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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung einer Kugelgewindemutter
eines Kugelgewindetriebs, insbesondere für eine Servolenkung eines Kraftfahrzeugs,
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren
betrifft die Erfindung eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
sowie eine entsprechende Servolenkung sind aus der
DE 103 10 492 A1 bekannt.
Hierbei ist der für
die Lenkunterstützung
zuständige
Elektromotor mittels eines Riemengetriebes mit der Kugelgewindespindel
des Kugelgewindetriebs verbunden.
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Bei
solchen Servolenkungen wird die Bewegungs- und Kraftübertragung
von der Kugelgewindespindel bzw. der mit derselben verbundenen Zahnstange
auf die zu lenkenden Räder
von jeweiligen Spurstangen übernommen.
Diese Spurstangen verlaufen üblicherweise
nicht paral lel zu der Achse der Kugelgewindespindel bzw. der Zahnstange,
sondern weisen gegenüber
derselben einen Knickwinkel auf.
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Durch
unterschiedliche Fahrzustände
bzw. Fahrsituationen werden über
die Spurstangen unterschiedliche Kräfte in die Kugelgewindespindel
eingeleitet, die sich aufgrund des Winkels der Spurstangen gegenüber der
Kugelgewindespindel in radiale und axiale Kraftkomponenten aufteilen.
Da die Zahnstange an zwei Stellen, nämlich im Bereich ihres Antriebs und
an dem Kugelgewindetrieb, gelagert ist, führen diese Kräfte zu einer
Verbiegung der Zahnstange und der Kugelgewindespindel. Im Zuge dieser
Verbiegung der Kugelgewindespindel kommt es häufig dazu, dass ein Großteil der
Last durch die sich am äußersten
Rand der die Kugelgewindespindel aufnehmenden Kugelgewindemutter
befindlichen Kugeln getragen werden muss und die anderen Kugeln
vollkommen lastfrei sind. Dies ist problematisch, da für einen
ruhigen Lauf der Kugelgewindespindel stets möglichst viele Kugeln im Eingriff
sein müssen.
Außerdem
führen
die auftretenden Biegemomente und die sich ergebende ungleichmäßige Lastverteilung innerhalb
des Kugelgewindetriebs zu zusätzlichen Belastungen
der einzelnen Komponenten des Kugelgewindetriebs. Bei einer Überschreitung
bestimmter Belastungsgrenzen kann es daher zu erheblichen Einschränkungen
der Lebensdauer durch Beschädigungen
der Laufbahnen der Kugelgewindemutter bzw. der Kugelgewindespindel
kommen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Lagerung einer Kugelgewindemutter eines Kugelgewindetriebs zu schaffen, welche
in der Lage ist, die beim Einsatz innerhalb einer Servolenkung eines
Kraftfahrzeugs auftretenden Kräfte
möglichst
verspannungsfrei aufzunehmen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch
den wenigstens einen Anbringbereich und den wenigstens einen Verbindungsbereich
ist eine Abstützung
des Aufnahmeelements an dem Gehäuse
möglich,
so dass in Axialrichtung auf die Kugelgewindespindel wirkende Kräfte über die
Kugelgewindemutter, das Lager und den Außenring des Aufnahmeelements
auf das Gehäuse
wirken und damit sicher aufgenommen werden können. Hierbei wirken die Axialkräfte über das
Lager auf den Innenring des Aufnahmeelements, so dass diese auch
von dem Verbindungsbereich aufgenommen werden.
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Die
bei entsprechenden Fahr- oder Beladezuständen des Kraftfahrzeugs auf
den Kugelgewindetrieb wirkenden Biegekräfte bzw. -momente werden dabei
durch den wenigstens einen nachgiebigen Federbereich aufgenommen,
der ein Kippen des Innenrings gegenüber dem Außenring ermöglicht, so dass sich das gesamte
Aufnahmeelement verbiegt und die Biegekräfte bzw. -momente nicht zu
einer Verspannung des Kugelgewindetriebs führen können. Durch die besondere Art
der Lagerung ist es möglich,
dass die Kugelmutter der Verbiegung der Kugelgewindespindel folgen
kann.
