, gezeigt. Für gleiche Bauteile gelten dieselben Bezugszeichen wie in 1.
Wie die 2 und 4 zeigen, ist der Kugelrücklaufkanal 13 im Mantel der Mutter 3 etwa axial geführt, sodass dessen Öffnung tangential zum jeweiligen Ende 11 der Kugelumlenkstücke 6 angeordnet ist. Die Kugelumlenkstücke 6 übernehmen somit sowohl die Umlenkung der Kugeln 5 von dem Kugelrücklaufkanal 13, als auch die Ein- und Ausleitung der Kugeln 5 aus den Kugellaufbahnen 4.
Die Kugelumlenkstücke 6 sind, wie 3 zeigt, einstückig gegossen. Sie können, wie dies die 2 und 4 verdeutlichen, in axialer Richtung an Enden der Mutter 3 in passgenaue Öffnungen 18, 18' eingelegt und mit je einem axialen Sicherungselement 14, wie einem Sprengring und bevorzugt mit einem Federelement 15, wie einer mit einem elastomeren Werkstoff, wie Gummi, beschichteten Stahlscheibe, in der Mutter 3 festgelegt werden.
5 zeigt eine Ansicht einer Lasteinlauf- und Lastauslaufzone 10 an der Mutter 3 im Bereich eines Anlagen-Druckwinkels 22 mit einem gotischen Laufbahnprofil 16, das eine Gabelstruktur dadurch erhält, dass das Laufbahnprofil 16 schräg angeschnitten ist und sich eine linienförmige Führung der Kugeln 5 in diesem Bereich gabelförmig aufspaltet, wodurch die Kugeln 5 von selbst infolge der Rollreibung bei einer Relativbewegung zwischen Gewindespindel 2 und Mutter 3 mitgenommen werden. Dadurch ist ein geräuscharmer, ruckfreier Betrieb des Kugelschraubgetriebes 1 gewährleistet.
BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Kugelschraubgetriebe für ein elektromechanisches Lenksystem eines Fahrzeugs, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Gewindespindel (2) die eine Mutter (3) durchragt, wobei die Gewindespindel (2) und die Mutter (3) mit Kugellaufbahnen (4) zur gemeinsamen Aufnahme von lastübertragenden Kugeln (5) innerhalb der Mutter (3) versehen sind und wobei die Mutter (3) Kugelumlenkstücke (6) zur Herausführung und Einführung der Kugeln (5) in die Kugellaufbahnen (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (5) in einer geschlossenen Kette (7) über etwa zwei oder mehrere Gewindegänge in den Kugellaufbahnen (4) angeordnet sind.
Kugelschraubgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (3) mit den Kugelumlenkstücken (6) in ihrem Übergangsbereich (8) zu den Kugellaufbahnen (4) so gestaltet ist, dass eine etwa stetig progressiv sich verändernde Kontaktfläche (9) der Kugellaufbahnen (4) der Gewindespindel (2) zu den Kugeln (5) zum definierten Ein- oder Auslauf der Kugeln (5) an einer Lasteinlauf- und Lastauslaufzone (10) in dem Übergangsbereich (8) gewährleistet ist.
Kugelschraubgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlenkstücke (6) in ihrem Übergangsbereich (8) etwa stetig in ihrer Grundfläche sich verringernde, aufspaltende Enden (11) aufweisen.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (5) in dem Übergangsbereich (8) infolge der Rollreibung bei einer Relativbewegung von Gewindespindel (2) und Mutter (3) in oder aus der Lasteinlauf- oder Lastauslaufzone (10) bewegt sind.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelschraubgetriebe (1) zwei oder mehrere Kugelketten (7) mit mehr als einem geschlossenen Gewindegang und einer Kugelrückführung (12), bestehend aus einem Kugelrücklaufkanal (13) und Kugelumlenkstücken (6) aufweist.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrückführung (12) in der Mutter (3) angeordnet ist.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelumlenkstück (6) einstückig gebildet ist.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelumlenkstück (6) durch ein Umform- oder Gießverfahren gebildet ist.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelumlenkstück (6) aus einem Metall- oder Nichtmetallwerkstoff gebildet ist.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelrücklaufkanal (13) im wesentlichen axial in der Mutter (3) verläuft.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelrücklaufkanal (13) etwa tangential zu dem Übergangsbereich (8) des Kugelumlenkstückes (6) zu den Kugellaufbahnen (4) geführt ist.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlenkstücke (6) mit einem axialen Sicherungselement (14) und/oder mit einem Federelement (15) in der Mutter (3) festgelegt sind.
Kugelschraubgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gotisches Laufbahnprofil (16) der Mutter (3) in dem Übergangsbereich (8) durch einen schrägen Anschnitt gabelförmig gebildet ist.
Mutter für ein Kugelschraubgetriebe (1) eines Lenksystems, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (3) zum ruckfreien Eintrag oder Austrag von Kugeln (5) des Kugelschraubgetriebes (1) eine Lasteinlauf- und Lastauslaufzone (10) mit Gabelstruktur aufweist, auf der Kugeln (5) aus einer Kugelrückführung (12) entlang von Kanten eines gotischen Laufbahnprofils (16) der Mutter (3) geführt sind, bis sie in Höhe eines Anlage- oder Druckwinkels (22) in die Kugellaufbahn (4) eintreten.