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Hierbei
ist vorteilhafterweise der Wirkmechanismus der axialen Kraftübertragung
von dem Wirkmechanismus des Zulassens der Kippbewegung mittels des
wenigstens ei nen Federbereichs getrennt, so dass trotz einer Erhöhung der
Nachgiebigkeit ausreichend hohe Axialkräfte aufgenommen werden können. Durch
diese Entkopplung der unterschiedlichen Wirkmechanismen ist es möglich, den
wenigstens einen Federbereich im Verhältnis zu dem wenigstens einen
Verbindungsbereich sehr dünn
und damit weich auszuführen,
um auf diese Weise eine maximale Nachgiebigkeit des Aufnahmeelements bezüglich Biegemomenten
zu erreichen.
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Dabei
kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der wenigstens
eine Verbindungsbereich so ausgeführt sein, dass er nach Überwindung
eines gewissen Axialspiels an einem festen Anschlag an dem Gehäuse anliegt.
Dadurch wird die Kippnachgiebigkeit nicht negativ beeinflusst und
es ist dennoch nur ein sehr geringes Spiel in axialer Richtung möglich.
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Eine
bezüglich
der Aufnahme der auftretenden Axialkräfte besonders zu bevorzugende
Lösung kann
darin bestehen, dass der Außenring
an zwei einander gegenüberliegenden
Anbringbereichen an dem Gehäuse
gelagert ist.
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Die
mittels des Aufnahmeelements aufnehmbaren Axialkräfte können erhöht werden,
wenn der Außenring
an zwei einander gegenüberliegenden Verbindungsbereichen
mit dem Innenring verbunden ist.
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In
diesem Zusammenhang ist es hinsichtlich einer weiteren Erhöhung der
Kippnachgiebigkeit besonders zu bevorzugen, wenn zwischen jedem
der Anbringbereiche und der Verbindungsbereiche ein nachgiebiger
Federbereich vorgesehen ist.
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Wenn
in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der
dem Außenring
zugehörende
Abschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs an wenigstens
einer seiner dem Gehäuse zugewandten
Flächen
konvex ausgebildet ist, so kann trotz der Begrenzung des Axialspiels
eine weitere Kippnachgiebigkeit erreicht werden. Diese ergibt sich
aus der Rollreibung, die den Kippwiderstand in diesem Bereich verringert.
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Eine
Servolenkung für
ein Kraftfahrzeug, bei welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Einsatz kommt, ist in Anspruch 11 angegeben.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer Servolenkung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 einen
Schnitt durch den Kugelgewindetrieb mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach der Linie II-II aus 3;
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3 einen
Schnitt nach der Linie III-III aus 2;
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4 eine
schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine
Seitenansicht der Vorrichtung gemäß dem Pfeil V aus 4;
und
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6 eine
perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
eine Servolenkung 1 für
ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Die Servolenkung 1 weist
in an sich bekannter Weise ein Lenkgehäuse 2, einen zur Lenkunterstützung dienenden
Elektromotor 3 und eine Schubstange 4 zum Auslenken
von nicht dargestellten Fahrzeugrädern auf. Des weiteren sind ein
Antriebsritzel 5 für
die Schubstange 4 sowie ein Getriebe 6 vorgesehen,
welches zur Verbindung des Elektromotors 3 mit der Schubstange 4 dient.
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2 zeigt
in einem Schnitt einen Kugelgewindetrieb 7, der neben der
nicht dargestellten Lagerung der Schubstange 4 im Bereich
des Antriebsritzels 5 die zweite Lagerung der Schubstange 4 darstellt.
Dabei ist eine Kugelgewindespindel 8, die einen Teil der
Schubstange 4 bildet, in einer Kugelgewindemutter 9 drehbar
gelagert. In an sich bekannter Weise befinden sich zwischen der
Kugelgewindespindel 8 und der Kugelgewindemutter 9 mehrere
Kugeln 10. Da die Funktionsweise des Kugelgewindetriebs 7 aus
dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, wird hierin nicht
näher darauf
eingegangen.
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Die
Kugelgewindemutter 9 ist mittels einer nachfolgend detaillierter
beschriebenen Vorrichtung 11 in dem Lenkgehäuse 2 drehbar
gelagert. Die Vorrichtung 11 weist ein im vorliegenden
Fall als Wälzlager
ausgebildetes Lager 12 und ein Aufnahmeelement 13 auf,
welches das Lager 12 aufnimmt und dasselbe in dem Lenkgehäuse 2 anordnet.
Wie in 2 des weiteren zu erkennen ist, steht das Aufnahmeelement 13 hierzu
an seinem äußeren Umfang
mit dem Lenkgehäuse 2 in
Kontakt. Das Aufnahmeelement 13 dient dazu, die beim Einsatz
der Servolenkung 1 auftretenden Kräfte so aufzunehmen, dass eine
möglichst
geringe Verspannung des Kugelgewindetriebs 7 entsteht.
Das heißt
durch die besondere Art der Lagerung kann die Kugelmutter 9 der Verbiegung
der Kugelgewindespindel 8 folgen.
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Der
Aufbau des Aufnahmeelements 13 ist in 3 deutlicher
zu erkennen. Das Aufnahmeelement 13 weist einen mit dem
Lenkgehäuse 2 in
Verbindung stehenden Außenring 14 sowie
einen das Lager 12 aufnehmenden Innenring 15 auf.
Hierbei ist der Außenring 14 an
zwei einander gegenüberliegenden
Anbringbereichen 16 an dem Lenkgehäuse 2 gelagert und
an zwei jeweils in Umfangsrichtung des Außenrings 14 von den
Anbringbereichen 16 entfernten Verbindungsbereichen 17 mit
dem Innenring 15 verbunden. In diesem Zusammenhang ist
es zu bevorzugen, den Außenring 14 an
den Anbringbereichen 16 fest mit dem Lenkgehäuse 2 zu
verbinden, es ist jedoch auch möglich,
in den Anbringbereichen 16 ein Axialspiel vorzusehen. Zwischen
jedem der Anbringbereiche 16 und der Verbindungsbereiche 17 ist
jeweils ein nachgiebiger Federbereich 18 vorgesehen, so
dass das Aufnahmeelement 13 bei der dargestellten Ausführungsform
insgesamt vier Federbereiche 18 aufweist. Im vor liegenden
Fall sind die Anbringbereiche 16 und die Verbindungsbereiche 17 so um
den Umfang des Aufnahmeelements 13 verteilt, dass eine
durch die beiden Anbringbereiche 16 verlaufende, gedachte,
als Einspannachse 19 bezeichnete Achse und eine durch die
beiden Verbindungsbereiche 17 verlaufende, gedachte, als
Kippachse 20 bezeichnete Achse um einen Winkel von im wesentlichen
90° versetzt
zueinander angeordnet sind. Gegebenenfalls könnten die beiden Achsen 19 und 20 auch
unter einem anderen Winkel zueinander verlaufen.
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Durch
diese Konstruktion ist das vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff,
insbesondere einem Stahl, bestehende Aufnahmeelement 13 in
der Lage, auf die Kugelgewindespindel 8 in Axialrichtung derselben
einwirkende Kräfte über die
Verbindungsbereiche 17 aufzunehmen und zugleich, aufgrund der
nachgiebigen Federbereiche 18, eine Verkippung des Innenrings 15 gegenüber dem
Außenring 14 zu erlauben.
Diese Verkippung erfolgt dabei um die gedachte, durch die beiden
Verbindungsbereiche 17 verlaufende Kippachse 20 des
Aufnahmeelements 13, d.h. es findet eine Verkippung bzw.
Verdrehung der Kippachse 20 gegenüber der steifen Einspannachse 19 statt.
Dabei ist die Kippnachgiebigkeit um die Kippachse 20, die
mittels der Federbereiche 18 ermöglicht wird, vollständig von
der axialen Belastbarkeit des Aufnahmeelements 13, die
durch die Anbringbereiche 16 und die Verbindungsbereiche 17 festgelegt
ist, getrennt.
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Die
Verbindungsbereiche 17 zwischen dem Außenring 14 und dem
Innenring 15 erhöhen
die axiale Belastbarkeit des Aufnahmeelements 13, indem sie
so ausgeführt
sind, dass sie nach Überwindung eines
Axialspiels an einem festen Anschlag an dem Lenkgehäuse 2 anliegen.
Durch eine entsprechende Dimensionierung der Verbindungsbereiche 17 kann die
axiale Steifheit des Aufnahmeelements 13 beeinflusst werden,
wobei eine Vergrößerung der
Verbindungsbereiche 17 die axiale Steifigkeit erhöht.
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Die 4 und 5 zeigen
das Aufnahmeelement 13 in jeweiligen Prinzipdarstellungen.
Hierbei ist die auf das Aufnahmeelement 13 wirkende Axialkraft
mit Fa und das Biegemoment mit MZ bezeichnet.
Die Axialkraft Fa wirkt über
das Lager 12 auf den Innenring 15 des Aufnahmeelements 13,
so dass sie insbesondere über
die Verbindungsbereiche 17 aufgenommen wird. Es ist des
weiteren zu erkennen, dass der dem Außenring 14 zugehörende Abschnitt
der Verbindungsbereiche 17 an seiner dem Lenkgehäuse 2 zugewandten
Fläche 17a konvex, d.h.
als Radius ausgebildet ist. Auf diese Weise ist nach Überwindung
des mit "e" bezeichneten Axialspiels
der Verbindungsbereiche 17 gegenüber dem Lenkgehäuse 2 ein
Abrollen des Verbindungsbereichs 17 an dem Lenkgehäuse 2 gewährleistet. Durch
die in diesem Bereich auftretende Rollreibung ergibt sich ein sehr
geringer Kippwiderstand. Alternativ könnte die Fläche 17a auch als Ellipse
oder gegebenenfalls auch eben ausgebildet sein.
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In
der perspektivischen Ansicht gemäß 6 ist
die konstruktive Ausführung
des Aufnahmeelements 13 nochmals sehr detailliert zu erkennen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 11 wäre es auch
möglich,
dass das Aufnahmeelement 13 eine geringere oder eine höhere Anzahl
als die beiden gere oder eine höhere
Anzahl als die beiden Anbringbereiche 16 bzw. die beiden
Verbindungsbereiche 17 und insbesondere eine geringere
oder höhere
Anzahl als die vier Federbereiche 18 aufweist. Des weiteren
wäre es
theoretisch möglich,
den Innenring 15 des Aufnahmeelements 13 als äußere Lagerschale
für das
Lager 12 zu nutzen.
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- 1
- Servolenkung
- 2
- Lenkgehäuse
- 3
- Elektromotor
- 4
- Schubstange
- 5
- Antriebsritzel
- 6
- Getriebe
- 7
- Kugelgewindetrieb
- 8
- Kugelgewindespindel
- 9
- Kugelgewindemutter
- 10
- Kugeln
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Lager
- 13
- Aufnahmeelement
- 14
- Außenring
- 15
- Innenring
- 16
- Anbringbereich
- 17
- Verbindungsbereich
- 17a
- Fläche
- 18
- Federbereich
- 19
- Einspannachse
- 20
- Kippachse